海上拖纜采集地震數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正

薛東川 朱振宇 王小六 何洋洋

（①中海油研究總院，北京100028；②海洋石油勘探國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100028）

·采集技術(shù)·

海上拖纜采集地震數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正

薛東川*①②朱振宇①②王小六①②何洋洋①②

（①中海油研究總院，北京100028；②海洋石油勘探國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100028）

海上拖纜地震數(shù)據(jù)采集時(shí)，接收點(diǎn)位移會使成像剖面產(chǎn)生與采集船航向相反的偏移，越晚到達(dá)的信號越偏離實(shí)際位置。針對常規(guī)P1／90導(dǎo)航文件提供的時(shí)間信息只精確到1s、精度較低的問題，采用具有更高精度的P2／94導(dǎo)航文件的時(shí)間信息計(jì)算船速，逐條電纜校正地震數(shù)據(jù)；通過建立弧長坐標(biāo)的方法，將平面上的曲線映射為弧長坐標(biāo)中的直線，降低數(shù)據(jù)插值的復(fù)雜性。模型數(shù)據(jù)和實(shí)際資料的測試證明，經(jīng)接收點(diǎn)位移校正減小了時(shí)移地震兩次采集時(shí)船速不同帶來的成像誤差，使資料的一致性更好，有利于突出儲層物性變化的地震響應(yīng)，提高油氣藏變化監(jiān)測的精度。該方法不僅針對海上時(shí)移地震資料匹配處理有效，對常規(guī)深水地震勘探同樣具有借鑒意義。

接收點(diǎn)位移校正 拖纜 船速 數(shù)據(jù)插值 弧長坐標(biāo) 歸一化均方根差異 時(shí)移地震

1 引言

海上拖纜采集中為了獲得理想的觀測系統(tǒng)參數(shù)，采集船必須保持一定的航速使接收電纜處于拉直的狀態(tài)［1］。然而，常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理中的檢波點(diǎn)位置是固定的［1-3］，海上拖纜采集數(shù)據(jù)時(shí)，接收點(diǎn)發(fā)生的位移會使成像剖面產(chǎn)生與采集船航向相反的偏移，且越晚到達(dá)的信號偏離實(shí)際位置越遠(yuǎn)。由于這種接收點(diǎn)位移產(chǎn)生的成像位置誤差的量值一般較小，所以在海上地震資料常規(guī)處理中，通常忽略接收點(diǎn)位置誤差，將拖纜采集數(shù)據(jù)近似為固定纜采集的數(shù)據(jù)。但對時(shí)移地震資料做匹配處理時(shí)，非目的層的數(shù)據(jù)差異一般接近于零，而差異主要集中在產(chǎn)油層，此時(shí)接收點(diǎn)位移產(chǎn)生的誤差相對于油藏變化引起的細(xì)微差異無法忽略。尤其是當(dāng)前、后兩次地震資料采集時(shí)，采集船航速不一致甚至航向相反，這種接收點(diǎn)位移帶來的誤差影響將更加明顯。因此，只有消除海上拖纜采集地震資料的接收點(diǎn)位移影響后，后續(xù)的時(shí)移地震資料匹配處理才更準(zhǔn)確合理，為后續(xù)的地震資料處理、解釋提供高品質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高油氣藏變化監(jiān)測的精度。為此，本文提出一種按單炮數(shù)據(jù)插值的方法，提高時(shí)移地震資料的匹配精度。

