海上變深度纜數(shù)據(jù)最優(yōu)化壓制鬼波方法及其應(yīng)用

許自強,方中于,顧漢明,張健男,胡發(fā)動,王用軍

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)物探技術(shù)研究所,廣東湛江524057;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室,湖北武漢430074)

海上變深度纜數(shù)據(jù)最優(yōu)化壓制鬼波方法及其應(yīng)用

許自強1,方中于1,顧漢明2,張健男1,胡發(fā)動1,王用軍1

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)物探技術(shù)研究所,廣東湛江524057;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室,湖北武漢430074)

常規(guī)海上拖纜采集數(shù)據(jù)受海水面虛反射(鬼波)影響存在陷波特性,近幾年發(fā)展起來的變深度纜采集技術(shù)則使陷波特征分散,應(yīng)用專門的去鬼波處理方法可獲得寬頻數(shù)據(jù)。在前人研究的基礎(chǔ)上,開展了最優(yōu)化聯(lián)合反褶積壓制鬼波算法及其在變深度纜采集數(shù)據(jù)中的應(yīng)用研究。首先在頻率-波數(shù)域?qū)С隽绥R像纜記錄生成公式,并在時空域?qū)崿F(xiàn)了鏡像記錄的生成,然后基于原始炮集記錄和鏡像炮集記錄,利用最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法從變深度纜數(shù)據(jù)中提取上行波。合成數(shù)據(jù)及某海上實際變深度纜數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明,最優(yōu)化聯(lián)合反褶積壓制鬼波算法既能提高淺層的高頻反射能量,又能提高深層的低頻反射能量,從而拓寬地震反射資料的頻帶,提高勘探分辨率。

變深度纜采集;鬼波;頻率-波數(shù)域;最優(yōu)化去鬼波算法;陷波

海上地震采集的記錄因受海水面虛反射影響而存在陷波特性,使得地震記錄的頻帶變窄,地震剖面的分辨率降低[1]。要獲得寬頻帶地震剖面,必須在地震采集或地震數(shù)據(jù)處理時設(shè)法消除虛反射的影響。為滿足這一需求,近幾年來Hill等[2]、Moldoveanu等[3]提出了海上上下拖纜采集技術(shù);劉春成等[4]上下纜合并算子確定了海上上下纜采集的最優(yōu)沉放深度組合;?zdemir等[5]通過上下纜合并處理有效地壓制了海水面引起的虛反射;趙仁永等[6]上下源、上下纜地震采集技術(shù)應(yīng)用研究取得了較好的效果。但是,上下纜地震采集技術(shù)要求上下纜在同一垂直剖面內(nèi),對電纜的定位精度要求很高,而且由于是兩條纜采集,勘探成本勢必增加。為此,Tenghamn等[7]、Carlson等[8]研究了雙傳感器地震拖纜采集系統(tǒng),將壓力和速度傳感器整合在一起的拖纜能夠?qū)⑸闲小⑾滦胁▓鲂盘柗蛛x,去除虛反射,但該技術(shù)對雙檢拖纜性能要求很高,虛反射壓制效果受到壓力和速度傳感器各自不同的靈敏度的影響。

近年來,Robert等[9]推出了變深度拖纜(斜纜)采集技術(shù),同一條拖纜上檢波器深度隨著偏移距的改變而改變,淺部接收到高頻信息,深部接收到低頻信息,體現(xiàn)了頻率的多樣性與豐富性,解決了常規(guī)拖纜采集過程中頻率缺失的問題,較好地拓寬了頻帶。該方法也稱“寬頻帶”方法。Sablon等[10]、Soubaras[11]運用鏡像偏移處理技術(shù)有效壓制虛反射,可以在比常規(guī)拖纜更深的地方進行數(shù)據(jù)采集,而且能得到更寬頻帶的數(shù)據(jù)。但該項技術(shù)的成功應(yīng)用取決于寬頻處理算法,為此,眾多學(xué)者開展了相應(yīng)的寬頻處理算法研究。Soubaras[12]提出利用聯(lián)合反褶積方法來壓制虛反射,在墨西哥等地的試驗結(jié)果證明該方法能實現(xiàn)拓寬頻帶的目的;Wang等[13]提出一種在F-XY域利用實際炮集和鏡像炮集進行聯(lián)合反演來壓制虛反射的方法,在墨西哥灣取得了較好的應(yīng)用效果;Kroode等[14]闡述了低頻信息的重要性,指出可通過變深度纜數(shù)據(jù)處理提高低頻能量,從而提高波阻抗反演的可靠性。

