陸上勘探低頻信號(hào)的接收與恢復(fù)

谷玉田,魏繼東,張 旭,張加海

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司油氣勘探管理中心,山東東營(yíng) 257001;2.中石化石油工程地球物理公司勝利分公司,山東東營(yíng) 257100)

深層、火成巖、鹽下地層和復(fù)雜逆掩斷裂滑脫面等的地震反射具有低頻特性,獲取和保護(hù)低頻信號(hào)對(duì)此類(lèi)地區(qū)油氣勘探具有重要意義。同時(shí),低頻信號(hào)在波阻抗反演、全波形反演、速度分析等領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛,對(duì)于數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)綜合解釋均具有重要意義。

目前,對(duì)于陸上石油勘探來(lái)說(shuō),適合接收低頻信號(hào)的檢波裝置主要包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)數(shù)字檢波器、地震計(jì)和低頻動(dòng)圈式檢波器等,前兩者理論上沒(méi)有低頻衰減或者衰減很小,低頻動(dòng)圈式檢波器由于機(jī)械濾波效應(yīng)存在一定程度的低頻衰減。

除了采用低頻檢波器直接接收低頻信號(hào)外,處理人員嘗試用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行低頻恢復(fù)[1-3]。其中,魏繼東[3]提出了一種補(bǔ)償動(dòng)圈式檢波器采集的地震數(shù)據(jù)低頻損失的方法,該方法算子穩(wěn)定,適用于所有未施加低截濾波的動(dòng)圈式檢波器采集的數(shù)據(jù)。該方法可以有效恢復(fù)動(dòng)圈式檢波器因自身濾波效應(yīng)衰減的1.0～10.0Hz低頻信號(hào)。

本文在討論陸上石油勘探低頻有效信號(hào)的強(qiáng)度和頻帶范圍的基礎(chǔ)上,對(duì)比了不同類(lèi)型檢波器低頻數(shù)據(jù)的接收和恢復(fù)方法,并對(duì)低頻信號(hào)的應(yīng)用進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

1 低頻信號(hào)的頻帶和強(qiáng)度范圍

炸藥、可控震源和電火花等震源激發(fā)地震信號(hào)后,隨著信號(hào)在地下介質(zhì)中的傳播,地震波的強(qiáng)度和主頻等顯著衰減。石油勘探期望探測(cè)數(shù)千米地下數(shù)米量級(jí)的地質(zhì)目標(biāo),所以希望地表檢波器接收到的地震反射信號(hào)具有較高的強(qiáng)度和主頻。但在地表接收時(shí),機(jī)械性環(huán)境噪聲以及震源激發(fā)的噪聲都對(duì)微弱的深層反射形成干擾。同時(shí),由地震儀和檢波器組成的地震檢波系統(tǒng)在機(jī)電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,也會(huì)產(chǎn)生以電屬性為主的噪聲,稱(chēng)為“本底噪聲”。機(jī)械性噪聲和本底噪聲是識(shí)別微弱反射信號(hào)的主要障礙,具體表現(xiàn)在強(qiáng)度和頻帶兩個(gè)方面[4]。

基于當(dāng)前地震數(shù)據(jù)處理能力[5-7],強(qiáng)度在5.0μm/s2(加速度)以上、頻率在1.0Hz以上的低頻信號(hào)對(duì)于陸上石油勘探是有意義的。

1.1 強(qiáng)度下限

圖1為DSU3數(shù)字檢波器接收加速度信號(hào)與噪聲強(qiáng)度分布示意。陸上地震勘探存在兩條“死亡線(xiàn)”,一條是地震檢波系統(tǒng)(地震儀和檢波器)在機(jī)電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等過(guò)程中產(chǎn)生的本底噪聲(空氣分子布朗運(yùn)動(dòng)以及電噪聲)代表的死亡線(xiàn)(圖1灰色線(xiàn)),強(qiáng)度約為5.0μm/s2(因儀器而異);另一條為野外組合以及室內(nèi)處理后剩余的機(jī)械噪聲強(qiáng)度(圖1黑色線(xiàn)),該強(qiáng)度決定了可識(shí)別反射信號(hào)的最低水平,低于此強(qiáng)度的反射波很難被識(shí)別。在沒(méi)有震源信號(hào)時(shí)的地表噪聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后,強(qiáng)度大約是本底噪聲的十幾倍到幾十倍(因天氣、地區(qū)而異)。震源激發(fā)后,產(chǎn)生的相干噪聲(包括源生和次生等)強(qiáng)度大致與目的層反射相當(dāng)甚至更強(qiáng)。因此,對(duì)于地震采集而言,機(jī)械噪聲被衰減后的強(qiáng)度,決定了地質(zhì)目標(biāo)的識(shí)別精度。以本底噪聲5.0μm/s2作為低頻信號(hào)的下限是留有余地的[8-10],即目前處理能力尚無(wú)法識(shí)別該量級(jí)的弱小反射信號(hào)。

