基于非线性扫描技术的可控震源地震勘探分辨率提高方法

刘玉海，尹 成，潘树林，高 磊，沈 姣

（1.西南石油大学 资源与环境学院，四川 成都 610500； 2.西南石油大学 计算机科学学院，四川 成都 610500）

0 引言

提高对薄互层的识别能力是高分辨率地震勘探的主要目标.可控震源的频率扫描方式人为可控，采用变频正弦信号激发，通过输出长时间的小能量信号等效为短时间大能量信号，利用参考信号与地震记录仪获取信号的互相关性，形成可控震源相关地震子波［1-2］.与常规脉冲震源相比，可控震源地震对薄互层的识别更为准确，更有利于提高勘探的分辨率.王忠仁、俞寿朋等对可控震源非线性扫描的地震响应进行数值模拟，讨论了指数、对数及非线性扫描信号自相关函数的旁瓣特性［2-3］；于玲等研究通过叠加技术提高地震资料的信噪比和分辨率，提出高分辨率地震资料水平叠加方法［4］；姚知铭等通过控制激发信号高频振动时间，提高激发地震信号的高频成分，提高地震勘探分辨率［5］.可控震源多使用线性扫描信号作为地层的下传能量［2］，由于地层对可控震源下传信号，特别是高频信号的衰减，常造成可控震源线性扫描信号主频降低、优势频带变窄，降低目的薄互层的分辨能力［3-4］.非线性扫描信号对扫描信号能量的分配不像线性扫描信号那样均匀，对高频段扫描时间长、能量补偿多，能够拓宽信号的优势频带，显著提高地震勘探的分辨率［4-5］.文中利用可控震源的非线性扫描方式，将可控震源下传能量在不同频率段不等量分配，使低频能量向高频能量转移，提高地震勘探数据对薄互层的分辨率.应用结果表明，可控震源使用非线性扫描信号时能够取得比线性扫描信号对薄互层更高的分辨率.

1 非线性扫描技术

1.1 信号扫描方式

可控震源地震扫描可将长时间、小能量的扫描记录信号等效为短时间、大能量的扫描记录信号［6］，激发的正弦扫描信号的离散自相关函数为［7-8］

地震扫描记录信号与可控震源扫描信号的离散互相关函数为

式（1-2）中：n为地震记录信号的采样点数，n＝0，1，…，N-1，N为采样序列的采样点数；m为自相关函数的采样点数，m＝-N＋1，…，0，…，N-1；Rss（m）为可控震源参考扫描信号的自相关函数；Rxs（m）为地震记录信号与参考扫描信号的互相关函数；s（n）为可控震源参考扫描信号；x（n）为原始地震记录信号.

非线性信号扫描的基础是线性信号扫描.线性信号扫描指信号扫描的频率和时间为线性关系，非线性信号扫描指信号扫描的频率和时间呈非线性关系［9］，根据输入变量时间与输出结果频率表示关系的不同，分为指数扫描信号和对数扫描信号.非线性和线性信号扫描方式下频率与时间的关系［10-12］为

式（3-5）中：fcr（t）、fl（t）和fli（t）分别为指数、对数和线性扫描信号的瞬时频率；t为扫描时间；fa为扫描信号的起始频率；fb为扫描信号的终止频率；T为扫描信号的时间；k为不同扫描方式下信号的速率因子，它决定信号的幅度.由式（3～5）可知，非线性扫描方式下的信号频率随时间变化关系与线性扫描方式下的不同，前者在高频段能量比低频段能量高.

设地震勘探中扫描信号的瞬时频率为f（t），其变频正弦扫描信号［13］s（t）为

式中：A为扫描信号的幅度；φ（t）为扫描信号的相位.

设起始频率为8Hz，终止频率为100Hz，扫描时间为8s，获得非线性和线性信号扫描方式下的信号时域图（见图1）和频域图（见图2）.

