倪宇東, 姜福豪, 鄒雪峰, 藍(lán)益軍, 柳興剛, 門哲, 許銀坡

中國石油東方地球物理公司, 涿州 072751

0 引言

時(shí)間采樣以及空間采樣問題是地震勘探基本問題,采樣方式包括規(guī)則采樣、非均勻(非規(guī)則)采樣、隨機(jī)采樣等.關(guān)于信號采樣方式與數(shù)據(jù)重建等問題,Niquist于1928年給出采樣定理(Nyquist,2002; Shannon, 1949),廣泛應(yīng)用于通訊、醫(yī)學(xué)、地球物理等領(lǐng)域;1953年Black提出了非均勻采樣的思想(Black,1953; Dippé and Wold, 1992; Duijndam and Schonewille, 1999);Yen(1956)進(jìn)一步給出了關(guān)于特殊類型非均勻采樣的4個(gè)定理,同時(shí)討論了數(shù)據(jù)重建問題.1957年前后出現(xiàn)多采樣率采樣模擬電路系統(tǒng)(Kranc, 1957),1967年發(fā)表的論文論述了時(shí)間域、頻率域多采樣率采樣數(shù)據(jù)等效性(Brogan, 1967; Jury, 1967),1978年一種多采樣率方法嘗試應(yīng)用到地震數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域(Lu and Gupta, 1978).截止到今天,多采樣率信號處理依然是電子技術(shù)與信息科學(xué)重要技術(shù)領(lǐng)域之一(G?ckler and Groth, 2004).信號重構(gòu)的數(shù)學(xué)理論日趨完善,相關(guān)算法已取得了顯著進(jìn)步(Candès and Romberg, 2006; Candès et al., 2006;Proakis and Manolakis, 2006; 李衍達(dá)和常迵,1991). Donoho(2006)詳細(xì)論證了壓縮感知基本原理,隨即得到了廣泛的關(guān)注(Lustig et al., 2008).隨機(jī)采樣是該理論重要基礎(chǔ)之一(Leneman, 1966). Elder和Kutyniok(2012)指出,隨機(jī)采樣構(gòu)建的感知矩陣,特別是感知矩陣的元素選為與高斯、伯努利或更一般的任何子高斯分布有關(guān)的,都將高概率滿足約束等距(Restrained Isometric Property,RIP)條件,也就是能夠高概率、高保真恢復(fù)輸入信號.

自壓縮感知理論建立以后,基于壓縮感知的隨機(jī)采樣在地震勘探實(shí)踐中嘗試應(yīng)用.李成博和張宇(2018)提出了基于壓縮感知的地震數(shù)據(jù)成像技術(shù)(Compressive Seismic Imaging,CSI),Mosher等(2012,2014)介紹了該技術(shù)：包括非均勻(非規(guī)則)最優(yōu)化采樣(Non-uniform Optimal sampling,NUOS)、地震信號稀疏化處理、數(shù)據(jù)重建、時(shí)間同步源數(shù)據(jù)分離等技術(shù)(唐鋼和楊慧珠, 2010; Mosher et al.,2012).隨機(jī)采樣、非規(guī)則采樣在地震勘探領(lǐng)域早已有之(Schuster and Zhou, 1996; Hennenfent and Herrmann,2008; Herrmann, 2010; Vermeer, 2010),Cordsen等(2000)強(qiáng)調(diào)物理點(diǎn)位隨機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢是改善炮檢距與方位角的分布與靜校正耦合,同時(shí)還考慮了土地使用許可問題.Hardage等(2011)指出,合理數(shù)量的物理點(diǎn)隨機(jī)分布時(shí),P-P、SH-SH或 SV-SV數(shù)據(jù)的炮檢距分布更加均勻,有利于分析振幅隨炮檢距變化和屬性隨方位角變化規(guī)律的研究.

地震勘探領(lǐng)域關(guān)于不同空間采樣方式定義較多且容易混淆,包括“均勻采樣、非均勻采樣、多采樣率、規(guī)則采樣、非規(guī)則采樣、隨機(jī)采樣”等(Nyquist,2002;Black,1953;Yen, 1956;Vermeer, 2010),尚未形成不同空間采樣技術(shù)系統(tǒng)的理論.作者將從地震波場的帶限性與空間域非均勻性出發(fā),定義了多采樣率地震勘探技術(shù)(MrSET),組合了不同空間采樣方式.該技術(shù)在繼承規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)面元屬性特征的同時(shí),進(jìn)一步優(yōu)化面元屬性特征,提高成像精度.作者提出多采樣率地震勘探采集觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)5項(xiàng)準(zhǔn)則,介紹數(shù)據(jù)處理基本方法及效果.與規(guī)則采樣相比,在相同成本、相同道密度情況下,多采樣率地震勘探技術(shù)能夠更好解決復(fù)雜地震波場、弱能量地震信號充分采樣以及高精度成像問題,經(jīng)過進(jìn)一步研究將是(陸上、海洋等)節(jié)點(diǎn)地震勘探時(shí)代常規(guī)技術(shù).

