王正軍,夏建軍,李獻(xiàn)民,張 鑫,閆 杰

(1.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072750;2.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司,新疆克拉瑪依834099)

可控震源高效采集技術(shù)是提高高密度空間采樣經(jīng)濟(jì)可行的重要技術(shù),這種地震數(shù)據(jù)采集模式通過多組可控震源不間斷掃描縮短采集周期來實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比地震采集。目前國內(nèi)可控震源高效采集技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描[1-5],該技術(shù)遵照事先確定的某個(gè)時(shí)間距離規(guī)則[6],動(dòng)態(tài)調(diào)整滑動(dòng)掃描時(shí)間,按照多組震源所處的位置及其間距選擇滑動(dòng)或同步距離進(jìn)行掃描?？煽卣鹪锤咝Р杉夹g(shù)大幅度提高了野外地震采集的作業(yè)效率,但相對(duì)于常規(guī)采集方式(無論是井炮激發(fā)還是可控震源激發(fā)),這種采集技術(shù)需要投入更多數(shù)量的震源以及更小的炮間激發(fā)時(shí)間間隔,從而帶來更多的震源諧波噪聲和震源移動(dòng)的機(jī)械噪聲,這些噪聲統(tǒng)稱為可控震源高效采集噪聲。其中,諧波噪聲與滑動(dòng)時(shí)間、相鄰兩組激發(fā)震源間距有關(guān),滑動(dòng)時(shí)間越長、相鄰兩組激發(fā)震源間距越大,諧波噪聲影響越弱,反之則越強(qiáng)。震源移動(dòng)的機(jī)械噪聲與震源組數(shù)有關(guān),當(dāng)前激發(fā)炮點(diǎn)所用的接收排列中移動(dòng)的震源組數(shù)越多,這種噪聲影響越大,反之則越小。由此可見,可控震源高效采集噪聲的影響與投入的震源組數(shù)、震源組間距密切相關(guān)。因此,野外地震采集作業(yè)時(shí)可以將各組震源擺放在合理的位置,在采集作業(yè)期間保持各組震源間距相對(duì)穩(wěn)定就可以減弱可控震源高效采集噪聲的影響。

目前,動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描技術(shù)的時(shí)間距離規(guī)則以不干擾最深目的層為依據(jù)并按照試驗(yàn)資料定性確定[7-9]。針對(duì)諧波噪聲的壓制更多體現(xiàn)在處理技術(shù)的發(fā)展方面。周松等[10]利用基于稀疏反演的理論針對(duì)可控震源同步滑動(dòng)掃描采集噪聲的壓制取得很好效果。伍建等[11]基于高次諧波與原始激發(fā)信號(hào)在各頻段能量呈線性關(guān)系的假設(shè)建立諧波濾除模型實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的壓制。林娟等[12]利用不同數(shù)據(jù)域諧波干擾能量分布隨機(jī)的特點(diǎn),采用矢量中值濾波方法取得了較好的諧波干擾壓制效果。李振春等[13]和曲英銘等[14-16]針對(duì)力信號(hào)內(nèi)含諧波和表層響應(yīng)諧波在產(chǎn)生機(jī)理與分布特征上的差異設(shè)計(jì)諧波壓制濾波器實(shí)現(xiàn)了內(nèi)含諧波和表層諧波的雙重壓制。劉宏杰等[17]提出的基于能量差異的諧波干擾分頻識(shí)別和壓制方法也在實(shí)際資料中見到效果。胡江濤等[18]證明了利用可控震源諧波提高地震數(shù)據(jù)分辨率的可能性。駱飛等[19-20]提出了可控震源分頻同時(shí)掃描技術(shù),該技術(shù)在可控震源控制系統(tǒng)、分頻采集實(shí)現(xiàn)效果等方面還需完善,工業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)日。針對(duì)如何擺放各組可控震源及其間距保持在多大時(shí)高效采集噪聲影響最小的問題,本文提出一種基于弱信號(hào)可記錄性確定可控震源組間距的方法,以便在可控震源動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描采集作業(yè)時(shí)對(duì)震源進(jìn)行分組和擺放,最大限度地減弱高效采集噪聲的影響。該方法通過提取原始資料中不同炮間距弱信號(hào)振幅計(jì)算其與高效采集噪聲的信噪比,然后以檢波器動(dòng)態(tài)范圍作為閾值,將信噪比大于閾值的炮檢距作為某一炮排列范圍內(nèi)的可控震源組內(nèi)距,進(jìn)行震源擺放和野外作業(yè)。該方法的核心是計(jì)算弱信號(hào)與高效采集噪聲的信噪比,因此,本文首先闡述高效采集噪聲的特征,然后論述了弱信號(hào)的提取方法以及高效采集噪聲對(duì)弱信號(hào)的影響,由此給出了根據(jù)不同炮檢距弱信號(hào)信噪比與檢波器動(dòng)態(tài)范圍確定可控震源組間距的方法,最后說明如何根據(jù)組間距擺放可控震源、進(jìn)行野外采集作業(yè)。

