海底節(jié)點(diǎn)高效混采海量數(shù)據(jù)分離技術(shù)

陳鷹鵬 張紅軍 劉 勇 趙 珉 宋家文 戚群麗

(①東方地球物理公司研究院海外業(yè)務(wù)部，河北涿州 072750； ②東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州 072750)

0 引言

為了采集海量地震數(shù)據(jù)并控制勘探成本，Beasley[1]提出多源地震同時(shí)激發(fā)采集技術(shù)，隨后Berkhout等[2]提出并發(fā)展了混合激發(fā)采集的概念，使混采技術(shù)得到迅速發(fā)展。近年來OBN高效混采(High Efficient Blended Shooting)的發(fā)展，有效推動(dòng)了“兩寬一高”技術(shù)在海洋地震勘探的應(yīng)用，同時(shí)大大降低了勘探成本，成為目前全球海洋地震勘探的熱點(diǎn)技術(shù)。然而多個(gè)震源同時(shí)激發(fā)，在節(jié)省采集成本的同時(shí)，也必然產(chǎn)生震源間的交叉干擾，因此分離混疊交叉的鄰炮干擾是高效混采必不可少的環(huán)節(jié)。

混采數(shù)據(jù)分離方法基本可以分為兩類，即基于直接去噪和基于稀疏反演預(yù)測噪聲的分離方法。前者利用混疊干擾在共炮域外的其他域的隨機(jī)分布特點(diǎn)直接壓制干擾，如Hoover等[3]通過衰減隨機(jī)噪聲壓制獨(dú)立同步掃描(ISS)鄰炮干擾，Zhang等[4]采用加權(quán)τ-p變換壓制鄰炮干擾，Huo等[5]在CMP域由矢量中值濾波壓制混疊干擾，王文闖等[6]利用阿爾法均值(α-trimmed)矢量中值濾波去噪，周麗等[7]提出利用自適應(yīng)迭代多級中值濾波法分離海上多震源混合波場，Doulgeris等[8]提出在共檢波點(diǎn)道集上利用頻率—波數(shù)域?yàn)V波消除混疊干擾的迭代算法。上述基于去噪的混采數(shù)據(jù)分離方法效率高、成本低，但在數(shù)據(jù)混疊度較高時(shí)，分離效果不理想。為此，人們廣泛研究了基于稀疏反演預(yù)測噪聲的混采數(shù)據(jù)分離方法。Akerberg等[9]利用稀疏Radon變換分離混采數(shù)據(jù)； Abma等[10]在傅里葉變換域由凸集投影(POCS)算法獲得了高質(zhì)量分離結(jié)果； Lin等[11]提出了基于Curvelet域L1約束的分離方法； Chen等[12]利用Seislet域整形正則化方法取得了理想的分離效果； Qu等[13]對比了Curvelet變換結(jié)合不同正則化約束的混采分離算法； Zu等[14]提出周期震源編碼海上混采方式； 宋家文等[15]基于頻率—波數(shù)—波數(shù)域(FKK)變換的稀疏反演法分離三維高效混采數(shù)據(jù)。

隨著混采技術(shù)的成熟以及計(jì)算集群的發(fā)展，基于稀疏反演預(yù)測噪聲的混采數(shù)據(jù)分離方法逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，目前已在多個(gè)實(shí)際陸上數(shù)據(jù)混采作業(yè)中取得理想效果。陸上混采數(shù)據(jù)一般是在生產(chǎn)炮之間產(chǎn)生交叉混疊干擾，類型單一。然而，在海洋OBN高效混采過程中，由于施工方式導(dǎo)致非生產(chǎn)炮數(shù)量不可忽略，引起混疊干擾類型復(fù)雜多樣，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的應(yīng)用效果。

本文針對A區(qū)OBN高效混采數(shù)據(jù)，在充分分析多種混疊干擾類型的基礎(chǔ)上，研究了迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)以及炮點(diǎn)邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、稀疏反演法的技術(shù)方案，旨在成功預(yù)測各類混疊干擾，以期達(dá)到理想分離效果。

