走向精确勘探的道路-09第九章-改善信噪比谱-争取最大有效频宽

PAGEPAGE16第九章改善信噪比谱争取最大有效频宽第一节俄罗斯CDA技术给我们的启示1990年我们出访了前苏联新西伯利亚石油地球物理生产科研联合体。该机构与前苏联全苏科学院、新西伯利亚分院地球物理研究所协作，研究出一种“时间场共深度面元叠加”技术，（CommonDepthAreaStack简称CDA方法，俄文）。可以将野外24次覆盖的记录在室内模拟处理出360次覆盖的剖面来。它的基本思想是将反映地下一定范围的一个面元内共深度点的所有信息道都利用起来，作“同相叠加”。用以提高信噪比，从而在提高信噪比的基础上展宽频带，达到很高的分辨率。图77（a）是西伯利亚地区24次覆盖的常规水平叠加的结果，其频带范围是12—7OHz。图77（b）是同一剖面用CDA方法模拟成360次覆盖的剖面，其频带范围扩大到15—150Hz，主频达120Hz！图77（c）是野外24次覆盖的水平叠加剖面段直接采用谱白化后的情形。显然由于高频的信噪比不好，谱白化后一片混乱。而图77（d）就是CDA方法的结果。此图纵向上总共为120ms宽度，在100ms中有12个反射相位。图78是西乌斯特—巴勒尔斯克油田的例子。此剖面纵向也只有100ms。由于纵坐标放大了，所以看起来好象地层很陡。图78（a）为24次水平叠加剖面。其频带宽度为12—65Hz，油田的泥岩盖层（层）在白色的波谷中，其下的油层没有反映出来。图78（b）为同一剖面的CDA模拟180次覆盖的结果。在泥岩盖层之下出现了油层的反射（此剖面实际上已转化为波阻抗），即一个黑色的波峰相位，此产油层的厚度仅为5ms，黑色相位到背斜顶部变白的地方，就是波阻抗降低的含油部位。下方的剖面的频带己展宽到15—125Hz，主频为100Hz。本书第一章中图10也是CDA方法应用的一个极好的例子。CDA的具体作法是：（1）根据地下构造的简单或复杂程度，定义一个面元范围。对二维测线就是定义可借用相邻CDP的道数范围。以上例子中借用周围左右各7个CDP道，共15个道组成一个面元。于是24×15=360次覆盖。（2）对每个CDP道从上到下的每个时间点上要准确地测定两个参数：即叠加速度及反射层的时间倾角。然后进一步分析研究各个采样点上的t0值、动校正量、时间倾角、倾斜层动校正时差量对Z的导数（横向变化梯度）以及动校正时差量对t的导数（垂向变化梯度）。研究这样五个参数，精确地校正面元内每一个参与叠加道的精确动校正值，使其实现“同相叠加”，要达到一个样点也不差。于是就极大地提高了反射波的信噪比。他们在叠前用的是脉冲反褶积，作完CDA叠加之后，再作预测反褶积展宽频谱，再化作波阻抗。此程序包共有7个程序，允许用户根据观测系统及原始资料质量的不同以及地下构造的简单程度选择最有效的计算方法。此外还包括了一种减弱检波器组合效应不良影响的校正方法。研究此项技术的VladimirL.SERGEEV先生正在进一步改进该技术，使其适用于弯曲反射界面。显然，此方法不能使用在地下结构复杂的地区。它实质上是以牺牲一部分多余的横向分辨率来换取较高的高频端信噪比，从而有可能把有效频宽展得更宽。这个技术在我们倾角平缓的新疆准噶尔、塔里木盆地及陕北、四川盆地中部等地区，地区是值得借鉴的。第二节用好去噪手段看来展宽有效频带的核心问题在于改善信噪比谱。因此合理地使用各种去噪手段便成为我们提高精度的关键。但是在改进信噪比的过程中，有如下几个认识问题是非常重要的。首先要搞清楚噪音的性质。我不赞成资料处理人员把主要精力花在挑坏道、挑坏炮上面，这些工作应该让计算机自动去做。我们首先应该分析单炮记录上相邻炮、相邻适的波形胖瘦变化大不大？静校正问题大不大？干扰波的性质是什么？面波比有效波强多少倍？反射波在初叠24面上的时间倾角大致是多少？并作一下分频扫描，搞清楚各频率范围的原始信噪比。看不同频档土实际存在的干扰是规则干扰还是突发性的大干扰、还是平稳随机的干扰。这些才是制定以后克服干扰要采取措施的重要依据。一、压制面波近年来，由于大家缩小了组合跨距，面波的强度问题已经相当突出。我看到不少工区的面波强度为有效波的10倍到30倍。经反褶积后还有相当的强度。有些人对付强面波采取不理不睬，直接拿来作速度谱及水平叠加，则必然引起一系列麻烦。吐鲁番盆地尝试了采用地表一致性振幅均衡的方法，也取得了一定的效果。但是它一方面花机器时间太多，另一方面也只是均衡了一下面波的能量，并不能去掉它。有的处理人员一开始就使用一个12Hz的低截（高通）滤波。