时频～炮检距域面波衰减方法及应用

杨兆斌,张铭记,贾正虹

(1.东方地球物理公司研究院,河北涿州 072750;2.东方地球物理公司 东部勘探事业部长庆经理部,陕西西安 710021;3.东方地球物理公司 物探技术研究中心,河北涿州 072750)

时频～炮检距域面波衰减方法及应用

杨兆斌1,张铭记2,贾正虹3

(1.东方地球物理公司研究院,河北涿州 072750;2.东方地球物理公司 东部勘探事业部长庆经理部,陕西西安 710021;3.东方地球物理公司 物探技术研究中心,河北涿州 072750)

面波以低频强能量为特征,数据处理中常用的面波衰减技术有:频率滤波、F-K滤波和速度滤波等。由于面波特殊的频散现象,使得上述方法的应用效果受到一定的影响。基于面波的特征随炮检距变化这一特点,提出一种时频～炮检距域面波衰减方法:①对单炮记录中的面波区域做Fourier变换或时频分析,了解面波频率随时间和炮检距的变化规律;②设计随炮检距变化的滤波器,并对地震数据进行处理;③采用减去法分析所去除的面波部份,迭代调整滤波器的参数;④确定最佳的随时间～炮检距变化压制面波参数,以保证在压制面波的同时,不损失反射波的低频信息。这些方法在点接收的高密度数据处理中经过应用,已达到了预期的效果。

面波衰减;时频～炮检距域;高密度;点接收;滤波

0 前言

面波是由震源产生的沿地面传播的波,其垂直分量由瑞雷波组成。面波的强度及传播规律与激发参数有关,也与近地表的环境和条件相关。对于陆上地震勘探中最常见的干扰波,在采集设计中通过优选激发条件和多检波器组合来衰减面波。在数据分析方面,学者们进行了相关的研究[1、2],如采用分频方式研究面波的频散现象,即相速度与频率的关系,为利用面波进行近地表结构研究提供了依据。在数据处理中,面波压制技术取得了明显的进展:Saatcilar等[3]认为面波是振幅与频率的调制后的波场,采用线性频率调制滤波方法压制面波,对信号的影响较小;李卫忠等[4]提出一种波场变换方法,利用中值滤波分离面波和有效波,在压制面波的同时,保护了低频反射波的能量;蔡希玲[5]提出的分频自适应检测异常噪声的技术,可以用于衰减强能量的面波,其分频技术的运用提高了压制噪声中信号的保真度;王在民等[6]利用小波变换进行分频,在低频带内用平均能量法识别和压制面波,取得了良好的效果。

目前,随着高密度地震勘探的兴起,野外采用了数字检波器和点接收的方式。由于野外不组合原始数据中的面波及其发育,因此,我们应重新认识数据中面波的特点和分布规律,并采取有效方法衰减面波。

作者在本文中简要分析了在自由表面附近产生的瑞雷面波及其特点,说明了面波的频散特性及波形随传播距离变化的规律,为压制面波的方法研究提供了理论基础。同时通过实际数据,展示了目前高密度采集数据中的面波特征及其影响。在此基础上,作者提出时频～炮检距域的面波压制方法,尽量保证在衰减面波的同时,减少对低频反射信号的损失,这在实际数据的应用中,取得了较好的效果。

1 瑞雷面波及其特点

在弹性分界面上形成的反射波和折射波,随着时间的增加向整个弹性空间的介质内传播,统称为体波,是地震勘探研究的重点。相对于体波而言,在弹性分界面还存在着一种波动,从能量上来说它们只分布在弹性分界面附近,被称为面波。分布在自由表面附近的面波被称为瑞雷(Rayleihg)面波,瑞雷面波包含P波与SV波二种成份,其形成可以用波动方程做严格的推导[7]。

经研究结果表明[8],在自由表面附近,瑞雷波传播速度与频率无关,以面波形式传播的振动,在传播过程中不受频散畸变。但是,实际介质表面并非完全“自由”,而是在其上还存在一个非弹性的覆盖层(例如地面上的表土层)。当考虑到此覆盖层的质量时,瑞雷波的性质会有所变化。这时,瑞雷波变为频散波,传播速度成为频率的函数。疏松覆盖层的存在是导致瑞雷面波频散的原因,即常规地震勘探中观测到的瑞雷波,总是具有很明显的频散特征的原因。