圖1 DSU3數(shù)字檢波器接收加速度信號(hào)與噪聲強(qiáng)度分布示意

1.2 頻帶下限

低頻信號(hào)因其特有的穿透能力和穩(wěn)定性而在復(fù)雜構(gòu)造成像和地震反演方面起著重要作用。地震數(shù)據(jù)中的低頻信息(1.0～3.0Hz)被認(rèn)為是最好的烴類(lèi)指示(DHI)信息。因此,近年來(lái)低頻信號(hào)的激發(fā)、接收與應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。TAI[11]和GOLOSHUBIN等[12-13]認(rèn)為,1.0,1.5,2.0和3.0Hz都可以被視為陸上地震勘探頻帶范圍的下限。從野外采集角度而言,1.0Hz以上地震信號(hào)的激發(fā)與接收都可以實(shí)現(xiàn)。因此,將陸上地震勘探的頻帶下限定為1.0Hz是合理的。

所以,從陸上石油勘探的地質(zhì)期望來(lái)看,希望在1.0Hz以上激發(fā)出強(qiáng)度高于5.0μm/s2的目的層反射(越高越好)并被檢波器保真地接收。但是,由于震源激發(fā)出的信號(hào),特別是深層反射信號(hào)較弱,檢波系統(tǒng)(地震儀和檢波器)的本底噪聲太強(qiáng),因而低頻信號(hào)、特別是1.0～3.0Hz的信號(hào)的接收比較困難。

2 低頻信號(hào)的拾取與恢復(fù)

近年來(lái),隨著對(duì)低頻信號(hào)作用認(rèn)識(shí)的不斷深化,出現(xiàn)了多種獲取低頻信號(hào)的方法。從接收的角度而言,獲取低頻信號(hào)大致有以下4種方法。無(wú)論何種實(shí)現(xiàn)形式,希望得到的都是地表機(jī)械振動(dòng)中的低頻分量。

2.1 機(jī)械低頻

采用低頻無(wú)衰減或者衰減非常小的檢波器進(jìn)行采集。該方式主要依賴(lài)于檢波器的機(jī)械屬性,簡(jiǎn)稱(chēng)為“機(jī)械低頻”。比如MEMS數(shù)字檢波器。

MEMS數(shù)字檢波器的傳輸函數(shù)[3]:

(1)

式中:H為頻率響應(yīng);ω為角頻率;ζ為阻尼系數(shù);ωn為自然頻率;j為虛數(shù)單位。

理論上,MEMS檢波器對(duì)低頻信號(hào)沒(méi)有衰減,可以完整地接收低頻信號(hào)。但是,作為加速度型檢波器,低頻信號(hào)會(huì)被相對(duì)地抑制;同時(shí),地震接收系統(tǒng)的本底噪聲具有1/f特征[3],即頻率越低幅度越強(qiáng)(圖2 中粉色線(xiàn))。并且,環(huán)境噪聲(圖2中藍(lán)色線(xiàn))或地震信號(hào)越趨向低頻強(qiáng)度越弱。在以上因素的共同作用下,MEMS加速度檢波器的低頻接收能力受到了限制。圖2中綠色線(xiàn)為“新低噪聲模型(NLNM)”,由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于本底噪聲,所以在普通條件下無(wú)法檢測(cè)。

圖2 DSU-428數(shù)字檢波器電噪聲(粉)、環(huán)境噪聲(藍(lán))以及新低噪聲模型(綠)的功率譜

DSU-428和DSU-508是兩款典型的MEMS數(shù)字檢波器。TELLIER等[14]認(rèn)為,DSU-508數(shù)字檢波器本底噪聲較DSU-428數(shù)字檢波器降低了大約2/3,低頻接收質(zhì)量顯著增強(qiáng),最低有效頻率大致可以達(dá)到1.0～2.0Hz左右;在多次疊加背景下,1.0Hz以上信號(hào)的保真度較高。DSU系列MEMS檢波器的主要推廣障礙是價(jià)格偏高。