1 可控震源高效采集噪聲特征

1.1 諧波

可控震源諧波產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面:一是可控震源機(jī)械系統(tǒng)畸變;二是表層介質(zhì)響應(yīng)畸變。兩種諧波干擾在產(chǎn)生機(jī)理及特征上都存在很大的不同[15]。

1.1.1 機(jī)械系統(tǒng)諧波

由于可控震源的機(jī)械裝置、振動(dòng)裝置以及液壓伺服系統(tǒng)的非線性,導(dǎo)致從可控震源輸出的振動(dòng)信號(hào)存在諧波干擾,這種諧波干擾與地表結(jié)構(gòu)無關(guān),在物理層面上不可避免。升頻掃描情況下,k次諧波出現(xiàn)的起、止時(shí)間可以表示為[8]:

(1)

(2)

式中:fB和fE分別為起、止掃描頻率;T為掃描信號(hào)長度。由(1)式和(2)式可以看出:當(dāng)可控震源采用升頻掃描時(shí),諧波起、止時(shí)間為負(fù)值,即機(jī)械系統(tǒng)諧波會(huì)出現(xiàn)在本炮記錄之前,當(dāng)激發(fā)時(shí)間間隔不夠大時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)在相鄰的前一炮或者數(shù)炮之中,影響程度取決于滑動(dòng)時(shí)間。

以基波為標(biāo)準(zhǔn),k次諧波相對(duì)能量可以表示為:

(3)

(3)式表明,諧波能量隨著級(jí)次的增加而減小,較強(qiáng)能量主要集中在二、三次諧波[8]。

1.1.2 表層響應(yīng)諧波

可控震源出力信號(hào)向下傳播時(shí),由于震板與地表存在不耦合而發(fā)生共振現(xiàn)象,導(dǎo)致地震波向下傳播時(shí)相當(dāng)于出力信號(hào)與一個(gè)或者多個(gè)畸變信號(hào)相疊加,從而產(chǎn)生諧波信號(hào),這類諧波就是表層響應(yīng)諧波。

將掃描信號(hào)與畸變后的信號(hào)進(jìn)行相關(guān),圖1表述了采用線性升頻掃描信號(hào)時(shí),相關(guān)后的信號(hào)存在諧波干擾(橢圓標(biāo)注處),這種諧波干擾在正時(shí)間軸和負(fù)時(shí)間軸都存在,主要集中在正時(shí)間軸,對(duì)本炮記錄造成干擾。

從選詩總量、各體裁選詩量及相關(guān)的詩評(píng)來看，沈德潛對(duì)李商隱詩家一宗的地位給予重新關(guān)注，作為當(dāng)時(shí)的詩壇盟主和備受乾隆皇帝器重之人這兩重身份來說，沈氏對(duì)李商隱的評(píng)價(jià)無疑影響著時(shí)人及后人的觀點(diǎn)，也為后人在研究及定位李商隱詩學(xué)價(jià)值提供了重要參考。

圖1 畸變信號(hào)與掃描信號(hào)相關(guān)[15]

表層響應(yīng)諧波的出現(xiàn)與地表?xiàng)l件和震源狀態(tài)有關(guān),在炮集上的出現(xiàn)具有隨機(jī)性,且諧波的頻帶較窄、能量較強(qiáng)但不固定,主要集中在近偏移距,某地區(qū)實(shí)際資料顯示表層響應(yīng)諧波的能量超過遠(yuǎn)偏移距無諧波區(qū)域能量1600倍。

1.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲主要來自多組震源在激活排列內(nèi)的移動(dòng),主要表現(xiàn)為0～20Hz的窄帶低頻特征(圖2),且噪聲強(qiáng)度、頻率不隨時(shí)間發(fā)生變化,其噪聲強(qiáng)度隨著空間傳播距離的增加而減小,這類噪聲能量雖然比諧波噪聲弱,但因震源數(shù)量多、影響范圍大,已成為可控震源高效采集資料的主要噪聲之一。

