沙漠区可控震源采集资料“黑三角”强能量噪声压制技术

苏云，游洪文，李令喜，孟凡冰，李敏杰，唐娟，谢金丽

(1.中国石油化工股份有限公司 中原油田分公司 物探研究院地震资料处理研究所，河南 郑州450000； 2.中国石油化工股份有限公司 中原油田分公司，河南 濮阳 457001)

0 引言

近几年，宽方位、宽频带和高密度(“两宽一高”)地震勘探技术在复杂油气藏勘探开发中发挥着极其重要作用[1-4]，其中宽方位观测可以大幅度提升成像精度，有利于识别低序级断裂；宽频带采集主要是利用具有穿透力强、衰减慢的低频信息来改善深层和基底成像；高密度采集通过炮道密度加大、覆盖次数增加，提升原始采集资料信噪比[5-6]。“两宽一高”地震勘探技术具有投入设备多、观测系统设计要求高、施工组织复杂、数据量大、采用井炮激发时成本高等特点，这也制约了宽方位高密度三维地震勘探技术的实际推广应用。与井炮激发方法相比，低频可控震源具有其独特优势，平均每天可采集多达2万～4万炮[7]，在提高采集效率、降低成本的同时，降低了HSE风险[8-9]。随着可控震源技术的不断发展和相关配套技术的不断进步，可控震源技术被国内外各大油田公司所采用，并在沙漠区、戈壁滩、山前带等各种复杂地表应用中取得了良好效果[10-11]。

银额盆地拐子湖凹陷位于我国内蒙古自治区中西部，该区以往采集的二维资料信噪比低、分辨率低，中生界白垩系地层反射界面模糊，无法连续追踪，成像断点不清晰，I级控凹断层、II级控洼断层无法准确识别，深层地震地质条件极差。为了解剖该区域整体构造格架，落实区带构造特征和各级序断裂展布，并开展构造、地层、岩性等类型圈闭刻画，提升勘探成效，在该区域部署实施了可控震源“两宽一高”三维地震采集，采集观测系统纵横比达0.92。

由于工区地表条件属典型的风积沙漠地貌，呈叠置沙丘的复合型横向沙山，地形起伏较大，沙丘相对高差一般在50～100 m，且沙丘地表松散，地表吸收衰减严重，采用炸药震源时能量下传受限。同时与在戈壁区或平原区激发不同，在该区采用可控震源激发时，近道存在明显的强能量干扰，且时间上从上至下影响范围递增，呈现一种“三角”形态，因此称该类噪声为“黑三角”。“黑三角”噪声的存在严重影响中深层弱信号的成像，因此如何有效识别并压制该噪声，并保护近道反射、深层弱反射信号，成为该区提高资料信噪比处理中非常关键的一环。

针对沙漠区可控震源“黑三角”强能量干扰形成的原因，国内外目前没有统一的认识，瞿长青等[12]通过对比沙漠区可控震源与炸药震源记录认为，沙漠区可控震源“黑三角”强能量干扰形成的主要原因是由沙漠区特殊的表层结构所引起。针对“黑三角”噪声，国内外专家学者提出了针对性的去噪方法，如曲英铭等[13]提出了一种基于可控震源谐波干扰的联合压制方法，夏洪瑞等[14]提出了一种小波时空阈值去噪方法，刘喜恒等[15]提出了混合域中值滤波及振幅加权均质滤波方法。这些方法均需要先对强振幅干扰进行统计分析，再进行相应压制或去除，但由于本区“黑三角”噪声能量分布范围广，在常规的单排列上无法准确统计“黑三角”噪声，导致噪声压制后，残留的噪声过多。基于此，本文在对该区“黑三角”噪声特征进行分析的基础上，提出了在炮—偏移距域压制“黑三角”噪声的方法。与常规去噪方法对比分析，验证该方法能有效提高地震资料信噪比、改善资料品质。

1 “黑三角”噪声特征分析

银额盆地拐子湖凹陷位于额济纳旗和阿拉善右旗交界，地处巴丹吉林沙漠腹地。工区属典型风积沙漠地貌，多呈叠置沙丘的复合型横向沙山，沿SW—NE方向分布，地形起伏较大，海拔1 080～1 350 m，沙丘相对高差一般在50～100 m。由于该区特殊的地形、地貌条件，采用井炮地震激发，有效波的吸收衰减严重，信号主频低，分辨率低(图1a)。

