變網(wǎng)格稀疏反演混疊采集數(shù)據(jù)分離技術

摘要： 高效混疊采集技術可以在獲得同等資料品質的情況下，提高野外施工效率、降低地震勘探采集成本。混采數(shù)據(jù)分離技術是實現(xiàn)混疊采集的兩項核心技術之一，決定了地震數(shù)據(jù)的最終品質。基于稀疏反演的混采數(shù)據(jù)分離技術已經(jīng)在業(yè)界得到廣泛的應用和認可。文中在傳統(tǒng)稀疏反演分離技術的基礎之上，提出變網(wǎng)格稀疏反演。該方法通過在迭代反演過程中逐漸改變數(shù)據(jù)的網(wǎng)格尺度，優(yōu)化迭代收斂過程，因此更符合反演時先強軸后弱軸、從低頻至高頻的信號提取本質，從而獲得更佳的分離效果。此外，野外采集施工中常見的缺炮空道會對稀疏反演的分離精度造成不利影響、降低混疊分離的質量。針對此問題提出了空道補償技術以改善最終的處理效果。室內(nèi)模擬以及野外實采混疊數(shù)據(jù)的處理結果表明，該技術在信號分離的保真度上優(yōu)于常規(guī)稀疏反演混采分離技術。

關鍵詞： 混疊采集，稀疏反演，變網(wǎng)格，混采分離，混采數(shù)據(jù)

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000?7210. 20240016

0 引言

近年來，中國近海油氣勘探目標已由淺層轉向中深層，但中深層地震資料普遍呈現(xiàn)低信噪比特點，這對地震勘探技術提出了更高要求。寬方位角、高覆蓋次數(shù)、寬頻地震數(shù)據(jù)采集是提升中深層信噪比和地震成像質量的有效方法。在淺海區(qū)，海底地震數(shù)據(jù)采集方式（OBC/OBN）得到了快速發(fā)展和應用，但總體作業(yè)效率相對較低、成本過高。在深海區(qū)，由于勘探環(huán)境的限制，拖纜采集方式仍是首要選擇，寬方位、高覆蓋次數(shù)的采集則要求多船協(xié)同作業(yè)。兩種海洋作業(yè)環(huán)境下，想要推廣“兩寬一高”地震勘探技術，都需要進一步發(fā)展技術和成本相平衡的高效地震數(shù)據(jù)采集方式。傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集方式為前一個震源的采集工作全部完成后再激發(fā)下一個震源，采集接收到的信號之間沒有重疊，但各個震源激發(fā)時間間隔長、施工效率低。混疊采集的采集方式為在一個記錄時間段內(nèi)同時激發(fā)若干個震源，并采集接收這些震源所產(chǎn)生的混疊信號。與傳統(tǒng)采集方式相比，混疊采集技術能極大地縮短采集時間、降低成本。2006 年BP 公司提出了獨立同步掃描技術（Independent Simultaneous Sweeping， ISS） [1]，2008 年Berkhout[2]、Beasley 等[3]、Hampson 等[4] 提出了海上高效采集方法，在一定程度上提高了地震勘探的作業(yè)和施工效率。近十年來，高效混疊采集技術已在國際上取得了迅猛的發(fā)展，尤其在“ 兩寬一高”地震勘探領域，已基本替代傳統(tǒng)地震采集方式。

在混疊采集數(shù)據(jù)分離技術領域，前人曾經(jīng)做過大量的研究工作，最早出現(xiàn)的方法如CGGVeritas的預測誤差濾波器方法、Delphi 研究組的FK 域稀疏反演方法[5?7]、以及Chevron 的Radon 域稀疏反演方法[8]。陳紅靈[9]針對大曲率混疊數(shù)據(jù)分離效果不佳的問題，提出了一種針對不同曲率數(shù)據(jù)的混疊噪聲分離方法；曲英銘[10]則將混疊數(shù)據(jù)進行了分類，針對不同種類的混疊數(shù)據(jù)采用不同的算法進行數(shù)據(jù)分離，以達到更好的去噪效果；Hoover 等[11]通過直接在采集現(xiàn)場應用噪聲衰減的方法壓制鄰炮干擾；Huo 等[12]則是采用傾角掃描中值濾波法進行混疊噪聲衰減；王文闖等[13]提出了一種基于矢量中值濾波的壓噪類算法，在壓制混疊噪聲的同時能更好地保留主炮能量；黃德智等[14]在S 變換的基礎上設計了一款自適應濾波器，達到分離有效信號、混疊噪聲以及隨機噪聲的效果。深度學習在混疊數(shù)據(jù)分離方面也取得了顯著進展[15]。