1 OBN混采數(shù)據(jù)混疊干擾分析

A區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)為共檢波點(diǎn)道集，對于每個(gè)OBN來說，設(shè)計(jì)的有效生產(chǎn)炮為23萬個(gè)，但是實(shí)際記錄的單炮數(shù)量一般超過30萬個(gè)，即除有效生產(chǎn)炮之外的非生產(chǎn)炮的數(shù)量超過20%。非生產(chǎn)炮包括軟啟動(dòng)炮(Soft Start，驅(qū)逐海洋哺乳動(dòng)物)、重炮(多線束施工)、廢炮(采集船偏離航線)和壞炮(由船等設(shè)備導(dǎo)致)等，這是由OBN混采特有的施工方式?jīng)Q定的。非生產(chǎn)炮數(shù)量過多造成邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下的重炮以及嚴(yán)重?cái)?shù)據(jù)變觀現(xiàn)象，是OBN高效混采資料中產(chǎn)生多種類型混疊干擾的兩種主要原因。

1.1 重炮引起的干擾類型

圖1為重炮定義的炮類型，若僅考慮生產(chǎn)炮受到的混疊干擾，可將所有炮類型定義為5種。

圖1 重炮定義的炮類型生產(chǎn)炮受到的混疊干擾來自A1、B1和B2

1.2 變觀產(chǎn)生的干擾類型

在一定觀測系統(tǒng)下，邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)中炮點(diǎn)之間的相對方位關(guān)系和物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。然而在變觀情況下，炮點(diǎn)的邏輯位置之間的相對方位關(guān)系可能與物理坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，因此可將所有炮類型定義為3種(圖2)。

圖2 變觀定義的炮類型

2 OBN混采海量數(shù)據(jù)分離技術(shù)

2.1 FKK變換稀疏反演法分離技術(shù)基本原理

2.1.1 基本原理

在混采數(shù)據(jù)中，檢波點(diǎn)接收到的多源混疊記錄為[2,16]

d=Γm

(1)

式中：d為混疊記錄；m為未混疊信號；Γ為混疊算子，包含所有震源的激發(fā)時(shí)間以及空間位置信息。由于觀測到的樣點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)少于需要反演的樣點(diǎn)數(shù)，故混采數(shù)據(jù)的分離為欠定反演問題。為了求解分離信號， 在FKK域施加L0范數(shù)稀疏約束， 建立目標(biāo)函數(shù)

(2)

式中： F為三維傅里葉變換算子；λ為正則化參數(shù)，控制誤差項(xiàng)和約束項(xiàng)權(quán)重。該目標(biāo)函數(shù)極小值問題可通過迭代收縮閾值法[17]求解

mi+1=F-1TτF[ΓHd-(ΓHΓ-I)mi]

(3)

式中： 上標(biāo)“H”表示取共軛；Tτ為FKK變換域的閾值算子；I為單位矩陣；i為迭代次數(shù)。

式(3)表示將數(shù)據(jù)變換到FKK域并預(yù)測混疊干擾，然后在共檢波點(diǎn)時(shí)—空域減去該混疊干擾的迭代過程。

針對A區(qū)OBN高效混采(高峰期平均能達(dá)3萬單炮/日，每天數(shù)據(jù)量約7TB)，選擇基于FKK變換的稀疏反演法預(yù)測噪聲的分離方法。采用快速傅里葉變換提高計(jì)算效率，利用指數(shù)閾值加快迭代收斂速度，從而精準(zhǔn)、穩(wěn)定、快速地分離高混疊度的海量地震數(shù)據(jù)[15]。

2.1.2 適用條件分析

在FKK域預(yù)測混疊干擾受以下因素制約。

(1)由于FKK變換存在制約條件，無法直接預(yù)測并分離重炮位置的B1類混疊干擾(圖3)。

圖3 混疊炮集(左)和存在B1類殘留混疊干擾的分離炮集(右)