瑞雷面波的传播速度,取决于地面介质的弹性常数,但通常小于横波的传播速度。由于介质的弹性参数随深度而增大,所以瑞雷波的传播速度也随深度的增加而增大。

由理论分析可知,瑞雷波的质点运动轨迹在xoz平面内为一个逆进的椭圆,是一种椭圆极化波。它的波剖面为一摆线,故又称为地滚波。瑞雷波是一种低速、低频波,其频谱不包含尖锐值,占据一定的频带范围。对实际介质来说,在地表面附近,特别是地震勘探中的降速带底面附近,介质的弹性常数变化急剧,因而瑞雷面波的速度随波长而改变,具有频散性质,波形也随传播距离而变化。

2 高密度采集数据中的面波

在工程勘探中,面波作为有效波来研究近地表特征的变化,解决工程地质中的问题。对于油气勘探中观测的地震数据,面波是被作为一种主要的干扰波。通过对面波的提取、分析与研究,概括起来,面波具有以下特征:

(1)能量强、频率低。

(2)沿地表水平方向传播,其振幅在深度方向上按指数规律衰减,其能量分布在仅限于距地面为二倍瑞雷面波的波长范围的薄层以内。

(3)瑞雷面波质点位移的轨迹是一个椭圆,其垂直位移分量比水平位移分量超前π/2相位。

(4)对于半无限空间弹性介质,瑞雷面波没有频散现象,不同频率的瑞雷面波传播速度相同。

(5)对于层状介质,在自由表面的瑞雷面波具有频散现象,即传播速度与波的频率有关。

(6)视速度有规律地随传播速度的变化而变化,反映在地震记录中,同相轴并非是一簇直线,而是一簇曲线。

因此,在中深层地震勘探中,面波的影响范围较大,必须有效地消除其影响。

在高密度勘探中,面波有可能被无假频采样,故面波在原始记录中有较好的连续性。图1(a)(见下页)为华北地区高密度试验线中单炮记录,道距为5m,数字检波器单点接收,面波被充分采样,具有明显的特征和很强的能量,是该区资料中最典型的干扰波。如果不作面波压制,按照常规的方法叠加,其结果如图1(b)(见下页)所示,即使在叠加剖面上,面波仍有极强的能量与规律性。

图2(a)(见下页)为我国中部地区某煤田高密度采集的原始单炮记录,图2上部的曲线为炮检距,面波的出现规律与炮检距分布相关。图2(b)为图2(a)对应的F-X谱,从频谱中也能够看到面波的特征与炮检距的关系。面波严重干扰了近炮检距的有效信息,影响AVO分析、叠前信息提取及叠前偏移等方法的应用效果。

高密度勘探的目的,是为了获得更高的高分辨率。为了提高分辨率,必须拓宽有效信号的频带宽度,向低频拓展的范围比向高频端拓展同样的范围所带来的益处更大。这是因为向低频拓展更易于提高地震子波频带的相对宽度,从而减少子波的周期数,在波阻抗反演中,更有利于薄储层分辨和解释。此外,强能量面波的存在,会给后续的振幅补偿,地表一致性处理等带来负面的影响〔9]。由此可见,在高密度数据处理中,采取有效方法压制面波是一项重要的工作。

3 时频～炮检距域面波压制方法及实现步骤

常用的消除面波的方法包括一维高通滤波、二维F-K滤波、小波变换压制面波和波场分离等。这些方法利用了面波与有效波在某一特征上的差异来压制面波,这在实际应用中均有效果,但也存在着一些局限性。我们根据高密度采集数据中面波的特点,即面波的振幅、频率、速度是随时间和炮检距方向变化的,提出频率随时间和炮检距变化的面波压制方法,较好地保护了低频有效信号,也提高了压制面波的准确度。

图1 高密度地震记录Fig.1 H igh density seism ic data

图2 煤田高密度三维数据及其频谱Fig.2 3D seism ic dataw ith high density from coalm ine

为了更细致地研究高密度采集数据中面波的分布特点,这里选出三维数据中含有面波的排列分析,并进行Fourier变换,仅显示50 Hz以内的中低频成份。图3为七个排列数据的频谱,在近排列的小炮检距上,面波能量强,频带宽。随着炮检距的增大,面波能量减弱,频率降低。所以,有必要以时变、空变、频变的方式压制面波。

同样,也可以采用频率扫描的方法,分析面波的能量、频率随炮检距的变化规律。运用低通与高通相结合的方法,来分析面波的规律,滤波参数和滤波因子如表1所示。针对数据中面波的不同特征,滤波参数可做适当的调整。

