變網(wǎng)格稀疏反演混疊采集數(shù)據(jù)分離技術(shù)

摘要： 高效混疊采集技術(shù)可以在獲得同等資料品質(zhì)的情況下，提高野外施工效率、降低地震勘探采集成本。混采數(shù)據(jù)分離技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混疊采集的兩項(xiàng)核心技術(shù)之一，決定了地震數(shù)據(jù)的最終品質(zhì)。基于稀疏反演的混采數(shù)據(jù)分離技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。文中在傳統(tǒng)稀疏反演分離技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出變網(wǎng)格稀疏反演。該方法通過(guò)在迭代反演過(guò)程中逐漸改變數(shù)據(jù)的網(wǎng)格尺度，優(yōu)化迭代收斂過(guò)程，因此更符合反演時(shí)先強(qiáng)軸后弱軸、從低頻至高頻的信號(hào)提取本質(zhì)，從而獲得更佳的分離效果。此外，野外采集施工中常見(jiàn)的缺炮空道會(huì)對(duì)稀疏反演的分離精度造成不利影響、降低混疊分離的質(zhì)量。針對(duì)此問(wèn)題提出了空道補(bǔ)償技術(shù)以改善最終的處理效果。室內(nèi)模擬以及野外實(shí)采混疊數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，該技術(shù)在信號(hào)分離的保真度上優(yōu)于常規(guī)稀疏反演混采分離技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 混疊采集，稀疏反演，變網(wǎng)格，混采分離，混采數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000?7210. 20240016

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)近海油氣勘探目標(biāo)已由淺層轉(zhuǎn)向中深層，但中深層地震資料普遍呈現(xiàn)低信噪比特點(diǎn)，這對(duì)地震勘探技術(shù)提出了更高要求。寬方位角、高覆蓋次數(shù)、寬頻地震數(shù)據(jù)采集是提升中深層信噪比和地震成像質(zhì)量的有效方法。在淺海區(qū)，海底地震數(shù)據(jù)采集方式（OBC/OBN）得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，但總體作業(yè)效率相對(duì)較低、成本過(guò)高。在深海區(qū)，由于勘探環(huán)境的限制，拖纜采集方式仍是首要選擇，寬方位、高覆蓋次數(shù)的采集則要求多船協(xié)同作業(yè)。兩種海洋作業(yè)環(huán)境下，想要推廣“兩寬一高”地震勘探技術(shù)，都需要進(jìn)一步發(fā)展技術(shù)和成本相平衡的高效地震數(shù)據(jù)采集方式。傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集方式為前一個(gè)震源的采集工作全部完成后再激發(fā)下一個(gè)震源，采集接收到的信號(hào)之間沒(méi)有重疊，但各個(gè)震源激發(fā)時(shí)間間隔長(zhǎng)、施工效率低?；殳B采集的采集方式為在一個(gè)記錄時(shí)間段內(nèi)同時(shí)激發(fā)若干個(gè)震源，并采集接收這些震源所產(chǎn)生的混疊信號(hào)。與傳統(tǒng)采集方式相比，混疊采集技術(shù)能極大地縮短采集時(shí)間、降低成本。2006 年BP 公司提出了獨(dú)立同步掃描技術(shù)（Independent Simultaneous Sweeping， ISS） [1]，2008 年Berkhout[2]、Beasley 等[3]、Hampson 等[4] 提出了海上高效采集方法，在一定程度上提高了地震勘探的作業(yè)和施工效率。近十年來(lái)，高效混疊采集技術(shù)已在國(guó)際上取得了迅猛的發(fā)展，尤其在“ 兩寬一高”地震勘探領(lǐng)域，已基本替代傳統(tǒng)地震采集方式。

在混疊采集數(shù)據(jù)分離技術(shù)領(lǐng)域，前人曾經(jīng)做過(guò)大量的研究工作，最早出現(xiàn)的方法如CGGVeritas的預(yù)測(cè)誤差濾波器方法、Delphi 研究組的FK 域稀疏反演方法[5?7]、以及Chevron 的Radon 域稀疏反演方法[8]。陳紅靈[9]針對(duì)大曲率混疊數(shù)據(jù)分離效果不佳的問(wèn)題，提出了一種針對(duì)不同曲率數(shù)據(jù)的混疊噪聲分離方法；曲英銘[10]則將混疊數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，針對(duì)不同種類的混疊數(shù)據(jù)采用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分離，以達(dá)到更好的去噪效果；Hoover 等[11]通過(guò)直接在采集現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用噪聲衰減的方法壓制鄰炮干擾；Huo 等[12]則是采用傾角掃描中值濾波法進(jìn)行混疊噪聲衰減；王文闖等[13]提出了一種基于矢量中值濾波的壓噪類算法，在壓制混疊噪聲的同時(shí)能更好地保留主炮能量；黃德智等[14]在S 變換的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款自適應(yīng)濾波器，達(dá)到分離有效信號(hào)、混疊噪聲以及隨機(jī)噪聲的效果。深度學(xué)習(xí)在混疊數(shù)據(jù)分離方面也取得了顯著進(jìn)展[15]。

