深层、火成岩、盐下地层和复杂逆掩断裂滑脱面等的地震反射具有低频特性, 获取和保护低频信号对此类地区油气勘探具有重要意义。同时, 低频信号在波阻抗反演、全波形反演、速度分析等领域的应用也非常广泛, 对于数据处理、地质综合解释均具有重要意义。

目前, 对于陆上石油勘探来说, 适合接收低频信号的检波装置主要包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)数字检波器、地震计和低频动圈式检波器等, 前两者理论上没有低频衰减或者衰减很小, 低频动圈式检波器由于机械滤波效应存在一定程度的低频衰减。

除了采用低频检波器直接接收低频信号外, 处理人员尝试用数学方法进行低频恢复^[1-3]。其中, 魏继东^[3]提出了一种补偿动圈式检波器采集的地震数据低频损失的方法, 该方法算子稳定, 适用于所有未施加低截滤波的动圈式检波器采集的数据。该方法可以有效恢复动圈式检波器因自身滤波效应衰减的1.0~10.0 Hz低频信号。

本文在讨论陆上石油勘探低频有效信号的强度和频带范围的基础上, 对比了不同类型检波器低频数据的接收和恢复方法, 并对低频信号的应用进行了初步验证。

1 低频信号的频带和强度范围

炸药、可控震源和电火花等震源激发地震信号后, 随着信号在地下介质中的传播, 地震波的强度和主频等显著衰减。石油勘探期望探测数千米地下数米量级的地质目标, 所以希望地表检波器接收到的地震反射信号具有较高的强度和主频。但在地表接收时, 机械性环境噪声以及震源激发的噪声都对微弱的深层反射形成干扰。同时, 由地震仪和检波器组成的地震检波系统在机电转换和模数转换过程中, 也会产生以电属性为主的噪声, 称为"本底噪声"。机械性噪声和本底噪声是识别微弱反射信号的主要障碍, 具体表现在强度和频带两个方面^[4]。

基于当前地震数据处理能力^[5-7], 强度在5.0 μm/s²(加速度)以上、频率在1.0 Hz以上的低频信号对于陆上石油勘探是有意义的。

1.1 强度下限

图 1为DSU3数字检波器接收加速度信号与噪声强度分布示意。陆上地震勘探存在两条"死亡线", 一条是地震检波系统(地震仪和检波器)在机电转换和模数转换等过程中产生的本底噪声(空气分子布朗运动以及电噪声)代表的死亡线(图 1灰色线), 强度约为5.0 μm/s²(因仪器而异); 另一条为野外组合以及室内处理后剩余的机械噪声强度(图 1黑色线), 该强度决定了可识别反射信号的最低水平, 低于此强度的反射波很难被识别。在没有震源信号时的地表噪声转换为电信号后, 强度大约是本底噪声的十几倍到几十倍(因天气、地区而异)。震源激发后, 产生的相干噪声(包括源生和次生等)强度大致与目的层反射相当甚至更强。因此, 对于地震采集而言, 机械噪声被衰减后的强度, 决定了地质目标的识别精度。以本底噪声5.0 μm/s²作为低频信号的下限是留有余地的^[8-10], 即目前处理能力尚无法识别该量级的弱小反射信号。

1.2 频带下限

低频信号因其特有的穿透能力和稳定性而在复杂构造成像和地震反演方面起着重要作用。地震数据中的低频信息(1.0~3.0 Hz)被认为是最好的烃类指示(DHI)信息。因此, 近年来低频信号的激发、接收与应用受到越来越多的关注。TAI^[11]和GOLOSHUBIN等^[12-13]认为, 1.0, 1.5, 2.0和3.0 Hz都可以被视为陆上地震勘探频带范围的下限。从野外采集角度而言, 1.0 Hz以上地震信号的激发与接收都可以实现。因此, 将陆上地震勘探的频带下限定为1.0 Hz是合理的。

所以, 从陆上石油勘探的地质期望来看, 希望在1.0 Hz以上激发出强度高于5.0 μm/s²的目的层反射(越高越好)并被检波器保真地接收。但是, 由于震源激发出的信号, 特别是深层反射信号较弱, 检波系统(地震仪和检波器)的本底噪声太强, 因而低频信号、特别是1.0~3.0 Hz的信号的接收比较困难。

2 低频信号的拾取与恢复

近年来, 随着对低频信号作用认识的不断深化, 出现了多种获取低频信号的方法。从接收的角度而言, 获取低频信号大致有以下4种方法。无论何种实现形式, 希望得到的都是地表机械振动中的低频分量。

2.1 机械低频

采用低频无衰减或者衰减非常小的检波器进行采集。该方式主要依赖于检波器的机械属性, 简称为"机械低频"。比如MEMS数字检波器。

MEMS数字检波器的传输函数^[3]:

$ H(\omega ) = \frac{{\omega _n^2}}{{ - {\omega ^2} + 2 \cdot \zeta \cdot \omega \cdot {\omega _n} \cdot j + \omega _n^2}} $

