多类型地震数据融合技术及软件应用

2024-01-09张伟,张剑,白雪,张旭

山东科技大学学报(自然科学版) 2023年6期

张伟,张剑,白雪,张旭

(1.中石化石油工程地球物理有限公司, 北京 100020;2.中石化石油工程地球物理有限公司科技研发中心, 江苏南京 211112;3.中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司, 山东东营 257086)

随着油气田勘探开发的不断深入,油气藏地质问题越来越复杂,对地震资料品质的要求越来越高,高密度地震采集技术已成为解决复杂地质问题的主要手段,是当前地震勘探的发展方向[1-3]。常规有缆地震采集设备布设困难、点位偏移多、安全风险大,而且受到仪器带道能力限制,难以实现更高炮道密度的地震采集。节点地震仪摆脱了对传输线缆的依赖,在穿越复杂地表能力及提升地震资料品质等方面均具明显优势,发挥高密度地震采集技术的优势,有利于“两宽一高”采集技术的实现[4-5]。

近年来,节点地震采集技术的采集方法、施工作业在实际应用中不断改进和完善,形成了有缆与节点联合采集、全节点采集等多种施工模式[5-6],尤其是节点地震采集技术推广初期,主要通过有缆与节点地震仪联合采集的施工方法。但由于节点与有缆仪器采集系统不同,地震数据种类多样,在资料整理、数据存储与使用等方面存在诸多问题:首先,有缆地震仪与节点仪地震数据格式不一致,例如,常用的Sercel系列地震仪地震数据以SEG-D格式为主,而且不同版本格式也不一样;其次,节点地震仪与有缆仪器地震数据独立存放,同一炮集数据无法自动合并成一个炮集数据体;最后,对不规则节点与有缆仪器布设采集的地震数据进行解编、合并的过程相对复杂,道排序花费时间长,占用大量资料处理时间。

为解决不同类型地震数据融合的问题,王增波等[7]对标准、非标准的SEG-Y格式进行解析,并根据地震数据采集或处理平台的地震数据格式差异进行格式转换方法研究。成新选等[8]研究标准SEG-D格式的Rev2.1与Rev3.0版本,详细分析不同版本的数据结构,并介绍了几种主要数据格式的解编方法,开发了SEG-D格式数据文件头与道头软件,在SEG-D格式地震数据应用中发挥了一定作用。汪志群[9]研究多格式地震数据存取与转换技术,提出提高地震数据访问效率的方法以解决各种处理系统内外部数据格式的转换问题。赵玉合等[10]、徐乐意等[11]研究了处理过程中的地震数据合并技术,实现同一工区不同时间采集的地震数据融合处理。总体来说,上述研究均以SEG-Y、SEG-D数据格式解析为主,为多类型地震数据融合提供了基础或是匹配滤波法等处理融合手段,但方法采集并未分析不同格式地震数据一致性差异的原因,也未进行融合软件的研发,无法在野外快速解决节点与有缆仪器联合采集地震数据融合与使用等方面问题,且采用能量匹配和常规处理软件合并的方法采集地震数据,该方式费时费力、原始数据的道头信息保留较少,无法满足SEG-D格式的输出需求。

为解决上述问题,本研究根据SEG-Y与SEG-D地震数据的格式特点,优化地震数据读取方法,进行地震数据一致性分析及野外对比试验,实现不同仪器地震数据的一致性校正。在此基础上,研发多类型地震数据快速合并软件,实现了各种规则、不规则施工模式下节点与有缆仪器或多种节点地震仪联合采集地震数据的合并,以解决多类型地震数据的融合问题。

1 地震数据融合关键技术

1.1 地震数据格式解析

目前常用的地震仪器输出不同格式的地震数据,如Sercel系列有缆428XL输出SEG-D Rev1.0与Rev2.1版本的地震数据,508XT只能输出SEG-D Rev3.0版本的地震数据,节点地震仪一般可输出SEG-Y Rev1.0版本或SEG-D Rev2.1版本的地震数据。

1) SEG-Y格式解析

SEG-Y格式是野外地震采集中使用较为普遍的格式之一,有SEG-Y Rev1.0和SEG-Y Rev2.0两个版本。SEG-Y Rev2.0版本是为了满足更多地震道数、更长采样、存储更多信息而进行的升级,但目前一般采用SEG-Y Rev1.0格式进行后期数据转储及资料处理解释等,其实际应用更多。

