于富文,何京国,段卫星,张志林,崔汝国

(中国石油化工集团公司石油工程地球物理有限公司胜利分公司,山东东营257100)

青海NMH工区谐波干扰特征及压制技术研究

于富文,何京国,段卫星,张志林,崔汝国

(中国石油化工集团公司石油工程地球物理有限公司胜利分公司,山东东营257100)

青海NMH工区地表复杂,近地表岩石硬度差异大,有必要开展不同地表耦合条件下可控震源谐波干扰的分布特征研究和压制方法试验。通过理论计算和对实际资料的统计分析,总结了谐波干扰变化规律,确立了相应的谐波干扰压制方法。研究结果表明,可控震源与地表耦合产生的谐波干扰与地表岩石硬度密切相关,一般随地表岩石硬度增加,谐波干扰强度显著增强,但相位畸变相应减小。通过优选激发点位置、有针对性地改善地表耦合条件、合理调节相位控制增益,甚至研究和采用诸如新型震源平板等多种技术措施,尽可能保证在硬度值约40(即接近“半刚度”)的地层中激发,可以最大限度降低谐波干扰的影响,提高地震资料的品质。理想情况下,可使得谐波干扰能量降低约30%,单炮地震记录信噪比提高约260%。

可控震源；地震采集；谐波干扰；震源耦合；压制技术

近年来,可控震源以其安全、环保、高效和低成本的优势在地震勘探中得到飞速发展,逐渐成为地震勘探的主要震源方式。国外地震采集中可控震源的应用比例已经超过了60%,国内尽管总体比例偏低(平均约14%),但呈逐年增加的趋势[1]。在可控震源地震采集中,由于震源本身机械特性、震源与地表的耦合效应以及震源参数选择不当等原因使得谐波干扰已成为可控震源地震采集的主要干扰源之一[2-3]。因此,如何压制和消除谐波干扰一直是可控震源地震采集技术研究的热点问题。目前,随着可控震源地震采集技术的不断完善和提高,通过野外精细施工试验和优化选取震源参数,可以在很大程度上降低因机械原因产生的相位和振幅畸变,减少震源参数选择不合理造成的谐波影响[4-12]。但是对于地表耦合所产生的谐波干扰特征和变化规律的研究相对较弱。青海NMH工区具有硬盐碱壳区、山前砾石区、戈壁砾石区、雅丹地貌区、半沙漠区等多种地表类型,且近地表岩石硬度差异大,为研究不同地表耦合条件下谐波干扰的分布特征和压制方法提供了得天独厚的条件。2014年,刘斌等[2]以研究区地震采集数据为依托,对由3种原因引起的谐波干扰分布特征进行了较为详细的分析。我们将在此基础上重点对不同硬度区由地表耦合引起的谐波干扰特征和压制方法作进一步深入研究和阐述。

1 地表耦合谐波干扰特征分析

1.1 理论分析

若可控震源向大地施加的外力为:

F=R0sin2π(f1+at/2)t

(1)

式中:R0为振幅；f1为频率；a为相位；t为时间。

则对于地下任意截面积为ds,长度为dl且柱轴线平行受力方向的柱形小体元,经理论推导,可控震源与大地组成的共振耦合系统的输出响应为[2-3]:

(2)

其中,

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:ρ为密度；v为速度；E为杨氏模量。

由(2)式到(6)式不难看出,近地表岩石密度与地表耦合响应密切相关,这意味着地表岩石密度不同,其与可控震源的大地耦合效应就会不一致。结合工区近地表地质调查结果,假定近地表分2层,第1层介质密度ρ0的变化范围为1.5～2.6g/cm3,速度v0的变化范围为600～3800m/s。第2层介质取ρ1=2.7g/cm3,v1=2000m/s,可控震源振动信号最大振幅R0=80000,对于单位面积和单位长度的小体元(即ds=1,dl=1),利用(2)式计算得到可控震源与大地共振耦合系统响应随地表密度变化的关系曲线,如图1所示。

图1 不同密度地表耦合响应曲线

由图1不难看出,随着地表密度的增加,震源与地表共振耦合系统输出响应减小,意味着扫描信号的振幅和能量减小,信号相位畸变减弱,但干扰波能量相对增强。当地表密度达到1.9以上时,响应值随地表密度变化趋于一致。密度继续增大,震源与地层表现为过阻尼耦合,响应值很弱,相位畸变最小,干扰波能量最强。

1.2 实际资料分析

在青海NMH二维工区,采用可控震源激发的地表类型主要有硬盐碱壳区、山前砾石区、戈壁砾石区、雅丹地貌区、半沙漠区等,因地表岩石密度变化较大,地震资料品质参差不齐,呈现出较强的谐波干扰。通过分析工区实测地震记录发现,谐波干扰主要呈现出视主频较高、频带较宽等特点。视主频通常为15Hz左右,频带范围为6～65Hz。谐波干扰混杂于原始地震记录中,在原始单炮地震记录上谐波的波形时变以及振幅的强弱变化均毫无规律可言[2]。