2 方法原理

以圖1所示的一條海上二維拖纜為例，接收纜受拖船牽引保持勻速移動，箭頭指示接收電纜的移動方向，×是t=0時(shí)刻炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)電纜上水聽器的初始位置，○是水聽器隨采集船移動后的實(shí)際位置（即地震記錄不同時(shí)刻水聽器的實(shí)際位置）。在炮點(diǎn)激發(fā)的瞬間，○與×完全重合；隨后○整體勻速向右移動；在t=2.5s時(shí)，○與×錯(cuò)位重合，錯(cuò)位一個(gè)接收點(diǎn)；在t=5s時(shí)，○與×再次錯(cuò)位重合，錯(cuò)位2個(gè)接收點(diǎn)。如前所述，雖然地下反射信號的實(shí)際接收位置是○，但資料處理中定義的是×固定位置上的信號。需要明確的是，地下反射信號的時(shí)空分布僅由該炮的震源子波、地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及炮點(diǎn)與地下介質(zhì)的相對位置決定，在放炮瞬間就已經(jīng)確定，而與接收點(diǎn)的放置位置無關(guān)。所以，已知圖1中○點(diǎn)的值，求×點(diǎn)的值，本質(zhì)上是一個(gè)單炮地震數(shù)據(jù)的空間插值問題，可以通過t-x平面上的二維插值，或一系列時(shí)間點(diǎn)上的空間一維插值解決接收點(diǎn)位移校正問題。三維拖纜數(shù)據(jù)的接收點(diǎn)位移校正方法與二維數(shù)據(jù)校正方法類似，其中船速（接收點(diǎn)移動速度）的準(zhǔn)確計(jì)算與三維拖纜漂移狀態(tài)下的數(shù)據(jù)插值是實(shí)際資料校正的關(guān)鍵。

圖1 海上二維拖纜單炮接收時(shí)接收點(diǎn)位置變化示意圖

3 船速計(jì)算

海上拖纜采集數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正首先要準(zhǔn)確計(jì)算出采集船的航速。圖2展示了采集船沿K炮線進(jìn)行拖纜數(shù)據(jù)采集的過程。圖中箭頭方向指示采集船的行駛方向，左右兩個(gè)氣槍交替放炮，放炮的炮點(diǎn)依次為a、b、c、d、e、f，其中，炮點(diǎn)a、c、e由左源激發(fā)，炮點(diǎn)b、d、f由右源激發(fā)，圖中三角形對應(yīng)放炮時(shí)采集船的參考點(diǎn)位置，即參考點(diǎn)A對應(yīng)a炮激發(fā)時(shí)采集船的位置，參考點(diǎn)B對應(yīng)b炮激發(fā)時(shí)采集船的位置，依此類推。采集船的航行速度可以根據(jù)采集船在相鄰兩次放炮的時(shí)間間隔內(nèi)行進(jìn)的路程求得，即

式中：v a為a炮數(shù)據(jù)采集時(shí)采集船的平均航行速度；T a為a炮的激發(fā)時(shí)間；Tb為b炮的激發(fā)時(shí)間；x A、y A分別表示參考點(diǎn)A的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；x B、y B分別表示參考點(diǎn)B的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。對于包括N個(gè)炮點(diǎn)的K炮線來說，可以根據(jù)式（1）分別計(jì)算出前N-1炮數(shù)據(jù)采集時(shí)采集船的平均航行速度，而炮線最后一炮（第N炮）采集時(shí)的平均船速則用相鄰的第N-1炮的平均船速代替。

按照式（1）計(jì)算K炮線上各炮數(shù)據(jù)采集時(shí)采集船的航行速度所需要的全部信息均可以從該炮線的P1／90導(dǎo)航文件中讀取。P1／90導(dǎo)航文件是英國勘探委員會（UKOOA，United Kingdom Offshore Operators Association）于20世紀(jì)90年代初制定的海上地震勘探導(dǎo)航格式文件，由ASCII碼編寫，每行80個(gè)字符。按照P1／90導(dǎo)航文件格式規(guī)定：每行記錄的首字符如果是V，則表示該行記錄是采集船參考點(diǎn)信息，不同列分別記錄了該炮點(diǎn)的坐標(biāo)、海水深度、經(jīng)緯度、炮線名、放炮時(shí)間等信息［4］。

