張海秀,余青露

(1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司南京軟件研究院,江蘇南京210019;2.中國石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

在地震勘探初期,考慮到勘探目標(biāo)和勘探成本,往往采用大面元、低覆蓋、窄方位地震勘探方法,但隨著勘探目標(biāo)越來越復(fù)雜,以前的勘探方法已經(jīng)不能滿足目前精細(xì)勘探的需求。隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展,高密度、寬方位地震勘探獲取的信息豐富,勘探精度高,日益受到業(yè)界重視。通常情況下,高密度地震勘探多采用單點(diǎn)檢波器接收,但受地表?xiàng)l件影響,難以保證資料的信噪比,采集的地震資料信噪比通常偏低。因此,針對(duì)高密度、寬方位地震數(shù)據(jù)的處理,需要應(yīng)用針對(duì)性的處理技術(shù),以提高地震資料的保真度和剖面的成像質(zhì)量[1-2]。

目前,常用的噪聲壓制方法有譜分析法自適應(yīng)面波壓制技術(shù)、頻率-波數(shù)(f-k)域?yàn)V波、頻率-空間(f-x)域?yàn)V波、Radon變換噪聲壓制、均值加權(quán)相干噪聲壓制、隨機(jī)噪聲壓制、異常振幅衰減技術(shù)等。各種去噪方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn),處理中常用多數(shù)據(jù)域聯(lián)合逐步壓制、循序漸進(jìn)的方式,壓制干擾提高資料信噪比,取得了良好的效果[3-5]。如針對(duì)沙漠區(qū)資料,采用六分法多域組合去噪技術(shù)提高資料信噪比[6];蔣波[7]提出提高資料的信噪比的重處理應(yīng)針對(duì)不同類型的噪聲優(yōu)選保幅去噪效果好的方法,可采用自適應(yīng)面波衰減、頻散面波衰減和模型驅(qū)動(dòng)的干涉面波壓制技術(shù),采用十字交叉排列域的錐形濾波、非均空間采樣相干噪聲壓制技術(shù)壓制線性相干噪聲;王立歆等[8]提出了采用可控震源散射面波干涉預(yù)測(cè)與匹配相減技術(shù)壓制黑三角區(qū)內(nèi)的散射面波,同時(shí)將該技術(shù)與用于壓制如諧振等不規(guī)則強(qiáng)噪聲的異常噪聲壓制技術(shù)相結(jié)合,形成了可控震源黑三角綜合去噪方法技術(shù);唐杰等[9]提出了一種基于去噪卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面波噪聲壓制方法,根據(jù)疊前高密度地震數(shù)據(jù)的特點(diǎn),建立面波去噪訓(xùn)練庫,通過去噪卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來衰減地震數(shù)據(jù)的面波噪聲。

本文針對(duì)寬方位地震數(shù)據(jù)中最為常見的、影響地震資料品質(zhì)的主要相干噪聲,提出了高保真多域聯(lián)合噪聲壓制技術(shù),即首先在初至波層析和一次反射波剩余靜校正后,在十字交叉排列道集上采用三維錐形濾波(3DFKK)方法提取以相干干擾為主的噪聲,然后對(duì)噪聲模型進(jìn)行均值加權(quán)處理,得到最終的噪聲模型,從原始數(shù)據(jù)中通過自適應(yīng)相減減去噪聲模型,得到最終的去噪后的數(shù)據(jù),提高了信噪比。該方法對(duì)面波等相干噪聲較強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓噪效果尤其明顯。

1 寬方位地震數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)及相干噪聲特征分析

寬方位地震數(shù)據(jù)是指橫向接收單元尺寸與縱向接收單元尺寸之比大于0.5的三維采集數(shù)據(jù)。由于寬方位地震數(shù)據(jù)的橫縱比較大,隨著非縱距的增大,相鄰地震道之間距離緩慢增大,實(shí)際地震資料道間距明顯小于理論道間距,所以寬方位地震數(shù)據(jù)檢波線的空間采樣是不規(guī)則的,這直接導(dǎo)致地震資料中的折射波、面波、鳴震等相干線性噪聲的時(shí)距曲線形態(tài)會(huì)隨著非縱距的增大而向雙曲線形態(tài)變化。而隨機(jī)噪聲廣泛分布于地震資料中,與環(huán)境有關(guān),在寬方位地震資料中并無特別之處[10-11]。

