混合震源高精度匹配處理技術在中國西部復雜障礙區的應用

曾華會 王小衛 蘇 勤 雍運動 劉 桓 孟會杰

(中國石油勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州730030)

1 研究背景

中國油氣勘探與開發的持續進行，使得在復雜地震地質條件下尋找油氣藏已成為目前及今后陸上勘探的必然趨勢。隨著地震勘探難度日益增大，地表條件越來越復雜，既有可用炸藥震源的山地、沙漠區，又有村莊、城鎮、工業園、江河、水庫等“禁炮區”，因此野外采集常采用多種類型震源(如炸藥震源、可控震源、氣槍震源等)混合施工。可控震源具有安全環保、使用高效、方便操控等優勢，它的應用和發展不僅符合國家安全需要，更是環保要求；既能降低采集施工成本，還能在保證資料品質基礎上大幅度提高現場施工效率，縮短項目周期。

在復雜障礙區應用混合震源采集面臨諸多挑戰。受激發方式、激發井深、接收儀器、地表地質條件等客觀因素影響，采集所得地震資料在子波、振幅能量、相位、頻率、信噪比、時差等方面均存在較大差異[1]。例如，炸藥震源子波是最小相位，能量較強，頻率較高； 可控震源子波為零相位，能量、頻率可以人為控制； 重錘震源子波為最小相位，能量較低，地表因素影響較嚴重[2]。這些差異使不同震源采集的資料在處理時無法同相疊加，嚴重降低了資料的信噪比和分辨率。如果采用常規處理流程，地震資料在兩種震源拼接處會存在較大差異，地震剖面存在波組特征較差、信噪比和分辨率較低等問題[3-7]； 混合震源地震剖面存在較大時差(圖1)，兩者不閉合給后續地震資料精細處理、解釋帶來很大影響，如分層不清晰、不同(混合)震源之間時差被誤認為是假斷裂、波阻抗反演的精度難以保證、地震屬性參數提取困難等。

目前，實際數據處理中解決混合震源不一致性問題的主要方法有時移掃描法、反褶積參數調整法和匹配濾波法等。匹配濾波方法通常用于陸上不同震源數據的匹配，或淺海與陸地過渡區域地震數據匹配。唐恩德等[8]認為在處理混合震源地震資料時，要優化模型道及對單炮記錄子波進行最小相位化處理以消除子波差異，再通過譜均衡等地表一致性技術處理振幅差異； 莊東海等[9]強調，針對混合震源資料，要做好相對振幅保持、提高信噪比和資料一致性等處理，而其中的關鍵是互均衡處理； 婁兵等[10]將子波整形及匹配濾波兩種方法應用于不同震源的拼接處理，提高了地震資料信噪比和分辨率； 王西文等[11]將基于小波變換的地震子波處理技術應用于均衡連片工區數據在頻率、能量、信噪比等方面差異，為地震解釋和反演提供高信噪比地震資料； 宋玉龍[12]在灘淺海地區利用匹配濾波技術解決由觀測系統、激發、接收等因素導致的海陸資料之間差異，利用疊前多點綜合串聯匹配濾波處理技術解決炸藥與可控震源波組特征、頻率、相位及能量不一致情況，較好地解決了資料銜接時不匹配問題； 高少武等[13-14]采用匹配濾波技術處理炸藥震源與可控震源數據的銜接，使這兩種震源資料的振幅和相位趨于一致。

但在同一工區因復雜障礙區施工困難而采用混合震源時，兩種混合震源資料的重復段疊加剖面由于炮檢距范圍、頻率、疊加速度、靜校正等多種因素的影響，信噪比存在較大差異，難以準確求取匹配算子； 另外，目前常規匹配濾波處理方法只是計算一個濾波因子，而不考慮地震資料信噪比。