由图1可见：在非线性和线性信号扫描方式下均获得升频扫描信号，信号在高频段变化较明显.由图2可见：非线性信号扫描方式获得的扫描信号，高频段的能量明显高于低频段的，有利于补偿高频段能量损失，提高地震勘探分辨率；线性信号扫描方式获得的扫描信号，高、低频段的能量分配均匀，高频段能量难以得到补偿，地震勘探分辨率较低.

1.2 扫描信号特性

在地震勘探过程中，考虑扫描信号受噪声水平、目的层深度等因素影响，人为设定震源激发信号的持续时间远大于地层各界面的反射时差，导致相邻界面之间的反射波形在原始地震记录上互相重叠［13-14］、难以分辨（见图3）.

原始地震记录包含的反射信息与扫描信号的特定时间延迟相对应.在原始地震记录中，通过互相关运算，将地层反射所形成的由多个振幅和起始时刻不同的变频正弦信号交叠组成的复杂信号，压缩成含有多个脉冲的相关地震信号，即地震相关记录［13-16］（见图4）.

已知可控震源扫描信号，将原始地震记录信号序列与参考扫描信号序列进行互相关运算，得到地震记录序列［1］y（n）：

式中：［s（n）⊗s（n）］为参考扫描信号序列s（n）的自相关函数生成地震记录的相关子波；r（n）为地层反射系数；＊表示褶积运算；⊗表示相关运算.

设地震记录的相关子波为可控震源的子波，作为激发信号被地面检波器接收的地震波为脉冲震源下的地震记录，则将地震记录信号序列y（n）看做是可控震源相关子波为激发波形的原始地震记录.地震记录的相关子波具有Klauder子波的形式：

式中：k为扫描速率，k＝（fb-fa）／T；f0为扫描信号中心频率，f0＝（fa＋fb）／2；N 为地震记录相关子波瞬时记录序号，N＝nΔt，n为采样序号或序列采样时间，Δt为参考扫描信号的采样间隔.参考扫描信号的相关子波见图5.

影响可控震源地震勘探分辨率的主要因素为地震记录相关子波的主瓣宽度和相位.相关子波在（-1／Δf，1／Δf）内为主瓣，其他区域为旁瓣，即为相关噪声.主瓣宽度Δτ＝2／Δf，当Δτ小于相邻界面的反射时差时，相关记录上相邻的界面能被分辨出来.地震记录相关子波要求主瓣高而陡，波峰突出，旁瓣与主瓣的比值小且衰减快.在地震勘探过程中，要求采用升频扫描，将信号扫描过程中产生的谐波虚像压制到负时移区［17］（见图5）.非线性和线性信号扫描方式下获得的地震相关子波见图6.

由图6可见：采用非线性和线性信号扫描方式获得的地震相关子波均为零相位子波，未对3种相关子波锥化前，其旁瓣都较突出，幅度最大的为对数扫描信号，其次为指数扫描信号，线性扫描信号幅度最小.为使3种相关子波旁瓣有效减小，需对其进行不同比例锥化.

1.3 地层吸收衰减对地震相关子波的影响

可控震源地震相关子波通常为零相位子波.由于存在可控震源机械系统的非线性、大地非弹性介质的能量损耗和几何扩散，使扫描信号在地层下传过程中能量损失很快，尤其在高频部分，地震相关子波的主频和优势带宽严重降低.线性扫描信号被地层吸收衰减时的频谱见图7.

由图7可见：地震相关子波随着频率的增加信号的能量显著下降，主频降低为50Hz左右.地质体的分辨厚度与地震波主频成反比，因此，随着频率的增加，信号的分辨能力下降.线性扫描方式难以补偿高频能量的损失，为在地震勘探中提高信号的主频，拉平频谱使其白化，采用非线性扫描技术补偿高频能量的损失，非线性信号扫描方式获得的频谱见图2（a）、（b），非线性扫描信号和对数扫描信号被地层吸收衰减时的频谱见图8.