圖2 三維海上拖纜數(shù)據(jù)采集過程示意圖

需要指出的是，P1／90導(dǎo)航文件所記錄的放炮時(shí)間信息只精確到1s，誤差較大，由此計(jì)算得到的采集船航速精度較低。圖3a是以K炮線的P1／90導(dǎo)航文件計(jì)算的放炮時(shí)間間隔，數(shù)值集中在7s和8s，包含較大的舍入誤差。圖3b是用此放炮時(shí)間間隔按式（1）求出的采集船航行速度，受時(shí)間精度影響，船速主要集中在2.65m／s和2.35m／s附近，中間數(shù)值存在空白，即表明采集船航行時(shí)速度總是在相差約0.3m／s的兩個(gè)速度之間來回跳變，這顯然與地震資料采集時(shí)采集船基本保持勻速航行的情況不符。這種情況可以通過從P2／94導(dǎo)航文件中提取相應(yīng)的放炮時(shí)間得到改善。P2／94導(dǎo)航文件是P1／90導(dǎo)航文件的基礎(chǔ)文件，記錄的放炮時(shí)間精度達(dá)到了0.1s。P2／94導(dǎo)航文件同樣是UKOOA制定的海上地震勘探導(dǎo)航格式文件，用ASCII碼編寫，每行80個(gè)字符。按照P2／94導(dǎo)航文件格式規(guī)定：每行以E1000開頭的數(shù)據(jù)記錄了放炮時(shí)間，第59～66列是放炮時(shí)間［5］。圖4a是從K炮線的P2／94導(dǎo)航文件中提取的放炮時(shí)間間隔，數(shù)值主要分布在7.2～8.0s之間的間隔0.1s的條帶上，分選性更好。圖4b是用P2／94導(dǎo)航文件的放炮時(shí)間間隔求出的采集船航速，數(shù)值從2.38m／s逐漸變化到2.58m／s，相鄰兩炮船速的變化減小，更符合實(shí)際情況。

圖3 K炮線P1／90計(jì)算的放炮時(shí)間間隔（a）和采集船航速（b）

圖4 K炮線P2／94計(jì)算的放炮時(shí)間間隔（a）和采集船航速（b）

4 三維單炮數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正

當(dāng)求出數(shù)據(jù)采集時(shí)每一炮的船速以后，就可以根據(jù)放炮時(shí)接收點(diǎn)的初始位置估算采集過程中接收點(diǎn)在任意時(shí)刻的空間位置，然后通過數(shù)據(jù)插值完成每一炮地震數(shù)據(jù)的接收點(diǎn)位移校正。但要指出的是，在海上實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)，接收電纜受洋流等環(huán)境因素影響，很難保持理想的直線狀態(tài)，長達(dá)數(shù)千米的電纜在海面上呈現(xiàn)出不同程度的彎曲，而電纜末端一般會偏離航線更遠(yuǎn)的距離（要求羽角控制在10°以內(nèi)［6］）。此外，為了防止接收電纜之間相互纏繞，纜間距一般控制在100～150m。然而，海水中地震子波的長度也在90～150m，聯(lián)絡(luò)線方向上地震信號采樣不足會產(chǎn)生嚴(yán)重的空間假頻［3］。因此，海上拖纜三維地震數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)插值沒有實(shí)際意義，實(shí)際地震資料處理中將單炮三維地震數(shù)據(jù)按接收電纜分組，在每條電纜上做二維或一維數(shù)據(jù)插值，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的接收點(diǎn)位移校正。

由于海面上彎曲的采集電纜是條二維曲線，無法進(jìn)行空間一維插值。為此，定義弧長坐標(biāo)，如圖5所示。圖中的曲線代表海面上一條采集電纜，○是纜上的接收器，它的位置由（x，y）坐標(biāo)確定。當(dāng)采集電纜受拖船牽引移動時(shí)，纜上的接收器受電纜牽引，而洋流對接收器的作用力要遠(yuǎn)小于電纜的牽引力，接收器沿著彎曲電纜的切線方向（箭頭方向）移動。在t=0時(shí)刻，以電纜上靠近拖船一端的首個(gè)接收點(diǎn)為原點(diǎn)，其弧長坐標(biāo)為0，記作R00，定義放炮時(shí)各接收點(diǎn)的弧長坐標(biāo)為

式中：rj是接收點(diǎn)j到接收點(diǎn)j-1的弧長；x j、y j分別表示第j個(gè)接收點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。由于海面上采集電纜的真實(shí)形態(tài)難以準(zhǔn)確描述，式（2）實(shí)際應(yīng)用時(shí)以兩接收點(diǎn)間的直線距離近似替代弧長。因此，電纜上接收點(diǎn)k的位置可以描述為電纜上距離原點(diǎn)的折線距離為R k的點(diǎn)。通過空間映射將二維曲線變換成一條一維直線，方便一維插值計(jì)算。而t時(shí)刻采集電纜上各接收點(diǎn)相對于炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)弧長坐標(biāo)原點(diǎn)的弧長坐標(biāo)的計(jì)算公式為