1 地震波場是時(shí)空不均勻帶限信號

地震波在頻率域具有帶限性,地震波是時(shí)間(t)、頻率(f)的函數(shù),頻帶寬度是有限的,是帶限信號(David et al., 2021).對于地震勘探而言,震源是帶限的,大地是低通濾波器,接收系統(tǒng)是帶通濾波器,地震子波在傳播過程中經(jīng)過大地的吸收衰減、球面擴(kuò)散、地層反射等形成的地震波場,存儲到地震勘探儀器系統(tǒng)中,這個(gè)過程決定了地震波具有頻率域帶限性.地震勘探能夠記錄到的地震波最高頻率一般都低于250 Hz,小折射、微測井等表層結(jié)構(gòu)調(diào)查方法可能記錄更高頻率地震波,但是根據(jù)Niquist采樣定理,工業(yè)界完全可以采用2 ms、1 ms、0.5 ms甚至更小的采樣周期實(shí)現(xiàn)地震波充分采樣,達(dá)到有效保護(hù)寬頻信息、高頻信息,保護(hù)更好的時(shí)間分辨率.地震波時(shí)間域充分采樣增加的成本同地震勘探項(xiàng)目投資相比完全可以忽略不計(jì).地震勘探數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目在采集方法設(shè)計(jì)階段就規(guī)定了采樣周期,在野外數(shù)據(jù)采集過程中采樣周期一般是不變的常數(shù).

地震波場空間域具有不均勻性,地震波場是時(shí)間(t)、頻率(f)的函數(shù),也是空間(x,y,z)、波數(shù)(k)的函數(shù),波場復(fù)雜程度與沉積特征、構(gòu)造變形特征等密切相關(guān).多期構(gòu)造運(yùn)動與沉積旋回、風(fēng)化剝蝕與溶蝕等地質(zhì)作用,使斷裂系統(tǒng)發(fā)育特征、地層傾角變化、地層巖石物性及厚度橫向變化、風(fēng)化剝蝕面形態(tài)、沉積間斷邊界展布特征等非常復(fù)雜,折射波、反射波、繞射波、散射波、多次波等相互交織,空間域地震波場非常復(fù)雜,具有不均勻性,導(dǎo)致在空間域?qū)τ涗洸▓龅慕忉尵哂胁淮_定性.目前工業(yè)化應(yīng)用的規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜波場的完全、精確、充分采樣.受有線儀器數(shù)字傳輸電纜上固定道間距以及安全、環(huán)保政策、投資成本等限制,地震勘探采集項(xiàng)目仍然以空間規(guī)則采樣為主,物理點(diǎn)空間采樣間隔是空間常量,采集方法主要考慮反射波成像不產(chǎn)生空間假頻,這種方式難以對復(fù)雜波場,特別是繞射波、散射波等弱能量地震信號充分采樣.采用多采樣率地震勘探技術(shù)(MrSET)能夠最大限度實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜波場的充分采樣,特別是對繞射波、散射波等弱能量信號的充分采樣.地震勘探中的空間規(guī)則采樣、隨機(jī)采樣、非均勻采樣、非規(guī)則采樣等不同的采樣方式,可以統(tǒng)一到多采樣率技術(shù)框架.

假設(shè)連續(xù)地震波場為wo(t,d),離散地震波場為w[m,n].其中：t代表時(shí)間、d代表空間,m,n為正整數(shù),表示離散的時(shí)間和空間采樣點(diǎn)序列.第[m,n]個(gè)離散信號數(shù)值等于連續(xù)地震波場在tm,xn處的值,表示為

(1)

式中Δtm+1,m為第m與第m+1個(gè)離散時(shí)間采樣點(diǎn)之間的采樣周期;Δxn+1,n為第n與第n+1個(gè)離散空間采樣點(diǎn)之間的間隔或代表觀測系統(tǒng)中的道距、炮點(diǎn)距等參數(shù);Δtm+1,m、Δxn+1,n的倒數(shù)即為采樣率,分別是頻率fm+1,m、波數(shù)kn+1,n.本文研究的時(shí)間域采樣周期只有一個(gè),因此M=1;如果空間采樣間隔只有一個(gè),則N=1;如果有多個(gè)不同取值的空間采樣間隔,或有多個(gè)不同取值的空間采樣率,則N>1.