由图7和图8可见：与线性信号扫描方式相比，非线性信号扫描方式对地层信号被衰减情况下获得的高频信号具有补偿作用，使分辨率明显提高.非线性扫描信号的旁瓣比线性扫描信号的大，低频比线性扫描信号的低，绝对频带宽度窄于线性扫描信号的.因此，将非线性扫描信号作为地震激发信号时，不仅要选择合适的信号扫描方式，还需提高信号的激发能量，使信噪比和分辨率同时得到有效改善［18］.

2 数值模拟

模拟地层条件为2个相邻的水平层和1个倾斜层，在地震扫描信号被地层吸收衰减的条件下，正演模拟线性和非线性信号扫描方式获得的地震扫描相关记录，见图9.

由图9可见：获得的线性扫描信号难以分辨2个水平层，采用对数扫描信号后，2个水平层被明显区分出来，并且相关子波的分辨率和清晰度有所提高，旁瓣得到较好压制.

3 现场试验

在地震勘探现场试验中，设置震源组合方式和基本震源参数：6台震源车交错排列，4次移动扫描，起始频率为10Hz，终止频率为100Hz，扫描时间为10s，扫描信号记录长度为6s，线性升频信号扫描方式驱动幅度为70%，非线性信号扫描方式驱动幅度为85%.在同一条测线上，分别用线性和非线性信号扫描方式试验，经可控震源地震信号反褶积处理后叠加剖面见图10.

由图10可见：使用线性升频信号扫描方式，可控震源地震信号反褶积处理后叠加剖面频率较低，构造细节不清晰；使用非线性信号扫描方式，可控震源地震信号反褶积处理后叠加剖面频率增大、构造细节较清晰、反射波同相轴的接触关系更清楚，绝对频宽比线性信号扫描方式下获得的地震剖面扩大，地震剖面的分辨率得到较大提高.

4 结论

（1）在地震勘探过程中，采用非线性信号扫描方式，通过延长高频段扫描时间，提高高频段的能量，减少低频段扫描时间，实现可控震源输入能量分配由低频段向高频段的转移；补偿地层介质吸收导致的高频信号衰减，拓宽地震信号的频带宽度，提高地震资料的分辨率，达到辨别复杂地震的能力.

（2）合理选择非线性扫描信号类型和锥化比例，尽量减少地震相关子波信号的旁瓣，控制可控震源激振器的激发能量，使可控震源处于最佳工作状态，是利用非线性信号扫描技术取得良好地震勘探效果的关键.

［1］林君.电磁驱动可控震源地震勘探原理及应用［M］.北京：科学出版社，2005.Lin Jun.Principle and application of electromagnetic driving vibroseis exploration［M］.Beijing：Science Press，2005.

［2］王忠仁，陈祖斌，张林行，等.可控震源非线性地震响应的数值模拟［J］.地球物理学进展，2006，21（3）：756-761.Wang Zhongren，Chen Zubin，Zhang Linhang，et al.Numerical simulation for seismic response to nonlinear sweeping signal from a vibrator［J］.Progress in Geophysics，2006，21（3）：756-761.

［3］俞寿朋.高分辨率地震勘探［M］.北京：石油工业出版社，2005：5-28.Yu Shoupeng.High resolution seismic exploration［M］.Beijing：Petrolum Industry Press，2005：5-28.

［4］于玲，袁子龙，王云专.高分辨率水平叠加方法及应用［J］.大庆石油学院学报，2007，31（5）：24-26.Yu Ling，Yuan Zilong，Wang Yunzhuan.Application of high resolution horizontal stacking method［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（5）：24-26.

［5］姚知铭，梁传坤，李红桃.可控震源非线性扫描在高分辨率地震勘探中的应用［J］.石油地球物理勘探（增刊），1998，33（2）：199-122.Yao Zhiming，Liang Chuankun，Li Hongtao.The application of high resolution seismic exploration in nonlinear sweep of vibroseis［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum（Supp.），1998，33（2）：199-122.

