宽频信号的激发、接收条件对地震资料的影响

·综述·

宽频信号的激发、接收条件对地震资料的影响

孙军和1张玉升1徐占峰2王新庆1

(1.东方地球物理公司国际勘探事业部河北涿州072751; 2.中国石油伊拉克公司北京100120)

摘要：得益于宽频信号对地震资料的改善，随着“两宽一高”技术的推广应用，地震勘探中人们越来越多地采取宽频激发。可是盲目地增加激发频宽，有时会事与愿违，并不能带来地震资料的改善。实际上，要想得到有效的宽频信号，必须根据目的层的要求综合考虑激发条件、接收条件、大地介质条件和处理方法这四个要素的影响，针对性地选取合适的激发、接收参数并采用适当的处理手段才能有效地扩展地震资料的频宽，从而提高地震勘探的精度。文章分析了几个实例来验证宽频信号的激发、接收条件对地震资料的影响。

关键词：宽频信号；重锤行程；伺服阀；空间采样率；检波器响应

作者简介：第一孙军和，男，1965年生，高级工程师，1988年毕业于河北工业大学机械制造工艺与设备专业，东方地球物理公司科技带头人，负责海外可控震源应用技术。E-mail:sunjunhe@bgp.com.cn

文章编号：中图法分类号：P631.4

收稿日期：(2014-12-14编辑：姜婷)

Influence from Shooting and Receiving Conditions of Broadband Signals on Seismic Data SUN Junhe1ZHANG Yusheng1XU Zhanfeng2WANG Xinqing1

(1.BGPInternational,Zhuozhou,Hebei072751,China;2.PetrochinaIragLtd.,Beijing100120,China)

Abstract：Due to the seismic data improvement from the broadband signal, the broadband shooting was chosen more frequently in the seismic exploration with the wide application of “Wide Azimuth, High Density, and Broad Band” technology. But blindly increasing the shooting bandwidth sometimes will backfire and cannot improve the seismic data. Actually, the shooting condition, receiving condition, near-surface condition, and processing method affect the effective broadband signal according to the request from the target layers. The seismic data can be improved only by choosing the proper shooting and receiving parameters, using the suitable processing method, and then broadening the seismic data bandwidth. In this paper, we also introduce some examples to demonstrate the influence from shooting and receiving conditions of broadband signals on seismic data.

Key word： broadband signal, reaction mass stroke, servo-valve, spatial sampling, geophone response

0引言

随着甲方对地震勘探精度要求的不断提高，“两宽一高”技术成为改善地震资料品质的手段而得到推广应用。“两宽一高”技术的精髓在于通过新的地震采集设计获得宽频的地震信号，从而扩展地震资料的频宽，提高地震勘探的精度。但是，仅仅着眼于扫描信号，盲目地增加激发频宽，有时并不能收到预想的效果。为此，有必要分析宽频信号的获得受到哪些因素的影响，从而指导地震采集设计。只有采取了与宽频信号相匹配的地震采集设计，才能有效地扩展地震资料的频宽，满足甲方对高精度勘探的需求。

1影响宽频信号的四个要素

1.1激发条件

1.1.1低频端的限制

可控震源的扫描频率决定了地震信号的频宽极限，对于升频扫描来说，任何低于扫描起始频率的地震资料频率成分和高于扫描终了频率的地震资料频率成分都不可能是有效的地震信号。实现宽频技术的第一步就是要扩宽可控震源的扫描频宽，可是可控震源的扫描频率在低频和高频都受到了来自震源结构本身的限制。低频起始频率主要受到了震源提升系统、重锤行程和泵流量的限制。低频扫描要求重锤完成较大的位移，但是震源的重锤行程限制就制约了低频信号的产生。重锤行程对低频起始频率的限制见公式(1)。

(1)

式(1)中，Fmin是起始最低频率，Fpeak是峰值出力，Mm是重锤质量，Strokeusable是有效重锤行程。

对于INOVA AHV-IV 364震源来说，峰值出力为275 kN，重锤质量为3 683 kg，有效重锤行程为9.83 cm，因此根据公式(1)可计算出该型号震源的起始最低频率为6.3 Hz。该公式并没有考虑实际施工时的驱动幅度和斜坡，当使用70%驱动幅度时，公式内的峰值出力需要乘以70%，因此得到起始最低频率为5.2 Hz。当扫描处于斜坡内时，由于振幅较小，因此低频起始频率可以往更低扩展，但是要考虑到通常使用的斜坡并不是线性的，不能仅仅通过斜坡终止时的频率是否满足限制来判断。