式中：v是采集船航行速度；t表示當(dāng)前地震數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間。當(dāng)求出采集時(shí)接收點(diǎn)的實(shí)際位置后，就可以通過t-x域的二維插值或一系列時(shí)間點(diǎn)上的空間一維插值得到炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)接收器所在位置的地震記錄。再逐條電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，就完成了三維單炮拖纜數(shù)據(jù)的接收點(diǎn)位移校正。

圖5 計(jì)算弧長坐標(biāo)示意圖

5 應(yīng)用效果

5.1 模型驗(yàn)證

圖6是Marmousi2縱波速度模型。設(shè)計(jì)海面上一條長3375m的采集電纜在拖船的牽引下自西向東移動，船速為2.5m／s，圖中分別用*和▽標(biāo)識放炮時(shí)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置。采用二維有限元聲波方程數(shù)值模擬單炮記錄的波場空間分布，記錄時(shí)長為3.5s。圖7是模擬單炮記錄的接收點(diǎn)位移校正結(jié)果。由圖7a可以看出，海上拖纜采集地震數(shù)據(jù)因?yàn)榻邮招盘枙r(shí)電纜保持勻速移動，導(dǎo)致實(shí)際接收記錄與期望采集記錄之間存在誤差。對比圖7a、圖7e可以看出，接收點(diǎn)位移校正消除了船速帶來的影響（圖7d），與放炮激發(fā)時(shí)固定位置上接收到的記錄（圖7c）趨于一致，僅海底反射波強(qiáng)能量有少量殘留（圖7e）。由此可見，單炮記錄插值可以有效去除拖纜采集數(shù)據(jù)的船速影響，將其校正為固定接收位置上采集的數(shù)據(jù)。

圖6 Marmousi2縱波速度模型

海上時(shí)移地震數(shù)據(jù)經(jīng)過接收點(diǎn)位移校正后，消除了兩次采集時(shí)船速不同帶來的成像誤差，地震資料的一致性更好。為了檢測兩次成像結(jié)果的可重復(fù)性，需要對標(biāo)志層位置的時(shí)窗內(nèi)的成像結(jié)果做可重復(fù)性測量。這些檢測手段包括計(jì)算頻譜、相關(guān)系數(shù)、時(shí)移誤差、振幅比和均方根振幅差等［7］。目前最常用的重復(fù)性測量方法是計(jì)算NRMS（Normalized Root-Mean-Square difference，歸一化均方根差異）。NRMS值是兩次成像的振幅差的平均均方根振幅除以兩次成像的平均均方根振幅之和，即

式中：B是基礎(chǔ)剖面（前一次采集）；M是觀測剖面（后一次采集）。均方根算子定義為

式中：Ai是成像剖面時(shí)窗中的振幅；i是樣點(diǎn)序號，i=1，2，…，N，N是時(shí)窗中的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。時(shí)移地震用NRMS值檢測兩次處理結(jié)果的可重復(fù)性，如果NRMS=0，表示數(shù)據(jù)完全一致；如果NRMS=2，說明數(shù)據(jù)反相關(guān)；如果B和M只包含隨機(jī)噪聲，NRMS值受相位和振幅差、時(shí)移誤差和噪聲的影響，值越小說明重復(fù)性越好［8］。

圖8是對圖7中的單炮記錄分時(shí)窗計(jì)算NRMS值的比較。將圖8b看作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖8a和圖8c看作兩次不同的觀測數(shù)據(jù)，設(shè)置從淺至深3個(gè)時(shí)窗，分別計(jì)算校正前后的NRMS值。由圖8a可以看出，從淺至深的3個(gè)時(shí)窗內(nèi)NRMS值逐漸增大，說明與圖8b的一致性逐漸變差，這是因?yàn)樵酵淼竭_(dá)的信號電纜越偏離放炮時(shí)的初始位置，船速帶來的誤差影響就越大。而接收點(diǎn)位移校正后，圖8c中1.0～1.5s時(shí)窗的NRMS值從校正前的0.094降至校正后的0.008，1.75～2.250s時(shí)窗的NRMS值從0.192降至0.006，2.5～3.0s時(shí)窗的NRMS值從0.261降至0.003，而整個(gè)記錄的NRMS值也從0.243降至0.103。校正后各個(gè)時(shí)窗的NRMS值相對校正前大幅降低，表明接收點(diǎn)位移校正降低了船速影響，提高了資料的一致性。

