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自适应相干噪声衰减技术

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·处理方法·自适应相干噪声衰减技术高少武 X  赵 波 周兴元(东方地球物理公司物探方法研究中心 )摘   要高少武 , 赵波 , 周兴元 1 自适应相干噪声衰减技术 1 石油地球物理勘探 , 2003, 38 (3): 242~ 246去除噪声是必需的地震数据处理过程。由于地表条件和地震波激发、传播以及接收条件等诸多方面的原因 , 时常引起地震记录上出现各种相干干扰波。本文主要针对地震数据处理中地震剖面上存在的各种相干噪声 , 提出了时间—空间域自适应相干噪声衰减技术 , 以进行信噪分离。这种方法把噪声在整个处理平面上的视速度近似看作常量 (正值或负值 ) , 可以有效地消除地震剖面上的线性噪声、面波以及多次波等 , 并且对信号的保真度高。本文方法是复杂地区低信噪比地震数据处理的一种理想的噪声去除方法 , 具有运算速度快、压制噪声效果好等优点。关键词  相干噪声 地震记录 线性变换 信噪分离 反变换 分频处理引   言叠前和叠后去噪技术已经是地震数据处理流程中不可缺少的方法。由于地表地形起伏变化以及近地表非均匀的地震地质条件 , 造成接收到的地震记录上出现各种相干干扰波 , 从而使地震数据信噪比急剧降低。这些干扰波及近地表地震信息并不能代表有效的地下反射信号 , 并且到达接收排列时 , 有时比有效信号能量要强得多。此外 , 多次波与一次地震反射波相互干涉 , 也使地震数据信噪比降低。因此 ,多次波的压制技术是地震资料处理中最为关键的技术之一。目前最常用的相干噪声消除方法有切除、带通滤波、 f 2k 域滤波、 及由此派生出的各种修正方法、小波变换去噪以及中值相关去噪。这些方法在去除线性干扰波方面取得了一定的效果 , 文献 \[1,2 \]对这些方法的优、缺点进行了详细的分析和讨论。但是其中某些方法没有很好地解决有效信号与噪声的分离问题 , 在滤除噪声的同时 , 有效信号也受到一定程度的影响 \[ 1 \]。去除多次波也有很多较好的方法 , 例如 换、基于模型和波动方程的去除多次波方法等 , 在去除多次波方面都有一定的效果。文献 \[5 \]利用有效波和多次波速度差异进行多次波的消除 , 本文也使用了这一思想。有效的噪声压制技术是地震数据处理中最为关键的处理技术。本文提出了一种自适应相干噪声压制方法 , 在尽可能抑制相干噪声的同时 , 可以很好地保持有效信号的能量。方 法 原 理本文方法和大部分同类方法一样 , 基于以下两个基本假设 :(1)相干干扰波的同相轴基本上是线性的 ;(2)相干干扰波与有效信号的视速度不同。在实际地震记录中这两个条件是容易满足的。对于叠前、叠后线性相干噪声 , 显然这两个条件也是满足的。对于炮集或者 道集数据上的多次波 ,虽然条件 (1)并不满足 , 但如果使用多次波速度进行动校正处理之后 , 其对应 处理后的炮集或者 道集数据 , 多次波的同相轴基本上是线性的 ,显然条件 (1)也可以满足 , 这样可在校正域内消除线性相干噪声以达到消除多次波的目的。地震记录是由信号和噪声组成的 , 去噪的目的2003 年 6 月               石油地球物理勘探              第 38 卷 第 3 期X 本文于 2002 年 2 月 9 日收到 , 修改稿于 2003 年 3 月 25 日收到。就是消除地震记录上的噪声。众所周知 , 共深度点道集记录经过水平叠加后有效信号得到加强 , 噪声得到压制 , 这是水平叠加的最大优点。如果按照干扰波同相轴的倾角方向进行叠加得到的将是干扰波。利用这一原理 , 可以根据干扰波同相轴倾角方向进行叠加组合 , 求出这一倾角的干扰波。为了区分求出的干扰波是在噪声区还是在非噪声区 , 可以求出相应时间的平均值。只有当干扰波与平均值的比率大于给定的门槛值时 , 才将干扰波从原始记录中减去 , 这样就清除了存在于记录中的干扰波 , 达到去噪的目的。地震记录线性变换设原始地震记录为 R 其中 i 为道号 , t 为时间 ) , 干扰波同相轴的视倾角为 H, 根据图 1 可得到倾角与道和时间之间的关系 )其中 : 双程旅行时 ; 道号。图 1 倾角与地震道和时间之间的关系根据式 (1) , 当已知视倾角 n 的时间t, 可求出与另外一道 N 有相同倾角的时间值 T。