蔡敏貴,倪宇東,馬 濤,王晨晨,葉朋朋,封召鵬,尚永生,劉進(jìn)寶

(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072750)

可控震源采集是實(shí)現(xiàn)油氣綠色勘探的一種高效采集方式,其技術(shù)發(fā)展方向主要包括兩個(gè)方面:①如何提高施工效率;②如何提高地震資料的保真度[1]。有學(xué)者提出利用震源力信號(hào)反褶積運(yùn)算獲得可控震源高保真地震(high fidelity vibrator seismic,HFVS)記錄的方法以及多臺(tái)震源HFV技術(shù)優(yōu)化編碼方法和HFVS與滑動(dòng)掃描技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的方法[2-4]。2009年?yáng)|方地球物理公司將可控震源HFVS技術(shù)應(yīng)用于利比亞Dahra-Jofra油田三維地震勘探,同時(shí)在吐哈盆地首次進(jìn)行了可控震源高保真二維地震采集[5-7]。對(duì)于深層地震勘探而言,目的層本身的反射能量較弱,如果存在諧波干擾,那么會(huì)對(duì)地震資料的處理解釋以及目的層成像造成很大干擾。將參考信號(hào)與地面檢波器接收到的振動(dòng)記錄進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,即將參考信號(hào)的自相關(guān)子波(克勞德子波)與地下地層反射系數(shù)脈沖響應(yīng)進(jìn)行褶積,可獲得可控震源常規(guī)地震記錄。由于可控震源與大地組成的統(tǒng)一振動(dòng)系統(tǒng)在向下傳播彈性波的過(guò)程中存在非線性畸變,影響到地震資料的保真度[8-10],因此本文將采集儀器記錄到的力信號(hào)作為地震子波與母記錄進(jìn)行反褶積運(yùn)算,既避免了互相關(guān)運(yùn)算中的諧波干擾,又提高了深層地震資料的保真度,因此分離后的單炮記錄能夠更真實(shí)地反映地層反射系數(shù)序列的脈沖響應(yīng)。本文通過(guò)分析正演模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)處理中互相關(guān)和反褶積運(yùn)算后的單炮記錄,探索提高地震資料保真度的方法。

1 反褶積運(yùn)算的基本原理及實(shí)現(xiàn)

1.1 力信號(hào)

本文研究的力信號(hào)主要包括震源力信號(hào)和在震源平板附近記錄的震動(dòng)信號(hào),后者稱之為近場(chǎng)力信號(hào)。震源力信號(hào)由震源加速度計(jì)記錄并表示為合成力信號(hào),具體表示為震源重錘加速度和平板加速度分別與重錘和平板質(zhì)量乘積的和:

G=MmAm+MbAb

(1)

式中:G為震源力信號(hào);Mm為重錘質(zhì)量;Am為重錘加速度;Mb為平板質(zhì)量;Ab為平板加速度。震源平板附近記錄的近場(chǎng)力信號(hào)由埋置在平板附近的節(jié)點(diǎn)儀器記錄。由于近場(chǎng)力信號(hào)記錄受諸多因素限制,故許多學(xué)者優(yōu)選震源力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析[11-12]。

1.2 反褶積運(yùn)算的基本原理

在理想狀況下,可控震源地震記錄可以簡(jiǎn)化為:

s(t)=w(t)*e(t)+n(t)

(2)

式中:s(t)為可控震源地震記錄;w(t)為地震子波;e(t)為地層脈沖響應(yīng),即反射系數(shù)序列;n(t)為干擾波。在不考慮噪聲的情況下,(2)式可簡(jiǎn)化為:

s(t)=w(t)*e(t)

(3)

對(duì)(3)式進(jìn)行傅里葉變換,得到頻率域的關(guān)系式為:

S(f)=W(f)·E(f)

(4)

式中:S(f)、W(f)、E(f)分別為時(shí)間域s(t)、w(t)、e(t)的頻譜。

其中,

(5)

如果令:

(6)

則有:

E(f)=S(f)·F(f)

(7)

對(duì)(7)式進(jìn)行反傅里葉變換,將其變換至?xí)r間域,可得:

e(t)=s(t)*f(t)