SEG-Y格式数据由三部分组成:第一部分占有3 200个字节,是EBCDIC或ASCII字符码文件头,用来保存描述地震数据体的信息;第二部分占有400个字节,是二进制文件头,用来表示文件的关键信息,包括SEG-Y文件的数据格式、采样点数、采样间隔、测量单位等信息;第三部分是实际的地震道数据,每一个地震道包含1个240字节道头数据和若干采样数据[7],存储顺序见图1。

图1 SEG-Y格式地震数据存储顺序

SEG-Y Rev2.0格式较SEG-Y Rev1.0格式多了1个或多个扩展文件头与扩展道头,1个扩展文件头占有3 200个字节,1个扩展道头占有240个字节。扩展文件头与扩展道头中将道数、采样点数等信息由原来2个字节改为4个字节,实现了更大数据量的存储。

2) 地震数据SEG-D格式解析

SEG-D格式的版本主要有SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1和SEG-D Rev3.0。地震仪器508XT系统唯一支持的数据格式是SEG-D Rev3.0。

SEG-D Rev2.1格式是在SEG-D Rev1.0格式的基础上为适应高密度磁带而制定的,其主要区别是磁带标签不同,而单个数据文件基本相同,因此两个版本对单个SEG-D文件的读写基本一致。图2为SEG-D Rev1.0、Rev2.1格式地震数据存储顺序,该顺序与字节数基本固定不变。

SEG-D Rev3.0格式与SEG-D Rev2.1格式的构建思路完全不同,SEG-D Rev3.0格式更加灵活、信息更加丰富、适应更多道数,能够适应未来更高密度采集的数据存储需要,但两者数据编码格式是一致的。图3为SEG-D Rev3.0格式地震数据展示的顺序,与别的版本区别在于其头块是以32个字节为一个单位,且这些32个字节的块没有固定顺序,可以随意排列,每个块的第32字节是这个块的代号或识别码(identification,ID),为十六进制,通过这个代码确定其内容[8];而常规头段1～3是必须存在的,常规头段1无识别码(ID),而且位于第一个32字节块。

图3 SEG-D Rev3.0格式地震数据存储一种顺序

SEG-D格式的读取关键在于头块数据的读取,表1为SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1、SEG-D Rev3.0版本的主要头段数据块关键字位置所对应的数据含义。通过关键字的解析可实现SEG-D不同版本地震数据的读入。

表1 SEG-D Rev1.0、SEG-D Rev2.1、SEG-D Rev3.0 格式头段数据块关键字

3) 地震数据读取优化

SEG-Y和SEG-D格式数据解编通常采用顺序读取的方式,逐个字节进行解析并创建对象。经过测试,解编耗时主要是读取IBM或IEEE格式道数据后转化为内部数据的过程。为了提高解编效率,对解编算法进行优化,采用并行解编的方式,利用计算机多核并行计算能力进行数据的解编(图4)。

图4 地震数据读取优化示意图

1) 顺序读取。假设数据块起始于第m字节,每个数据块占n个字节。逐道读取时,游标依次下移,如果要读取第k道(图4(a),k=3),则起始位置为第m+(k-1)×n个字节,读取n个字节后,解编内容,创建对象。顺序执行时,第k道的数据未解编完成时,不能进行第k+1道的数据解编,但CPU存在闲置时间片,没有被充分利用。

2) 并行读取。先将全部单炮数据读入内存,解编总头块数据及通道组和道头数据,创建k个单道对象,计算每一道的起始位置,然后再利用多个线程并行读取数据解编(图4(b)),利用并行计算技术提高解编速度。

1.2 地震数据一致性分析

有缆与节点或多种节点地震仪联合采集时,各种仪器地震数据独立存在,将同一炮集数据合并成一个炮集数据体之前,需要对不同仪器系统地震数据的相位与振幅差异进行校正,保证多类型地震数据准确融合。另外,不同类型检波器接收的地震数据在数据融合时需进行地震数据的一致性分析。

