多域组合去噪技术在塔中奥陶系低信噪比资料处理中的应用

徐 颖,刘 晨,吕秋玲,邵文潮,徐春梅,穆 洁

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

多域组合去噪技术在塔中奥陶系低信噪比资料处理中的应用

徐 颖,刘 晨,吕秋玲,邵文潮,徐春梅,穆 洁

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

塔中地区主要目的层是深层奥陶系碳酸盐岩储层,由于地表沙丘起伏大、沙层松散,地震波吸收衰减严重,干扰波复杂,导致目的层地震资料信噪比非常低。沙丘所产生的噪声不仅使有效波特征受到影响,而且使面波等相干噪声的规律性遭到破坏,从而增加了去噪处理的难度。为了在保真的前提下最大限度地压制干扰波、提高塔中奥陶系目的层资料信噪比,基于多年沙漠区地震资料处理所取得的经验与认识,通过对塔中地区地震资料干扰波成因、类型及其特点进行分析,提出了根据噪声类型、能量强弱、频带范围及其在不同域中所表现的特征,分类、分步、分频、分域、分时窗、分区的六分法多域组合去噪技术思路与处理流程。实际资料应用效果表明,多域组合去噪技术能明显提高奥陶系内幕反射的信噪比以及小断点、碳酸盐岩内部异常或“串珠”状反射的清晰度。

多域组合去噪；复杂地表；沙丘；奥陶系碳酸盐岩；低信噪比

高信噪比、高分辨率、高保真度是地震资料处理追求的目标。高信噪比是高分辨率和高保真度的基础,如果没有较高的信噪比,高分辨率就无从谈起,高保真度也就失去意义。去噪技术是提高地震资料信噪比的重要途径,在地震资料处理中占有重要地位。随着地震勘探所要解决的问题越来越复杂,对去噪技术的要求也越来越高。

为适应地震资料处理对去噪技术的要求,地球物理工作者开展了大量的研究工作。夏洪瑞等[1-2]总结了实际地震资料处理中应用的各种相干噪声与随机噪声消除技术,分析了各自的技术特点与局限；张孝珍等[3]对近年来发展的去噪技术及其进一步的发展方向进行了综述。目前业界使用较多且比较有效的去噪技术主要有异常振幅衰减、自适应噪声衰减、三维频率波数域(3D FKK)滤波、随机噪声衰减(RNA)等几类。高精度地震勘探要求在去噪的同时尽量使有效信号的振幅和相位不受破坏,追求保幅去噪效果,因此,考虑保幅的去噪技术正在成为未来去噪技术的一个重要发展方向。

塔中地区地震勘探的主要目的层是奥陶系碳酸盐岩储层,埋深一般大于6500m[4],地下地质情况复杂,岩溶发育强度总体较弱[4-6],储集空间为孔、缝、洞系统,基质孔隙度和渗透率低,纵、横向非均质性强[2],储层识别时对地震资料信噪比要求非常高。但是,塔中地区表层高大起伏的沙丘不仅带来严重的静校正问题,而且使原本就比较弱的目的层内幕反射信噪比非常低、频带窄,使得奥陶系内部成像困难,制约了碳酸盐岩缝洞和风化面的识别精度。

针对塔中地区地震资料的去噪处理,人们进行了不断的探索与实践。孔剑冰等[7]采用自适应低频噪声压制技术压制面波,采用多道统计、单道处理技术压制强能量干扰；谷跃民等[8]在共炮点道集上压制面波、线性干扰及异常干扰,在共接收点道集上压制多次折射,在CMP道集上压制多次波；于常青等[9]利用异常振幅衰减技术压制掉具有明显能量差异的面波,采用区域滤波法消除面波以避免对低频有效成分的伤害,采用多倾角滤波方法先

后在炮域和接收点域进行线性干扰压制；马学军等[10]采用叠前保护低频的去噪处理流程进行去噪处理,指出保护低频的去噪流程有可能在单炮记录上残留一些干扰,但对于提升奥陶系缝洞系统的成像效果有利。这些探索与实践都不同程度地提高了对塔中地区地震资料去噪处理技术及其应用效果的认识。但是,即使采用相同的去噪技术,所用处理流程与参数的差异也会使处理结果迥异。所以,如何提高塔中奥陶系目的层内幕反射资料信噪比和缝洞成像效果,仍是业界需要不断探索和研究的课题。