前人主要是在混疊噪聲分離算法的基礎(chǔ)上提出新的方法，但對(duì)于同一混疊數(shù)據(jù)中不同特征（如不同振幅、不同頻率）的地震信息所采用的分離方法技術(shù)相同，這就使得混疊分離效果無(wú)法達(dá)到最佳。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的需求，結(jié)合最新研究成果，本文提出了變網(wǎng)格稀疏反演以及空道補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)著重探討基于稀疏反演的混疊分離技術(shù)的物理本質(zhì)和優(yōu)劣，并提出適用于工業(yè)環(huán)境的優(yōu)化策略和技術(shù)路徑。

1 混疊地震采集技術(shù)

混疊采集方式因?yàn)檎鹪醇ぐl(fā)時(shí)間間隔短，導(dǎo)致各個(gè)不同震源產(chǎn)生的地震波發(fā)生混疊。采集的數(shù)據(jù)不能按常規(guī)步驟直接進(jìn)行后續(xù)處理，需要先進(jìn)行去混疊（Deblending）處理，分離獲得各個(gè)震源產(chǎn)生的傳統(tǒng)炮檢道集數(shù)據(jù)（包括該震源產(chǎn)生的反射信號(hào)和與震源相關(guān)的各類噪聲）。因而混疊地震采集技術(shù)主要包括兩方面的核心技術(shù)工作：一是混疊采集的設(shè)計(jì)，二是混疊采集數(shù)據(jù)的分離。

混疊采集設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)震源的激發(fā)時(shí)間以及空間位置（震源行進(jìn)軌跡）?；殳B除了要具有和常規(guī)采集方案相同的施工效率和便捷性，同時(shí)要盡量控制采集得到的地震數(shù)據(jù)中混疊噪聲的呈現(xiàn)布局，具體要求如下：

（1）混疊噪聲應(yīng)盡量避開(kāi)目的層。

（2）混疊噪聲在處理的道集域（除炮集之外）中應(yīng)盡量是非相干的，即隨機(jī)性越高越好。

混采數(shù)據(jù)分離技術(shù)主要分為基于去噪和基于反演兩大類方法，兩種方法都需要利用數(shù)據(jù)中的有效信號(hào)在處理道集域內(nèi)的相干性，以及混疊噪聲在此道集域內(nèi)的隨機(jī)性。

因此，混疊采集設(shè)計(jì)與混采分離技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，具體表現(xiàn)為：

（1）在混疊采集設(shè)計(jì)優(yōu)良[16?17]和施工條件理想的情況下，混疊噪聲的隨機(jī)性高，此時(shí)對(duì)混采分離技術(shù)的要求降低；

（2）若混采分離技術(shù)水平較高，則對(duì)混疊噪聲相干的容忍度將提高，從而對(duì)采集設(shè)計(jì)的要求降低，使得野外現(xiàn)場(chǎng)施工更加便捷。

稀疏反演的混采分離技術(shù)在理論上優(yōu)于常規(guī)的基于去噪的分離方法，其原因在于反演類方法利用了有效信號(hào)與混疊噪聲的因果關(guān)系（即混疊噪聲可由有效信號(hào)正演獲得），這比僅利用混疊噪聲隨機(jī)性的去噪類方法顯然具有先天優(yōu)勢(shì)。因此，反演類方法能一定程度的容忍混疊噪聲相干。

在稀疏反演過(guò)程中，最關(guān)鍵的是變換域的選擇。本文選擇在FKK 域進(jìn)行稀疏反演，是目前業(yè)界較為常用的方法之一。FKK 是三維變換，相比其他二維數(shù)學(xué)變換具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）反射信號(hào)的相干性、混疊噪聲的非相干性在三維空間更明顯；

（2）FKK 變換穩(wěn)定性較高，相較于Radon 變換是完全正交可逆的變換算法、且與三維保幅Radon變換、或三維Curvelet 變換相比效率更高；

（3）FKK 變換是出現(xiàn)最早、商用程度最高的稀疏變換算法，更有利于形成工業(yè)化的軟件產(chǎn)品。

基于稀疏反演的混采數(shù)據(jù)分離技術(shù)在業(yè)界已得到大范圍的推廣應(yīng)用，并取得顯著的效果，成為高效混疊采集技術(shù)的支柱之一。因生產(chǎn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，如混疊噪聲相干、缺炮空道等情況，基于稀疏反演的混采分離技術(shù)仍有改進(jìn)提升的需求和空間。變網(wǎng)格稀疏反演可在迭代反演過(guò)程中根據(jù)數(shù)據(jù)的特征改變數(shù)據(jù)的網(wǎng)格尺度，使其更符合反演時(shí)振幅由強(qiáng)到弱、頻率由低到高的信號(hào)提取本質(zhì)；空道補(bǔ)償技術(shù)則會(huì)消除野外采集中缺炮空道產(chǎn)生的能量異常對(duì)稀疏反演造成的影響，進(jìn)而提升混采分離效果。