周凡，鄧?yán)?，徐洪?/p>

1. 中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海口 570000

2. 北京東方聯(lián)創(chuàng)地球物理技術(shù)有限公司，北京 100029

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，對(duì)儲(chǔ)層識(shí)別和預(yù)測(cè)精度要求越來(lái)越高，給資料的保幅壓噪處理提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在地震資料保幅噪聲壓制方面開(kāi)展了大量研究，研發(fā)出多種針對(duì)性的處理技術(shù)[1-2]，如針對(duì)低頻面波的衰減技術(shù)有：自適應(yīng)衰減低頻噪聲、非線性局部濾波器干涉預(yù)測(cè)和相減壓制表面波[3]等；針對(duì)規(guī)則相干噪聲的衰減技術(shù)有：時(shí)間-空間域自適應(yīng)噪聲衰減法[4]、F-X域噪音衰減法[5]、外部噪音模型噪音衰減法、τ-p域切除法、FXY域預(yù)測(cè)誤差噪音衰減法[6]、高精度徑向道掃描噪音衰減法、頻率-波數(shù)（F-K）視速度噪音衰減法等；針對(duì)異常不規(guī)則噪聲和高頻干擾的衰減技術(shù)有：強(qiáng)能量干擾的分頻分時(shí)自適應(yīng)檢測(cè)與壓制、小波時(shí)空變閾值去噪[7]、高頻噪聲的自動(dòng)檢測(cè)與衰減等；針對(duì)隨機(jī)干擾的衰減技術(shù)有：高階seislet變換衰減隨機(jī)噪聲[8]、基于貝葉斯閾值估計(jì)的曲波域自適應(yīng)閾值衰減隨機(jī)噪聲[9]、疊前隨機(jī)噪聲衰減（RNA）、基于F-XYO預(yù)測(cè)理論衰減隨機(jī)噪聲[10]、基于曲波變換的自適應(yīng)地震隨機(jī)噪聲消除[11]、高維地震數(shù)據(jù)Wiener中心濾波[12]等；針對(duì)散射干擾的衰減技術(shù)有：隨機(jī)函數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法[13]等。另外，保幅壓噪技術(shù)的思想核心是信噪分離[14]，信噪分離技術(shù)主要有：中值相關(guān)濾波信噪分離方法[15]、中值約束下的矢量分解信噪分離方法[16]、LIFT（linear interference filter technique）信噪分離方法[17]、基于波原子域的疊前地震資料信噪分離方法[18]、矢量分解信噪分離方法[19]、傾角中值濾波信噪分離方法[20]、奇異值分解信噪分離方法[21]等。上述這些方法技術(shù)均有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)合噪聲分布和頻率特點(diǎn)，選擇合適的處理域、分頻處理及波場(chǎng)分離技術(shù)，可取得很好的壓制噪聲效果，獲得高品質(zhì)的成果數(shù)據(jù)[22]，在油氣勘探開(kāi)發(fā)的資料處理中發(fā)揮了重要作用。

但在復(fù)雜地震勘探區(qū)塊有地形高差變化劇烈、激發(fā)接收條件較差等不利因素，采集到的地震資料信噪比極低或較低,尤其是當(dāng)?shù)卣鹩涗浀哪康膶痈浇挠行盘?hào)較弱時(shí)，常規(guī)的噪音壓制技術(shù)還存在一定的局限性和不適應(yīng)性，如在去除噪音同時(shí)損失了部分有效弱信號(hào)及振幅保真度不夠高等方面的問(wèn)題，地震資料處理成像品質(zhì)受限于資料信噪比過(guò)低的問(wèn)題日益突出，迫切需要在弱信號(hào)恢復(fù)方面下功夫，在保幅前提下深入開(kāi)展弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)的研究，充分利用弱有效信號(hào)來(lái)改善資料的處理品質(zhì)。因此，我們開(kāi)發(fā)出了基于矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)，該技術(shù)在保振幅、保頻率、保相位的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)壓制噪聲，提高目標(biāo)道的信噪比。在精確恢復(fù)有效弱反射波的同時(shí),很好地保持了有效信號(hào)的能量，可滿(mǎn)足保真去噪技術(shù)要求。在改善疊前道集、疊加剖面和成像剖面品質(zhì)上均有明顯效果，基本解決常規(guī)疊前去噪技術(shù)難以解決的弱信號(hào)保幅去噪技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

