鄂尔多斯盆地低信噪比复杂地区检波器组合方法分析

王正良，肖国强，付群礼，吕震川，姚宗惠，史庆阳，高 斌，伊鸿斌，高 强，张 鹏，侯 杰，史炳程，王彦铎，焦桂行

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司长庆物探处，陕西 西安 710021)

在鄂尔多斯盆地西北部地震勘探采集时，由于部分区域海拔高，季风使地表的草木随风而动，形成强度较大的随机干扰；加之疏松的沙土层、巨厚黄土层对地震波吸收强烈，激发引起更多的次生震动，多因素导致该区地震资料低信噪比低，影响地震勘探效果。通过提高覆盖次数压制随机干扰难度大，野外检波器组合可有效压制随机干扰。前人对检波器组合研究较多，研究重点往往是检波器组合对面波、折射波等规则干扰波的压制方法[1]，盒子波对随机噪声的压制作用[2]，检波器组合压制规则干扰波，散射波干扰等[3-6]；合理提高检波器组合高差可压制长波长规则干扰波，提高构造勘探信噪比[7-10]；将检波器组合与震源组合匹配可压制规则干扰波、拓宽地震波频带宽度[11-13]；组合基距大于18 m会影响浅部煤层勘探中的高频成分[14]，较大组合基距20～120 m引起的静校正误差会影响剖面质量[15]。

这些成果反映了研究检波器组合重点在压制规则干扰波，或是理论研究为主，对随机噪声的分析不是重点，也没有专门针对鄂尔多斯盆地具体地域随机噪声的衰减进行过系统分析与论述。近年来，虽然在盆地内运用高覆盖、高炮道密度、单点接收等三维地震勘探新技术，但是，在低信噪比复杂地区应用效果并不理想，无法满足地质需求，这成为地震勘探的一个难点。基于此，以盆地内低信噪比复杂地区为研究对象，系统分析了检波器组合高差、组合基距对采集资料频率的影响、组内距对资料信噪比的影响方式，以期为类似地区地震勘探采集提供技术参考。

1 盆地低信噪比复杂地区主要影响因素

鄂尔多斯盆地A、B地区位于盆地西北部，表层岩性为沙土、黄土、砂岩(图1)，岩性和地球物理参数变化快。目的层为中生代、古生代地层，反射弱，地震采集资料信噪比低；其中本次研究区A区处于季风主要通道，地表小植被丰富，广泛分布成行的沙棘林，风吹草动，常形成严重的自然环境随机干扰，致使地震单炮记录信噪比迅速下降，属于信噪比低的复杂地区。由于随机噪声频带宽、强度大于有效信号，要提高资料信噪比，需要采用超高覆盖次数采集方法来弥补，施工技术难度很大，成本高。

图1 鄂尔多斯盆地低信噪比区域Fig.1 Low SNR area in Ordos Basin

A地区的随机干扰影响严重，从该区单点SN 5-5Hz检波器接收的典型单炮记录(图2)上可以看出，初至前背景噪声能量强，将绝大部分初至淹没，从近道至远道均分布强能量的随机噪声，常使初至波起跳位置难以确定，初至拾取不准确，将会影响后续资料处理环节的静校正精度，其次会导致目的层反射波同相轴不连续，难以有效识别，进一步影响高频剩余静校正量计算，造成更严重高截滤波，同时影响动校正精度，这是该区引起信噪比降低的主要因素之一。

图2 单点接收的宽档单炮记录Fig.2 Wide range single shot record received by single point geophone

因此，在采集环节，检波器组合方法应重点压制随机干扰，提高资料信噪比。

2 检波器组合效果的影响因素

检波器组合是指在一个地震道上同时使用多个地震检波器，并按一定形式布成的接收地震信号的阵列，把这些检波器的输出叠加起来作为这一地震道的信号，又称组合检波，主要用来压制规则干扰波和随机干扰。其主要参数有组合基距、组内距、组内高差，组合个数等。

2.1 组内高差

组内高差是指同一地震道内不同检波器位置之间的最大高差。在野外地震资料采集时，检波器埋置条件、表层地层速度、组内高差等因素很容易造成组内检波器之间数毫秒的时差。假设由于高差引起的组内时差也大致服从正态分布，这种正态分布的概率函数[16]具有如下形式：