为了定量分析不同地表因震源与地表的耦合效应引起的谐波干扰的变化规律,我们引入相对硬度概念代替密度来区分不同地表类型,并假定坚硬纯砾岩硬度为100%,在综合考虑不同地表和不同岩石组分密度及含量的基础上,构建了一个适合青海NMH二维工区,可用于估算不同地表岩石硬度的经验数学模型,具体计算公式如下:

(7)

式中:A为硬度；ρ为密度(下标1,2,3分别代表不同的岩石组分)；ρL为砾石的密度；m为不同地表岩石组分含量。

利用(7)式对NMH工区7种不同地表类型的岩性组分和硬度大小进行分类量化统计,计算结果详见表1。表1中谐波振幅是基于同一施工因素不同地表类型的单炮记录,选用同一时窗(3000～4500ms),且炮点中心各自向外延拓20道计算得到的谐波干扰平均振幅。为了更清楚地展示不同地表类型谐波能量的变化规律,图2给出了谐波振幅随硬度变化的趋势曲线。

表1 青海NMH工区不同地表类型的岩性组分、硬度及谐波特征参数统计结果

图2 谐波干扰能量和信号相位畸变与地表硬度的关系

由表1和图2可见,随着地表硬度的增加,谐波干扰能量逐步增强,而信号相位畸变则逐渐减小。当地表硬度值低于40时,谐波干扰能量的增幅较为平缓,但信号相位畸变较为明显。当地表硬度值高于40时,信号相位畸变相对较小,但谐波干扰能量增加较为剧烈。由此可见,要想获得理想的激发效果,既要保证有效信号相位畸变小,又要使得谐波干扰能量弱,最佳的激发地表条件应该是硬度在40左右,接近“半刚度”的地表。

综上所述,地表岩石密度或硬度越大,地表与可控震源的耦合效果越差,震源输出有效信号的振幅或能量减弱,谐波干扰增强。一般而言,硬地层因震源与地表耦合效应产生的谐波干扰能量强,有效信号相位畸变小；软地层谐波干扰能量弱,有效信号相位畸变较大。选择硬度值在40左右(接近“半刚度”)的地表激发,不仅可以使得谐波干扰能量强度相对较弱,而且可以保证有效信号相位畸变较小。

2 谐波干扰压制方法及效果分析

2.1 压制方法

从上述理论和实际资料的分析结论不难看出,不论是硬地层还是软地层均不利于可控震源勘探,前者谐波干扰能量强,后者相位畸变严重。只有硬度接近“半刚度”的地表,才能够满足可控震源地震勘探获得较弱谐波干扰能量和较小相位畸变的要求。为此,在野外实施可控震源地震采集时,为了提高地震资料品质,降低因为震源与地表耦合产生的谐波干扰的影响,采取合理选择激发点位以及人为改造地表条件等技术措施,使得可控震源地震采集资料的品质得到了较为明显的改善。

首先,在满足采集和处理要求的前提下,通过详细的野外踏勘、分析近地表地质条件以及灵活变观设计,尽可能优选震源耦合条件较好的路线和激发点位,力求在“半刚度”地表条件下实施激发。

其次,对于无法避免的地表硬度较小的软地层,为了改善其硬度,增加震源与地表的耦合度,可通过增加一次空振,待地表压实后再进行常规扫描。也就是说第1次扫描不予记录,目的仅在于强化地表硬度,提高地表与震源的耦合度。与此同时,可通过优选相位控制增益,合理调高相位控制增益来实现强相位畸变的控制。对于无法避免的地表硬度较大的硬地层,因其相位畸变小,可适当将相位控制增益设置低一些。

最后,采用平整地表,调整震源方位,配备专用设备等方法,甚至研制针对戈壁砾石等坚硬地表条件的新型震源平板,如底板带有锯齿、细刺、甚至带有局部碎石、平整功能的震源平板,有针对性地改善地表平坦度和软硬度,使地表硬度接近“半刚度”,以提高震源底板与地表的耦合效果,从而提高单炮品质。

2.2 应用效果分析

图3为青海NMH工区戈壁砾石区(硬地表)采用上述针对性技术措施改善耦合条件前、后获得的单炮记录。不难发现,改善后的单炮记录中谐波干扰振幅得到了明显压制,目标层反射信息更加突出。

为了更好地展示改善耦合条件对压制谐波干扰的作用,图4进一步给出了本区戈壁砾石区(硬地表)538测线(改善前)和540测线(改善后)连续120炮谐波干扰能量的定量统计分析结果。两条测线相距2km,地表条件相同,砾石大小相近。由图4可见,采用针对性谐波干扰压制技术前谐波干扰振幅大多高于10.0×104dB(图4a),平均振幅约为11.0×104dB；实施压制技术后,谐波干扰振幅大多不足8.0×104dB,平均振幅约为7.9×104dB,谐波干扰能量较改善前降低了约30%。

