王華忠

(1.波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI),同濟大學海洋與地球科學學院,上海200092;2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江),廣東湛江524088)

地震勘探系統(tǒng)由3個基本單元組成:震源、地下介質(zhì)、檢波器。震源和檢波器的排列方式,即觀測系統(tǒng),是地震勘探系統(tǒng)中重要的組成部分。震源在整個油氣地震勘探技術(shù)鏈條中占據(jù)重要位置,對地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量有著決定性影響。地震勘探中主要有脈沖震源(炸藥震源)和非脈沖震源(可控震源)。

美國大陸石油公司(CONOCO)于1952年開始進行連續(xù)振動地震作業(yè)方法試驗,并在1956年完成專利注冊。同年,世界上第1個可控震源地震隊成立。早期的可控震源是一套由機械裝置控制的連續(xù)振動系統(tǒng),并且其振動控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式,系統(tǒng)控制精度較低。1959年研制出了液壓伺服控制的可控震源,并開始對輸出信號進行相位控制試驗。1963年以控制振動平板輸出信號相位為目的的現(xiàn)代可控震源開始投入使用。1967年研制成功用于海上勘探的可控震源。

陸上可控震源地震勘探采用一個與大地緊密耦合的振動平板,以反作用方式向地下傳送一組連續(xù)振動的彈性波信號(又稱掃描信號),再經(jīng)過對地面接收到的反射波信號進行成像處理,用于解釋地下地質(zhì)目標的構(gòu)造形態(tài)與產(chǎn)狀。這種掃描信號是一種連續(xù)的、頻率變化的信號。不是所有的連續(xù)信號都可以用于地震勘探,除偽隨機信號外,可控震源的掃描信號必須滿足如下基本要求:①具有相應的起始與終了頻率;②具有相應的起始與終了鑲邊函數(shù)(斜坡);③具有一定的掃描時間;④掃描信號可以是(線性的)嚴格單調(diào)升頻或降頻,也可以是非線性的掃描。

經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展,一般意義下的可控震源地震勘探技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當完善了。為什么最近十幾年,可控震源地震勘探技術(shù),無論是陸上或是海上的,都重新受到重視[1]？

1) 可控震源是一種破壞性低的震源,在環(huán)境保護意識逐漸提升的今天,只要有可能,油氣地震勘探中都必然會采用綠色環(huán)保的激發(fā)方式。海上可控震源對海洋生物的干擾比氣槍震源要小很多。工農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū),陸上可控震源對工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的影響要弱很多。

2) 油氣地震勘探的目標越來越小,油藏描述的精度要求越來越高,高精度反演成像(如全波形反演(FWI)和最小二乘逆時深度偏移(LS_RTM))成為必要的方法技術(shù)。這就促進了地震數(shù)據(jù)必須采用“兩寬一高”的采集方式。其中,能高效且廉價地激發(fā)出地震波場的震源是必須具備的條件。與炸藥震源相比,可控震源顯然更具優(yōu)勢。

3) 寬帶地震勘探是實現(xiàn)高精度成像和油藏描述的必由之路[2]?？煽卣鹪粗辽倮碚撋峡梢酝ㄟ^人為控制激發(fā)出1～100Hz頻帶范圍的地震波,或者說可以由客戶定制震源激發(fā)子波,甚至定制接收的反射子波。當前,有的石油公司僅采集1～4Hz的低頻長偏移距數(shù)據(jù),用于FWI透射波層析反演以建立更精確的背景速度場,這只有利用可控震源才能夠?qū)崿F(xiàn)[3]。

在當前技術(shù)及經(jīng)濟效益需求下,尚有哪些與可控震源有關(guān)的問題值得關(guān)注和研究？

1) 與當今先進制造技術(shù)相關(guān)的新一代可控震源的設(shè)計、研發(fā)與制造。最近十幾年,幾家大的西方石油公司投入大量人力和物力制造的新一代海上可控震源已經(jīng)接近商業(yè)應用的程度[4-5]。對采集到低至1Hz的地震波場的需求使得有必要發(fā)展新一代的可控震源。另外,震源的小型化、輕便化、智能地感知介質(zhì)和記錄波場的變化從而調(diào)整掃描信號、自主移動等新需求不斷出現(xiàn),促進了可控震源制造技術(shù)的變革。

