袁 剛,索重輝

(中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

我國西北地區(qū)分布廣袤的沙漠是油氣勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)場。沙漠地區(qū)地表覆蓋著沒有固結(jié)成巖的松軟沙層,形成連綿起伏的沙丘,地震波在沙層中傳播時(shí)極易形成面波、折射波、散射波等各種地震干擾波。其中有一類被稱作沙漠鳴震的噪聲表現(xiàn)比較特別,這類噪聲的分布位置、能量、頻率等與地表沙丘的高度具有明顯的相關(guān)性。

對(duì)于這類噪聲的形成原因,國內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了研究。凌云等[1]依據(jù)噪聲的表現(xiàn)特點(diǎn)和現(xiàn)象,推斷認(rèn)為這是地震波在松散沙層中多次震蕩形成的,類似海洋的海水鳴震干擾,因此將其命名為“沙漠鳴震”噪聲,后被業(yè)界廣泛引用,本文也沿用這一名稱;楊愷等[2]研究了折射-多次反射波的傳播路徑后,認(rèn)為沙漠鳴震噪聲是一種折射-多次反射波;王長春等[3]認(rèn)為沙漠鳴震噪聲是一種淺層多次折射波;修智俠等[4]依據(jù)散射波理論,認(rèn)為沙丘是二次震源的干擾源,其散射波場形成了鳴震噪聲。對(duì)于沙漠區(qū)可控震源記錄,“黑三角”噪聲一直是困擾沙漠區(qū)地震勘探的難題,張力起等[5]對(duì)“黑三角”噪聲特征進(jìn)行了分析,認(rèn)為其與沙漠鳴震有關(guān)。上述針對(duì)沙漠鳴震噪聲的研究,沒有系統(tǒng)總結(jié)出其表現(xiàn)特征,對(duì)于形成機(jī)理的研究,缺乏正演研究結(jié)果加以證實(shí),且結(jié)論上沒有形成共識(shí),需要進(jìn)行更深入嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯俊?/p>

對(duì)于沙漠鳴震噪聲的壓制,凌云等[1]采用了海洋地震數(shù)據(jù)處理中壓制海水鳴震的方法,假設(shè)鳴震噪聲是一種多次波,其周期與沙丘的高度成正比,據(jù)此按照沙層厚度估計(jì)預(yù)測步長,再采用地表一致性預(yù)測反褶積來壓制鳴震干擾;張晴等[6]也采用了變步長預(yù)測反褶積來壓制鳴震噪聲。由于實(shí)際數(shù)據(jù)的信噪比和子波變化等原因,鳴震噪聲的周期性并不強(qiáng),且周期長度難以準(zhǔn)確計(jì)算,因此用預(yù)測反褶積來壓制鳴震噪聲的實(shí)際應(yīng)用效果有限。王立歆等[7-8]認(rèn)為鳴震干擾是一種低視速度的多次波,可以采用Radon變換法來壓制鳴震干擾。事實(shí)上鳴震干擾波的視速度比較高,與一次波速度有部分重疊,這種方法并不能完全區(qū)分噪聲和信號(hào)。修智俠等[4]嘗試用散射波噪聲壓制技術(shù)來壓制鳴震噪聲,但由于沙層的散射波傳播規(guī)律不明確,這種方法實(shí)用性不強(qiáng)。徐穎等[9]拋開沙漠噪聲的形成機(jī)理,完全依據(jù)噪聲與有效波的速度、能量、頻率等特征差異,采用多域組合去噪的方法壓制沙漠鳴震噪聲,然而實(shí)際資料千差萬別,這種方法通用性受到限制。張力起等[5]、裴云龍等[10]、蘇云等[11]分別提出了沙漠可控震源“黑三角”噪聲的壓制方法,都是借用了其它方法,去噪的保真度受到局限。因此有必要研究鳴震噪聲的形成機(jī)制和傳播特征,深入分析鳴震噪聲的分布規(guī)律,從而尋找適用性強(qiáng)的沙漠鳴震噪聲壓制方法。

本文依據(jù)實(shí)際野外數(shù)據(jù),分析沙漠鳴震噪聲的表現(xiàn)特征,并采用數(shù)值模擬方法正演模擬大沙漠區(qū)井炮激發(fā)數(shù)據(jù)的近地表地震波場,觀測沙層的地震波傳播特征,研究鳴震噪聲的形成機(jī)理,探究鳴震噪聲的傳播規(guī)律,得出其在檢波點(diǎn)域呈線性的特征,進(jìn)而優(yōu)選出檢波點(diǎn)域線性噪聲壓制技術(shù)來壓制沙漠鳴震噪聲。

