周 松,霍守東,胡立新,石太昆,趙國勇,舒國旭,莫延鋼,張 媛

(1.中國石化石油工程地球物理有限公司,北京100020;2.油氣資源研究院重點實驗室,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029;3.中國石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營257086;4.中國石化石油工程地球物理有限公司研發(fā)中心,北京100020)

“兩寬一高”地震勘探可以大幅提高地震數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)和成像質(zhì)量,是未來地震勘探的重點發(fā)展方向。而地震采集需要在經(jīng)濟成本與數(shù)據(jù)質(zhì)量之間進行權(quán)衡。傳統(tǒng)采集方式是前一炮數(shù)據(jù)采集完成之后才進行下一炮的激發(fā),因而先后激發(fā)的炮之間的時間間隔較長。由于“兩寬一高”的勘探方式需要進行高密度的炮檢點排列,因此,若采用傳統(tǒng)方式進行采集,必然需要投入高昂的勘探成本?？s短采集周期、提高采集效率、降低采集成本,成為野外地震數(shù)據(jù)采集的必然要求,因此,高效采集方式得到了廣泛關(guān)注。

高效采集是通過縮短相鄰炮之間的激發(fā)時間間隔來提高生產(chǎn)效率的一種野外數(shù)據(jù)采集方式。目前,高效采集的震源激發(fā)方式主要有4種:交替掃描激發(fā)、滑動掃描激發(fā)、距離分離同步掃描激發(fā)和獨立同步掃描激發(fā)[1]。這些采集方式,通過縮短相鄰震源激發(fā)的時間間隔,提高了野外數(shù)據(jù)的采集效率。而獨立同步掃描激發(fā)方式,甚至無需考慮相鄰炮的激發(fā)狀態(tài),最大限度地提高了采集效率。

高效采集在提高采集效率的同時,也給地震記錄帶來了嚴重的干涉炮能量干擾,從而嚴重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,因此,需要對地震記錄進行干涉炮噪聲壓制。目前,對干涉炮噪聲進行壓制的方法主要有2類:基于噪聲壓制類的方法和基于稀疏反演類的方法。

基于噪聲壓制類方法的前提條件是地震信號的相干性。通常情況下,對于獨立同步掃描激發(fā)方式來說,在原始炮集記錄里,干涉炮噪聲和主炮信號類似,具有較強的相干性。但是在其它道集,比如共檢波點道集、共偏移距道集或者共中心點道集,干涉炮噪聲則往往表現(xiàn)為隨機噪聲,此時,利用常規(guī)噪聲壓制方法,便可對干涉炮噪聲進行壓制。HUO等[2]提出了利用矢量中值濾波進行干涉炮噪聲壓制的方法。在此基礎(chǔ)上,CHEN[3]和王文闖等[4]分別提出了變窗口中值濾波和基于α-trimmed矢量中值濾波干涉炮能量壓制的方法。HOOVER等[5]使用隨機噪聲衰減方法壓制干涉炮噪聲。MOORE等[6]和AKERBERG等[7]利用稀疏約束的拉冬變換實現(xiàn)了主炮信號與干涉炮噪聲的數(shù)據(jù)分離;ZHANG等[8]采用加權(quán)τ-p變換的方法進行干涉炮噪聲的壓制;曲英銘等[9]針對可控震源高效采集地震數(shù)據(jù)中的兩種特征干擾噪聲進行了噪聲壓制;丁偉等[10]將高效地震采集技術(shù)應(yīng)用于我國西部HS地區(qū)復(fù)雜山前帶三維地震勘探,有效提高了地震剖面的成像效果。

壓制干涉炮噪聲的另一大類方法是基于稀疏反演類的,WASON等[11]通過曲波域的L1范數(shù)稀疏反演進行了主炮信號與干涉炮噪聲的分離;SPITZ等[12]和MAHDAD等[13]通過迭代方式對干涉炮能量進行估算,并用自適應(yīng)相減法實現(xiàn)干涉炮噪聲的去除;ABMA等[14]將主炮信號的相干性作為約束條件進行反演,取得了良好的信噪分離效果。