其变换公式为T = t - (N - n) 2)在时间域内 , 根据视倾角 , 对地震数据进行线性变换 , 得到变换域中的地震数据集。显然在变换域中 , 相干干扰波的同相轴近似于水平同相轴。计算噪声模型道根据叠加公式 , 在一个给定的时窗内 , 计算噪声模型道 , 其计算公式为D t = 1M ∑1R k t (3)其中 : M 是叠加的道数 ; t 是对应的时间 ; k 为道号。在干扰波视速度不太精确时 , 计算的噪声模型道会存在误差。我们采用自动追踪扫描来准确地确定噪声模型道。信号与噪声分离将地震道与噪声模型道相减 , 得出当前的信号值 , 即S t = R t - D t (4)再求出分离的噪声与信号的平均值的比率 , 即 1L ∑1S t (5)N{ = 1L ∑1D t (6)其中 L 是时间方向上的样点数。信噪分离采用的后验概率密度函数为P = N{7)利用这个概率密度函数 , 根据给定的门槛值 K , 可以确定噪声的接受概率a = 0   P <   P ≥ K (8)这样 , 最终得出的噪声为N t = aD t (9)将分离出的噪声从原始记录中减去 , 就达到消除相干干扰波的目的。线性反变换将消除相干干扰波的记录进行线性反变换 , 便得到消除相干干扰波的地震记录。分频处理技术为了对相干干扰波进行有效的压制 , 并且尽可能地使有效波能量得到保持 , 有必要采用分频处理技术。针对某个干扰波存在的频段内的地震数据 , 进行式 (1)~ 式 (4) 的相干干扰波的噪声衰减处理 , 在有效地压制噪声的同时 , 最大可能地保持有效波能量。我们采用小波分频处理技术进行分频处理。算法归纳通过上述步骤 , 可以得到消除了相干干扰波的地震记录。而对于多次波 , 应在叠前地震数据上进行速度分析 , 并拾取多次波的速度谱 , 然后利用多次波速度进行动校正处理。对经过动校正处理后的道集 ,采用上述步骤进行处理 , 再进行反动校正处理 , 可以342 第 38 卷 第 3 期           高少武等 : 自适应相干噪声衰减技术得到消除多次波的道集。实际数据试算为了测试方法的功能 , 文中对实际地震数据进行了试算。图 2 为一个实际的炮集数据处理前、后效果对比图。图 2a 中存在着较强的线性干扰波 ; 图 2b 有效地去除了线性干扰波 , 明显突出了有效反射波 ;图 2a 与图 2b 相减得出的纯线性相干噪声炮集数据。图 3 是某地区某测线叠后地震数据处理前、后效果对比图。图 3a 剖面上存在着非常强的线性相干干扰波 ; 在图 3b 剖面上线性相干干扰波得到了有效地压制 , 特别是深层地震数据的信噪比明显提高。图 4 和图 5 是某地区海上实际地震数据消除多次波前、后的效果对比图。图 4 是消除多次波前、后速度谱、部分叠加段数据对比图。由图 4a 速度谱可看出 , 在 1500m s 以下多次波明显占优势 , 压制了有效反射波 ; 由图 4b 速度谱可看出 , 在 1500m s 以下有效地消除了多次波 , 有效反射波的速度谱得到了显著改善。图 5 是去除多次波前、后叠加剖面对比。由图 5 在 1500m 在剖面上看不到有效反射波 ; 由图 5b 可看出 , 在 1500m s 以下有效地消除了多次波 , 在剖面上清晰地看到了有效反射波。图 2 乌马营某测线叠前炮集数据去干扰处理前、后对比图(a)炮集数据 ; (b)去除干扰波后的炮集数据 ; (c)纯线性相干噪声炮集数据442 石 油 地 球 物 理 勘 探 2003 年 图 3 某地区某测线叠加数据处理前、后对比图(a)包含线性干扰波的叠加地震数据 ; (b)经过处理后的地震数据图 4 某地区海上实际地震数据消除多次波前、后速度谱与相应的部分叠加数据对比图(a)消除多次波前 450 速度谱与部分叠加剖面段数据 ; (b)消除多次波后 450 速度谱与部分叠加剖面段数据542 第 38 卷 第 3 期           高少武等 : 自适应相干噪声衰减技术图 5 某地区海上实际地震数据去除多次波前、后叠加剖面对比图(a)去除多次波前 ; (b)去除多次波后结 束 语本文的自适应相干噪声衰减方法可以有效地消除地震剖面上的线性噪声、面波以及多次波等相干噪声。分频处理技术在消除干扰波的同时 , 使得有效波的频率分量可以保持 , 同时具有运算速度快、压制噪声效果好、适用于叠前与叠后地震数据等优点 , 是消除线性干扰波、面波以及多次波等各种规则相干干扰波的一种有效方法。本项目得到了中油油气勘探软件国家工程研究中心有限公司、 C 石油物探重点实验室和东方地球物理公司物探方法研究中心领导的大力支持 ,在此表示衷心的感谢。