多類型地震數據融合技術及軟件應用

張 偉,張 劍,白 雪,張 旭

(1.中石化石油工程地球物理有限公司, 北京 100020;2.中石化石油工程地球物理有限公司 科技研發中心, 江蘇 南京 211112;3.中石化石油工程地球物理有限公司 勝利分公司, 山東 東營 257086)

隨著油氣田勘探開發的不斷深入,油氣藏地質問題越來越復雜,對地震資料品質的要求越來越高,高密度地震采集技術已成為解決復雜地質問題的主要手段,是當前地震勘探的發展方向[1-3]。常規有纜地震采集設備布設困難、點位偏移多、安全風險大,而且受到儀器帶道能力限制,難以實現更高炮道密度的地震采集。節點地震儀擺脫了對傳輸線纜的依賴,在穿越復雜地表能力及提升地震資料品質等方面均具明顯優勢,發揮高密度地震采集技術的優勢,有利于“兩寬一高”采集技術的實現[4-5]。

近年來,節點地震采集技術的采集方法、施工作業在實際應用中不斷改進和完善,形成了有纜與節點聯合采集、全節點采集等多種施工模式[5-6],尤其是節點地震采集技術推廣初期,主要通過有纜與節點地震儀聯合采集的施工方法。但由于節點與有纜儀器采集系統不同,地震數據種類多樣,在資料整理、數據存儲與使用等方面存在諸多問題:首先,有纜地震儀與節點儀地震數據格式不一致,例如,常用的Sercel系列地震儀地震數據以SEG-D格式為主,而且不同版本格式也不一樣;其次,節點地震儀與有纜儀器地震數據獨立存放,同一炮集數據無法自動合并成一個炮集數據體;最后,對不規則節點與有纜儀器布設采集的地震數據進行解編、合并的過程相對復雜,道排序花費時間長,占用大量資料處理時間。

為解決不同類型地震數據融合的問題,王增波等[7]對標準、非標準的SEG-Y格式進行解析,并根據地震數據采集或處理平臺的地震數據格式差異進行格式轉換方法研究。成新選等[8]研究標準SEG-D格式的Rev2.1與Rev3.0版本,詳細分析不同版本的數據結構,并介紹了幾種主要數據格式的解編方法,開發了SEG-D格式數據文件頭與道頭軟件,在SEG-D格式地震數據應用中發揮了一定作用。汪志群[9]研究多格式地震數據存取與轉換技術,提出提高地震數據訪問效率的方法以解決各種處理系統內外部數據格式的轉換問題。趙玉合等[10]、徐樂意等[11]研究了處理過程中的地震數據合并技術,實現同一工區不同時間采集的地震數據融合處理。總體來說,上述研究均以SEG-Y、SEG-D數據格式解析為主,為多類型地震數據融合提供了基礎或是匹配濾波法等處理融合手段,但方法采集并未分析不同格式地震數據一致性差異的原因,也未進行融合軟件的研發,無法在野外快速解決節點與有纜儀器聯合采集地震數據融合與使用等方面問題,且采用能量匹配和常規處理軟件合并的方法采集地震數據,該方式費時費力、原始數據的道頭信息保留較少,無法滿足SEG-D格式的輸出需求。

為解決上述問題,本研究根據SEG-Y與SEG-D地震數據的格式特點,優化地震數據讀取方法,進行地震數據一致性分析及野外對比試驗,實現不同儀器地震數據的一致性校正。在此基礎上,研發多類型地震數據快速合并軟件,實現了各種規則、不規則施工模式下節點與有纜儀器或多種節點地震儀聯合采集地震數據的合并,以解決多類型地震數據的融合問題。

1 地震數據融合關鍵技術

1.1 地震數據格式解析

目前常用的地震儀器輸出不同格式的地震數據,如Sercel系列有纜428XL輸出SEG-D Rev1.0與Rev2.1版本的地震數據,508XT只能輸出SEG-D Rev3.0版本的地震數據,節點地震儀一般可輸出SEG-Y Rev1.0版本或SEG-D Rev2.1版本的地震數據。

1) SEG-Y格式解析

SEG-Y格式是野外地震采集中使用較為普遍的格式之一,有SEG-Y Rev1.0和SEG-Y Rev2.0兩個版本。SEG-Y Rev2.0版本是為了滿足更多地震道數、更長采樣、存儲更多信息而進行的升級,但目前一般采用SEG-Y Rev1.0格式進行后期數據轉儲及資料處理解釋等,其實際應用更多。