地震勘探采集觀測系統(tǒng)中,道距、炮點(diǎn)距、接收線距、炮線距具有一個(gè)及一個(gè)以上不同取值的采樣方式統(tǒng)稱為多采樣率采樣,采用多采樣率采樣的地震勘探技術(shù)稱為多采樣率地震勘探技術(shù)(Multirate Seismic Exploration Technique,簡稱MrSET).MrSET的命名主要考慮三個(gè)方面：一是體現(xiàn)了地震勘探數(shù)字信號、離散信號處理的特征;二是避免了隨機(jī)采樣、非均勻采樣、非規(guī)則采樣與野外觀測系統(tǒng)變觀后物理點(diǎn)分布特征相互混淆的問題.當(dāng)然,由于地表存在障礙物,野外觀測系統(tǒng)變觀通常會使炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)分布不均勻,這種情況不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩嗖蓸勇什蓸?三是考慮炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)等物理點(diǎn)測量精度與野外施工點(diǎn)位誤差問題.MrSET重要理論基礎(chǔ)是“觀測系統(tǒng)物理點(diǎn)空間采樣間隔在空間上是變量,可以拓寬空間波數(shù)k,最大概率逼近復(fù)雜地震波場而實(shí)現(xiàn)充分采樣,特別是最大概率實(shí)現(xiàn)對繞射波、散射波等弱能量地震信號的充分采樣”.

多采樣率數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)道距、炮點(diǎn)距、接收線距、炮線距在空間上是變量.假設(shè)多采樣率觀測系統(tǒng)中有N個(gè)取值的道距Δxi或炮點(diǎn)距Δyj,這里N≥1、1≤i,j≤N,N、i、j是正整數(shù).當(dāng)N=1時(shí),多采樣率采集是傳統(tǒng)的規(guī)則采樣,否則就是隨機(jī)采樣或非均勻采樣、非規(guī)則采樣.為使問題簡化,這里舉例說明：當(dāng)N=1時(shí),i、j=1,Δxi或Δyj僅有一個(gè)取值,如Δx1=20 m、Δy1=40 m,inline與crossline方向的空間波數(shù)(空間采樣率,×102)分別是kx=5.00、ky=2.50,Nyquist空間波數(shù)(Nyquist空間采樣率,×102)分別是kxNyq=2.50、kyNyq=1.25,這是傳統(tǒng)的規(guī)則采樣,inline與crossline方向各有一個(gè)采樣周期(采樣間隔)、一個(gè)采樣率.假設(shè)N=5,i、j=1、2、3、4、5,Δxi或Δyj分別有5個(gè)取值(單位：m),如Δxi={20,21,23,25,27}、Δyj={40,42,43,45,50};inline與crossline方向的空間波數(shù)(空間采樣率,×102)分別有5個(gè)取值：kxi={5.00, 4.76, 4.35, 4.00, 3.70}、kyj={2.50, 2.38, 2.33, 2.22, 2.00},Nyquist空間波數(shù)(Nyquist空間采樣率,×102)分別有5個(gè)取值：kxiNyq={2.50, 2.38, 2.18, 2.00, 1.85}、kyjNyq={1.25, 1.19, 1.17, 1.11, 1.00},這就是多采樣率采樣,兩個(gè)方向分別有5種取值的采樣間隔與采樣率,利用不同的準(zhǔn)則確定不同取值的采樣間隔或采樣率,就可以得到隨機(jī)采樣、非均勻采樣或非規(guī)則采樣.

2 多采樣率地震勘探采集參數(shù)設(shè)計(jì)

多采樣率采樣采集參數(shù)設(shè)計(jì)同樣要考慮滿足疊前偏移成像需求.基于疊前偏移Kirchhoff積分方法原理,假設(shè)地下目的層的任意一成像點(diǎn)r=r(x,y,z),介質(zhì)分布均勻,速度為c,深度為z,其遠(yuǎn)場三維疊前Kirchhoff偏移公式(麻三懷等,2008)為

(2)

式中m(r,ω)為成像點(diǎn)r的偏移成像,Γs和Γg分別為炮、檢點(diǎn)陣列的面積;f(rs,rg)表示炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)分布的(x,y,z,f)四維采樣函數(shù);rij=|ri-rj|,其中：

f(rs,rg)=f(sxy,sz,sf;gxy,gz,gf),

(3)

(4)

基于公式(4),通過評價(jià)全區(qū)成像點(diǎn)的成像效果(丁建榮等, 2022),實(shí)現(xiàn)多采樣率采樣點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì).