圖2 震源機(jī)械噪聲道集(a)及其時(shí)頻譜(b)

2 噪聲對(duì)弱信號(hào)的影響

采集噪聲對(duì)地震資料最直接的影響是降低了有效反射的信噪比,包括兩種情況:①信號(hào)被噪聲覆蓋但完整存在,這種影響可通過后續(xù)資料處理的去噪、多次覆蓋疊加等方法來消除;②信號(hào)受噪聲的影響沒有被完全記錄,這種影響則無法通過后期資料處理方法恢復(fù),本文著重討論這類影響。

2.1 弱信號(hào)的識(shí)別和提取

本文所指的弱信號(hào)是一種相對(duì)概念,不僅僅指信號(hào)的絕對(duì)振幅小,主要是指被噪聲所淹沒的信號(hào)。這類信號(hào)在道集上很難被直接檢測和識(shí)別,但可以通過去噪及多次覆蓋疊加的方法提高其能量和信噪比,從而擁有更高的辨識(shí)度,用剖面替代道集完成弱信號(hào)的識(shí)別。方法如下:在剖面上分別拾取目標(biāo)弱反射層和一個(gè)對(duì)應(yīng)位置強(qiáng)反射層的反射波,并分別計(jì)算振幅的均方根能量,然后計(jì)算弱反射層與強(qiáng)反射層之間的能量比λ,可表示為:

(4)

2.2 弱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算和評(píng)價(jià)

(5)

噪聲能量可由統(tǒng)計(jì)方法獲得。利用公式(5)可計(jì)算不同噪聲條件下弱信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,以儀器接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍(一般為檢波器的動(dòng)態(tài)范圍)作為約束門檻,當(dāng)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大于門檻值時(shí),則認(rèn)為該信號(hào)將無法被完全記錄,利用該指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)不同噪聲強(qiáng)度條件下弱反射的可記錄性狀況的量化評(píng)價(jià)。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際數(shù)據(jù)來自中國西部某工區(qū)可控震源高效采集結(jié)果,使用的儀器接收系統(tǒng)是24位數(shù)字地震儀和單只高精度模擬檢波器。圖3展示了弱信號(hào)提取的主要過程:①在疊加剖面上定義目標(biāo)弱反射層和強(qiáng)反射層分析時(shí)窗(圖3a);②計(jì)算時(shí)窗內(nèi)強(qiáng)、弱反射層的均方根振幅能量(圖3b);③計(jì)算弱反射層與對(duì)應(yīng)位置強(qiáng)反射層能量之比λ,從圖3c中可以看到,能量比在空間上是波動(dòng)變化的,但趨于一個(gè)固定范圍,為了分析更弱反射信號(hào)的影響,選擇λ=0.04作為后續(xù)計(jì)算分析的參考值;④在去噪道集上找出對(duì)應(yīng)剖面上的強(qiáng)反射層,沿層拾取不同炮檢距的振幅絕對(duì)值,在λ和弱、強(qiáng)反射層覆蓋次數(shù)已知的情況下,由公式(4)求得道集上目標(biāo)弱信號(hào)在不同炮檢距上的振幅絕對(duì)值(圖3d)。

圖3 弱信號(hào)提取的主要過程

噪聲能量可在原始道集上直接計(jì)算獲得。圖4為3組可控震源在排列長度內(nèi)分組進(jìn)行高效采集得到的原始單炮記錄,取0～800ms全排列作為噪聲統(tǒng)計(jì)時(shí)窗(圖4中紅框)。圖5為2000炮原始炮集按此時(shí)窗計(jì)算的噪聲絕對(duì)振幅在不同炮檢距的分布結(jié)果:近炮檢距的源致噪聲(包括初至、折射、面波及表層響應(yīng)諧波)能量遠(yuǎn)大于其它噪聲的能量(高于200倍);除源致噪聲外,高能噪聲主要為震源諧波和機(jī)械噪聲兩類,噪聲之間能量差異明顯,且表現(xiàn)出區(qū)域性的分布特征,即震源諧波噪聲集中出現(xiàn)在炮檢距4200～5900m(圖5a),噪聲出現(xiàn)的位置與震源分組間距及生產(chǎn)組織方式有關(guān),即機(jī)械噪聲在空間上幾乎均勻分布,并且其能量表現(xiàn)出條帶狀分布特征(圖5b),按照噪聲能量大小劃分為諧波噪聲、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)機(jī)械噪聲及背景噪聲5個(gè)能級(jí),作為公式(5)弱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算的噪聲因子。

