分频分时振幅阈值去噪方法在渤海湾盆地的应用研究

董水利 ， 王 征 ， 张明强 ， 屈超银 ， 范宝仓

(1.中海油田服务股份有限公司，天津 300451; 2. 中国石油大学(华东)，青岛 266580)

0 引言

渤海油田是中国最大的海上油田，随着海洋经济的繁荣，海上钻井平台作业、过往船只、渔业活动以及沉船等会在地震资料的采集过程中引入大量外源噪声。具有双曲线特征的非线性外源噪声会降低地震资料的成像品质[1-2]。通常情况下，反射的外源噪声与有效反射波的物理特性并没有明显的差异且频率范围近乎重叠，因此应用常规的噪声压制方法很难取得理想的效果。如常规的基于Radon变换的方法[3-5]，只能去掉噪声曲线近似线性的两翼部分而其顶部曲率较大处衰减很少；在共偏移距域采用随机噪声衰减或中值滤波方法[6-7]，只有当噪声相干性很差的情况下才能取得较好效果，但往往在这些域中噪声依旧具有较好的相干性。另一种方案是将被外源噪声干扰的地震资料直接剔除掉，但重新采集会大大增加作业成本。因此，研究和应用能够有效压制外源噪声的去噪方法，特别是对于外源噪声发育的渤海地震资料具有十分重要的意义。

为此，笔者详细分析了基于有效波和外源噪声振幅和频率差异的阈值去噪方法，将其应用于渤海地区地震资料的外源噪声压制中并取得了较为理想的效果。同时，该方法还可以很好地压制近偏移距多次波。

1 外源噪声压制原理

尽管外源噪声和有效反射的频带范围近乎一致，但在不同子带范围内两者振幅存在较大差异。同时，外源噪声往往并不是分布在整个地震记录上而是出现在地震记录的部分时间段内。为此我们引入分频分时的振幅阈值去噪方法，来实现外源噪声的压制。

首先利用快速傅里叶变换(离散傅里叶变换公式(1))，将各道地震数据变换到频率域。

k=0,1，…,N-1;n=0,1,…,N-1

(1)

其中：s和S分别代表时间域和频率域的单道地震记录；N代表单道地震记录的采样点数；Δf代表频率采样间隔。

然后进一步将频率范围划分为一系列子带后分别做快速傅里叶反变换(离散傅里叶变换公式(2))到时间域，得到时间域不同频带范围的地震记录。

k=0,1,…,N-1;n=0,1,…,N-1;

i=1,2,…,M

(2)

其中：si与Si分别代表第i个子带时间域和频率域对应的单道地震信号；M代表划分的地震子带的总数量。

根据相邻地震道的有效信号在相同时窗的幅值量级相同而强侧反射噪声幅值明显强于有效信号的差异，来进行侧反射噪声的检测和压制。

对子带i的某道j的一个特定采样点m，计算以该点为中心的给定时窗WL内的样点绝对振幅值的均值作为该点的参考振幅值Air(j,m)。

(3)

以此类推，根据公式(3)计算相邻地震道在该时刻的参考振幅值Air(*,m)，并计算它们的中值Mir：

Mir(j,m)=median[Air(1,m),

Air(2,m),…,Air(j,m),…]

(4)

然后求取计算点的参考振幅值与中值的比值r并与给定阈值η进行对比。若比值小于给定阈值，则不做任何处理；若比值大于给定阈值，则将计算点幅值乘以对应的衰减系数d。

ifrir(j,m)=Air(j,m)/Mir(j,m)>η(i,t)，

si(j,m)=si(j,m)d(i,t)

ifrir(j,m)=Air(j,m)/Mir(j,m)≤η(i,t)，

si(j,m)=si(j,m)

(5)

