多种频率成分工业电干扰的压制算法及其应用

陈可洋

（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712）

多种频率成分工业电干扰的压制算法及其应用

陈可洋

（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712）

为了解决现行工业化软件中工业电干扰压制处理的计算效率和处理精度较低的问题，提出并推导了一种压制多种频率成分工业电干扰的新算法。该算法采用余弦函数组合近似逼近工业电干扰，根据最小二乘法最优逼近和归一化互相关系数实现多种频率成分工业电干扰的自动识别与自适应压制。在理论合成数据和松辽盆地CD地区的地震资料工业电干扰压制中进行应用，其结果表明，新算法的保幅性较好，信噪比较高，在勘探成熟区的高保真叠前地震资料预处理方面具有较好的推广应用价值。

保幅预处理；工业电干扰；多种频率成分；自动识别与自适应压制；理论模型分析

0　引言

在松辽盆地勘探成熟区，地震资料品质受到密集电网电磁场的影响，形成的工业电干扰将叠加在野外采集的地震资料中，这种工业电干扰的频率约为50Hz，且与有效地震反射信号的优势频带重叠，进而降低了原始资料的信噪比。同时，工业电干扰主要表现为单频特征，从浅层到深层，其相位、振幅和频率均基本保持不变［1］。因此，如何高保真、高效地识别和压制工业电干扰是当前地震资料保幅预处理中一个重要的技术问题［2］。早期采用的快速简便的方法是带限滤波法，其缺陷是丢失了工业电干扰频率附近的有效地震信号，不利于保幅处理。为此，针对如何更好地压制工业电干扰以满足保幅预处理的要求，国内外许多学者提出了多种新的处理思路：正余弦型函数逼近方法［3-4］、线性调频谱消除方法［5］、基于互相关理论的单频干扰压制方法［6］、时间域单频干扰波压制方法［7］、Chirp-Z变换谱分析压制方法［8］、独立分量分析压制方法［9］等。这些方法均对已知含有工业电干扰的地震道进行识别与压制，且应用效果较明显，但是对于输入的任意地震道是否含有工业电干扰却无法进行自动识别，也无法达到工业化推广应用的目的。目前，常用的工业电干扰识别方法具有一定的局限性，且发展较为缓慢，主要思路是在共检波点域计算均方根振幅能量基础上［10-11］，再利用人工干预的方法设置门槛加以识别，但这种含工业电干扰地震道的识别与压制的计算量较大，且计算效率较低。因此，现行工业化应用软件中，仍没有一种方法能快速简便地对工业电干扰进行自动识别与压制。

在前人研究的基础上，笔者为了解决常规方法计算量大、计算精度较低的问题，探索形成一种基于归一化互相关系数的含工业电干扰地震道的自动识别与自适应的工业电干扰压制算法［12］，其处理效果优于现行工业化应用软件。在此基础上，又将其进一步发展为适应多种频率成分的工业电干扰压制的新算法，在理论模型和地震资料处理中应用效果均较明显。因此，新算法可为高精度、高保真叠前地震资料预处理提供重要的技术支撑。

1　方法原理

工业电干扰通常采用正弦函数或余弦函数表示，笔者以余弦函数为例［12］

式中：C，f和τ分别为工业电干扰的振幅（无量纲）、频率（Hz）和时间延迟（无量纲）；Δt为时间采样率，ms；i为时间采样序号。

笔者将式（1）推广到更一般的表达形式（由多种频率成分工业电干扰组成），即

式中：k为工业电干扰成分的序号；K为工业电干扰的频率成分总数量。

为了降低式（2）计算的复杂性，将该式表示为余弦函数和正弦函数的组合形式，即

式中：Ak和Bk分别为工业电干扰频率fk的余弦函数和正弦函数的振幅，无量纲。

于是，建立最小二乘目标函数

式中：Si为原始地震数据；N为分析时窗内地震数据采样点个数。

当实际地震数据与预测的工业电干扰之间的误差达到最小时，可以根据式（4）计算得到不同工业电干扰频率成分经最优化逼近后的振幅Ak和Bk以及频率fk，再根据正弦函数和余弦函数的换算关系，得到每种频率成分工业电干扰余弦函数形式［式（2）］的振幅Ck和时间延迟τk以及相位。

