江汉水网地区多震源地震资料匹配处理方法研究

2014-12-23刘保林夏洪瑞

江汉石油职工大学学报 2014年1期

刘保林，郑军，夏洪瑞

（中国石化石油工程地球物理有限公司江汉分公司，湖北潜江433199）

0 引言

江汉平原除长江和汉江等大型河流水域穿过外，众多湖泊分布和聚集城镇形成了独特的施工环境，给野外施工采集造成了很大的障碍，野外施工就不得不采用多种不同类型的震源，但这种施工方法引起以下问题:一是震源类型种类多；二是检波器埋置制约大；三是观测系统变化多，覆盖次数不均匀性大。

随着采集仪器和辅助设备的日新月异，在复杂区和“空白区”寻找突破口，成了许多老油田进一步发展和生存的希望，但受地表多种因素制约，多震源联合施工逐渐成了江汉水网地区独特的施工方式，处理剖面缺口小，覆盖次数更加均衡，是这种采集方式的优点。由于多震源激发产生的子波频率、相位和振幅强度上存在较大差异，以往处理中，往往是通过时差校正、零相位反褶积和AGC振幅均衡等破坏性手段，来消除子波间的差异，不但改变了地表横向上的真实频率变化，更不能客观反映地表岩性变化和振幅强弱变化，不利于后续岩性解释。针对以往处理中的不足，我们提出了一种根据可控震源和炸药震源的子波差异，来匹配两者间的频率和相位差异，再结合振幅值运算，可科学合理的解决可控震源和炸药震源重叠段的叠加成像难题。

1 不同震源资料特征

为了获得更全、更真的地下资料，炸药震源和可控震源交替施工，在江汉近年来的勘探中已经越来越普遍，且可控震源所占比重也越来越大，占整个工区资料20%以上。

1.1 可控震源

可控震源所产生的信号频谱和基本特性可以人为控制，不仅在设计震源扫描信号时避开某些干扰频率，还能使地层对地震信号的吸收作用进行补偿，这是炸药震源难于做到的。所以利用可控震源进行地震勘探可以获得满足地质勘探需要的资料信噪比和信号分辨率。

可控震源频宽是受可控震源机械－液压系统限制，即信号频率宽度有限，其最低频率大于可控震源振动器所能激发信号的最低频率；最高频率不能超出振动器所能激发信号频率的上限，且要求信号具有良好分辨率的零相位相关子波。这类信号的振幅应为均衡振幅，其中应用较为广泛的就是线性扫描信号，这种信号具有相对稳定的振幅，信号频率随时间表呈线性变化，它的数学表达式为［4］:

式中，A（t）为扫描信号，S（t）的振幅包络函数。扫描信号在开始和结束时时，信号幅度有一逐渐变化的部分称为过渡带或斜坡，T1称为斜坡长度。F1为扫描信号的起始频率，即为震源开始扫描振动时的瞬时频率，k称为扫描信号频率变化率，简称为扫描速率，它表示单位时间内扫描信号频率的变化，TD为扫描信号持续时间，TD为扫描振动持续时间，称为扫描长度，式（1）中若取正号时，则扫描瞬时频率随时间的增长而升高，这种扫描称为升频扫描，若取负号，则扫描瞬时频率随时间的增加而降低，称为降频扫描。

我们知道可控震源相关记录并不是地震信号采集质点上真实运动波形，而是可控震源原始记录与参考信号相关程度曲线，是数学运算的结果，但这种相关记录和用炸药震源所得到地震记录一样，它包含了必要的地震勘探信息，如地震波旅行时间，反射波信号能量强度和反射波极性等有用信息。而利用诸如。图1是扫描频宽为8Hz～110Hz的线性扫描可控震源记录，面波少、视频率高是其最主要特点。

图1 可控震源记录

1.2 炸药震源

炸药震源所得到的地震记录则是由一系列反射子波组成，这些反射波形则反映了采集质点处真实振动波形，根据波动理论研究，认为地震波的传播实际是能量的传播，它与波通过的介质体积W，波动振幅A的平方，波的频率f的平方，以及介质密度ρ成正比，即［1］E∝ρA2f2 w。

炸药震源是持续时间很短的脉冲信号，其信号函数不可预知，信号频谱较宽，信号振幅能量相对较强且高度集中，但频率成分难以人为控制。图2是胶泥中激发的炸药记录，频宽超过120Hz，频率成分从低频到高频非常丰富，能量呈线性衰减趋势，各种噪声较发育。

图2 炸药震源记录

2 不同震源匹配处理

炸药震源记录在仪器一致性炮击试验后就设置为“初至”下跳（SEG标准）；但可控震源相关记录中的各个反射相关子波的最大波峰出现时刻对应于脉冲震源反射子波的到达时刻，而不是相关子波的“初至”，从极性的起跳划分看，初至往上跳［2］。这就造成了在同一桩号施工时，对同一地下反射界面，两种震源记录会产生完全相反的相位差异。

如果这种差异大于90度，在多次叠加成像时，它们往往彼此抵消，但更多情况下，会产生“串相位”或者“相位错断”现象，使资料解释造成不必要的断层假象；剖面上的横向频率变，也会给解释人员误认为地表岩性突变的一种误解。