2) 從理論上講,利用可控震源可以人為地控制反射子波的頻譜,產(chǎn)生客戶希望的寬帶地震子波。但是,當前的可控震源與這樣的期望還相差甚遠。

3) “兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集方式的真正實現(xiàn)中,震源起到了至關(guān)重要的作用。所謂高密度地震勘探,更重要的是實現(xiàn)炮點的高密度。巨量的炮點必然帶來施工效率的大幅度降低和成本的大幅度提升,目前多臺可控震源同時激發(fā)是實現(xiàn)高密度地震勘探的必要措施。為提高采集效率,同時方便混疊數(shù)據(jù)的解混疊,高效采集中可控震源掃描方式、多臺震源起震時間的設(shè)計還需要進一步研究[6]。

4) 可控震源的震動激發(fā)方式與脈沖(炸藥)震源不同。由于與近地表介質(zhì)的相互作用機制不同,產(chǎn)生的噪聲類型(實際上是在近地表區(qū)域傳播的波的類型)差異很大[7]。在可控震源高效采集中,由于涉及到后續(xù)地震數(shù)據(jù)的解混疊處理,對噪聲非常關(guān)注。但是,不同近地表介質(zhì)和地形條件下,可控震源產(chǎn)生噪聲的機制并不完全相同。

5) 混疊數(shù)據(jù)的解混疊,尤其是當涉及到壓縮感知理論下空間隨機觀測方式、近地表條件下相關(guān)噪聲比較強、靜校正問題很復雜、地下介質(zhì)橫向變化很劇烈時,解混疊問題遠沒有得到很好地解決。

6) 可控震源高效采集方案的制訂與實施,原則上是一個最優(yōu)化問題,應該開發(fā)出一個最優(yōu)化可控震源高效采集軟件管理系統(tǒng),與自動化、智能化的可控震源系統(tǒng)一起,發(fā)展出一套先進的可控震源地震數(shù)據(jù)高效采集系統(tǒng),從而大幅提升數(shù)據(jù)采集的效率和自動化與智能化程度,顯著降低數(shù)據(jù)采集成本[8-9]。

筆者認為,上述6個方面的問題還需要進行深入的研究。

可控震源的本質(zhì)是激發(fā)單頻震動、采用時延積累震動能量、各單頻震動滿足線性疊加原理。在此理論基礎(chǔ)上,設(shè)計合理的掃描信號,驅(qū)動可控震源機械系統(tǒng),在實際介質(zhì)中激發(fā)不同頻率的諧波地震波,在地表接收反射的諧波地震波,通過與掃描信號的互相關(guān),得到地表觀測的波場。如何設(shè)計可控震源以激發(fā)出期望的諧波地震波,超出了筆者的專業(yè)研究范圍。本文重點討論與分析當前可控震源地震勘探面臨的問題,提出相應的對策,并重點闡述我們一直推崇的客戶定制反射子波的可控震源地震勘探理念,促進可控震源地震勘探技術(shù)的進一步深入研究和應用。

1 當前可控震源地震勘探面臨的問題及解決方案

1.1 高效采集方案問題分析

“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集過程中,由于炮點密度和炮線密度的增加,炮點數(shù)目大幅提升。保持檢波器端的寬方位、長偏移距、合適的檢波點距和線距的情形下,必須提高每天的單炮道集采集數(shù)目才能在有限時間內(nèi)完成一個工區(qū)數(shù)十萬至百萬炮道集的采集任務。

實踐證明,目前的炸藥震源,無論從成本和效率方面都遠遠無法滿足真正的“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的要求。比較而言,可控震源更能滿足“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的要求。事實上,要真正滿足“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的要求,進而大幅度提升成像質(zhì)量和勘探效益,震源技術(shù)和檢波器技術(shù)都需要有創(chuàng)新性的改變。

所謂的高效采集,指的是若干臺可控震源同時激發(fā)的地震數(shù)據(jù)采集方式。高效采集方案的設(shè)計既要考慮提高單位時間內(nèi)所采集的單炮道集的數(shù)量,又要盡量減少同時激發(fā)的不同震源之間的波場干擾。當然,這中間還要注意野外施工時,可控震源數(shù)量有限,要重復使用這些震源就必須考慮震源移動問題。此處不考慮施工中的問題,僅僅分析在盡可能好地分離出獨立單源激發(fā)波場的情況下,提升單位時間內(nèi)能采集到的單炮道集數(shù)目。這顯然是一個優(yōu)化設(shè)計問題。