無線節(jié)點(diǎn)儀器的使用不僅使傳統(tǒng)有線儀器時(shí)代觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大變化,也為多采樣率采樣提供了應(yīng)用條件.使用無線節(jié)點(diǎn)儀器,道距大小可以靈活變化,不再受數(shù)傳電纜上固定長度道距的限制,這樣就使面元可以在道距、炮點(diǎn)距兩個(gè)空間方向上靈活變化,為多采樣率地震勘探技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ).

多采樣率地震勘探采集觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議考慮以下5項(xiàng)準(zhǔn)則：

(1)道密度一致準(zhǔn)則：道密度是決定成像精度最重要的參數(shù)之一,特別是低信噪比地區(qū),野外采集數(shù)據(jù)達(dá)不到一定數(shù)量的道密度,是無法滿足高精度成像處理要求的.考慮反射波偏移成像精度,按照反射波“充分采樣”的原則確定傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)道密度TDr,TDr作為多采樣率基本道密度,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化觀測系統(tǒng),獲得多采樣率采樣觀測系統(tǒng).

(2)“整體均勻、局部隨機(jī)”準(zhǔn)則：多采樣率采樣不是任意隨機(jī)采樣,多采樣率采樣觀測系統(tǒng)要求炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)分布“整體均勻、局部隨機(jī)”.首先根據(jù)地質(zhì)任務(wù)要求以及資料信噪比情況,按照“均勻采樣、對稱采樣”的原則,分析論證傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)道距Δx、炮點(diǎn)距Δy等參數(shù),在接收線與炮線上按照Δx、Δy等間隔剖分網(wǎng)格,在每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部,采用jitter采樣(張華和陳小宏, 2013)、并采用感知矩陣列間相關(guān)性評價(jià)指標(biāo)μ值公式(5)(周松等, 2017)約束jitter采樣等方法優(yōu)化炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)位置(Ni et al., 2021),從而實(shí)現(xiàn)“整體均勻、局部隨機(jī)”準(zhǔn)則.公式(5)為

(5)

式中ψ為感知矩陣,與采樣點(diǎn)位置有關(guān),μ為感知矩陣列間最大的相干系數(shù),其地球物理含義是非規(guī)則采樣造成的傅里葉正交性被破壞引起的最大頻譜泄露.

(3)繞射波、散射波成像準(zhǔn)則：在復(fù)雜斷裂系統(tǒng)、中小尺度多層疊置砂體、碳酸鹽巖斷溶體與丘灘體等發(fā)育的勘探區(qū)域,在基巖與碳酸鹽巖風(fēng)化殼及其內(nèi)幕非均質(zhì)儲層發(fā)育的勘探區(qū)域,要根據(jù)地震、地質(zhì)等資料,建立地震地質(zhì)模型,通過數(shù)值正演模擬獲得上述地質(zhì)目標(biāo)的繞射波、散射波波場分布特征,分析繞射波、散射波成像時(shí)要求不產(chǎn)生空間假頻的最小道距Δxmin、最小炮點(diǎn)距Δymin等面元參數(shù).多采樣率觀測系統(tǒng)中一般要包含一定數(shù)量的Δxmin、Δymin樣本,從而在投資成本可控的前提下,最大概率逼近對繞射波、散射波等弱能量地震信號的充分采樣.

(4)道距、炮點(diǎn)距取值范圍選擇準(zhǔn)則：多采樣率采樣觀測系統(tǒng)面元大小是空間變量,變量取值范圍取決于道距Δxi、炮點(diǎn)距Δyj變化范圍.在充分考慮Δxmin、Δymin以及逆散射成像處理技術(shù)的前提下,建議在低信噪比區(qū),道距、炮點(diǎn)距取值范圍采用公式(6)：

(6)

其他地區(qū)采用公式(7)：

(7)

(5)真傾角方向準(zhǔn)則：對于長軸背斜、地質(zhì)體具有明顯走向與傾向的勘探項(xiàng)目,建議在真傾角方向或垂直構(gòu)造走向方向上采用多采樣率采樣.考慮到炮點(diǎn)位置受地表?xiàng)l件限制較多,因此建議接收排列垂直構(gòu)造走向,道距采用多采樣率.