式中：PN(x)为误差几率；x为组合高差导致的时差；σ为组内时差均方根值(σ2为方差)；u为组内时差的均值。

式(1)的振幅谱表示为：

式中：f为频率；A(f)为振幅谱。由式(2)可知，时差对信号起到了高截滤波作用。以A地区为例进行计算，检波器组内高差分别是1.0、1.5、2.0 m，表层速度为600 m/s，则以上高差引起的时差分别为1.7、2.5、3.3 ms，分别计算其滤波器频谱(图3)，当振幅为0.5时，对应的高截频率分别为114、76、56 Hz。

图3 鄂尔多斯盆地A地区组内高差与频率关系曲线Fig.3 Relationship between intra-group elevation difference and frequency in area A in Ordos Basin

一般，盆地内地震资料采集质量要求道内检波器组合高差控制在1 m以内，按振幅为0.5计算，高截频率在114 Hz，时差不超过± 2 ms，对高频信号影响也非常小；而且，盆地内大部分成果剖面高频有效信号基本都在70 Hz以内，远小于以上高截频率。

2.2 组合基距

在采用检波器组合时，将同一组合内相距最远的2个检波器之间的距离称为组合基距。由于炮检距的原因，组合基距对反射波而言，也会引起检波器组合时差，从而造成低通滤波作用。相对于组合中心反射波到达时间，组合基距引起的时差为：

式中：Δtd表示基距引起的反射波到达时差；t0为自激自收时间；x为炮检距；Δx为组合基距；v为反射波在反射界面以上介质中的速度(图4)。

图4 基距引起反射波的时差Fig.4 Time difference diagram of reflected wave caused by base distance

同一点组合，时差是时变的，与深度、速度有关，深层影响小于浅层。不同点组合，时差是空变的，大炮检距影响大于小炮检距的。根据式(3)，以A地区地层为例，中生界自激自收旅行时间为1 400 ms，平均速度3 700 m/s；古生界自激自收旅行时间为2 000 ms、平均速度4 500 m/s，炮检距5 000 m，基距1～30 m，分别进行计算分析，当组合基距为13 m时，对中生界影响时差± 2.44 ms，对古生界则是± 1.44 ms。就浅层而言，2.5 ms可以保护到高频70 Hz，深层可以保护到80 Hz以内。因此，理论分析该区最大基距小于等于13 m。

因此，组合高差、组合基距造成的时差在A地区对地震资料高频影响有限，所以，本文将重点分析有效压制随机干扰的组内距方面。

2.3 组内距

在采用检波器组合时，将同一组合内相邻两个检波器之间的距离称为组内距。组内距大于随机干扰半径时，用n个检波器组合后，信噪比可增加倍。

2.3.1 盒子波调查随机干扰相关半径

采用方形排列[17-18](盒子波)调查随机干扰方法，24 m×24 m接收，每道单个SN 7 C-10 Hz检波器接收，组合中心也用一个检波器接收、小面积调查方法，采集仪器型号为G3i。为了保证记录噪声的品质，试验点选择远离人为干扰源，现场有专人警戒，确保噪声来自环境背景噪声。

陆基孟等[19]认为随机干扰是没有固定频率，也没有固定传播方向的波，在记录上形成杂乱无章的干扰背景，对其特性只能用概率统计理论。多点接收的地震记录上随机干扰振幅既随时间变化又随检波点位置变化，是时间t和接收点位置的函数u(x,t)，固定某时刻u(x,tR)是随机干扰的波剖面。随机干扰可视为具有各态历经性质的、平稳的随机过程，所以，u(x,tR)和u(xR,t)的统计特性相同。组合是同一炮激发各检波器输出的叠加，即时间相同而位置不同，所以只与位置相关，即使用随机干扰波剖面来研究其统计特性。对于均值为零的随机过程，只需要研究自相关函数Rnn(t)就可以充分描述随机过程的统计特性。但在对实际资料进行分析时，输出的均值代表叠加道，所以应同时对相关函数和均值进行研究。平均值公式和相关函数分别为：

式中：ni为随机干扰的波剖面；为波剖面的均值；m-l为计算自相关时2个波形振幅值对应相乘的项数；Δx为随机干扰记录中的道间距。

横向(南北向，图5)在0 m时，自相关函数为最大值1，为信号能量；在1.7 m位置处，自相关函数首次达到0，为不相关。所以，横向随机干扰相关半径为第一个零值点1.7 m。

