分頻分時振幅閾值去噪方法在渤海灣盆地的應用研究

董水利 ， 王 征 ， 張明強 ， 屈超銀 ， 范寶倉

(1.中海油田服務股份有限公司，天津 300451; 2. 中國石油大學(華東)，青島 266580)

0 引言

渤海油田是中國最大的海上油田，隨著海洋經濟的繁榮，海上鉆井平臺作業(yè)、過往船只、漁業(yè)活動以及沉船等會在地震資料的采集過程中引入大量外源噪聲。具有雙曲線特征的非線性外源噪聲會降低地震資料的成像品質[1-2]。通常情況下，反射的外源噪聲與有效反射波的物理特性并沒有明顯的差異且頻率范圍近乎重疊，因此應用常規(guī)的噪聲壓制方法很難取得理想的效果。如常規(guī)的基于Radon變換的方法[3-5]，只能去掉噪聲曲線近似線性的兩翼部分而其頂部曲率較大處衰減很少；在共偏移距域采用隨機噪聲衰減或中值濾波方法[6-7]，只有當噪聲相干性很差的情況下才能取得較好效果，但往往在這些域中噪聲依舊具有較好的相干性。另一種方案是將被外源噪聲干擾的地震資料直接剔除掉，但重新采集會大大增加作業(yè)成本。因此，研究和應用能夠有效壓制外源噪聲的去噪方法，特別是對于外源噪聲發(fā)育的渤海地震資料具有十分重要的意義。

為此，筆者詳細分析了基于有效波和外源噪聲振幅和頻率差異的閾值去噪方法，將其應用于渤海地區(qū)地震資料的外源噪聲壓制中并取得了較為理想的效果。同時，該方法還可以很好地壓制近偏移距多次波。

1 外源噪聲壓制原理

盡管外源噪聲和有效反射的頻帶范圍近乎一致，但在不同子帶范圍內兩者振幅存在較大差異。同時，外源噪聲往往并不是分布在整個地震記錄上而是出現(xiàn)在地震記錄的部分時間段內。為此我們引入分頻分時的振幅閾值去噪方法，來實現(xiàn)外源噪聲的壓制。

首先利用快速傅里葉變換(離散傅里葉變換公式(1))，將各道地震數據變換到頻率域。

k=0,1，…,N-1;n=0,1,…,N-1

(1)

其中：s和S分別代表時間域和頻率域的單道地震記錄；N代表單道地震記錄的采樣點數；Δf代表頻率采樣間隔。

然后進一步將頻率范圍劃分為一系列子帶后分別做快速傅里葉反變換(離散傅里葉變換公式(2))到時間域，得到時間域不同頻帶范圍的地震記錄。

k=0,1,…,N-1;n=0,1,…,N-1;

i=1,2,…,M

(2)

其中：si與Si分別代表第i個子帶時間域和頻率域對應的單道地震信號；M代表劃分的地震子帶的總數量。

根據相鄰地震道的有效信號在相同時窗的幅值量級相同而強側反射噪聲幅值明顯強于有效信號的差異，來進行側反射噪聲的檢測和壓制。

對子帶i的某道j的一個特定采樣點m，計算以該點為中心的給定時窗WL內的樣點絕對振幅值的均值作為該點的參考振幅值Air(j,m)。

(3)

以此類推，根據公式(3)計算相鄰地震道在該時刻的參考振幅值Air(*,m)，并計算它們的中值Mir：

Mir(j,m)=median[Air(1,m),

Air(2,m),…,Air(j,m),…]

(4)

然后求取計算點的參考振幅值與中值的比值r并與給定閾值η進行對比。若比值小于給定閾值，則不做任何處理；若比值大于給定閾值，則將計算點幅值乘以對應的衰減系數d。

ifrir(j,m)=Air(j,m)/Mir(j,m)>η(i,t)，

si(j,m)=si(j,m)d(i,t)

ifrir(j,m)=Air(j,m)/Mir(j,m)≤η(i,t)，

si(j,m)=si(j,m)

(5)

