低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用_白雪.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：白雪低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用白雪（中石化石油工程地球物理有限公司 胜利分公司，山东 东营 ）收稿日期：基金项目：中石化地球物理有限公司科技攻关项目（编号：，）作者简介：白雪（），女，硕士，工程师，主要从事地球物理软件开发与应用工作。：摘要：在野外地震采集项目中，地震数据的信噪比分析对激发井深、激发药量等施工参数的确定至关重要，并可指导后续野外生产。以往将信噪比定性分析作为地震资料数据的评价依据存在一定误差，故信噪比分析逐步由定性分析向定量分析方向发展。目前常用的地震采集商业软件信噪比定量分析功能欠缺，部分商业采集软件的信噪比分析模块可满足地形平缓、信噪比较高工区的使用需求，但对于复杂地区、低信噪比地区适应性较差。因此，为解决复杂地区、低信噪比地区的信噪比定量分析问题，本文对常用的信噪比分析方法原理及其适应性进行深入研究，根据不同方法原理研发了相应的算法模块。通过模型试算以及实际资料应用表明，该软件模块完善了针对低信噪比地区叠前数据的信噪比定量计算方法，针对不同地形地貌可优选适用的算法，弥补了采集软件相应功能的空白。关键词：叠前数据；低信噪比；频谱估算法；互相关法；软件研发中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，（），第期白雪：低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用 ，：；引言为保证采集资料质量良好，在野外项目施工前期应进行井深药量的试验，通过能量分析、频率分析、信噪比分析等确定最终的施工参数。对于地形较为平缓的地区，大部分软件均可满足信噪比分析需求，但并不一定适合沙漠戈壁、山地丘陵等复杂地形。目前野外地震常用的商业采集软件有 软件和 软件，对于 软件，信噪比定量分析模块主要采用频谱估算法，而 软件欠缺信噪比分析功能模块；后续绿山公司研发的 作为地震资料处理软件具有信噪比定量分析这一功能，且采用互相关法。通过调研发现，目前关于地震资料采集的商业软件信噪比计算功能欠缺，因此，针对低信噪比地区和复杂地区，需对信噪比定量分析方法进行拓展。关于信噪比的定量计算方法，国外相应文献较少，仅罗列出频谱估算法、互相关法等信噪比计算方法，没有对不同方法的使用条件进行深入讨论，且国内引进的常用地震采集软件信噪比分析模块大多欠缺或方法单一。国内刘洋等给出了叠加法、时间域 法和频率域 法计算信噪比，并分析了这三种不同方法的适应性；牛聪等对 比 了 （）法、统计平均分析法和频率域估算法，并在此基础上提出了相关时移法；王红玲等提出采用相关时移法估算有效信号，再利用有效信号与总干扰的能量比计算信噪比；张军华等，对种信噪比估算方法进行了对比分析，即能量叠加法、频谱估算法、互相关法、功率谱法和特征值法，认为对于较平地层而言，谱值法（频谱或者功率谱）具有较高的计算精度，并通过试验验证了阈值对频谱估算法的影响，对于倾斜或弯曲地层，带时移的相关法计算精度较高。以上文献虽给出了不同信噪比定量分析方法的基本原理，但尚未形成系统的软件模块，在实际生产中均存在一定的局限性。因此，本文对这几种方法及适应性进行了深入的研究，并研发了相应的算法模块，利用模型及实际数据进行试算，验证了其准确性及适应性。信噪比定量分析方法研究考虑到信噪比定量分析方法的适用性和野外地震采集软件信噪比分析模块的使用情况，本文着重介绍频谱估算法和互相关法的方法原理，能量叠加法、功率谱法方法原理在此不再赘述，通过模型及实际数据对这几种方法的适应性进行深入探讨。2.1频谱估算法假设地震波动在一定频带范围内为地震信号，将这段频带范围内的频率称为优势频率，太高和太低的频率假设为噪声；对于随机噪声，假设其幅值较小、在频带内均匀分布。