已有大量文獻討論過此問題[10-13],此處我們分析想要盡可能好地分離出獨立單源激發(fā)波場的影響因素,正是它們在影響高效采集方案的制定。①單個可控震源之間的空間距離:距離越大,相隔一定距離同時激發(fā)的兩個可控震源激發(fā)波場之間的干擾越小,甚至不存在干擾。②掃描方式:若干相鄰的可控震源激發(fā)的諧波只要不重疊,激發(fā)的波場就不相干。③隨機起震時間:若干相鄰的可控震源同時激發(fā)產(chǎn)生的混疊波場,在進行解混疊時,必須利用各可控震源之間的隨機起震時間。④不同近地表條件與可控震源相互作用引起的噪聲:噪聲的類型和強弱,直接影響混疊波場中的干擾情況,影響后續(xù)混疊波場的分離。高效采集方案的設(shè)計中盡量不要讓相鄰炮激發(fā)的、在近地表傳播的噪聲波場干擾當前炮集中主要反射層對應的反射波場。

筆者認為,高效采集方案的設(shè)計應該以盡可能好地分離出獨立單源激發(fā)波場和預定的采集效率為目標提出一個優(yōu)化問題,而不是分散地考慮獨立因素設(shè)計高效采集方案。

1.2 可控震源激發(fā)的與自由地表相關(guān)的噪聲波場分析

可控震源地震勘探中一個重要的問題是可控震源激發(fā)的噪聲問題,它與炸藥震源明顯不同。高效采集和高精度反演都非常重視噪聲問題。可控震源地震勘探中已知的特殊噪聲包括諧波噪聲和可控震源車移動產(chǎn)生的噪聲。關(guān)于諧波噪聲的研究文獻有很多[14]。可控震源車移動產(chǎn)生的噪聲是一種常見的噪聲類型。

遺憾的是,目前可控震源與不同的地表介質(zhì)作用產(chǎn)生噪聲的機制仍沒有研究清楚。譬如沙漠(干砂、濕砂、松軟的砂、壓實的砂、沙丘)、戈壁、農(nóng)田、基巖出露、沖積礫石等地表介質(zhì)類型,包括不同地形特征,可控震源(包括炸藥震源)激發(fā)產(chǎn)生的在近地表傳播的噪聲波場特征差異很大。應該在不同介質(zhì)情況下,在可控震源周圍一定范圍內(nèi)布設(shè)檢波器,觀測并分析可控震源引起的在近地表傳播的噪聲波場特征,分析總結(jié)其中的規(guī)律。

這些復雜的噪聲對高效采集中混疊數(shù)據(jù)的解混疊效果有很嚴重的影響,從而制約著高效采集技術(shù)的實際應用。筆者認為應該系統(tǒng)地分析這些噪聲產(chǎn)生的機制與特點,并基于此優(yōu)化所設(shè)計的高效采集方案。

1.3 混疊數(shù)據(jù)的解混疊問題分析

高效采集中混疊數(shù)據(jù)的解混疊是一個老問題。多炮同時激發(fā)的波場被任意一個檢波器接收,其記錄的波場是一個混疊波場,相當于每個檢波器“聽到幾個人同時在講話”,這是一個典型的“雞尾酒會”問題。根據(jù)記錄的波場區(qū)分出每個震源激發(fā)的波場,這是一個經(jīng)典的盲反演問題。地震勘探中不會直接求解這種盲反演問題,通常是設(shè)計一種若干可控震源隨機起震的方式,對若干可控震源進行時間上的隨機編碼。由于這種隨機編碼的引入,使得解碼(解混疊)變得相對簡單。按照主索引重排數(shù)據(jù),主索引數(shù)據(jù)間沒有隨機時間差,同相軸具有線性或非線性(譬如雙曲或拋物)可預測性,次索引數(shù)據(jù)由于可控震源激發(fā)時間的隨機表現(xiàn)出時間上的隨機性,據(jù)此設(shè)計預測器(或濾波器),就可以把主索引數(shù)據(jù)提取出來。這就是目前混疊數(shù)據(jù)解混疊的最核心做法,其嚴格依賴于對若干可控震源進行時間上的隨機編碼。已有很多文獻[15-19]對該時間上的隨機編碼方式進行過討論。

混疊數(shù)據(jù)的解混疊效果,還受主索引數(shù)據(jù)中同相軸是否具有線性或非線性(雙曲或拋物)可預測性的制約。這顯然與近地表條件引起的靜校正、地下介質(zhì)橫向變化情況以及同時源激發(fā)數(shù)據(jù)的信噪比等有密切關(guān)系。目前該問題尚未引起足夠重視。事實上,制約高效采集的因素不僅僅是前文討論的那4個方面,還應包括這些問題。

