鄂爾多斯盆地低信噪比復雜地區檢波器組合方法分析

王正良，肖國強，付群禮，呂震川，姚宗惠，史慶陽，高 斌，伊鴻斌，高 強，張 鵬，侯 杰，史炳程，王彥鐸，焦桂行

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司長慶物探處，陜西 西安 710021)

在鄂爾多斯盆地西北部地震勘探采集時，由于部分區域海拔高，季風使地表的草木隨風而動，形成強度較大的隨機干擾；加之疏松的沙土層、巨厚黃土層對地震波吸收強烈，激發引起更多的次生震動，多因素導致該區地震資料低信噪比低，影響地震勘探效果。通過提高覆蓋次數壓制隨機干擾難度大，野外檢波器組合可有效壓制隨機干擾。前人對檢波器組合研究較多，研究重點往往是檢波器組合對面波、折射波等規則干擾波的壓制方法[1]，盒子波對隨機噪聲的壓制作用[2]，檢波器組合壓制規則干擾波，散射波干擾等[3-6]；合理提高檢波器組合高差可壓制長波長規則干擾波，提高構造勘探信噪比[7-10]；將檢波器組合與震源組合匹配可壓制規則干擾波、拓寬地震波頻帶寬度[11-13]；組合基距大于18 m會影響淺部煤層勘探中的高頻成分[14]，較大組合基距20～120 m引起的靜校正誤差會影響剖面質量[15]。

這些成果反映了研究檢波器組合重點在壓制規則干擾波，或是理論研究為主，對隨機噪聲的分析不是重點，也沒有專門針對鄂爾多斯盆地具體地域隨機噪聲的衰減進行過系統分析與論述。近年來，雖然在盆地內運用高覆蓋、高炮道密度、單點接收等三維地震勘探新技術，但是，在低信噪比復雜地區應用效果并不理想，無法滿足地質需求，這成為地震勘探的一個難點。基于此，以盆地內低信噪比復雜地區為研究對象，系統分析了檢波器組合高差、組合基距對采集資料頻率的影響、組內距對資料信噪比的影響方式，以期為類似地區地震勘探采集提供技術參考。

1 盆地低信噪比復雜地區主要影響因素

鄂爾多斯盆地A、B地區位于盆地西北部，表層巖性為沙土、黃土、砂巖(圖1)，巖性和地球物理參數變化快。目的層為中生代、古生代地層，反射弱，地震采集資料信噪比低；其中本次研究區A區處于季風主要通道，地表小植被豐富，廣泛分布成行的沙棘林，風吹草動，常形成嚴重的自然環境隨機干擾，致使地震單炮記錄信噪比迅速下降，屬于信噪比低的復雜地區。由于隨機噪聲頻帶寬、強度大于有效信號，要提高資料信噪比，需要采用超高覆蓋次數采集方法來彌補，施工技術難度很大，成本高。

圖1 鄂爾多斯盆地低信噪比區域Fig.1 Low SNR area in Ordos Basin

A地區的隨機干擾影響嚴重，從該區單點SN 5-5Hz檢波器接收的典型單炮記錄(圖2)上可以看出，初至前背景噪聲能量強，將絕大部分初至淹沒，從近道至遠道均分布強能量的隨機噪聲，常使初至波起跳位置難以確定，初至拾取不準確，將會影響后續資料處理環節的靜校正精度，其次會導致目的層反射波同相軸不連續，難以有效識別，進一步影響高頻剩余靜校正量計算，造成更嚴重高截濾波，同時影響動校正精度，這是該區引起信噪比降低的主要因素之一。

圖2 單點接收的寬檔單炮記錄Fig.2 Wide range single shot record received by single point geophone

因此，在采集環節，檢波器組合方法應重點壓制隨機干擾，提高資料信噪比。

2 檢波器組合效果的影響因素

檢波器組合是指在一個地震道上同時使用多個地震檢波器，并按一定形式布成的接收地震信號的陣列，把這些檢波器的輸出疊加起來作為這一地震道的信號，又稱組合檢波，主要用來壓制規則干擾波和隨機干擾。其主要參數有組合基距、組內距、組內高差，組合個數等。

2.1 組內高差

組內高差是指同一地震道內不同檢波器位置之間的最大高差。在野外地震資料采集時，檢波器埋置條件、表層地層速度、組內高差等因素很容易造成組內檢波器之間數毫秒的時差。假設由于高差引起的組內時差也大致服從正態分布，這種正態分布的概率函數[16]具有如下形式：