［6］连绥仁，张宏乐，章煜，等.关于可控震源产生的地震信号［J］.石油地球物理勘探，1993，28（5）：567-576.Lian Suiren，Zhang Hongle，Zhang Yu，et al.About vibroseis producing seismic signal［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，1993，28（5）：567-576.

［7］奥本海姆A V，谢弗R w，巴克J R.离散时间信号处理［M］.2版.刘树棠，黄建国，译.西安：西安交通大学出版社，2011：655-661.Oppenheim A V，Schafer R W，Buck J R.Discretre-time signal processing［M］.2nd edition.Liu Shutang，Huang Jianguo，Trans..Xi'An：Xi'An Jiaotong University Press，2011：655-661.

［8］Randy L Haupt.An introduction to genetic algorithms［J］.IEEE trans.On Antenns and Propagation，1995，12（1）：35-43.

［9］袁子龙，胡亚华，曹广华.高分辨率地震数据采集中的高频补偿［J］.大庆石油学院学报，2002，26（3）：9-11.Yuan Zilong，Hu Yahua，Cao Guanghua.High frequency compensation in high resolution seismic data acquisition［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2002，26（3）：9-11.

［10］陶知非.可控震源扫描信号设计中一些问题的考虑［J］.物探装备，2001，11（1）：9-15.Tao Zhifei.Some points needing consideration in the design of vibrator sweep signal［J］.Seismice Exploration Instrument，2001，11（1）：9-15.

［11］张凤军，吕延防.地震老资料连片高分辨率处理方法［J］.大庆石油学院学报，2004，28（1）：7-9.Zhang Fengjun，Lv Yanfang.High resolution integrated processing methods for chronological seimic data［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2004，28（1）：7-9.

［12］曹务祥.可控震源非线性扫描参数的定量选取［J］.石油物探，2004，43（3）：242-244.Cao Wuxiang.Parameters selection of the vibroseis nonlinear sweeping signal［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2004，43（3）：242-244.

［13］张鸿静，田庆丰，李婷婷，等.高分辨率勘探频谱整形滤波技术的计算机正演模拟［J］.大庆石油学院学报，2007，31（4）：22-26.Zhang Hongjing，Tian Qingfeng，Li Tingting，et al.Forward modeling of spectrum shape filter in high resolution seismic prospecting［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（4）：22-26.

［14］陶知非.改善可控震源高频信号输出品质的探讨［J］.物探装备，2008，18（2）：71-77.Tao Zhifei.Study on improving quality of high-frequency output signal in vibroseis［J］.Petroleum Instruments，2008，18（2）：71-77.

［15］王忠仁，陈祖斌，姜弢，等.可控震源地震勘探的数值模拟［J］.吉林大学学报：地球科学版，2006，36（4）：627-630.Wang Zhongren，Chen Zubin，Jiang Tao，et al.Numerical simulation for seismic exploration with vibrator［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（4）：627-630.

［16］张宏乐，王梅生.一种改善相关子波特性的扫描信号［J］.物探装备（增刊），1999，9（3）：33-41.Zhang Hongle，Wang Meisheng.A sweeping signal improving characters of correlation wavelet［J］.Seismice Exploration Instrument（Supp.），1999，9（3）：33-41.

［17］王开燕，李慧，官波，等.相位剩余时差校正方法在提高分辨率中的应用［J］.大庆石油学院学报，2007，31（6）：14-17.Wang Kaiyan，Li Hui，Guan Bo，et al.Application of residual moveout correction to the improvement of resolution［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（6）：14-17.

［18］Pecholcs P I，Lafon S K，Al-Ghamdi T，et al.Over 40，000vibrator points per day with real-time quality control：opportunities and challenges［C］.Denver：SEG Annual Meeting，2010.