参 考 文 献\[1 \]  王卫华 . 利用中值相关滤波预测相干信号 . 石油地球物理勘探 , 2000, 35 (3): 273~ 282\[ 2 \]  罗省贤等 . 几种叠前去噪方法 . 石油地球物理勘探 ,2000, 35 (3): 273~ 282\[3 \]  林盛等 . 叠前相干干扰滤除 . 石油地球物理勘探 , 1998,33 (3): 390~ 398\[ 4 \]  夏洪瑞等 . 均值加权消除相干干扰 . 石油物探 , 2000,39 (2): 71~ 82\[5 \]  C. A M O m fo r m le T d g e, 1998, 17 (5): 687~ 692(本文编辑 : 刘勇 )向支持本刊的协办单位致谢 !642 石 油 地 球 物 理 勘 探 2003 年 L en t Ch 2n eo 100083, Ch t no a o 2003, 38 (3) : 242~ 246N o is a of t no on ic m s by p of ic w A im ed at t no in ic p p t no in no T he m s to t no is on w ho le p p as t (po o r ,w h no su w m u le , is no m fo r ic p in p h no t no ic rm of no p , H 072750, Ch in im um d a by f in er ic m s. Ca i e Pe a J i P 2003,38 (3) : 247~ 251, 262T he is fo r so lu of w bu t o is in of O n of fo rm er m in go t op m ts h op on w ew ro te co p im p p w fo rw m pu rt in w o w h be w u fo r w in p su ry in m fo rw m M w o rk w ic m m in im um i In te eo A 2 100029, Ch ic m by d in W e 2003, 38 (3) : 252~ 257T he im p fo m in t in fo r p ix ie fo r re p p h p a in I) of w T he fo rm u la D P I is w ay is in e lu fo rm at in T he ed h p of p in T he p ic fo m ed m le fo r p fo rw m w p in p ic m l rm U n 00083, Ch m ia te se ic a s to ir ie i. 2003, 38 (3) : 258~ 262ic p am o re m o re im po t ro le in U m u ic fo r p of ir is m ly on of id p in in of ic s as ic w am p . T he m ly u m u to ir pu ts on p ir p ir in a m of t. T he ed p O ro 003 作 者 简 介杨举 勇  高级工程师 , 1963 年生 ; 1984 年毕业于江汉石油学院地震解释专业。现在塔里木油田分公司从事地震勘探工程管理和技术方法研究工作。韩立 强  工程师 , 1972 年生 ; 1992 年毕业于西北大学地质专业。曾长期从事地震采集方法研究 , 现主要从事海底电缆地震采集方法研究。现任东方地球物理公司海上事业部海龙公司副总工程师。王俊 茹  副教授 , 1953 年生 ; 一直从事物探教学、科研及开发工作。现在石家庄经济学院资源环境与工程系从事教学与科研工作。刘  俊  工程师 , 1970 年生 ; 1992 年毕业于吉林工业大学计算机科学与工程系 , 2000 年毕业于中国地质大学 (北京 )地矿专业 , 获硕士学位。曾参加并主持多项部、局级科研课题 , 获得过局级科技进步一等奖、部级科技进步一等奖。现在中国地质大学 (北京 ) 能源系攻读博士学位 , 研究方向为地震资料处理、综合解释。高少 武  高级工程师 , 1965 年生 ; 1986 年毕业于西安地质学院物探专业 , 1995 年获成都理工学院硕士学位。曾从事工程物探、解释、方法研究、储层物性参数反演和储层预测、高分辨率地震数据处理以及软件设计与研究工作。