式中：PN(x)為誤差幾率；x為組合高差導致的時差；σ為組內時差均方根值(σ2為方差)；u為組內時差的均值。

式(1)的振幅譜表示為：

式中：f為頻率；A(f)為振幅譜。由式(2)可知，時差對信號起到了高截濾波作用。以A地區為例進行計算，檢波器組內高差分別是1.0、1.5、2.0 m，表層速度為600 m/s，則以上高差引起的時差分別為1.7、2.5、3.3 ms，分別計算其濾波器頻譜(圖3)，當振幅為0.5時，對應的高截頻率分別為114、76、56 Hz。

圖3 鄂爾多斯盆地A地區組內高差與頻率關系曲線Fig.3 Relationship between intra-group elevation difference and frequency in area A in Ordos Basin

一般，盆地內地震資料采集質量要求道內檢波器組合高差控制在1 m以內，按振幅為0.5計算，高截頻率在114 Hz，時差不超過± 2 ms，對高頻信號影響也非常小；而且，盆地內大部分成果剖面高頻有效信號基本都在70 Hz以內，遠小于以上高截頻率。

2.2 組合基距

在采用檢波器組合時，將同一組合內相距最遠的2個檢波器之間的距離稱為組合基距。由于炮檢距的原因，組合基距對反射波而言，也會引起檢波器組合時差，從而造成低通濾波作用。相對于組合中心反射波到達時間，組合基距引起的時差為：

式中：Δtd表示基距引起的反射波到達時差；t0為自激自收時間；x為炮檢距；Δx為組合基距；v為反射波在反射界面以上介質中的速度(圖4)。

圖4 基距引起反射波的時差Fig.4 Time difference diagram of reflected wave caused by base distance

同一點組合，時差是時變的，與深度、速度有關，深層影響小于淺層。不同點組合，時差是空變的，大炮檢距影響大于小炮檢距的。根據式(3)，以A地區地層為例，中生界自激自收旅行時間為1 400 ms，平均速度3 700 m/s；古生界自激自收旅行時間為2 000 ms、平均速度4 500 m/s，炮檢距5 000 m，基距1～30 m，分別進行計算分析，當組合基距為13 m時，對中生界影響時差± 2.44 ms，對古生界則是± 1.44 ms。就淺層而言，2.5 ms可以保護到高頻70 Hz，深層可以保護到80 Hz以內。因此，理論分析該區最大基距小于等于13 m。

因此，組合高差、組合基距造成的時差在A地區對地震資料高頻影響有限，所以，本文將重點分析有效壓制隨機干擾的組內距方面。

2.3 組內距

在采用檢波器組合時，將同一組合內相鄰兩個檢波器之間的距離稱為組內距。組內距大于隨機干擾半徑時，用n個檢波器組合后，信噪比可增加倍。

2.3.1 盒子波調查隨機干擾相關半徑

采用方形排列[17-18](盒子波)調查隨機干擾方法，24 m×24 m接收，每道單個SN 7 C-10 Hz檢波器接收，組合中心也用一個檢波器接收、小面積調查方法，采集儀器型號為G3i。為了保證記錄噪聲的品質，試驗點選擇遠離人為干擾源，現場有專人警戒，確保噪聲來自環境背景噪聲。

陸基孟等[19]認為隨機干擾是沒有固定頻率，也沒有固定傳播方向的波，在記錄上形成雜亂無章的干擾背景，對其特性只能用概率統計理論。多點接收的地震記錄上隨機干擾振幅既隨時間變化又隨檢波點位置變化，是時間t和接收點位置的函數u(x,t)，固定某時刻u(x,tR)是隨機干擾的波剖面。隨機干擾可視為具有各態歷經性質的、平穩的隨機過程，所以，u(x,tR)和u(xR,t)的統計特性相同。組合是同一炮激發各檢波器輸出的疊加，即時間相同而位置不同，所以只與位置相關，即使用隨機干擾波剖面來研究其統計特性。對于均值為零的隨機過程，只需要研究自相關函數Rnn(t)就可以充分描述隨機過程的統計特性。但在對實際資料進行分析時，輸出的均值代表疊加道，所以應同時對相關函數和均值進行研究。平均值公式和相關函數分別為：

式中：ni為隨機干擾的波剖面；為波剖面的均值；m-l為計算自相關時2個波形振幅值對應相乘的項數；Δx為隨機干擾記錄中的道間距。

橫向(南北向，圖5)在0 m時，自相關函數為最大值1，為信號能量；在1.7 m位置處，自相關函數首次達到0，為不相關。所以，橫向隨機干擾相關半徑為第一個零值點1.7 m。

縱向(東西向，圖6)，自相關函數在1.8～2.0 m值為0.03，首次趨于0，為不相關。根據自相關函數特征及數值，參考橫向相關半徑，最后基本確定縱向相關半徑為第一個趨近零值的1.8～2.0 m。