基于此，中原油田于2016年采用低频可控震源激发，在该区采集了“两宽一高”地震资料，可控震源的扫描频率为3～84 Hz，采集参数为12炮24线，资料为宽方位采集，横纵比为0.92，覆盖次数156次，面元为12.5 m×12.5 m。通过低频可控震源激发，能够提高激发效果，确保有效能量的下传。但相对于井炮而言，可控震源采集记录上近偏移距内，存在明显的强振幅“黑三角”噪声，且时间上从上至下影响范围递增(图1b红色虚线区域内)，且与面波、沙丘鸣震等干扰重叠，严重影响近偏移距的信噪比。

图1 拐子湖凹陷原始采集单炮记录Fig.1 The original single shot records of Guaizihu sag

从一炮所有排列记录上来看，“黑三角”噪声分布极广，24个排列中有15个排列能观测到“黑三角”噪声，占总排列的62.5%，同时也可以看出，在一炮所有排列中，“黑三角”噪声能量与偏移距有一定的关系，随着偏移的增大，“黑三角”噪声强度逐渐减弱(图2)。

图2 拐子湖凹陷原始采集单炮记录Fig.2 The original one shot records of Guaizihu Sag

对比“黑三角”噪声与远偏移距有效信号振幅，“黑三角”噪声能量高于正常记录的25 dB(图3a),同时从振幅衰减曲线来看，“黑三角”噪声振幅并没有明显的衰减特征(图3b)。

图3 “黑三角”噪声与有效信号频谱曲线(a)及振幅衰减曲线(b)对比Fig.3 Comparison of spectrum curve(a) and amplitude attenuation curve(b) of “black triangle” noise and effective signal

对可控震源记录“黑三角”区域进行分频分析(图4)和频谱分析(图3a)可以看出，4 Hz以下强能量主要集中在三角区域，同时“黑三角”强能量噪声分布在整个频带。

图4 可控震源“黑三角”分频扫描结果Fig.4 Frequency division scanning results of vibroseis “black triangle”

同时从沙丘不同部位激发的单炮记录对比发现：“黑三角”噪声与地表高程有较大关联，在沙丘高部位激发的单炮，“黑三角”噪声强度较低部位激发的单炮要大(图5)。

图5 沙丘不同部位激发“黑三角”噪声对比Fig.5 Comparison of “black triangle”noise in the different parts of sand dune

对比我国其他地区利用可控震源采集地震记录，如柴达木盆地尖顶山低频可控震源采集资料[10]、我国西部复杂山前带可控震源采集资料[11]、辽河坳陷低频可控震源采集资料[16]等，认为：该区可控震源“黑三角”强能量干扰主要是由于该区沙丘地形特殊的表层结构(地形起伏变化、沙丘的厚度、近地表低降速带速度等)所造成，同时采用的可控震源刚好在地表激发，且采用的是长时间扫描，使得激发能量在低降速带内来回震荡，形成这种独特的“黑三角”强能量干扰。这种噪声具有能量强、频带宽、分布广，且能量强度随偏移距增大而减小的特征。受该噪声的影响，叠加剖面中很难见到明显的有效信号反射，资料信噪比整体偏低。

2 “黑三角”噪声压制技术及应用效果

针对“黑三角”噪声，去噪试验时采用分频噪声衰减方法进行，该方法是基于能量统计方法的地表一致性去噪方法，是一种“多道识别、单道去噪”方法，根据衰减系数，采用时、空变方式压制，这种方法具有较高的保真度，是目前压制异常振幅干扰常用的方法[17-18]。该方法具体操作为：在共炮点域、共检波点域、共偏移距域或共中心点域将地震数据分为不同的频段范围，通过求取给定频率段不同时窗内地震样点的振幅强度，预测出强能量的噪声，以地震样点组的平均绝对振幅值作为标定，确定地震采样点的振幅衰减曲线，采用时变的门槛值来有效压制强能量噪声干扰。但通过试验线证明，该区运用分频噪声衰减技术压制“黑三角”噪声，效果并不太理想，去噪后在炮集中深层存在大量的残余“黑三角”噪声(图6b蓝色虚框)。

图6 共炮域“黑三角”噪声压制试验Fig.6 The test of “black triangle” noise suppression in common shot domain

造成该试验不理想的原因在于：由于“黑三角”噪声的强度与偏移距有关，在单一排列域上，统计的样点不能推广到全区，因此也就无法准确地估算出全部炮集上“黑三角”噪声振幅的强度。基于此，本文提出先将共炮点域数据进行重排至共炮—偏移距域，然后在此域应用分频噪声衰减技术压制“黑三角”噪声的技术思路。