这样虽然压制了面波，但是同时也损失了有效波的低频信息。有些处理人员很仔细，他们在面波强的一个区域内作“内切除”。这个办法是不错的，但多数人不愿意花，或者花不起这个功夫。外国人也有几种消去面波的方法，例如建立在“面波是线性调频信号”的理论基础上，用一种通讯理论加以克服[22]。这种方法我试了一下，没有什么效果，几乎等于低截滤波。因为组合以后的面波以及次生干扰面波的波形都不再具有“线性调频”的性质。遗憾的是我们国内还有人用这种思路去作克服面波的努力。今年我着手编制一种自动化消除面波的程序，称作“万能去噪程序”。我把它也称作“外科手术法”。它的基本思路是让机器自动地完成“内切除滤波”。好比一个外科医生看到病人手上长疮，他绝不会用刀子简单地把一只手砍去。他一定会细心地切去溃疡部分，保留健康的机体组织。图79（a）是吐鲁番盆地的一张野外记录，纯波回放，仅作球面扩散及吸收补偿。此记录右边面波的强度比有效波强30倍！左边两道有5OHz工业干扰，第四道上有高频干扰及大脉冲干扰。有效反射波只在个别的几个地方见到一些影子，基本上淹没在一片噪音之中。图79（b）是经过万能去噪后的结果。面波、5OHz及高频干扰都去掉了。图右方在打箭头的几个地方可以看到有效波的影子。图79（c）是机器自动判别、开辟内切除时窗的实际形态，但是以后在窗内不是作简单的切除，而只是滤去其低频面波，保留高频有效的信息。图79（d）是表示开内切除时窗所依据的低频成分（15Hz以下）。机器自动检测此同中时变的振幅平均值并建立自适应的门槛值。凡是低频振幅大于此门槛值的就在那里开一小坠内切除时窗，并在两头加斜波过渡的处理。图79（e）是从时窗内减去的面波能量以及机器自动检测有5OHz工业干扰就同时将在的列为减去的对象，此图是减去的干扰波的总的内容。图79（f）是低频成分中未被减去而剩下来的成分。在右边打箭头之处可以见到有效反射的低频信息还是保留了下来。内切时窗外全部保留，内切时窗内也保留了一部分。如果将此记录简单地作高通滤波（截频同样用15Hz），则可得到图79（g）。此图虽然面波去得较彻底，但是有效波的低频信息全部丢失了，并且也以下已经找不到反射同相轴了。与图79（b）对比，后者反射波一直可以追踪到2.7s以下。所以图79（b）就是万能去噪的最终结果，用它作为资料处理的开始，再作多道统计反褶积就会比较顺当了。这种去干扰处理方法在大港油田也有了相似的处理程序。不过他们是在时域中统计振幅与视周期的，并且要处理人员提供较多的门槛值。我这个方法先作FFT，然后在频域中检测有无5OHz干扰波及高频干扰，如果有就用“频域剔除野值”的方法加以消除。同时在频域中统计各频档的能量，自动分离出其低频分量，返作一次IFFT，建立内切除时窗，并用加权减去法剔除面波的主要能量。全部程序的运行基本上是自动化的。也不需要人告诉它各种门槛值，十分方便，效率也高。它的应用条件只有一个：那就是原始单炮上面波的振幅必须比有效波强五倍以上。这条件一般是能够满足的。我相信这条思路是正确的。二、认真对付随机干扰随机干扰是需要我们认真对付的。它具有许多古怪的特性：（1）我们常见的是“有色的”随机干扰（即其振幅谱不是白化的）。它的特点是，你从各个角度看它，它到处都有些相干性，如图80（a）中所示的那样，这是由计算机产生的一些完全随机的数列，再用高低频不同子波褶积，然后相加而成的。此图中你顺着箭头所示的方向总能找到某种相干性的同相轴影子。如果采用水平相干加强，则得到如图80（b）那样的水平的同相轴。图80（c）是另一个模型，它由三条水平同相轴加上随机噪音所组成。采用f-x域预测去噪RNA程序去做，得到象图80（d）那样的结果，出现了另外一些水平的同相轴及倾斜的同相轴。这两个例子告诉我们：当记录中根本没有有效反射波，或者信噪比极低的情况下，去噪后就会出现一种“假信号”。它们是“随机干扰”本身与信号不能区分的那一部分“残留信号”。（2）随机干扰在f—k二维频谱中是分布于全局的，也无法与有效波完全分开。甚至可以说：它在任何域中都有一些残留部分与有效波是分不开的。（3）有色随机噪音道与相邻道之间的互相关并不等于零。例如允许时移范围为半个周期时，归一化互相关极大值可到达0.2左右。所以，只要它的平均振幅大于信号，就会严重地影响到剩余静校正及速度谱的精度。（4）地震勘探中的随机干扰还有一个讨厌的特性，就是它在时间域中的分布几乎是平稳的。尤其是高频干扰，它几乎从记录头上-直跳动到记录尾巴。这个特性可能会使“小波分析”将来也邦不上忙。因此，随机干扰是一种顽固的敌人。