基于Curvelet域多分量阈值控制的OBC垂直分量横波噪声压制方法*

2020-06-30周家雄马光克赵昌垒

中国海上油气 2020年3期

周家雄马光克隋波徐伟赵昌垒李蓉

(1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司广东湛江 524057； 2. 斯伦贝谢科技服务(北京)有限公司北京 100014)

垂直分量上的横波噪声一般称之为“Z分量横波噪声”或“检波器噪声”，该噪声的来源复杂，目前尚无定论[1-4]。该噪声一直被认为是由于仪器设计的缺陷产生的[5]，但Carlos[6]等经过数值模拟试验认为大部分横波能量来源于海底以下的上行反射转换波，在海底表面接收到的下行转换波贡献非常小，而Paffenholz[7]则认为该横波能量主要来自与震源相关的海底扰动。垂直分量上的横波噪声的特点是在共检波点域表现为相干的低速同相轴，在炮域随机分布，其强度依赖于检波器与海底的耦合程度以及海底特征，且仅在陆检上被接收到，而水检上的横波能量几乎不存在。前人在此基础上进行了大量尝试，如采用速度滤波压制[2]、基于水陆检的相干能量分解[8]、基于相干能量指导下的波场分离[9]以及稀疏τ-p域横波压制[10-11]等，这些方法的本质均是从共检波点道集内将相干的Z分量横波噪声利用倾角及频率特征进行去除，但均有各自的缺陷，如基于速度差异的压制方法[11-13]在近偏移距会有横波噪声残留，利用上下行波分解的方法[9]在深水区适用，但在浅水区很难区分上下行波。

曲波变换(curvelet transform)是一种多尺度、多方向高维信号分析工具[14]，相较于经典的FK去噪方法，基于曲波变换的去噪对信号损伤更小，它不仅具有小波变换的多分辨率特性和时频局域特性，还具有非常强的方向性和各向异性，克服了小波变换表示边缘、轮廓等高维奇异时存在的局限性，目前在地震数据处理领域主要用于数据重构、多次波自适应匹配、偏移成像[15]等。本文主要利用曲波域的时频局部特性，在特定尺度和角度内结合阈值控制函数，将水平分量中的有效信号隔离，然后与垂直分量进行最小平方自适应匹配后得到横波模型，最后从垂直分量中将其减去，从而得到单一的纵波垂直分量。

1 OBC垂直分量横波噪声特点

OBC四分量检波器由一个三分量陆检和一个压力检波器构成，记录到的波场可以认为是全波场，包括纵波和转换横波，其中水平分量中主要记录的是转换横波，垂直分量中同时记录了主要的纵波和转换横波，横波在三个分量的接收时间是同步的，但不同入射角振幅明显不同。如图1所示，在南海西部北部湾盆地乌石凹陷A工区浅水OBC陆检三个分量(X、Y、Z)中，水平分量(X和Y)上横波能量相当，但强于垂直分量(Z分量)；对比水检P分量，陆检中的水平分量的纵波能量微弱，垂直分量上可见纵波信号，但大部分淹没在横波能量中，因此压制强能量的横波噪声对于后续提取垂直分量中的纵波至关重要。

从图2所示的该工区各分量共检波点记录的FK谱图分析可以看出，水平分量频率和波数分布基本一致，垂直分量低速分布范围相比压力分量分布更宽，由于纵波的存在，频带范围比水平分量分布更宽。Z分量由于强能量横波的存在，会严重影响后期P、Z求和压制鬼波的效果，因此需要对其进行重点压制。

图1 乌石凹陷A工区各分量共检波点记录Fig .1 CRG(common receiver gather)for respective component in A survey of Wushi sag

图2 乌石凹陷A工区各分量共检波点记录FK谱Fig .2 FK spectrum in respective component CRG(common receiver gather)in A survey of Wushi sag

2 方法原理

从前面的分析可以看出，陆检的水平分量中的横波与垂直分量中的横波旅行时基本一致，差异仅在能量和频率上面，因此考虑使用类似多次波自适应匹配的方式，使用水平分量的记录作为原始横波模型，二者同时与垂直分量进行匹配。

浅水OBC中纵横波在垂直分量上特别是近偏移距同相轴是混叠在一起的，因此使用传统的最小平方自适应匹配相减难以有效去除，同时还会损伤有效信号，另外由于该区采集过程中海底情况非常复杂，因此水平分量中会有部分纵波残留，如何有效分离水平分量中的纵波，然后与垂直分量进行最佳匹配是本文讨论的重点。

首先对X、Y、Z三分量共检波点道集进行动校正处理，一方面有利于一次波在水平分量中的隔离，另一方面有利于曲波变换的效率，三分量动校正后的共检波点道集分别记为Xnmo、Ynmo、Znmo,对三者分别进行曲波变换，得到各分量曲波系数在频率域的离散形式。

(1)

(2)

(3)