传统的共炮点域数据体，是以束线为单位，按照检波线顺序进行排列，如图7b所示，红色圆圈表示炮点，三角形表示检波器点，当在炮点激发时，所有检波器均能接收到地下信号，按照检波线号进行排列，就构造了该炮点的共炮点数据集(图2)，其中最远检波线道集称为远偏移距道集(如图7a中按照编号11、12、13、14、15进行排列后的数据集和按照编号51、52、53、54、55进行排列后的数据集)，而最近的检波线道集称为近偏移距道集(如图7a按照编号31、32、33、34、35进行排列后的数据集合)。

共炮—偏移距域是将一束线按照炮点到检波器的距离从小到大进行排列(如图7a所示，按照1、2、3、…进行排列)，其中如果距离相同，则按照检波器号进行排序，如图7b所示，2、3与4、5点与炮点距离相等，但2与3均在一条检波线上，因此3排在4之前。

图7 共炮域(a)与共炮—偏移距域(b)地震道排列示意Fig.7 Seismic trace arrangement of common shot area(a) and common shot offset domain(b)

对比共炮域(图2)与共炮—偏移距域单炮数据集(图8a)可以看出：经过数据重排后，“黑三角”噪声更加集中，能够更加准确统计出“黑三角”噪声的强度，因此在此域，利用分频噪声方法能够将“黑三角”噪声进行较为彻底的压制(图8b)。

图8 共炮—偏移距域原始记录(a)及去噪后记录(b)Fig.8 Original record(a) and denoised record(b) in common shot-offset domain

为了与炮点域去噪方法进行对比，将共炮—偏移距域压制“黑三角”噪声后的记录重新选排到炮点域，从对比来看在共炮—偏移距中压制强振幅“黑三角”噪声效果更佳明显，且压制噪声后单炮能量整体均衡，输出噪声亦无明显有效信号(图9)。

图9 可控震源“黑三角”噪声衰减方法对比Fig.9 Comparison of noise attenuation methods of vibroseis “black triangle”

对比单一共炮点域采用分频噪声衰减方法压制“黑三角”噪声后叠加剖面与在共炮—偏移距域采用分频噪声衰减方法压制“黑三角”噪声后叠加剖面可以看出，在共炮—偏移距域压制“黑三角”噪声后的叠加剖面信噪比更高，乌兰苏海组(图10b蓝色箭头)、银根组(图10b红色箭头)地层反射波组特征更加清晰，这也证实在共炮—偏移距域，“黑三角”噪声去除得更加彻底。

图10 不同域“黑三角”噪声压制后叠加剖面对比Fig.10 Comparison of stack profile after “black triangle” noise suppression in different domain

同时从白垩系地层资料信噪比对比来看，噪声压制前，原始信噪比极低，“黑三角”噪声压制后(图11)，目的层系资料信噪比得到较大幅度提升，高信噪比区域集中在洼陷带及斜坡带，这些高信噪比区域也是该区地层—岩性油气藏勘探重点区带。

从单炮近、中偏移距(572～2 192 m)统计时频谱对比来看(图12)，该方法在有效压制“黑三角”的同时，能有效保护近道反射信号，特别是深层弱反射信息，说明在共炮—偏移距域应用分频去噪方法进行噪声压制具有较好的保真性。

3 结论与认识

可控震源采集技术大大提高了地震资料的施工效率，降低了地震资料采集成本，也促进“两宽一高”地震勘探技术的推广应用。与山前带、黄土塬地区采集不同，沙漠区利用可控震源采集数据中易产生“黑三角”干扰，通过在共炮—偏移距域开展分频噪声技术实践与应用，取得了较好的噪声压制效果，形成以下几个方面的认识：

1)沙漠区可控震源“黑三角”噪声形成原因主要是沙漠地貌特殊的表层结构引起，可控震源在沙丘上激发时，激发的能量在低降速带来回震荡，形成了“黑三角”强能量干扰；

2)“黑三角”噪声具有能量强、频带宽、分布广、形态差异大等特征，在共炮点域、共接收点域等单一排列上利用分频噪声衰减技术不能将该类噪声完全压制，在炮偏移距内“黑三角”噪声分布特征更加清楚，振幅异常统计更加准确，在此域内运用分频噪声衰减技术能去除可控震源三角区内的异常能量干扰，且振幅保真性好，亦不降低纵向分辨率，这也拓宽了地震资料叠前去噪处理的新思路；

3)在沙漠区进行可控震源采集时，如何改善可控震源激发工艺，将“黑三角”强能量干扰对记录影响降到最小，从源头上确保资料信噪比，是沙漠区可控震源地震勘探技术推广应用的关键。