随机干扰是我们需要认真对待的。现在对付它的方法有多种多样：如RPF（径向预测去噪）、AMCOD（倾角相干加强）、K-L滤波或矢量压噪法、COFIL（快速相干信噪分离）、多项式拟合去噪、动校组合（BEAM）、中值滤波、空间域噪音剔除（SPND）、τ-p域及各种Radon变换去噪滤波等等。这里面有些模块要求原始记录信噪比大于1，甚至大于2才能起作用（如矢量压噪）;有些会受地层倾角的限制，如BEAMz有些搞不好就有振幅畸变，如AMCOD，尤其是AMCOB及中值滤波。使用它们时都要根据具体条件来掌握。1984年CanalesLuis及后来1986年Necati等人提出f—x预测去噪方法[23][40]。使压制随机噪音有了较好的武器。现在各计算站都有了相应的程序：如RNA、VIZIR、FXDECONENHANCE等等，都是一回事。由于它采用的是f—x域，就避开了倾角的麻烦。此外它采用的是在复数域的向前、向后预测，假设信号在一定范围内是许多直线同相轴（平面波）的叠合，每一个同相轴在道与道之间波形保持不变。于是信号在f—x域中便是可以预测的，而不可预测的那部分显然就是噪音了，即可从预测中将它逐步去除干净。这是一个很好的思路。现在大多数人认为f—x预测去嗓是对付随机干扰最有效的方法。追究其原因，我悟出一个道理来：“克服随机干扰的根本规律还是统计规律，即根号N的规律”。没有其它什么更高明的法子。N是参与运算的道数。例如你在做AMCOD、RPF、K—L滤波，BEAM等等，都要定义一个运算的道数，由于这些程序在时域中运行，所以定义的相干道数一般最多用5—7道，不敢再用得再多。=3，所以克服随机干扰的能力只能有三倍。而RNA（RandomNoiseAttenuation）预测去噪法假定50个道之间反射同相轴是直线型的，在这个假设条件下求f—x域的预测算子。它的预测算子长度缺省值为7个道，这是由于它处在f—x域中的有利条件，倾角影响已经可以不太考虑，所以才敢放心地用N=7，甚至更大些，以收到较好的压制随机干扰的作用。但我们同时需要注意防止道数用得过大时会产生的付作用：即横向分辨率的降低及对弯曲界面的压制。对于后者，我石油物探局研究院的国九英、周兴元已经对它作了改进，使它能够对地下弯曲的反射同相轴也不压制剧。对于前者，我们应掌握好分寸选用合理的道数N。此外，我们可以设想在三维地震资料中压制随机噪声有它的独特的优越条件。因为它可以把N道数分配到二维的平面上去，就可以大大减少N所代表的横向跨距。少受地层倾角的限制。因此三维的f—xy域预测去噪方法是极有前途的。目前，我物探局研究院已研制出相应的软件来。同时三维DMO也具有很强的去噪能力。但需研究它对高频信号的压制作用。三、何必把已经去掉的干扰再捡回来当前各种去噪程序里几乎没有一个例外的要在成果输出的时候再把含有干扰的"本道"以一定的百分比"回加"到输出道上（即TaperBack%）。我调查了一下当前生产中回加百分比一般在50%左右，有的已用到75%。对付随机干扰这样顽国的敌人，好不容易选择了一个较大的N，把它压到接近倍。最后又把倒出去的垃圾再捡回来75%，这真令人费解。但大家都还在这样做。我的想法是与其回加75%，还不如少用几个道数N。回加的理由是因为去噪以后，一般都会出现“蚯蚓化”现象（Wormy），这是解释人员不喜欢要的。1986年我写了"来自地下复杂地质体的反射图形应该是什么样的？[25]。其结论是：不管地下如何复杂，在反射剖面上，其波形永远是“波形渐变、能量渐变”的。也就是说真正来自地下的信息本来是应该“蚯蚓化”的。（当然，由于过分的横向道间混波会使“蚯蚓化”更严重）。而真实的蚯蚓化的图形在偏移归位之后，会得到地下真实的结构。（混波严重的蚯蚓化剖面叠偏以后，也得到地下真实的结构，不过它象照相时手抖动了所产生的重影，使成象模糊。模糊的宽度就是混波的跨度而已）。解释人员看惯了“不带蚯蚓化”的水平叠加剖面，其实这种剖面中混有随机干扰，后者把生丘蚓的小抹幅“尾巴”打断了。这倒反而成为“优点”了。因为解释的人不致于从一根轴的波峰、波谷沿着蚯蚓尾巴一直追到头，以致于追错相位。归根结底，因为人的肉眼还不具有波动才程偏移的功能，对比时并不认识哪一条蜒封！不该对比。所以凭着解释人员的直觉经验，认为还是"不带蚯蚓化"的剖面比较便于正确对比。这是有道理的。为了解决这个问题，我提出了一种方法，就是在去噪程序之后不去作"回加本道飞而设法加入一种“伪随机干扰”。所谓伪随机干扰就是先统计剖面上的振幅及视周期随t0时间变化的总规律，然后人为地制造一种与之相