1 沙漠鳴震噪聲特征分析

圖1a是我國西北某沙漠地區(qū)靜校正后的地震單炮記錄。該工區(qū)地表分布?jí)艩詈头涓C狀沙丘,沙丘走向沒有明顯的方向性,沙層厚度為5～30m,采用潛水面以下3m井炮激發(fā)。記錄上方藍(lán)色曲線為地表高程線,可見沙丘連綿起伏。地表高程高的位置,對(duì)應(yīng)沙丘高部位,沙層厚度大;地表高程低的位置,位于沙丘低部位,沙層薄。對(duì)比地表高程線與地震記錄,還可以看到兩者之間具有明顯的相關(guān)性,高程高、沙丘高的位置,地震記錄噪聲能量強(qiáng),信噪比低;高程低、沙丘低的位置,噪聲能量弱,信噪比高。圖1b是地表高程與地震頻譜的對(duì)應(yīng)顯示。可見在地形平坦、沙丘低的位置,高頻成分豐富,地震頻帶較寬,而在地表高程高、沙丘厚的位置,地震頻譜中明顯缺失30Hz以上高頻成分。

圖2a是圖1中地震單炮記錄位置附近抽取的一個(gè)共檢波點(diǎn)道集,顯示了3條炮線,其特征與圖1a的單炮記錄存在非常明顯的區(qū)別。在共檢波點(diǎn)道集上,線性噪聲表現(xiàn)得非常明顯,圖中棕色線為初至折射波,綠色線和藍(lán)色線為線性干擾波,其視速度與初至波相同,說明線性噪聲來源于初至折射波,圖2b是圖2a 的FK譜,也可以看到能量強(qiáng)、速度穩(wěn)定的線性噪聲。共檢波點(diǎn)道集的道距為炮點(diǎn)距,空間采樣比較稀疏,所以FK譜上線性噪聲在20Hz處發(fā)生折疊,呈現(xiàn)假頻特征。在實(shí)際野外數(shù)據(jù)中,不同位置的共檢波點(diǎn)道集,如平坦區(qū)、沙丘斜坡區(qū)、沙丘頂部和沙丘底部,線性噪聲都存在,但是強(qiáng)度不同。一般情況下遠(yuǎn)排列比近排列強(qiáng),同時(shí),強(qiáng)度與檢波點(diǎn)高程有一定關(guān)聯(lián),沙丘頂部能量較強(qiáng),平坦位置能量弱。

圖2 共檢波點(diǎn)道集(a)及其FK譜(b)

圖3是包含沙漠鳴震噪聲的三維疊加數(shù)據(jù)。圖3a是Inline線(沿檢波線)方向的疊加剖面,剖面上沒有很強(qiáng)的線性噪聲。圖3b是Xline線(沿炮線)方向的疊加剖面,剖面上線性噪聲很強(qiáng),在測線兩端非滿覆蓋區(qū)尤為明顯。工區(qū)地表是蜂窩狀沙丘,沙丘的分布沒有明顯的方向性,而噪聲卻只表現(xiàn)在Xline線方向上,方向特性非常明顯。常見的面波和折射波等干擾波的傾向與初至切除線方向一致,而圖3b中線性干擾噪聲的傾向與初至切除線方向相反,因此這種鳴震噪聲是一種不同于常見的面波和折射波的干擾波。

圖3 包含沙漠鳴震噪聲的Inline(a)和Xline(b)方向的疊加剖面

鳴震噪聲在炮集上的能量隨地表高程的變化而變化,沒有明顯的線性干擾波特征,在疊加剖面的主測線上也不明顯,顯示炮集和Inline線剖面是地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制的主要方式,鳴震噪聲恰恰在炮集和Inline線剖面上表現(xiàn)都不明顯,因此容易被忽視。這種能量比較強(qiáng)的規(guī)則干擾波必須在疊前進(jìn)行壓制,否則將殘留在道集數(shù)據(jù)中,影響最終偏移成像的質(zhì)量,降低地震解釋的精度。在地震數(shù)據(jù)處理過程中,必須認(rèn)識(shí)到鳴震噪聲的存在,需要注意觀察共檢波點(diǎn)道集和Xline線剖面特征,加強(qiáng)質(zhì)量控制過程,發(fā)現(xiàn)鳴震噪聲。

