一种常规检波器的低频恢复方法

引用本文

芮拥军. 一种常规检波器的低频恢复方法[J]. 物探与化探, 2016,40(6): 1198-1202.
RUI Yong-Jun. Low frequency recovery method for a conventional geophone record[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6): 1198-1202.
Doi:10.11720/wtyht.2016.6.22 复制到剪切板

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一种常规检波器的低频恢复方法

芮拥军

胜利油田分公司物探研究院,山东东营 257022

作者简介: 芮拥军(1973-),男,胜利油田分公司物探研究院,主要从事地震资料处理技术研究工作。

收稿日期: 2016-02-11

基金: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“陆上非一致性时延地震、微地震油藏监测方法研究”(2011AA060303)

摘要

在地震勘探中,低频地震信号的重要作用日益凸显。在实际工作中,通常使用自然频率为10 Hz的动圈式检波器,致使接收到的低频信号被畸变,可信度大幅度降低。全面替换常规检波器为低频检波器,虽然可以获得真实的低频信号,但面临试验周期长、替换费用高等实际问题。为解决常规检波器地震数据低频畸变的问题,提出了一种实用的常规检波器低频恢复方法,以台站式低频检波器与常规检波器同源共点数据为基础,估算常规检波器的最低有效频率并构建反滤波算子,实现了常规检波器地震数据的低频恢复。B3Q的实际应用表明,该技术可以有效恢复常规检波器资料的低频信息,拓宽地震资料的有效倍频程,提高地震资料解决岩性问题的能力,具有广阔的应用前景。

关键词: 低频信号; 自然频率; 最低有效频率; 低频恢复

中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1198-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.22

Low frequency recovery method for a conventional geophone record

RUI Yong-Jun

Institute of Geophysical Exploration,Branch Company of Shengli Oilfield,Dongying 257022,China

Abstract

In seismic exploration,the low frequencies have played a significant role in increasing the resolution of seismic images in recent years.In practice the geophones usually have 10 Hz natural frequency,which indicates the distortion of the seismic signals bellow 10 Hz.The broad replacement of 10 Hz geophones with the low-frequency geophones can get "real" low frequency.This replacement process however,meets with many challenges, such as difficulties in research,long period of experiments,and high cost of low-frequency geophones.To mitigate the difficulties caused by these challenges the authors propose a practical method to estimate and recover the valid low frequencies of the conventional geophone data. In order to solve the problem of low frequency distortion in conventional geophone seismic data,the author put forward a practicable conventional low-frequency detector recovery method for low frequency geophone and,on the basis of homologous concurrent data,estimated the lowest effective frequency of conventional geophone and constructed the inverse filtering operator so as to realize low frequency recovery of conventional geophone seismic data.The practical application of B3Q shows that this technique can effectively recover the low frequency information of the conventional detector,expand the effective frequency doubling of seismic data,and improve the seismic data for solving the problem of lithology,thus having a broad application prospect.

Keyword: low-frequency signal; natural frequency; lowest reliable frequency; low-frequency recovery

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随着地震勘探的不断深入, 国内外多数油田已进入岩性勘探阶段, 复杂断块、薄互层勘探问题对地震分辨率提出了更高的要求^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}。理论研究表明, 增加低频分量的主要作用是减少子波旁瓣, 降低地震资料解释的多解性, 提高解释成果的精度^{[7, 8, 9, 10, 11]}。

到目前为止, 把地震数据的有效带宽扩展到远低于10 Hz依然是一个多方面的挑战^{[12, 13]}。2010年PGS公司推出GeoStreamer技术, 在增加低频信息的同时保护高频信息; Spectraseis公司的低频地震技术研究取得重大进展; 中国石油东方地球物理公司与壳牌合作, 开展的低频可控震源试验获得成功; CGGVeritas公司专门推出了宽频地震技术系列, 为陆上、海上、海底地震勘探提供宽频方案。采集技术革新是正确的方向, 但是新型设备的研发和购置费用高昂, 试验周期较长, 短期内无法形成生产力, 淘汰现有设备也会造成极大的浪费^[14]。

