駱 飛,石雙虎,鄧志文,賀 涌,莊 劍,崔 畢

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

CANDES等[1]和DONOHO[2]于2006年提出了壓縮感知(Compressed Sensing,CS)的概念,該理論對(duì)信號(hào)的采樣和壓縮發(fā)生在同一個(gè)步驟,利用信號(hào)的稀疏性以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣,并且可以幾乎無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)?；趬嚎s感知的非規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和地震數(shù)據(jù)重建方法則為三維高密度地震勘探的大規(guī)模開(kāi)展提供了有效的方案[3-6]。為了將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于野外地震采集,首先將原來(lái)按頻率連續(xù)激發(fā)的掃描信號(hào)分解成不同頻帶組成的N個(gè)子信號(hào),并將這些子信號(hào)按正交方式進(jìn)行編排,然后變換其順序得到不同的正交子信號(hào)激發(fā)序列,再把相同時(shí)刻的子信號(hào)正交序列選出來(lái)賦予不同的震源,這樣在同一時(shí)間用多臺(tái)震源同時(shí)激發(fā),形成一個(gè)相互正交的混合波場(chǎng),通過(guò)相關(guān)就可以重構(gòu)各自的波場(chǎng),從而獲得多炮地震資料,這就是分頻同時(shí)掃描技術(shù)(FS3)[7-12]。該方法利用時(shí)間和空間上的冗余,合理安排和構(gòu)建同一時(shí)間正交子信號(hào),從而把多炮資料壓縮到一炮的時(shí)間上進(jìn)行激發(fā)。

目前可控震源高效采集方法作為實(shí)現(xiàn)低成本、高密度采集的方向得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。這些方法大多以同時(shí)激發(fā)為主,由于同時(shí)激發(fā)的掃描信號(hào)具有相關(guān)性,鄰炮干擾和諧波干擾使資料的品質(zhì)下降,本文引入了信號(hào)切分、重組的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多震源同時(shí)掃描。由于不同頻率的信號(hào)之間互不相干,因此將一個(gè)目標(biāo)掃描信號(hào)分離成若干個(gè)不同或相關(guān)性很小頻帶的子信號(hào),就能實(shí)現(xiàn)同時(shí)掃描而使鄰炮干擾達(dá)到最小甚至消除。將所有同一個(gè)激發(fā)點(diǎn)包含一個(gè)目標(biāo)掃描信號(hào)的子信號(hào),通過(guò)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,合成該激發(fā)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),形成單炮記錄。這種分頻掃描的方法極大地增加了可同時(shí)激發(fā)的震源數(shù)量,提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)保證了對(duì)鄰炮資料的高分離度,減少了設(shè)備的投入,壓制了諧波干擾。另外由于該方法中頻帶可以任意切分,因此可以在線性掃描情況下為特定頻帶特別是低頻增加能量創(chuàng)造條件,從而減少由于非線性掃描帶來(lái)的諧波干擾;同時(shí)可以使各頻帶能量輸出均勻以實(shí)現(xiàn)合成記錄的能量均衡。但該方法的實(shí)施需要將眾多的掃描子信號(hào)合理分配,使同時(shí)掃描的震源應(yīng)用不同的子掃描信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)鄰炮干擾達(dá)到最小甚至消除的目的,這給震源管理和控制增加了難度。本文將以實(shí)例的形式描述這種方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和效果。

1 分頻同時(shí)掃描采集方法的實(shí)現(xiàn)

分頻同時(shí)掃描是將勘探所需的掃描信號(hào)按頻帶分成若干個(gè)頻段(設(shè)計(jì)中保持各頻段能量輸出均勻),各個(gè)頻段之間互不相關(guān)或相關(guān)性很小,將各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的掃描信號(hào)當(dāng)作一次獨(dú)立的子掃描,一臺(tái)震源獨(dú)立激發(fā)完成目標(biāo)掃描信號(hào)所有頻段的掃描,將這些頻段的掃描記錄合成,獲得原始記錄。

假設(shè)目標(biāo)掃描信號(hào)為:

(1)

式中:A為振幅;f0為頻率分辨率;Δf為頻率采樣間隔;T為采樣間隔。分頻后掃描信號(hào)分別為s1,s2,…,sn,頻帶分別為f1～f1+Δf1,f2～f2+Δf2,…,fn～fn+Δfn,那么第i個(gè)掃描子信號(hào)可以用(2)式計(jì)算得到:

(2)

根據(jù)傅里葉變換的線性性質(zhì):

(3)

經(jīng)反變換重構(gòu)設(shè)計(jì)的掃描信號(hào)。由于信號(hào)傳輸過(guò)程中,地下介質(zhì)的響應(yīng)與信號(hào)本身的性質(zhì)有關(guān),相同的信號(hào)其響應(yīng)相同,因此最后接收到的地震記錄同樣可以用這種方法進(jìn)行合成重構(gòu),效果等同于目標(biāo)掃描信號(hào)的一次掃描。由于同時(shí)激發(fā)的震源需要不同頻帶的掃描信號(hào),因此要求一個(gè)可控震源激發(fā)控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)激發(fā)信號(hào)的編碼與控制功能,這樣的系統(tǒng)包括震源、GPS及命令中心等(圖1),可以實(shí)現(xiàn)以下功能:①16個(gè)信號(hào)編碼和控制;②能夠建立并容納16個(gè)頻段編碼任務(wù)池;③震源控制箱體智能實(shí)現(xiàn)震源不同掃描信號(hào)的連續(xù)激發(fā);④震源自由放炮(激發(fā)方法)。

圖1 激發(fā)控制系統(tǒng)

2 野外試驗(yàn)驗(yàn)證

由于分頻同時(shí)激發(fā)需要一個(gè)連續(xù)的記錄系統(tǒng),本文選擇在尼日爾項(xiàng)目Gabobl與Boul區(qū)塊施工的GSR節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)進(jìn)行分頻同時(shí)激發(fā)方法驗(yàn)證,并在同一位置用FS3技術(shù)實(shí)施一條二維試驗(yàn)線,將其與該區(qū)生產(chǎn)方法——距離分離同時(shí)掃描(Distance Separated Simultaneous Sweep,DS3)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖2 是DS3和FS3野外試驗(yàn)的采集方式示意圖。試驗(yàn)方案包括8臺(tái)可控震源,詳細(xì)的激發(fā)參數(shù)見(jiàn)表1。表2是FS3采集方式使用的8個(gè)分頻子掃描信號(hào)的頻帶劃分與編碼。

圖2 DS3采集方式(a)和FS3采集方式(b)

激發(fā)參數(shù)FS3DS3掃描模式線性向上掃描線性向上掃描震源數(shù)1×8分頻掃描2×1次掃描掃描長(zhǎng)度2s×816s出力70%70%斜坡/ms200300電控箱體(DSD)采樣間隔/μs500500炮點(diǎn)距/m12.525.0

表2 FS3編碼序列

3 試驗(yàn)資料分析

根據(jù)FS3的設(shè)計(jì)原理對(duì)混合記錄用子信號(hào)進(jìn)行相關(guān),驗(yàn)證分離的效果。圖3a是分頻激發(fā)試驗(yàn)中一張未相關(guān)的記錄,設(shè)計(jì)激發(fā)頻段為24～34Hz,分析混合原始記錄可以看到,記錄中存在鄰炮干擾。圖3b 是采用24～34Hz的掃描信號(hào)相關(guān)后得到的記錄,可以看到,其它頻段的鄰炮干擾能量被顯著壓制。圖4給出了記錄長(zhǎng)度內(nèi)有同頻段激發(fā)的33～43Hz分頻記錄。從圖4可以看到,在子信號(hào)激發(fā)的記錄長(zhǎng)度范圍內(nèi),如果有同頻段的信號(hào)激發(fā)(見(jiàn)圖4中紅色方框區(qū)域),則相關(guān)就不起作用,其影響的范圍與兩者之間的距離有關(guān),因此應(yīng)避免在記錄長(zhǎng)度范圍內(nèi)或主要目標(biāo)深度內(nèi)出現(xiàn)相同頻帶的子掃描信號(hào)。

由以上分離處理可見(jiàn),分頻激發(fā)可以有效壓制其它頻段的鄰炮干擾。因此,如果確保同時(shí)刻激發(fā)震源的激發(fā)頻帶不同,并保證在記錄長(zhǎng)度范圍內(nèi)未出現(xiàn)相

圖3 FS3母記錄(a)與24～34Hz分頻記錄(b)