1.4 壓縮感知理論下空間隨機采樣與高效采集問題分析

“兩寬一高”代表了地震數(shù)據(jù)采集的技術(shù)發(fā)展方向,高效采集可以說只是實現(xiàn)“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集的一種探索。如何高效率、低成本地采集到寬方位、高密度、寬頻帶、高信噪比的地震數(shù)據(jù)依然任重而道遠。

Shannon采樣理論是當前指導地震數(shù)據(jù)采集和處理的基本理論。但是,按照Shannon采樣理論采集到的數(shù)據(jù)(至少理論上看)大多是冗余的,而且它也導引不出高效的采集方法。壓縮感知采樣提供了另一種采樣理論。只要地震波場具備可稀疏表達的特點,就可以對它進行壓縮感知理論下的炮檢點位置空間隨機采樣。

事實上,高效采集所要求的若干可控震源同時激發(fā)時各震源之間起震時間的隨機性已經(jīng)在利用壓縮感知理論,基于此,可以實現(xiàn)單位時間內(nèi)獲得更多炮道集的高效采集。更為高效的采集應該是使震源點和檢波點的空間位置服從隨機排布[20]。

理想的高效采集方式是:按高密度采集的要求,基于解混疊效果最好的原則優(yōu)化設(shè)計空間隨機分布的炮檢點位置和每個震源起震時間,將同一探區(qū)所有震源和檢波器按設(shè)計要求布設(shè)好,按設(shè)計好的起震時間起震,連續(xù)記錄所有震源產(chǎn)生的波場。這樣就可以用極高的效率進行地震數(shù)據(jù)采集。但是,巨量的震源和檢波器增加了硬件成本。

因此,發(fā)展廉價、寬帶響應、有自動傳輸功能的無線單點檢波器以及小型化、廉價、可大量布置的寬帶震源是實現(xiàn)高密度、寬方位、寬頻帶(尤其是低頻端)數(shù)據(jù)高效采集的技術(shù)發(fā)展方向。

1.5 最優(yōu)化理論下的高效采集軟件控制系統(tǒng)分析

根據(jù)上述討論,可控震源高效采集涉及多方面的影響因素,但是目標是明確的:在盡可能短的時間內(nèi),采集到更多高質(zhì)量的單炮數(shù)據(jù)。這明顯是一個最優(yōu)化問題。在當前高性能計算、5G通訊等技術(shù)的支持下,可以也應該研發(fā)出一個最優(yōu)化可控震源高效采集軟件管理系統(tǒng),統(tǒng)一管理各可控震源的掃描信號自適應變化、震源自動移動、隨機激發(fā)時間等,大幅提升數(shù)據(jù)采集的效率和自動化與智能化程度,顯著降低數(shù)據(jù)采集成本。

2 客戶定制反射子波的可控震源

對于高精度地震勘探,激發(fā)和接收寬帶子波具有極為重要的意義。當然,保持頻帶的成像處理也十分重要。本文不討論寬頻處理,而是著重分析激發(fā)和接收寬帶子波的問題。

2.1 諧波疊加產(chǎn)生地震子波問題分析

脈沖震源(炸藥)激發(fā)出的地震子波頻帶和時間延續(xù)度有限、譜光滑變化。這種子波可以被分解為不同幅值和不同頻率的諧波成分,可控震源正是基于該理論研發(fā)的。

零相位子波可以由公式(1)進行描述。

(1)

式中:aj為單頻諧波的振幅;fj為單頻諧波的頻率,其變化范圍可以人為確定為[fmin,fmax],其中fmin和fmax分別為子波頻帶的下限和上限。

為了控制子波振幅譜的能量展布,可以加入一個振幅編碼函數(shù)h(aj),j=0,1,2,…,N。這樣,(1)式可以重寫為:

(2)

其中,h(aj),j=0,1,2,…,N的選擇可以滿足構(gòu)造寬帶子波的要求,根據(jù)需要人為調(diào)整振幅譜的分布特征。

更進一步地,為了解決子波旁瓣過多和旁瓣能量較強的問題,我們可以把窗函數(shù)施加到由(2)式得到的地震子波上。這樣既兼顧了子波的局部性,也考慮了寬帶子波譜的特點。綜上所述,可以定義如下的子波形式:

(3)

