高温高速VSP地震信号的面波压制处理.pdf

32总第150 期声学与电子工程2023年第52期高温高速VSP地震信号的面波压制处理廖胜军1何国建邢健文1魏呈霖（1.中海油田服务股份有限公司，三河，0 6 52 0 1）（2.杭州瑞利声电技术有限公司，杭州，3 10 0 2 3）摘要通过升级改造VSP（V e r t i c a l Se i s mi c Pr o f i l i n g）设备，研制高温高速VSP仪器，并使用新设备进行超深井、高温高压井作业。VSP采集数据中常含有面波等低频干扰信号，会对微弱地震有效信号进行完全压制，加大对地震资料处理的难度。根据面波信号特点，采用常规的零相位带通滤波无法有效去除，且对有效的低频信号造成影响，面波能量及其干扰会影响后续VDL测井成像的质量。文章采用小波包对地震资料数据进行特征提取，对低频分量进行面波压制，再对有效特征信号进行重构得到较为合理的地震信号数据。文章最终采用Daubechies8小波基，计算过程中能够自适应分解具体层数。实际数据的应用效果分析验证，该小波包变换对地震信息的面波压制具有可行性和通用性。关键词VSP测井；小波包；面波；地震数据处理DOI:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.08井中地震测井早期主要通过单个检波器在井中的多次移动观测获取地层速度信息，并利用上行波对地面地震波剖面进行层位标定。随着井下接收仪器及数据传输技术的不断进步，一次下井的检波器级数可以拓展到几十至上百个，使Walkway-VSP和3 D-VSP成为可能。VSP测井技术正是在这种背景下不断适应新的需求，取得了快速发展，不但可以为井驱地面地震处理提供参数，提高地震处理参数的定量化程度，而且能够进行高精度的井旁纵横波成像，对于井旁精细构造研究、储层物性及含油气性预测具有积极意义，并逐步进入油气田开发的主流技术行列。通过进口设备升级改造，研究高温VSP技术，研制2 0 5、17 2 MPa高温VSP仪器，解决进口设备数量少、设备成本高、作业时效低、维保周期长等问题，满足国内超深井、高温高压井作业需求；自主掌握高温垂直地震剖面技术体系及国产化应用。VSP测井数据资料中包含着各种频率的信号，其中低频信号涵盖了我们所需要的大部分信息。但是实际采集到的数据中，容易受到面波这种低频信号的干扰 。本文主要针对VSP测井数据中面波噪声压制进行分析，面波因能量强，能够将有效低频地震信号完全压制，导致后期VDL测井成像质量效果不好、通道不明显、通道叠加等问题 2 。测井人员拿到资料后无法达到解释要求，则需要重新测井。面波信号与地震特征信号在一定的频带范围内具有重合的情况，利用具有线性特征的滤波算法会将特征型号与噪声一起处理，既要保留有效的VSP有效数据信号，又要剔除面波信号，这在处理地震数据资料过程中是有一定困难的 3 。一般常规处理面波的方式有零相位带通滤波、小波变换、Curvelet变换、S变换、卡尔曼滤波、Radon变换等，也有较为复杂的，如连续小波变换、SSEC-EWT、CEEMDAN-小波包分析、小波谱能量曲线EWT、CEEMDAN-小波值等联合处理方法 4。本文设计的小波包压制面波方式对于本文条件下引入的面波可以进行压制，同时可以达到实时处理采集出图的效果。1 VSP系统设计图1是基于ESCOOL系统的高温VSP仪器的整体系统框图。ESCOOL地面通过测井电缆经马笼头后与高速遥传（High-speed Intergration TransmissionTool，H I T T）连接，高速传输模块通过单芯同轴电缆与检波器连接，电缆长度约10 m，检波器可通过单芯电缆级连多级，图1中仅画出了两级级连的情况。测井电缆马笼头HITT高速传输模块级间电缆ESCOOL地面系统检波器工级间电缆检波器2图1高温高速VSP系统图33高温高速VSP地震信号的面波压制处理廖胜军本文仅阐述高速传输模块与高温采集模块的设计方案，高温采集模块位于检波器中。高速传输模块通过单芯级间电缆与检波器进行连接，在供电的同时进行通信，通信速率可达4Mbps；高速传输模块通过HITT与地面通信时，由于HITT传输速率的限制，无法达到传输模块的最大通信速率，与地面通信的速率为3 7 5kbps。2问题分析本文实验采用的震源频率为19 2 7 kHz，用采集到的数据进行频谱分析，主要的能量确实集中在1927kHz。