多采樣率采樣觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)繼承了傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)“充分采樣、均勻采樣、對稱采樣”的原則,同時(shí)對傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化,觀測系統(tǒng)方位角、炮檢距等分布,特別是中小炮檢距分布更加均勻、連續(xù).

3 多采樣率地震勘探數(shù)據(jù)處理方法

多采樣率數(shù)據(jù)處理應(yīng)考慮散射波成像處理與數(shù)據(jù)重構(gòu),這是與規(guī)則采樣數(shù)據(jù)處理最大的不同;當(dāng)然,多采樣率數(shù)據(jù)處理也應(yīng)該考慮多尺度數(shù)據(jù)正演與反演、多尺度偏移速度場建模、分頻多尺度去噪以及多尺度近地表結(jié)構(gòu)建模等,從而發(fā)揮多采樣率采樣數(shù)據(jù)優(yōu)勢.

多采樣率地震勘探數(shù)據(jù)包含更豐富的繞射波、散射波信息,使用逆散射偏移成像處理技術(shù)處理多采樣率地震數(shù)據(jù)能夠發(fā)揮多采樣率地震勘探技術(shù)優(yōu)勢.目前大多數(shù)偏移反演方法都是基于線性單散射近似,也就是一階Born近似(Ouyang et al., 2015).散射場一階Born近似更符合反射波勘探的一次波假設(shè),單散射近似與偏移之間存在理想的線性關(guān)系,滿足產(chǎn)生散射的地質(zhì)體尺度較小以及速度、密度等物性參數(shù)擾動不大等弱散射條件.基于一階Born近似的偏移反演方法適用于單砂體、不整合面或尖滅線、斷層斷點(diǎn)等的偏移成像處理(范白濤等, 2022).油氣勘探地質(zhì)目標(biāo)往往是斷溶體、丘灘體、基巖與碳酸鹽巖風(fēng)化殼及內(nèi)幕非均質(zhì)巖性油氣藏等,基于散射場二階Born近似的反演成像方法有利于這類地質(zhì)目標(biāo)的保幅成像處理,這類地質(zhì)目標(biāo)彈性參數(shù)和密度等縱橫向不均勻變化引起較強(qiáng)擾動散射波場,多次散射中二次散射對散射場能量貢獻(xiàn)不能忽略.目前逆散射偏移成像方法沒有得到廣泛應(yīng)用.如果地震資料信噪比較低,可以直接利用基于反射波的積分法疊前偏移技術(shù)處理多采樣率地震數(shù)據(jù),與相同道密度傳統(tǒng)規(guī)則采樣數(shù)據(jù)體的成像精度相比,可以進(jìn)一步提高成像精度,特別是中淺層成像分辨率、高陡地層以及斷層斷面成像精度、風(fēng)化殼成像精度等等都有所提高.

如果信噪比較高,可以利用基于Radon變換(Shao and Wang, 2022)、地震波干涉方法(Wang et al., 2009,2010)等插值方法提高道密度,本文采用基于壓縮感知的數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù).數(shù)據(jù)重構(gòu)可以是非規(guī)則重構(gòu)、也可以是規(guī)則重構(gòu),無論采用何種數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)(趙虎等, 2023),處理后的數(shù)據(jù)體應(yīng)最大限度保留多采樣率采樣數(shù)據(jù)特征,要保留小道距、小炮點(diǎn)距數(shù)據(jù),否則會丟失大量真實(shí)位置的地震波場信息,取而代之的是大量通過數(shù)學(xué)運(yùn)算產(chǎn)生的非真實(shí)位置的地震道信息,從而違背多采樣率地震勘探技術(shù)基本理論.假設(shè)wr是野外采集到的地震波場,φ為測量矩陣(或叫采樣矩陣,與觀測系統(tǒng)有關(guān)),wf是期望通過數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得的更高密度地震波場,wf也是真實(shí)地震波場的近似.不考慮噪聲情況下,重構(gòu)wf的過程就是解式(8)的過程：

wr=φwf=ψs,

(8)

(9)