1 矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)

1.1 基本原理

矢量面元的概念：在疊前道集內(nèi)指定某一個(gè)地震道為目標(biāo)道，該目標(biāo)道所處CMP面元為中心CMP面元，并以目標(biāo)道的偏移距和方位角為標(biāo)準(zhǔn)，從中心CMP面元及相鄰CMP面元中篩選出偏移距和方位角與標(biāo)準(zhǔn)相一致的地震道構(gòu)建的新面元，圖1給出了矢量面元構(gòu)建示意圖。

圖1 矢量面元構(gòu)建示意圖Fig.1 Schematic diagram of vector plane element construction

每一個(gè)目標(biāo)道都形成一個(gè)對(duì)應(yīng)的矢量面元道集，矢量面元道集內(nèi)具有規(guī)則波同相軸成水平狀或準(zhǔn)水平狀的重要特征，直接獲得水平同相軸將成就疊前去噪技術(shù)的諸多算法，是該技術(shù)的核心所在?；谑噶棵嬖兰纳鲜鎏卣?，利用復(fù)數(shù)域處理方法，恢復(fù)還原被噪聲淹沒(méi)的弱信號(hào)。

具體做法是：在輸入疊前道集中，指定一個(gè)待處理的目標(biāo)道Xm（t）（圖2）。

設(shè)目標(biāo)道Xm（t）所在CMP面元為中心CMP面元，以該目標(biāo)道的偏移距和方位角為標(biāo)準(zhǔn)，從中心CMP面元及相鄰CMP面元中篩選出偏移距和方位角與標(biāo)準(zhǔn)相一致的地震道構(gòu)建成矢量面元道集（圖2）。

圖2 目標(biāo)道對(duì)應(yīng)的矢量面元道集及矢量面元余弦相位函數(shù)道集示意圖Fig.2 Schematic diagram of vector element trace set and cosine phase function trace set of vector element corresponding to target trace

設(shè)：矢量面元道集為Xi（t），其中i為道序列號(hào)，t為時(shí)間序列。顯然，Xi（t）中包含目標(biāo)道Xm（t）。

利用公式（1）進(jìn)行矢量面元道集水平疊加

式中：k（t）為水平疊加道，n為道數(shù)或覆蓋次數(shù)。以k（t）作為對(duì)目標(biāo)道處理的最終輸出結(jié)果是該技術(shù)的選項(xiàng)之一。

利用希爾伯特變換將矢量面元道集Xi（t）轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)域矢量面元余弦相位函數(shù)道集cosθi（t），獲得復(fù)數(shù)域矢量面元道集。

設(shè)希爾伯特變換為hi（t），則希爾伯特變換表達(dá)式為：

瞬時(shí)包絡(luò)表達(dá)式為：

瞬時(shí)相位表達(dá)式為：

余弦相位函數(shù)為：

如圖3所示，余弦相位函數(shù)cosθi（t）與振幅無(wú)關(guān)，其弱信號(hào)的振幅與強(qiáng)信號(hào)的振幅是平等的，無(wú)強(qiáng)弱信號(hào)之分。換言之，在cosθi（t）中，弱信號(hào)得到了有效加強(qiáng)（圖2）。

圖3 希爾伯特變換分解原理圖Fig.3 Hilbert transform decomposition schematic diagram

利用復(fù)數(shù)域余弦相位函數(shù)道集cosθi（t）獲得復(fù)數(shù)域加權(quán)函數(shù)g（t）：

利用公式（7）進(jìn)行加權(quán)水平疊加

式中：ym（t）為指定目標(biāo)道的最終處理結(jié)果。完成一個(gè)目標(biāo)道的處理結(jié)果后，再指定下一個(gè)目標(biāo)道，重復(fù)上述做法，直至完成整個(gè)或局部工區(qū)疊前資料的弱信號(hào)恢復(fù)處理。

1.2 技術(shù)路線

歸納總結(jié)上述基本原理，矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)的技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)的技術(shù)路線圖Fig.4 Technical-road chart of weak signal recovery technology for vector facets

1.3 子波恢復(fù)及保真去噪指標(biāo)