在国内外有关刊物上发表论文十余篇。现在东方地球物理公司从事地震数据处理、方法研究以及计算机软件设计与研发等工作。蔡其 新  高级工程师 , 1965 年生 ; 1988 年毕业于江汉石油学院 , 现为中国科学院地质和地球物理研究所博士研究生 , 主要从事石油地球物理勘探研究工作。已发表论文近 20 篇 , 现任中原油田物探研究院副院长。王润 秋  副教授 , 1957 年生 ; 1982 年毕业于南京大学数学系计算数学专业 , 现为中国科学院地质与地球物理研究所在职博士研究生。现在石油大学资源与信息学院从事地球物理勘探基础理论、地震资料处理方法与软件研制方面的研究与教学工作。发表论文 10 余篇 , 获省部级科技进步奖 4 项。何碧 竹  高级工程师 , 1965 年生 ; 现为中国地质大学能源系博士研究生。现在河南濮阳中原油田勘探开发科学研究院工作。王西 文  高级工程师 , 1956 年生 ; 1982 年毕业于西安地质学院 , 1987 年在该校硕士研究生毕业后留校任教 , 1989 年调入西北石油地质研究所 , 1997 年进入中国科学院攻读博士学位 ; 现在中国石油勘探开发研究院西北分院地球物理研究所工作。宋延 杰  副教授 , 1963 年生 ; 1988 年毕业于大庆石油学院 ,获硕士学位 , 现在大庆石油学院攻读博士学位。主要从事测井解释模型、剩余油评价技术、低孔渗储层解释方法、气层解释方法、声波测井理论及应用等研究工作。曾获中国石油天然气集团公司科技进步二等奖一项 , 大庆石油管理局科技进步二等奖、三等奖各一项 , 黑龙江省教育委员会科技进步二等奖、三等奖各一项 ; 获中国石油天然气集团公司优秀教学成果一等奖、三等奖各一项。发表研究论文 10 余篇。张军 华  副教授 , 1965 年生 ; 1987 年毕业于华东石油学院物探专业 , 获学士学位 , 1995 年毕业于石油大学应用地球物理专业 , 获硕士学位 , 2002 年毕业于石油大学地球探测与信息技术专业 , 获博士学位。致力于地震资料处理和解释方法研究 , 曾在国内核心刊物上发表论文 10余篇。迟新 刚  1976 年生 ; 现为成都理工大学信息工程学院应用地球物理专业硕士研究生 , 从事地震属性参数提取和资料处理研究。高楚 桥  副教授 , 1966 年生 ; 1987 年毕业于江汉石油学院 ,1998 年在石油勘探开发科学研究院获博士学位。现在江汉石油学院物探系从事测井教学与科研工作。任广 慧  高级工程师 , 1966 年生 ; 1988 年毕业于石油大学应用物理专业。现在中原石油勘探局测井公司资料解释中心从事测井资料评价等工作。卢刚 臣  工程师 , 1972 年生 ; 1995 年毕业于石油大学综合勘探专业 , 获学士学位。现在大港油田物探公司研究所从事地震资料综合解释工作 , 目前在石油大学 (北京 ) 攻读综合勘探专业硕士学位。孙志 华  高级地质师 , 1966 年生 ; 1988 年毕业于江汉石油学院石油地质专业 , 1991 年获中国地质大学 (北京 ) 石油地质专业硕士学位 , 2001 年获石油大学 (北京 ) 地球科学系矿产资源与勘探专业博士学位。现在中国地质大学从事科研工作。王增 明  高级工程师 , 1963 年生 ; 1983 年毕业于华东石油学院物探专业。一直从事地震勘探方法研究工作 , 发表过多篇论文。现任胜利油田物探公司西部公司经理。张丽 莉  硕士研究生 , 1975 年生 ; 2000 年毕业于江汉石油学院。主要研究方向为成像测井资料的解释与图像处理以及综合物探研究工作。陈清 礼  副教授 , 1965 年生 ; 分别于 1987 年、 1990 年和 2001年在中国地质大学获学士、硕士和博士学位。多年来一直从事电法勘探的方法研究、试验和生产工作 , 曾主持和参与 30 多项科研课题 , 发表论文 20 余篇。现为电子科技大学博士后。刘堂 宴  副教授 , 1962 年生 ; 主要研究方向是岩石物理学 ,测井储层描述与评价及核磁共振机理研究。熊  翥  教授级高工 ; 1965 年毕业于北京石油学院地球物理勘探专业。长期从事地球物理勘探方法研究与应用 ,出版过四本专著 , 并在不同期刊、学报、文集上发表论文40 余篇 , 十分注重理论与实际的结合以及应用技术的研究。现任本刊主编。2003 年 6 月               石油地球物理勘探              第 38 卷 第 3 期
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