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

三維數(shù)值模擬使用SEG鹽丘模型(圖1).模型長13500 m、寬13500 m、深4000 m,數(shù)值模擬使用主頻為8 Hz雷克子波作為激發(fā)源,記錄長度6 s,時(shí)間采樣間隔2 ms.首先使用傳統(tǒng)規(guī)則采樣三維觀測系統(tǒng)GS1完成聲波數(shù)值模擬并獲得高密度規(guī)則采樣正演數(shù)據(jù)：道距ΔR=40 m,炮點(diǎn)距ΔS=40 m,接收線距ΔRL=80 m,炮線距ΔSL=200 m.在Gs1正演數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上抽稀形成規(guī)則采樣數(shù)據(jù)體,觀測系統(tǒng)設(shè)為Gs2：道距ΔR=160 m,炮點(diǎn)距ΔS=160 m,接收線距ΔRL=160 m,炮線距ΔSL=200 m,共4575炮,道密度約6.25萬道/km2.在Gs1正演數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上抽稀形成多采樣率數(shù)據(jù),觀測系統(tǒng)設(shè)為Gs3：道距ΔR采用固定值,ΔR=160 m;炮點(diǎn)距ΔS采用多采樣率,用μ值約束jitter采樣抽稀數(shù)據(jù),40 m≤ΔS≤280 m,炮點(diǎn)距變化步長為40 m,ΔS共有8種取值(ΔS=40、80、120、…、240、280 m)、8種取值采樣率,4575炮,平均道密度約6.25萬道/km2.利用閾值類算法對Gs3數(shù)據(jù)體非規(guī)則數(shù)據(jù)重構(gòu),形成觀測系統(tǒng)Gs4數(shù)據(jù)體,Gs4觀測系統(tǒng)為：道距ΔR采用固定值,ΔR=160 m;炮點(diǎn)距ΔS采用多采樣率,用μ值約束jitter加密采樣,40 m≤ΔS≤200 m,炮點(diǎn)距變化步長為40 m,ΔS共有5種取值(ΔS=40、80、120、160、200 m)、5種取值采樣率,6081炮,在Gs3基礎(chǔ)上增加了1506炮.圖2a、b、c、d、e、f分別是Gs2、Gs3、Gs4對應(yīng)的PSDM剖面及三維立體PSDM圖.從剖面上看,Gs2對應(yīng)的PSDM剖面在鹽丘陡傾角邊界或斷層形成的偏移噪聲能量強(qiáng)、截?cái)嗔怂降貙臃瓷?鹽丘以下深層噪聲較大;相同道密度情況下,Gs3對應(yīng)的PSDM剖面鹽上偏移噪聲偏弱,鹽下信噪比提高,Gs4對應(yīng)的PSDM剖面鹽上偏移噪聲最弱,鹽下信噪最高;從立體成像圖可以看到Gs2整體偏移噪聲最強(qiáng)、Gs3偏移噪聲變?nèi)?、Gs4偏移噪聲最弱.PSDM剖面以及成像立體圖對比結(jié)果說明,在相同道密度情況下,多采樣率數(shù)據(jù)成像偏移噪聲弱于規(guī)則采樣,成像信噪比、成像精度高于規(guī)則采樣;在高信噪比情況下,數(shù)據(jù)重構(gòu)能夠進(jìn)一步提高多采樣率數(shù)據(jù)成像精度、提高成像信噪比.

圖1 三維數(shù)值模擬SEG鹽丘速度模型及切片(a) 速度模型; (b) 典型速度切片.

圖2 PSTM剖面及立體切片(a)、(b)、(c)分別是規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gs2、多采樣率觀測系統(tǒng)Gs3以及多采樣率觀測系統(tǒng)非規(guī)則重構(gòu)后Gs4對應(yīng)的PSDM剖面; (d)、(e)、(f) 分別是Gs2、Gs3、Gs4對應(yīng)的PSDM成像立體圖.

2021年完成中國西部某盆地多采樣率地震勘探技術(shù)試驗(yàn),傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)采用正交觀測系統(tǒng),觀測系統(tǒng)用Gy1表示,道距ΔR=40 m,炮點(diǎn)距ΔS=40 m,面元為20 m×20 m,接收線距ΔRL=160 m,炮線距ΔSL=160 m,726次覆蓋,道密度約181.5萬道/km2.多采樣率觀測系統(tǒng)用Gy2表示,用μ值約束jitter采樣布設(shè)檢波點(diǎn)位置.道距取值范圍：10 m≤ΔR≤70 m,道距變化步長為1 m,ΔR共有61種取值(ΔR=10、11、12、…、68、69、70 m)、61種取值采樣率;炮點(diǎn)距ΔS=40 m;最小面元為5 m×20 m,最大面元為35 m×20 m;接收線距ΔRL=160 m,炮線距ΔSL=160 m,平均覆蓋次數(shù)726,平均道密度約181.5萬道/km2.