圖4 記錄長(zhǎng)度內(nèi)有同頻段激發(fā)的33～43Hz分頻記錄

同頻帶的子掃描信號(hào)激發(fā),那么就不用限定震源同時(shí)激發(fā)的距離,也能實(shí)現(xiàn)高效采集。

分頻同時(shí)激發(fā)的每一炮均存在一定的諧波干擾。

圖5a是6～16Hz的原始資料時(shí)頻譜;圖5b是利用6～16Hz子信號(hào)相關(guān)后的時(shí)頻譜。從圖5可以看到,經(jīng)過(guò)相關(guān)后諧波干擾得到了很好的壓制。

對(duì)獲得的合格的3200炮分離后的子掃描信號(hào)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)合成,得到了分頻同時(shí)激發(fā)的400炮記錄。圖6對(duì)比了FS3試驗(yàn)原始記錄與DS3生產(chǎn)記錄。由于DS3生產(chǎn)在同一個(gè)激發(fā)點(diǎn)使用的是兩臺(tái)震源一次掃描的激發(fā)方式,而FS3相當(dāng)于在同一個(gè)點(diǎn)使用一臺(tái)震源一次掃描的激發(fā)方式,因此在原始能量上DS3生產(chǎn)記錄要強(qiáng)于FS3合成后的記錄,但合成后的記錄能量更加均勻。

圖7為DS3與FS3采集得到的數(shù)據(jù)的疊加剖面(FS3覆蓋次數(shù)400次,DS3覆蓋次數(shù)175次)。除了分離、合成外其它的處理流程完全一致。從圖7可以看出,FS3剖面的背景噪聲要比DS3剖面的背景噪聲小得多,這說(shuō)明分頻同時(shí)激發(fā)在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保證了采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)。

圖5 同時(shí)激發(fā)6～16Hz分頻相關(guān)前(a)、后(b)時(shí)頻譜對(duì)比

圖6 FS3試驗(yàn)合成數(shù)據(jù)(a)與DS3生產(chǎn)數(shù)據(jù)(b)

圖7 采用DS3(a)與FS3(b)采集得到的數(shù)據(jù)的疊加剖面

4 討論與結(jié)論

分頻同時(shí)掃描在確保同時(shí)刻激發(fā)震源的激發(fā)頻帶不同的前提下,不用限定震源同時(shí)激發(fā)的分離距離(此分離距離是針對(duì)鄰炮干擾不影響目的層而言)就可實(shí)現(xiàn)裝備投入少,采集效率高的目的;另外FS3大大降低了項(xiàng)目的作業(yè)成本,為全方位、高密度數(shù)據(jù)采集提供了成本支持。在滿足地震資料品質(zhì)的前提下,也可采用有交集頻段進(jìn)行同時(shí)激發(fā),更進(jìn)一步提高效率、降低成本。另外由于頻段切分的隨意性,很容易在線性掃描的情況下通過(guò)增加掃描長(zhǎng)度,增加特定頻段的激發(fā)能量,達(dá)到在采集階段以最小的畸變實(shí)現(xiàn)更加均勻的能量輸出;還能根據(jù)不同頻段內(nèi)的信號(hào)、噪聲特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的分頻處理?？煽卣鹪捶诸l同時(shí)掃描方法極大地減少了鄰炮干擾和諧波干擾,從而獲得更加優(yōu)質(zhì)的地震資料。由于在鄰炮干擾和諧波干擾壓制方面具有極大的優(yōu)勢(shì),同時(shí)由于分頻使子掃描信號(hào)內(nèi)的頻率接近,在傳播衰減上不會(huì)產(chǎn)生很大的差異,這樣有利于在檢波器有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)拓展合成后地震記錄的有效頻帶,也就是說(shuō)在高效采集情況下實(shí)現(xiàn)高精度地震數(shù)據(jù)采集的目標(biāo),因此在能實(shí)施可控震源激發(fā)的區(qū)域有廣泛的應(yīng)用前景。另外,分頻段激發(fā)比常規(guī)方法對(duì)近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查、混疊波場(chǎng)偏移以及FWI有更好的效果。

當(dāng)然分頻激發(fā)方法還有許多地方需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和試驗(yàn),如可控震源指揮系統(tǒng)的功能完善、可控震源寬頻分頻掃描的優(yōu)化方法等。

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