其中：η(i,t)和d(i,t)分别为依赖于频率和时间的阈值和衰减因子。通常可将含侧反射噪声的地震道乘以衰减系数将其校正到相邻道的平均振幅水平，即衰减系数d(i,t)=Mir(j,m)/Air(j,m)。阈值因子是根据侧反射噪声与有效信号的能量强弱关系来确定范围，然后通过扫描的方式获得相对最优的阈值因子值。阈值因子值越大，侧反射噪声衰减越弱；阈值因子值越小，侧反射噪声衰减越强。每扫描一个阈值因子，需要对去噪前后地震记录做差处理，通过质控差剖面的方式，在保证有效信号不被破坏的前提下，选取相对最优的阈值因子来实现侧反射噪声的衰减。

以此类推，对不同频带范围的所有采样点进行上述操作，即可获得各子带压制强振幅外源噪声的时域结果，并将各子带结果相加即可获得最终压制外源噪声后的地震记录。其中，依赖于频率和时间的阈值和衰减算子，可以通过时间和频率方向的线性插值求得。

2 应用实例分析

2.1 外源噪声压制

图1和图2分别为渤海湾盆地某区块的压制外源噪声前、后的野外单炮记录和叠加剖面。从图1(a)和图2(a)可以明显看出，由钻机和过往船只等产生的外源噪声且其强度要强于对应的一次反射波。图1(b)和图2(b)分别展示了利用分频分时振幅阈值去噪方法压制外源噪声后得到的野外单炮记录和叠加剖面；图1(c)和图2(c)分别为去噪前后野外单炮记录和叠加剖面对应的差剖面。由图1(c)和图2(c)可以看出外源噪声得到了很好地压制且有效反射得到了很好地保持。

2.2 近偏移距多次波压制

多次波压制是海洋地震资料处理的关键。多次波的产生和地下的地质构造密切相关。根据它们的几何特征，多次波可以分为长周期和短周期。长周期多次波可以根据与一次波显著的速度差异进行很好地压制[8]，但短周期多次波由于主要集中在近偏移距且与一次波速度差异并不明显，因此压制较为困难。近偏移距多次波通常采取内切的方式来压制，但近偏移距数据的缺失会破坏数据的完整性并降低地震数据的分辨率，同时AVO分析也会受到影响。在相同旅行时的前提下，相对于一次反射波，多次波在地下传播的深度要浅，比如由海面和海底产生的多次波只在水层中传播。因此相同时窗内，多次波通常不仅能量要强于一次波而且频率要高于一次波，因此近偏移距多次波也可以用笔者所述的噪声压制方式来进行压制。

图1 炮记录Fig.1 A shot record(a)去外源噪声前；(b)去外源噪声后；(c)去外源噪声前后差值

首先利用AVO反演的方法生成噪声和一次波模型[9-10]，噪声模型中包含绝大多数近偏移距多次波和少部分有效信号。利用笔者所述方法压制完近偏移距多次波后，将剩余的有效信号回加到一次波模型中，从而获得压制近偏移距多次波后的数据。

图3 CRP道集Fig.3 A CRP gather(a)去近偏移距多次波前；(b)去近偏移距多次波后

图4 叠加剖面Fig.4 A stack section(a)去近偏移距多次波前；(b)去近偏移距多次波后

图3和4分别为渤海某区块资料压制近偏移距多次波前后的CRP道集和叠加剖面。从图3(a)和图4(a)中可以明显看出，CRP道集上近偏移距多次发育明显且多次波在叠加剖面上会产生构造假象；应用本文方法后，从图3(b)和4(b)中可以看到，道集上近偏移距多次波得到了有效地压制且多次波产生的构造假象也相应地消失了。

3 结论与建议

1)笔者所述的分频分时振幅阈值去噪方法，可以很好地压制常规方法难以取得理想去噪效果的外源噪声以及近偏移距多次波，同时能够很好地保护有效信号。

2)时窗大小、参与计算的相邻道数以及依赖于时间和频率的振幅阈值因子的选取，将直接影响噪声的压制效果，因此在去噪前要对噪声的时空分布和频率范围进行大致的确定。

3)当外源噪音与有效信号频率范围和振幅强度近乎一致时，该方法存在一定的局限性，需要开展进一步研究。

致谢

感谢中海油田服务股份有限公司允许该论文的发表与提供的支持，同时感谢中海油服物探事业部王炜工程师提供的帮助。

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