基于多年处理沙漠区地震资料所取得的经验与认识,本文针对塔中地区地震资料奥陶系内幕反射微弱、资料信噪比非常低的特点,提出在保真前提下最大限度地压制干扰波、提高目的层资料信噪比的多域组合去噪技术思路,给出了各种针对性去噪技术、处理流程及参数选择的原则与评价标准。

1 噪声特点分析

塔中地区地表沙丘起伏大(图1a),低速层速度变化快,吸收衰减严重,导致采集的三维地震资料存在严重的静校正问题和目的层非常低的信噪比(图1b中绿色方框内)。主要干扰波类型包括浅层折射、面波、随机噪声、沙丘干扰、多次波,以及不正常道、野值大跳等。图1b是工区内沙丘接收段较少的一个典型单炮记录,用于说明沙丘与干扰之间的相关性,实际上，更多的接收排列布置在连绵不绝的沙丘上,干扰更加严重。沙丘干扰的能量以及规律性与接收点沙丘起伏(图1b中红色曲线所示地表高程)存在明显的相关性,炮与炮之间以及炮内各道的信噪比随着接收点地形起伏(即沙丘变化)存在明显差异。沙丘越高、高程起伏越大,沙丘部位的地震资料振幅越强,但信噪比越低,因为这种强振幅主要是噪声的能量,而且随着沙丘横向范围的增大,噪声连片无规律。当接收排列位于沙丘之间凹地时,地震资料具有相对较高的信噪比。陇状沙丘、蜂窝状沙丘等各种类型的沙丘所产生的干扰,在大大降低地震资料信噪比的同时,也使相干噪声的规律性受到严重破坏(如图1b的左半支)。考虑到炮点激发井深均设置在潜水面之下,这种与沙丘起伏明显相关的沙丘干扰基本上只与接收点的沙丘起伏有关，而与炮点是否位于沙丘上无关,主要原因应该是受潜水面到接收点地表面之间的沙层的影响[11-13]。野外采集技术人员对这种噪声的认识不尽相同,有人认为是沙丘散射,有人认为是沙丘鸣震等,目前尚未见有文章对这种噪声产生的机理进行明确分析。

沙漠地区的表层沙丘相对疏松,在外力作用下会发生流动,造成检波器与地表的耦合条件变差。同时,疏松的沙丘对地震波的吸收衰减作用较大,使得地震波的能量和频率衰减非常快、频带窄(有效频带8～40Hz),有效波与干扰波在频率域中有较大部分重叠,给叠前去噪带来了很大困难。

图1 塔中地区地表沙丘在平面上的展布(a)与典型的原始单炮记录(目的层3500～4500ms)(b)

2 叠前多域组合去噪技术

沙漠地区的噪声按规律性可分为规则噪声和不规则噪声。不规则噪声主要是指没有特定频率和传播方向的噪声,在地震资料上表现为杂乱无章的背景,主要有强能量噪声和随机噪声等。目前对随机噪声的压制已有较好的方法,在有一定信噪比的情况下效果较理想，如强能量噪声压制一般采用异常振幅衰减技术。但是，由于沙丘产生的强能量噪声连成一片,增加了去噪的难度,因此需要选择合适的数据域。

规则噪声(即相干噪声)是指有特定频率和特定视速度的噪声[14],主要有面波与线性干扰、浅层折射等。浅层折射对奥陶系目的层没有任何影响,可以采用动校后切除的方法予以去除。在沙丘起伏较大时,相干噪声的规律性受沙丘干扰的影响,其频率和视速度都会发生变化,单独使用一种方法很难去除低信噪比资料中的相干噪声。如果去噪方法使用不当,还会产生一些副作用,影响叠前偏移成像效果,特别是奥陶系内部的“串珠”成像。