圖3是Gy1、Gy2檢波點(diǎn)分布圖(局部),藍(lán)色點(diǎn)是Gy1檢波點(diǎn),道距ΔR=40 m;紅色星號是Gy2檢波點(diǎn),道距是變化的,ΔR=10、11、12、…、68、69、70 m.圖4是傳統(tǒng)規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1、多采樣率觀測系統(tǒng)Gy2不同道距與不同取值道距個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖,紅色矩形點(diǎn)框?qū)?yīng)Gy1,說明Gy1道距是常量;藍(lán)色棒狀圖對應(yīng)Gy2,可以看出不同取值道距個(gè)數(shù)呈現(xiàn)正態(tài)分布.

圖3 規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1、多采樣率采樣觀測系統(tǒng)Gy2檢波點(diǎn)分布圖Gy1檢波點(diǎn)是藍(lán)色點(diǎn),道距ΔR=40 m;Gy2檢波點(diǎn)是紅色星號,道距是變化的,ΔR=10、11、12、…、68、69、70 m.

圖4 規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1(紅色矩形點(diǎn)框)、多采樣率采樣觀測系統(tǒng)Gy2(藍(lán)色棒狀圖)道距(點(diǎn)距)與不同取值道距(點(diǎn)距)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖5a、b分別是Gy1、Gy2對應(yīng)的炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖,由于是高密度、寬方位觀測系統(tǒng),兩者炮檢距-道數(shù)分布總體趨勢相同,但是規(guī)則采樣Gy1炮檢距-道數(shù)分布具有臺階狀特征,而多采樣率采樣Gy2炮檢距-道數(shù)分布具有漸變、連續(xù)的特征,更有利于復(fù)雜波場、特別是繞射波、散射波的連續(xù)、充分采樣.圖6a、b分別是Gy1、Gy2對應(yīng)的方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖,同樣由于采用高密度、寬方位觀測系統(tǒng),兩者方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布總體趨勢相同,規(guī)則采樣Gy1方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布出現(xiàn)毛刺狀特征,不利于復(fù)雜波場連續(xù)、充分采樣,而多采樣率采樣Gy2方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布具有連續(xù)的特征,利于復(fù)雜波場連續(xù)、充分采樣.圖7a、b分別是Gy1、Gy2對應(yīng)的方位角-炮檢距-道數(shù)玫瑰圖(局部),相鄰?fù)膱A徑向距離30 m、切向按照每隔5°剖分.圖中不同顏色代表不同取值炮檢距的道數(shù),白色方塊表示缺失地震道.由圖可見,規(guī)則采樣Gy1在0°～360°之間大量缺失炮檢距小于1000 m的地震道,而多采樣率采樣Gy2在inline方向上缺失炮檢距小于400 m的地震道;在crossline方向上,缺失炮檢距小于1000 m的地震道(與炮點(diǎn)距不變有關(guān)).顯然,與多采樣率采樣Gy2相比,規(guī)則采樣Gy1缺失中小炮檢距地震道的情況更加嚴(yán)重,多采樣率采樣更加有利于中淺層、陡傾角斷面及地層等的反射波或繞射波、散射波充分采樣與高精度成像.

圖5、圖6、圖7對比結(jié)果充分說明,在相同道密度情況下,多采樣率采樣觀測系統(tǒng)炮檢距、方位角分布在繼承規(guī)則采樣對地震波場連續(xù)、均勻、對稱采樣的同時(shí),更有利于復(fù)雜地震波場、繞射波等弱能量地震信號的無假頻充分采樣.

圖8a、b分別是規(guī)則采樣、多采樣率采樣單炮記錄,兩張記錄沒有明顯區(qū)別,背景噪聲都比較強(qiáng)、有效反射時(shí)隱時(shí)現(xiàn),多采樣率采樣沒有明顯優(yōu)勢.圖9a、b分別規(guī)則采樣、多采樣率采樣數(shù)據(jù)的速度譜及道集,道集位于構(gòu)造傾角較大的位置(圖10紅色倒三角位置).與規(guī)則采樣相比,多采樣率數(shù)據(jù)速度譜能量聚焦好、道集信噪比高.圖10a、c是規(guī)則采樣PSTM剖面,圖10b、d是多采樣率采樣PSTM剖面,分別對比(a)與(b),(c)與(d),多采樣率采樣PSTM剖面信噪比高于規(guī)則采樣PSTM剖面,主要原因是規(guī)則采樣數(shù)據(jù)高頻信息出現(xiàn)空間假頻,在資料處理時(shí)出現(xiàn)偏移噪聲污染了PSTM剖面;對于中淺層成像精度、高陡地層以及斷面成像精度、斷點(diǎn)繞射收斂情況,多采樣率采樣PSTM剖面成像精度高于規(guī)則采樣PSTM剖面,主要原因是多采樣率采樣對于弱能量繞射波能夠充分采樣,偏移處理時(shí)有利于能量聚焦收斂.剖面(c)、(d)位于工區(qū)邊緣,資料覆蓋次數(shù)較低,多采樣率采樣成像精度優(yōu)勢更加明顯.圖11a、b分別是規(guī)則采樣、多采樣率采樣PSTM時(shí)間切片,對比結(jié)論與圖10相同.