SEG-Y格式數據由三部分組成:第一部分占有3 200個字節,是EBCDIC或ASCII字符碼文件頭,用來保存描述地震數據體的信息;第二部分占有400個字節,是二進制文件頭,用來表示文件的關鍵信息,包括SEG-Y文件的數據格式、采樣點數、采樣間隔、測量單位等信息;第三部分是實際的地震道數據,每一個地震道包含1個240字節道頭數據和若干采樣數據[7],存儲順序見圖1。

圖1 SEG-Y格式地震數據存儲順序

SEG-Y Rev2.0格式較SEG-Y Rev1.0格式多了1個或多個擴展文件頭與擴展道頭,1個擴展文件頭占有3 200個字節,1個擴展道頭占有240個字節。擴展文件頭與擴展道頭中將道數、采樣點數等信息由原來2個字節改為4個字節,實現了更大數據量的存儲。

2) 地震數據SEG-D格式解析

SEG-D格式的版本主要有SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1和SEG-D Rev3.0。地震儀器508XT系統唯一支持的數據格式是SEG-D Rev3.0。

SEG-D Rev2.1格式是在SEG-D Rev1.0格式的基礎上為適應高密度磁帶而制定的,其主要區別是磁帶標簽不同,而單個數據文件基本相同,因此兩個版本對單個SEG-D文件的讀寫基本一致。圖2為SEG-D Rev1.0、Rev2.1格式地震數據存儲順序,該順序與字節數基本固定不變。

SEG-D Rev3.0格式與SEG-D Rev2.1格式的構建思路完全不同,SEG-D Rev3.0格式更加靈活、信息更加豐富、適應更多道數,能夠適應未來更高密度采集的數據存儲需要,但兩者數據編碼格式是一致的。圖3為SEG-D Rev3.0格式地震數據展示的順序,與別的版本區別在于其頭塊是以32個字節為一個單位,且這些32個字節的塊沒有固定順序,可以隨意排列,每個塊的第32字節是這個塊的代號或識別碼(identification,ID),為十六進制,通過這個代碼確定其內容[8];而常規頭段1～3是必須存在的,常規頭段1無識別碼(ID),而且位于第一個32字節塊。

圖3 SEG-D Rev3.0格式地震數據存儲一種順序

SEG-D格式的讀取關鍵在于頭塊數據的讀取,表1為SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1、SEG-D Rev3.0版本的主要頭段數據塊關鍵字位置所對應的數據含義。通過關鍵字的解析可實現SEG-D不同版本地震數據的讀入。

表1 SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1、SEG-D Rev3.0 格式頭段數據塊關鍵字

3) 地震數據讀取優化

SEG-Y和SEG-D格式數據解編通常采用順序讀取的方式,逐個字節進行解析并創建對象。經過測試,解編耗時主要是讀取IBM或IEEE格式道數據后轉化為內部數據的過程。為了提高解編效率,對解編算法進行優化,采用并行解編的方式,利用計算機多核并行計算能力進行數據的解編(圖4)。

圖4 地震數據讀取優化示意圖

1) 順序讀取。假設數據塊起始于第m字節,每個數據塊占n個字節。逐道讀取時,游標依次下移,如果要讀取第k道(圖4(a),k=3),則起始位置為第m+(k-1)×n個字節,讀取n個字節后,解編內容,創建對象。順序執行時,第k道的數據未解編完成時,不能進行第k+1道的數據解編,但CPU存在閑置時間片,沒有被充分利用。

2) 并行讀取。先將全部單炮數據讀入內存,解編總頭塊數據及通道組和道頭數據,創建k個單道對象,計算每一道的起始位置,然后再利用多個線程并行讀取數據解編(圖4(b)),利用并行計算技術提高解編速度。

1.2 地震數據一致性分析

有纜與節點或多種節點地震儀聯合采集時,各種儀器地震數據獨立存在,將同一炮集數據合并成一個炮集數據體之前,需要對不同儀器系統地震數據的相位與振幅差異進行校正,保證多類型地震數據準確融合。另外,不同類型檢波器接收的地震數據在數據融合時需進行地震數據的一致性分析。

1) 相位差異分析

引起多類型地震數據相位差異的主要原因為節點激發系統整ms觸發。如圖5所示,節點地震儀通過全球導航衛星系統(global navigation satellite,GNSS)授時,按照GNSS授時時鐘進行數據記錄,數據樣點記錄時刻均為整ms處;但428XL、508XT等有纜地震儀器為有纜實時傳輸,而非采用授時整ms記錄的方式,可以在非整ms處按一定采樣點間隔記錄數據。因此,有纜地震儀與節點聯合采集時,采集到的數據之間存在一定的相位差。