2 鳴震噪聲的正演模擬及傳播方式

為了研究鳴震噪聲的形成機(jī)理及傳播方式,我們進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。我國西北沙漠區(qū)地表沙丘干燥松軟,沒有固結(jié)成巖,地震速度一般低于1000m/s。在沙層的底部,沙層固結(jié)成巖,并且有穩(wěn)定的潛水面,地震速度在1700m/s左右。沙漠區(qū)潛水面比較穩(wěn)定,且基本水平,在地震單炮上形成比較強(qiáng)的初至折射波。正演速度模型使用的是研究區(qū)的實(shí)際野外數(shù)據(jù)通過初至波層析反演得到的近地表速度場(圖4a上圖),速度場比較準(zhǔn)確地反映了沙漠區(qū)近地表速度的分布情況。正演算法采用了彈性波方程,觀測系統(tǒng)按照實(shí)際三維數(shù)據(jù)中抽取的一條二維測線設(shè)計(jì)。正演時(shí)將炮點(diǎn)置于模型的高速層中,模擬野外潛水面以下放炮的激發(fā)方式,所有接收點(diǎn)位于地表。圖4a下圖是模擬炮集的結(jié)果,可以看到由于炮集上存在靜校正問題,初至波隨地表高程起伏變化,能量隨地表高程變化,但是沒有發(fā)現(xiàn)明顯的線性干擾,與野外實(shí)際觀測數(shù)據(jù)炮集相似(圖1a)。圖4b下圖是模擬的一個(gè)共檢波點(diǎn)道集,由于所有炮點(diǎn)也在潛水面以下,沒有炮點(diǎn)靜校正問題,所以在共檢波點(diǎn)道集上初至平滑,同一個(gè)檢波點(diǎn)上吸收衰減相同,地震能量也具有很好的一致性,更為明顯的特征是,可以看到多組平行于初至折射波的線性干擾波,與圖2a中實(shí)際觀測的野外數(shù)據(jù)特征一致。

圖4 共炮點(diǎn)道集(a)和共檢波點(diǎn)道集(b)數(shù)值模擬正演記錄

在潛水面以下激發(fā)的單炮,地震波能量大部分向深層透射,一部分以面波和初至折射波的形式回到地面。圖5a是數(shù)值模擬的近地表波場快照。炮點(diǎn)在水平距離為5200m的潛水面以下,水平距離在4000～5000m范圍的近炮點(diǎn),沙層里面各種類型的地震波相互干涉,波場非常復(fù)雜。當(dāng)傳播到3000m左右時(shí),可以看到能量非常強(qiáng)的波前面,對(duì)應(yīng)的是初至折射波。地震波傳播到3200～4000m附近時(shí),可以明顯看到類似于以沙丘為二次震源的波動(dòng),波前面向下彎曲。連續(xù)觀察波場快照,還可以看到這組波前在地表和潛水面之間多次反射。圖5b是野外采集的實(shí)際地震單炮記錄,圖中標(biāo)注位置也觀測到下凹的同相軸,并且與沙丘位置完全對(duì)應(yīng)。經(jīng)過計(jì)算,兩個(gè)下凹同相軸之間的時(shí)差剛好是潛水面到地面旅行時(shí)的兩倍。通過波場快照和實(shí)際資料對(duì)比,說明了沙漠鳴震噪聲的形成機(jī)理如下：由于干砂層和含水砂層的速度差異很大,沙漠區(qū)潛水面形成很強(qiáng)的速度界面。潛水面以下激發(fā)的地震波,當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí),振動(dòng)能量沿潛水面滑行,引起潛水面以上的砂層振動(dòng),形成了能量很強(qiáng)的初至折射波。初至折射波到達(dá)地面后,在波阻抗很強(qiáng)的自由表面發(fā)生反射后向下傳播,穿過疏松沙層后又到達(dá)潛水面,在潛水面再次反射回到地表。地震波能量在自由表面和潛水面之間多次反射,反復(fù)震蕩,形成沙漠鳴震干擾波。模型正演結(jié)果證實(shí)了凌云等[1]和楊愷等[2]提出的沙漠鳴震噪聲是折射多次波的觀點(diǎn)。