1) 相位差异分析

引起多类型地震数据相位差异的主要原因为节点激发系统整ms触发。如图5所示,节点地震仪通过全球导航卫星系统(global navigation satellite,GNSS)授时,按照GNSS授时时钟进行数据记录,数据样点记录时刻均为整ms处;但428XL、508XT等有缆地震仪器为有缆实时传输,而非采用授时整ms记录的方式,可以在非整ms处按一定采样点间隔记录数据。因此,有缆地震仪与节点联合采集时,采集到的数据之间存在一定的相位差。

图5 有缆与节点地震仪数据样点记录示意图

目前可控震源采集时,电控箱体采用GNSS授时模式,仪器DPG(digital pilot generator)与震源DSD(digital servo driver)已经设定为整ms处触发,消除了因激发系统非整ms触发产生的相位差异。但当爆炸机激发时刻不在整ms处时,两者记录样点时刻将产生一定误差。因此,可对爆炸机起爆时间进行控制,实现整ms处触发,从而消除相位差异。

2) 振幅差异分析

当地表产生振动时,由于耦合效应,插在地表的地震仪外壳随即振动,进而带动芯子振动产生机械信号,地震仪将机械信号转化为模拟电信号,模拟电信号则通过模数转换(A/D转换)处理得到二进制样点值,最终得到记录了地震信号的SEG-Y或SEG-D数据,如图6所示[12-16]。其中,地震仪的灵敏度、前置放大器、A/D转换以及样点值的存储方式等均对输出的SEG-Y或SEG-D数据产生影响。因此,不同地震仪器记录同一地震信号会存在一定差异,在地震数据合并时需进行一致性校正。

图6 地震采集数据形成过程

① 前放增益差异

无论是有缆仪器还是节点地震仪,采集数据的过程一般采用前置放大器,即接收的数据存在12 dB的前放增益,到计算机中记录解编后还原到0,即没有放大的原始数据。目前,如428XL或508XT等有缆仪器一般采用这种方式,但部分节点地震数据解编后仍为12 dB。因此,以有缆地震数据为标准,需将增益不一致的节点地震数据还原为原始数据,数据融合前完成振幅的校正,使得两者数据振幅保持一致。

② 检波器灵敏度差异

检波器灵敏度指的是机械振动转换为电信号后的电压与位移、速度或者加速度的比值。仪器记录的均为电压信号值,而检波器接收的振动信号通过灵敏度进行换算。以速度检波器为例,电压=灵敏度×速度,对于同一振动,不同检波器灵敏度差异也会引起振幅值的差异,这种差异是由检波器的本质不同所产生的。因此,在同一工区选用相同的检波器进行地震数据采集。

③ 振幅存储样点值及相关算法差异

SEG-D格式执行32位IEEE 754—1985格式标准,无论是炸药震源还是可控震源,该值直接转换成十进制后,为数量级较大的整型数值,一般称为样本数值(A/D转换器转换后的数值)。SEG-Y存储格式为浮点型mV电压值,因此SEG-D格式数据解编到SEG-Y格式时应换算为mV电压值。

样本数值读数对mV的转换系数K为:

K=K1×K2。

(1)

其中:K1取决于检波器类型与前放增益,当采用炸药震源激发、速度检波器12 dB采集时,K1一般为固定值6.742×10-5;K2取决于扫描信号长度、自相关最大值和叠加次数,

(2)

其中:A为参考自相关最大值;S为叠加次数;N为参考长度/采样率。

可以看出,当采用炸药震源、速度检波器12 dB采集时,转换系数为6.742×10-5;当可控震源采集相关时,就与扫描信号有关联,需精确计算。

④ 速度信号与加速度信号

从图6可以看出,地震采集数据通常分为速度型数据和加速度型数据,这两种类型数据不仅需要进行上述方法的“物理实现”,还需进行“数学实现”转换到同一物理域。“物理实现”是指采用速度型或加速度型检波器直接获得相关数据;“数学实现”则可通过微积分计算将速度/加速度型数据转换为加速度/速度型数据[15-16]。

假设速度信号为:

x(t)=Asin(ωt+φ)。

(3)

