李景葉，陳小宏，張金淼，宋家文，劉志鵬，胡 坤

（1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學CNPC物探重點實驗室，北京 102249；3.中海油研究總院，北京 100027）

海上地震數據采集作業(yè)受多種噪聲影響，其中點源干擾是一種能量范圍變化較大且難以避免的噪聲，對地震資料采集質量有很大影響［1］。點源干擾波主要在海水中傳播，能量衰減微弱，且位置不確定，在淺、中和深層反射地震資料中頻帶可能較寬，嚴重影響了地震資料的品質，對后續(xù)處理有很大挑戰(zhàn)。因此，壓制點源干擾是海上地震資料去噪處理的重點與難點之一。在國內，蔡希玲等［2－3］采用分時分頻噪聲檢測與壓制方法和局域F－K 濾波方法壓制此類干擾波，并在壓制噪聲的同時通過精細分析和迭代選擇參數，較好地保持了地震信號的相對振幅關系；唐晶等［4］通過原始資料干擾波的分析，找到噪聲產生的機理并進行多域分析及多域壓制，從而達到提高地震資料信噪比的目的。在國外，Landa等［5］提出了在共偏移距道集利用繞射波運動屬性和動態(tài)屬性監(jiān)測繞射波的方法；Fookes等［6］提出采用可視化處理與模式識別方法壓制該類干擾；Gulunay等［7］針對淺海海底障礙物和地質不連續(xù)體提出采用繞射點掃描方法壓制海上繞射波干擾。

在繞射波傳播特征分析和時距方程推導基礎上，本文提出根據傳播方程時距曲線對點源繞射波進行分類處理。對于直線型點源干擾，研究基于f－x域預測濾波方法進行壓制，并克服常規(guī)f－k濾波或τ－p濾波等方法在處理低信噪比資料時容易產生空間假頻及“蚯蚓化”現象，從而最終影響地震記錄的成像質量及地震剖面橫向分辨率的問題。對于雙曲線型點源干擾，通過改進的點源掃描定位方法和匹配相減方法進行壓制。模擬資料和實際海上地震資料處理試驗證明了方法的有效性，且表明該方法具有很好的振幅保真性。

1 點源繞射波特征分析

根據點源干擾的特征，通?？梢詫Ⅻc源分為主動點源和被動點源。主動點源是指本身能產生干擾波并被采集電纜接收的點源，如海上的作業(yè)船只、潛艇和打樁作業(yè)船只等。被動點源是指本身不產生繞射波干擾但能反射強干擾的點源，如海上采油平臺、海底異常高速體、火山巖體出露點等。無論是被動點源還是主動點源，點源干擾波傳播的時距曲線主要取決于點源與電纜的相對位置，當點源與采集電纜在同一直線上時，其時距曲線方程為

式中：t為波傳播時間；l為震源到繞射點的距離；x為偏移距，即震源到接收點的距離；v為地震波在海水中傳播的速度；a為區(qū)分主動點源與被動點源的參數，主動點源時a取0，被動點源時該參數取1；“±”取“－”是指點源與接收電纜在震源同側，取“＋”是指點源與接收電纜在震源異側。根據方程（1）所示時距曲線方程，當點源與采集電纜在同一直線上時，點源干擾波的時距曲線是一條直線，因此，稱該類干擾為直線型干擾。當干擾點源與采集電纜不在同一直線上時，其時距曲線方程為

式中：h為點源到接收電纜的垂直距離，其余符號意義與方程（1）相同。當點源與采集電纜不在同一直線上時，點源干擾波時距曲線為雙曲線，因此，稱該類干擾為雙曲型干擾。采集接收電纜與點源干擾源相對位置如圖1所示。圖1中，A和A′分別為被動和主動直線型點源干擾源；B和B′分別為被動和主動雙曲型點源干擾源。

圖1 采集接收電纜與點源干擾源相對位置示意圖解

基于以上時距曲線方程，研究將點源干擾分為直線型和雙曲線型干擾，并根據兩類干擾特點采用預測和相減的研究思路進行點源干擾壓制方法研究以及模型模擬和實際地震資料處理試驗。