(1)

式中: H为频率响应; ω为角频率; ζ为阻尼系数; ω_n为自然频率; j为虚数单位。

理论上, MEMS检波器对低频信号没有衰减, 可以完整地接收低频信号。但是, 作为加速度型检波器, 低频信号会被相对地抑制; 同时, 地震接收系统的本底噪声具有1/f特征^[3], 即频率越低幅度越强(图 2中粉色线)。并且, 环境噪声(图 2中蓝色线)或地震信号越趋向低频强度越弱。在以上因素的共同作用下, MEMS加速度检波器的低频接收能力受到了限制。图 2中绿色线为"新低噪声模型(NLNM)", 由于其强度远低于本底噪声, 所以在普通条件下无法检测。

DSU-428和DSU-508是两款典型的MEMS数字检波器。TELLIER等^[14]认为, DSU-508数字检波器本底噪声较DSU-428数字检波器降低了大约2/3, 低频接收质量显著增强, 最低有效频率大致可以达到1.0~2.0 Hz左右; 在多次叠加背景下, 1.0 Hz以上信号的保真度较高。DSU系列MEMS检波器的主要推广障碍是价格偏高。

另外, 对于加速度型的低频检波器而言, 即使低频保真度较高, 如果将输出数据直接用于数据处理, 一方面违背了基本的物理原理^[4], 另一方面因为微分具有抬升高频的视觉效果, MEMS检波器的低频优势难以体现, 比如进行深层成像、低频伴影识别和全波形反演(FWI)等后续处理的效果不理想。所以, 即使加速度检波器具有低频优势, 也只有在转换为速度的时候才能体现出来。并且, 速度域雷克子波比加速度域雷克子波具有更高的时域分辨率(尽管速度域主频偏低); 如果速度域低频信号更强, 则子波旁瓣的幅度更小, 与目的层的对应关系更为准确。同时, 如果积分为速度进行处理的话, 则应该切除由于电噪声导致的极低频(大约在1.0~2.0 Hz以下)。

2.2 电低频

在存在机械低频衰减的情况下, 根据检波器的传输函数, 利用附加电路补偿低频, 这种方式简称"电低频", 比如GAC检波器。国内有学者尝试采用10几Hz的动圈式检波器加反馈电路实现1.0~2.0 Hz以上低频信号的接收。

我们认为, 在进行低频信号电补偿时应该把握以下原则。

1) 根据检波器的传输函数进行电校正, 幅度要准确、不要过低或者过高。图 3比较了一种电低频检波器(宽频)与其余两种检波器的振幅谱。图中, 红色和蓝色线分别是DSU检波器以及10.0 Hz动圈式检波器低频补偿后的曲线, 二者一致性很高, 在大约1.5 Hz以上被视为可靠。"宽频"检波器(绿色曲线)中、高频与其余2种检波器一致, 但是低频幅度明显高于其他检波器, 出现了严重的失真, 证明其电补偿的幅度出现了较大误差。

2) 图 4为3种检波器归一化后允差范围比较, 3种颜色方框分别代表了3种检波器的允差范围。可见检波器A(合计为13%, 剔除异常道)、B(合计为18%, 剔除异常道)和C(合计为30%)的允差依次增大。过大的允差会对地震信号的高频端造成损害, 进而降低地质分辨率。

3) 体积和重量不要增加过多, 避免带来过重的耦合效应, 影响高频端的数据质量; 耦合效应对于确保高频端数据质量具有非常重要的影响。

4) 对野外环境的适应性强, 施工方便。如果经过低频改造以后, 显著增加施工难度, 则会对该型检波器的规模推广带来负面影响。

5) 不显著增加成本。

2.3 数学低频

在存在机械低频衰减的情况下, 根据检波器的传输函数, 将损失的低频通过数学计算的方式补偿回来^[3], 这种方法称为"数学低频"。数学低频的补偿效果决定于原始数据低频端的"机电比", 即机械信号转换为电信号后相对于本底噪声的比例, 该比例依赖于频率, 不是一个标量。如果机电比过低, 就无法通过后续的数学方法(反褶积)恢复地面机械信号的动力学特征, 从而导致低频端失真较大。

魏继东^[3]提出了一种经由"数学低频"补偿动圈式检波器低频分量的方法。该方法计算的算子稳定, 适用于所有未进行过低截滤波的动圈式检波器数据, 包括以往采集的老数据。利用该方法, 可以恢复动圈式检波器因为自身滤波效应衰减的1.0~10.0 Hz的低频信号。图 5是利用该方法进行低频恢复的实例。由图可见, 0.5 Hz以下由于机电比较低导致了较大的畸变, 属于"无法恢复频段"(黄色); 0.5~2.5 Hz范围内幅度几乎持平, 是机械信号与电信号相当的频段, 这个频段经过多次叠加后可以恢复, 属于"可恢复频段"(粉色); 2.5 Hz以上低频恢复后的曲线(红色)与低频恢复前的曲线(蓝色)之间关系符合10.0 Hz检波器的频率响应曲线特征, 属于"可靠恢复频段"(绿色)。