圖5 有纜與節點地震儀數據樣點記錄示意圖

目前可控震源采集時,電控箱體采用GNSS授時模式,儀器DPG(digital pilot generator)與震源DSD(digital servo driver)已經設定為整ms處觸發,消除了因激發系統非整ms觸發產生的相位差異。但當爆炸機激發時刻不在整ms處時,兩者記錄樣點時刻將產生一定誤差。因此,可對爆炸機起爆時間進行控制,實現整ms處觸發,從而消除相位差異。

2) 振幅差異分析

當地表產生振動時,由于耦合效應,插在地表的地震儀外殼隨即振動,進而帶動芯子振動產生機械信號,地震儀將機械信號轉化為模擬電信號,模擬電信號則通過模數轉換(A/D轉換)處理得到二進制樣點值,最終得到記錄了地震信號的SEG-Y或SEG-D數據,如圖6所示[12-16]。其中,地震儀的靈敏度、前置放大器、A/D轉換以及樣點值的存儲方式等均對輸出的SEG-Y或SEG-D數據產生影響。因此,不同地震儀器記錄同一地震信號會存在一定差異,在地震數據合并時需進行一致性校正。

圖6 地震采集數據形成過程

① 前放增益差異

無論是有纜儀器還是節點地震儀,采集數據的過程一般采用前置放大器,即接收的數據存在12 dB的前放增益,到計算機中記錄解編后還原到0,即沒有放大的原始數據。目前,如428XL或508XT等有纜儀器一般采用這種方式,但部分節點地震數據解編后仍為12 dB。因此,以有纜地震數據為標準,需將增益不一致的節點地震數據還原為原始數據,數據融合前完成振幅的校正,使得兩者數據振幅保持一致。

② 檢波器靈敏度差異

檢波器靈敏度指的是機械振動轉換為電信號后的電壓與位移、速度或者加速度的比值。儀器記錄的均為電壓信號值,而檢波器接收的振動信號通過靈敏度進行換算。以速度檢波器為例,電壓=靈敏度×速度,對于同一振動,不同檢波器靈敏度差異也會引起振幅值的差異,這種差異是由檢波器的本質不同所產生的。因此,在同一工區選用相同的檢波器進行地震數據采集。

③ 振幅存儲樣點值及相關算法差異

SEG-D格式執行32位IEEE 754—1985格式標準,無論是炸藥震源還是可控震源,該值直接轉換成十進制后,為數量級較大的整型數值,一般稱為樣本數值(A/D轉換器轉換后的數值)。SEG-Y存儲格式為浮點型mV電壓值,因此SEG-D格式數據解編到SEG-Y格式時應換算為mV電壓值。

樣本數值讀數對mV的轉換系數K為:

K=K1×K2。

(1)

其中:K1取決于檢波器類型與前放增益,當采用炸藥震源激發、速度檢波器12 dB采集時,K1一般為固定值6.742×10-5;K2取決于掃描信號長度、自相關最大值和疊加次數,

(2)

其中:A為參考自相關最大值;S為疊加次數;N為參考長度/采樣率。

可以看出,當采用炸藥震源、速度檢波器12 dB采集時,轉換系數為6.742×10-5;當可控震源采集相關時,就與掃描信號有關聯,需精確計算。

④ 速度信號與加速度信號

從圖6可以看出,地震采集數據通常分為速度型數據和加速度型數據,這兩種類型數據不僅需要進行上述方法的“物理實現”,還需進行“數學實現”轉換到同一物理域。“物理實現”是指采用速度型或加速度型檢波器直接獲得相關數據;“數學實現”則可通過微積分計算將速度/加速度型數據轉換為加速度/速度型數據[15-16]。

假設速度信號為:

x(t)=Asin(ωt+φ)。

(3)

其中:A為振動最大振幅;ω為角頻率;φ為初始相位。因為速度與加速度是微分的關系,對速度信號做微分計算,即可得到加速度信號,實現速度域與加速度域之間的轉換:

x′=ωAcos(ωt+φ)。

(4)

1.3 野外對比試驗

在實際應用中,對于有纜地震儀與節點聯合采集施工模式,可通過理論分析與計算獲取地震數據的振幅校正系數。而多種節點地震儀聯合采集時,需通過野外對比試驗計算得到各數據的轉換系數。

在我國西部準噶爾盆地對3種節點地震儀與428XL有纜地震儀進行了對比試驗。如圖7所示,每個樁號同時布設4種儀器,檢波器靈敏度基本相當,間隔20 cm,道距5 m,一共40道接收,采樣頻率為1 ms。可控震源位于大號30 m處。掃描信號參數分別為:掃描頻率1.5～96.0 Hz,掃描長度10 s,振動出力70%,振動次數1次。

