地震勘探作为地球物理勘探的重要方法之一,广泛应用于油气勘探等领域。震源作为地震勘探的重要组成部分,直接影响勘探效果。可控震源是一种非破坏性震源,能够激发能量密度低且波形可控的正弦信号。首先阐述了可控震源勘探原理,然后重点介绍了可控震源主要技术发展,以及在陆地、海洋勘探方面的应用现状,最后结合当前地震勘探热点,展望了可控震源的未来发展趋势。可控震源地震勘探需要综合考虑震源自身性能、激发参数、应用场景等因素。可控震源畸变分析与抑制技术可在一定程度上改善可控震源自身性能,提高振动波形质量与基频出力。合理的震源激发参数可有效提高地震资料信噪比,一般需要结合实际施工环境与工程经验设定参数,并无适用所有地质条件的固定参数组合。目前可控震源应用场景多集中于野外勘探,未来可控震源地震勘探将向城市、海洋勘探领域加速拓展,这将促进震源类型的多样化发展。
可控震源作为一种对环境友好、使用高效、方便控制的地震波激励源近70年来在油气地震勘探中得到了广泛应用。绿色油气勘探理念、“两宽一高”地震数据采集技术和FWI地震波反演成像技术为可控震源地震勘探带来了新的机遇和新的问题。高密度地震勘探的真正内涵是炮点和炮线密度的提高,若干可控震源同时激发引出的高效采集技术可以对冲巨量炮点激发带来的采集效率降低和成本上升。陆上宽带地震勘探的核心是震源激发且检波器接收到宽带的反射子波,理论上可控震源能提供客户定制的宽带反射子波。实践表明可控震源能够提供低至2～3Hz的地震数据,这为FWI技术的成功应用奠定了数据基础。陆上高精度地震勘探中可控震源技术起到了关键作用。为此,重点讨论与分析了当前可控震源地震勘探面临的问题,包括高效地震数据采集方案、可控震源激发的噪声波场、混叠数据的解混叠、压缩感知理论下的高效采集等问题,并提出了相应的对策。重点阐述了客户定制反射子波的地震勘探理念,提出可控震源地震勘探技术未来发展应注重:①建立可控震源子波设计中扫描信号的单频时长与单频能量之间的关系;②实际地震数据采集过程中应通过自适应地下介质变化反过来优化扫描信号;③采集中尽量使用一组不同的震源组合进行编码扫描;④应在最优化理论控制下,以预定的宽带反射子波作为目标,用接收到的地震反射子波与预定的宽带反射子波之间的差异作为反馈量,修正扫描信号。据此开发出一套高效采集软件控制系统进行最佳高效采集,能够促进可控震源地震勘探技术在石油工业及相关领域的广泛应用。
可控震源高效采集技术通过多组震源不间断扫描提高地震数据采集作业效率,但同时带来了更多的谐波噪声及震源移动产生的机械噪声(以下统称为高效采集噪声)。高效采集噪声的强弱与震源组数、组间距离、激发时间间隔及生产组织方式等因素密切相关。如何在有限的设备投入和保持采集效率的情况下消除或者减弱高效采集噪声是高效采集作业需要解决的问题。从弱信号可记录性的角度确定震源组间距,可以在动态滑动扫描采集作业中通过对震源分组和摆放方式的优化,最大限度地减弱高效采集噪声的影响。通过提取原始资料中不同炮检距弱信号振幅计算相对于高效采集噪声的信噪比,然后以检波器动态范围为阈值,将信噪比大于阈值的炮检距范围作为最大组间距进行震源摆放和野外作业。实际资料应用结果表明,该方法可以大幅降低可控震源高效采集噪声的能量,在对动态滑动扫描地震采集野外作业的可控震源分组、组间距设置和摆放等方面具有定量指导作用。
高效率采集是提高“两宽一高”采集效率的有效方式。对高效率地震数据采集和处理方法进行了综述,着重介绍了混采地震数据的高效高精度分离方法研究进展,包括:噪声压制类方法、反演类方法和预测相减类方法,并对各类方法的发展进行了评述。噪声压制类方法效率高、较稳定、易实现;反演类方法可以获得比噪声压制类方法更高信噪比和保真度的结果,但计算效率有待提高;预测相减类方法可以获得精度很高的分离效果,但算法受预测波场精度的影响,稳定性较差。基于3类方法的特点,分析认为多方法联合是混采地震数据分离处理的主要发展方向,多方法联合将进一步提高数据分离的精度和效率,并且适用于复杂地区的混采地震数据分离,从而拓宽“两宽一高”采集方式的应用范围,提高勘探精度,推动行业发展。