2 直線型點源干擾壓制

當干擾點源與采集電纜在同一直線時，記錄的點源干擾為線性干擾。直線型點源干擾的重要來源是地震數據采集船只推進器，電纜上的水深、方位控制設備以及在同一直線上的其它點源。直線型點源干擾可以采用常規(guī)f－k濾波或τ－p濾波等方法進行壓制［8－12］，但對中深層地震資料，原始地震記錄中的線型干擾能量很強，常規(guī)f－k濾波或τ－p濾波等方法不僅難以得到好的處理效果，而且容易產生空間假頻及“蚯蚓化”現象，最終影響地震記錄的成像質量及地震剖面的橫向分辨率。另外，f－k濾波是全局性的，在壓制干擾的同時地震記錄的其它部分也很容易受到影響。為此，研究了基于f－x域預測濾波的直線型點源干擾擬合壓制方法，分析和識別出線性干擾波的頻帶范圍及視速度，擬合線性干擾，并從原始記錄中減去，保證噪聲壓制處理對有效信號的保護。方法的具體實現過程如下：

1）將原始地震數據從時間域變換到頻率域，公式為

式中：d（t，x）為時間域地震道；f為頻率；j為采樣點數；D（f，x）為頻率域地震數據。

2）確定線性噪聲頻帶及視速度范圍，并只在有效頻段內預測擬合指定視速度線性干擾。并利用最小平方算法求解方程（4）計算非因果預測擬合算子。

式中：“＊”表 示 復 共 軛；R（m）＝ei2πkmΔx，m＝1，2，…，p－1；p為算子長度；k為波數，即頻率與確定的視速度比值；δ2為白噪因子。波數陷波寬度由算子長度p控制，p越大，陷波寬度越窄。

3）將步驟1）計算得到的頻率域地震數據與步驟2）得到的預測擬合算子a（m）按方程（5）進行褶積，并將褶積結果D′（f，x）進行反Fourier變換到時間域，得到擬合的線性干擾。

4）從原始記錄中減去線性干擾得到去噪后的地震數據。

為了驗證上述方法的有效性，利用模型地震數據和實際海上中深層地震數據進行直線型噪聲壓制處理試驗。圖2顯示了基于模型模擬地震資料線性噪聲壓制結果，由圖2b可見該方法很好地壓制了線性干擾，保留了有效地震反射，具有很好的保真性。圖3顯示了線性噪聲壓制前、后的頻率－波數譜。從圖3可以看出，線性噪聲得到有效壓制并很好地保留了有效信號。圖4顯示了將點源直線型干擾壓制方法應用于高密度采集實際地震數據的應用效果。該數據采用高密度單點檢波器記錄，道間距3.125m。由于采集使用單點不組合方式，且道間距很小，因此地震數據實現“寬進寬出”，原始地震數據中有效信號與噪聲都被很好地記錄下來，為后期室內去噪處理提供了更為廣闊的空間，同時也對去噪效果提出了挑戰(zhàn)。圖4a為直線型點源干擾壓制處理前的原始地震資料中的深層數據，地震資料信號質量較差，自右向左傳播的強線性干擾特征明顯。這些點源干擾主要來源于電纜上的各種控制設備，如水鳥等，對于中深層地震資料信噪比影響較大，而常規(guī)傾角濾波處理容易產生空間假頻及“蚯蚓化”現象，最終影響地震記錄的成像質量及地震剖面的橫向分辨率。圖4b為直線型點源干擾壓制處理后的地震數據，自右向左傳播的強直線型干擾得到有效壓制，弱反射能量相對增強。圖4c為線性點源干擾壓制方法壓制去除的點源直線型干擾，其中很難看到有效地震反射信號，說明該方法能有效保持地震有效反射。圖5為線性點源干擾噪聲壓制前、后和去除直線型干擾的頻率－波數譜。頻率－波數譜進一步說明新方法能實現直線型點源干擾噪聲有效壓制，并保持地震資料有效反射頻譜特征。

