匹配滤波技术在煤田井震联合勘探中的应用

解洁清， 王骁睿

(1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750； 2.长庆油田陇东页岩油开发项目部，甘肃庆阳 745100)

0 引言

多年来煤田地震勘探主要以炸药作为激发震源，但在一些地形高差较小、地表覆盖主要为耕地、湿地、林地及半沙漠等地表覆盖层厚度变化较大，施工时存在炮孔成孔塌陷、最佳激发层位难把握、危爆物品管控等难题的区域，可控震源施工可以解决工作难度大、成本高、激发层位不到位等问题。因此，井震联合施工方法越来越多应用于煤田勘探中[1-2]，然而两种不同激发方式获得的地震子波必然存在一定差异,这种差异使得两种施工方式的资料拼接处反射波同相叠加成像效果差[3],出现假构造现象，降低了资料解释精度[4]。如何消除这些差异成为井震联合施工方式下地震资料处理的关键所在。在油田勘探资料处理中匹配滤波技术已经有所尝试并取得一定成果，随着井震联合施工方式在煤田勘探中的推广应用，在此类资料处理中如何应用匹配滤波方法解决波形差异问题具有较大研究意义[5-6]。

1 匹配滤波方法原理

地震子波在向地下传播时，受各种因素(岩性、低降速带、激发、接收条件的不同等)影响，随着传播距离的增加而变化，导致记录的振幅、相位、频率、波形等特征差异很大。本次研究基于井震联合勘探获取的原始地震资料，应用匹配滤波方法消除资料间特征差异。

匹配滤波技术是利用重复地震道(可称为基础道和目标道)来求取滤波算子，然后对基础道进行匹配滤波，使其最大限度接近目标道[7]，再利用其相关时差、频率校正办法来消除子波差异[8-9]。

不同震源激发得到的两组记录x(t)和y(t)往往存在振幅、频率、相位上的差异,为了消除这些差异,我们将y(t)作为目标记录,设计一个整形滤波器算子m(t)[10],并使设计的滤波器作用于其中的另一组基础记录x(t),对x(t)进行改造,得到实际的滤波输出xm(t),用方程表示如下：

xm(t)=x(t)*m(t)

(1)

它与期望输出,即目标道y(t)有一定误差：

e(t)=y(t)-xm(t)=t(t)-x(t)*m(t)

(2)

误差参量：

(3)

为了求取合适的滤波算子m(t),采用最小平方法,将Q对滤波算子m(t)求偏导数,化简,并令其为0,得到求解整形滤波算子的托普里兹矩阵方程：

Rxx·M=Ryx

(4)

式中：Rxx为x(t)的自相关矩阵；M为整形滤波算子向量；Ryx为y(t)与x(t)的互相关向量。

求解矩阵方程(4),可得到整形滤波算子m(t)，将m(t)与输入信号x(t)褶积,即可得到最佳输出。该最佳输出值即为最终应用的滤波算子。

2 方法应用过程

2.1 子波选取和算子求取

为求取比较精准的滤波算子，选择同一地点，采用不同震源重复激发或不同时间激发取得的多张对比记录，对比记录采集要求最佳采集环境和施工因素，在记录上要选取信噪比高、波形稳定、有效波突出、可对比性强的记录道[11]。记录时窗内至少要包括两个以上的反射波组，由于记录中干扰波的存在，时窗不宜选择过长。通过选择不同道、不同时窗记录求得较准确的匹配滤波算子用于实际处理。

实际处理过程中可以选取可控震源子波(vibroseis)和炸药震源子波(explosive)一段层位时窗内反射波作为各自子波，或选取其自相关作为各自子波[12]，如图1、图2所示。

图1 选取反射波Figure 1 Reflection wave selection

图2 反射波自相关计算子波Figure 2 Reflection wave autocorrelation computed wavelet

2.2 子波匹配

在求得较合适的滤波算子后，再应用滤波器进行匹配滤波处理，例如使可控震源子波匹配到炸药震源子波(图3)[13-14]。

图3 可控震源到炸药震源的子波匹配Figure 3 Wavelets matching from vibroseis to explosive source

3 应用实例

在采用井炮与可控震源联合施工的新疆某区来进行可控震源数据到井炮数据的匹配滤波方法实际运用。应用过程中需通过多方面的分析手段质控匹配效果，进而确定不同区块的匹配方向[15]，同时不断优化滤波算子。

3.1 叠加剖面拼接分析

将该区内井炮数据与震源数据匹配前后的叠加剖面拼接(图4、图5)，图中蓝线位置即叠加剖面拼接处[16]。通过拼接显示可以看出，匹配滤波后数据相比匹配前数据频率更加一致。

图4 匹配滤波应用前叠加剖面拼接显示Figure 4 Stacked sections splice display before matched filtering applied

图5 匹配滤波后叠加剖面拼接显示Figure 5 Stacked sections splice display after matched filtering applied

进一步将井炮数据、震源数据和匹配滤波后输出数据一起做频谱分析如图6所示，图中蓝色线是匹配后数据频谱、红色线是井炮数据频谱、绿色线是震源数据频谱，通过对比可以看出，匹配后数据频谱介于匹配前两者之间，这种效果比较理想。

图6 匹配滤波前后的剖面频谱分析Figure 6 Section spectrum analysis before and after matched filtering

3.2 叠加剖面镶嵌分析

图7中蓝线位置即拼接处。通过镶嵌显示，可以看出匹配滤波后两种激发方式的叠加剖面反射波同相性增强，频率更加一致(图8)[17]。

图7 匹配滤波前叠加剖面镶嵌显示Figure 7 Stacked sections mosaic display before matched filtering applied

3.3 数据体自相关分析

对应用匹配滤波前后数据进行自相关分析，可以看出匹配滤波后数据频率降低了，波形一致性更好(图9)[18]。进一步进行特征函数曲线对比(图10)，通过对比清晰显示匹配滤波后频带向低频域拓宽。地震数据的低频信号在地震勘探中有重要意义,低频信号能够提高资料的分辨率与成像精度、为后续的全波形反演、叠前反演及精细解释工作提供包含丰富低频信号的数据体。

a.匹配滤波前 b.匹配滤波后图9 匹配滤波前后数据自相关对比Figure 9 Comparison of data autocorrelations before and after matched filtering applied

a.匹配滤波前 b.匹配滤波后图10 匹配滤波前后特征函数曲线对比Figure 10 Comparison of characteristic function curves before and after matched filtering applied

3.4 单道互相关函数分析

将匹配滤波前后数据做单道互相关处理分析，图11为分析对比效果展示，很明显匹配滤波后数据互相关一致性更好，相似性更高一些(零线基本没时移)。

图11 匹配滤波前后单道互相关函数对比Figure 11 Comparison of single channel crosscorrelation function curves before and after matched filtering applied

4 结论

匹配滤波技术从叠前地震记录入手，求取滤波算子，将滤波算子作用于一组数据，完成对不同震源类型数据的子波整形处理，实现了波形差异的全面校正，从实际工区应用的多种分析效果来看，在井震联合勘探的地震资料处理中，该方法能够使地震数据在能量、相位、时差、频率等方面一致性大大提高，从而更好地实现同相叠加，提高煤层成像质量，方案可行，效果明显。