(8)

將(3)式代入(8)式,可得:

e(t)=w(t)*e(t)*f(t)

(9)

從(6)式可以看出,在頻率域W(f)和F(f)互為倒數(shù)的關(guān)系,因此,在時(shí)間域w(t)與f(t)的褶積是脈沖函數(shù)δ(t):

δ(t)=w(t)*f(t)

(10)

由(10)式可知,f(t)可被視作地震子波w(t)的逆,即反褶積算子,將其與可控震源地震記錄s(t)進(jìn)行褶積運(yùn)算即可得到地層反射系數(shù)序列e(t)。因上述數(shù)據(jù)處理過(guò)程是對(duì)常規(guī)地震記錄褶積模型進(jìn)行逆運(yùn)算,所以稱之為反褶積運(yùn)算。

地震數(shù)據(jù)處理中的反褶積概念和可控震源地震數(shù)據(jù)分離中的反褶積概念存在差異,由于地震數(shù)據(jù)處理中的地震子波是未知項(xiàng),故需要采用某種方法去求取;而可控震源數(shù)據(jù)分離中的地震子波w(t)是力信號(hào),可被直接記錄,因此可以將記錄得到的力信號(hào)直接進(jìn)行反褶積運(yùn)算,進(jìn)而提取單炮記錄[13-14]。

2 模型正演分析及實(shí)際應(yīng)用

2.1 模型正演分析

首先建立一個(gè)如圖1a所示的包括兩個(gè)波阻抗界面的3層水平地層模型。層速度分別為1500,2000,2500m/s,參考信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為12s,頻帶寬度為1.5～84.0Hz,將震源力信號(hào)作為子波,參考信號(hào)和震源力信號(hào)如圖1b和圖1c所示。

圖1 3層水平地層模型(a)、參考信號(hào)(b)和震源力信號(hào)(c)

利用波動(dòng)方程正演模擬[15]得到的可控震源未相關(guān)單炮記錄(不考慮噪聲)如圖2a所示。分別采用兩種運(yùn)算方法對(duì)原始單炮記錄進(jìn)行壓縮分離[16],圖2b為參考信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后的單炮記錄,圖2c為震源力信號(hào)與母記錄反褶積運(yùn)算后的單炮記錄。對(duì)比分析圖2b和圖2c可知,圖2c所示的單炮記錄反射同相軸能量更加突出,該方法可以替代常規(guī)互相關(guān)數(shù)據(jù)分離的方法,以提高地震資料的保真度[17-18]。

圖2 可控震源未相關(guān)單炮記錄(a)、參考信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后的單炮記錄(b)及震源力信號(hào)與母記錄反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄(c)

2.2 實(shí)際資料應(yīng)用

以華北某三維工區(qū)實(shí)際地震資料為例,參考信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為20s,頻帶寬度為1.5～64.0Hz,使用埋置在震源平板附近的某節(jié)點(diǎn)儀器記錄近場(chǎng)力信號(hào),原始未相關(guān)的母記錄如圖3a所示,參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)分別如圖3b、圖3c和圖3d 所示。

圖3 原始未相關(guān)的母記錄(a)、參考信號(hào)(b)、震源力信號(hào)(c)及近場(chǎng)力信號(hào)(d)

參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)的振幅譜如圖4所示,參考信號(hào)與震源力信號(hào)在波形和能量上較為接近。近場(chǎng)力信號(hào)更能真實(shí)反映實(shí)際地表產(chǎn)生的震動(dòng),但受到現(xiàn)場(chǎng)采集環(huán)境的限制,近場(chǎng)力信號(hào)在低頻端的能量明顯弱于其它兩個(gè)信號(hào)。如何能夠獲取穩(wěn)定、高分辨率的近場(chǎng)力信號(hào)是下一步研究的方向。