子波恢復(fù)及保真去噪處理有其技術(shù)指標(biāo)，如圖5所示，設(shè)恢復(fù)前的原信號(hào)子波為S(t)，恢復(fù)后的信號(hào)子波為S(t)，則恢復(fù)前后的殘差為δ(t)=S(t)?S(t)。當(dāng)δ(t)≠0時(shí)，多數(shù)是出現(xiàn)了振幅恢復(fù)、頻率恢復(fù)、相位恢復(fù)這3類(lèi)誤差（圖5右側(cè)）；當(dāng)δ(t)=0時(shí)，則認(rèn)為達(dá)到了子波恢復(fù)的理論指標(biāo)。而面對(duì)低信噪比疊前實(shí)際地震資料的保真去噪處理，子波恢復(fù)及保真去噪處理的實(shí)際指標(biāo)通常是用去噪處理前后的殘差道集及其疊加剖面中無(wú)明顯的殘留子波同相軸來(lái)衡量。

圖5 子波恢復(fù)及保真去噪指標(biāo)示意圖Fig.5 Schematic diagram of wavelet recovery and fidelity denoising indexes

2 應(yīng)用效果分析

2.1 矢量面元處理

相鄰CMP面元個(gè)數(shù)即矢量面元大小由處理參數(shù)控制。矢量面元構(gòu)建過(guò)程中，允許偏移距和方位角與標(biāo)準(zhǔn)存在一定的誤差，其偏移距誤差和方位角誤差受處理參數(shù)控制，誤差參數(shù)越大，矢量面元獲得的道數(shù)則越多，覆蓋次數(shù)的增加有利于提高信噪比，但不利于提高保真度。本次應(yīng)用處理矢量面元參數(shù)為3×3，即以目標(biāo)道所處的CMP面元為中心前后左右各擴(kuò)出1排面元，在Inline方向和Crossline方向均為3個(gè)CMP面元，共計(jì)9個(gè)CMP面元（圖1中的矢量面元）；偏移距誤差為25 m，即以目標(biāo)道的偏移距為標(biāo)準(zhǔn)，在?25 m到+25 m的誤差內(nèi)，認(rèn)為偏移距是一致的；方位角誤差為30°，即以目標(biāo)道的方位角為標(biāo)準(zhǔn)，在?30°到+30°的誤差內(nèi)，認(rèn)為方位角是一致的。

2.2 炮集記錄

基于矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)的輸入和輸出均為CMP道集文件，為了便于考察本技術(shù)的信噪分離效果，可將弱信號(hào)恢復(fù)前后的CMP道集均分選回到常用的炮集記錄。圖6為應(yīng)用本技術(shù)處理前后及殘差炮集記錄對(duì)比。原始炮記錄存在強(qiáng)的面波、線性干擾和隨機(jī)干擾，采用普通方法很難壓制干凈，尤其是被強(qiáng)面波掩蓋的弱有效波難以得到有效的恢復(fù)，但經(jīng)基于矢量面元的弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)處理，各種干擾波均得到了較好的分離，被強(qiáng)面波掩蓋的近道弱有效信號(hào)得到了有效恢復(fù)，為后期進(jìn)一步去除強(qiáng)面波處理奠定了良好的基礎(chǔ)，可避免常規(guī)去面波處理給弱信號(hào)帶來(lái)的損傷。

圖6 某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前、后及其殘差的炮集記錄對(duì)比Fig.6 Comparison of shot records before and after and their residuals treatment with this technique in a working area

2.3 速度譜

圖7為應(yīng)用本技術(shù)處理前、后的CMP道集及其殘差道集和對(duì)應(yīng)的速度譜。由于工區(qū)的激發(fā)接收條件差，采集到的地震資料信噪比較低，肉眼難以觀測(cè)到疊前道集中的有效波同相軸，資料的有效信號(hào)幾乎完全淹沒(méi)在噪音中。經(jīng)該技術(shù)處理后，弱有效信號(hào)恢復(fù)后的信噪比得到顯著提高，速度譜有效波能量團(tuán)清晰可見(jiàn)。處理前后的殘差道集及其速度譜，殘差道集內(nèi)無(wú)明顯的有效波同相軸，速度譜中亦無(wú)任何有效波能量團(tuán)，說(shuō)明弱有效信號(hào)得到了較好的保護(hù)。