國內(nèi)也有學(xué)者開展了變深度纜采集試驗,但目前實用的變深度纜地震資料處理技術(shù)主要掌握在西方公司。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出變深度纜鏡像記錄的生成算法,提出了最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法,利用合成數(shù)據(jù)及海上實際變深度纜數(shù)據(jù)對算法進行了測試。

1 變深度纜鏡像數(shù)據(jù)生成算法

對于變深度纜多道而言,沉放某一深度zi的拖纜接收到的波場p(x,zi,t)是深層反射的上行波場u(x,zi,t)和該上行波場在海水面反射向海底方向傳播的下行波場d(x,zi,t)之和,也即:

(1)

對(1)式進行關(guān)于偏移距變量x和時間變量t的2D傅里葉變換得：

P(kx,zi,ω)=U(kx,zi,ω)+D(kx,zi,ω)

(2)

式中,kx為水平波數(shù)。

如圖1所示,沉放深度為z1=zr的實際拖纜接收到的總波場為p(x,z1,t),深層反射上行波到達z1的波場為u(x,z1,t),上行波經(jīng)過海水面反射向海底方向傳播到達z1的下行波場為d(x,z1,t);沉放深度為z2=3zr的假想拖纜接收到的總波場為p(x,z2,t),深層反射上行波到達z2的波場為u(x,z2,t),上行波經(jīng)過假想海水面反射向海底方向傳播到達z2的下行波場為d(x,z2,t)。各波場的二維傅里葉變換分別記為P(kx,z1,ω),P(kx,z2,ω),U(kx,z1,ω),U(kx,z2,ω),D(kx,z1,ω),D(kx,z2,ω),在圖1中依次為P1,P2,U1,U2,D1,D2,且有z2-z1=2zr。

圖1 波場傳播示意

基于(2)式可得原始地震記錄在頻率-波數(shù)域為：

P(kx,z1,ω)=U(kx,z1,ω)+D(kx,z1,ω)

(3)

鏡像地震記錄在頻率-波數(shù)域為：

P(kx,z2,ω)=U(kx,z2,ω)+D(kx,z2,ω)

(4)

同時,要求鏡像記錄的下行波就是原始記錄的上行波,即：

(5)

由于下行波場是上行波場在海水面反射向海底方向傳播的下行波場,因此在假定海水面反射系數(shù)為-1的情形下,由單程波動方程延拓算子可以得到：

(6)

(7)

(8)

將(5)式至(7)式分別代入(3)式和(4)式,得:

(9)

(10)

聯(lián)立(9)式和(10)式,得到：

(11)

(11)式即為二維情況下的鏡像計算公式,也即在原始記錄中施加一個算子得到的鏡像地震數(shù)據(jù)。鏡像算子可表示為：

(12)

(11)式可以寫成時空域表達式：

(13)

式中：τi為第i個接收點處接收到的鬼波和一次波旅行時間差。

2 最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法

(9)式和(10)式可以寫成：

(14)

(15)

式中：

(16)

(17)

比較(16)式和(17)式得：

(18)

因此,可以把常規(guī)電纜接收的總波場表達式(14)中的虛反射算子看成是最小相位函數(shù),而把鏡像電纜接收的總波場表達式(15)中的虛反射算子看成是最大相位函數(shù)[12]。

由于鏡像數(shù)據(jù)生成時所需要的走時是在假定地下為水平層狀介質(zhì)的情形下計算的,因此,實際鏡像記錄的相位受到傾斜界面、介質(zhì)速度誤差以及水聽器沉放深度的誤差影響。假定存在一個時差φ,則有：

(19)