圖4 參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)的振幅譜

2.2.1 3種信號(hào)與母記錄的互相關(guān)運(yùn)算對(duì)比分析

參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)分別與母記錄進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,分離得到的單炮記錄分別如圖5a、圖5b和圖5c所示。對(duì)3種信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅譜分析,并在同一視窗內(nèi)疊合顯示(圖6)。對(duì)比分析3種信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄(對(duì)單炮記錄進(jìn)行10～60Hz的帶通濾波處理后)可知,其整體特征較為一致,但近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄分辨率相對(duì)較高。比較三者的振幅譜可知,參考信號(hào)和震源力信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄能量一致,近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄在低頻段能量較弱。

圖6 相同時(shí)窗內(nèi)3種信號(hào)與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄振幅譜

圖5 參考信號(hào)(a)、震源力信號(hào)(b)及近場(chǎng)力信號(hào)(c)分別與母記錄互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄

2.2.2 3種信號(hào)與母記錄的反褶積運(yùn)算對(duì)比分析

對(duì)參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄進(jìn)行反褶積運(yùn)算后,分離得到的單炮記錄分別如圖7a、圖7b和圖7c所示。分別采用3種信號(hào)與母記錄進(jìn)行反褶積運(yùn)算,對(duì)分離得到的單炮記錄進(jìn)行振幅譜分析,并在同一視窗內(nèi)疊合顯示(圖8)。對(duì)比分析3種信號(hào)與母記錄反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄(單炮記錄經(jīng)過(guò)10～60Hz的帶通濾波處理)可知,其分辨率基本一致,震源力信號(hào)反褶積運(yùn)算后的能量與參考信號(hào)反褶積運(yùn)算后的能量基本一致。

圖8 相同時(shí)窗內(nèi)3種信號(hào)分別與母記錄反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄振幅譜

圖7 參考信號(hào)(a)、震源力信號(hào)(b)及近場(chǎng)力信號(hào)(c)與母記錄反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄

2.2.3 3種信號(hào)與母記錄的綜合運(yùn)算對(duì)比分析

參考信號(hào)與母記錄的互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜,以及震源力信號(hào)、近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄的反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜如圖9所示;參考信號(hào)與母記錄的反褶積運(yùn)算后的單炮記錄及其振幅譜,以及震源力信號(hào)、近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄的互相關(guān)運(yùn)算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜如圖10所示。由圖9可知,單炮記錄經(jīng)10～60Hz的帶通濾波處理后,其在總體特征上基本一致,震源力信號(hào)反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄分辨率相對(duì)較高,單炮初至起跳清晰干脆,易于拾取初至。由圖10可知,近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄互相關(guān)后分離得到的單炮記錄振幅譜和其它兩種信號(hào)反褶積和互相關(guān)后的單炮記錄振幅譜相比存在一定的相位差,主要是由于在震源平板附近記錄近場(chǎng)力信號(hào)受諸多因素的限制(環(huán)境、角度、距離等),如何獲取穩(wěn)定、可靠的近場(chǎng)力信號(hào)還需深入研究。震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)反褶積運(yùn)算可以替代常規(guī)參考信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算用于壓縮地震記錄,消除諧波干擾,以提高地震資料的保真度[19-20]。

圖9 參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄分別互相關(guān)或反褶積運(yùn)算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜

圖10 參考信號(hào)、震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄分別反褶積或互相關(guān)運(yùn)算后的單炮記錄及其振幅譜

3 結(jié)論

本文利用震源力信號(hào)和近場(chǎng)力信號(hào)與母記錄進(jìn)行反褶積運(yùn)算以消除地震數(shù)據(jù)中的諧波干擾,從數(shù)值模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)兩方面驗(yàn)證了反褶積運(yùn)算相較于常規(guī)的參考信號(hào)互相關(guān),可以提高地震資料的分辨率,消除可控震源與大地系統(tǒng)之間的非線性畸變對(duì)地震資料的影響。力信號(hào)反褶積運(yùn)算還可以提高震源記錄初至?xí)r間的拾取精度,增強(qiáng)靜校正反演的效果?？偠灾?采用該方法對(duì)原始記錄進(jìn)行反褶積運(yùn)算,既能夠獲得不含諧波干擾的單炮記錄,又能夠得到真實(shí)反映地下反射系數(shù)序列的脈沖響應(yīng),從而提高深層地震資料的保真度。