令地震記錄為X(t,x),假設(shè)在時(shí)間和空間方向上采樣是均勻的[12],則其二維傅里葉變換為：

式中：ω,k分別為角頻率和波數(shù);t表示時(shí)間;x表示空間位置。

在f-k域通過速度差異壓制線性噪聲時(shí),線性噪聲視速度v、道間時(shí)差Δt與道間距Δx之間的關(guān)系如下：

其中,視速度單位為m/s,道間時(shí)差單位為s,道間距單位為m。實(shí)際地震數(shù)據(jù)中,時(shí)間采樣間隔dt是均勻的,空間采樣間距dx與觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的道間距不相等,隨檢波點(diǎn)空間位置而變化。假設(shè)道間距為10m、相干噪聲的道間時(shí)差為0.01s,該組噪聲的實(shí)際速度為1000m/s,然而,由于地震數(shù)據(jù)中非縱距的變化,導(dǎo)致實(shí)際空間采樣減少但在二維Fourier變換濾波過程中仍然采用10m的理論道間距,因此該組噪聲的速度較實(shí)際值變大,這就引起了一個(gè)較嚴(yán)重的問題,即在壓制寬方位角地震數(shù)據(jù)遠(yuǎn)排列線性噪聲過程中,在f-k域用一個(gè)很大速度不能完全消除時(shí)間域的一組速度很小的干擾波,因此,需要引入新的處理技術(shù)來壓制寬方位地震數(shù)據(jù)的干擾波。

相干噪聲與地表激發(fā)條件有關(guān),表現(xiàn)為散射面波和強(qiáng)能量形態(tài),線性速度較有效信號(hào)小,頻率較有效信號(hào)低或者相當(dāng)。這種相干噪聲對(duì)疊前算法產(chǎn)生了不好的影響,并且會(huì)在疊加過程中累積,必須去除。圖1為寬方位采集的同一炮記錄的近排列和遠(yuǎn)排列示意圖。近排列的相干干擾包括面波干擾和線性干擾,速度為300～1500m/s,頻率在16Hz以下,能量較強(qiáng);遠(yuǎn)排列的相干干擾基本為線性干擾,呈雙曲線形態(tài),速度為1500m/s左右,頻率也在16Hz以下。相干干擾的頻率范圍和有效信號(hào)有部分重疊。

圖1 同一炮記錄的近炮排列(a)和遠(yuǎn)炮排列(b)示意

2 基于十字排列錐形濾波的均值加權(quán)(LNS)相干噪聲壓制技術(shù)

2.1 十字排列錐形濾波去噪技術(shù)

采用常規(guī)炮域疊前去噪技術(shù)對(duì)寬方位三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行線性干擾壓制處理時(shí)存在一定缺陷,此時(shí)噪聲的識(shí)別是基于各檢波線方向,局限在二維地震數(shù)據(jù)的去噪思路之中,沒有考慮噪聲的三維空間分布特征。而實(shí)際數(shù)據(jù)中的線性干擾具有三維空間屬性特性,基于二維方式的噪聲壓制處理過程會(huì)導(dǎo)致干擾壓制不完全。為此,我們將數(shù)據(jù)抽取到十字交叉排列域,在十字交叉域中實(shí)現(xiàn)三維空間疊前去噪。

三維錐形濾波技術(shù)的基本原理[13-14]如下。

三維錐形濾波是對(duì)波場(chǎng)函數(shù)u(x,y,t)進(jìn)行三維Fourier變換,得到頻率-波數(shù)譜函數(shù)U(kx,ky,ω)：

U(kx,ky,ω)=?u(x,y,t)e(ikxx+jkyy-kωt)dxdydt

(3)

式中：x,y表示坐標(biāo);kx,ky分別表示x,y方向的視波數(shù)。給定時(shí)空域?yàn)V波因子h(x,y,t),波場(chǎng)函數(shù)u(x,y,t),經(jīng)過濾波因子h(x,y,t)濾波后,原波場(chǎng)函數(shù)u(x,y,t)轉(zhuǎn)化為信號(hào)函數(shù)s(x,y,t),信號(hào)函數(shù)可由原波場(chǎng)函數(shù)與時(shí)空域?yàn)V波因子褶積得到,即：

s(x,y,t)=u(x,y,t)*h(x,y,t)