另外,對(duì)于加速度型的低頻檢波器而言,即使低頻保真度較高,如果將輸出數(shù)據(jù)直接用于數(shù)據(jù)處理,一方面違背了基本的物理原理[4],另一方面因?yàn)槲⒎志哂刑哳l的視覺(jué)效果,MEMS檢波器的低頻優(yōu)勢(shì)難以體現(xiàn),比如進(jìn)行深層成像、低頻伴影識(shí)別和全波形反演(FWI)等后續(xù)處理的效果不理想。所以,即使加速度檢波器具有低頻優(yōu)勢(shì),也只有在轉(zhuǎn)換為速度的時(shí)候才能體現(xiàn)出來(lái)。并且,速度域雷克子波比加速度域雷克子波具有更高的時(shí)域分辨率(盡管速度域主頻偏低);如果速度域低頻信號(hào)更強(qiáng),則子波旁瓣的幅度更小,與目的層的對(duì)應(yīng)關(guān)系更為準(zhǔn)確。同時(shí),如果積分為速度進(jìn)行處理的話(huà),則應(yīng)該切除由于電噪聲導(dǎo)致的極低頻(大約在1.0～2.0Hz以下)。

2.2 電低頻

在存在機(jī)械低頻衰減的情況下,根據(jù)檢波器的傳輸函數(shù),利用附加電路補(bǔ)償?shù)皖l,這種方式簡(jiǎn)稱(chēng)“電低頻”,比如GAC檢波器。國(guó)內(nèi)有學(xué)者嘗試采用10幾Hz的動(dòng)圈式檢波器加反饋電路實(shí)現(xiàn)1.0～2.0Hz以上低頻信號(hào)的接收。

我們認(rèn)為,在進(jìn)行低頻信號(hào)電補(bǔ)償時(shí)應(yīng)該把握以下原則。

1) 根據(jù)檢波器的傳輸函數(shù)進(jìn)行電校正,幅度要準(zhǔn)確、不要過(guò)低或者過(guò)高。圖3比較了一種電低頻檢波器(寬頻)與其余兩種檢波器的振幅譜。圖中,紅色和藍(lán)色線(xiàn)分別是DSU檢波器以及10.0Hz動(dòng)圈式檢波器低頻補(bǔ)償后的曲線(xiàn),二者一致性很高,在大約1.5Hz以上被視為可靠?！皩掝l”檢波器(綠色曲線(xiàn))中、高頻與其余2種檢波器一致,但是低頻幅度明顯高于其他檢波器,出現(xiàn)了嚴(yán)重的失真,證明其電補(bǔ)償?shù)姆瘸霈F(xiàn)了較大誤差。

圖3 電低頻檢波器(寬頻)與其余2種檢波器振幅譜對(duì)比

2) 圖4為3種檢波器歸一化后允差范圍比較,3種顏色方框分別代表了3種檢波器的允差范圍?？梢?jiàn)檢波器A(合計(jì)為13%,剔除異常道)、B(合計(jì)為18%,剔除異常道)和C(合計(jì)為30%)的允差依次增大。過(guò)大的允差會(huì)對(duì)地震信號(hào)的高頻端造成損害,進(jìn)而降低地質(zhì)分辨率。

圖4 3種檢波器允差范圍對(duì)比(歸一化后)

3) 體積和重量不要增加過(guò)多,避免帶來(lái)過(guò)重的耦合效應(yīng),影響高頻端的數(shù)據(jù)質(zhì)量;耦合效應(yīng)對(duì)于確保高頻端數(shù)據(jù)質(zhì)量具有非常重要的影響。

4) 對(duì)野外環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),施工方便。如果經(jīng)過(guò)低頻改造以后,顯著增加施工難度,則會(huì)對(duì)該型檢波器的規(guī)模推廣帶來(lái)負(fù)面影響。

5) 不顯著增加成本。

2.3 數(shù)學(xué)低頻

在存在機(jī)械低頻衰減的情況下,根據(jù)檢波器的傳輸函數(shù),將損失的低頻通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方式補(bǔ)償回來(lái)[3],這種方法稱(chēng)為“數(shù)學(xué)低頻”。數(shù)學(xué)低頻的補(bǔ)償效果決定于原始數(shù)據(jù)低頻端的“機(jī)電比”,即機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后相對(duì)于本底噪聲的比例,該比例依賴(lài)于頻率,不是一個(gè)標(biāo)量。如果機(jī)電比過(guò)低,就無(wú)法通過(guò)后續(xù)的數(shù)學(xué)方法(反褶積)恢復(fù)地面機(jī)械信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特征,從而導(dǎo)致低頻端失真較大。