对于硬度较小的雅丹地貌区(软地表),图5给出了改善耦合条件前、后的原始单炮记录。不难看出,通过采用压实、平整地表、增加一次空振以及提高相位控制增益等方法,虽然谐波干扰能量稍有增强,但相位畸变大幅度减小,谐波干扰区以及临近区域地震资料的信噪比有了明显的提高,目标层同相轴连续性更好。进一步通过对耦合条件改善前(1178测线)和改善后(1180测线)(两线相距2km,且地表条件相同,均为松软黄土)连续200炮原始单炮记录谐波干扰能量以及资料信噪比进行统计分析,得到信噪比统计结果如图6所示,

图3 戈壁砾石区(硬地表)谐波干扰压制前(a)、后(b)原始单炮记录

图4 戈壁砾石区耦合条件改善前538线(a)、后540线(b)谐波干扰能量统计结果

图5 雅丹地貌区(软地表)谐波干扰压制前(a)、后(b)原始单炮记录

图6中两条线的信号频率范围均为10～80Hz。显然,采用针对性的谐波干扰压制技术后,单炮记录的信噪比得到了明显改善,谐波干扰区地震记录的平均信噪比从改善前的0.32提高到1.16左右,信噪比提高幅度约为260%。

图7是对研究区实施谐波干扰压制技术前、后的采集资料采用相同处理流程获得的叠加剖面。显然,与谐波干扰压制前的剖面相比,通过合理改善地表耦合条件,地震剖面成像质量得到了显著改善,不仅剖面的信噪比得到了明显提高,而且突出了有效信号,目标层同相轴的连续性大大改善。

图6 雅丹地貌区(软地表)耦合条件改善前1178线(a)、后1180线(b)谐波干扰区信噪比统计结果

图7 青海NMH工区谐波干扰压制前(a)、后(b)叠加剖面

3 结束语

因可控震源与地表耦合产生的谐波干扰与地表岩石硬度密切相关。一般随地表岩石硬度增加,谐波干扰强度显著增强,信号相位畸变相应减小。具体来说,硬地表激发谐波干扰能量强,信号相位畸变小；软地层激发谐波干扰能量弱,信号相位畸变较大。只有在硬度值约40左右,即接近“半刚度”的地层激发,才能够保证地震记录中谐波干扰的振幅强度和信号相位畸变均较小。

利用谐波干扰振幅和相位变化特点,通过优化激发点位置、有针对性地改善地表条件、合理调节相位控制增益,甚至研究和采用诸如新型震源平板等多种技术措施,可以最大限度地降低谐波干扰的影响,提高地震资料的品质。理想情况下,单炮地震记录中谐波干扰能量可降低约30%,资料信噪比可提高约260%。叠加剖面信噪比明显提高、有效波突出,同相轴连续性得到极大改善。

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(编辑：陈 杰)

Study on the distribution characteristics and suppressing technique of harmonic interference in vibroseis signal in NMH,Qinghai Province

Yu Fuwen,He Jingguo,Duan Weixing,Zhang Zhilin,Cui Ruguo

(ShengliBranchComapany,SinopecGeophysicalCorporation,Dongying257100,China)

The hardness of the near-surface rock in NMH area in Qinghai Province varies largely,it is necessary to research on the distribution characteristics of harmonic interference and the experiment on its suppression techniques under different surface coupling conditions.By theoretic calculation and statistical analysis of real data,we concluded the variation rule of harmonic interference and established the corresponding suppression method for harmonic interference.The results indicate that the harmonic interference generated by the coupling of vibroseis and surface is closely related with the hardness of surface rock.Generally,the strength of harmonic interference is obviously enhanced and the phase distortion is decreased along with the increase of surface rock hardness.We carried out some measurements to keep shooting in the formations with hardness at about 40 (close to “semi-rigidity”),such as optimizing shooting position,improving surface coupling conditions,reasonably adjusting phase controlling gain,even adopting new source plane,thus the impact of harmonic interference is eventually eliminated to maximum and the quality of seismic data is improved.Ideally,the energy of harmonic interference can be decreased about 30% and the signal-to-noise ratio of single shot record enhanced about 260%.

vibroseis,seismic acquisition,harmonic interference,source coupling,suppression technique

2014-06-10;改回日期：2015-09-09。

于富文(1965—),男,博士,高级工程师,现主要从事物探技术管理和地球物理勘探应用研究工作。

何京国(1975—),男,硕士,高级工程师,现主要从事地震资料采集、解释研究工作。

国家科技重大专项(2011ZX05006-002)和国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA060300)共同资助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0699-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.008