本文提出一種L1正則化和L0正則化混合迭代壓制干涉炮噪聲的方法。首先,簡單介紹了基于信號相干性的干涉炮噪聲去除方法;然后,介紹了基于稀疏反演的干涉炮噪聲去除方法,利用實際資料干涉炮噪聲的壓制效果對比了2種方法的優(yōu)劣;最后,采用稀疏反演方法對實際資料去噪結(jié)果進行疊加處理,獲得和常規(guī)采集相當?shù)寞B加結(jié)果,但高效采集提高了效率,從而降低了采集成本。

1 基于信號相干性的干涉炮噪聲壓制

中值濾波法是一種有效壓制隨機噪聲的信號處理方法,其基本原理是把數(shù)字序列或數(shù)字圖像中某點的值用該點的某個鄰域中各點值的中值來代替,從而壓制隨機噪聲。矢量中值濾波為中值濾波的擴展,下面介紹其定義。

假設(shè)一組矢量可表示為{Xi|i=1,2,…,N},則對應(yīng)地,這組矢量的距離函數(shù)就可以表示為:

(1)

Xj∈{Xi|i=1,2,…,N}

式中:l=0,1,2或∞,本文中l(wèi)取1和0。該組矢量的中值矢量Xm可以表示為:

(2)

基于矢量中值濾波的定義,可以建立中值濾波器去除地震記錄的干涉炮噪聲。矢量元素可以通過在一個地震道內(nèi)的滑動時窗獲得。但矢量中值濾波需要有一個假設(shè)前提,即地下反射界面是水平的。通常情況下,這樣的假設(shè)很難滿足。因此,HUO等[2]提出了多方向的矢量中值濾波方法,表示如下:

(3)

同樣,公式(3)中的中值矢量Xm(p)可以表示為:

(4)

式中:p代表傾角方向;Xj(p)為沿其中一個方向p的矢量。利用多方向的矢量中值濾波方法,可以對干涉炮噪聲進行有效壓制。

2 基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制

基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,通過地震記錄的混疊延時數(shù)據(jù)構(gòu)造混疊參數(shù)矩陣,然后利用該矩陣將干涉炮噪聲分離抽象成一個矩陣求解問題。由于混疊矩陣的逆往往不存在,所以不能通過矩陣求逆直接得到干涉炮噪聲壓制后的地震數(shù)據(jù),而是將混疊參數(shù)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置與混疊數(shù)據(jù)矩陣的相乘結(jié)果作為反演初值進行迭代反演。由于該矩陣求解是一個欠定問題,因此在求解的時候需要加上正則化條件進行約束反演。

對于不存在延遲時間的兩個震源同時激發(fā),假設(shè)獲得的地震記錄S為:

(5)

式中:S1,S2分別表示單一震源激發(fā)得到的地震記錄。由于此方程欠定,故存在多解性。如果引入時間延遲序列Γ,便可得到方程組:

(6)

上述方程組可簡寫為:

(7)

建立目標函數(shù):

(8)

式中:C表示稀疏變換;λ表示拉格朗日乘子。

通常,可采用L0和L1約束進行該目標函數(shù)的求取。本文采用L1正則化和L0正則化混合迭代的算法求解該目標函數(shù),完成干涉炮噪聲的壓制。首先,應(yīng)用軟閾值迭代算法求解如下問題:

(9)

通過求解該問題,可以為下一步的計算提供一個好的迭代初值,并估計信號的稀疏水平。然后,采用硬閾值迭代算法求解以下問題:

(10)

通過迭代反演,直至獲得最優(yōu)的干涉炮噪聲壓制結(jié)果。

3 實際地震數(shù)據(jù)處理

以西部沙漠某工區(qū)的三維可控震源分布式獨立掃描高效采集地震數(shù)據(jù)為例。工區(qū)范圍約200km2,設(shè)計20束段、151排炮,總炮數(shù)為36240炮,共分12個區(qū)塊進行可控震源的獨立同步掃描。由于每個區(qū)塊的震源掃描不考慮其它區(qū)塊震源的工作狀態(tài),因此干涉炮噪聲成為影響地震記錄質(zhì)量的重要干擾。圖1 為掃描信號與母記錄相關(guān)后的某個排列的兩炮地震記錄,對比有效信號和干擾的能量可以看出:干涉炮噪聲能量強,三角區(qū)噪聲嚴重,部分諧波干擾較強;而有效信號較弱,同相軸不夠清晰連續(xù),部分同相軸被干涉炮噪聲徹底淹沒,無法拾取初至走時。