笔者根据归一化互相关系数的值域范围［0，1］，设置工业电干扰的自动识别门槛值［12］（通常可取为0.2），从而自动识别地震资料中某地震数据道是否含有某种频率成分的工业电干扰，这里的归一化互相关系数的计算公式如下：

对含有某种频率成分的工业电干扰记为yi，k′，将其从地震资料Si中减掉，得到多种频率成分工业电干扰压制后的有效地震信号，即

联合式（1）～（6），最终计算得到高精度保幅处理的工业电干扰压制结果。由于新算法是逐道实现工业电干扰的自动识别与自适应压制处理的，因此，与叠前道集的域无关，同时不需要人工参与识别，输入的数据要求为未做预处理的原始采集数据，这就大大简化了常规工业化软件中工业电干扰的压制流程［13］。

2　理论模型测试

为了验证笔者所提新方法的准确性和有效性，以含有不同振幅、相位和频率的工业电干扰理论合成数据为例。模型共有336道记录，每道记录共有2种频率成分的工业电干扰。图1（a）为理论合成记录中工业电干扰频率在50 Hz附近的分布情况，从左到右其频率从49.5 Hz增加到50.5 Hz，递增间隔为1/6Hz；图1（b）为理论合成记录中工业电干扰频率在100 Hz附近的分布情况，从左到右其频率从99Hz增加到101Hz，递增间隔为1/3Hz；图1（c）和图1（d）分别为理论合成记录中2种频率成分工业电干扰的振幅和相位分布情况。

图1　理论合成数据工业电干扰压制前后结果对比Fig.1 Com parison of theoreticalsynthetic data beforeand after industrial interference suppression

图1（e）为2种频率成分余弦函数组合得到的工业电干扰记录，其工业电干扰的频率、振幅及相位数据如图1（a）～1（d）所示。图1（f）和图1（g）分别为新方法自动识别和自适应压制掉的50 Hz和100 Hz附近处的工业电干扰记录。图1（h）为压制工业电干扰后的有效信号部分，且不含有残余工业电干扰。表1为新方法自动识别出部分工业电干扰振幅、频率和相位与理论值的对比，误差几乎可以忽略。分析图1和表1可知，笔者提出的新算法具有高精度识别和保幅压制工业电干扰的优点，验证了该算法的准确性和有效性。

表1　工业电干扰频率、振幅和相位的自动识别结果Table1 The automatic identification resultsof frequency，amplitude and phase of industrial interference

3　实际资料应用

以松辽盆地CD地区地震资料为例，工区内高压电线覆盖范围较广，原始地震资料中叠加的工业电干扰较为严重［14-17］。该工区面积为656.26 km2，总炮数为29 375炮，地震数据总量为1.25 TB。经统计，原始叠前炮集数据的总地震道数约为0.68亿道，并存储于一个SGY格式的文件中。由于该叠前地震数据量较大，常规的工业化软件需要人工干预和多种处理模块的串联组合，所需磁盘空间较大，计算效率较低，因而难以实现高精度、高效率地开展对含工业电干扰地震道的识别和压制处理。为此，笔者开发了一种新算法（并行计算程序）［13］，从而实现了对该工区含工业电干扰地震道的自适应识别与压制处理。

图2多种频率成分工业电干扰压制前和压制后的叠前道集Fig.2 Pre-stack gather before and after multi-frequency com ponent industrial interference suppression

图2为多种频率成分工业电干扰压制前、后的叠前道集及去掉的工业电干扰。图2（a）为CD地区叠前地震道集中的一个原始采集共检波点道集。分析可知，该叠前道集含有较强能量的工业电干扰，信噪比较低，掩盖了有效的地震反射信号。采用笔者的新算法进行多种频率成分工业电干扰的自动识别与压制处理，在处理后的结果中［图2（b）］，工业电干扰得到了有效压制，有效反射信号更加清晰，信噪比明显提高，并得到了50 Hz［图2（c）］、150Hz［图2（d）］、250Hz［图2（e）］和350Hz［图2（f）］左右的工业电干扰。

