在山前带、沙漠戈壁或者城区等复杂地表条件的地震勘探中, 为了提高地震资料采集质量, 经常采用炸药震源和可控震源联合激发的工作方式^[1-3]。但是两种震源采集的地震资料在波形特征上并不一致。具体表现在可控震源激发得到的地震数据经过自相关处理后的子波具有零相位特征, 而炸药震源激发的子波通常近似认为是最小相位, 因此, 两者之间的差异主要表现为相位特征上的差异^[4-6]。这种相位差异, 必须在后续的地震资料处理过程中加以合理校正。

张亚南等^[7]针对子波相位提取不准确影响反褶积后地震剖面分辨率的问题, 提出了一种基于纯相位滤波器的子波相位校正方法来校正子波残余相位。云美厚等^[8]研究了直接从叠加地震记录入手, 采用最小平方算法求取匹配滤波算子, 进行互均衡处理来实现一致性处理。邬达理等^[9]提出了一种叠前多点综合串联匹配滤波处理技术, 该技术在叠前通过逐步逼近法, 并利用叠加手段提高匹配算子的稳定性, 实现多种震源记录的一致性。尚新民^[10]根据高阶统计理论, 研究了双谱相位重构子波提取方法, 通过对比可控震源与炸药震源子波, 认为二者之间存在90°左右的相位差, 通过相位调整校正炸药震源与可控震源资料间的相位差异。向晓丽等^[11]提出了将零相位的可控震源资料, 通过相位调整进行最小相位化处理的思路。龙正书^[12]针对中国西部地区资料, 提出了通过极性反转来实现可控震源资料与炸药震源资料的一致性处理。陈志卿等^[13]阐述了以振幅一致性校正为基础, 根据反射系数一致性原理, 利用Robinson模型, 通过同位置激发的不同震源资料间的内在关系求取滤波算子来进行一致性处理。

总之, 针对炸药震源与可控震源采集的资料间的相位差异, 处理中大都采用极性反转或相位调整的方式来解决。虽然也有求取匹配算子实现相位一致性处理的方法, 但匹配算子的求取大都基于叠加剖面记录, 采用对二者叠加剖面的互相关来实现。本文在对炸药震源与可控震源实际采集资料分析的基础上, 根据其单炮资料初至信息差异, 提出了一种利用初至信息进行子波提取和求取匹配算子的思路, 直接利用最原始的初至信息, 最大程度地避免了地层吸收衰减造成深层子波不一致的缺点, 提取的子波更接近震源真实子波。最后用实际资料验证了方法的处理效果。

1 方法原理

基于初至信息的可控震源资料匹配滤波技术可以实现可控震源与炸药震源资料的相位一致性处理, 其技术实现过程如图 1所示。

假设可控震源与炸药震源单炮的初至子波记录分别为x_i(t)和y_i(t)(i=1, 2, …, n)。其中i为炮号; n为参与运算的总炮数。

对于任一单炮第i炮设计匹配滤波算子m_i(t)作用于x_i(t), 使可控震源子波x_i(t)经过褶积滤波后逼近炸药震源子波y_i(t)。假设实际输出x_i(t)*m_i(t)与期望输出y_i(t)的误差为e_i(t), 则有:

$ {e_i}\left( t \right) = {x_i}\left( t \right)*{m_i}\left( t \right) - {y_i}\left( t \right) $

(1)

误差能量总和为:

$ E = \sum\limits_t {e_i^2\left( t \right)} = \sum\limits_t {{{[{x_i}\left( t \right)*{m_i}\left( t \right) - {y_i}\left( t \right)]}^2}} $

(2)

应用最小二乘法原理, 令总误差能量E对m_i(t)的偏导数等于零, 即:

$ \frac{{\partial E}}{{\partial {m_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {m_i}}}\sum\limits_t {{{[{x_i}\left( t \right)*{m_i}\left( t \right) - {y_i}\left( t \right)]}^2}} = 0 $

(3)

可以得到求解匹配滤波算子的托布里兹(Toeplitz)矩阵方程:

$ {\mathit{\boldsymbol{R}}_{xx}} \cdot \mathit{\boldsymbol{M}} = {\mathit{\boldsymbol{R}}_{zr}} $

(4)