因此，曲波系数可以看成是用尺度窗函数和角度窗函数对FK域的数据进行分区，分区示意如图3所示。

图3中，红色线条代表角度窗，绿色矩形代表尺度窗，每一个楔形区域(由角度窗与尺度窗相交形成)代表特定的尺度和角度，也称为曲波面板，曲波面板区域内的数值称之为曲波系数。曲波面板在频率波域的划分由尺度及角度的个数及划分规则来决定，一般尺度的划分与频率相关，尺度个数越多，频率空间划分越细，最大尺度数取决于信号与噪声在频率空间的差异，如有大量重叠，可以选择较小尺度，节省计算时间，尺度的间隔一般是按等分原则。如图3，由于尺度数为4，第二尺度对应的最大频率则为最高频率的1/4，角度划分的原则可以描述为：第一尺度只有一个角度；第二尺度的角度根据细分程度自定义划分，角度数为8；第三与第四尺度的角度划分数为第二尺度的两倍，角度数为16；如划分更多尺度，则2个更高层尺度划分的角度数为两低层尺度的2倍。考虑到X分量及Y分量中仍存在纵波，需要从数据中剔除掉，为防止剔除过程中破坏横波模型，根据水平分量中纵波能量相对较弱、横波能量强，以及纵波动校正后角度相对较平的特点，在曲波域的不同尺度和角度设计了如下阈值函数：

(4)

式(4)中：γ为纵波信号对应的最大尺度；θ1、θ2分别为纵波信号对应的角度范围；λ为当纵横波信号在尺度与角度重叠情况下横波能量占全部能量的百分比。

这些参数需要根据实际资料进行测试，根据乌石凹陷A工区横波相对低频、纵波相对高频的特点，最小的尺度数至少为2，由于无法准确区分二者的频率分界，因此将最大尺度γ定为4，经纵波速度动校正后，纵波能量集中在高角度高速区，同时考虑斜坡效应，取θ1=4、θ2=5，从能量角度来看，横波能量在水平分量中占据主体，至少在80%以上，根据经验参数，此处取λ=0.8。关于该值的估算，一般是通过扫描法，经反曲波变换时空域后看横波中是否仍残余纵波信号作为基准。

然后对Z分量数据与经过阈值处理后的X分量及Y分量进行最小二乘同时匹配，获取Z分量中的横波模型，滤波器的求取原则采用的是最小二乘原理，即

Min‖Cz-fxCx-fyCy‖2

(5)

式(5)中：fx、fy分别为X分量与Y分量对应的滤波器。

最终得到的横波模型在曲波域的表达为

Cs=fxCx+fyCy

(6)

最后，经过反曲波变换及反动校正后即可得到时间域的横波模型，然后从Z分量中减去即可得到横波压制后的结果。Z分量横波压制流程图可以用如下图4表示：

图4 基于Curvelet域多分量阈值控制的压制Z分量横波噪声流程Fig .4 Workflow for shear wave attenuation on Z component based on multi-component threshold control in Curvelet domain

3 应用效果

南海西部乌石凹陷A工区采集过程中由于底流速度大、海底沉沙受水流搬运很不稳定，检波器与海底耦合性差，陆检分量中有效信号较弱，且水平分量中泄漏了纵波信号，因此直接用水平分量作为横波模型与垂直分量进行匹配会造成信号损失，同时如果直接利用纵横波速度和频率差异在共检波点道集上采用相干噪声压制的思路，会在近偏移距位置有较多残留，采用Curvelet域阈值控制剔除纵波后再进行水平分量与垂直分量的同时匹配，可以得到较好的压制效果。

图5为该工区水平分量中的Y分量经曲波变换阈值控制剔除纵波后，采用纵波速度动校正的效果。图5中黑圈中较平的轴为明显的纵波能量，经过曲波域的阈值控制后，纵波能量得到了较好的剔除。从图6对应的FK谱也能看出，在水平Y分量中剔除的纵波成分主要在高频，且集中在0波数附近。由于X分量与Y分量中的纵波分量特征基本一致，处理方法相同，本文不再分别展示。

图7为该工区Z分量共检波点道集经过本文方法压制横波前后对比结果，从二者的差异道集上来看，横波能量无论近中远偏移距，均得到了较好的压制。分析图8对应的FK谱可看出，被压制的横波主要表现为低频低速，横波能量压制后，纵波能量也能得到一定的增强。图9为Z分量横波压制前后的叠加剖面对比，从二者的差异剖面上看，没有明显的纵波泄漏。

为了进一步验证横波压制后对P、Z求和压制鬼波的影响，对应用了横波压制的垂直分量与P分量进行了标定及P、Z求和处理。从图10所示的单炮及图11所示的叠加应用效果对比来看，P、Z求和后主要反射因鬼波引起的旁瓣效应减弱，分辨率明显提高；同时，从图12所示的频谱上可明显发现鬼波引起的陷波现象得到了有效地补偿，特别是P波30 Hz处的陷波，应用P、Z求和后补偿效果明显，说明Z分量经新方法进行横波压制后对P、Z求和压制鬼波提供了信噪比较高的P波数据基础。

图5 乌石凹陷A工区采用Curvelet域多分量阈值控制剔除水平分量中的纵波共检波点道集效果Fig .5 P-wave removal effect in CRG(common receiver gather)in A survey of Wushi sag based on threshold control in Curvelet domain

图6 对应图5各记录的FK谱Fig .6 FK spectrum in corresponding gather in Fig.5

图7 乌石凹陷A工区采用Curvelet域多分量阈值控制自适应法压制横波共检波点道集效果Fig .7 Shear wave removal effect in CRG(common receiver gather)in A survey of Wushi sag based on multi-component threshold control in Curvelet domain

图8 对应图7各记录的FK谱Fig .8 FK spectrum in corresponding gather in Fig.7

图9 乌石凹陷A工区采用Curvelet域多分量阈值控制自适应法压制横波叠加效果Fig .9 Shear wave removal effect in stack in A survey of Wushi sag based on multi-component threshold control in Curvelet domain