其中,窗函數(shù)g(t)可以選不同的形式,譬如高斯窗或Hanning窗等。理論上這樣構(gòu)造的地震子波可以兼顧寬頻、零相位、小旁瓣的要求。設(shè)計可控震源掃描信號能比較容易地控制h(aj),j=0,1,2,…,N,但控制窗函數(shù)g(t)就比較困難。一般情況下僅控制h(aj)以得到較為理想的地震子波,盡量不考慮g(t)。

編碼函數(shù)h(aj),j=0,1,2,…,N的設(shè)計很關(guān)鍵。圖1至圖5給出了不同形式的h(aj)對應的振幅譜、諧波成分以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波。其中,h(aj)定義為:

(4)

其中,F是引入的控制振幅隨頻率變化的量。在可控震源中,h(aj)為掃描信號。在信號分析理論中,h(aj)也可選為其它窗函數(shù)的形式,很多信號分析文獻專門討論了窗函數(shù)選擇問題。

圖1a的振幅譜函數(shù)為:

圖2a的振幅譜函數(shù)為:

圖2 h2(a)對應的振幅譜(a)、諧波成分(b)以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波(c)

圖3a的振幅譜函數(shù)為:

圖3 h3(a)對應的振幅譜(a)、諧波成分(b)以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波(c)

圖4a的振幅譜函數(shù)為:

圖4 h4(a)對應的振幅譜(a)、諧波成分(b)以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波(c)

圖5a的振幅譜函數(shù)為:

從圖1至圖5可以清楚地看出,地震子波的形狀由振幅譜或每個單頻余弦函數(shù)的振幅分布決定。當然也嚴重依賴于相位譜,但此處我們已經(jīng)界定所設(shè)計的子波是零相位的。低頻的缺失是導致子波旁瓣電平水平高、延續(xù)時間長的重要原因;優(yōu)勢的低頻分量是產(chǎn)生高分辨率地震子波的重要因素。這也清楚地說明了地震數(shù)據(jù)處理過程中,低頻的重要性。高頻成分的存在可以壓縮地震子波主瓣寬度,提高分辨率。勘探地震中,豐富的(必須是有效的)低頻成分的存在對提高分辨率的貢獻很大。圖1至圖5的數(shù)值試驗清楚地展示了子波振幅譜的整體形態(tài)決定地震子波的分辨率,而不僅僅是頻寬,也不是優(yōu)勢頻率。這才是對地震子波分辨率的完整描述。由于地震子波的整體振幅譜很難把握,用地震子波頻率范圍的倍頻程來刻畫地震子波的分辨率更合適。高分辨率地震勘探中,期望地震子波(激發(fā)子波、接收子波、成像子波)具有5個以上的倍頻程。

在可控震源設(shè)計中,圖1至圖5的數(shù)值試驗具有特別明顯的指導意義,其關(guān)鍵是如何設(shè)計掃描信號。將公式(2)中對h(aj),j=0,1,2,…,N的控制轉(zhuǎn)化為對掃描時間的控制,掃描時間的累積決定單頻譜幅值的大小,從而得到比較理想的各單頻信號的振幅分布。在可控震源高分辨率地震勘探中,這是十分有意義的探索。用其它震源進行高分辨率地震勘探,基本思想類似,但是炸藥和氣槍震源不容易控制所激發(fā)子波的形態(tài),因此如何使脈沖震源產(chǎn)生高分辨率地震子波還要進行持續(xù)深入的探索。

圖1 h1(a)對應的振幅譜(a)、諧波成分(b)以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波(c)

圖5 h5(a)對應的振幅譜(a)、諧波成分(b)以及零相位疊加產(chǎn)生的地震子波(c)

2.2 客戶定制地震子波的基本思想與方法

高分辨率地震勘探需要高分辨率地震子波,但理想子波構(gòu)造標準的提出還是源于對實際子波特征的深入認識。最小相位、較光滑、頻帶較寬且較為平坦的譜是期望子波的頻域特征;主瓣較窄、旁瓣電平水平低、延續(xù)時間短的子波是期望子波的時域特征。

更為重要的,我們希望在地震數(shù)據(jù)采集過程中真正能產(chǎn)生所期望的子波。因此,在地震數(shù)據(jù)采集過程中,原則上應該包括觀測系統(tǒng)和地震子波的設(shè)計兩個方面,這樣才能得到縱橫向高分辨率的成像結(jié)果,方便儲層解釋。目前,地震數(shù)據(jù)采集過程中,更多地關(guān)注觀測系統(tǒng)設(shè)計,很少關(guān)注地震子波的設(shè)計。這是因為客戶定制地震子波實現(xiàn)難度非常大！

