高密度宽方位地震资料处理技术研究进展

王兆磊， 公 亭， 李隆梅， 李国生， 赵志强, 顾小弟， 孟晓梦

(东方地球物理公司 研究院处理中心，涿州 072751)



高密度宽方位地震资料处理技术研究进展

王兆磊， 公 亭， 李隆梅， 李国生， 赵志强, 顾小弟， 孟晓梦

(东方地球物理公司 研究院处理中心，涿州 072751)

随着可控震源滑动扫描、独立同步扫描、高保真采集、点激发接收等高效采集技术的推出，高密度、宽方位地震勘探变得越来越经济可行，但随之也带来了高效采集噪声干扰、高保真采集数据分离等问题。这里着重论述了相关预测减去法谐波压制、多域压制邻炮干扰、线性反演拆分混叠数据等方法，同时展示了拟全三维和宽方位数据的处理成果。通过运用以上技术取得了较好的信噪分离效果，体现了宽方位数据在解决成像和方位各向异性问题上的优势。

高密度； 宽方位； 方位各向异性； 方位角道集

0 引言

近年来随着可控震源滑动扫描(Slip-Sweep)、独立同步扫描ISS(Independent Simultaneous Sweep)、高保真采集HFVS(High Fidelity Vibrator Seismic)、点激发接收等高效采集技术的推出，加之万道以上地震仪、海量数据存储、GPU等硬件设备的出现，地震勘探已经从窄方位常规采集，发展到宽方位或高密度采集，并且正在向高密度加全方位采集方向发展[1-3]。

新的高效采集技术在更经济地获得高密度宽方位地震资料的同时，也给地震数据处理带来了新的问题，如可控震源的谐波压制问题、ISS的邻炮干扰问题、HFVS的数据分离问题等。而学者们也对地震数据处理提出了更高的要求，这些需求包括：更高的信噪比(如浅层薄层的连续性)、更高的分辨率(识别3 m～5 m断层、5 m～10 m储层)、更精确的成像(如碳酸盐岩溶洞)、更丰富的描述方位各向异性信息(如裂缝)等。诸多的问题和需求，都促进了地震资料处理技术的发展。

1 高效采集资料相应处理技术

1.1 可控震源谐波压制

由于可控震源的机械装置、震动装置和液压伺服系统的非线性，以及震板与大地的耦合效应，使可控震源在向地下传输扫描信号的同时，不可避免地产生谐波干扰。而当使用滑动扫描升频方式施工时，后一炮的谐波干扰会较强地污染到前一炮数据。针对这一问题国内、外学者进行了大量研究，并从各自角度提出多种压制方法，主要包括：①相移滤波法，该方法通过设计一个纯相位滤波器来压制谐波，通常由于相关前数据，压制谐波效果较好，但计算量较大；②相关预测减去法，该方法基于震源信号设计谐波预测算子，求取相关后记录中的谐波干扰，然后将求得的谐波干扰从被干扰区域中剔除，具有谐波效果较好、计算量相对较小、实现简便等特点；③分数傅里叶变换法，该方法借助分数傅里叶变换，使可控震源扫描信号在某个分数阶上实现能量聚焦，在此基础上设置滤波器压制噪音，此方法实现较为复杂且容易引起数据畸变；④特征信号反褶积法，该方法利用震源力信号与相关前数据做反褶积，代替传统的用扫描信号做相关，达到及压缩震源子波又压制谐波的目的，此方法实现原理简单容易实现但对谐波压制效果一般；⑤可控震源高保真采集数据分离技术，该方法采用反演代替相关，不但具有较高的保真度，同时可以利用谐波中的高频信息，但需要采用特殊的施工方式[4- 5]。

这里研究了GeoEast软件压制谐波干扰所采用的相关预测减去法原理、步骤及其压制效果[6]：

1)利用震源力信号，把基波H1和各次谐波Hi(i=2,3,4…)分离，并可以得到在频率域的谐波预测算子：

(1)

其中：wi为权系数；ρi为振幅校正项；φi为相移项。

2) 经震源相关后，对初至后的有效信号S应用谐波预测算子P，可以求得初至前的谐波N。

N=S·P

(2)