通過炮邏輯坐標(biāo)申請網(wǎng)格內(nèi)存時(shí)，由于每個(gè)內(nèi)存只允許讀入一炮數(shù)據(jù)，并沒有相應(yīng)的網(wǎng)格空間容納邏輯坐標(biāo)重復(fù)的炮數(shù)據(jù)，因此無法有效預(yù)測該類混疊干擾；一般情況下，F(xiàn)KK分離技術(shù)只能預(yù)測并去除A1類混疊干擾，即使通過設(shè)置有效炮道頭將所有非生產(chǎn)炮置成生產(chǎn)炮類型，也只能提高分離B2類混疊干擾的能力。

(2)FKK變換和混疊算子均要求炮點(diǎn)在邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下的相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。

在變觀情況下，若炮點(diǎn)邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系不能與物理坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，則無法預(yù)測混疊干擾，只能預(yù)測D1類混疊干擾。此外，雖能較好地去除C2類混疊干擾(圖4紅框處)，但不能徹底分離C1類混疊干擾(圖4箭頭處)。

圖4 混疊檢波點(diǎn)道集(左)與分離后檢波點(diǎn)道集(右)左圖右下方小圖為炮點(diǎn)物理坐標(biāo)分布，右圖右下方小圖為炮點(diǎn)邏輯坐標(biāo)分布,紅色粗線為炮排列位置

在上述兩種制約條件發(fā)生時(shí)，無法有效預(yù)測混采數(shù)據(jù)中的多種混疊干擾，導(dǎo)致分離效果不佳。

2.2 OBN高效混采多種混疊干擾分離

分析混疊干擾類型可知，有效預(yù)測B1類和C1類混疊干擾難度較大。因此，應(yīng)研究相對應(yīng)的由FKK分離技術(shù)預(yù)測這兩類混疊干擾的技術(shù)方案，提升分離效果。

2.2.1 迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)

由圖1可知，B1類炮為與生產(chǎn)炮位置重合且產(chǎn)生混疊干擾的非生產(chǎn)炮。在實(shí)際施工中，在同一個(gè)邏輯位置上，可能存在多個(gè)B1類炮，重炮問題相當(dāng)嚴(yán)重。識別多重B1類炮的技術(shù)是解決該問題的關(guān)鍵所在。通過問題分析，將B1類炮映射到新的邏輯線、點(diǎn)號位置，且新位置和周圍炮的相對方位關(guān)系與舊位置保持一致，即可唯一識別該類炮。

本文研究了迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)，將多重B1類炮映射到?jīng)]有重炮現(xiàn)象的同一個(gè)邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)下，在統(tǒng)籌、保持所有類型的炮位置相對方位關(guān)系的前提下，全局統(tǒng)一重新定義所有炮的邏輯線、點(diǎn)號，并預(yù)測所有類型的混疊干擾，在分離干擾后再恢復(fù)原始邏輯線、點(diǎn)號，最終達(dá)到成功分離的目的。

迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)流程(圖5)為： ①通過道頭信息輸入，對每一個(gè)重炮點(diǎn)位置上的所有重炮排序，排序原則是生產(chǎn)炮序號始終為1，非生產(chǎn)炮序號從2開始； ②從重炮點(diǎn)的序號2位置的非生產(chǎn)炮(B1類)開始，逐炮、線分析混疊干擾范圍，分析搜索時(shí)間范圍為[-7s，7s+T](7s為記錄長度，T由共檢波點(diǎn)道集的強(qiáng)相干噪聲的延續(xù)時(shí)間確定)； ③根據(jù)設(shè)定的門檻值，將符合要求的所有非生產(chǎn)炮標(biāo)記并建立映射到新邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)的函數(shù)，完成本輪迭代的動(dòng)態(tài)映射； ④再迭代至重炮點(diǎn)的序號3位置非生產(chǎn)炮(B1類)，動(dòng)態(tài)映射該位置的所有非生產(chǎn)炮、線，直至滿足要求為止； ⑤利用標(biāo)記信息，將各輪迭代的映射函數(shù)整合成全局統(tǒng)一映射函數(shù)并輸出。

圖5 迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)流程

2.2.2 炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理技術(shù)