去噪顺序则遵循先强后弱、先低频后高频、先规则后非规则、先普遍后特殊的叠前噪声衰减原则。对资料进行详细分析和噪声分类，针对不同噪声选择不同的去噪手段,是制定去噪方案的常规技术路线。对于以奥陶系为目的层的沙漠区低信噪比资料,在制定去噪技术方案时需要更加细致。为达到在保护有效信号的前提下提高地震资料信噪比的目的,我们采用了叠前多域组合去噪的技术思路,并对常规去噪流程进行优化。在较好解决静校正问题的基础上,首先对噪声进行分类,针对不同噪声选择不同去噪技术，然后根据噪声能量从强到弱逐步衰减；根据噪声在不同域的表现规律不同,分别在共炮点域、共偏移距域、共中心点域、十字交叉排列域等进行衰减,或在几个域进行组合衰减；根据一些噪声在不同频段能量的不同进行分频衰减；对于大值、异常振幅等采用分时窗、分域衰减,在不同时窗给定不同门槛值。

在去噪过程中优选参数,针对不同地段地震资料品质的差异,分别选取典型单炮进行去噪试验,注重保护低频信号和弱信号,尽量使有效信号的振幅和相位不受破坏,追求保幅去噪效果。对规则噪声类型,采用了如图2所示的相对保幅去噪流程。首先选取信、噪差异最大的域进行信噪分离,然后根据分离出的噪声类型,进一步采用相应的去噪手段将噪声中的信号提取出来,从而分离出纯噪声和相对弱的有效信号,再用原始资料与纯噪声数据相减,得到去噪后的数据。这样可以最大程度地保护有效信号,压制噪声。

图2 针对规则噪声的保幅去噪技术流程

受现有技术的限制,每种去噪技术的应用都有可能带来一定的副作用,因此去噪处理过程中的质量监控非常重要。质量监控不仅要进行定性分析(包括去噪前、后单炮的噪声以及相应的叠加剖面),还要做定量分析(包括去噪前、后的频谱和有效信号的能量、相位等),更重要的是要监控去噪与后续处理技术的组合效果,以最终的叠前偏移成像便于储层特征识别为标准。关键的去噪技术流程要测试到叠前时间偏移,通过与地质解释结合,对比叠前时间偏移效果来选择去噪流程和参数。

2.1 面波衰减技术

面波是地震勘探中广泛存在的一种规则干扰,具有低频、低速、衰减较慢的特点。在炮记录上呈扫帚状分布,且能量强,影响中、深层有效反射。区域滤波或F-K滤波是以往常用于压制面波干扰的方法,前者缺陷是会不同程度地损失低频有效信息,后者缺陷是容易出现假频及“蚯蚓状”干扰[15]。

为减小区域滤波或F-K滤波技术在压制面波方面的副作用,我们采用自适应噪声衰减法。该方法首先根据地震资料和提取的初始噪声模型计算噪声的滤波因子,使得滤波因子与初始噪声模型的褶积接近地震记录中的实际噪声，然后通过迭代修改滤波因子,使褶积的结果逐步逼近实际噪声,最后从地震记录中减掉求取的噪声。实际应用结果表明,自适应噪声衰减法在压制面波方面具有明显的优势,不会出现像区域滤波或F-K域滤波那样的问题。

自适应噪声衰减压制面波时,质量监控非常重要。应综合考虑能量、频率与速度等参数进行细致的试验与对比，不必追求对面波噪声的彻底压制,而以残余面波噪声不使叠前偏移结果对储层识别产生不利影响为标准。试验表明,过分强调干净彻底地压制面波,反而会对最终结果产生负面效应。频率8Hz以上且能量低于反射波的面波,对最终成像结果基本没有不利影响,在现有技术条件下,将其保留在数据中比将其去除对最终成像更有利。图3 为利用自适应噪声衰减法压制面波前(图3a)、后(图3b)的单炮记录以及去除的噪声(图3c),从噪声剖面上看不到有效信号的影子。单独利用噪声数据进行常规叠加所得到的叠加剖面上也难以看到有效波的痕迹,说明自适应噪声衰减实现了在保幅的前提下最大限度地压制噪声的目的。在图3b记录上，浅层残余的局部低频面波对目的层成像基本上不产生影响,可以保留，也可以在后续的十字交叉域FKK去噪过程中进行进一步压制。