对于升频扫描，在低频起始阶段液压泵快速达到全冲程，如果低频停留的时间过长，则液压泵不能够持续增加流量导致系统压力下降，会导致压重下降、畸变升高，进一步损坏发动机。对于正弦扫描信号，液压泵流量造成的出力限制遵循公式(2)。

(2)

式(2)中，Fpeak是峰值出力，Mm是重锤质量，Pump_rating是泵流量速率，Ap是活塞面积，f是频率。

对于INOVA AHV-IV 364震源来说，重锤质量为3 683 kg，P7液压泵速率为0.010 1 m3/s，活塞面积为0.013 29 m2,1 Hz时其峰值出力限制为27 626 N。根据公式(1)和(2)可以计算出在不同频率下，重锤行程和泵流量对震源出力的限制曲线，如图1所示。因此，在低频起始频率处，震源出力设置必须低于这些限制曲线。

图1　INOVA AHV-IV 364震源低频出力的限制

1.1.2高频端的限制

震源结构对高频终了频率的限制主要体现在Moog先导阀的响应、系统压强和驱动结构的刚度上。三级电液伺服阀作为将力矩马达输入电流转换成高低压液压油流量导致重锤上下运动从而产生扫描信号的核心部件，其由先导阀和主级阀组成。驱动主级阀全开所需要的流量和频率成正比，Moog先导阀只能在100 Hz以下提供足够的流量驱动主级阀全开。图2比较了Moog阀和回旋阀使用10 Hz~250 Hz、8 s扫描信号的基值力曲线。可以看出，当扫描进行到3.5 s频率达到100 Hz时Moog阀响应曲线与回旋阀响应曲线相比，有了明显的下降。

图2　Moog阀和回旋阀基值力曲线对比

系统压强对激发高频信号的影响体现在压强不能提供足够的流量、高频压力的瞬变、储能器的压强和位置。液压油的通道、软管、惯性都会影响流量供应并导致高压波动。当流体压强低于蒸汽压强时，会产生气泡并导致“气蚀”现象，“气蚀”会腐蚀金属并损坏伺服阀，这也是系统回压保持200psi的原因。高压和低压储能器就是为了缓解高压波动并保证系统回压而提供额外的压强补充，储能器的压强大小和位置影响其性能表现。图3显示了改善储能器的压强和位置后，高压和低压压力波动的对比，上部曲线显示的是系统高压，下部曲线显示的是系统低压，其中波动较大的曲线为旧的362型号震源，波动较小的曲线为改善设计后的364型号震源。Nomad90震源使用了新的振动器设计，增加了2个1加仑的内部储能器。图4对比了增加内部储能器后的压强波动，左图显示的是系统高压，右图显示的是系统低压，扫描参数使用了3 Hz~30 Hz、8 s、40%出力，最上面的曲线是不使用外部和内部储能器的压强波动，第二行曲线是使用外部储能器的压强波动，第三行曲线是使用内部储能器的压强波动，最下面的曲线是使用内部和外部储能器的压强波动。

图3　系统高压和低压的压强波动

图4　增加内部储能器后压强波动对比

为了得到有效的宽频信号，在激发条件上除了要分析扫描频率之外，增加扫描信号的能量、保证地震资料的信噪比也是我们需要考虑的问题。如果宽频信号的能量和信噪比得不到保证，就无法改善地震资料的品质，提高勘探精度。增加出力、震源台数、扫描长度、扫描次数都是增加信号能量、提高信噪比的手段，信噪比和这些因素的关系如式(3)所示。

(3)

式(3)中，Nvib是震源台数，Ffnd是基值力振幅，BW是扫描频宽，SL是扫描长度，Nswp是扫描次数。由式(3)可知，增加震源台数和出力对信噪比的改善相比于其他因素更高[1]。