图 6显示了单次接收和多次叠加后检波器反褶积的低频恢复效果, 图中蓝、红、绿线分别为3种检波器数据的振幅谱。在单次接收(图 6a)后, 10.0 Hz与5.0 Hz检波器经过检波器反褶积(Deg)恢复低频以后, 5.0 Hz检波器在检波器反褶积后与某低频检波器在1.8 Hz以上一致性较好, 而10.0 Hz检波器在检波器反褶积后与低频检波器在2.5 Hz以上一致性较好, 这一点与理论预测相符。图 6a中10.0 Hz与5.0 Hz检波器具有相同的灵敏度, 均为80 v/m/s, 而10.0 Hz检波器在低频端衰减更为严重, 所以经过检波器反褶积后, 其低频段的失真度更大。经过200次叠加后(图 6b), 3种检波器的低频端一致性有了较大提高, 主要原因是多次叠加显著衰减了本底噪声, 提高了低频端的机电比, 检波器反褶积的效果得到了较大改善。同时说明, 尽管5.0 Hz检波器具有低频优势, 但是在数百次叠加后, 10.0 Hz检波器与5.0 Hz检波器在检波器反褶积后的效果基本相当。因此, 10.0 Hz检波器在具有性能指标和耐用性优势的前提下, 较5.0 Hz检波器对复杂的野外施工环境具有更强的适应能力。

同时, 对于数学低频恢复来说, 提高检波器的灵敏度可提高低频端的机电比。但如果在通过电路提高灵敏度的同时, 本底噪声的强度被提高得更多, 则会降低数据质量。

2.4 数学合并物理低频

根据普通检波器与低频检波器数据之间的特征(振幅谱或功率谱)差异, 补偿普通检波器的低频成分^{[1-2, 15-16]}, 是以上3种方法的综合, 简称"数学合并物理低频"。该方法依赖于低频检波器的机械或电属性以及数学计算(反褶积), 算子不稳定, 一致性差, 操作繁琐, 推广意义较弱。

ZHANG^[1]和CHIU等^[2]提出用少量低频检波器与普通10.0 Hz动圈式检波器并列放置, 在输入信号一致的情况下(地震波的波长普遍在百米到千米级, 所以检波器并列放置时, 输入的机械信号具有高度一致性), 以10.0 Hz检波器数据作为输入, 低频检波器数据作为期望输出, 求取二者之间的差异算子, 并将差异算子与其余10.0 Hz检波器数据做褶积, 达到补偿低频损失的目的。但此时无论是输入信号还是期望输出信号, 都会受到跟踪物理量、本底噪声强度、耦合状况以及其它性能指标的影响, 并不仅限于低频滤波效应这种单一因素。此时就会出现每一个时窗对应一个算子的情况。即使采用平均算子, 仍然难以准确恢复10.0 Hz检波器的低频部分。SHEN^[15]和YAN等^[16]用"低频检波器和高频检波器"或者"速度检波器和加速度检波器"的不同频段成分进行数据重构, 旨在确保高频的同时, 提升低频。此类方法多数改变了反射信号传播到地面后引起的地表振动所携带的动力学特征, 产生了更大的畸变, 模糊了数据所代表的物理意义。

3 应用效果

为了验证低频信号接收与补偿方法在实践中的作用, 本文利用魏继东^[3]提出的方法对某地区的地震数据进行低频恢复。对比补偿前、后的叠加剖面(图 7) 以及频谱(图 8)可以看到, 浅、中、深层信噪比均得到提高, 同相轴连续性更好, 波组特征清晰, 断点干净利落, 构造成像更加合理, 特别是深层的成像效果大幅度提高, 剖面整体质量改善明显。该方法的另一优势在于, 可用于所有以往动圈式检波器采集到的数据(已经进行过低截滤波的部分除外), 然后重新处理、解释, 进一步提高勘探效果。

4 结论

关于陆上低频信号的接收与应用, 我们认为:

1) 对于油气勘探而言, DSU等MEMS数字检波器是最直接的选择, 缺点是价格偏高。DSU-428大约在2.0 Hz以上是可靠的, DSU-508或许可以达到大约1.0 Hz甚至更低。其余很多类型低频检波器不适用于大规模的油气勘探作业; 同时, 此类加速度检波器的低频优势只有在转换为速度进行数据处理时才能显现出来(限于最低可靠频率以上)。

2) 10.0 Hz动圈式检波器配合检波器反褶积大约可以实现1.0~2.0 Hz以上的数据保真, 是最实用的一种方法。更重要的是, 检波器反褶积可用于以往所有动圈式检波器采集的数据(已经进行过低截滤波的除外), 进而可以对以往数据重新进行处理、解释, 发掘低频分量的潜力, 降低采用低频检波器重新采集的勘探成本。

3) 如何在后续数据处理中保护低频并将其应用于波形反演、速度分析、低频阴影检测和深层成像等领域, 还有待进一步深入研究。