2.2 线性干扰衰减技术

对于线性干扰的压制,F-K滤波是较好的技术手段。但在三维地震单炮记录上,由震源激发引起的线性干扰同相轴在不同排列上的形态是不一样的,炮点与接收排列的距离越近,线性特征越明显；炮点与接收排列的距离远时表现出双曲线特征,直接利用F-K滤波并不能很好地解决线性干扰问题。三维FKK滤波技术[16-17]是压制三维地震资料线性干扰的最好选择,但直接在炮域应用三维FKK滤波同样难以取得理想效果。尽管线性噪声理论上在三维FKK域中很容易被识别与消除,但由于实际观测系统空间采样间隔尤其是接收线间距(y方向的空间采样间隔)较大,直接在炮域采用三维FKK滤波衰减具有较宽频带的线性干扰极易引入假频。

图3 自适应噪声衰减压制面波前(a)、后(b)的单炮记录及去除的噪声(c)

十字交叉排列域是应用三维FKK滤波技术压制线性干扰较为理想的数据域。假设三维地震数据体的炮线和检波线是正交的(塔中等沙漠地区三维采集多采用这样的观测系统),这时抽取一条炮线和与之相交的一条接收线上的所有地震道组成一个正交子集,相当于对地下局部三维地质体进行了单次覆盖地震采集,得到单次覆盖的叠加数据体,该正交子集所构建的时空域被称为十字交叉排列域。在十字交叉排列域中,具有相同绝对炮检距的地震道所在的CMP面元均在一个以炮线与接收线的交点为圆心的圆上，因此,一个常速同相轴在横切十字交叉排列数据体的每个时间切片上也都位于同一个圆上,该同相轴的三维形状是一个圆锥。将十字交叉排列域数据体变换到FKK域后,很容易设计一个压制线性噪声的三维FKK滤波器。更重要的是,在十字交叉排列域中,由于炮点距远小于接收线距,y方向的空间采样间隔大为减小,降低了FKK滤波引起假频的风险。

在十字交叉排列域中,应用三维FKK滤波技术压制线性干扰的流程为：首先根据线性噪声视速度进行噪声预测并减去噪声；然后进行相干滤波,提取噪声中的弱信号并从噪声中减去提取的弱信号；最后用原始地震资料减去纯噪声,达到保幅去噪的目的。

2.3 异常振幅衰减技术

针对非相干噪声中的野值大跳、不正常道,除了采用常规的道编辑等方法去除外,还可以采用近几年一些商业软件中推出的异常振幅衰减技术[6]来去除这类噪声。这种去噪方法的主要原理是通过傅里叶变换将时间域数据转换到频率域,根据给定频带内的振幅差异来压制噪声。通过计算给定频带内被处理道的振幅与周围地震道平均振幅之间的差异,依据给定的门槛值来判断被处理道是否异常。由于异常振幅衰减技术采用多道统计和单道去噪方法通过在某个时窗内选取合适的门槛值进行去噪,因此对有效信号产生的畸变较小，是一种相对保幅处理技术,去噪后的数据对叠前偏移非常有利。

异常振幅衰减技术可以在叠前任意数据域进行,应该根据噪声特点把数据分选到噪声与周围地震道数据有差异的任一数据域,必要时先在一个域中进行异常振幅衰减,再转换到另一个域进行进一步衰减。在不同的数据域中,噪声与周围地震道数据之间的关系将产生改变,在一个域中去不掉的噪声在另一个域中却有可能被去掉。为了达到理想的统计效果,在转换数据域中的数据要有足够的道数,例如当CMP覆盖次数较低时,在CMP域就难以获得较好的处理效果。

影响异常振幅衰减技术应用效果的主要因素是统计时窗和振幅差异门槛值的选择。统计时窗划分时应尽量使同一地层的反射同相轴落在同一个时窗内,这样可使有效信号的振幅基本一致,即使给出的门槛值偏小,也不会衰减有效信号。门槛值一般浅层大、深层小,这样不会影响到浅层的初至。衰减的顺序也是先强后弱,先低频后高频。

在沙漠腹地采集的资料中,沙丘引起的连片强能量噪声在炮域或者接收点域是连续出现的。由于连续多道数据都存在强振幅噪声,多道统计振幅值与单道振幅值差异很小,使用异常振幅衰减技术很难选择合适的去噪门槛值：选择的门槛值小,去除的振幅多,有效信号会受到影响；而选择的门槛值过大,则基本没有去噪效果。针对这种噪声类型,我们先在炮域使用较大的门槛值进行异常振幅衰减以消除不正常道及大跳等强能量；然后将数据选排到CMP域,这时沙丘引起的强振幅噪声为连续多道的机会大为降低,通过多道统计选择合适的门槛值可以取得较好的效果。