實現(xiàn)對期望地震子波的設(shè)計目前似乎只有可控震源能夠做到?？煽卣鹪床捎脤Σ煌膯晤l信號進行編碼的方式產(chǎn)生掃描信號,掃描信號控制振動裝置進行激發(fā)。野外接收未相關(guān)的數(shù)據(jù),室內(nèi)用掃描信號對未相關(guān)數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理,得到反射地震記錄。

目前常用的掃描信號包括:線性掃描信號(升頻或降頻方法)、非線性掃描信號(DB/OCT和DB/Hz方法)和偽隨機掃描信號。譬如線性掃描信號為:

(5)

0≤t

其瞬時相位為:

(6a)

瞬時頻率為:

(6b)

式中:fs為起始掃描頻率;fe為終止掃描頻率;T為掃描時長。

地震子波的分辨率主要由其整體振幅譜形態(tài)決定。對可控震源而言,單頻諧波的能量取決于時間累積的結(jié)果,因此,可以通過設(shè)計掃描信號得到期望的整體振幅譜形態(tài),最終得到期望的高分辨率子波?？煽卣鹪赐ㄟ^掃描信號和記錄信號的自相關(guān)得到反射子波,反射信號的振幅譜是掃描信號振幅譜的平方。精細地控制單頻諧波的幅值,線性掃描顯然不是最好的方式,應該用非線性掃描方法。

若期望設(shè)計反射子波的振幅譜,得到高分辨率反射子波,則必須考慮地下介質(zhì)的變化,這就需要一個反饋過程。基于實際介質(zhì)中接收到的反射信號,根據(jù)其與期望分辨率的偏差,及時調(diào)整掃描信號,使后續(xù)震動激發(fā)出期望的高分辨率地震子波。很顯然這也是一個優(yōu)化問題。在當前人工智能和機器學習應用逐漸普及的情況下,可以將可控震源與地下介質(zhì)視為一個系統(tǒng),在該系統(tǒng)輸出理想高分辨率期望子波的約束下,將實測反射子波與理想高分辨率期望子波的差異作為反饋量,調(diào)整可控震源的非線性掃描方式,使得最終的輸出結(jié)果接近理想的高分辨率期望子波。

實際上,可控震源寬帶子波設(shè)計更現(xiàn)實的方案是由多臺車組合完成[21]。我們知道,不同類型震源車能夠激發(fā)出頻帶不同的子波。箱體大的震源車激發(fā)的低頻信號比較好,箱體較小的震源車激發(fā)的高頻信號比較好。以前為了使得單臺震源車能夠激發(fā)的頻帶足夠?qū)?常常需要折中,這樣使得掃描頻帶的低頻端和高頻端均受到了限制。如果每臺震源車采用不同頻帶激發(fā),每種震源車的特征就可以得到更好的利用。這樣做的另外一個優(yōu)點在于激發(fā)出來的混疊子波頻帶可以更寬,可以使地震記錄的分辨率更高。但是,這會使得設(shè)備維護過程更加復雜,成本增加。到底是采用單臺震源車兼顧所有頻帶,還是利用不同頻段的震源車進行組合,要看今后的技術(shù)發(fā)展和應用情況[22-25]。

2.3 客戶定制可控震源子波的數(shù)值試驗

掃描信號實際上是對單頻信號的編碼,可以用(7)式來表達。

(7)

其中,s(ωi,Δti),i=1,2,…,n代表單頻信號的時間域振動,Δti,i=1,2,…,n代表單頻(ωi)諧波的延續(xù)時間,e-iφj,j=1,2,…,n代表每個單頻掃描信號的相位移動函數(shù),所有函數(shù)組合形成一定的編碼形式,每個單頻振動的時長不同,這取決于掃描信號的編碼方式,n代表掃描頻率的個數(shù),Ssc(ω,t)代表掃描信號,它按一定的形式將不同頻率的振動組合在一起。

用(7)式控制可控震源進行振動,得到相關(guān)前的地震記錄Sbc(ω,t),它是上述掃描信號控制下震源車產(chǎn)生的振動在接收點接收的記錄。用Ssc(ω,t)對Sbc(ω,t)進行相關(guān)處理,得到常規(guī)地震數(shù)據(jù)。其過程可以描述為:

(8)

將(7)式中的掃描信號代入(8)式得到:

s(ω2,Δt2)+…+s*(ωn,Δtn)s(ωn,Δtn)]

(9)

S(t)=W(t)*R(t)

(10)