3)将求得的谐波干扰从上一炮相应位置中减去，从而达到谐波干扰压制的目的。

由于该方法可以针对可控震源相关后数据进行处理，因此具有计算效率高的优点。

图1展示了该方法的压制效果。其资料为东方地球物理公司2011年在吐哈盆地采集的国内第一块三维滑动扫描地震数据，从图1(a)所示的谐波干扰压制前炮集记录上，可以明显地看到谐波干扰(绿色箭头所示位置)，取受谐波影响较重的4101道做时频谱，从中可以更清楚地看到2s以下数据受到较强的2阶、3阶、4阶谐波干扰，在4s以下区域尤为严重。从图1(b)谐波干扰压制后炮集记录及其时频谱图1(d)可以看出，采用谐波压制技术后，各阶谐波干扰得以明显压制。

从图2谐波压制前、后叠加剖面来看，谐波干扰压制前叠加剖面2s以下区域受到较强谐波干扰，在频谱上反映为40Hz以上高频干扰。经谐波压制处理后，从叠加剖面来看，谐波干扰基本消除，在相应的频谱上也看不到谐波产生的高频噪声。

1.2 ISS邻炮干扰压制

对于采用ISS技术采集的地震资料，由于多组震源可以同时施工(不必等到上一炮记录完成后，下一炮已经开始激发)，因此如图3(a)所示，同一检波点在同一时刻可以接收到来自不同炮点的信息，这种干扰称为邻炮干扰[7]。这种相邻，不仅体现在两炮的激发起始时间临近(不大于记录时间)，也体现在距离远近，距离越近、时间间隔越短干扰越重。

图1 谐波干扰压制前后炮集记录及其时频谱分析

图2 谐波干扰压制前后叠加剖面及其频谱分析

图3 ISS邻炮干扰压制前后炮集记录及减出噪声

邻炮干扰在野外采集时可以通过增加放炮时间间隔的方式减小影响，但这同时降低施工效率；也可以通过增大野外一次摆放排列的长度和宽度，使时间上相邻的两炮空间上距离增加，减小干扰影响范围，但这需要有足够多的设备投入，因此需在质量、效率、效益之间取得平衡。

对于室内处理，邻炮干扰在炮域内成片出现具有很好的相干性，可以作为相干噪声进行压制，但对于不同炮来说，由于相邻两炮的放炮时间间隔、空间相对位置关系各不相同，很难通过统一参数设置达到较好压制效果。在空间上每一炮都是一个独立源，可以采用类似固定源的方式压制。但对于高效采集数据来说，这种干扰的数目巨大，操作起来不现实。因此在实际处理时，通常采用将炮域数据变换到共炮检距域、CMP域、OVT域或其他域中，使邻炮干扰呈现出更好的随机性，然后用中值滤波、异常振幅压制等统计学方法进行压制。图3(b)即为压制后再转换回炮域的结果，从中可以看出，ISS邻炮干扰得到较好压制。

根据作者经验，在压制时应本着“宁轻勿重”的原则，避免伤及有效信号，因为对于高密度资料，即使在道集资料上残留微弱噪声，在后续的叠加或偏移过程中也会得到较好压制，不会影响最终处理结果。

1.3 HFVS数据分离

在可控震源高保真采集(HFVS)施工过程中，同时使用多台震源车多次激发，每台震源在一指定的震源点位置或其周围，并以不同于其他震源车的特有相位执行扫描，这样就得到一个来自不同地面位置的不同震源车的多震源多次扫描数据集，再通过数据处理技术将其分离成不同震源的炮集记录。

其分离原理是通过线性反演实现的。众所周知，地震记录可以表示为震源信号与大地脉冲响应的褶积，因此可控震源高保真采集所得多震源数据集可以表示为[8]：

(3)

其中：di(t)表示记录到的第i次扫描的多组震源记录；sij(t)表示第j台震源第i次的震源扫描信号；ej(t)表示第j台震源对应的大地脉冲响应。

因此在频率域，利用N台震源进行M次扫描的HFVS数据可以表示为以下面矩阵形式：

(4)