由圖4可見，C1類炮產(chǎn)生的混疊干擾分離效果不理想，這主要由C1類炮邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)不一致引起。本文針對C1類炮，利用物理坐標(biāo)信息對邏輯坐標(biāo)做預(yù)處理，使處理后的邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)保持一致，同時(shí)在預(yù)處理過程中，盡量規(guī)避更多的重炮點(diǎn)現(xiàn)象，即

(4)

式中：xLN為計(jì)算后的邏輯坐標(biāo)；xL0為參照點(diǎn)邏輯坐標(biāo)；xP為物理坐標(biāo)；xP0為參照點(diǎn)物理坐標(biāo)； Int為邏輯坐標(biāo)間隔；Δ為規(guī)避重炮的調(diào)整因子。

3 應(yīng)用效果

利用本文的迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)、炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、FKK稀疏反演分離技術(shù)系列，對A區(qū)OBN高效混采數(shù)據(jù)分離處理，取得了理想的分離效果。

利用迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)可很好地識別并分離B1類炮產(chǎn)生的混疊干擾(圖6右)，在采用炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理后的分離道集上很好地去除了C1類炮的殘留混疊干擾(圖7右)。

圖6 應(yīng)用迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)前(左)、后(右)的FKK稀疏反演分離炮集

圖7 炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理前(左)、后(右)的FKK稀疏反演分離檢波點(diǎn)道集

圖8為單檢波點(diǎn)淺層(0～2300ms)的均方根振幅屬性圖。由圖可見：在原始混疊數(shù)據(jù)(圖8a)中混疊干擾呈強(qiáng)能量條紋狀隨機(jī)分布；經(jīng)FKK稀疏反演，盡管去除了大部分混疊干擾，但仍殘留較多B1類混疊干擾(圖8b)；經(jīng)迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演，已基本分離重炮現(xiàn)象導(dǎo)致的B1類型混疊干擾(圖8c)；在實(shí)施迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演后，基本分離了B1類和C1類混疊干擾，分離效果較理想(圖8d)。

圖8 單檢波點(diǎn)均方根振幅屬性(0～2300ms)(a)原始混疊數(shù)據(jù)； (b)FKK稀疏反演； (c)迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演；(d)迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演。紅色圈為相干噪聲

圖9為炮排列A、B共檢波點(diǎn)道集分離效果對比。

圖9 炮排列A(上)、B(下)共檢波點(diǎn)道集分離效果對比

(a)原始混疊道集；(b)FKK稀疏反演；(c)迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)的FKK稀疏反演；(d)迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)和炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理的FKK稀疏反演。小圖中黑色線為炮排列所在位置，炮排列A為東西向，炮排列B沿著島嶼岸線呈近南北向由圖可見，應(yīng)用迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)以及炮邏輯坐標(biāo)預(yù)處理后的FKK稀疏反演分離數(shù)據(jù)信噪比最高，分離效果最理想(圖9d)。

4 結(jié)束語

與陸上混采數(shù)據(jù)混疊干擾類型單一相比，由于OBN高效混采施工的特殊性，OBN高效混采數(shù)據(jù)中存在多種混疊干擾類型。 本文提出的迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)、炮點(diǎn)邏輯坐標(biāo)預(yù)處理技術(shù)滿足FKK稀疏反演分離技術(shù)的適用條件，能有效地識別、分離有效信號與兩類混疊干擾——與生產(chǎn)炮邏輯坐標(biāo)位置重疊的非生產(chǎn)炮產(chǎn)生的干擾、變觀原因造成的邏輯坐標(biāo)相對方位關(guān)系與物理坐標(biāo)不一致的炮產(chǎn)生的干擾。

文中提出的迭代動(dòng)態(tài)映射技術(shù)、炮點(diǎn)邏輯坐標(biāo)預(yù)處理、FKK稀疏反演法分離技術(shù)系列，在A區(qū)的OBN高效混采海量數(shù)據(jù)中獲得了良好效果，分離的單炮數(shù)據(jù)保真度高，在優(yōu)化分離效率的前提下，取得了較理想的分離效果。