理論上,W(t)是掃描信號的自相關(guān)結(jié)果,是零相位的。實際上,它是儀器記錄的掃描信號與檢波器記錄的未相關(guān)信號的互相關(guān)結(jié)果。常規(guī)偏移成像時,我們不太關(guān)注這一點,但是在保真的反演成像中,W(t)的含義會影響我們對巖性油藏的解釋。這一點在當今的高精度油氣勘探中應該引起足夠的重視。

(10)式代表的是地震子波與反射系數(shù)R(t)的褶積產(chǎn)生地震記錄的過程。理論上,W(t)應該具備自相關(guān)函數(shù)的特點,它是對稱的、零相位的。其頻率成分由掃描信號確定,頻譜由掃描編碼方式?jīng)Q定。

上述推導過程說明,用掃描信號的自相關(guān)函數(shù)也可以構(gòu)造一個地震子波,而且是零相位的。與(2)式對比可以看出,通過設(shè)計合適的掃描信號可以構(gòu)造預想的地震子波,達到高分辨率地震勘探的目的。因此,根據(jù)上述分析,客戶定制地震子波在可控震源地震勘探中,理論上是可行的。真正困難的是,相關(guān)前的實際地震記錄Sbc(ω,t)受地震波傳播過程影響。這也是前面提出自適應介質(zhì)變化進行動態(tài)非線性掃描信號設(shè)計的原因。

依據(jù)上述對可控震源激發(fā)方式的編碼理論解釋,實際地震記錄反射子波是編碼掃描信號與地下反射系數(shù)褶積形成的,但實際上還要與傳播效應算子進行褶積,并假設(shè)傳播效應算子不改變掃描信號的相位關(guān)系。事實上,介質(zhì)的吸收衰減效應總會改變掃描信號的相位關(guān)系,只是勘探實踐表明,這種改變不顯著而已。據(jù)上述分析,設(shè)計如下的數(shù)值實驗,證明從編碼的角度可以分頻段激發(fā),疊加形成寬頻反射子波。分頻段諧波激發(fā)可以由單一可控震源完成,也可以由一組可控震源激發(fā)不同的頻段完成。

圖6a給出了常規(guī)單個寬帶掃描信號的振幅譜。其頻帶范圍為10～75Hz,掃描長度為10s。圖6b給出了兩個窄帶掃描信號的振幅譜。圖7a顯示了兩個窄帶掃描信號疊加后的振幅譜;圖7b顯示了單個寬帶掃描信號和兩個窄帶掃描信號得到的相關(guān)子波。

圖6 常規(guī)單個寬帶掃描信號(a)與兩個窄帶掃描信號(b)的振幅譜

圖7 兩個窄帶掃描信號疊加后的振幅譜(a)以及常規(guī)單個寬帶掃描信號(紅色)和兩個窄帶掃描信號(黑色)得到的相關(guān)子波(b)

由圖6和圖7可知,可以通過兩個窄帶掃描信號來實現(xiàn)單個寬帶掃描信號所要達到的使相關(guān)子波分辨率更高的目的。這說明可以用一組不同的震源組合進行編碼掃描,得到高分辨率地震子波。

前文分析過,反射子波的分辨率取決于整個子波的振幅譜。如何控制掃描信號得到期望的反射子波振幅譜？當前的可控震源子波設(shè)計還沒有建立起關(guān)于掃描信號的單頻時長與單頻能量之間的關(guān)系,這需要很多野外試驗工作。在實際地震數(shù)據(jù)采集過程中,通過自適應地下介質(zhì)變化反過來優(yōu)化掃描信號的思想,前面已經(jīng)提到過。筆者認為這是下一代可控震源技術(shù)要解決的問題,進入智能可控震源勘探是不可避免的！

圖8顯示了單個寬帶掃描信號與兩個窄帶掃描信號對應的可控震源進行數(shù)據(jù)采集的速度模型。兩個窄帶掃描信號可控震源的采集系統(tǒng)如下:CDP100至CDP400,總計采集100炮,炮間隔15m,總記錄時間為50×10.7=535s。單個寬帶掃描信號可控震源的采集系統(tǒng)如下:CDP100至CDP400,總計采集50炮,炮間隔30m,總的記錄時間為50×11.7=585s。在上述模型及采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進行疊前深度偏移成像,其結(jié)果如圖9所示。圖9a是單個寬帶掃描信號激發(fā)數(shù)據(jù)對應的偏移成像結(jié)果,圖9b是兩個窄帶掃描信號激發(fā)數(shù)據(jù)對應的偏移成像結(jié)果,圖9c顯示了CDP250處兩種偏移成像結(jié)果的振幅譜,其中,黑線代表圖9a偏移成像結(jié)果對應的振幅譜,紅線代表圖9b 偏移成像結(jié)果對應的振幅譜。無論是對比成像剖面還是對比CDP250處地震道的振幅譜,都可以清楚地看出,利用不同掃描頻率區(qū)間可控震源的組合可以實現(xiàn)高分辨率地震勘探。

