王正良，肖國強(qiáng)，付群禮，呂震川，姚宗惠，史慶陽，高 斌，伊鴻斌，高 強(qiáng)，張 鵬，侯 杰，史炳程，王彥鐸，焦桂行

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司長慶物探處，陜西 西安 710021)

在鄂爾多斯盆地西北部地震勘探采集時，由于部分區(qū)域海拔高，季風(fēng)使地表的草木隨風(fēng)而動，形成強(qiáng)度較大的隨機(jī)干擾；加之疏松的沙土層、巨厚黃土層對地震波吸收強(qiáng)烈，激發(fā)引起更多的次生震動，多因素導(dǎo)致該區(qū)地震資料低信噪比低，影響地震勘探效果。通過提高覆蓋次數(shù)壓制隨機(jī)干擾難度大，野外檢波器組合可有效壓制隨機(jī)干擾。前人對檢波器組合研究較多，研究重點往往是檢波器組合對面波、折射波等規(guī)則干擾波的壓制方法[1]，盒子波對隨機(jī)噪聲的壓制作用[2]，檢波器組合壓制規(guī)則干擾波，散射波干擾等[3-6]；合理提高檢波器組合高差可壓制長波長規(guī)則干擾波，提高構(gòu)造勘探信噪比[7-10]；將檢波器組合與震源組合匹配可壓制規(guī)則干擾波、拓寬地震波頻帶寬度[11-13]；組合基距大于18 m會影響淺部煤層勘探中的高頻成分[14]，較大組合基距20～120 m引起的靜校正誤差會影響剖面質(zhì)量[15]。

這些成果反映了研究檢波器組合重點在壓制規(guī)則干擾波，或是理論研究為主，對隨機(jī)噪聲的分析不是重點，也沒有專門針對鄂爾多斯盆地具體地域隨機(jī)噪聲的衰減進(jìn)行過系統(tǒng)分析與論述。近年來，雖然在盆地內(nèi)運用高覆蓋、高炮道密度、單點接收等三維地震勘探新技術(shù)，但是，在低信噪比復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用效果并不理想，無法滿足地質(zhì)需求，這成為地震勘探的一個難點?；诖?，以盆地內(nèi)低信噪比復(fù)雜地區(qū)為研究對象，系統(tǒng)分析了檢波器組合高差、組合基距對采集資料頻率的影響、組內(nèi)距對資料信噪比的影響方式，以期為類似地區(qū)地震勘探采集提供技術(shù)參考。

1 盆地低信噪比復(fù)雜地區(qū)主要影響因素

鄂爾多斯盆地A、B地區(qū)位于盆地西北部，表層巖性為沙土、黃土、砂巖(圖1)，巖性和地球物理參數(shù)變化快。目的層為中生代、古生代地層，反射弱，地震采集資料信噪比低；其中本次研究區(qū)A區(qū)處于季風(fēng)主要通道，地表小植被豐富，廣泛分布成行的沙棘林，風(fēng)吹草動，常形成嚴(yán)重的自然環(huán)境隨機(jī)干擾，致使地震單炮記錄信噪比迅速下降，屬于信噪比低的復(fù)雜地區(qū)。由于隨機(jī)噪聲頻帶寬、強(qiáng)度大于有效信號，要提高資料信噪比，需要采用超高覆蓋次數(shù)采集方法來彌補，施工技術(shù)難度很大，成本高。

圖1 鄂爾多斯盆地低信噪比區(qū)域Fig.1 Low SNR area in Ordos Basin

A地區(qū)的隨機(jī)干擾影響嚴(yán)重，從該區(qū)單點SN 5-5Hz檢波器接收的典型單炮記錄(圖2)上可以看出，初至前背景噪聲能量強(qiáng)，將絕大部分初至淹沒，從近道至遠(yuǎn)道均分布強(qiáng)能量的隨機(jī)噪聲，常使初至波起跳位置難以確定，初至拾取不準(zhǔn)確，將會影響后續(xù)資料處理環(huán)節(jié)的靜校正精度，其次會導(dǎo)致目的層反射波同相軸不連續(xù)，難以有效識別，進(jìn)一步影響高頻剩余靜校正量計算，造成更嚴(yán)重高截濾波，同時影響動校正精度，這是該區(qū)引起信噪比降低的主要因素之一。

圖2 單點接收的寬檔單炮記錄Fig.2 Wide range single shot record received by single point geophone