圖5 橫向不同距離自相關函數曲線Fig.5 Auto correlation function curve of different lateral distance

圖6 縱向不同距離自相關函數曲線Fig.6 Auto correlation function curve with different longitudinal distance

在綜合分析縱向、橫向隨機半徑結果后，A區隨機干擾相關半徑為1.7～2.0 m。為了有效衰減隨機干擾，需采用大于等于隨機干擾半徑的檢波器組內距。

2.3.2 不同組內距隨機干擾能量分析

為了進一步檢驗隨機干擾相關半徑的準確性，采用盒子波試驗，對同一時間內單個檢波器接收的噪聲記錄對比，根據0～11 m不同組內距選擇其中不同的6個檢波器組合，對6道隨機干擾記錄進行疊加，計算組合后的噪聲能量，并進行能量分析(圖7)。組內距0 m時，為原始單道，隨機噪聲能量強，能量曲線值最大；組內距2～3 m時疊加能量衰減至最低，在能量曲線拐點最小值處，隨機干擾衰減最明顯。

圖7 6個檢波器組合不同組內距噪聲疊加能量分析Fig.7 Energy analysis of noise superposition in different internal distance of six geophone array

最后，通過不同組內距隨機噪聲疊加能量分析判定，隨機干擾相關半徑約2 m，檢波器組內距3 m，能穩定有效壓制隨機干擾，大于3 m組內距也能較好地衰減隨機干擾。

2.3.3 不同組合個數隨機干擾疊加能量、頻譜分析

為了確定組合個數分別以組內距1 m和組內距3 m，對1～12個不同檢波器組合個數進行隨機噪聲疊加能量、頻譜分析。

組內距為1 m時，對1～12不同組合個數進行噪聲疊加能量(圖8)、頻譜對比(圖9)分析，噪聲隨檢波器組合個數增加逐漸緩慢降低；頻譜分析顯示檢波器在1～10組合個數時，壓制明顯，但高頻未完全消失；在1～3個檢波器組合時，疊加能量(圖10)快速下降，從0.39下降到0.27；3～5個組合數時，下降速度略緩，降至0.22；5～10個組合時，緩慢下降，降至能量為0.17；10～12個組合能量未變。

圖8 不同組合道數噪聲記錄對比Fig.8 Noise record comparison of different geophone array number

圖9 不同組合道數噪聲記錄頻譜分析Fig.9 Noise record spectrum analysis of different geophone array number

組內距為3 m時，進行同樣分析，噪聲疊加能量隨檢波器組合個數增加快速降低；頻譜分析顯示在5個組合時，高頻能量明顯被壓制，6～12個組合頻譜變化不大；疊加能量在1～2個檢波器組合時，疊加能量快速從0.39降至0.20；2～3個組合下降稍緩，降至0.16；3～5個組合下降更慢，降至0.13；6～12個組合變化不大。

通過對組內距分別為1 m和3 m，1～12不同組合數噪聲疊加能量、頻譜等對比，1 m組內距時，12個檢波器組合仍壓制不住隨機干擾；3 m組內距能快速壓噪，5～6個檢波器組合可以壓制噪聲。當噪聲疊加能量振幅為0.2時，組內距1 m需要6個檢波器組合，組內距3 m需要2個檢波器組合，所用個數比為3∶1。

3 單炮記錄的檢波器組合效果分析

對于同一段地下反射界面，共炮點單炮記錄檢波點道距均勻，反射點也均勻，而共檢波點道集所用炮點不均勻分布，反射點也不均勻，本次分析的試驗段炮點分布較均勻，處理時，采用共檢波點記錄進行效果分析。

3.1 不同檢波器組合個數

圖11為組內距1 m和3 m，1～8個檢波器線性組合的單炮記錄（40～90 Hz濾波后）。由圖11可知，組內距1 m記錄中，1～6個檢波器組合，背景噪聲隨檢波器組合個數增大逐漸減弱，有效波增強，壓制效果逐漸變好，信噪比依次提高；7～8個檢波器組合綜合效果提升較緩。而組內距3 m記錄中，1～2個檢波器組合，背景噪聲在組合后較快減弱，有效波增強，壓制效果增強，信噪比得到提高；3～8個檢波器組合綜合效果隨組合數緩慢提升，同時，2個檢波器組合效果與組內距1 m的6個檢波器組合壓制效果相當，基本壓制住隨機干擾，有效波得到加強，資料信噪比明顯提高。

圖10 不同檢波組合個數噪聲能量分析Fig.10 Noise energy analysis of different geophone array number