(4)

對(duì)信號(hào)函數(shù)進(jìn)行三維Fourier變換,得到f-k域信號(hào)譜函數(shù)：

S(kx,ky,ω)=U(kx,ky,ω)H(kx,ky,ω)

(5)

考慮信號(hào)處理過程中的邊界效應(yīng)影響,對(duì)f-k域信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)高通傾角濾波器(公式(6)),得到頻率域高通SH傾角濾波方程(公式(7))。

式中：λ為波長。

同理,針對(duì)f-k域信號(hào)設(shè)計(jì)如公式(7)所示的低通傾角濾波器(公式(9)),從而得到頻率域低通SL傾角濾波方程,如公式(10)所示。

三維錐形濾波技術(shù)充分考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)的線性干擾是在整個(gè)三維空間上發(fā)育的,應(yīng)用三維Fourier變換進(jìn)行去噪,存在以下兩方面的特點(diǎn)：①采用三維變換的方式調(diào)整噪聲的道間時(shí)差參數(shù),可以完全去除噪聲;②由于Fourier變換方法的缺陷,如果需要去除的噪聲頻率較高、速度較大時(shí),此方法在去除噪聲的同時(shí)對(duì)有效信號(hào)的損傷嚴(yán)重,混波效應(yīng)明顯。

2.2 均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù)

首先將數(shù)據(jù)按相干噪聲速度作線性動(dòng)校正,動(dòng)校后道集采用相鄰道空間加權(quán)的方法提取噪聲模型,依據(jù)相干噪聲的頻率范圍對(duì)噪聲模型進(jìn)行濾波,得到期望壓制的線性相干噪聲,從原始數(shù)據(jù)中減去期望壓制的線性相干噪聲,則得到壓噪后的數(shù)據(jù),其中加權(quán)公式為：

式中：n為空間加權(quán)的寬度,n越小去噪效果越明顯;Bi(t)為第i輸出道t時(shí)刻的振幅值;Am(t)為第i輸入道t時(shí)刻的樣點(diǎn)值。

此方法的實(shí)現(xiàn)步驟為：①對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性動(dòng)校正;②均值加權(quán)提取噪聲模型;③依噪聲頻率范圍對(duì)步驟②中結(jié)果進(jìn)行濾波處理;④切除步驟③生成結(jié)果噪聲的空間分布范圍之外的數(shù)據(jù);⑤從原始輸入數(shù)據(jù)中減去步驟④得到去噪后的數(shù)據(jù)。

此方法通過均值加權(quán)方法依據(jù)噪聲與有效信號(hào)在頻率與速度方面的差異進(jìn)行信噪分離,提高了噪聲模型精度。采用從原始數(shù)據(jù)中減去噪聲模型的方式進(jìn)行去噪,存在以下兩方面的特點(diǎn)：①可以采用分頻去噪的方式,較為嚴(yán)格地指定噪聲的頻率、空間特性,可有效壓制相干噪聲;②當(dāng)噪聲的頻率與有效波有較多重疊時(shí),特別是在寬方位數(shù)據(jù)中,相干噪聲在遠(yuǎn)排列的時(shí)距曲線形態(tài)雙曲線化,與有效反射的特征相似,采用此方法去噪時(shí)會(huì)較大程度地?fù)p傷有效信號(hào)。

2.3 基于有效信號(hào)保護(hù)的相干噪聲壓制技術(shù)

利用十字排列錐形濾波壓制相干噪聲時(shí),參數(shù)傾角太小時(shí)對(duì)有效信號(hào)的損傷嚴(yán)重,傾角太大時(shí)達(dá)不到壓制面波的目的。利用均值加權(quán)壓制相干噪聲時(shí),相干噪聲遠(yuǎn)排列雙曲化的部分與有效波難以區(qū)分,這部分區(qū)域的有效信號(hào)同樣損傷較嚴(yán)重。也就是說,無論單獨(dú)采用哪一種方法都達(dá)不到理想的壓制相干噪聲的效果。