因此，在采集環(huán)節(jié)，檢波器組合方法應(yīng)重點壓制隨機(jī)干擾，提高資料信噪比。

2 檢波器組合效果的影響因素

檢波器組合是指在一個地震道上同時使用多個地震檢波器，并按一定形式布成的接收地震信號的陣列，把這些檢波器的輸出疊加起來作為這一地震道的信號，又稱組合檢波，主要用來壓制規(guī)則干擾波和隨機(jī)干擾。其主要參數(shù)有組合基距、組內(nèi)距、組內(nèi)高差，組合個數(shù)等。

2.1 組內(nèi)高差

組內(nèi)高差是指同一地震道內(nèi)不同檢波器位置之間的最大高差。在野外地震資料采集時，檢波器埋置條件、表層地層速度、組內(nèi)高差等因素很容易造成組內(nèi)檢波器之間數(shù)毫秒的時差。假設(shè)由于高差引起的組內(nèi)時差也大致服從正態(tài)分布，這種正態(tài)分布的概率函數(shù)[16]具有如下形式：

式中：PN(x)為誤差幾率；x為組合高差導(dǎo)致的時差；σ為組內(nèi)時差均方根值(σ2為方差)；u為組內(nèi)時差的均值。

式(1)的振幅譜表示為：

式中：f為頻率；A(f)為振幅譜。由式(2)可知，時差對信號起到了高截濾波作用。以A地區(qū)為例進(jìn)行計算，檢波器組內(nèi)高差分別是1.0、1.5、2.0 m，表層速度為600 m/s，則以上高差引起的時差分別為1.7、2.5、3.3 ms，分別計算其濾波器頻譜(圖3)，當(dāng)振幅為0.5時，對應(yīng)的高截頻率分別為114、76、56 Hz。

圖3 鄂爾多斯盆地A地區(qū)組內(nèi)高差與頻率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between intra-group elevation difference and frequency in area A in Ordos Basin

一般，盆地內(nèi)地震資料采集質(zhì)量要求道內(nèi)檢波器組合高差控制在1 m以內(nèi)，按振幅為0.5計算，高截頻率在114 Hz，時差不超過± 2 ms，對高頻信號影響也非常小；而且，盆地內(nèi)大部分成果剖面高頻有效信號基本都在70 Hz以內(nèi)，遠(yuǎn)小于以上高截頻率。

2.2 組合基距

在采用檢波器組合時，將同一組合內(nèi)相距最遠(yuǎn)的2個檢波器之間的距離稱為組合基距。由于炮檢距的原因，組合基距對反射波而言，也會引起檢波器組合時差，從而造成低通濾波作用。相對于組合中心反射波到達(dá)時間，組合基距引起的時差為：

式中：Δtd表示基距引起的反射波到達(dá)時差；t0為自激自收時間；x為炮檢距；Δx為組合基距；v為反射波在反射界面以上介質(zhì)中的速度(圖4)。

圖4 基距引起反射波的時差Fig.4 Time difference diagram of reflected wave caused by base distance

同一點組合，時差是時變的，與深度、速度有關(guān)，深層影響小于淺層。不同點組合，時差是空變的，大炮檢距影響大于小炮檢距的。根據(jù)式(3)，以A地區(qū)地層為例，中生界自激自收旅行時間為1 400 ms，平均速度3 700 m/s；古生界自激自收旅行時間為2 000 ms、平均速度4 500 m/s，炮檢距5 000 m，基距1～30 m，分別進(jìn)行計算分析，當(dāng)組合基距為13 m時，對中生界影響時差± 2.44 ms，對古生界則是± 1.44 ms。就淺層而言，2.5 ms可以保護(hù)到高頻70 Hz，深層可以保護(hù)到80 Hz以內(nèi)。因此，理論分析該區(qū)最大基距小于等于13 m。

因此，組合高差、組合基距造成的時差在A地區(qū)對地震資料高頻影響有限，所以，本文將重點分析有效壓制隨機(jī)干擾的組內(nèi)距方面。

2.3 組內(nèi)距

在采用檢波器組合時，將同一組合內(nèi)相鄰兩個檢波器之間的距離稱為組內(nèi)距。組內(nèi)距大于隨機(jī)干擾半徑時，用n個檢波器組合后，信噪比可增加倍。

2.3.1 盒子波調(diào)查隨機(jī)干擾相關(guān)半徑

采用方形排列[17-18](盒子波)調(diào)查隨機(jī)干擾方法，24 m×24 m接收，每道單個SN 7 C-10 Hz檢波器接收，組合中心也用一個檢波器接收、小面積調(diào)查方法，采集儀器型號為G3i。為了保證記錄噪聲的品質(zhì)，試驗點選擇遠(yuǎn)離人為干擾源，現(xiàn)場有專人警戒，確保噪聲來自環(huán)境背景噪聲。