2.1 不同震源子波差异

可控震源和炸药震源的激发特点，决定了两者子波在振幅、频率和相位上的差异:从振幅能量分析，炸药震源激发后能量瞬间达到最大，并随时间和距离的增加逐渐衰减，而可控震源相关记录能量呈平稳趋势，在数量级上，可控震源是炸药震源能量的107倍～109倍（见图3）；在频率上，可控震源记录低频和高频可人工设置，而炸药震源高低频与激发岩性、含水饱和度、炸药密度、采样率等多种因素有关；从相位特性上分析，可控震源是零相位，炸药震源是最小相位（见图4）。

图3 同一桩号激发能量对比

图4 同一桩号激发相位对比

2.2 子波匹配处理技术

子波处理技术是一致性处理中的重要环节，它是伴随采集技术发展而发展，随着勘探领域扩展，多震源联合施工普及，子波匹配处理技术越发重要。子波匹配的处理方法很多，文中只介绍其中几种:

2.2.1 利用声波测井资料求取子波

它是基于最小平方意义下最佳逼近地震记录法［2］:

其中，A－反射系数自相关0M～2M，W子波（－M）；C－记录与反射系数互相关M－（－M）。

子波求取与地震记录信噪比和测井数据质量有关，测井深时转换中的误差直接影响子波精度。在资料处理中，该方法很难实现和推广，且应用范围仅局限于井位，但在后期井位验证时，该方法精度和可靠程度均较高。

2.2.2 直接从地震道上统计提取子波

从地震剖面上选取信噪比高的叠加段，多道统计平均子波，如工区范围较小且信噪比较高，该方法较简单实用，当工区范围大，会改变地震反射波组特征。该方法没有考虑炸药震源和可控震源在结合部位激发的子波真实差异，易形成假构造和“合成”构造，不利于后续解释要求。

2.2.3 子波匹配处理新方法

2.2.3.1 振幅的子波匹配处理

众所周知，炸药震源是一种高能量瞬间释放，而可控震源是一种低振幅，通过延续时间积累能量（总激发能量是激发时间的积累），这种采集方式上的变化，造成了可控震源和炸药震源在振幅能量上的巨大差异。这种差异是可以量化的，对同一工区，在采集参数稳定的情况下，这种记录上的振幅差异可以通过振幅样点值数学运算来初步解决:

图5是相同振幅区间上显示的可控震源和炸药震源记录，从肉眼上，能明显感觉炸药震源能量值远远大于可控震源，这种差异在不同地域有不同的变化，新疆沙漠地区一般为107，而江汉水网区一般为109，通过样点值的振幅预处理后，我们可以得到振幅范围趋于一致的地震记录（见图6），再经过真振幅恢复、地表一致性振幅、地表一致性反褶积等一致性处理，为后续保真保幅处理打下坚实的基础。

图5 振幅处理前

图6 振幅处理后

2.2.3.2 相位和频率的子波匹配处理

子波匹配处理技术，是在炸药震源和可控震源叠加重复段上，根据叠加重复段的相位和频率差异，来提取两者的匹配子波，它不需要考虑资料信噪比的好坏。该方法是互逆的，即它可以使炸药震源向可控震源子波匹配，也可以使可控震源向炸药震源匹配，从而最终得到真实可靠的成像结果。该方法既可以在原始记录上实现，也可以在叠加重复段上完成。

从图3资料中，我们分别提取炸药震源和可控震源的子波，仅从子波上，两者最明显的差别首先是子波的时移差异，可控震源的波峰起跳点比炸药震源波峰起跳点早7ms（见图7），当然，这种差异值并不是一成不变的，该方法最大优点就是不需要测算这种差异。

图7 不同类型子波

图8是可控震源以炸药震源为基础，提取的匹配子波因子。图9是可控震源应用匹配子波因子后生成的新的子波，从应用效果看，可控子波无论是相位，还是频谱特征，更加接近炸药震源的子波特性。

图8 炸药和可控震源的匹配子波

图9 匹配后

通过振幅差异的预处理和匹配子波的合理提取应用，能更加真实地反映地下界面的反射特征，同时较好解决了炸药震源和可控震源的子波频率和相位的差异，图10是子波匹配处理方法的基本流程。这种方法改变了以往处理中对波形特征的“损坏性”，而且应用范围广，能更客观真实的反映地下界面的波组特性，从近两年的生产实践应用上，对提高“禁炮区”敏感地段叠加成像品质，提供了更可靠的处理新方法。

图10 匹配滤波处理流程

3 处理效果分析

可控震源与炸药震源在资料的信噪比、分辨率上存在一定的差异，尤其在叠加上会产生频率、相位上的不一致。图11是可控震源和炸药震源交替施工的叠加剖面，图中可控震源叠加段频率要明显高于炸药震源，且在交接处存在明显的相位错断；采用匹配滤波后，使可控震源和炸药震源的初始相位达到相同起跳，能解决频率和相位的不一致，使层位波组接触关系更加连续和清晰（见图12）。