对不同采集方式得到的可控震源混叠地震数据采用不同的地震处理方法进行分离。利用反演的思想,在高保真采集数据分离过程中引入广义逆算子和奇异值分解以改善分离效果;利用去噪的思想,对独立同步扫描得到的地震数据中的混叠噪声进行压制,其过程是先将混叠地震数据变换到人工分选道集,再采用矢量中值滤波随机噪声压制方法压制混叠噪声。对未分离的可控震源混叠地震数据先直接进行成像,再采用最小二乘逆时偏移方法压制逆时偏移成像过程中产生的部分串扰噪声,同时引入可控震源静态编码技术进一步压制直接成像过程中的产生串扰成像噪声,最后利用整形规则化滤波技术消除串扰成像噪声。模型试算与实际地震资料测试结果表明,利用基于整形规则化的可控震源编码最小二乘逆时偏移方法可消除串扰成像噪声,得到具有高信噪比、高分辨率、高振幅均衡性的成像剖面。
可控震源高效采集地震资料中谐波噪声压制是一难点,虽然一些传统的基于稀疏优化的方法能够压制数据中的谐波噪声,但是由于使用固定字典,无法自适应地匹配有效信号的波形,存在有效信号损伤较大的问题。为此,提出了一种基于形态成分分析自适应学习字典的谐波噪声压制方法,用于分离原始相关后地震资料中谐波噪声干扰。首先对原始数据进行单道截取及分块处理组成样本集,然后利用K奇异值分解(K-SVD)学习得到超完备字典,进而应用字典原子的振幅谱比将字典分类为有效信号子字典与谐波噪声子字典,最后应用形态成分分析(MCA)理论将所得的子字典分别用于重建谐波噪声和有效信号,实现压制谐波噪声的目的。合成数据与实际数据的应用结果表明,基于自适应字典学习的可控震源数据谐波噪声压制方法在保护地震有效信号的同时能够有效压制谐波噪声。此外,对比近炮点数据和远炮点数据的谐波噪声压制结果可以看到,该方法对有效信号的损伤小于固定字典谐波噪声压制方法,具有良好的保真性与鲁棒性。
陆上地震勘探可控震源采集的单炮道集中,“黑三角”噪声在三维情形下分布于以炮点位置为顶点的锥形体内,其特征复杂且多变,因而严重降低了地震数据的信噪比和成像结果的质量。为此,首先分析了以瑞雷型面波及其强散射波为主的“黑三角”噪声特征,提出了“黑三角”噪声压制方案,发展出了数据自适应压制方法。关键步骤包括:显式或隐式地划分出“黑三角”噪声区域,基于划分区域的最大视速度对数据进行线性动校正(LMO),对数据局部取窗(时间空间窗),分频进行稳健主成分分析(robust principal component analysis,RPCA)以提取线性信号,利用统计滤波器消除异常幅值噪声。实际数据的处理结果表明,该技术方案可以较好地压制面波,保留有效信号。
在压缩感知采样理论下开展“两宽一高”高效地震数据采集,在可控的投资成本下能获得更高质量的成像结果。提出了随机采样观测系统设计的基本原则,即在高密度地震数据采集(或常规地震数据采集)观测系统建立的基础网格的基础上,按照高斯随机采样的理论要求,将规则欠采样的网格作为高斯随机采样位置的期望,分别在炮集范围进行空间随机检波点位置的设计和在整个工区进行空间随机炮点位置的设计。以特征波场(初至波场或标志性的反射波场)为随机观测系统感知的对象,用频率域地震数据Hankel矩阵的低秩特性作为稀疏性的度量标准,通过生成符合高斯分布的随机观测系统,测试随机采样加稀疏提升算法对于恢复无假频的地震数据能力及其影响因素。数值实验结果表明,随机采样加压缩感知数据重建后,可以较好地恢复密网格采样数据。同时,相对于随机采样和规则采样的地震数据,重建数据的偏移成像质量都有所提升。实际应用中,若考虑近地表散射噪声和静校正量等因素,则对随机观测系统的设计及数据重建算法提出了更高的要求。