魏繼東[3]提出了一種經(jīng)由“數(shù)學(xué)低頻”補(bǔ)償動(dòng)圈式檢波器低頻分量的方法。該方法計(jì)算的算子穩(wěn)定,適用于所有未進(jìn)行過(guò)低截濾波的動(dòng)圈式檢波器數(shù)據(jù),包括以往采集的老數(shù)據(jù)。利用該方法,可以恢復(fù)動(dòng)圈式檢波器因?yàn)樽陨頌V波效應(yīng)衰減的1.0～10.0Hz的低頻信號(hào)。圖5是利用該方法進(jìn)行低頻恢復(fù)的實(shí)例。由圖可見(jiàn),0.5Hz以下由于機(jī)電比較低導(dǎo)致了較大的畸變,屬于“無(wú)法恢復(fù)頻段”(黃色);0.5～2.5Hz范圍內(nèi)幅度幾乎持平,是機(jī)械信號(hào)與電信號(hào)相當(dāng)?shù)念l段,這個(gè)頻段經(jīng)過(guò)多次疊加后可以恢復(fù),屬于“可恢復(fù)頻段”(粉色);2.5Hz以上低頻恢復(fù)后的曲線(xiàn)(紅色)與低頻恢復(fù)前的曲線(xiàn)(藍(lán)色)之間關(guān)系符合10.0Hz檢波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)特征,屬于“可靠恢復(fù)頻段”(綠色)。

圖5 利用“數(shù)學(xué)低頻”方法恢復(fù)低頻信息

圖6顯示了單次接收和多次疊加后檢波器反褶積的低頻恢復(fù)效果,圖中藍(lán)、紅、綠線(xiàn)分別為3種檢波器數(shù)據(jù)的振幅譜。在單次接收(圖6a)后,10.0Hz與5.0Hz檢波器經(jīng)過(guò)檢波器反褶積(Deg)恢復(fù)低頻以后,5.0Hz檢波器在檢波器反褶積后與某低頻檢波器在1.8Hz以上一致性較好,而10.0Hz檢波器在檢波器反褶積后與低頻檢波器在2.5Hz以上一致性較好,這一點(diǎn)與理論預(yù)測(cè)相符。圖6a中10.0Hz與5.0Hz檢波器具有相同的靈敏度,均為80v/m/s,而10.0Hz檢波器在低頻端衰減更為嚴(yán)重,所以經(jīng)過(guò)檢波器反褶積后,其低頻段的失真度更大。經(jīng)過(guò)200次疊加后(圖6b),3種檢波器的低頻端一致性有了較大提高,主要原因是多次疊加顯著衰減了本底噪聲,提高了低頻端的機(jī)電比,檢波器反褶積的效果得到了較大改善。同時(shí)說(shuō)明,盡管5.0Hz檢波器具有低頻優(yōu)勢(shì),但是在數(shù)百次疊加后,10.0Hz檢波器與5.0Hz檢波器在檢波器反褶積后的效果基本相當(dāng)。因此,10.0Hz檢波器在具有性能指標(biāo)和耐用性?xún)?yōu)勢(shì)的前提下,較5.0Hz檢波器對(duì)復(fù)雜的野外施工環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

圖6 單次接收和多次疊加后檢波器反褶積的低頻恢復(fù)效果a 單次接收; b 200次疊加后

同時(shí),對(duì)于數(shù)學(xué)低頻恢復(fù)來(lái)說(shuō),提高檢波器的靈敏度可提高低頻端的機(jī)電比。但如果在通過(guò)電路提高靈敏度的同時(shí),本底噪聲的強(qiáng)度被提高得更多,則會(huì)降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.4 數(shù)學(xué)合并物理低頻

根據(jù)普通檢波器與低頻檢波器數(shù)據(jù)之間的特征(振幅譜或功率譜)差異,補(bǔ)償普通檢波器的低頻成分[1-2,15-16],是以上3種方法的綜合,簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)學(xué)合并物理低頻”。該方法依賴(lài)于低頻檢波器的機(jī)械或電屬性以及數(shù)學(xué)計(jì)算(反褶積),算子不穩(wěn)定,一致性差,操作繁瑣,推廣意義較弱。