圖5 數(shù)值模擬波場快照(a)和野外地震單炮記錄(b)

鳴震干擾波在共炮點(diǎn)道集和Inline線方向能量不強(qiáng),而在共檢波點(diǎn)道集和Xline線方向能量比較強(qiáng)的現(xiàn)象可以用近地表的折射-反射多次波的傳播路徑來解釋。圖6a為共炮點(diǎn)道集的折射-反射多次波的傳播路徑示意圖。潛水面和地表是兩個(gè)強(qiáng)反射界面,在共炮點(diǎn)道集上,炮點(diǎn)(S)激發(fā)的地震波沿潛水面滑行到各個(gè)檢波點(diǎn)下方(R1,R2,R3,R4,R5,R6),折射回到地面檢波點(diǎn)處,然后在自由表面和潛水面之間反復(fù)震蕩。由于R1到R6之間每個(gè)檢波點(diǎn)處的砂層厚度不一樣,鳴震干擾波在多個(gè)檢波點(diǎn)之間的震蕩周期不一樣,因此在共炮點(diǎn)道集上,各個(gè)檢波點(diǎn)之間的鳴震干擾波到達(dá)時(shí)間不一致,表現(xiàn)為非線性特性。對(duì)于能量和頻率與高程相關(guān)的問題,主要原因在于沙丘越高,松軟沙層吸收更多的地震高頻成分,地震有效反射能量在沙層中的衰減越多[12],檢波器與大地的耦合越差,因此接收到有效信號(hào)高頻衰減越嚴(yán)重,有效反射能量越弱。

圖6 共炮點(diǎn)(a)和共檢波點(diǎn)(b)道集的折射-反射多次波路徑示意

在共檢波點(diǎn)道集上,折射-反射多次波的傳播路徑與共炮點(diǎn)道集存在明顯差異(圖6b)。沙漠地區(qū)潛水面比較穩(wěn)定,由于是在潛水面以下激發(fā),不同炮點(diǎn)(S1,S2,S3,S4,S5,S6)基本處在相同速度界面上,各炮產(chǎn)生的各種地震波(直達(dá)波、折射波、多次折射波)等以相同速度傳入到同一個(gè)檢波器(R)下方,在共檢波點(diǎn)道集內(nèi),所有地震記錄來自同一個(gè)檢波點(diǎn),近地表衰減和吸收一樣,因此具有相近的能量和頻率。同時(shí)雖然地震道來自不同的炮,但是在砂層中產(chǎn)生的鳴震干擾在沙丘頂、底之間反射,具有相同的周期,在道集上就具有相同的視速度,呈現(xiàn)出明顯的線性特征。鳴震噪聲在共檢波點(diǎn)道集上具有周期性特征,是凌云等[1]用預(yù)測反褶積來壓制鳴震干擾波的理論依據(jù)。

陸地地震數(shù)據(jù)采集一般采用束狀三維觀測方式,在最常見的正交觀測系統(tǒng)中,炮線垂直于檢波線。井炮激發(fā)時(shí),炮集上鳴震較弱,共檢波點(diǎn)道集上較強(qiáng)。對(duì)于可控震源,激發(fā)點(diǎn)位于地表,激發(fā)端地震波也會(huì)在空氣和潛水面之間多次震蕩產(chǎn)生鳴震。相對(duì)于井炮主要在接收端產(chǎn)生鳴震,可控震源則在激發(fā)端和接收端同時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的鳴震干擾,由于炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)砂層厚度不一致,激發(fā)、接收兩端多次反射波的周期不一樣,兩端噪聲疊加后,每道的周期不再固定,再加上靜校正的影響,無論是在炮集還是在共檢波點(diǎn)道集上,都不再表現(xiàn)為很規(guī)則的線性噪聲,在疊加剖面上也不再具有方向性差異,所以可控震源常見的黑三角噪聲是激發(fā)端和接收端鳴震干擾疊加的結(jié)果,其傳播規(guī)律更加復(fù)雜,用線性噪聲壓制技術(shù)和反褶積方法都不能取得好的噪聲壓制效果。