因此确定了信号的频带范围，分别估算出信号与噪声的能量，利用式（）计算出近似的信噪比。如图所示，通过阈值（和）确定信号与噪声的范围，计算出信号的能量和功率谱，进而得到信噪比（在此过程中不考虑有效频带内的噪声）。频谱估算法信噪比定量计算公式如下：（）（）（）（）（）其中，为地震信号的最高频率；为有效频带的最低频率；为有效频带的最高频率；（）为振幅值。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图信号和噪声频带的范围 2.2互相关法对于相邻地震道，一般认为其中的信号具有相关性，而噪声不具备这一特性。以为相关符号，第和道的地震记录做互相关，最终结果即为信号互相关的结果：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，为第道的地震记录，为第道的地震记录；为第道的有效信号，为第道的有效信号；为第道的噪声，为第道的噪声。道统计计算后就可以得到信噪比定量计算公式，：，（），（），（）其中：，为考虑时移量后互相关的最大值；，（）为自相关的最大值。为验证上述方法的有效性，建立简单的水平层状模型，对模拟的地震数据进行信噪比定量分析方法测试。在模拟地震记录中加入 的噪音，画、三 个时 窗（从 上 到 下 分 别 为、），对时窗内的数据分别采用以下四种方法，即能量叠加法、频谱估算法、功率谱法、互相关法做信噪比分析，结果见图。通过结果可看出，四种方法的最终趋势大体相同，且与实际情况相符合。由此可得出：以上四种方法均适用于信噪比较高的较平地层，但由于能量叠加法及功率谱法自身方法原理的局限性，只有当严格满足其适用假设条 件 时，才 能 得 到 正 确 的 信 噪 比 分 析 结果，。因此，在野外地震采集的实际应用中，频谱估算法和互相关法的实用性更广。根据频谱估算法的方法原理及以往结论可知，对于地形较为平缓的工区，频谱估算法能够满足信噪比的计算。然而，针对地震资料信噪比较低且地下构造复杂等的施工情况时，频谱估算法存在较大争议 。以 地区数据为例，该地区地形构造复杂，采用炸药震源激发，采集到的地震数据信噪比普遍较低，分别使用频谱估算法和互相关法计算图（）红色时窗内数据的信噪比。从图（）、图（）中可看出这两种方法计算结果存在差异，采用 的激发药量激发得到的地震记录直观上同向轴更连续、更清晰，相对应的信噪比更高。这与互相关法计算得到的信噪比结果相同，且与该工区的实际生产结果相一致。因此，针对地形复杂的低信噪比地区，互相关法适用性更强。第期白雪：低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用图不同信噪比计算方法结果 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图频谱估算法与互相关法信噪比对比 信噪比定量分析模块研发采用 及 开 发 语 言 联 合 编 程 开 发信噪比 定 量 分 析 软 件 模 块 功 能 。该 软 件模块架构设 计 如 图（）所 示，可 根 据 不 同 需求、不同工 区 地 形 选 用 能 量 叠 加 法、频 谱 估 算法、互相关 法、功 率 谱 法 四 种 方 法 实 现 信 噪 比的定量计算（图）。目前还没有相应的野外采集软件具有互相关法计算信噪比这一功能，填补了目 前 野 外 常 用 采 集 软 件 信 噪 比 定 量 分析功能的空白。图信噪比定量分析模块架构设计及软件部分界面 第期白雪：低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用 应用效果分析选取不同构造地形的实际工区数据测试软件的信噪比定量分析功能。4.1CGZ 工区 工区构造上位于东营南坡陈官庄断阶带，以东营南斜坡为主，南浅北深，东西平缓，中部断层相对发育，断层多，断块小。从试验地震数据中选取两个不同的目的层画时窗（蓝色时窗、红色时窗），因该工区地形较为平缓，采用频谱估算法对时窗内的数据做信噪比定量分析，结果如图（）、图（）所示。