在此背景下, 笔者提出了基于台站检波器数据的常规检波器低频恢复技术, 充分利用现有采集设备, 仅增加少量台站式低频检波器进行同时采集; 根据两种检波器低频响应的差异, 以数学手段实现常规检波器地震数据的低频恢复, 消除低频信号畸变的影响。

1 基于台站信号的低频恢复方法

目前地震采集主要采用20Dx检波器, 由于本身物理机理的限制, 这种检波器的自然频率为10 Hz, 低于10 Hz的采集地震信号会被畸变, 可信度大幅度降低^[15]。理论上, 可以采用检波器的理论频响曲线来校正低频的畸变, 但检波器的电路系统在低频段产生了可观的自噪声, 如果不对有效信号频段进行辨识, 那么就会在校正低频畸变的同时将放大自噪声, 导致地震信号信噪比的降低, 因此只有在信噪比足够高和满足要求的频段低频信号畸变才是可以恢复的。

自噪声的水平依赖于采集环境的物理参数, 例如温度、电磁场干扰源等。信噪比则主要取决于检波器与震源距离、检波器耦合情况、以及震源的类型和强度等。由于上述的影响因素与低频畸变程度没有定量关系, 因此需要一种方法高效地分析地震数据的有效低频成分, 最大限度地恢复被畸变的低频信号。

为此, 提出了一种新的低频恢复技术:在常规地震采集时, 选择少量的典型位置, 将低频地震仪与常规检波器, 进行点对点布设; 在室内评价地震信号在各频率段的有效性时, 估算出低频恢复的极限以及校正因子, 达到对常规地震数据进行低频补偿, 大幅度提高地震资料的分辨率的目的。这种技术的优势在于, 避免了大量使用低频检波器造成的采集成本攀升, 少量增加台站式低频检波器的施工难度也相对较小。

该方法中最低有效频率估算以及反滤波器的构建是该方法的核心和关键。

2 常规检波器最低有效频率的估算

目前, 市场上存在多种可以进行宽频独立接收和记录的采集设备(成为台站记录仪), 如TEXAN等, 它具有0.3 Hz低频接收能力、连续记录功能和自主存储功能。

图1为同源共点接收常规动圈检波器与台站式低频检波器地震记录。从图可见, 台站式低频检波器记录到了能量更强的低频信号, 频谱分析中低于10 Hz的信息更加丰富。

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	图1 相同位置同一震源接收信号 a— 不同检波器信号; b— 不同检波器信号频谱

同源共点采集的地震信号, 可以根据检波器自身噪声水平将地震信号的频带范围分为三个区域, 这里以Region I、Region II、Region III 标于图2中。图中, 两条红色虚线分别代表常规检波器和低频检波器的自身噪声, 蓝色实线表示无畸变和自噪声影响的实际地震信号频谱, 黑色曲线和粉色曲线分别为低频检波器和常规检波器记录到的频谱, 绿色曲线代表无自噪声情况下常规检波器的频谱。

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	图2 根据信噪比划分检波器频段的示意

在Region I中两者的信噪比都大于1; Region II中常规检波器的自噪声已经与实际地震信号相当, 而低频检波器的自噪声却远小于实际地震信号; 在Region III中, 低频检波器的信噪比大于1, 而常规检波器的自噪声强于地震信号, 已经远远偏离检波器的频响曲线。

将地震记录高信噪比频带范围的下限频率值称之为最低有效频率(lowest reliable frequency, LRF), 最低有效频率限定了可恢复有效信号的低频极限。

研究中采用两种检波器频谱比的方法来估算最低有效频率。若将台站式低频地震仪和常规检波器放置在同一位置, 在不考虑自身噪声的情况下两者之间的转换函数就是两者记录频谱的比值 (Pavlis和Vernon, 1994):