3 沙漠鳴震噪聲的壓制方法

傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)分析方法一般在炮集上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。在炮記錄上,沙漠鳴震噪聲只表現(xiàn)為能量和頻率隨高程的變化,通常使用地表一致性振幅補(bǔ)償調(diào)節(jié)能量差異,使用地表一致性反褶積歸一化地震子波。由于炮集記錄上沙漠鳴震噪聲的特點(diǎn)不夠清晰,用于信噪分離的信息不充分,因此難以提取和壓制這類噪聲,鳴震噪聲壓制效果不好。

由圖2可見,井炮資料的鳴震噪聲分選到共檢波點(diǎn)道集后呈現(xiàn)非常好的線性特征。理論上,對(duì)于規(guī)則的線性噪聲,采用FK濾波、τ-p變換濾波等各種線性噪聲壓制方法都有明顯的壓制效果[13-14]。在地震數(shù)據(jù)采集過程中,常見的炮距都是兩倍道距或者更大,而且炮點(diǎn)難以規(guī)則布設(shè),因此在共檢波點(diǎn)道集中,相應(yīng)的道間距變?yōu)榕诩膬杀?且空間采樣不均勻,容易出現(xiàn)空間假頻,從而使得壓噪效果受到影響[15-16]。

頻率空間域相干噪聲衰減(FXCNS)技術(shù)能很好地解決空間采樣不規(guī)則的問題[17],是目前應(yīng)用比較廣泛的線性噪聲壓制方法。對(duì)于共檢波點(diǎn)地震記錄,變換到頻率-空間域后,可以分解成信號(hào)s、相干噪聲c和隨機(jī)噪聲r(shí)3部分,如(1)式所示：

d(ω,x)=s(ω,x)+c(ω,x)+r(ω,x)

(1)

式中：ω為角頻率;x為偏移距。在頻率空間域,相干噪聲是線性的,信號(hào)和隨機(jī)噪聲都沒有相關(guān)性。

對(duì)每個(gè)角頻率和偏移距,構(gòu)建最小二乘誤差函數(shù)：

式中：f為時(shí)間延遲因子;a為加權(quán)函數(shù)。由于相干噪聲的相干性,二者的乘積就可以構(gòu)建成相干噪聲因子,該因子與偏移距、噪聲視速度和頻率有關(guān)。

求解方程(2)的最小二乘解,可以得到加權(quán)函數(shù)a,從而模擬出相干噪聲r(shí),從原始數(shù)據(jù)中減去噪聲,就實(shí)現(xiàn)了噪聲壓制。頻率空間域相干噪聲衰減技術(shù)對(duì)每個(gè)單頻成分使用多道最小二乘法,在相干噪聲的視速度分布范圍內(nèi),估計(jì)并分離出線性噪聲,該方法沒有使用二維傅里葉變換到頻率-波數(shù)域,而是使用頻率-空間域的最小二乘法分離噪聲,因此能有效避免由于空間采樣不規(guī)則帶來的頻率-空間域假頻問題[18-19]。圖7是共檢波點(diǎn)道集上頻率空間域相干噪聲衰減前、后的道集,可見多組與初至平行的強(qiáng)線性干擾得到有效壓制。圖8是對(duì)應(yīng)的與炮線平行的疊加剖面。由圖8可見,剖面上與切除方向相反的強(qiáng)線性噪聲得到了很好的壓制。

圖7 共檢波點(diǎn)道集頻率-空間域相干噪聲衰減前(a)、后(b)道集

圖8 共檢波點(diǎn)道集頻率-空間域相干噪聲衰減前(a)、后(b)的疊加剖面(Xline)

4 結(jié)論

1) 對(duì)于潛水面下激發(fā)的井炮地震數(shù)據(jù),沙漠鳴震噪聲在共檢波點(diǎn)道集上表現(xiàn)為強(qiáng)線性特征,在垂直于接收線的疊加剖面上能量較強(qiáng),數(shù)據(jù)處理時(shí)需要重點(diǎn)監(jiān)控共檢波點(diǎn)道集和Xline線;

2) 沙漠鳴震噪聲是折射波能量在潛水面和自由表面之間多次震蕩形成的折射多次波,震蕩周期是地震波在沙層中的旅行時(shí);

3) 潛水面下激發(fā)的井炮地震數(shù)據(jù)分選到共檢波點(diǎn)道集后,鳴震噪聲呈現(xiàn)規(guī)則線性干擾波,采用頻率-空間域相干噪聲衰減方法能有效壓制鳴震噪聲。