因此,可以先進(jìn)行十字排列錐形濾波,選擇較小的傾角參數(shù),保證期望壓制的相干噪聲大部分處于錐形濾波噪聲域中,采用3DFKK技術(shù)實(shí)現(xiàn)相干噪聲和有效信號(hào)的大致分離,得到噪聲數(shù)據(jù);再在3DFKK壓制得到的噪聲數(shù)據(jù)中進(jìn)行均值加權(quán)相干噪聲壓制,再次進(jìn)行信噪分離,得到最終的噪聲模型;然后采用自適應(yīng)相減方法,從原始數(shù)據(jù)中減去噪聲模型,得到相干噪聲壓制后的數(shù)據(jù)?；谑峙帕绣F形濾波的均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù)流程如圖2所示,該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了十字排列錐形濾波技術(shù)和均值加權(quán)相干噪聲壓制方法的優(yōu)勢(shì),更好地實(shí)現(xiàn)信噪分離、提取噪聲,在有效壓制相干噪聲的同時(shí),較好地保護(hù)有效信號(hào)。

圖2 基于十字排列錐形濾波的均值加權(quán)相干噪聲壓制流程

在進(jìn)行均值加權(quán)相干噪聲壓制時(shí),須合理控制去噪的頻率及速度,同時(shí)選取合適的有效信號(hào)保護(hù)時(shí)窗,在實(shí)現(xiàn)去噪的同時(shí)完全不損傷相干噪聲區(qū)域外的有效信號(hào),最后將原始單炮記錄減去均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù)預(yù)測(cè)的相干噪聲,得到去除相干噪聲后的單炮記錄。

3 實(shí)際應(yīng)用的效果分析

本文方法在某工區(qū)寬方位地震數(shù)據(jù)的相干噪聲壓制中得到了較好的效果。工區(qū)位于南方復(fù)雜山地,地表起伏,高差較大,高程為600～1400m。激發(fā)巖性為砂泥和灰?guī)r,地下構(gòu)造復(fù)雜,目的層為五峰—龍馬溪組,沉積較為穩(wěn)定,但埋深變化較大,在高陡構(gòu)造區(qū)資料信噪比較低,目的層斷裂、斷層發(fā)育,處理時(shí)需要注意資料低頻信息的保護(hù),兼顧信噪比和分辨率,使斷裂精確成像。該工區(qū)觀測(cè)系統(tǒng)采用寬方位采集,面元為20m×20m,檢波線距為320m,炮線距為400m,24線240道接收,縱向最大偏移距為4780m,最大非縱距為3820m,橫縱比為0.8。受激發(fā)接收條件影響,工區(qū)中相干噪聲較為發(fā)育,低頻較低,基本發(fā)育在0～16Hz,視速度在2000m/s以內(nèi),能量較強(qiáng),嚴(yán)重降低了資料的信噪比。

分別采用十字排列錐形濾波技術(shù)、均值加權(quán)壓制相干噪聲技術(shù)和本文方法對(duì)原始單炮記錄進(jìn)行壓制相干噪聲處理。圖3展示了基于十字排列錐形濾波壓制相干噪聲的效果,可見,在去除相干噪聲后的單炮記錄中仍然殘留了大量噪聲(圖3b),去除效果不理想。圖4展示了均值加權(quán)壓制相干噪聲的效果,可以看出,相干噪聲得到了較好壓制,但受相干噪聲遠(yuǎn)排列雙曲化的影響,在去除相干噪聲的同時(shí),紅色橢圓處的有效信號(hào)受到損傷(圖4b)。

圖3 基于十字排列錐形濾波壓制相干噪聲的效果a 原始單炮記錄; b 去噪后單炮記錄; c 壓制的噪聲

圖4 均值加權(quán)壓制相干噪聲的效果a 去噪后單炮記錄; b 壓制的噪聲

采用本文方法進(jìn)行處理時(shí),首先采用十字排列錐形濾波去噪技術(shù)進(jìn)行信噪分離,選擇較小傾角和合適的時(shí)窗,提取出帶有少量有效信號(hào)的相干噪聲噪聲數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)不發(fā)育相干噪聲的區(qū)域不做噪聲壓制(圖5);然后選擇合適的頻率和時(shí)窗對(duì)提取的噪聲數(shù)據(jù)利用均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù)預(yù)測(cè)相干噪聲,得到最終的噪聲模型;最后將原始單炮記錄減去噪聲模型,得到最終去除相干噪聲后的單炮記錄(圖6)。