ZHANG[1]和CHIU等[2]提出用少量低頻檢波器與普通10.0Hz動(dòng)圈式檢波器并列放置,在輸入信號(hào)一致的情況下(地震波的波長(zhǎng)普遍在百米到千米級(jí),所以檢波器并列放置時(shí),輸入的機(jī)械信號(hào)具有高度一致性),以10.0Hz檢波器數(shù)據(jù)作為輸入,低頻檢波器數(shù)據(jù)作為期望輸出,求取二者之間的差異算子,并將差異算子與其余10.0Hz檢波器數(shù)據(jù)做褶積,達(dá)到補(bǔ)償?shù)皖l損失的目的。但此時(shí)無(wú)論是輸入信號(hào)還是期望輸出信號(hào),都會(huì)受到跟蹤物理量、本底噪聲強(qiáng)度、耦合狀況以及其它性能指標(biāo)的影響,并不僅限于低頻濾波效應(yīng)這種單一因素。此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)每一個(gè)時(shí)窗對(duì)應(yīng)一個(gè)算子的情況。即使采用平均算子,仍然難以準(zhǔn)確恢復(fù)10.0Hz檢波器的低頻部分。SHEN[15]和YAN等[16]用“低頻檢波器和高頻檢波器”或者“速度檢波器和加速度檢波器”的不同頻段成分進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),旨在確保高頻的同時(shí),提升低頻。此類(lèi)方法多數(shù)改變了反射信號(hào)傳播到地面后引起的地表振動(dòng)所攜帶的動(dòng)力學(xué)特征,產(chǎn)生了更大的畸變,模糊了數(shù)據(jù)所代表的物理意義。

3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證低頻信號(hào)接收與補(bǔ)償方法在實(shí)踐中的作用,本文利用魏繼東[3]提出的方法對(duì)某地區(qū)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行低頻恢復(fù)。對(duì)比補(bǔ)償前、后的疊加剖面(圖7) 以及頻譜(圖8)可以看到,淺、中、深層信噪比均得到提高,同相軸連續(xù)性更好,波組特征清晰,斷點(diǎn)干凈利落,構(gòu)造成像更加合理,特別是深層的成像效果大幅度提高,剖面整體質(zhì)量改善明顯。該方法的另一優(yōu)勢(shì)在于,可用于所有以往動(dòng)圈式檢波器采集到的數(shù)據(jù)(已經(jīng)進(jìn)行過(guò)低截濾波的部分除外),然后重新處理、解釋,進(jìn)一步提高勘探效果。

圖7 通過(guò)檢波器反褶積進(jìn)行低頻補(bǔ)償前(a)、后(b)的剖面對(duì)比(炸藥震源)

圖8 低頻補(bǔ)償前、后剖面的振幅譜

4 結(jié)論

關(guān)于陸上低頻信號(hào)的接收與應(yīng)用,我們認(rèn)為:

1) 對(duì)于油氣勘探而言,DSU等MEMS數(shù)字檢波器是最直接的選擇,缺點(diǎn)是價(jià)格偏高。DSU-428大約在2.0Hz以上是可靠的,DSU-508或許可以達(dá)到大約1.0Hz甚至更低。其余很多類(lèi)型低頻檢波器不適用于大規(guī)模的油氣勘探作業(yè);同時(shí),此類(lèi)加速度檢波器的低頻優(yōu)勢(shì)只有在轉(zhuǎn)換為速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)才能顯現(xiàn)出來(lái)(限于最低可靠頻率以上)。

2) 10.0Hz動(dòng)圈式檢波器配合檢波器反褶積大約可以實(shí)現(xiàn)1.0～2.0Hz以上的數(shù)據(jù)保真,是最實(shí)用的一種方法。更重要的是,檢波器反褶積可用于以往所有動(dòng)圈式檢波器采集的數(shù)據(jù)(已經(jīng)進(jìn)行過(guò)低截濾波的除外),進(jìn)而可以對(duì)以往數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理、解釋,發(fā)掘低頻分量的潛力,降低采用低頻檢波器重新采集的勘探成本。

3) 如何在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中保護(hù)低頻并將其應(yīng)用于波形反演、速度分析、低頻陰影檢測(cè)和深層成像等領(lǐng)域,還有待進(jìn)一步深入研究。