圖7 野外對比試驗觀測方案示意圖

圖8為428XL有纜地震儀和Node-I節點地震儀相關前10道原始地震記錄,圖9為4種儀器相關前原始資料對比。可以看出,消除前放增益后,不同儀器記錄的原始地震數據相位與振幅基本一致。但經過相關后,由于相關算法不同出現振幅不一致的現象,如圖10(a)所示,428XL與Node-I振幅基本一致,Node-S與Node-Q振幅較小。經過試驗數據統計和計算,以428XL有纜振幅值系數1為基礎,得到每種地震儀器數據振幅的校正系數:Node-I幅值系數為1,Node-S幅值系數為14,Node-Q幅值系數為50 000。采用該系數校正后,數據真值波形基本一致(圖10(b)),滿足合并需求。

圖8 相關前428XL與Node-I原始解編記錄對比Fig. 8 Comparison of original records between 428XL and Node-I before correlation

圖9 相關前四種儀器原始解編記錄對比(前三道)

圖10 相關后四種儀器振幅一致性校正前、后數據波形對比圖

2 多類型地震數據合并軟件研發

基于上述方法研究及野外現場實際應用需求,將多類型地震數據合并軟件功能設計為4部分:數據導入、地震數據一致性校正、同源混采地震數據合并及多節點地震數據合并,如圖11所示。軟件數據流程如圖12所示。軟件加載數據包括不同儀器產生的不同類型的SEG-D格式/SEG-Y格式地震數據、對應的SPS文件以及校正系數。

圖11 軟件功能設計圖

圖12 軟件數據流程圖

根據多類型地震數據融合(合并)軟件的架構及功能設計要求,基于.NET平臺采用C#程序設計語言進行軟件開發,實現軟件功能。

3 多類型地震數據融合軟件應用效果

3.1 西部準噶爾盆地D1J項目應用

準噶爾盆地D1J三維數據采用428XL有纜與Node-I節點地震儀不規則接收,北部山地全部為節點,其他區域采用一條有纜、一條節點的施工模式,單炮接收道數為26×648=16 848道。圖13(a)為有纜與節點地震數據直接融合的示意圖,由于有纜SEG-D數據經處理軟件解析后采樣值已經換算到mV電壓值上,但節點融合過程并未考慮振幅的校正,因此直接存儲的相關后的值并非mV電壓值。由圖13可以看出,不同類型地震數據的能量等級差異較大,計算獲得的轉換系數為3.452×10-15,經過一致性校正后,再進行地震數據的融合,輸出標準SEG-D格式數據,且單炮能量變化趨勢穩定。

圖13 有纜與節點地震數據融合前后對比圖

3.2 東部濟陽凹陷TEH項目應用

THE三維項目為Node-I與Node-S兩種節點聯合采集項目,位于山東省濱州市和東營市,地表條件復雜,涉及蝦池、鹽池、河流、水庫、濕地保護區、爛泥灘、蘆葦蕩、工業園、村鎮、鐵路、油氣管網等。項目前期開展了兩種節點地震數據一致性對比試驗,如圖14所示。可以看出,兩種節點存在4倍的振幅差異,經分析是由前放增益12 dB引起的。因此,需對地震數據校正后再準確融合。圖15左側為未經振幅校正直接融合的單炮記錄固定增益顯示圖,可以看出兩種節點能量不同;右側為兩種節點經振幅校正后單炮記錄固定增益顯示,單炮數據得到了較好的融合。經測試,該工區40 000道1.5 GB的單炮合并需30 s左右,合成效率達單日12 000炮。

圖14 兩種節點振幅校正前后波形對比圖Fig. 14 Comparison of waveforms before and after amplitude correction of two nodes

圖15 兩種節點地震數據融合后固定增益顯示

4 結論與建議

通過詳細解析各類地震數據格式,對多類型地震儀器產生的地震數據相位與振幅一致性進行分析,結合理論計算與野外試驗對比,形成一套多類型地震數據融合技術。

1) 明確了有纜與節點地震儀器SEG-Y與SEG-D各版本編碼格式、存儲結構、頭段數據塊關鍵字等,能夠進行相應格式的解編;

2) 針對不同震源類型,完成數據相位、振幅一致性校正后,進行不同版本的有纜SEG-D數據與節點SEG-Y或SEG-D數據的任意觀測系統施工模式的融合,輸出的地震數據保留原始道頭信息,節省大量存儲介質及轉儲時間;

3) 建議對采用不同儀器聯合采集的項目均進行對比試驗,將地震數據轉換成電壓mV值,求取校正系數并進行校正后,再進行數據的準確融合。

隨著地震勘探的深入,本研究方法適用于更多類型地震數據的快速融合。下一步將進行多類型地震數據融合后質量監控技術研究,為更大道數、更多數據類型的地震數據融合提供監控方法。