圖5 基于十字排列錐形濾波信噪分離效果a 原始單炮記錄; b 提取的信號(hào); c 噪聲

圖6 采用均值加權(quán)壓制相干噪聲效果a 噪聲模型中提取的有效信號(hào); b 壓制的噪聲; c 最終去噪后單炮記錄

從圖5可以看出,在提取的信號(hào)中有效信號(hào)占主要部分(圖5b);在提取的噪聲(圖5c)中,以相干噪聲成分為主,也有一小部分有效信號(hào)?？梢?采用基于十字排列錐形濾波去噪技術(shù)達(dá)到了分離相干噪聲的效果。然后,在得到的噪聲模型中(圖5c),采用均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù),進(jìn)一步進(jìn)行信噪分離,得到最終的噪聲模型(圖6b),最終噪聲模型中沒有有效反射。最后,從原始單炮記錄中(圖5a),通過自適應(yīng)相減,減去最終的噪聲單炮記錄(圖6b),得到最終的相干噪聲壓制后的單炮記錄(圖6c)。與用基于十字排列錐形濾波技術(shù)和用均值加權(quán)壓制相干噪聲技術(shù)相比,利用本文方法壓制相干噪聲后,壓制后的單炮記錄中噪聲壓制得較為干凈,信噪比較高,最終的噪聲單炮記錄中,也沒有有效反射,說明本文方法壓制相干噪聲效果較好,且沒有傷害到有效反射。

圖7所示為采用本文方法壓制相干噪聲后的疊加剖面和噪聲剖面,可見,剖面中的相干噪聲得到了很好的壓制(圖7b),資料信噪比得到提高,噪聲中未見有效信號(hào)(圖7c),說明對(duì)有效信號(hào)保護(hù)得較好,達(dá)到了保真去噪的效果。

圖7 基于十字排列錐形濾波的均值加權(quán)相干噪聲壓制后的疊加剖面a 原始疊加剖面; b 壓噪后疊加剖面; c 噪聲剖面

圖8為采用常規(guī)的十字排列錐形濾波技術(shù)和本文方法進(jìn)行相干噪聲壓制前、后的單炮記錄信噪比分布,可以看出：相干噪聲壓制前(圖8a),單炮記錄信噪比為0.50～0.65;采用常規(guī)的十字排列錐形濾波技術(shù)壓制相干噪聲后,單炮信噪比為0.70～0.80(圖8b);采用本文方法壓制相干噪聲后(圖8c),資料的信噪比明顯得到提高,單炮記錄信噪比提高到0.80～1.00,說明采用本文方法壓制相干噪聲效果更好。

圖8 相干噪聲壓制前、后的單炮記錄信噪比分布a 相干噪聲壓制前; b 采用十字排列錐形濾波壓制后; c 本文方法壓制后

4 結(jié)束語

本文分析了寬方位地震數(shù)據(jù)噪聲的特點(diǎn),以及目前數(shù)據(jù)處理中基于二維Fourier線性相干噪聲壓制技術(shù)在寬方位地震數(shù)據(jù)處理中的不適應(yīng)性,提出利用基于十字排列錐形濾波的均值加權(quán)相干噪聲壓制技術(shù)噪聲,該方法對(duì)于地形復(fù)雜、相干噪聲發(fā)育的地震數(shù)據(jù)都有較好的適用性。

噪聲壓制過程中需要從單炮記錄、疊加剖面、信噪比屬性等多方面進(jìn)行質(zhì)控,相干噪聲壓制后的單炮記錄和疊加剖面沒有明顯的噪聲殘留,壓制的噪聲單炮記錄和噪聲剖面中沒有有效反射,同時(shí)數(shù)據(jù)的信噪比明顯得到了提高,說明相干噪聲壓制的效果是保真保幅的。