在小波分解的 0 5kHz与5 10 kHz的频率分量区间存在面波，比原始信号的能量还要强，频率较低。通过高通滤波器将10 kHz频率以下的波形去除是不合理的，需要对分解出来的2 个分量进行较为细致的处理，保留正常信号，才可以还原为真实的地震信号。3方法原理小波包变换是一种地震数据处理的现代谱分析工具，与传统滤波算法相比较，既能表现频域特征也能表现时域特征，多角度对地震数据资料进行细分处理，反演出原始数据，因此能成为一种处理地震数据资料较为理想的方式 5。对于小波变换分解层数进行自适应分析，从而可以获取自定义的细节，解决固定时间窗口变换的问题 6 。对于频率值较小的，频域分辨率高，时域分辨率低；对于频率值较大的，频域分辨率低，时域分辨率高。本文最终采用Daubechies8小波，其表现形式与发射波形的特征较为符合，该小波具体函数与缩放函数具体变现形式如图2 所示(x轴表示点数，y轴表示系数，分解与重构滤波器图中也同此表示）。一0.50-0.5-1-1.5051015X10.50-0.5051015X图2 小波函数（上）与缩放函数图（下）小波函数使用对应的小波滤波系数组成，不同的小波滤波系数对具体频率的波形处理能达到大不一样的效果。通过小波滤波器系数来分解出对应的低通滤波器和高通滤波器。低通滤波器也称为尺度滤波器，可以看作为一个平滑滤波器。这两个滤波器需要在一开始设计好，然后通过递归分解算法、树算法得到水平多分辨率表示的信号。小波包变换为离散变换，原始信号分解通过对应的低通与高通滤波器逐级分解，将信号进行时间频率上的细分，小波分解所用到的低通滤波器和高通滤波器如图3 所示。0.80.60.470.20-0.2-0.402468101214160.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.80246810121416X图3 分解低通通（上）、高通（下）滤波器图对应小波包分解的系数进行重构变换需要重构低通和高通滤波器，将分解出处理完的信号逐级重构，恢复出原始信号。从图4中可以看出重构的滤波器与分解的滤波器成镜像翻转关系。小波包是一个函数簇。设g(t)eU,则g(t)可表示为小波包分解算法为g;(t)=Z,d/u(2 t-1)式中，j是尺度参数，k、l 是平移参数，n是频率参数，且j,k,leZ,neZ。由(di求(dj2)与2n+1dj.2n+134高温高速VSP地震信号的面波压制处理廖胜军式中，为低频信息，b为高频信息基于小波包分解提取把不同分解尺度上的信号能量求解出来，然后将这些能量值按规定顺序排列成特征向量，这就是多尺度空间能量特征的原理。小波包重构算法是由aj-2)与 dj2n+1)求ai+l)n+gi-2kdkdj,2n+11分解波形与重构波形，若分解与重构阶数较大，花费的时间较长；若分解与重构的阶数较小，面波压制的效果也会不理想。根据实验经验，将最小分解单位设置为12 5个点，既可以保证面波压制也可以保证计算速率。按12 5个最小单位计算，本文获得分解层数为8 层。每一个数据点处理的时间为40ms，大大小于每点3 0 0 ms采集的时间，完全能够满足实时采集处理的要求。0.80.60.40.20-0.2-0.40246810121416X0.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.80246810121416X图4重构低通（上）、高通(下)滤波器图（4过程与讨论在实验阶段，将以往采集到的数据进行信号分解，如图5所示。图中上方的为原始信号，在采集信号的后方有较大的包络，信号完全被低频包络给掩盖了，难以通过原始数据进行地震数据分析。同时也可以看出，在低频分量中集中了大部分地震信息，前2 个分量中有较大的波峰。计算了每个波峰的时间间隔，其明显大于正常波形的时间间隔。实际波形分析与前文章节分析的面波分布基本一致，实际波形的面波主要分布在前几个小波分解分量中。常规地震资料中的面波压制有基于EMD(Empirical Mode Decomposition）的频率f-x域面波压制的方法 7，这种方法是依据面波的低频高波数域的特征分布，在时间域内沿着空间方向提取低频段的数据进行EMD处理，对于IMF（I n t r i n s i cModeFunction）第一分量进行舍弃，低频数据大量丢失，从而达到面波压制的目的 8 。