前人主要是在混疊噪聲分離算法的基礎上提出新的方法，但對于同一混疊數(shù)據(jù)中不同特征（如不同振幅、不同頻率）的地震信息所采用的分離方法技術相同，這就使得混疊分離效果無法達到最佳。針對工業(yè)應用的需求，結合最新研究成果，本文提出了變網(wǎng)格稀疏反演以及空道補償技術，該技術著重探討基于稀疏反演的混疊分離技術的物理本質和優(yōu)劣，并提出適用于工業(yè)環(huán)境的優(yōu)化策略和技術路徑。

1 混疊地震采集技術

混疊采集方式因為震源激發(fā)時間間隔短，導致各個不同震源產(chǎn)生的地震波發(fā)生混疊。采集的數(shù)據(jù)不能按常規(guī)步驟直接進行后續(xù)處理，需要先進行去混疊（Deblending）處理，分離獲得各個震源產(chǎn)生的傳統(tǒng)炮檢道集數(shù)據(jù)（包括該震源產(chǎn)生的反射信號和與震源相關的各類噪聲）。因而混疊地震采集技術主要包括兩方面的核心技術工作：一是混疊采集的設計，二是混疊采集數(shù)據(jù)的分離。

混疊采集設計的主要內(nèi)容是設計震源的激發(fā)時間以及空間位置（震源行進軌跡）。混疊除了要具有和常規(guī)采集方案相同的施工效率和便捷性，同時要盡量控制采集得到的地震數(shù)據(jù)中混疊噪聲的呈現(xiàn)布局，具體要求如下：

（1）混疊噪聲應盡量避開目的層。

（2）混疊噪聲在處理的道集域（除炮集之外）中應盡量是非相干的，即隨機性越高越好。

混采數(shù)據(jù)分離技術主要分為基于去噪和基于反演兩大類方法，兩種方法都需要利用數(shù)據(jù)中的有效信號在處理道集域內(nèi)的相干性，以及混疊噪聲在此道集域內(nèi)的隨機性。

因此，混疊采集設計與混采分離技術是相互關聯(lián)的，具體表現(xiàn)為：

（1）在混疊采集設計優(yōu)良[16?17]和施工條件理想的情況下，混疊噪聲的隨機性高，此時對混采分離技術的要求降低；

（2）若混采分離技術水平較高，則對混疊噪聲相干的容忍度將提高，從而對采集設計的要求降低，使得野外現(xiàn)場施工更加便捷。

稀疏反演的混采分離技術在理論上優(yōu)于常規(guī)的基于去噪的分離方法，其原因在于反演類方法利用了有效信號與混疊噪聲的因果關系（即混疊噪聲可由有效信號正演獲得），這比僅利用混疊噪聲隨機性的去噪類方法顯然具有先天優(yōu)勢。因此，反演類方法能一定程度的容忍混疊噪聲相干。

在稀疏反演過程中，最關鍵的是變換域的選擇。本文選擇在FKK 域進行稀疏反演，是目前業(yè)界較為常用的方法之一。FKK 是三維變換，相比其他二維數(shù)學變換具有以下技術優(yōu)勢：

（1）反射信號的相干性、混疊噪聲的非相干性在三維空間更明顯；

（2）FKK 變換穩(wěn)定性較高，相較于Radon 變換是完全正交可逆的變換算法、且與三維保幅Radon變換、或三維Curvelet 變換相比效率更高；

（3）FKK 變換是出現(xiàn)最早、商用程度最高的稀疏變換算法，更有利于形成工業(yè)化的軟件產(chǎn)品。

基于稀疏反演的混采數(shù)據(jù)分離技術在業(yè)界已得到大范圍的推廣應用，并取得顯著的效果，成為高效混疊采集技術的支柱之一。因生產(chǎn)數(shù)據(jù)的復雜性，如混疊噪聲相干、缺炮空道等情況，基于稀疏反演的混采分離技術仍有改進提升的需求和空間。變網(wǎng)格稀疏反演可在迭代反演過程中根據(jù)數(shù)據(jù)的特征改變數(shù)據(jù)的網(wǎng)格尺度，使其更符合反演時振幅由強到弱、頻率由低到高的信號提取本質；空道補償技術則會消除野外采集中缺炮空道產(chǎn)生的能量異常對稀疏反演造成的影響，進而提升混采分離效果。