根据频谱分析［图3（a）］可知，图2（a）不仅含有50Hz左右的工业电干扰频率成分，还含有150Hz，250Hz和350Hz左右的工业电干扰频率成分，常规工业电干扰处理方法无法高精度识别和压制50Hz左右的工业电干扰频率成分，对较高频率成分的工业电干扰更难以实现自动识别与压制，而采用新算法处理后的频谱，在工业电干扰位置处过渡自然［图3（b）］，无畸变；在压制掉的工业电干扰频谱中［图3（c）］，清晰可见从50 Hz开始，以100 Hz为倍频程的工业电干扰频谱能量。

图3　多种频率成分工业电干扰压制前（a）和压制后（b）以及压制掉的工业电干扰（c）的频谱Fig.3 Spectrum before（a）and after（b）multi-frequency component industrial interference suppression and the suppressed industrial interference（c）

分析可知，工业电干扰的频率并非以整数50Hz出现，而是在50 Hz左右的一定范围内变化。由此可见，按照常规工业电干扰整数频率进行压制的做法是错误的。

图4为新算法在研究区50 Hz附近自动识别出的工业电干扰频率分布结果，红色代表工业电干扰频率小于50 Hz，蓝色代表工业电干扰频率大于50Hz。图4中展示的工业电干扰位置与该工区近地表的高压电线分布较为吻合，分析可知，在较强的高压电线网络附近，地震资料受工业电干扰的影响程度较大。由此可见，新算法具有高精度保幅处理的工业电干扰压制优点。

图4　50Hz附近自动识别出的工业电干扰频率分布Fig.4 Frequency distribution of industrial interference identified automatically around 50Hz

4　结论

（1）笔者提出了一种能够实现多种频率成分工业电干扰压制的新算法，推导了数值计算公式。与此同时，根据最小二乘最优逼近和归一化互相关系数，实现对含多种频率成分工业电干扰地震道的自动识别与工业电干扰的自适应压制。

（2）新算法是逐道实现对多种频率成分工业电干扰的压制，因此与叠前道集的域无关，且不需要人为干预，适合于海量叠前道集数据的工业电干扰处理。

（3）理论模型和地震资料应用均表明，新算法具有高精度保幅处理的工业电干扰压制的优点，因此，能够满足当前高精度、高保真叠前地震资料预处理的要求，具有较好的推广应用价值。

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（本文编辑：杨琦）

Suppressing schemeofmulti-frequency com ponent industrial interferenceand itsapplication

CHEN Keyang
（Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163712，Heilongjiang，China）

In order to solve the problemsof the low calculating efficiency and low processing precision of the current industrial interference suppression process in industrial software，this paper presented and derived a new scheme to suppressmulti-frequency component industrial interferences simultaneously.The algorithm uses a combination of cosine functions toapproximate the industrialinterference，and achievesautomatic identification and adaptive suppression ofmulti-frequency component industrial interference according to the optimal approximation of least square method and the normalized cross-correlation coefficient.Itwas applied to theoretical syntheticmodel and practical seismic data in CD area of Songliao Basin.the result shows that the proposed scheme is with perfect amplitudepreserved and high signal to noise ratio，therefore，the new algorithm can be an important technicalguidance for high precision amplitudepreserved seismic datapreprocessing inmatureexploration area.

seismic amplitude-preserved preprocessing；industrial interference；multi-frequency component；automatic identification and adaptive suppression；theoreticalmodelanalysis

P631

A

1673-8926（2015）02-0092-06

2014-10-06；

2014-12-25

国家重点基础研究发展计划（973）项目“火山岩油气藏的形成机制与分布规律”（编号：2009CB219307）资助

陈可洋（1983-），男，硕士，工程师，主要从事高精度地震波传播模拟与逆时成像、高性能集群并行程序开发、实际地震资料数字处理方法研究与应用等。地址：（163712）黑龙江省大庆市让胡路区大庆石油勘探开发研究院地震处理二室。电话：（0459）5508524。E-m ail：keyangchen@163.com。