圖1 可控震源與炸藥震源混合區疊加剖面

因此，本文在充分考慮信號和噪聲的基礎上，開展了混合震源高精度匹配處理技術研究，通過綜合應用疊前平均振幅譜匹配、混合震源相位匹配、剩余時差校正等處理技術，消除了混合震源間存在的振幅、相位、頻率差異及時差不一致等問題，同時兼顧地震子波的變化。將該方法應用于四川盆地大川中北斜坡射洪—鹽亭三維復雜障礙區的地震資料處理，提高了不同震源資料匹配處理的成像品質和地震資料信噪比，消除了假斷裂和假構造等現象，可為精細地震解釋和反演提供高保真、高信噪比的地震資料。

2 研究區概況

研究區處于四川盆地川中古隆起平緩構造區儀隴構造群，以山地—丘陵地貌為主。區內河流較發育，包括涪江、梓江及其支流，涪江江面寬為300～1000m，梓江江面寬為80～500m； 涉及中小型水庫12座，這些水庫多為當地一級飲水水源，禁止布設水下檢波器； 區內主要障礙包括：中華涪江濕地走廊自然保護區、射洪和鹽亭縣城及城鎮、水系、天然氣管線和水渠等地面地下設施、風景區等。工區內復合障礙面積大、范圍廣，嚴重影響觀測系統設計和物理點的均勻布設，因此采用可控震源與炸藥震源混合激發施工。

圖2 研究區障礙分布示意圖

3 混合震源高精度匹配處理方法

3.1 疊前平均振幅譜匹配處理技術

常規振幅匹配處理方法只計算一個濾波因子，而很少顧及地震資料信噪比，而地震數據一般包含信號和噪聲兩部分，在設計兩種混合震源地震數據匹配算子時，理想的條件是進行信號之間的匹配，而不是噪聲，噪聲會影響所求取的匹配算子的穩定性[15-16]。假設有x(t)和y(t)兩道地震數據，分別由信號sx(t)、sy(t)和噪ny(t)、ny(t)聲組成

x(t)=sx(t)+ny(t)

(1)

y(t)=sy(t)+ny(t)

(2)

其傅里葉變換為

X(f)=Sx(f)+Nx(f)

(3)

Y(f)=Sy(f)+Ny(f)

(4)

x(t)的自相關譜可寫為

(5)

式中帶上劃線為共軛復數。

同理可得x(t)與y(t)的互相關譜表達式

(6)

若是兩組地震道數據，那么一組x(t)的平均自相關譜用數學期望可表示為

(7)

在平均意義下，信號與噪聲是不相關的，則有

(8)

同理可得

(9)

(10)

進一步假設兩種數據的噪聲也是不相關的，那么平均互相關譜可變為

(11)

從該式可看出，平均互相關譜的相位等于兩組地震道數據的信號譜的相位差。

定義x(t)的噪聲與信號比值為

(12)

(13)

進而可得

(14)

假設兩種數據的噪聲與信號比值相同，則有

(15)

定義兩組地震道的譜相關為

(16)

可得

(17)

若γ已知，那么可得到x(t)的信號譜為

(18)

顯然有

(19)

同樣可得到噪聲譜

(20)

為促使y(t)向x(t)匹配，定義匹配算子為

(21)

匹配算子包含兩項： 前一項是整形濾波器； 后一項是為了壓制噪聲，在噪聲較大的地震資料上也能得到穩定的匹配算子。顯然，該式是匹配算子的振幅譜計算公式，取得的實際效果如圖3所示。

3.2 混合震源相位匹配處理技術

當炸藥震源和可控震源兩種混合震源聯合處理時，由于兩種激發方式獲得的地震資料相位不統一，影響疊加剖面成像效果，降低了地震資料信噪比和分辨率[17-18]。最小平方脈沖反褶積、預測反褶積方法假設子波為最小相位，而可控震源子波更接近零相位，因此在地震處理前，需將可控震源子波最小相位化，具體步驟如下：