圖4 可控震源高效采集原始單炮記錄及噪聲

圖5 原始單炮噪聲絕對(duì)振幅的分布結(jié)果(a)及局部放大與噪聲分級(jí)(b)

將獲得的弱信號(hào)和不同強(qiáng)度噪聲的振幅代入公式(5)即可得到弱反射層信號(hào)在特定噪聲條件下的動(dòng)態(tài)范圍。

圖6a為不同強(qiáng)度噪聲條件下某弱反射層信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍曲線,可以看出,弱信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍隨炮檢距增大而增大,亦即信噪比隨炮檢距增大而變小,符合地震信號(hào)能量隨炮檢距的增大而衰減的變化規(guī)律,同時(shí)還可以看出,噪聲能級(jí)越高,弱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍值越高,利用該關(guān)系曲線可以得到不同能級(jí)噪聲對(duì)弱信號(hào)影響的范圍邊界,為震源分組參數(shù)及生產(chǎn)組織方式優(yōu)化提供量化依據(jù)。如果取檢波器60dB的動(dòng)態(tài)范圍為閾值,那么曲線上信噪比大于閾值對(duì)應(yīng)的炮檢距就是該噪聲條件下能否記錄到弱信號(hào)的臨界點(diǎn),例如一級(jí)機(jī)械噪聲(圖6a中紅色曲線)的臨界點(diǎn)為炮檢距3900m,當(dāng)噪聲出現(xiàn)在炮檢距大于3900m的接收道上時(shí),噪聲覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收道將無法記錄到該弱反射層信號(hào)。很明顯,噪聲能級(jí)越低,允許噪聲出現(xiàn)的偏移距范圍越大。由于信號(hào)不同頻率地震響應(yīng)的能量存在明顯差異,通過弱信號(hào)分頻動(dòng)態(tài)范圍分析可以得到不同頻段響應(yīng)的狀態(tài)。如圖6a中,分析認(rèn)為一級(jí)機(jī)械噪聲出現(xiàn)在小于臨界點(diǎn)3900m時(shí)弱信號(hào)可以有效記錄下來,但從圖6b中一級(jí)機(jī)械噪聲分頻動(dòng)態(tài)范圍發(fā)現(xiàn),實(shí)際可記錄到的弱信號(hào)只是20Hz以下的低頻成分,丟失了大于20Hz以上的高頻成分,對(duì)于有高分辨率要求的勘探目標(biāo),這種分析方法可以為通過改變、優(yōu)化噪聲出現(xiàn)位置而降低其影響程度以及保護(hù)特定高頻或者弱反射信號(hào)提供更精細(xì)的量化指導(dǎo)依據(jù)。

圖6 不同噪聲條件下弱信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍(a)及一級(jí)機(jī)械噪聲條件下弱信號(hào)的分頻動(dòng)態(tài)范圍(b)

3 應(yīng)對(duì)方法

采用目前成熟的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描時(shí)間距離規(guī)則應(yīng)對(duì)諧波噪聲對(duì)鄰炮的影響,基于反射信號(hào)可記錄的角度認(rèn)為,其時(shí)空關(guān)系曲線的幾個(gè)控制參數(shù)仍有優(yōu)化的空間,以圖7示意參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置,圖中T0為最深目的層埋深時(shí)間,Tmax為最大滑動(dòng)時(shí)間,0為前炮位置,Lmax為最大炮檢距,Lds3為兩炮同步掃描的最小距離。區(qū)間1采用固定滑動(dòng)掃描,生產(chǎn)中主要規(guī)避能量較強(qiáng)的二、三次諧波,Tmax由公式(1)以出現(xiàn)時(shí)間更早的三次諧波計(jì)算獲得;區(qū)間2為變間隔滑動(dòng)掃描方式,隨著激發(fā)距離的增大滑動(dòng)時(shí)間線性減小,提高了采集效率;當(dāng)激發(fā)點(diǎn)距達(dá)到Lds3時(shí),則采用同步滑動(dòng)采集方式,Lds3的確定理論上以初至折射不干擾最深目的層T0為參考原則,實(shí)際資料遠(yuǎn)炮檢距初至能量也已衰減到很弱的水平,其能量與交互的弱信號(hào)能量相近時(shí),可以相應(yīng)減小Lds3的值,從而進(jìn)一步增加采用同步滑動(dòng)掃描方式采集的比例,提高采集效率,交互影響可通過多次覆蓋及壓噪處理消除。