当M≥N即同一震源重复扫描次数大于等于震源台数时，式(4)为一超定线性方程组，可以方便的求出其最小二乘解。

图4展示了HFVS记录分离效果，其中图4(a)为四台震源四次扫描的原始记录，图4(b)为分离后的结果。从图4(b)中可以看出，分离后得到的数据，不但将四台震源记录分开，而且完成了以往通过互相关实现的可控震源信号压缩工作。

2 不同地质需求的针对性处理技术

随着勘探开发的逐步深入，学者们对地震数据处理提出了更高的要求。针对不同的地质需求，如何发挥高密度宽方位地震资料的优势，是地震数据处理面临的一大挑战，通过两个实例研究这方面的处理技术。

2.1 拟全三维数据融合处理技术

前人已经做过大量工作，很好地总结了宽方位地震数据的优点。诸如：①在地下介质复杂或未知的情况下，宽方位角采集比窄方位角更容易跨越地表障碍物和地下阴影带，因此可以增加采集照明度，获得较完整的地震波场；②炮检对的三维叠前成像轨迹是椭球，因此宽方位角具有更高的陡倾角成像能力和更丰富的振幅成像信息，且宽方位角比窄方位角的成像分辨率更高；③由于宽方位角、窄方位角在炮点和检波点的空间采样特性不同，宽方位角成像的空间连续性优于窄方位角等。其实宽方位数据优于窄方位数据是不言而喻的，毕竟我们可以通过数据抽取将宽方位数据变成窄方位数据，但是现有的处理技术还不能将窄方位数据处理成可信的宽方位数据。

但是对于已有窄方位数据的地区，如何充分利用原有窄方位数据，在控制成本的前提下获取高密度宽方位的地震资料？解决办法之一就是采用拟全三维采集加融合处理技术。

如图5所示某探区在原有12线30炮南北向采集数据基础上，重新部署16线10炮东西向采集三维，两者一并组成拟全三维数据。由于二次采集在设计时就应充分考虑到后续的融合处理，因此在激发接收方式上应尽量与上次保持一致，在观察系统方面要保证面元一致、覆盖次数基本相当。

图4 HFVS记录分离前后炮集数据

图5 拟全三维观测系统及玫瑰图

经过多年的改革与发展，我国农村金融体制逐步完善，农村金融业取得了很大的发展成就。经历了多次改革，我国逐步形成了由农业银行、农村信用社、农业发展银行、邮政储蓄银行、村镇银行和小额贷款公司等组成的农村金融体系。

以往的连片处理强调的是在横向上“连成一片”，与此相区别拟全三维资料处理强调的将两次采集数据在纵向上“融为一体”。因此，处理过程中每一个关键环节都要监控两个融合数据体的一致性。

具体步骤为：①静校正，首先应调查两次采集是否存在系统时差，在消除系统时差的基础上统一计算基准面静校正以及剩余静校正；②提高信噪比处理，详细分析两次采集各自的噪声发育情况，若相同则采用统一的去噪流程，若不同则针对各自特点分别针对性压制，确保两次采集资料具有大致相当的信噪比；③振幅处理，采用地表一致性振幅补偿消除因激发接收因素造成的两次采集资料能量差异，在此基础上分别提取两次采集资料的沿目的层振幅属性，如仍存在明显差异，可采用倒数加权的方式加以消除；④提高分辨率处理，采用地表一致性反褶积消除因激发接收因素造成的两次采集资料的子波差异，然后分别提取两次采集资料的地震子波调查他们的一致性，必要时继续做整形处理。

通过以上步骤最大程度地消除了两次采集差异，将其两次采集数据融合为一个整体。

从图6的偏移结果看，拟全三维数据通过新采集补充了原有数据东西向远偏移距信息，解决了原来困扰处理人员联络测线方向(东西向)偏移不足的问题。

2.2 高密度宽方位资料分方位处理技术

我们都知道可以通过增加道密度的方式提高浅层信噪比与有效分辨率，并且高密度采集可以在保证覆盖次数的前提下采用更小的面元，这样可以提高空间分辨率。但是高密度数据的另一个潜在的优势是可以在保证有效覆盖次数与偏移距分布均匀的前提下，将宽方位数据划分成更多个方位角道集，而这对于方向各向异性介质来说，可更好地研究振幅随炮检距和方位角的变化(AVOA)，增强识别断层、裂隙和地层岩性变化的能力。