(1)通過可控震源掃描頻率、掃描長度、坡度及掃描類型等參數，得到可控震源掃描信號；

(2)對可控震源掃描信號進行自相關計算，得到可控震源的零相位子波；

(3)利用可控震源零相位子波，提取可控震源的最小相位化轉換算子；

(4)將轉換算子在疊前應用于可控震源單炮，即完成相位匹配； 再將零相位可控震源子波地震數據轉化為最小相位震源子波地震數據。

圖4為可控震源子波最小相位化前、后單炮對比。可見通過可控震源最小相位化處理，一方面較好地解決了與炸藥震源子波不一致問題，即相位匹配后兩種震源都為最小相位子波，形成同相疊加，疊加剖面連續性變好，能量加強； 另一方面，最小相位化處理后可控震源單炮初至更光滑，更利于初至拾取，為后續近地表速度模型反演和靜校正計算奠定基礎。

圖3 同一位置炸藥震源與可控震源對比 (a)炸藥震源單炮； (b)可控震源振幅匹配前單炮； (c)可控震源振幅匹配后單炮

圖4 可控震源最小相位化前(a)、后(b)的單炮對比

3.3 疊前剩余時差校正方法

由于可控震源與井炮震源在激發深度、激發巖性、激發機制、子波形態、工作參數上存在較大差異，使兩者激發的子波在振幅、相位、頻率、時差上存在較大差異，通過平均振幅譜匹配和混合震源相位匹配兩項處理技術，較好地消除了混合震源在振幅、頻率、相位上的差異。但由于可控震源是在地面激發，而炸藥震源一般選擇在地下高速層頂界以下激發，可控震源掃描信號下傳過程中，受近地表低降速帶和吸收衰減的影響[19]，與炸藥震源之間仍存在剩余時差的影響，若剩余時差過大，會影響速度分析和同相疊加的精度，直接影響地震資料同相疊加的效果[2]。

疊前剩余時差校正主要是為了解決疊前平均振幅譜匹配處理和混合震源相位匹配處理后，不同震源在地震剖面拼接處仍存在較大時差的一種方法，具體做法是先對工區炸藥震源井深、近地表速度、厚度等信息進行調查[20]，如圖5所示，在此基礎上對剩余時差進行量化分析。

可控震源和炸藥震源不考慮炮檢距的影響，以垂直入射為例進行時差分析，可得到剩余時差為

(22)

式中：h0、v0分別為低速帶厚度和速度；h1、v1對應降速帶厚度和速度；h2為炸藥震源距高速層頂界距離；v2為高速層速度。

在研究區內選取混合震源附近16口微測井進行分析，根據微測井調查和炸藥震源井深信息，按式(22)可求得剩余時差約為14ms(圖6)。

除了受近地表因素影響，剩余時差還受炮檢距影響。因此，為提高剩余時差分析精度，在以上剩余時差分析的基礎上，再對炸藥震源和可控震源數據分別進行疊加，在剖面上選取兩種混合震源的拼接處，分別求取可控震源和炸藥震源各自的疊加道數據xi(t)和yi(t)(道號i=1，2，…，N，其中N為疊加段的道數)。

因為重疊部分是地下同一區域地層的相同反射信息，在地震剖面上具有相同的構造形態，兩種地震記錄應該具有良好的相關性。而互相關函數是在時間域比較兩個信號相似程度的一種方法，互相關結果可定量描述兩個信號的時間延遲，通過互相關分析，能定量求取可控震源和炸藥震源的剩余時差(圖7)約為18ms。通過疊后剩余時差統計，將該時差校正到可控震源的所有疊前數據上，較好地解決了兩種震源系統時差。

從剩余時差校正前、后的水平疊加對比剖面(圖8)可看出，經過剩余時差校正處理，混合震源重疊區域疊加剖面信噪比和分辨率都得到顯著提升，侏羅系大安寨標志層位不連續、混合震源時差誤認為的假斷裂現象分別得到改善和厘清，有利于后續精細構造解釋和圈閉準確落實。