圖11 不同檢波器組合個數單炮記錄效果對比Fig.11 Comparison of the effect of single shot record of different geophone array number

單炮記錄信噪比是用互相關算法進行估算的，該算法的基本假設為：對于相鄰地震道，有效反射波信號具有相關性，而噪聲不具有相關性。對地震道先做互相關，再通過多道統計計算，得到互相關法計算信噪比的公式，從而得到估算的信噪比。圖12為原始記錄進行信噪比計算結果。由圖12 分析可知，組內距1 m時，信噪比從1組合的0.99逐次增至6組合的1.45，增加慢，7～8組合信噪比為1.48，變化小。組內距3 m時，信噪比從1組合的0.99增至2組合的1.38，增加快，3～8組合為1.44～1.51，變化小。組內距3 m時2個檢波器線性組合信噪比就可以達到組內距為1 m時6個檢波器線性組合效果，而且與3～8組合數信噪比相當。從試驗資料的面積組合和線性組合效果對比可知，根據組合基距與組內基距要求，遵循小基距、大內距方法，面積組合的信噪比較好。

圖12 不同檢波器組合個數的單炮記錄信噪比Fig.12 S/N comparison of single shot record of different geophone array number

檢波器線性組合時，組內距1 m，組合個數6個與組內距3 m，組合個數2個，均能達到所需的相當能量和信噪比。

3.2 不同組內距信噪比效果分析

為了確定實際生產中的有效組內距，本文分別采用4個與9個檢波器組合，進行1～23 m組內距單炮記錄信噪比對比(圖13)。從圖13中可以看出：4個檢波器組合在組內距3、4、10、17、22 m時信噪比均達到局部高點，信噪比在1.435～1.535，變化不大；9個檢波器組合在組內距3～4 m，9～11 m時均達到局部高點，信噪比在1.558～1.650，變化不大。綜合分析認為組內距3 m時，信噪比效果較好，說明隨機干擾半徑2 m左右是準確的，實際應用效果明顯、簡便。

圖13 不同組內距記錄信噪比分析Fig.13 S/N analysis of record of different geophone array interval

根據實際單炮記錄，1～23 m組內距的信噪比對比分析得出：不論4個，還是9個檢波器組合，組內距3 m以后，再增大組內距是無意義的。總之，多次疊加的統計效應，其原理與檢波器組合相同。即如果道集內各道記錄到的隨機干擾是互不相關的，則經n次疊加后，隨機干擾只增強倍。有效波疊加后增強了n倍，則疊加后信噪比增加倍。如果組內距小于隨機干擾相關半徑，則疊加后信噪比增加倍，β與噪聲相關性有關。因此，在野外檢波器組內距要大于隨機干擾相關半徑，采用不小于3 m組內距進行檢波器組合，則β值為0，信噪比增加倍；小于干擾半徑，則β屬于(0，1)，信噪比小于。

4 實際應用效果

為了便于施工，采用2串12個SN 7 C-10 Hz檢波器組合，組內高差小于1 m，組內距3 m，組合基距15 m，面積組合，與單點SN 5-5 Hz檢波器進行接收效果對比，從單炮記錄分析可知(圖14)，檢波器組合接收的目的層同相軸連續性好，目的層波組齊全、清晰，信噪比高，而單點接收信噪比低，背景干擾壓制效果一般，目的層連續性差。該區后續剖面成果也證明，單點接收剖面信噪比要達到與其相同的信噪比，覆蓋次數需達到檢波器組合接收剖面的數倍，導致成本增高。

5 結論

a.在鄂爾多斯盆地低信噪比復雜地區，當隨機干擾為資料信噪比低的主要影響因素時，應將野外接收環節的檢波器組合的重點放在有效壓制隨機干擾方面，盒子波調查隨機干擾相關半徑約2 m，組內距應采用大于其距離，才能有效衰減較強能量隨機干擾，提高地震采集資料信噪比。

圖14 檢波器組合記錄與單點記錄對比Fig.14 Comparison of combined geophone record and single geophone record

b.在盆地低信噪比復雜地區野外采集時，有效的檢波器組合方法是組合高差小于1 m、組合基距9～13 m，組內距3 m，線性組合或者面積組合，既能有效衰減高能量的隨機干擾，提高信噪比，又能保護有效波高頻成分，實際單炮顯示，該檢波器組合方法接收效果信噪比高，目的層連續性好，高頻段資料品質好，整體效果優于單點檢波器的。

致謝：本研究內容是長慶物探人共同奮斗成果之一，向參與者表示衷心感謝和致敬！同時感謝審稿專家和編輯老師給出的寶貴意見和指導！