为了配合宽频激发，还需要提高炮点的空间采样密度，尤其是缩小炮线距来减小由于炮检距、方位角分布不均匀而引起的振幅变化(采集脚印)和偏移噪声。

1.2接收条件

“两宽一高”技术通常都使用较小的道距和线距来提高空间采样率。高空间采样密度带来的好处在于成像半径内对波场的足够空间采样，有利于保护高频信息、防止空间假频;近炮检距增加采样点由于旅行时较短有助于获得低振幅的弱信号，例如：受到大地吸收、衰减影响更为严重的高频信号，升频扫描处于起始斜坡内振幅受到约束的低频信号；有利于提高速度分析精度；有利于陡倾角叠前偏移成像。随着宽频信号低频起始频率的降低，频率越低其波长有效反射波。采用低频勘探时，通常最大炮检距往往达到10 km甚至更长。众所周知，采用合适的震源组合和检波器组合能够压制面波等规则干扰提高地震资料的信噪比，但是组合带来的负面效应就是低通滤波作用，尤其是组合数量较多、组合基距较长时，对高频信号的损害就更加严重。因此，当采取高频截止频率更高的扫描信号时，震源往往采取单台激发或者少台数短间距的组合，检波器往往采取堆放或者缩短组合基距甚至采取不组合的单点接收。总而言之，组合是把“双刃剑”，需要统筹考虑信噪比和分辨率的平衡，尤其是对于高频成分更加丰富的扫描信号。“两宽一高”技术除了要求高空间采样密度之外，还需要使用宽方位的观测系统。宽方位的好处在于使速度谱深层能量团更加收敛，提高成像效果，同时还有利于各向异性研究。在检波器方面，使用常规自然频率10 Hz的检波器接收低频信号需要克服3个挑战，震源结构的限制造成激发能量大于12 dB/octave的损失、震源能量从地面力传播到远波场的6 dB/octave的损失、10 Hz检波器对低于10 Hz信号的12 dB/octave的损失[2]，由此可知，采集到的低频信号共产生了30 dB/octave的衰减。

1.3大地介质条件

可控震源的扫描信号并不等于真实的下传信号，其不但受到震源结构的限制还与大地对扫描信号的响应有关。图5对比了使用加权和算法计算的力信号与平板下测力计观测的力信号，说明了震源结构对扫描信号的限制。大地的弹性系数和粘度系数影响扫描信号的下传，其对震源-大地系统共振频率的影响见方程(4)。

图5　加权和地面力与测力计观测的力信号对比

(4)

式(4)中，ωn是系统共振频率，Ks是大地弹性系数，Kv是大地粘度系数，Mp是平板质量，Mg是与平板共振的捕获泥土质量。通过对大地弹性系数和粘度系数的统计，采用不同频率的恒频扫描可以计算出不同频率的捕获泥土质量，图6显示了在平板下使用加速度计观测下传加速度信号并乘以捕获泥土质量来计算下传力信号，与加权和地面力进行了归一化对比。

图6　观测下传加速度信号计算下传力信号

低降速带对扫描信号的下传也有影响，当所处工区低降速带厚度较大时，高频信号的下传和返回均会受到疏松介质的影响，实际上低降速带相当于一个低通滤波器。当低降速带的厚度和速度变化较大，表层结构复杂时，会给静校正增加困难，单炮记录道间时差会增大，影响叠加剖面的分辨率。因此，选择扫描信号时，如果工区低降速带厚度较大、表层结构较为复杂，则过多地扩展高频信号往往收不到预想的效果，扫描信号向低频扩展反而能增强信号的穿透力提高信噪比；与之对应，如果工区低降速带厚度较小、表层结构简单，则通过将扫描信号往高频扩展可以提高分辨率，达到预想的效果。

1.4处理方法

地震采集的激发和接收参数选择了宽频信号，那么在后期的数据处理中必须采取有别于常规处理手段的针对宽频信号的处理方法。可控震源的地震记录是由相关子波组成的，相关子波的形态就影响了地震资料的品质。宽频信号的好处就在于可以增加扫描信号的相对频宽、绝对频宽和中心频率从而改善相关子波的清晰度和分辨率，压缩相关子波的宽度和边叶，改善地震资料的品质，提高精度。由于采取宽频激发的地震资料中含有宝贵的高频弱反射信号，因此在数据处理中要使用适合的振幅补偿模块，如反Q滤波来恢复高频信号能量。对于宽频信号处理，带通滤波器的使用需要谨慎，不要将野外采集设计中好不容易得到的有效低频和高频信号给截去，损害资料的分辨率。对于低频勘探获得的极低频率信号资料，使用常规的处理手段往往并不能凸显低频资料的作用，因此需要使用新的处理方法，如全波形反演。全波形反演通常指利用非线性寻优方法反演给定时窗内的波形记录以获取影响地震波传播的相关物性参数(如弹性参数、粘弹性参数、各向异性参数、密度等)以及震源参数的方法[3]。全波形反演的方法有最小二乘准则的线性化迭代反演方法和完全非线性反演方法，如模拟退火、遗传算法、神经网络方法以及衍生改进算法等等。