陸基孟等[19]認(rèn)為隨機(jī)干擾是沒有固定頻率，也沒有固定傳播方向的波，在記錄上形成雜亂無章的干擾背景，對其特性只能用概率統(tǒng)計理論。多點接收的地震記錄上隨機(jī)干擾振幅既隨時間變化又隨檢波點位置變化，是時間t和接收點位置的函數(shù)u(x,t)，固定某時刻u(x,tR)是隨機(jī)干擾的波剖面。隨機(jī)干擾可視為具有各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)的、平穩(wěn)的隨機(jī)過程，所以，u(x,tR)和u(xR,t)的統(tǒng)計特性相同。組合是同一炮激發(fā)各檢波器輸出的疊加，即時間相同而位置不同，所以只與位置相關(guān)，即使用隨機(jī)干擾波剖面來研究其統(tǒng)計特性。對于均值為零的隨機(jī)過程，只需要研究自相關(guān)函數(shù)Rnn(t)就可以充分描述隨機(jī)過程的統(tǒng)計特性。但在對實際資料進(jìn)行分析時，輸出的均值代表疊加道，所以應(yīng)同時對相關(guān)函數(shù)和均值進(jìn)行研究。平均值公式和相關(guān)函數(shù)分別為：

式中：ni為隨機(jī)干擾的波剖面；為波剖面的均值；m-l為計算自相關(guān)時2個波形振幅值對應(yīng)相乘的項數(shù)；Δx為隨機(jī)干擾記錄中的道間距。

橫向(南北向，圖5)在0 m時，自相關(guān)函數(shù)為最大值1，為信號能量；在1.7 m位置處，自相關(guān)函數(shù)首次達(dá)到0，為不相關(guān)。所以，橫向隨機(jī)干擾相關(guān)半徑為第一個零值點1.7 m。

縱向(東西向，圖6)，自相關(guān)函數(shù)在1.8～2.0 m值為0.03，首次趨于0，為不相關(guān)。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)特征及數(shù)值，參考橫向相關(guān)半徑，最后基本確定縱向相關(guān)半徑為第一個趨近零值的1.8～2.0 m。

圖5 橫向不同距離自相關(guān)函數(shù)曲線Fig.5 Auto correlation function curve of different lateral distance

圖6 縱向不同距離自相關(guān)函數(shù)曲線Fig.6 Auto correlation function curve with different longitudinal distance

在綜合分析縱向、橫向隨機(jī)半徑結(jié)果后，A區(qū)隨機(jī)干擾相關(guān)半徑為1.7～2.0 m。為了有效衰減隨機(jī)干擾，需采用大于等于隨機(jī)干擾半徑的檢波器組內(nèi)距。

2.3.2 不同組內(nèi)距隨機(jī)干擾能量分析

為了進(jìn)一步檢驗隨機(jī)干擾相關(guān)半徑的準(zhǔn)確性，采用盒子波試驗，對同一時間內(nèi)單個檢波器接收的噪聲記錄對比，根據(jù)0～11 m不同組內(nèi)距選擇其中不同的6個檢波器組合，對6道隨機(jī)干擾記錄進(jìn)行疊加，計算組合后的噪聲能量，并進(jìn)行能量分析(圖7)。組內(nèi)距0 m時，為原始單道，隨機(jī)噪聲能量強(qiáng)，能量曲線值最大；組內(nèi)距2～3 m時疊加能量衰減至最低，在能量曲線拐點最小值處，隨機(jī)干擾衰減最明顯。

圖7 6個檢波器組合不同組內(nèi)距噪聲疊加能量分析Fig.7 Energy analysis of noise superposition in different internal distance of six geophone array

最后，通過不同組內(nèi)距隨機(jī)噪聲疊加能量分析判定，隨機(jī)干擾相關(guān)半徑約2 m，檢波器組內(nèi)距3 m，能穩(wěn)定有效壓制隨機(jī)干擾，大于3 m組內(nèi)距也能較好地衰減隨機(jī)干擾。

2.3.3 不同組合個數(shù)隨機(jī)干擾疊加能量、頻譜分析

為了確定組合個數(shù)分別以組內(nèi)距1 m和組內(nèi)距3 m，對1～12個不同檢波器組合個數(shù)進(jìn)行隨機(jī)噪聲疊加能量、頻譜分析。