现有的高密度宽方位资料分方位处理技术主要包括[9-10]：①各向异性偏移技术，用于消除各个方向上由各向异性引起的远偏移距动校误差；②分方位速度分析加多方位网格层析技术，常规的网格层析没有考虑到剩余时差与方位角的关系，多方位网格层析，在分方位拾取剩余时差的基础上，统一分解计算，得到更为精细和考虑了方位各向异性的速度场；③方位时差校正技术，当不利用方位时差信息时，为了提高全方位资料的同相叠加程度，可以采用该方法消除方位各向异性引起的方位时差；④OVT域偏移技术，由于OVT域偏移所得道集可以保存方位角信息，避免了先分方位再偏移的麻烦，有利于多次分方位处理。

图6 老数据过井十字剖面与拟全三维过井十字剖面

图7 高密度全方位地震资料分方位处理时间切片

图8高密度全方位地震资料叠后方位角道集

图7为某探区高密度全方位资料，从0°到165°每隔15°分12个方位的叠前时间偏移3 s时间切片(每个方位角跨度为45°)。从图7中可以明显看出，方位角为30°的时间切片最能描述工区内主测线方向的裂缝，而与之垂直的方位角为120°的时间切片上，几乎看不到裂缝现象，其他各方向时间切片描述该裂缝的能力在两者之间渐变。

将以上12个方位的叠前时间偏移叠加数据，在同一面元内按方位角排序，组成叠后方位角道集。图8为抽取的断裂位置处道集，每一小段为一个CMP，其中每一道即为一个方位角(一个CMP内有12道，即为12个方位角，从零度开始间隔15°一个)。从图8中同样可以看到，在3 s左右的位置，30°的叠后地震道较其相邻道有明显突变，通过以上手段可以更好地提取高密度、宽方位地震资料的方位各向异性及裂缝信息。

3 认识

1)可控震源高效采集地震资料针对性处理技术，可以较好地解决由于高效采集给高密度、宽方位地震资料带来的可控震源谐波干扰、ISS邻炮干扰、HFVS的数据分离等问题。

2)通过针对性的处理技术，可以使高密度、宽方位地震资料具有更高的信噪比、分辨率、成像精度以及更丰富的描述方位各向异性信息。

3)对于尚无条件采用高效采集的地区，可以在原有的窄方位资料基础上，通过拟全三维采集技术达到提高道密度、填补方位角的目的，并且通过融合处理技术可以实现更好的成像效果。

4)对于宽方位处理应尽可能消除方位各向异性，达到同相叠加；对于分方位处理应凸显其方位各向异性信息。

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The new progress of high-density and width azimuth seismic data processing

WANG ZHao-lei, GONG Ting, LI Long-mei, LI Guo-sheng, ZHAO Zhi-qiang,GU Xiao-di, MENG Xiao-meng

(Geophysical Research Institute, BGP INC., China National Petroleum Corporation,Zhuozou 072751,China)

With the development of high-productivity vibrate, techniques such as slip-sweep, independent simultaneous sweep, high fidelity vibrator seismic acquisition method, seismic exploration with width azimuth and high-density data has become viable economically. This paper introduces key processing techniques of these vibrate is acquisition methods, which are harmonic attenuation for slip-sweep, interfered shots de-blend for ISS, and separation of high fidelity acquisition data. This paper also discusses targeted processing techniques according to different geologic demands and gives results.

high-density; width-azimuth; azimuth-anisotropy; azimuth-angle-gathers

2014-05-30 改回日期：2014-10-08

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项(2012E-34-11)

王兆磊(1978-)，男，博士，高级工程师，从事地震数据处理及处理方法研究工作，E-mail:wzrmxm@126.com。

1001-1749(2015)04-0465-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.09