圖7 掃描時(shí)間隨震源激發(fā)間距的變化

機(jī)械干擾的影響與震源分組方式息息相關(guān),震源分組方式和組間距離設(shè)置根據(jù)震源投入數(shù)量、觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的炮線距和炮點(diǎn)距、接收線道數(shù)、工區(qū)面積和地表?xiàng)l件等因素確定。為了兼顧采集效率,采集施工中基于震源移動(dòng)路線最少的原則,一般將震源分成若干大組,每一大組又分為若干小組,按照采集方向各組同向推進(jìn)。大組組數(shù)一般根據(jù)通行條件、排列片長度和寬度設(shè)置,無論設(shè)置幾大組震源,大組間距需要滿足單炮排列片中僅有一個(gè)大組可控震源。大組組間距確保了任意一炮激發(fā)時(shí),在該炮排列片范圍內(nèi)僅有一個(gè)大組可控震源產(chǎn)生機(jī)械噪聲。小組組數(shù)一般根據(jù)同時(shí)采集的線束數(shù)、炮線距和炮點(diǎn)距設(shè)置,無論一個(gè)大組中設(shè)置幾小組震源,任意兩小組間距最大不能超過檢波器動(dòng)態(tài)范圍的閾值,即最大小組間距要小于主要目的層弱信號(hào)信噪比大于閾值的炮檢距范圍,優(yōu)先考慮設(shè)置其盡量處于激發(fā)源致噪聲覆蓋范圍內(nèi),使兩種噪聲的空間影響范圍重疊,從而減少受噪聲影響的接收道比例。小組組間距的設(shè)置規(guī)則確保了高效采集可控震源的機(jī)械噪聲被限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi),在這個(gè)范圍內(nèi),機(jī)械噪聲不對(duì)弱信號(hào)的可記錄性產(chǎn)生影響。

圖8顯示了采取可控震源高效采集噪聲控制方式前、后的實(shí)際炮集噪聲能量分布情況,在采集效率相當(dāng)?shù)那闆r下,采取噪聲控制措施后炮集上鄰炮諧波及機(jī)械噪聲能量水平大幅降低,從表1可以看出,基本消除了鄰炮諧波噪聲影響,機(jī)械噪聲影響也由25%下降到11%,大幅提高了原始資料的信噪比。

圖8 采取高效采集噪聲控制前(a)、后(b)的單炮噪聲能量分布

表1 原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)中不同類型可控震源采集噪聲影響分析

4 結(jié)束語

受采集系統(tǒng)有限動(dòng)態(tài)范圍的限制,可控震源高效采集噪聲不僅造成原始資料信噪比下降,還會(huì)丟失部分有效弱信號(hào)且無法恢復(fù)。為保護(hù)弱信號(hào),本文從弱信號(hào)可記錄性角度分析高效采集噪聲的機(jī)理和特征,提出了弱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算和應(yīng)用方法,并基于不同噪聲條件下反射信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍曲線和閾值設(shè)置提出基于弱信號(hào)可記錄性保護(hù)的野外可控震源作業(yè)應(yīng)對(duì)辦法。相較于以往可控震源高效采集噪聲壓制方法,基于弱信號(hào)可記錄性閾值約束的方法有以下特點(diǎn):①對(duì)原始資料弱信號(hào)的采集質(zhì)量更加量化可控;②弱信號(hào)可記錄性閾值可以約束和優(yōu)化已有的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描時(shí)間距離規(guī)則,實(shí)現(xiàn)在減少可控震源諧波噪聲交互影響的同時(shí),進(jìn)一步提高采集效率;③通過目的層弱信號(hào)可記錄性閾值量化約束分組震源的組數(shù)和間距,可以靈活控制機(jī)械噪聲對(duì)弱信號(hào)的影響。

本文所述針對(duì)可控震源高效采集噪聲的野外應(yīng)對(duì)方法不會(huì)降低采集效率和增加采集成本,且可有效把控弱信號(hào)的可記錄性,對(duì)于高分辨率及深層弱反射勘探目標(biāo)具有積極意義。