可控震源高效采集技术广泛应用于宽方位、高密度地震勘探,该技术在提高野外施工效率获得TB级地震数据的同时,给室内数据处理带来了相位和初至不清晰、特有噪声严重、数据量大的挑战。在分析可控震源采集数据的相位和初至波变化特点、不同类型的噪声及其特征等的基础上,讨论了可控震源地震资料处理中需要关注的问题。针对可控震源子波零相位特点,采用可控震源地震资料小相位处理技术,以满足反褶积等处理技术对相位假设的需求;针对可控震源采集的地震资料初至不清楚的不足,采用初至波优化处理及人工智能初至拾取技术,以满足处理中基于初至波的静校正技术的应用条件;针对可控震源地震资料存在的谐波干扰、“黑三角”强能量干扰、邻炮干扰等特殊噪声,采用针对性技术予以识别与压制,以提高地震资料信噪比;针对可控震源采集的地震数据量大的特点,采用数据特征统计方法与数据压缩技术对地震资料进行质量分析与监控。某沙漠区可控震源采集地震资料处理实例证明,上述处理技术应用效果良好。
基于谐波噪声主要能量集中在高频端的特点,提出了一种能够快速估计相关后地震数据中谐波噪声能量强弱的方法,该方法被称为谐波噪声振幅谱比值衡量方法。首先将单道地震数据从时间域变换到频率域,然后基于震源力信号起始低频值及相关后数据长度确定高、低频分界点,最后计算分界点以上的高频带能量与总频带能量之间的比值,即振幅谱比值,进而估计谐波噪声能量强弱。振幅谱比值可用于谐波噪声压制算法中的参数选择,实现谐波噪声的自适应压制。模型数据与实际数据的实验结果表明,谐波噪声能量越强,振幅谱比值越大,验证了所提方法的有效性,而且具有很高的计算效率。
沙漠区可控震源地震资料存在“黑三角”强振幅干扰波,给资料处理带来极为不利的影响,“黑三角”干扰波压制困难是目前沙漠区可控震源资料处理的技术瓶颈之一。探讨了沙漠区可控震源“黑三角”干扰波的形成机理,借助数值模拟正演,结合多地沙漠区可控震源和炸药震源实际地震记录,对比分析了可控震源与井炮的“黑三角”干扰波的区别。认为“黑三角”干扰波的特点有:近震源附近能量最强,随着离震源的距离加大能量逐渐变弱,呈杂乱不相干状态,频带从几赫兹到近百赫兹;能量强弱与探区的地震地质条件密切相关;分布范围与低降速带的速度密切相关。开展了防假频时频分析异常振幅衰减、子波统计的异常振幅衰减、f-x域分频异常振幅衰减和非均匀相干噪声衰减等技术应用研究,进行了沙漠区可控震源和炸药震源实际地震资料的“黑三角”干扰波压制处理和RTM偏移成像,结果表明:可控震源资料浅层的处理结果比炸药震源的好,其深层的处理结果比炸药震源的稍差。防假频时频分析异常振幅衰减方法和非均匀相干噪声衰减方法串联应用可获得较好的“黑三角”干扰波压制效果,同时依据多块三维地震资料的处理结果认为:在一般厚度的沙漠区的中浅层勘探中可控震源是可行的,但在巨厚沙漠区的深层勘探中可控震源还存在一定问题,采用深井炸药震源会更好。
提取可控震源单炮记录时,通常根据参考信号与母记录(原始地震记录)的互相关运算结果来压缩可控震源单炮记录长度。震源机械、液压系统以及平板和大地耦合的非线性特征导致可控震源单炮记录存在谐波畸变,虽然谐波能量相较于基波能量较弱,但仍对地震资料的保真度存在一定程度的影响。将提取的力信号作为反褶积算子与母记录进行反褶积运算,压缩地震子波,提高地震资料的信噪比和分辨率,以获取不含谐波干扰的地震记录。对比分析模型正演和实际地震数据处理中参考信号、震源力信号和近场力信号与母记录互相关和反褶积运算后的地震记录可知,将力信号作为地震子波与母记录进行反褶积运算,既可以避免谐波干扰,又可以提高深层地震资料的保真度,因此分离后的单炮记录能够更真实地反映地下地层反射系数序列的脉冲响应。