其中:A为振动最大振幅;ω为角频率;φ为初始相位。因为速度与加速度是微分的关系,对速度信号做微分计算,即可得到加速度信号,实现速度域与加速度域之间的转换:

x′=ωAcos(ωt+φ)。

(4)

1.3 野外对比试验

在实际应用中,对于有缆地震仪与节点联合采集施工模式,可通过理论分析与计算获取地震数据的振幅校正系数。而多种节点地震仪联合采集时,需通过野外对比试验计算得到各数据的转换系数。

在我国西部准噶尔盆地对3种节点地震仪与428XL有缆地震仪进行了对比试验。如图7所示,每个桩号同时布设4种仪器,检波器灵敏度基本相当,间隔20 cm,道距5 m,一共40道接收,采样频率为1 ms。可控震源位于大号30 m处。扫描信号参数分别为:扫描频率1.5～96.0 Hz,扫描长度10 s,振动出力70%,振动次数1次。

图7 野外对比试验观测方案示意图

图8为428XL有缆地震仪和Node-I节点地震仪相关前10道原始地震记录,图9为4种仪器相关前原始资料对比。可以看出,消除前放增益后,不同仪器记录的原始地震数据相位与振幅基本一致。但经过相关后,由于相关算法不同出现振幅不一致的现象,如图10(a)所示,428XL与Node-I振幅基本一致,Node-S与Node-Q振幅较小。经过试验数据统计和计算,以428XL有缆振幅值系数1为基础,得到每种地震仪器数据振幅的校正系数:Node-I幅值系数为1,Node-S幅值系数为14,Node-Q幅值系数为50 000。采用该系数校正后,数据真值波形基本一致(图10(b)),满足合并需求。

图8 相关前428XL与Node-I原始解编记录对比Fig. 8 Comparison of original records between 428XL and Node-I before correlation

图9 相关前四种仪器原始解编记录对比(前三道)

图10 相关后四种仪器振幅一致性校正前、后数据波形对比图

2 多类型地震数据合并软件研发

基于上述方法研究及野外现场实际应用需求,将多类型地震数据合并软件功能设计为4部分:数据导入、地震数据一致性校正、同源混采地震数据合并及多节点地震数据合并,如图11所示。软件数据流程如图12所示。软件加载数据包括不同仪器产生的不同类型的SEG-D格式/SEG-Y格式地震数据、对应的SPS文件以及校正系数。

图11 软件功能设计图

图12 软件数据流程图

根据多类型地震数据融合(合并)软件的架构及功能设计要求,基于.NET平台采用C#程序设计语言进行软件开发,实现软件功能。

3 多类型地震数据融合软件应用效果

3.1 西部准噶尔盆地D1J项目应用

准噶尔盆地D1J三维数据采用428XL有缆与Node-I节点地震仪不规则接收,北部山地全部为节点,其他区域采用一条有缆、一条节点的施工模式,单炮接收道数为26×648=16 848道。图13(a)为有缆与节点地震数据直接融合的示意图,由于有缆SEG-D数据经处理软件解析后采样值已经换算到mV电压值上,但节点融合过程并未考虑振幅的校正,因此直接存储的相关后的值并非mV电压值。由图13可以看出,不同类型地震数据的能量等级差异较大,计算获得的转换系数为3.452×10-15,经过一致性校正后,再进行地震数据的融合,输出标准SEG-D格式数据,且单炮能量变化趋势稳定。

图13 有缆与节点地震数据融合前后对比图

3.2 东部济阳凹陷TEH项目应用

THE三维项目为Node-I与Node-S两种节点联合采集项目,位于山东省滨州市和东营市,地表条件复杂,涉及虾池、盐池、河流、水库、湿地保护区、烂泥滩、芦苇荡、工业园、村镇、铁路、油气管网等。项目前期开展了两种节点地震数据一致性对比试验,如图14所示。可以看出,两种节点存在4倍的振幅差异,经分析是由前放增益12 dB引起的。因此,需对地震数据校正后再准确融合。图15左侧为未经振幅校正直接融合的单炮记录固定增益显示图,可以看出两种节点能量不同;右侧为两种节点经振幅校正后单炮记录固定增益显示,单炮数据得到了较好的融合。经测试,该工区40 000道1.5 GB的单炮合并需30 s左右,合成效率达单日12 000炮。