纵向(东西向，图6)，自相关函数在1.8～2.0 m值为0.03，首次趋于0，为不相关。根据自相关函数特征及数值，参考横向相关半径，最后基本确定纵向相关半径为第一个趋近零值的1.8～2.0 m。

图5 横向不同距离自相关函数曲线Fig.5 Auto correlation function curve of different lateral distance

图6 纵向不同距离自相关函数曲线Fig.6 Auto correlation function curve with different longitudinal distance

在综合分析纵向、横向随机半径结果后，A区随机干扰相关半径为1.7～2.0 m。为了有效衰减随机干扰，需采用大于等于随机干扰半径的检波器组内距。

2.3.2 不同组内距随机干扰能量分析

为了进一步检验随机干扰相关半径的准确性，采用盒子波试验，对同一时间内单个检波器接收的噪声记录对比，根据0～11 m不同组内距选择其中不同的6个检波器组合，对6道随机干扰记录进行叠加，计算组合后的噪声能量，并进行能量分析(图7)。组内距0 m时，为原始单道，随机噪声能量强，能量曲线值最大；组内距2～3 m时叠加能量衰减至最低，在能量曲线拐点最小值处，随机干扰衰减最明显。

图7 6个检波器组合不同组内距噪声叠加能量分析Fig.7 Energy analysis of noise superposition in different internal distance of six geophone array

最后，通过不同组内距随机噪声叠加能量分析判定，随机干扰相关半径约2 m，检波器组内距3 m，能稳定有效压制随机干扰，大于3 m组内距也能较好地衰减随机干扰。

2.3.3 不同组合个数随机干扰叠加能量、频谱分析

为了确定组合个数分别以组内距1 m和组内距3 m，对1～12个不同检波器组合个数进行随机噪声叠加能量、频谱分析。

组内距为1 m时，对1～12不同组合个数进行噪声叠加能量(图8)、频谱对比(图9)分析，噪声随检波器组合个数增加逐渐缓慢降低；频谱分析显示检波器在1～10组合个数时，压制明显，但高频未完全消失；在1～3个检波器组合时，叠加能量(图10)快速下降，从0.39下降到0.27；3～5个组合数时，下降速度略缓，降至0.22；5～10个组合时，缓慢下降，降至能量为0.17；10～12个组合能量未变。

图8 不同组合道数噪声记录对比Fig.8 Noise record comparison of different geophone array number

图9 不同组合道数噪声记录频谱分析Fig.9 Noise record spectrum analysis of different geophone array number

组内距为3 m时，进行同样分析，噪声叠加能量随检波器组合个数增加快速降低；频谱分析显示在5个组合时，高频能量明显被压制，6～12个组合频谱变化不大；叠加能量在1～2个检波器组合时，叠加能量快速从0.39降至0.20；2～3个组合下降稍缓，降至0.16；3～5个组合下降更慢，降至0.13；6～12个组合变化不大。

通过对组内距分别为1 m和3 m，1～12不同组合数噪声叠加能量、频谱等对比，1 m组内距时，12个检波器组合仍压制不住随机干扰；3 m组内距能快速压噪，5～6个检波器组合可以压制噪声。当噪声叠加能量振幅为0.2时，组内距1 m需要6个检波器组合，组内距3 m需要2个检波器组合，所用个数比为3∶1。

3 单炮记录的检波器组合效果分析

对于同一段地下反射界面，共炮点单炮记录检波点道距均匀，反射点也均匀，而共检波点道集所用炮点不均匀分布，反射点也不均匀，本次分析的试验段炮点分布较均匀，处理时，采用共检波点记录进行效果分析。

3.1 不同检波器组合个数

图11为组内距1 m和3 m，1～8个检波器线性组合的单炮记录（40～90 Hz滤波后）。由图11可知，组内距1 m记录中，1～6个检波器组合，背景噪声随检波器组合个数增大逐渐减弱，有效波增强，压制效果逐渐变好，信噪比依次提高；7～8个检波器组合综合效果提升较缓。而组内距3 m记录中，1～2个检波器组合，背景噪声在组合后较快减弱，有效波增强，压制效果增强，信噪比得到提高；3～8个检波器组合综合效果随组合数缓慢提升，同时，2个检波器组合效果与组内距1 m的6个检波器组合压制效果相当，基本压制住随机干扰，有效波得到加强，资料信噪比明显提高。

图10 不同检波组合个数噪声能量分析Fig.10 Noise energy analysis of different geophone array number