圖5 炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖(a) 規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖; (b) 多采樣率采樣觀測系統(tǒng)Gy2炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖.

圖6 方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖(a) 規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖; (b) 多采樣率采樣觀測系統(tǒng)Gy2方位角-中點(diǎn)個(gè)數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖.

圖7 方位角-炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖(a) 規(guī)則采樣觀測系統(tǒng)Gy1方位角-炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖; (b) 多采樣率采樣觀測系統(tǒng)Gy2方位角-炮檢距-道數(shù)分布統(tǒng)計(jì)圖.不同顏色代表不同道數(shù).

圖8 不同采樣方式單炮記錄(a) 規(guī)則采樣Gy1單炮記錄; (b) 多采樣率采樣Gy2單炮記錄.

圖9 速度譜及道集記錄(a) 規(guī)則采樣Gy1速度譜及道集記錄; (b) 多采樣率采樣Gy2速度譜及道集記錄.

圖10 不同采樣方式PSTM剖面(a)、(c) 規(guī)則采樣Gy1的兩條PSTM剖面; (b)、(d) 多采樣率采樣Gy2的兩條PSTM剖面.其中(a)與(b)位置相同,(c)與(d)位置相同且不滿覆蓋.

圖11 不同采樣方式時(shí)間切片(a) 規(guī)則采樣Gy1時(shí)間切片; (b) 多采樣率采樣Gy2時(shí)間切片.

5 技術(shù)優(yōu)勢

多采樣率地震勘探技術(shù)(MrSET)主要有7個(gè)方面技術(shù)優(yōu)勢：

(1)大概率逼近對復(fù)雜波場、弱能量繞射波、散射波等的充分采樣,為高精度成像提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

(2)小取值空間采樣間隔(大取值采樣率)的存在,拓寬了Nyquist空間波數(shù),使折疊頻率提高、進(jìn)一步保護(hù)了相對高頻信號,拓展了有效頻帶寬度,有利于提高成像精度、有利于提高橫向分辨率.

(3)有利于壓制高頻偏移噪聲,特別有利于提高陡傾角地層、斷面等成像精度.

(4)非規(guī)則采樣能夠更多捕捉到特殊地質(zhì)體繞射波、散射波等信息,有利于特殊地質(zhì)體高精度成像處理,如斷溶體、砂體、不整合等等高精度成像處理.

(5)多采樣率對應(yīng)多個(gè)折疊頻率,減弱了規(guī)則采樣折疊頻率能量強(qiáng)、污染大的現(xiàn)象.多個(gè)折疊頻率相互干擾、能量減弱甚至呈現(xiàn)隨機(jī)噪聲特征,有利于信噪分離處理.

(6)不同取值空間采樣間隔的存在,滿足了中淺層、深層多層系立體勘探的要求.

(7)有利于提高近地表結(jié)構(gòu)反演精度,有利于偏移速度場建模.

6 結(jié)語

多采樣率采樣組合了傳統(tǒng)規(guī)則采樣以及隨機(jī)采樣、非均勻采樣、非規(guī)則采樣等采樣方式;多采樣率地震勘探技術(shù)在遵循“整體均勻、局部隨機(jī)”設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上,繼承了傳統(tǒng)規(guī)則采樣“充分、均勻、對稱”采樣優(yōu)勢.多采樣率地震勘探技術(shù)是高精度、高保真地震勘探技術(shù),將有巨大潛力成為(陸上、海洋)節(jié)點(diǎn)地震勘探時(shí)代常規(guī)技術(shù).

致謝感謝審稿人對完善本文提出的寶貴的具有建設(shè)性的意見和建議,感謝東方地球物理公司采集技術(shù)中心閆智慧、何寶慶、侯喜長、雷云山、張純、韓明怡、盛潔、楊曉玲、皮紅梅等同事提供的幫助.