圖5 實際海上地震資料線性點源干擾噪聲壓制前（a）、后（b）和去除直線型干擾（c）的頻率－波數譜

3 雙曲型點源干擾壓制

當干擾點源與采集電纜不在同一直線上時，點源干擾時距曲線為雙曲線。這類點源包括海上的作業(yè)船只、打樁作業(yè)船只、海上采油平臺、海底異常高速體和火山巖體出露點等。這類點源干擾噪聲的出現時間與傳播特征主要決定于點源相對采集系統的位置，如果確定了點源的位置，可根據時距曲線傳播方程模擬點源干擾。因此，對于雙曲型點源干擾研究采用點源位置預測與匹配相減的方法進行壓制。點源位置預測采用掃描方法，根據炮點位置和實際地震數據記錄時間，確定影響該炮記錄點源位置的有限范圍，對影響范圍進行網格化處理。在假定網格上的每一點都為點源干擾的條件下，基于雙曲型點源干擾時距曲線方程（2）與實際地震數據采集觀測系統模擬干擾波，并與實際地震資料干擾波進行對比分析［7］。對比分析時采用的相似性計算公式為

式中：fi，t（i）為第i道上雙程時間為t（i）的振幅值；M為求和疊加的道數；t是相干時窗的長度。相似性值NE的范圍為0≤NE≤1。與實際資料點源干擾相似性最好的點源即可確定為實際干擾點源。對于靜態(tài)點源，即在采集過程中不發(fā)生移動的點，如海上平臺、海底異常高速體等，可以通過合理選擇地震采集典型炮集從而實現采集影響范圍內所有干擾點源定位。而對于動態(tài)點源，即在采集過程中發(fā)生移動的點，如其它作業(yè)船只、潛艇等，需要根據每炮地震數據確定動態(tài)點源的動態(tài)相對位置。因此，相對于靜態(tài)點源定位，動態(tài)點源定位計算量大大增加。

確定干擾點源坐標后，就可以根據選擇的干擾點源以地震采集觀測系統模擬來自預測點源的干擾波，其初始子波可以從拾取的點源干擾實際地震數據中提取。但模擬的預測干擾波與實際地震數據記錄中的干擾波不可能完全一致，它們在相位、振幅及到達時間上都存在一定差異，因此，需要采用匹配濾波把實際記錄中的點源干擾波和預測點源干擾波匹配后，才能把預測的點源干擾波從實際地震記錄中減去。預測出的干擾波與實際地震記錄中的干擾波匹配處理時，通常是在一個時窗內進行單道或多道匹配濾波來實現［13－15］。這個匹配濾波器可表示為

式中：b（t）是實際地震記錄中的點源干擾波數據；mj（t）是預測出的點源干擾波數據及其變換；N是匹配濾波中包含的道數，當N＝1時，即是常用的單道匹配濾波器，當N＞1時，即為常規(guī)多道匹配濾波器；fj（t）是使這N道m(xù)j（t）適合于希望輸出b（t）的濾波算子；符號“＊”表示褶積運算。匹配濾波器采用最小二乘標準，為希望輸出b（t）設計濾波因子fj（t），其目的是使時窗內的誤差能量最小。常規(guī)單道匹配僅用單道數據來求取濾波因子，缺少橫向約束。而常規(guī)多道匹配通過相鄰多道匹配的方法，利用附近道的橫向相關性作為約束實現匹配，但對于有效波和干擾波不正交時匹配效果不好［15－16］。研究采用了均衡偽多道匹配濾波方法，該方法在地震數據道集的空間方向上作一定范圍的均衡，由于單道記錄的一次波和點源干擾波分量的交角有的大于90°，有的小于90°，空間方向作均衡后其分量交角大于90°和小于90°的會相互抵消，使得均衡范圍內地震數據的有效波和干擾波正交；同時，偽多道匹配方法能更好地修正模型道與實際地震道的波形差異，因此該方法能取得良好的匹配效果。均衡偽多道匹配對于一個時窗內的優(yōu)化目標函數可用（8）式表示，而校正后的點源干擾波mnew（t）可用（9）式表示。該方法避免了相鄰道對計算道的硬性約束，又利用了相鄰道的相關性。

式中：m（t）表示點源干擾波模型道；（t）為m（t）的導數；mH（t）為m（t）的希爾伯特變換；H（t）為mH（t）的導數；f1（t），f2（t），f3（t）和f4（t）分別表示預測點源干擾波模型道、導數道、希爾伯特變換道和希爾伯特變換導數道對應的濾波器；j表示計算濾波器時使用相鄰多道進行計算。公式（9）是指針對處理的模型單道利用相鄰多道計算的濾波器進行匹配校正。