2实例分析

上文讨论了影响宽频信号的四个要素，因此我们在进行宽频信号的地震采集设计和处理时必须要考虑这些影响，使得采集设计、处理方法与宽频信号相匹配，提高地震勘探的精度。

要想突破震源结构对扫描信号的限制，只有从震源设计上着手，大质量的重锤、更长的重锤行程、能量更大的液压泵和发动机、改善伺服阀设计、优化地面力评估算法、增加系统压强、提高驱动结构的刚性、更短的液压油通道和优化储能器设计都能够扩展震源在低频和高频的极限，但这些是震源厂家需要考虑的问题，对于地球物理工作者只能从信号设计方面着手，在不超过震源结构限制的条件下尽可能的扩展信号频带[4]。

2.1低频扩展的实例

例如使用最大位移扫描来向低频扩展，图7(左)对比了最大位移扫描(左侧曲线)和线性扫描(右侧曲线)的频率响应，可以看出最大位移扫描的低频能量得到了提升；图7(右)对比了使用线性扫描的剖面(上图)和使用最大位移扫描的剖面(下图)，可以看出最大位移扫描对深层成像效果的改善。

图7　最大位移扫描与线性扫描对比

在低频端延长扫描时间、减小扫描速率可以实现扫描信号向低频扩展，可是一定要注意不能超过震源结构的限制，对重锤偏置量和阀偏置量的调整要求与使用常规扫描信号相比要更加严格，对振动系统压力和高低压储能器的压力检查也更加严格。图8所示为一个低频驻留的1.5 Hz~96 Hz、12 s扫描信号。图9所示为使用5 Hz~96 Hz(左图)和1.5 Hz~96 Hz(右图)扫描信号的剖面对比。可以看出，使用1.5 Hz~96 Hz扫描信号剖面的同相轴连续性和分辨率较高，尤其是深层。要注意到使用低频驻留的扫描信号，其低频段和线性段的对接处不可避免会产生更多的畸变。

图8　低频驻留的扫描信号

图9　5 Hz~96 Hz与1.5 Hz~96 Hz扫描信号剖面对比

同步伪随机扫描技术也是增加低频驻留的一种有效手段。伪随机扫描同时产生所有的频率，每个单独频率的能量很低，但是总的累积使得震源的能量达到平均数，该方法降低了对震源的峰值需求，从而减小了重锤位移和泵流量，为扩展低频提供了一个可行的选项[5]。但由于伪随机信号的能量密度小于正弦信号，因此使用伪随机信号时通常需要增加扫描长度来累积足够的能量。

2.2高频扩展的实例

下面的实例分析对比了使用8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz的地震资料，由于该工区低降速带厚度较小、厚度和速度变化较小，因此对于将扫描频率向高频扩展压缩相关子波、提高资料的分辨率能收到比较好的效果。图10所示为8 Hz~72 Hz(左图)和6 Hz~96 Hz(右图)的单炮对比，应用了一个40 Hz~80Hz的带通滤波器；图11所示为8 Hz~72 Hz(上图)和6 Hz~96 Hz(下图)的剖面对比。由对比分析可以看出，在该工区扩展高频信号后，无论是单炮记录还是剖面的分辨率都有明显改善。

图10　8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz单炮对比 (40 Hz~80 Hz带通滤波)

图11　8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz剖面对比

采取“两宽一高”技术，在高密度布设炮检点的情况下，出于对经济因素的考虑和避免组合混波效应，通常采用的震源台数、扫描次数和扫描长度都不会太大，即单炮点能量较小。如果勘探的目的层较浅、低降速带较薄、近地表介质致密，那么采取这种设计往往能取得令人满意的效果。可是在勘探的目的层较深、低降速带较厚或近地表介质疏松的情况下，我们必须要保证激发信号有足够的穿透能力，即增加单炮点能量，出于经济因素的限制，往往需要牺牲一定的炮点密度或者覆盖次数来换取足够的激发能量，即增加震源台数、扫描次数和扫描长度，这相当于拿分辨率来换信噪比。如果一个高频范围的原始信噪比低于1/10，则一般在室内处理过程中是无能为力的，通过室内处理的压噪手段想扩展有效频带的能力也是有限的，单纯通过反褶积(RNA)来提升高频成分只能造成地震剖面面貌变乱，或者说制造了“假分辨率”。如果一味地追求高密度和分辨率，而不考虑地震资料的信噪比，那么地震资料往往会难以达到预想的效果，不能满足地质任务的需求。正确的做法应该是针对勘探任务的要求，综合考虑目的层深度、低降速带厚度和近地表介质，寻找信噪比和分辨率的平衡，保证地震资料的品质和精度满足要求。