地震记录初至拾取质量往往受限于地震数据的复杂性,在陆地和浅海地震数据中尤为明显。为了更高效地拾取初至,提出了一种基于深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的地震数据初至拾取方法,其关键在于构建一个适用于地震数据初至拾取的DCGAN,包含生成器与判别器两部分。生成器由一个全卷积神经网络(FCN)构成,用于学习地震炮集数据到初至波之间的特征映射;判别器由一个卷积神经网络(CNN)构成,用于辅助生成器训练。基于DCGAN的初至拾取方法的实现分为三步:数据预处理、网络训练和预测拾取。通过对不同卷积层数的网络结构的对比分析,确定了一个最优的DCGAN结构。一旦DCGAN的训练完成,利用其完成一炮地震数据的初至拾取仅需几秒的时间。将DCGAN方法应用于实际数据初至拾取并与现有初至拾取方法(如长短时窗比(STA/LTA)法和峰度赤池信息量准则(AIC)法)的拾取结果相比较,结果表明基于DCGAN的初至拾取方法的精度更高,能满足生产需要。
受采集环境、成本及设备等因素的影响,野外采集的地震数据往往存在缺失道和噪声干扰,快速有效的迭代插值方法对地震数据重构与去噪技术具有重要的实际意义。针对含有随机噪声的缺道地震数据,根据压缩感知理论,提出了一种基于双重Bregman迭代的地震数据重构与去噪方法。首先对含有随机噪声的缺道地震数据通过傅里叶变换进行稀疏表示,选取掩膜算子作为观测矩阵,然后将Bregman迭代重构算法作为外部迭代,分裂Bregman迭代去噪算法作为内部迭代,两者结合形成双重Bregman迭代,在迭代控制准则条件下,对含噪声的缺道地震数据进行重构和去噪。数值模拟实验和实际数据测试结果表明,双重Bregman迭代算法同时考虑了地震数据的重构与去噪,将独立的两种算法融合在一起,在对地震数据进行插值重建的同时去除了部分随机噪声。该算法迭代次数少,重构得到的地震数据精度高于线性Bregman迭代算法的重构精度,可以更有效地恢复含随机噪声的缺失地震信息,为地震数据恢复提供了一种可供选择的缺失地震数据处理方法。
时频分析将一维时域信号转换到二维的时频域中,并在时频域对信号进行分析和处理。目前常用的时频分析方法往往需要在时间和频率分辨率之间进行权衡,因而在很多情况下应用效果不尽人意。提出了一种新的时频分析方法,即采用最小二乘方法直接求解信号的频谱。首先,将三角函数作为基函数,建立描述频谱、不同频率的三角函数和地震信号之间关系的正演方程,并在正演过程中加入一个对角矩阵,得到改进的正演方程,从而提高了正演过程的稳定性;其次,将频谱分析转换成一个求解反问题的过程,基于正则化约束最小二乘原理,通过迭代求解矩阵方程组得到信号的频谱;最后,逐点对地震道数据进行以上频谱分析,得到地震道的最小二乘时频分析结果。理论模型数据和实际应用结果表明,改进的最小二乘时频分析方法的分析结果不仅可以描述地震信号频谱随时间的变化,同时也描述了地震信号瞬时振幅的大小,有效提高了储层预测的准确度和可靠性,具有广阔的应用前景。
针对济阳坳陷地区致密页岩储层微孔缝中以吸附态和游离态存在的页岩油预测问题,在测井资料的基础上,通过岩石物理分析,发展了一种陆相页岩油总有机碳含量(TOC)叠前地震反演预测方法。该方法首先对济阳坳陷已有测井数据的纵横波速度、密度、孔渗性、TOC和泥质含量等信息进行分析,研究对TOC敏感的弹性参数,根据纵、横波速度和密度的标准化弹性阻抗方程,建立TOC和弹性阻抗之间的关系,即确定性岩石物理模型,并将误差项加入这种关系中,从而获取统计性岩石物理模型,建立弹性参数与物性参数的桥梁。再进一步假设TOC先验分布服从混合高斯分布,并假设噪声也是高斯的,则TOC的后验概率密度是混合高斯分布。利用最大期望化(EM)算法计算混合高斯和高斯分布参数,解析地计算出TOC的后验概率分布,取最大后验估计(MAP)为最终反演结果。将该方法应用于济阳坳陷典型陆相页岩油工区,得到了和测井数据较为一致的TOC预测结果,为该地区页岩油地质甜点预测提供了参考依据。
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