圖8 單個寬帶掃描信號與兩個窄帶掃描信號對應的可控震源進行數(shù)據(jù)采集的速度模型

圖9 單個寬帶掃描信號激發(fā)數(shù)據(jù)得到的偏移成像結(jié)果(a)和兩個窄帶掃描信號激發(fā)數(shù)據(jù)得到的偏移成像結(jié)果(b)以及CDP250處兩種偏移成像結(jié)果的振幅譜(c)

該數(shù)值實驗證明,從編碼的角度看,一個完整的掃描過程,可以由單臺可控震源車完成,也可以由不同的震源車組合完成,理論上并不影響最后的成像效果。但是,由不同的震源車實現(xiàn)不同頻段的掃描并組合,可以更精細地控制激發(fā)子波的振幅譜形態(tài),得到更理想的高分辨率反射子波。

與前面的子波設(shè)計方法對比可知,實際地震數(shù)據(jù)采集過程中,不同掃描頻率區(qū)間可控震源車的組合激發(fā)是更為實際的寬帶地震子波產(chǎn)生方式。

3 結(jié)論與討論

可控震源作為一種對環(huán)境友好、使用高效、方便控制的地震波激勵源在當前綠色油氣勘探理念、“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)和全波形反演(FWI)技術(shù)的推動下,面臨著新的發(fā)展機遇和新的問題。

本文從信號編碼理論出發(fā),認為可控震源掃描信號是一組諧波的編碼組合。在當前線性編碼、非線性編碼和隨機編碼的基礎(chǔ)上,認為不同諧波段可以在同一臺可控震源車上按常規(guī)方法實現(xiàn),也可以分配到不同的可控震源車上組合實現(xiàn),后者從工程實現(xiàn)的角度更容易達到產(chǎn)生寬帶數(shù)據(jù)的目的。從對地下反射子波同相疊加進行地震波成像的角度看,都是可行的。這極大地提升了可控震源地震勘探的靈活性。另外,分析結(jié)果指出,反射子波的分辨率取決于其振幅譜的整體形態(tài),而不僅僅是優(yōu)勢頻率和優(yōu)勢頻寬。低頻在高分辨率地震子波的形成中占據(jù)核心地位,可以有效降低旁瓣的電平水平,而高頻分量的存在可以顯著降低主瓣的寬度。掃描信號設(shè)計中應該以輸出理想的高分辨率地震子波對應的振幅譜為目標。目前的線性掃描方式不可能產(chǎn)生期望的高分辨率子波,非線性掃描信號的設(shè)計理論上也應該根據(jù)地下介質(zhì)情況自適應地調(diào)整才能達到此目標。在分布式可控震源技術(shù)(不同震源控制不同頻段的諧波掃描激發(fā)技術(shù))基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)代智能控制技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)客戶定制反射子波完全是可實現(xiàn)的。

本文還分析了影響高效采集方案制定的5個關(guān)鍵因素;討論了可控震源引起的近地表區(qū)域傳播的(噪聲)波場對高效采集方案制定及地震波反演成像的影響;解釋了當前高效采集中混疊數(shù)據(jù)解混疊的思想與方法,特別指出它們受近地表靜校正量、信噪比和地下介質(zhì)復雜性的影響;提出壓縮感知框架下真正的地震數(shù)據(jù)高效采集方案;最后筆者認為,應在最優(yōu)化理論控制下,以預定的寬帶反射子波作為目標,用接收到的地震反射子波與預定的寬帶反射子波之間的差異作為反饋量,修正掃描信號,據(jù)此開發(fā)出一套高效采集軟件控制系統(tǒng),統(tǒng)一管理各可控震源的掃描信號自適應變化、震源自動移動、隨機激發(fā)時間等,大幅提升數(shù)據(jù)采集的效率和自動化與智能化程度,顯著降低數(shù)據(jù)采集成本。

致謝:感謝中石油勘探開發(fā)研究院及西北分院、中海油研究院和湛江分公司、中石化石油物探技術(shù)研究院和勝利油田分公司對波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI)研究工作的資助與支持。