確定空間均衡范圍對于匹配相減處理獲得更好的效果十分關鍵。空間均衡范圍太小則均衡效果不明顯；空間均衡范圍越大均衡效果應該會越好，但是因濾波因子和子波有關，而子波隨空間的變化會發(fā)生變化，因此并非均衡的空間范圍越大越好。應根據具體資料測試，獲得最佳的均衡效果［15］。將匹配校正處理后的模擬點源干擾波從實際記錄中減去，即可得到雙曲型點源繞射壓制后的地震數據。

為了驗證方法的有效性，首先利用模型模擬二維地震資料，并對雙曲型點源干擾波預測與匹配相減壓制方法進行處理試驗。圖6為基于模型模擬二維地震資料雙曲型點源干擾波預測與匹配相減壓制方法測試結果。圖6a為點源干擾壓制前模型模擬二維地震記錄，其中有效影響范圍內有3個干擾點源，3個有效反射層；圖6b為匹配相減后得到的二維反射地震記錄；圖6c為基于點源掃描預測得到干擾點源模擬的雙曲型點源干擾波。二維模擬地震數據測試結果證明了雙曲型點源干擾壓制方法的有效性，并具有較好的保真效果。

圖6 基于模型模擬二維地震記錄雙曲型點源干擾壓制前（a）、后（b）和基于干擾點源模擬的干擾波（c）

在模型模擬地震數據測試基礎上，選取了某海域實際海上三維地震資料進行了點源干擾掃描預測與匹配相減壓制處理試驗。該實際海上地震資料采用對稱雙震源激發(fā)、三拖纜接收觀測系統，拖纜間距100m，震源間距50m，道間距12.5m。含有點源繞射波的原始炮集地震記錄如圖7所示，圖7中繞射波能量較強，傳播特征符合雙曲線特征。如果不對資料中（尤其是中深層地震資料）該類噪聲進行有效壓制，將嚴重影響地震資料的疊加效果和偏移成像精度。對該地震資料進行的點源干擾預測、匹配相減處理結果如圖8所示，處理效果表明，實際炮集記錄中的點源干擾得到了有效壓制，同時，很好地保留了地震有效信息。圖9為利用點源掃描預測得到干擾點源位置經實際地震數據采集觀測系統模擬得到的干擾波，模擬干擾波傳播時距曲線特征與實際點源干擾傳播特征基本一致。但由于地震波傳播的復雜性，模擬干擾波使用子波與實際地震數據子波在能量、相位等方面有明顯差異，研究采用均衡偽多道匹配濾波方法使兩者達到最佳匹配，從而實現點源繞射的有效壓制。

值得進一步強調的是，進行點源位置預測與繞射波模擬，需要首先利用實際地震資料不同炮集記錄中繞射波特征變化或地震采集時的現場記錄，明確點源的運動特征。如果點源位置固定不變，在實際資料處理過程中，可以選用典型炮集地震數據確定震源位置，從而根據每炮相對于干擾點位置進行點源干擾波模擬與匹配相減處理。如果點源位置在地震采集過程中是運動的，在實際資料處理過程中，可以確定干擾源點初始位置、運動方向與運動速度，從而根據每炮相對于干擾點實時位置進行點源干擾波模擬與匹配相減處理。如果點源位置在地震采集過程中是運動的，但無法對其運動特征進行有效描述，則需要對每炮地震數據進行干擾源點位置掃描預測，從而根據每炮相對于干擾點實時位置進行點源干擾波模擬與匹配相減處理，這將大大增加計算量。

4 結束語

基于點源干擾產生機理和傳播規(guī)律，給出了點源干擾波時距曲線方程，并根據時距曲線方程將其分為直線型點源干擾和雙曲線型點源干擾，分別研究其壓制方法。對于直線型點源干擾，采用基于f－x域預測濾波的線性干擾擬合壓制方法，能夠針對地震數據中的線性干擾噪聲，分析和識別其頻帶范圍及視速度，通過擬合與相減較好地壓制直線型點源干擾并較好地保留有效信息。對于雙曲型點源干擾，采用點源掃描與匹配相減方法進行壓制，可在有效壓制繞射波的同時較好地保留有效信號。利用本文方法對模型模擬地震資料與實際海上地震資料進行了處理試驗，驗證了方法的有效性。對于海上點源干擾壓制問題，上述兩種方法的聯合應用將有較好的應用前景。

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