2.3扫描信号的实例

大地对扫描信号的响应制约了我们不能通过持续增加出力和扫描长度来提高信号能量。出力设置过大超过了震源结构的限制会对震源造成损害并无法产生期望的扫描信号，还会导致震源畸变升高和脱耦现象。图12所示为1.5 Hz~96 Hz扫描信号分别使用70%(上图)、75%(中图)、80%(下图)出力的单炮同一时窗频谱对比，可以看出，随着出力升高，单炮频谱中反映的低频和高频能量并没有增加反而有了衰退。有研究表明，随着扫描长度增加，平板-大地系统的共振频率随之减小。图13显示了不同扫描长度的频率响应，其中重锤加速度是输入，平板加速度是输出，上图是振幅曲线，下图是相位曲线[6]。由图13可以看出，扫描长度3 s的共振频率要高于6 s、9 s、12 s，共振频率相应的相位差是-90°。低于共振频率时，理论上震源的地面力决定于反作用重锤的力；高于共振频率时，平板加速度显著增加，此时震源的地面力决定于反作用重锤和平板的加速度。因为平板和反作用重锤的加速度是异相关系，平板的力企图抵消反作用重锤的力。这导致了震源液压系统产生更多的力来补偿平板所抵消的力。最终，会达到液压系统的极限，震源输出力会下降。现代地震震源的液压供压机械上设置为3 000 psi，震源电控系统的压差控制极限是液压供压的95%(2 850 psi)。图14显示了不同扫描长度的重锤腔压强曲线，可以看出，扫描长度较短时，压强达到供压极限的时间向后推迟，这有利于产生力信号。

图12　不同出力的频谱对比

图13　不同扫描长度的频率响应

对于斜坡段低振幅的低频信号、受大地吸收衰减严重的高频信号、大炮检距处旅行时较长的弱反射信号等等这些宝贵的有效信息，使用常规的处理手段不能有效的保护和补偿。针对宽频信号的特点采取针对性的处理手段才能凸显出宽频信号对地震资料品质的提高。如对于微弱的高频信号可以采取反Q滤波的方式来补偿高频信号能量，从而提高地震资料的分辨率。极低频率的低频信号采取全波形反演的方式可以显著改善速度分析、速度场建模和偏移剖面的精度。

图14　不同扫描长度的重锤腔压强曲线

3结论

向低频和高频处延伸的宽频信号由于其可以改善相关子波的形态、扩展地震资料的频谱、提高剖面分辨率，成为了高精度勘探的有效手段。可是并不是盲目增加信号频宽、任意选取扫描信号就可以取得高精度勘探的目的，宽频信号受到激发条件、接收条件、大地介质条件和处理方法这四个要素的影响，只有针对工区地形地质条件和目的层要求，综合分析这四个要素的影响才能制定最优的扫描信号，达到预想的结果。选择与宽频信号相匹配的地震采集设计和处理方法才能最大限度地发挥宽频信号的优势，改善地震资料的品质，提高勘探精度。

参 考 文 献

[1] Buttin and Caradec. Development of a Super Heavy Vibrator. EAGE Vibroseis Workshop, Prague 2008.

[2] Peter Maxwell and Malcolm Lansley.What receivers will we use for low frequencies. SEG San Antonio 2011 Annual Meeting, 72-76.

[3] Rene-Edouard Plessix, Guido Baeten, Jan Willem de Maag, et al.Application of acoustic full waveform inversion to a low-frequency large-offset land data set. SEG Denver 2010 Annual Meeting.

[4] Claudio Bagaini. Low-frequency vibroseis data with maximum displacement sweeps. The Leading Edge, May 2008, 582-591.

[5] Peter Maxwell, John Gibson, Alexandre Egreteau,et al.Extending low frequency bandwidth using pseudorandom sweeps. SEG Denver 2010 Annual Meeting, 101-105.

[6] Zhouhong Wei, Thomas F. Phillips and Peter I. Pecholcs.Analysis of vibrator performance using long and short sweeps. The Leading Edge, October 2011, 1182-1189.