圖5 近地表的地質結構示意圖

圖6 可控震源和炸藥震源時差統計直方圖

圖7 炸藥震源和可控震源互相關曲線

圖8 剩余時差校正前(a)、后(b)的水平疊加剖面對比

4 實際資料應用效果

川中古隆起北斜坡是海、陸相主要有利勘探領域和目標區帶的疊合區，具有多層系立體勘探優勢。本次實際數據取自大川中射洪—鹽亭三維工區，滿覆蓋面積為2052.1km2，跨越四川省遂寧、綿陽、德陽及南充四市，共涉及105個鄉鎮(圖2)。該區屬低丘陵山地地貌，整體地形較平緩，相對高程較小，但局部高程變化較大，海拔高度一般在350～720m，地勢低洼處多為涪江及梓江河沿岸，北部地勢相對較高。

在現場觀測系統方面，由于受到射洪縣城及工業園區、鹽亭縣城、涪江及中華涪江濕地走廊自然保護區等的影響，另外梓江河穿越工區西南部，升鐘水渠、武引水渠，天然氣管線等貫穿工區，采用炸藥震源和可控震源混合震源進行施工，而混合震源采集在復雜障礙區接收到的地震資料在子波、振幅能量、相位、頻率、信噪比、時差等方面均存在較大差異，若不進行精細匹配處理，必將影響地震層位精細解釋和斷裂刻畫。

在充分考慮信號和噪聲的基礎上，開展混合震源高精度匹配處理，具體流程如圖9所示。在該復雜障礙區地震資料處理中，綜合應用疊前平均振幅譜匹配、混合震源相位匹配、疊前剩余時差校正等處理技術，消除了混合震源間存在的振幅、相位、頻率、時差等不一致現象，提高了混合震源資料的成像品質和剖面信噪比，為精細層位解釋、斷裂解釋、疊前反演和儲層預測提供了高保真地震資料。

圖10為可控震源單炮最小相位化處理前、后初至拾取對比圖，可見最小相位化處理后更利于準確拾取初至、近地表速度模型反演及層析靜校正計算。

圖9 混合震源高精度匹配處理流程

圖11為混合震源高精度匹配處理前、后水平疊加對比剖面，可見匹配前可控震源振幅能量明顯強于炸藥震源資料，且兩種混合震源存在系統時差，在淺層侏羅系大安寨(J1dn)標志層存在明顯錯斷； 通過高精度匹配處理后，振幅能量趨于一致，標志層錯斷得到明顯消除，信噪比顯著提升。

圖12為混合震源高精度匹配處理前、后沿侏羅系大安寨地層的均方根振幅屬性平面圖。可見在進行高精度匹配處理后，可控震源與炸藥震源振幅能量關系一致性更好，為后續疊前保真處理奠定了資料基礎。圖13為混合震源高精度匹配處理前、后等時切片(1.4s)屬性平面圖，經過高精度匹配處理，信噪比得到明顯提升，假的構造形態得到了甄別，為精細構造解釋和儲層預測提供了高保真數據。

圖13 混合震源高精度匹配處理前(a)、后(b)等時切片(1.4s)屬性平面圖

5 結束語

本文討論的混合震源高精度匹配處理方法，通過綜合應用疊前平均振幅譜匹配、混合震源相位匹配及疊前剩余時差校正等處理技術，方便、快捷地實現了混合震源數據的一致性處理，較好地解決了不同震源激發(接收)造成的振幅、頻率、相位、時差等不一致問題。該套技術具有較好的應用前景，不但適用于陸上和海上混合震源采集資料，還可用于不同時間、不同采集因素施工獲得的多塊地震資料的連片處理，能顯著提高資料信噪比，淺、中、深層地震反射都能較好地拼接，實現了不同資料的同相疊加，并便于連續追蹤，為后續精細構造解釋及儲層預測提供了高保真成果數據。