通过对面波区域的频率分析与分频扫描,确定出不同炮检距范围内的面波特征,就可以有针对性地设计滤波器,对数据中的面波进行处理。本文中的方法考虑了面波能量、频率随炮检距变化的特点,在面波出现的区域里,对于不同的时间T、不同的炮检距,设计出不同的频率滤波器,以不同的滤波参数压制面波,较好地压制了不同频率、不同强度的面波干扰。

图3 地震数据的F-X谱Fig.3 F-X spectrum of seism ic data

表1 面波分析的参数和滤波因子(LP为低通滤波,HP为高通滤波)Tab.1 The filterparam eters for ground ro ll analysis(LP indicates low pass filtering and HP for high pass filtering)

图4(见下页)为不同炮检距对应的滤波因子。在炮检距20m～1 000m的范围内,设计了八个不同参数的滤波器,以适应面波频率的变化。在没有面波的炮检距范围,不做任何处理,这样就可以研究面波随时间的变化规律,设计时变的滤波器,在没有面波的时间段,如炮检距较大的区域,保持原数据的特征。在面波出现的区域内,根据面波的频带范围,应用合适的参数衰减面波,这样就实现了T-F-X域的面波压制,较好地保持了数据中的低频成份,最大限度地压制面波干扰。

实现步骤:

(1)对单炮记录中的面波区域做Fourier变换或时频分析,了解面波的频带范围及频率随时间和炮检距的变化规律。

(2)根据面波的特征,设计时间随炮检距变化的滤波器,并对地震数据进行处理。

(3)采用减去法观察所去除的面波部份,通过对去除后的低频数据分布规律的分析,调整滤波器的参数。

(4)对面波进行迭代处理,确定最佳的T-FX域的滤波器,保证在压制面波的同时,不损失反射波的低频信息 。

4 应用实例

时频～炮检距域面波衰减方法经软件实现后,可应用于实际高密度数据处理中。

图5(a)为煤田高密度三维数据近排列的原始单炮记录;图5(b)为压制面波后的结果;图5(c)为去除的面波,不含低频反射信号。

图6(a)(见下页)为该三维数据中远排列的原始单炮记录;图6(b)为压制面波后的结果;图6(c)是去除的面波。

图4 不同炮检距对应的滤波因子(随序号的增加,炮检距增大)Fig.4 The filters in differentoffsetswhich increase as the sequence num bers increase

图5 单炮记录及去噪效果Fig.5 Shot data and ground ro llattenuation

由于该方法根据不同炮检距的面波特点做了针对性处理,使远排列、近排列的面波都得到了较好地压制,所以对三维数据有良好的适应性。

5 结论与认识

在高密度点接收的地震数据中,面波非常发育,频散现象明显,表现为视速度变化的一簇曲线,严重影响了地震数据的品质,所以有效地压制面波是高密度数据中的首要工作。作者在本文采用时频～炮检距域压制面波方法,可以根据数据中面波的能量、频率随时间和炮检距变化的特点设计滤波器,具有良好的针对性,能够合理地保持有效信号的低频成份,对于高密度地震数据处理,低频勘探等方面具有现实意义。

[1]N IGEL A,ANSTEY.W hatever happened to ground ro ll[J].The Leading Edge,2003,(3):40.

[2]CHOON B PARK,R ICHARD D M ILLER,JIANGHA I X IA.M u ltichannel analysis of surface waves[J].Geophysics,1999,64(3):800.

[3]SAATC ILAR R,NEZIH I CAN ITEZ N.A m ethod of ground roll elim ination[J].Geophysics,1988,57(3):894.

[4]李卫忠,张明振,王成礼,等.压制面波的波场分离方法[J].石油地球物理勘探,1998,35(5):679.

[5]蔡希玲.声波和强能量干扰的分配自适应检测与压制方法[J].石油地球物理勘探,1999,34(4):373.

[6]王在民,李莉,朱鹏飞,等.用平均能量法分频识别和压制面波[J].新疆石油地质,2005,26(6):653.

[7]单娜琳,程志平,刘云桢.工程地震勘探[M].北京:冶金工业出版社,2006.

[8]孙成禹.地震波理论与方法[M].北京:中国石油大学出版社,2007.

[9]蔡希玲,贺振华,黄德济.异常噪声对叠前多道处理的影响[J].石油物探,2002,41(1):84.

P 315.3+1

A

1001—1749(2011)01—0030—06

2010-07-01 改回日期:2010-09-16

杨兆斌(1962-),男,工程师,从事地震数据处理工作。