組內(nèi)距為1 m時，對1～12不同組合個數(shù)進(jìn)行噪聲疊加能量(圖8)、頻譜對比(圖9)分析，噪聲隨檢波器組合個數(shù)增加逐漸緩慢降低；頻譜分析顯示檢波器在1～10組合個數(shù)時，壓制明顯，但高頻未完全消失；在1～3個檢波器組合時，疊加能量(圖10)快速下降，從0.39下降到0.27；3～5個組合數(shù)時，下降速度略緩，降至0.22；5～10個組合時，緩慢下降，降至能量為0.17；10～12個組合能量未變。

圖8 不同組合道數(shù)噪聲記錄對比Fig.8 Noise record comparison of different geophone array number

圖9 不同組合道數(shù)噪聲記錄頻譜分析Fig.9 Noise record spectrum analysis of different geophone array number

組內(nèi)距為3 m時，進(jìn)行同樣分析，噪聲疊加能量隨檢波器組合個數(shù)增加快速降低；頻譜分析顯示在5個組合時，高頻能量明顯被壓制，6～12個組合頻譜變化不大；疊加能量在1～2個檢波器組合時，疊加能量快速從0.39降至0.20；2～3個組合下降稍緩，降至0.16；3～5個組合下降更慢，降至0.13；6～12個組合變化不大。

通過對組內(nèi)距分別為1 m和3 m，1～12不同組合數(shù)噪聲疊加能量、頻譜等對比，1 m組內(nèi)距時，12個檢波器組合仍壓制不住隨機(jī)干擾；3 m組內(nèi)距能快速壓噪，5～6個檢波器組合可以壓制噪聲。當(dāng)噪聲疊加能量振幅為0.2時，組內(nèi)距1 m需要6個檢波器組合，組內(nèi)距3 m需要2個檢波器組合，所用個數(shù)比為3∶1。

3 單炮記錄的檢波器組合效果分析

對于同一段地下反射界面，共炮點單炮記錄檢波點道距均勻，反射點也均勻，而共檢波點道集所用炮點不均勻分布，反射點也不均勻，本次分析的試驗段炮點分布較均勻，處理時，采用共檢波點記錄進(jìn)行效果分析。

3.1 不同檢波器組合個數(shù)

圖11為組內(nèi)距1 m和3 m，1～8個檢波器線性組合的單炮記錄（40～90 Hz濾波后）。由圖11可知，組內(nèi)距1 m記錄中，1～6個檢波器組合，背景噪聲隨檢波器組合個數(shù)增大逐漸減弱，有效波增強(qiáng)，壓制效果逐漸變好，信噪比依次提高；7～8個檢波器組合綜合效果提升較緩。而組內(nèi)距3 m記錄中，1～2個檢波器組合，背景噪聲在組合后較快減弱，有效波增強(qiáng)，壓制效果增強(qiáng)，信噪比得到提高；3～8個檢波器組合綜合效果隨組合數(shù)緩慢提升，同時，2個檢波器組合效果與組內(nèi)距1 m的6個檢波器組合壓制效果相當(dāng)，基本壓制住隨機(jī)干擾，有效波得到加強(qiáng)，資料信噪比明顯提高。

圖10 不同檢波組合個數(shù)噪聲能量分析Fig.10 Noise energy analysis of different geophone array number

圖11 不同檢波器組合個數(shù)單炮記錄效果對比Fig.11 Comparison of the effect of single shot record of different geophone array number

單炮記錄信噪比是用互相關(guān)算法進(jìn)行估算的，該算法的基本假設(shè)為：對于相鄰地震道，有效反射波信號具有相關(guān)性，而噪聲不具有相關(guān)性。對地震道先做互相關(guān)，再通過多道統(tǒng)計計算，得到互相關(guān)法計算信噪比的公式，從而得到估算的信噪比。圖12為原始記錄進(jìn)行信噪比計算結(jié)果。由圖12 分析可知，組內(nèi)距1 m時，信噪比從1組合的0.99逐次增至6組合的1.45，增加慢，7～8組合信噪比為1.48，變化小。組內(nèi)距3 m時，信噪比從1組合的0.99增至2組合的1.38，增加快，3～8組合為1.44～1.51，變化小。組內(nèi)距3 m時2個檢波器線性組合信噪比就可以達(dá)到組內(nèi)距為1 m時6個檢波器線性組合效果，而且與3～8組合數(shù)信噪比相當(dāng)。從試驗資料的面積組合和線性組合效果對比可知，根據(jù)組合基距與組內(nèi)基距要求，遵循小基距、大內(nèi)距方法，面積組合的信噪比較好。