(14)式和(15)式可表示為：

(20)

根據(jù)海上接收點虛反射產(chǎn)生機理及其表達式(16),可以假設(shè)鬼波算子具有一般表達式：

(21)

式中：u=jωΔt,Δt為虛反射和一次波之間的傳播時差。將(19)式和(20)式相除,并化簡得：

(22)

將(22)式代入(21)式,則鬼波算子又可以表示為：

(23)

將(23)式代入(20)式得：

(24)

令：

(25)

則(24)式可寫成矩陣形式：

P=GU

(26)

采用最小二乘法求解(26)式得:

(27)

(27)式即為利用原始記錄與鏡像記錄進行最大相位與最小相位聯(lián)合反褶積的計算公式,在原始地震記錄與鏡像地震記錄均已知的情況下,就可以得到變深度纜處的上行波場U(kx,ω),也即消去鬼波后的記錄。

3 理論模型測試

為了驗證變深度纜最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法對由海水自由反射界面引起的虛反射的壓制效果,對一個傾斜層狀模型(圖2a)的合成變深度纜單炮記錄進行了去鬼波測試。正演模擬時,采用主頻為350Hz的雷克子波,記錄道數(shù)為240道,道間距為25m,采樣間隔為1ms,記錄長度為6.5s,偏移距為0,單邊放炮,拖纜沉放深度為5～50m,如圖2b所示。

圖3a為波動方程模擬的變深度纜原始單炮記錄,圖3b為本文算法生成的鏡像記錄?；?27)式,對模擬的原始單炮記錄和鏡像記錄進行最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波處理,圖3c為去鬼波后的變深度纜炮集記錄。由圖3a看出,在原始單炮記錄2.7s處有一海底界面上的反射波,3.8s處有一地層界面上的反射波,它們均具有兩個正相位特征,且第二個相位能量比初至相位能量強。這些續(xù)至的相位對應(yīng)海水面的鬼波,而且隨著炮檢距的增大,一次波和鬼波逐漸分開。由圖3b看出,鏡像記錄與原始記錄最明顯的區(qū)別是相位的變化,原始記錄中因為首先接收到反射波,所以同相軸首先是正相位;鏡像記錄中因為首先接收到虛反射,所以同相軸首先是負相位(圖4)。

圖2 傾斜層狀模型(a)及拖纜沉放深度(b)

圖3 模擬的原始單炮記錄(a)及其鏡像記錄(b)和去鬼波后的記錄(c)

圖4 模擬的原始單炮記錄(a)及其鏡像記錄(b)局部放大

為了說明鏡像記錄的準確性,分別抽出原始單炮記錄及其鏡像記錄中的第120道和第240道來進行對比,如圖5所示。由圖5可以看出,鏡像記錄中的反射波與原始記錄中的反射波已經(jīng)對齊,達到了鏡像的目的,二者的波峰、波谷位置對應(yīng)較好(圖中綠色方框處)。

對鬼波壓制前后的模擬單炮記錄進行局部放大,結(jié)果如圖6所示。通過對比明顯可以看出,去鬼波后的炮集記錄上反射波同相軸主要為1～2個正相位和一個負相位特征,初至相位能量比較強,說明去鬼波后的上行波記錄已經(jīng)消除了海水面引起的鬼波。

圖5 模擬的原始單炮記錄與鏡像記錄第120道(a)和第240道(b)波形對比

圖6 模擬的原始單炮記錄(a)與去鬼波后的記錄(b)局部放大

4 實際海上采集數(shù)據(jù)測試

用實際海上采集的變深度纜數(shù)據(jù)進行了最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法測試。數(shù)據(jù)采集的觀測系統(tǒng)參數(shù)為：最小沉放深度5m,最大沉放深度50m,道間距12.5m,炮間距25m,接收長度7.25s,采樣率2ms,震源深度5m。由于海上采集的數(shù)據(jù)受涌浪干擾嚴重,需要進行適當?shù)臑V波。根據(jù)涌浪試驗研究和頻譜分析得知,涌浪主要為5Hz以下干擾,為了進行后續(xù)的處理,必須通過濾波把低頻涌浪干擾去除。