图4是塔中沙漠地区应用异常振幅衰减技术在不同数据域去除强能量干扰的应用效果对比。图4a是仅在炮域应用异常振幅衰减后的叠加剖面；图4b是在炮域处理基础上,选排到CMP域进行异常振幅衰减后的叠加剖面。由于干扰在炮域为连续多道,异常噪声衰减技术应用效果不理想；选排到CMP域后，噪声振幅与周围地震道数据存在较大差异,异常噪声衰减效果明显。但是,图4b中仍然还有部分沙丘引起的强振幅噪声没有被很好压制,这些噪声可以通过后续的随机噪声衰减进一步压制。

2.4 随机噪声衰减技术

随机噪声是地震勘探中不可避免的不规则干扰,其频带宽,视速度不确定,传播方向不一定,但服从统计学规律,是具有各态历经性质的平稳随机过程[18]。随机噪声会降低地震资料的信噪比,而且从单道上无法分辨,因此,叠前随机噪声的衰减一般都是从统计规律出发,在炮域、共偏移距域、CMP域中进行。

二维地震资料处理中一般采用二维随机噪声衰减方法(2D RNA)衰减随机噪声[14]。该方法假设反射波同相轴是线性的(或至少在局部是线性的),因为在f-x域中x方向的线性同相轴是可预测的,所以依据复数最小平方原理对每一频率成分求得一个f-x域的预测算子。对于三维数据,在x方向与y方向上分别使用2D RNA技术处理后，同相轴会出现失真现象。

图4 炮域(a)与炮域+CMP域(b)异常振幅衰减叠加剖面

三维随机噪声衰减技术(3D RNA)[19]是在2D RNA的基础上发展起来的。该技术假设反射波同相轴在局部为平面,同一频率成分在f-xy域的2个空间方向上具有可预测性。依据多道复数最小平方原理求得矩形预测算子,其预测值在矩形中央,这时为求得某一道的值就必须利用周围两个方向的数据(常规2D RNA方法只使用一个方向的数据)。三维实际资料的处理试验表明,3D RNA方法的去噪效果比2D RNA有明显改善,对弯曲界面也不会产生畸变,是当前较为理想的随机噪声衰减技术。

虽然叠前时间偏移本身具有很强的去除随机噪声的能力,但是对于塔中地区信噪比特别低的资料,叠前随机噪声的压制仍然十分必要,以提高奥陶系目的层信噪比,从而有利于缝洞型储层的成像。图5是去除随机噪声前、后的叠前时间偏移剖面,从图5b可以看出,奥陶系内部信噪比明显提高,层间信息丰富,小断裂清楚,与断裂相关的小“串珠”(图5方框内)数量增加,质量得到提高,有利于解释人员对储层特征和储层主控因素的认识。

随机噪声衰减要把握一定的“度”,去得太干净会使小断点和“串珠”等一些储层的细节识别受影响,一般叠前道集信噪比达到0.5以上即可满足叠前偏移成像需求。

图5 去除随机噪声前(a)、后(b)的叠前时间偏移剖面

3 应用效果分析

由于沙丘起伏大，低、降速层速度变化剧烈,塔中地区地震资料静校正问题严重。我们在开始去噪处理之前,首先应用层析静校正解决中、长波长的静校正问题,使用一次剩余静校正基本解决短波长静校正问题；然后根据噪声能量先强后弱、先低频后高频、先规则后非规则、先普遍后特殊的叠前噪声衰减原则,采用分类、分步、分频、分域、分时窗、分区的多域组合去噪技术思路进行去噪处理。基本流程为：炮域自适应噪声衰减技术压制面波；十字交叉域FKK滤波技术衰减线性噪声；炮域异常振幅衰减技术衰减不正常道及大跳等强能量非规则噪声；CMP域异常振幅衰减技术衰减沙丘干扰等；最后是3D RNA法随机噪声衰减。