干涉炮噪聲壓制的主要流程:首先,在共炮點道集對部分噪聲進行壓制;然后,將共炮點道集的地震記錄分選為共接收點道集(或共中心點道集、共偏移距道集等),在這些道集對干涉炮噪聲做進一步壓制;最后,將干涉炮噪聲壓制后的道集分選回共炮點道集,獲得最終干涉炮噪聲壓制后的結(jié)果。因此,首先根據(jù)可控震源自主掃描獲得地震記錄的干涉炮噪聲特征,在共炮點道集對其進行壓制,同時一并去除三角區(qū)噪聲、諧波干擾等噪聲。圖1a所示的地震記錄去噪后的結(jié)果如圖2所示。對比圖1a和圖2可以看出,共炮點道集去噪后,部分噪聲得到了較為有效的壓制,但道集中還存在相當一部分的干涉炮噪聲。

圖1 可控震源獨立同步掃描原始地震記錄a 原始地震記錄1;b 原始地震記錄2

對去噪后的共炮點道集地震記錄進行抽道集處理,獲得共中心點道集地震記錄(圖3a)。分別采用基于信號相干性的矢量中值濾波干涉炮噪聲壓制方法和基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,對圖3a所示的共中心點道集地震記錄進行干涉炮噪聲壓制,結(jié)果如圖3b和圖3c所示。對比圖3b和圖3c可以看出,在不傷害有效信號的情況下,矢量中值濾波方法保留了較多的干涉炮噪聲,而基于稀疏反演的去噪方法可以將干涉炮噪聲壓制得比較干凈,其結(jié)果優(yōu)于矢量中值濾波去噪的結(jié)果。經(jīng)過在共炮點道集和共中心點道集兩次去噪處理之后,原始地震記錄的干涉炮噪聲基本上被壓制。將共中心點道集的稀疏反演去噪結(jié)果分選到共炮點道集,得到如圖4a所示的干涉炮噪聲壓制后的單炮地震記錄(其去噪前記錄見圖1a),圖4b為去除的噪聲。從圖4a可以看出,干涉炮噪聲得到了很好的壓制,并且去除的噪聲(圖4b)中幾乎不含有效信號。該處理方法最大程度地保留了原始記錄中的有效信號。從圖4a還可以看出,初至走時的拾取不再困難。

圖3 抽取的共中心點道集及其去噪結(jié)果a 抽取的共中心點道集;b 矢量中值濾波去噪結(jié)果;c 稀疏反演去噪結(jié)果

將干涉炮噪聲壓制前后的地震記錄分別進行疊加,并抽取疊加剖面,如圖5所示。圖5a為原始炮記錄的疊加剖面,圖5b為干涉炮噪聲壓制后的疊加剖面,圖5c為圖5a與圖5b之差,即為去除的噪聲。對比該組疊加剖面可以看出,干涉炮噪聲能量得到了很好的壓制,地震剖面質(zhì)量得到了極大提高。原始疊加剖面的很多同相軸被干涉炮噪聲淹沒,淺層更甚,基本無法追蹤同相軸;干涉炮噪聲壓制后的地震記錄,淺層同相軸清晰地顯現(xiàn)出來,中深層同相軸也更加清晰連續(xù),為后續(xù)處理提供良好的疊加數(shù)據(jù)。

圖4 利用基于稀疏反演去噪方法對圖1a所示原始記錄去噪后的單炮記錄(a)和去除的噪聲(b)

圖5 疊加剖面對比a 原始疊加剖面;b 干涉炮噪聲壓制后的疊加剖面;c 去除的噪聲

4 結(jié)論與建議

本文研究了可控震源獨立同步掃描的地震記錄干涉炮噪聲壓制方法。首先在共炮點道集進行去噪處理,然后在共中心點道集做進一步的干涉炮噪聲壓制,最終獲得高質(zhì)量的地震記錄。比較了基于信號相干性的矢量中值濾波干涉炮噪聲壓制方法和基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,可以看出,基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法可以獲得更好的去噪效果。靜校正問題的存在,會降低主炮信號的相干性,因此基于信號相干性的干涉炮噪聲壓制方法受靜校正影響較為嚴重。而基于稀疏反演的干涉炮噪聲壓制方法,可以不考慮靜校正的影響,并且在壓制干涉炮噪聲的同時不破壞初至波信息,干涉炮噪聲壓制后仍舊可以對地震資料進行靜校正處理。