如果分解后对于第一分量或者第一与第二分量进行直接丢失处理，再恢复后大部分低频信号也被舍弃，处于低频有效信号将无法表现地震信息。40002000u/0-2000-4000050100150200 x/ms图5地震信号分解图根据李庆忠论文中提出的“内切滤波法”9 ,在压制面波的处理过程中，对于低频信号不完全舍弃，而是去除低频面波9 8%的数据，剩下的2%的数据为提取出来的低频特征信号，以此来还原真实低频数据 10 。岳龙提出的面波衰减方法与李庆忠类似!，在处理中没有对面波区的小波系数完全舍弃，而是采用一种不同滤波系数进行相乘，从而减少幅度大的影响。滤波系数的设计原则是：对于面波的主要频率的滤波系数设置为0.0 1，找到面波的截止高频的频率对应的滤波系数设置为0.0 3，然后通过二次多项式拟合得到面波其他频率段的滤波系数，然后将这些系数一一与面波的所有频率相乘进行处理压制面波。本文参考这两种方案，对分解的前2个低频信号后1/3 部分进行充0 处理，保留了前部分的低频信号，对面波信号也进行了压制。采用本文这种自适应小波包的办法进行数据处理，结果如图6 所示。黄色波形为原始信号。为保证一致性，图中的黄色波形与图5的原始信号一致，蓝色波形为处理后的数据。可以明显看出，原始信号内的有效数据，频率明显，低频包络也能有效去除。用实际井采集的数据进行实时处理，与没有用本文方法进行实时处理的数据进行对比，并且在出图过程中，采用本文方法的软件用时没有增加。生35高温高速VSP地震信号的面波压制处理廖胜军成VDL进行分析，如图7 所示。原始的VDL生成的图像存在道与道粘连、模糊等不明显的情况，在分析数据时这些情况是不允许的，而通过小波变换处理后可以看出，道与道波形粘连的情况有了明显的改善。2000Au/0-20004000050100 x/ms150200图6 地震信号重构图深度道成像道第5道第6 道0WF53000原始3000小波300深度（米）01200120120图7 面波压制对比图5结论本文对有效信号被淹没的VSP测井数据进行处理，利用小波包变换对地震资料进行分解，实现面波精准分离，对应分量进行面波处理同时过滤高频分量，从而实现面波压制去除噪声。该方法减少了在VSP测井数据资料中由于处理面波的过程中对有效信号的损伤，实现了大部分面波的有效提取，也在一定程度上保留了有效反射波。本文提出的基于小波包变换的面波压制方法，具有层数分解自适应的功能，基本上能进行实时测井数据处理，解决传统低频地震信号处理方法的不足，为VSP测井数据面波压制提供了一种新的处理方法。参考文献：1蔡改贫,赵小涛,胡显能,等.CEEMDAN-小波阈值联合的球磨机筒体振动信号去噪方法研究 .机械科学与技术，2020,39(07):1077-1085.2】胡瑞卿,王彦春,岳占伟，等小波域特征提取在浅层地震资料面波压制中的应用 .物探与化探,2 0 18,42(0 6):1228-1236.3】周怀来.基于小波变换的地震信号去噪方法研究与应用D.成都理工大学,2 0 0 6.4】李亚峻.地震勘探子波估计、面波消减新技术研究 D.吉林大学，2 0 0 7.5谢金娥,郭全仕,刘财,等。高密点地震资料面波压制的自适应波束方法 J.石油物探,2 0 0 9,48(0 2):110-114+15.6王海龙,赵岩,王海军,等基于CEEMDAN-小波包分析的隧道爆破信号去噪方法 .爆炸与冲击,2 0 2 1,41(0 5):125-137.7孟娟,高琴,李亚南.基于SSEC-EWT的地震资料噪声压制算法 J.石油地球物理勘探,2 0 2 1,56(0 5):10 10-10 2 1.8】陈文超,高静怀,包乾宗.基于连续小波变换的自适应面波压制方法 J.地球物理学报,2 0 0 9,52(11):2 8 54-2 8 6 1.9李庆忠,刘清.基于小波变换的低照度图像自适应增强算法 J.中国激光,2 0 15,42(0 2):2 8 0-2 8 6.10曾祥堃,乔宝平,刘依谋,等.基于小波变换的自适应面波压制方法 J.北京大学学报(自然科学版)，2 0 15,51(0 5):837-842.11岳龙,刘怀山,尹燕欣,等.基于连续小波变换的面波衰减方法研究 .石油物探,2 0 16,55(0 2):2 14-2 2 2.