圖7a為涌浪干擾濾波后的變深度纜單炮記錄,圖7b為利用本文方法生成的鏡像記錄。利用(27)式對實際海上單炮記錄及其鏡像記錄進行最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波處理,結(jié)果如圖7c所示。圖8為實際海上單炮記錄近道部分(圖7a中紅色框)和遠道部分(圖7a中綠色框)局部放大顯示的結(jié)果,明顯可以看出,遠道鬼波比近道鬼波更明顯。

為了能更好地驗證鏡像記錄與原始單炮記錄之間的關(guān)系,對原始單炮記錄與鏡像記錄的水底反射同相軸(道號為174～206,時窗為2.52～2.81s)進行對比和疊合,結(jié)果如圖9所示。圖9c中黑色部分為原始單炮記錄,藍色部分為鏡像記錄,二者反射波同相軸波形一致,較好地吻合成一條完整的同相軸,說明反射波鏡像處理效果較好,滿足了最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波的條件。

圖10和圖11分別為實際海上單炮記錄去鬼波前、后的局部放大顯示,其中圖10取自道號186～208,時窗2.63～2.83s,圖11取自道號165～235,時窗2.58～3.55s。由圖10和圖11可以看出,經(jīng)過去鬼波處理后,虛反射同相軸消失,說明本文提出的最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法對海上實際變深度纜數(shù)據(jù)中的鬼波具有較好的壓制作用。

圖7 實際海上單炮記錄(涌浪干擾去除后,下同)(a)及其鏡像記錄(b)和去鬼波后的記錄(c)

圖8 實際海上單炮記錄近道(a)和遠道(b)局部放大

圖9 實際海上單炮記錄(a)與鏡像記錄(b)的水底反射同相軸局部放大對比及其疊合顯示(c)

圖10 實際海上單炮記錄(道號為186～208,時窗為2.63～2.83s)去鬼波前后局部放大對比

圖11 實際海上單炮記錄(道號165～235,時窗2.58～3.55s)去鬼波前后局部放大對比

圖12為實際海上單炮記錄(道號為1～245,時窗為2.0～3.4s)與最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波后的記錄局部對比及兩者重疊圖,其中圖12c中藍色區(qū)域為原始單炮記錄重疊在去鬼波后的記錄上,黑色區(qū)域為去鬼波后的記錄重疊在原始單炮記錄上,可以看出反射波同相軸的位置吻合非常好,只有原始單炮記錄(藍色)顯現(xiàn)出明顯的虛反射。對比可見,最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波處理能有效壓制原始單炮記錄中存在的虛反射,使原始記錄的兩條同相軸消失了一條,尤其是原始記錄與去鬼波結(jié)果的反射波同相軸重疊在一起,說明在壓制鬼波的過程中較好地保存了反射波的信息,進一步驗證了最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法的實用性。

圖13是從一條測線上的原始單炮記錄、鏡像單炮記錄以及最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波后的單炮記錄抽取的共偏移距剖面,偏移距為2800m。可以看出,原始共偏移距剖面上出現(xiàn)了兩條反射波同相軸,使得剖面分辨率降低,對深層反射同相軸影響嚴重;鏡像共偏移距剖面與原始共偏移距剖面相似,兩者區(qū)別主要在于極性相反;而去鬼波后剖面中有一條同相軸被壓制,剖面分辨率得到了提高。

圖12 實際海上單炮記錄(a)與去鬼波后的記錄(b)局部對比及其疊合顯示(c)

圖13 從原始單炮記錄(a)、鏡像單炮記錄(b)和去鬼波單炮記錄(c)抽取的共偏移距剖面

對圖13所示去鬼波前后的共偏移距剖面進行一維頻譜分析(圖13a,圖13c紅色方框處),結(jié)果如圖14所示。可以看出,去鬼波前的共偏移距剖面頻譜圖上有多個陷波頻率(圖14a),而去鬼波后的共偏移距剖面頻譜圖上陷波被消除(圖14b)。因此,最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波算法能充分利用變深度纜數(shù)據(jù)陷波頻率的發(fā)散特征來有效彌補陷波,拓寬頻帶。