图11 不同检波器组合个数单炮记录效果对比Fig.11 Comparison of the effect of single shot record of different geophone array number

单炮记录信噪比是用互相关算法进行估算的，该算法的基本假设为：对于相邻地震道，有效反射波信号具有相关性，而噪声不具有相关性。对地震道先做互相关，再通过多道统计计算，得到互相关法计算信噪比的公式，从而得到估算的信噪比。图12为原始记录进行信噪比计算结果。由图12 分析可知，组内距1 m时，信噪比从1组合的0.99逐次增至6组合的1.45，增加慢，7～8组合信噪比为1.48，变化小。组内距3 m时，信噪比从1组合的0.99增至2组合的1.38，增加快，3～8组合为1.44～1.51，变化小。组内距3 m时2个检波器线性组合信噪比就可以达到组内距为1 m时6个检波器线性组合效果，而且与3～8组合数信噪比相当。从试验资料的面积组合和线性组合效果对比可知，根据组合基距与组内基距要求，遵循小基距、大内距方法，面积组合的信噪比较好。

图12 不同检波器组合个数的单炮记录信噪比Fig.12 S/N comparison of single shot record of different geophone array number

检波器线性组合时，组内距1 m，组合个数6个与组内距3 m，组合个数2个，均能达到所需的相当能量和信噪比。

3.2 不同组内距信噪比效果分析

为了确定实际生产中的有效组内距，本文分别采用4个与9个检波器组合，进行1～23 m组内距单炮记录信噪比对比(图13)。从图13中可以看出：4个检波器组合在组内距3、4、10、17、22 m时信噪比均达到局部高点，信噪比在1.435～1.535，变化不大；9个检波器组合在组内距3～4 m，9～11 m时均达到局部高点，信噪比在1.558～1.650，变化不大。综合分析认为组内距3 m时，信噪比效果较好，说明随机干扰半径2 m左右是准确的，实际应用效果明显、简便。

图13 不同组内距记录信噪比分析Fig.13 S/N analysis of record of different geophone array interval

根据实际单炮记录，1～23 m组内距的信噪比对比分析得出：不论4个，还是9个检波器组合，组内距3 m以后，再增大组内距是无意义的。总之，多次叠加的统计效应，其原理与检波器组合相同。即如果道集内各道记录到的随机干扰是互不相关的，则经n次叠加后，随机干扰只增强倍。有效波叠加后增强了n倍，则叠加后信噪比增加倍。如果组内距小于随机干扰相关半径，则叠加后信噪比增加倍，β与噪声相关性有关。因此，在野外检波器组内距要大于随机干扰相关半径，采用不小于3 m组内距进行检波器组合，则β值为0，信噪比增加倍；小于干扰半径，则β属于(0，1)，信噪比小于。

4 实际应用效果

为了便于施工，采用2串12个SN 7 C-10 Hz检波器组合，组内高差小于1 m，组内距3 m，组合基距15 m，面积组合，与单点SN 5-5 Hz检波器进行接收效果对比，从单炮记录分析可知(图14)，检波器组合接收的目的层同相轴连续性好，目的层波组齐全、清晰，信噪比高，而单点接收信噪比低，背景干扰压制效果一般，目的层连续性差。该区后续剖面成果也证明，单点接收剖面信噪比要达到与其相同的信噪比，覆盖次数需达到检波器组合接收剖面的数倍，导致成本增高。

5 结论

a.在鄂尔多斯盆地低信噪比复杂地区，当随机干扰为资料信噪比低的主要影响因素时，应将野外接收环节的检波器组合的重点放在有效压制随机干扰方面，盒子波调查随机干扰相关半径约2 m，组内距应采用大于其距离，才能有效衰减较强能量随机干扰，提高地震采集资料信噪比。

图14 检波器组合记录与单点记录对比Fig.14 Comparison of combined geophone record and single geophone record

b.在盆地低信噪比复杂地区野外采集时，有效的检波器组合方法是组合高差小于1 m、组合基距9～13 m，组内距3 m，线性组合或者面积组合，既能有效衰减高能量的随机干扰，提高信噪比，又能保护有效波高频成分，实际单炮显示，该检波器组合方法接收效果信噪比高，目的层连续性好，高频段资料品质好，整体效果优于单点检波器的。

致谢：本研究内容是长庆物探人共同奋斗成果之一，向参与者表示衷心感谢和致敬！同时感谢审稿专家和编辑老师给出的宝贵意见和指导！