圖12 不同檢波器組合個數(shù)的單炮記錄信噪比Fig.12 S/N comparison of single shot record of different geophone array number

檢波器線性組合時，組內(nèi)距1 m，組合個數(shù)6個與組內(nèi)距3 m，組合個數(shù)2個，均能達(dá)到所需的相當(dāng)能量和信噪比。

3.2 不同組內(nèi)距信噪比效果分析

為了確定實際生產(chǎn)中的有效組內(nèi)距，本文分別采用4個與9個檢波器組合，進(jìn)行1～23 m組內(nèi)距單炮記錄信噪比對比(圖13)。從圖13中可以看出：4個檢波器組合在組內(nèi)距3、4、10、17、22 m時信噪比均達(dá)到局部高點，信噪比在1.435～1.535，變化不大；9個檢波器組合在組內(nèi)距3～4 m，9～11 m時均達(dá)到局部高點，信噪比在1.558～1.650，變化不大。綜合分析認(rèn)為組內(nèi)距3 m時，信噪比效果較好，說明隨機(jī)干擾半徑2 m左右是準(zhǔn)確的，實際應(yīng)用效果明顯、簡便。

圖13 不同組內(nèi)距記錄信噪比分析Fig.13 S/N analysis of record of different geophone array interval

根據(jù)實際單炮記錄，1～23 m組內(nèi)距的信噪比對比分析得出：不論4個，還是9個檢波器組合，組內(nèi)距3 m以后，再增大組內(nèi)距是無意義的?？傊啻委B加的統(tǒng)計效應(yīng)，其原理與檢波器組合相同。即如果道集內(nèi)各道記錄到的隨機(jī)干擾是互不相關(guān)的，則經(jīng)n次疊加后，隨機(jī)干擾只增強(qiáng)倍。有效波疊加后增強(qiáng)了n倍，則疊加后信噪比增加倍。如果組內(nèi)距小于隨機(jī)干擾相關(guān)半徑，則疊加后信噪比增加倍，β與噪聲相關(guān)性有關(guān)。因此，在野外檢波器組內(nèi)距要大于隨機(jī)干擾相關(guān)半徑，采用不小于3 m組內(nèi)距進(jìn)行檢波器組合，則β值為0，信噪比增加倍；小于干擾半徑，則β屬于(0，1)，信噪比小于。

4 實際應(yīng)用效果

為了便于施工，采用2串12個SN 7 C-10 Hz檢波器組合，組內(nèi)高差小于1 m，組內(nèi)距3 m，組合基距15 m，面積組合，與單點SN 5-5 Hz檢波器進(jìn)行接收效果對比，從單炮記錄分析可知(圖14)，檢波器組合接收的目的層同相軸連續(xù)性好，目的層波組齊全、清晰，信噪比高，而單點接收信噪比低，背景干擾壓制效果一般，目的層連續(xù)性差。該區(qū)后續(xù)剖面成果也證明，單點接收剖面信噪比要達(dá)到與其相同的信噪比，覆蓋次數(shù)需達(dá)到檢波器組合接收剖面的數(shù)倍，導(dǎo)致成本增高。

5 結(jié)論

a.在鄂爾多斯盆地低信噪比復(fù)雜地區(qū)，當(dāng)隨機(jī)干擾為資料信噪比低的主要影響因素時，應(yīng)將野外接收環(huán)節(jié)的檢波器組合的重點放在有效壓制隨機(jī)干擾方面，盒子波調(diào)查隨機(jī)干擾相關(guān)半徑約2 m，組內(nèi)距應(yīng)采用大于其距離，才能有效衰減較強(qiáng)能量隨機(jī)干擾，提高地震采集資料信噪比。

圖14 檢波器組合記錄與單點記錄對比Fig.14 Comparison of combined geophone record and single geophone record

b.在盆地低信噪比復(fù)雜地區(qū)野外采集時，有效的檢波器組合方法是組合高差小于1 m、組合基距9～13 m，組內(nèi)距3 m，線性組合或者面積組合，既能有效衰減高能量的隨機(jī)干擾，提高信噪比，又能保護(hù)有效波高頻成分，實際單炮顯示，該檢波器組合方法接收效果信噪比高，目的層連續(xù)性好，高頻段資料品質(zhì)好，整體效果優(yōu)于單點檢波器的。

致謝：本研究內(nèi)容是長慶物探人共同奮斗成果之一，向參與者表示衷心感謝和致敬！同時感謝審稿專家和編輯老師給出的寶貴意見和指導(dǎo)！