从图可看出，当采用炸药震源激发时，不同激发井深对应的地震数据整体信噪比较高；当激发井深为高速层下 激发时，信噪比要优于其他井深。这与该工区在实际生产过程中采用的激发井深数据是吻合的，进而验证了研发的基于频谱估算法的算法模块能够满足地形平缓地区信噪比分析的需求。图 软件频谱估算法计算信噪比 4.2MQ1 井工区 井工区地理位置位于新疆乌鲁木齐米东区和水磨沟区，东北角涉及到阜康市，构造位置位于博格达山北坡盆山结合部的第二排构造带，主要地形为陡峭山地、高大丘陵及低缓丘陵。因地形复杂多样，采集到的地震数据整体信噪比较低。从该工区的地震数据中随机选取五炮地震记录，选取目的层画时窗，采用互相关法计算时窗内 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷数据的信噪比，同时与地震数据处理软件 结果做对比，结果见图。其中，图（）左为地震记录，图（）右为采用研发软件互相关法计算的信噪比结果；图（）左为地震记录，图（）右为采用 软件计算的信噪比结果。由图可知，两者结果趋势基本一致。局部放大图中时窗内的数据（图），可直观地看出第三个地震记录对应的时窗内的数据同向轴更加清晰、连续，信噪比更高，这与软件计算的结果相符合，进一步验证了研发的互相关法计算信噪比模块在信噪比较低且地形构造复杂的区域内具有较高的准确性和适用性。图研发软件模块互相关法与 软件的地震记录和信噪比分析对比 图图的地震数据局部放大示意图 第期白雪：低信噪比叠前数据定量分析软件研发与应用 结论本文详细介绍了信噪比定量分析方法，并形成了相应的算法模块，通过试验取得了较好的应用效果，主要结论如下：）通过对信噪比定量分析方法的研究可看出：在野外地震勘探采集的生产过程中，频率估算法和互相关法应用较为广泛，对于较为平缓的构造地形，频谱估算法较为适用，对于构造较为复杂的地层，互相关法适应性较强；）将以上方法形成相应的算法模块，完善了针对低信噪比地区叠前数据的信噪比定量计算方法，弥补了地震采集软件相应功能的空白，实现了技术的创新，在沙漠戈壁、山地丘陵等低信噪比地区具有一定的应用前景。参考文献：李振春，张军华地震数据处理方法东营：石油大学出版社，王永刚，乐友喜，张军华地震属性分析技术东营：石油大学出版社，张煜，莫耀汉野外激发参数试验资料质量评价方法研究工程地球物理学报，（）：刘洋，李承楚地震资料信噪比估计的几种方法石油地球物理勘探，（）：牛聪地震记录信噪比估算方法研究四川：成都理工大学，王红玲，詹毅，张朝霞地震资料信噪比估算方法改进物 探 化 探 计 算 技 术，（）：张军华，藏胜涛，周振晓，等地震资料信噪比定量计算及方法比较石油地球物理勘探，（）：张军华，臧胜涛，单联瑜，等高性能计算的发展现状及趋 势 石 油 地 球 物 理 勘 探，（）：李 庆 忠 从 信 噪 比 谱 分 析 看 滤 波 及 反 褶 积 的 效果 频率域信噪比与分辨率的研究 石油地球物理勘探，（）：梁光河 信噪比的估算及其在高分辨率处理中的应用石油物探，（）：王述江，胡自多，王宇超，等 基于相关原理的噪音压制保幅性评价方法 天然气地球科学，（）：韩文功，张军华 弱反射地震信号特征及识别方法理论研究石油地球物理勘探，（）：孙喜平，李凌锋，郭振华 地震原始记录量化评价研究石油天然气学报（江汉石油学院学报），（）：崔兴宝复杂地质条件下的地震采集质量监控，石油地球物理勘探，（）：张慧利，张琳，刘平炸药震源和可控震源在厚砾石层覆盖区中的试验对比研究工程地球物理学报，（）：白雪，杨晶，石翠翠，等针对复杂地表的勘探技术质量控制及配套技术研发中国地球物理学会油气地球物理专业委员会 年油气地球物理学术年会论文集 ：，计算机图形学几何工具算法详解周长发，译北京：电子工业出版社，邹茜基于 的 应用程序开发科技信息，（）：魏福吉，徐维秀面向地震数据采集工程软件的应用集成框架技术石油地球物理勘探，（）：徐维秀，段卫星，杨晶，等地震勘探采集工程软件集成与移植技术探讨石油物探，（）：冯玉苹，徐维秀，杨晶，等海量地震数据现场监控软件研发及应用中国石油学会 年物探技术研讨会论文集 ：