2.4 頻譜

圖8為與圖7對(duì)應(yīng)的弱信號(hào)恢復(fù)前后CMP道集及殘差CMP道集的頻譜。由于應(yīng)用本技術(shù)處理前的CMP道集及應(yīng)用本技術(shù)處理前后的殘差CMP道集均以噪聲為主體，所獲頻譜幾乎一致的原因是：它們只能反映出記錄中占主要能量的噪聲的頻譜，無(wú)法獲得有效波的頻率分布情況。應(yīng)用本技術(shù)處理后的CMP道集的弱有效信號(hào)得到恢復(fù)，其頻譜變得真實(shí)有效，可見(jiàn)有效波的主頻約15 Hz。表明低信噪比資料中的弱有效信號(hào)在應(yīng)用該技術(shù)后，可得到較好的恢復(fù)，這即是本技術(shù)力圖解決的技術(shù)難題之一。

圖7 某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前、后的CMP道集及其殘差道集和對(duì)應(yīng)的速度譜Fig.7 The technique is applied in a working area to deal with the pre - and post-CMP trace sets,their residual trace sets and the corresponding velocity spectrum

圖8 弱信號(hào)恢復(fù)前后CMP道集及殘差CMP道集的頻譜Fig.8 Spectrum of CMP sets and residual CMP sets before and after weak signal recovery

2.5 疊加

圖9為某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前、后及殘差數(shù)據(jù)的疊加剖面，可見(jiàn)，弱信號(hào)恢復(fù)處理后目的層弱反射部分較恢復(fù)前的品質(zhì)得到明顯提高；從恢復(fù)前后的殘差道集水平疊加剖面中未發(fā)現(xiàn)有效波同相軸，可見(jiàn)，該技術(shù)應(yīng)用不會(huì)損失有效波成分。

圖9 某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前、后及其殘差數(shù)據(jù)的疊加剖面Fig.9 Application of the technique to the stacked section of pre - and post-processing and residual data in a working area

圖10為某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前后的局部放大疊加剖面，對(duì)比結(jié)果表明，該技術(shù)處理后有剖面品質(zhì)有明顯提高，尤其是針對(duì)層間信噪比較低的弱反射部位的品質(zhì)改善更為明顯，為后續(xù)高分辨處理奠定了良好的基礎(chǔ)，并表現(xiàn)出極高的保真度，可利好疊前偏移成像處理。

圖10 某工區(qū)應(yīng)用本技術(shù)處理前、后的疊加剖面（局部放大）Fig.10 Stacked section before and after processing with this technique in a working area （local magnification）

3 結(jié)論

（1）去噪處理是低信噪比地震數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵之一，低信噪比資料處理品質(zhì)與有效波弱信號(hào)恢復(fù)的質(zhì)量密切相關(guān)?；谑噶棵嬖娜跣盘?hào)恢復(fù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有效弱反射波的精確恢復(fù)，可有效壓制低信噪比地震數(shù)據(jù)中的噪聲，滿(mǎn)足保真去噪的技術(shù)要求，處理成果保幅性高，可為后續(xù)開(kāi)展巖性解釋研究提供可靠的基礎(chǔ)資料。

（2）該技術(shù)僅適用于三維采集測(cè)網(wǎng)及觀測(cè)系統(tǒng)比較規(guī)則的工區(qū)資料，此類(lèi)工區(qū)各目標(biāo)道對(duì)應(yīng)的矢量面元道集的覆蓋次數(shù)相對(duì)穩(wěn)定；必須已知方位角，方位角的缺失將嚴(yán)重影響該技術(shù)的處理效果；必須提供準(zhǔn)確的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)坐標(biāo)值。然而，面向復(fù)雜探區(qū)非規(guī)則的工區(qū)資料，各目標(biāo)道對(duì)應(yīng)的矢量面元道集的覆蓋次數(shù)是不穩(wěn)定的，可能出現(xiàn)極低覆蓋次數(shù)現(xiàn)象，針對(duì)這類(lèi)情況的處理方法還需做進(jìn)一步的研究。

（3）矢量面元構(gòu)建過(guò)程中，允許偏移距和方位角與標(biāo)準(zhǔn)存在一定的誤差，其偏移距誤差和方位角誤差受處理參數(shù)控制，誤差參數(shù)越大，矢量面元獲得的道數(shù)則越多，覆蓋次數(shù)的增加有利于提高信噪比，但不利于提高保真度。

（4）經(jīng)該技術(shù)處理可明顯改善疊前炮集及道集資料品質(zhì)，可為速度分析、疊加及偏移成像等分析處理打下了良好的基礎(chǔ)，在低信噪比地震數(shù)據(jù)的精細(xì)成像中具有一定的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性。