其中：η(i,t)和d(i,t)分別為依賴于頻率和時間的閾值和衰減因子。通常可將含側反射噪聲的地震道乘以衰減系數將其校正到相鄰道的平均振幅水平，即衰減系數d(i,t)=Mir(j,m)/Air(j,m)。閾值因子是根據側反射噪聲與有效信號的能量強弱關系來確定范圍，然后通過掃描的方式獲得相對最優(yōu)的閾值因子值。閾值因子值越大，側反射噪聲衰減越弱；閾值因子值越小，側反射噪聲衰減越強。每掃描一個閾值因子，需要對去噪前后地震記錄做差處理，通過質控差剖面的方式，在保證有效信號不被破壞的前提下，選取相對最優(yōu)的閾值因子來實現(xiàn)側反射噪聲的衰減。

以此類推，對不同頻帶范圍的所有采樣點進行上述操作，即可獲得各子帶壓制強振幅外源噪聲的時域結果，并將各子帶結果相加即可獲得最終壓制外源噪聲后的地震記錄。其中，依賴于頻率和時間的閾值和衰減算子，可以通過時間和頻率方向的線性插值求得。

2 應用實例分析

2.1 外源噪聲壓制

圖1和圖2分別為渤海灣盆地某區(qū)塊的壓制外源噪聲前、后的野外單炮記錄和疊加剖面。從圖1(a)和圖2(a)可以明顯看出，由鉆機和過往船只等產生的外源噪聲且其強度要強于對應的一次反射波。圖1(b)和圖2(b)分別展示了利用分頻分時振幅閾值去噪方法壓制外源噪聲后得到的野外單炮記錄和疊加剖面；圖1(c)和圖2(c)分別為去噪前后野外單炮記錄和疊加剖面對應的差剖面。由圖1(c)和圖2(c)可以看出外源噪聲得到了很好地壓制且有效反射得到了很好地保持。

2.2 近偏移距多次波壓制

多次波壓制是海洋地震資料處理的關鍵。多次波的產生和地下的地質構造密切相關。根據它們的幾何特征，多次波可以分為長周期和短周期。長周期多次波可以根據與一次波顯著的速度差異進行很好地壓制[8]，但短周期多次波由于主要集中在近偏移距且與一次波速度差異并不明顯，因此壓制較為困難。近偏移距多次波通常采取內切的方式來壓制，但近偏移距數據的缺失會破壞數據的完整性并降低地震數據的分辨率，同時AVO分析也會受到影響。在相同旅行時的前提下，相對于一次反射波，多次波在地下傳播的深度要淺，比如由海面和海底產生的多次波只在水層中傳播。因此相同時窗內，多次波通常不僅能量要強于一次波而且頻率要高于一次波，因此近偏移距多次波也可以用筆者所述的噪聲壓制方式來進行壓制。

圖1 炮記錄Fig.1 A shot record(a)去外源噪聲前；(b)去外源噪聲后；(c)去外源噪聲前后差值

首先利用AVO反演的方法生成噪聲和一次波模型[9-10]，噪聲模型中包含絕大多數近偏移距多次波和少部分有效信號。利用筆者所述方法壓制完近偏移距多次波后，將剩余的有效信號回加到一次波模型中，從而獲得壓制近偏移距多次波后的數據。

圖3 CRP道集Fig.3 A CRP gather(a)去近偏移距多次波前；(b)去近偏移距多次波后

圖4 疊加剖面Fig.4 A stack section(a)去近偏移距多次波前；(b)去近偏移距多次波后

圖3和4分別為渤海某區(qū)塊資料壓制近偏移距多次波前后的CRP道集和疊加剖面。從圖3(a)和圖4(a)中可以明顯看出，CRP道集上近偏移距多次發(fā)育明顯且多次波在疊加剖面上會產生構造假象；應用本文方法后，從圖3(b)和4(b)中可以看到，道集上近偏移距多次波得到了有效地壓制且多次波產生的構造假象也相應地消失了。

3 結論與建議

1)筆者所述的分頻分時振幅閾值去噪方法，可以很好地壓制常規(guī)方法難以取得理想去噪效果的外源噪聲以及近偏移距多次波，同時能夠很好地保護有效信號。

2)時窗大小、參與計算的相鄰道數以及依賴于時間和頻率的振幅閾值因子的選取，將直接影響噪聲的壓制效果，因此在去噪前要對噪聲的時空分布和頻率范圍進行大致的確定。

3)當外源噪音與有效信號頻率范圍和振幅強度近乎一致時，該方法存在一定的局限性，需要開展進一步研究。

致謝

感謝中海油田服務股份有限公司允許該論文的發(fā)表與提供的支持，同時感謝中海油服物探事業(yè)部王煒工程師提供的幫助。

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