在随机噪声衰减之前,进行了精细的速度分析、动校正、剩余静校正的迭代处理,以更好地解决高频剩余静校正问题，取得高精度的叠加速度；在动校正后的共偏移距道集域进行了随机噪声衰减处理,以实现有效信号与随机噪声差异的最大化,达到最佳的去噪效果。

采用上述去噪技术与流程较好地实现了处理目标,既去除了对最终成像会产生不利影响的干扰波,又避免了有效波受到伤害,较好地把握了去噪处理的“度”。图6是采用多域组合去噪技术流程前、后的单炮记录对比,可见面波、线性干扰及与沙丘起伏相关的强振幅噪声等都得到了有效压制,但压制后的炮记录也不是特别干净,隐约还能看到一些噪声的影子。

最终叠前偏移结果的优劣是评判去噪效果的依据。图7是采用本文多域组合去噪技术与其它去噪技术后的叠前时间偏移结果对比。图7a是在做了大量的叠前去噪处理后得到的,使用了区域滤波面波衰减、FKK域线性噪声衰减、异常振幅衰减以及随机噪声衰减等技术手段，但与采用多域组合去噪技术后的偏移结果(图7b)相比,仍存在较明显的差异。图7a中目的层响应表现为较强的能量和模糊的地质特征；而图7b中奥陶系内幕信噪比提高,小断点更加清晰(图7b中绿色箭头所指),目的层地质特征明显(红色框内),层序界面清楚,奥陶系碳酸盐岩内部呈现出大量的异常或“串珠状”反射。以上两种处理结果的差异主要源于所采用的去噪技术、技术组合以及去噪“度”的把握上。根据本文所论方法的处理结果，在研究区部署的两口探井都取得了良好的油气效果,实现了工业产能突破。

图6 多域组合去噪前(a)、后(b)的单炮记录

图7 应用其它去噪技术手段(a)与应用多域组合去噪流程(b)处理后的叠前时间偏移结果

4 结束语

塔中地区以奥陶系为目的层的地震资料处理中,面波、线性干扰、异常振幅以及随机噪声等是影响最终偏移成像效果的主要干扰波类型，多域组合去噪技术能较好地抑制这些噪声对偏移成像效果的不利影响。自适应噪声衰减、十字交叉排列、三维FKK滤波、多域异常振幅衰减以及三维随机噪声衰减技术,分别是压制研究区地震资料中面波、线性干扰、异常振幅以及随机噪声的有效技术。值得指出的是,在去噪处理过程中把握去噪的“度”是关键,叠前地震记录上的噪声多少仅仅是评判去噪效果的参考,最终的偏移成像效果才是评判去噪效果的真正依据。

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(编辑：戴春秋)

Application of multi-domain composite denoising technology for the processing of Ordovician low SNR seismic data in Tazhong Area

Xu Ying,Liu Chen,Lv Qiuling,Shao Wenchao,Xu Chunmei,Mu Jie

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Deep Ordovician carbonate reservoir is the main exploration target in Tazhong area.The undulate dunes,the loose surface sand bed and the serious absorption & attenuation effect leads to low SNR seismic data of the target layers.The noise caused by sand dunes affects the characteristics of the effective wave,and also breaks the law of the coherent noise,which increases the difficulty for seismic data denoising processing.In order to suppress interference wave and improve the SNR of Ordovician target layers with the premise of fidelity,based on the experience and recognition obtained from the desert seismic data processing in the last few years,in terms of noise type,energy strength,frequency bandwidth and their characteristics in different domain,we proposed multi-domain composite denoising technique and processing workflow,and the multi-domain includes scale,step,frequency,domain,time window,zone etc.Actual data application results indicate that mlti-domain composite denoising technique obviously improve the SNR of Ordovician insider reflections,the clearness of small fault points,inside abnormal of carbonate or moniliform reflection.

multi-domain composite denoising,complex surface condition,dune,Ordovician carbonate,low SNR

2014-09-01;改回日期：2014-11-28。

徐颖(1967—)，女，高级工程师，主要从事地震资料处理及方法研究工作。

国家科技重大专项项目“碳酸盐岩缝洞型储层预测技术方法应用”(2011ZX05049-001-002-004)资助。

P631

A

1000-1441(2015)02-0172-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.008