$\begin{matrix} A_{sp} (ω) \approx \frac{Z_{SP} (ω)}{Z_{BB} (ω)} (1) \end{matrix}$

式中:Z_SP(ω )和Z_BB(ω )分别是常规检波器和低频检波器记录的频谱。

根据图3中两种检波器的频谱比值曲线的形态变化可以确定“ 两线三区” , 即最低有效频率线(无规则抖动与直线的交界频率处)、最高有效频率线(直线段与水平线交界频率处), 以及由这两条线分割的等同区域、校正区域和无效区域, 其中校正区域即为对常规检波器进行低频校正的频率范围。

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	图3 检波器频谱比值“ 两线三区”

3 基于台站低频信号的约束校正技术

确定了LRF之后, 就可以估计反滤波器, 对常规检波器记录中的低频进行恢复。在频率域将常规检波器数据的频谱(这里指傅里叶谱)乘以最低有效频率和最高有效频率截断的反滤波器, 实现对检波器低频的补偿。

笔者采用功率谱比值来估算反滤波器, 主要是

将相同位置的低频检波器和常规检波器逐道作功率谱(PSD)比值:

$\begin{matrix} R = \sqrt{PS D_{low} / PS D_{high}} (2) \end{matrix}$

其中:PSD_low是低频仪器的功率谱, PSD_high是高频仪器的功率谱。

据此, 建立了基于台站信号的常规检波器低频恢复技术流程, 见图4。

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	图4 基于台站信号的常规检波器低频恢复技术流程

4 应用实例

BN油田位于DY凹陷西北边缘。在2015年该区部署施工100 km²的三维地震同时, 根据采集区的实际地表情况, 在常规检波器5 m范围内埋设低频检波器台站, 在120 km²的范围内总计布设76个台站, 台站间隔近1 km, 见图5。通过联合采集得到了含有丰富低频信息的台站式低频数据。以此数据为基础进行了常规检波器低频信号的恢复处理。

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	图5 B3Q地区低频检波器采集方案

图6为常规检波器地震资料低频补偿前后的单炮效果。补偿后的单炮(图6b)低频信号能量更强, 信息更加丰富, 在其单炮差值显示中(图6c), 面波成分得到了恢复, 同时也有效恢复了低频有效反射, 在频谱中(图6d), 低频端1 Hz能量从-32 dB提高到-12 dB。

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	图6 低频补偿前后单炮及频谱对比 a— 常规检波器单炮; b— 常规检波器低频恢复后单炮; c— 恢复前后单炮差值数据; d— 恢复前(红色曲线)后(蓝色曲线)频谱显示

图7为常规检波器数据低频补偿前后成像剖面对比。在常规地震剖面中(图7a), 由于检波器低频畸变的影响, 2 300 ms处低频特征的古生界底层反射成像较差; 在低频补偿后剖面中(图7b), 该低频能量更强, 反射特征更加清晰, 剖面成像质量得到较大提高。

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	图7 低频补偿前后成像剖面 a— 常规检波器地震数据成像剖面; b— 低频补偿后地震数据成像剖面

图8为图7中常规检波器采集地震剖面与低频补偿地震剖面的自相关对比, 可明显看出, 低频补偿后自相关的主瓣宽度变窄, 同时主瓣旁边的旁瓣能量变弱, 表现出高倍频程宽频地震数据的典型特征。

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	图8 低频补偿前后自相关 a— 低频补偿后地震数据自相关; b— 常规检波器地震数据自相关

5 结论

笔者以台站式低频检波器与常规检波器同源共点采集数据为基础, 建立了针对常规检波器地震数据的低频恢复技术, 从实际资料的应用来看, 该技术可以有效恢复常规检波器地震资料中的低频信号, 提高地震资料的成像质量, 是一项具有较好应用前景的实用技术。

今后, 还需要针对补偿后低频丰富的特点, 研究面向低频的去噪技术、拓频技术以及波阻抗的反演技术研究, 进一步提高资料的倍频程, 为我国油气勘探提供更精细的基础资料。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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