式中:R_xx表示输入道x_i(t)的自相关函数矩阵; M为匹配滤波算子向量; R_zr表示期望输出道y_i(t)与输入道x_i(t)的互相关函数向量。

求解公式(4)的托布里兹矩阵方程, 可以得到可控震源第i炮的匹配滤波算子m_i(t)。对每组炸药震源和可控震源初至子波得到的n个匹配滤波算子进行平均, 就得到可控震源匹配滤波算子:

$ m\left( t \right) = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{m_i}\left( t \right)} $

(5)

将求得的匹配算子与可控震源的所有地震道褶积, 完成可控震源资料的匹配滤波处理:

$ y\left( t \right) = x\left( t \right)*m\left( t \right) $

(6)

2 应用实例

以胜利油田某工区炸药震源与可控震源联合施工的二维测线为例, 说明该技术的实现过程与应用效果。

图 2为同位置激发的可控震源单炮记录(图 2a)与炸药震源单炮记录(图 2b), 从二者的初至可以看出存在明显的极性反转现象, 可控震源资料初至是右起跳, 炸药震源是左起跳, 也就是存在近180°的相位差。

首先选取多组同位置激发的炸药震源单炮记录和可控震源单炮记录, 分别拾取它们的初至时间。利用拾取的初至时间, 分别将单炮记录沿初至拉平, 使初至波校正到同一时间上, 如图 3所示。

近偏移距的初至信息受震源激发干扰较大, 远偏移距则拉伸较严重, 选取初至信息较好的中间偏移距段, 对拉平后的可控震源和炸药震源初至分别叠加, 提取各自的初至子波^[14], 如图 4所示。

以炸药震源子波作为期望输出, 应用公式(5), 求取可控震源的匹配滤波算子, 见图 5。

根据公式(6), 将求得的匹配滤波算子与可控震源记录进行褶积, 完成可控震源资料的匹配滤波处理。

图 6显示了匹配滤波算子与可控震源子波褶积的效果, 匹配算子从最原始的初至信息求取。与传统的直接进行极性反转或180°相位调整相比, 匹配滤波后的可控震源地震子波波形(图 6c)与炸药震源子波波形(图 6a)更加接近, 而采用传统方法得到的结果(图 6d)方框位置处的波形与炸药震源子波(图 6a)形态差异较大。表明该方法相比于传统方法有更明显的校正效果。

图 7显示了对可控震源单炮记录进行匹配滤波的处理结果。可以看出, 经过匹配滤波后的可控震源单炮记录初至波形与炸药震源单炮记录初至波形基本相似, 二者之间的相位差异明显缩小, 单炮记录波形具有良好的一致性。

图 8显示了可控震源数据经匹配滤波后记录的叠加剖面。匹配滤波处理前, 两种震源数据叠加剖面波组特征差异大, 主要标志层对应关系差(图 8a)。对可控震源数据进行常规的极性反转(或180°相位调整)处理后, 叠加剖面与炸药震源叠加剖面的波组对应关系得到一定改善, 但仍不够理想(图 8b)。相比之下, 匹配滤波后的叠加剖面与炸药震源叠加剖面的波组对应关系明显改善, 接口处相位差异小, 同相轴的连续性得到大幅度提高(图 8c)。

3 结论与讨论

1) 与常规的极性反转或相位调整等处理方法相比, 基于初至信息的可控震源数据匹配滤波技术可以较好地实现可控震源与炸药震源数据的一致性处理, 提高剖面反射波组特征的一致性和反射波同相轴的连续性。

2) 与基于叠后匹配滤波处理方法相比, 基于初至信息的可控震源数据匹配滤波技术可以实现不同震源叠前单炮记录的一致性处理, 有利于充分利用不同震源数据的叠前反射信息。

3) 利用胜利油田某探区采用炸药震源和可控震源联合施工采集的二维实际数据, 对可控震源记录进行了基于初至信息的匹配滤波处理, 很好地消除了两种震源地震数据间的相位差异, 这可为今后解决野外采集中多种震源激发而造成的地震数据在相位特征上的不一致问题提供借鉴。

考虑到在炸药震源与可控震源交替使用的过渡区, 两种震源重复采集的单炮记录不一定都能得到理想的初至波信息, 因此在实际数据记录的具体应用中, 重复采集的两种震源单炮记录无需全部应用, 只需选出几个或几十个初至波信息较好的单炮记录, 就可以利用该方法。并且在动校拉平的过程中, 由于近偏移距的初至信息通常受震源激发干扰大、远偏移距存在拉伸较严重的问题, 因此实际应用时, 一般都选取初至信息较好的中间偏移距段的数据进行拉平叠加处理。