力信號反褶積運算對于提高地震資料保真度的研究分析

蔡敏貴,倪宇東,馬 濤,王晨晨,葉朋朋,封召鵬,尚永生,劉進寶

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,河北涿州072750)

可控震源采集是實現油氣綠色勘探的一種高效采集方式,其技術發展方向主要包括兩個方面:①如何提高施工效率;②如何提高地震資料的保真度[1]。有學者提出利用震源力信號反褶積運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震源HFV技術優化編碼方法和HFVS與滑動掃描技術聯合應用的方法[2-4]。2009年東方地球物理公司將可控震源HFVS技術應用于利比亞Dahra-Jofra油田三維地震勘探,同時在吐哈盆地首次進行了可控震源高保真二維地震采集[5-7]。對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,那么會對地震資料的處理解釋以及目的層成像造成很大干擾。將參考信號與地面檢波器接收到的振動記錄進行互相關運算,即將參考信號的自相關子波(克勞德子波)與地下地層反射系數脈沖響應進行褶積,可獲得可控震源常規地震記錄。由于可控震源與大地組成的統一振動系統在向下傳播彈性波的過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作為地震子波與母記錄進行反褶積運算,既避免了互相關運算中的諧波干擾,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地反映地層反射系數序列的脈沖響應。本文通過分析正演模擬和實際數據處理中互相關和反褶積運算后的單炮記錄,探索提高地震資料保真度的方法。

1 反褶積運算的基本原理及實現

1.1 力信號

本文研究的力信號主要包括震源力信號和在震源平板附近記錄的震動信號,后者稱之為近場力信號。震源力信號由震源加速度計記錄并表示為合成力信號,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量乘積的和:

G=MmAm+MbAb

(1)

式中:G為震源力信號;Mm為重錘質量;Am為重錘加速度;Mb為平板質量;Ab為平板加速度。震源平板附近記錄的近場力信號由埋置在平板附近的節點儀器記錄。由于近場力信號記錄受諸多因素限制,故許多學者優選震源力信號進行對比分析[11-12]。

1.2 反褶積運算的基本原理

在理想狀況下,可控震源地震記錄可以簡化為:

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,即反射系數序列;n(t)為干擾波。在不考慮噪聲的情況下,(2)式可簡化為:

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

(3)

對(3)式進行傅里葉變換,得到頻率域的關系式為:

S(f)=W(f)·E(f)

(4)

式中:S(f)、W(f)、E(f)分別為時間域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(7)式進行反傅里葉變換,將其變換至時間域,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)互為倒數的關系,因此,在時間域w(t)與f(t)的褶積是脈沖函數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)進行褶積運算即可得到地層反射系數序列e(t)。因上述數據處理過程是對常規地震記錄褶積模型進行逆運算,所以稱之為反褶積運算。

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

2 模型正演分析及實際應用

2.1 模型正演分析

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

圖1 3層水平地層模型(a)、參考信號(b)和震源力信號(c)

利用波動方程正演模擬[15]得到的可控震源未相關單炮記錄(不考慮噪聲)如圖2a所示。分別采用兩種運算方法對原始單炮記錄進行壓縮分離[16],圖2b為參考信號與母記錄互相關運算后的單炮記錄,圖2c為震源力信號與母記錄反褶積運算后的單炮記錄。對比分析圖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互相關數據分離的方法,以提高地震資料的保真度[17-18]。

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

2.2 實際資料應用

以華北某三維工區實際地震資料為例,參考信號時間長度為20s,頻帶寬度為1.5～64.0Hz,使用埋置在震源平板附近的某節點儀器記錄近場力信號,原始未相關的母記錄如圖3a所示,參考信號、震源力信號和近場力信號分別如圖3b、圖3c和圖3d 所示。

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

參考信號、震源力信號和近場力信號的振幅譜如圖4所示,參考信號與震源力信號在波形和能量上較為接近。近場力信號更能真實反映實際地表產生的震動,但受到現場采集環境的限制,近場力信號在低頻端的能量明顯弱于其它兩個信號。如何能夠獲取穩定、高分辨率的近場力信號是下一步研究的方向。

圖4 參考信號、震源力信號和近場力信號的振幅譜

2.2.1 3種信號與母記錄的互相關運算對比分析

參考信號、震源力信號和近場力信號分別與母記錄進行互相關運算,分離得到的單炮記錄分別如圖5a、圖5b和圖5c所示。對3種信號與母記錄互相關運算后分離得到的地震數據進行振幅譜分析,并在同一視窗內疊合顯示(圖6)。對比分析3種信號與母記錄互相關運算后分離得到的單炮記錄(對單炮記錄進行10～60Hz的帶通濾波處理后)可知,其整體特征較為一致,但近場力信號與母記錄互相關運算后分離得到的單炮記錄分辨率相對較高。比較三者的振幅譜可知,參考信號和震源力信號與母記錄互相關運算后分離得到的單炮記錄能量一致,近場力信號與母記錄互相關運算后分離得到的單炮記錄在低頻段能量較弱。

圖6 相同時窗內3種信號與母記錄互相關運算后分離得到的單炮記錄振幅譜

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

2.2.2 3種信號與母記錄的反褶積運算對比分析

對參考信號、震源力信號和近場力信號與母記錄進行反褶積運算后,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種信號與母記錄進行反褶積運算,對分離得到的單炮記錄進行振幅譜分析,并在同一視窗內疊合顯示(圖8)。對比分析3種信號與母記錄反褶積運算后分離得到的單炮記錄(單炮記錄經過10～60Hz的帶通濾波處理)可知,其分辨率基本一致,震源力信號反褶積運算后的能量與參考信號反褶積運算后的能量基本一致。

圖8 相同時窗內3種信號分別與母記錄反褶積運算后分離得到的單炮記錄振幅譜

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

2.2.3 3種信號與母記錄的綜合運算對比分析

參考信號與母記錄的互相關運算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜,以及震源力信號、近場力信號與母記錄的反褶積運算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜如圖9所示;參考信號與母記錄的反褶積運算后的單炮記錄及其振幅譜,以及震源力信號、近場力信號與母記錄的互相關運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,震源力信號反褶積運算后分離得到的單炮記錄分辨率相對較高,單炮初至起跳清晰干脆,易于拾取初至。由圖10可知,近場力信號與母記錄互相關后分離得到的單炮記錄振幅譜和其它兩種信號反褶積和互相關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力信號受諸多因素的限制(環境、角度、距離等),如何獲取穩定、可靠的近場力信號還需深入研究。震源力信號和近場力信號反褶積運算可以替代常規參考信號互相關運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、震源力信號和近場力信號與母記錄分別互相關或反褶積運算后分離得到的單炮記錄及其振幅譜

圖10 參考信號、震源力信號和近場力信號與母記錄分別反褶積或互相關運算后的單炮記錄及其振幅譜

3 結論

本文利用震源力信號和近場力信號與母記錄進行反褶積運算以消除地震數據中的諧波干擾,從數值模擬和實際數據兩方面驗證了反褶積運算相較于常規的參考信號互相關,可以提高地震資料的分辨率,消除可控震源與大地系統之間的非線性畸變對地震資料的影響。力信號反褶積運算還可以提高震源記錄初至時間的拾取精度,增強靜校正反演的效果?？偠灾?采用該方法對原始記錄進行反褶積運算,既能夠獲得不含諧波干擾的單炮記錄,又能夠得到真實反映地下反射系數序列的脈沖響應,從而提高深層地震資料的保真度。