圖15給出了實際海上地震數(shù)據(jù)進行最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波處理前后的偏移疊加剖面。通過對比可以看出,去鬼波后偏移疊加剖面上海底由正負峰組成的多條同相軸中負峰對應(yīng)的鬼波能量變?nèi)?分辨率得到明顯提高。圖16為最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波前后的偏移疊加剖面對應(yīng)的平均振幅譜,可以看出,去鬼波后偏移疊加剖面的頻帶明顯比原始偏移疊加剖面的頻帶寬,中、高頻帶振幅能量得到提高。

圖14 去鬼波前(a)、后(b)的共偏移距剖面平均振幅譜

圖15 原始偏移疊加剖面(a)與去鬼波后的偏移疊加剖面(b)

圖16 去鬼波前(a)、后(b)的偏移疊加剖面平均振幅譜

5 結(jié)束語

分析模擬變深度纜單炮記錄及實際采集的變深度纜地震數(shù)據(jù)去鬼波處理結(jié)果,可以得出如下結(jié)論：

1) 利用原始單炮記錄可以進行鏡像計算得到鏡像電纜采集數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)與原始單炮記錄滿足最大相位與最小相位的關(guān)系。

2) 最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波技術(shù)能有效地消除變深度纜數(shù)據(jù)中由海水面引起的虛反射,既保留淺層的高頻信息,又保留深層的低頻信息。

3) 基于最優(yōu)化聯(lián)合反褶積去鬼波后的炮集記錄進行偏移疊加處理,得到的偏移疊加剖面平均振幅譜頻帶明顯增寬,中、高頻帶振幅能量得到提高,頻帶變得更寬,剖面分辨率得到明顯提高。

4) 鏡像計算需要通過精細的速度分析得到較為準確的地層參數(shù),當多次波較為嚴重的時候需要避免其對一次波速度分析的影響,因此建議在進行炮域去鬼波處理之前,進行諸如去多次波、去涌浪噪聲干擾等預(yù)處理。

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(編輯：戴春秋)

The application of optimal deghosting algorithm on marine variable-depth streamer data

Xu Ziqiang1,Fang Zhongyu1,Gu Hanming2,Zhang Jiannan1,Hu Fadong1,Wang Yongjun1

(1.CNOOCEner-Tech-Drilling&ProductionCorporation,Development&ProspectingGeophysicalInstitute,Zhanjiang524057,China;2.HubeiSubsurfaceMulti-scaleImagingKeyLaboratory,InstituteofGeophysicsandGeomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

In marine seismic data acquired by conventional towed-streamer,the notches is caused by ghost reflections from seawater surface.With the development of variable-depth streamer (VDS) acquisition technology,featured by ghost notch diversity,the broadband data can be obtained by applying special deghosting method.An optimal deghosting algorithm is applied to eliminate ghosts from VDS data in this paper.The formula to produce mirror data is derived in frequency-wavenumber domain,and the mirror data can then be obtained in time-space domain.Moreover,we apply an optimal deghosting algorithm to joint deconvolution of the original and mirror shots data and extract upgoing wave from VDS data.The deghosting of synthetic data and real marine variable-depth streamer data show that the processing results broadened the bandwidth,enhanced high-frequency response from the shallow layers and low-frequency response from the deep layers and improved the exploration resolution.

variable-depth streamer acquisition,ghost reflections,frequency-wavenumber domain,optimal deghosting algorithm,notch

2014-10-28;改回日期：2015-02-13。

許自強(1980—),男,高級工程師,碩士,現(xiàn)從事地震資料處理和反演工作。

顧漢明(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事油氣地震勘探與開發(fā)研究工作。

國家科技重大專項子專題“鶯瓊盆地高溫高壓區(qū)高精度地震資料采集處理技術(shù)”(2011ZX05000023004001)和中海油總公司科技項目“傾斜電纜地震資料處理技術(shù)研究(CNOOC-KJ125-2011ZX05023NFCJF)”聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2015)04-0404-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.006