圖7 模擬單炮記錄的接收點(diǎn)位移校正前、后結(jié)果對比

圖8 圖7數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正前、后NRMS值比較

圖9是圖8單炮記錄加隨機(jī)噪聲后計(jì)算的NRMS值的比較。在圖9a、圖9b中分別添加了幅值為有效信號最大幅值10%的隨機(jī)噪聲。仍然從淺至深設(shè)置3個(gè)時(shí)窗，計(jì)算校正前、后的NRMS值?？梢钥闯觯砑釉肼暫?，各個(gè)時(shí)窗內(nèi)的NRMS值較圖8都顯著增大。但經(jīng)接收點(diǎn)位移校正后，1.0～1.5s時(shí)窗的NRMS值從校正前的1.350降至校正后的1.349，1.75～2.25s時(shí)窗的 NRMS值從1.269降至1.255，2.5～3.0s時(shí)窗的 NRMS值從1.370降至1.365，而整個(gè)記錄的NRMS值也從1.240降至1.226。校正后各個(gè)時(shí)窗的NRMS值相對校正前均有不同程度的降低，表明即使在很強(qiáng)的噪聲水平下，接收點(diǎn)位移校正仍然能夠降低船速影響，提高資料的一致性。

5.2 海上時(shí)移地震資料測試

圖9 加噪后的接收點(diǎn)位移校正前、后NRMS值比較

圖10 W區(qū)海上時(shí)移地震采集炮線分布示意圖

圖10是海上W區(qū)2003年和2013年時(shí)移地震采集的測線分布圖。從中選取兩條相鄰的主測線分別記作2003-44線和2013-17線，對這兩條測線的疊加剖面做可重復(fù)性測量，檢驗(yàn)三維地震資料接收點(diǎn)位移校正的實(shí)際應(yīng)用效果。圖11為兩條測線的疊加剖面。圖11a、圖11c在資料處理中采用了相同的處理參數(shù)，圖11b、圖11d兩個(gè)剖面的處理參數(shù)保持一致。從淺至深選取3個(gè)不同時(shí)窗計(jì)算接收點(diǎn)位移校正前后的NRMS值，其中1.2～1.5s的時(shí)窗內(nèi)是該地區(qū)儲層上方的標(biāo)志層位，其NRMS值從校正前的0.4972降為校正后的0.4956；1.5～1.7s的時(shí)窗內(nèi)包含一套尚未開采的儲層，其NRMS值從校正前的0.5049降為校正后的0.5030；而1.9～2.2s的時(shí)窗內(nèi)包含了一套開采層，經(jīng)過10年的油氣開采，儲層物性發(fā)生改變，其NRMS值從校正前的0.5968增大為校正后的0.5972。在保持相同處理參數(shù)的情況下，時(shí)移地震數(shù)據(jù)經(jīng)接收點(diǎn)位移校正后減小了因兩次采集時(shí)船速不同帶來的成像誤差，使得資料的一致性更好，這有利于突出儲層物性變化的地震響應(yīng)，提高了油氣藏變化監(jiān)測的精度。

圖11 時(shí)移地震資料接收點(diǎn)位移校正前、后的疊加剖面對比

6 結(jié)論

本文圍繞提高海上時(shí)移地震資料一致性提出了接收點(diǎn)位移校正方法，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）海上拖纜采集的地震數(shù)據(jù)都存在接收點(diǎn)位移校正問題。地震信號的實(shí)際接收位置較記錄位置靠前，越晚到達(dá)的信號偏離實(shí)際位置越遠(yuǎn)；

（2）接收點(diǎn)位移校正能夠降低兩次地震采集時(shí)船速不同帶來的非油藏因素影響，是時(shí)移地震資料處理的必要步驟；

（3）本文接收點(diǎn)位移校正方法利用P2／94導(dǎo)航文件的時(shí)間信息計(jì)算船速，建立弧長坐標(biāo)，將平面上的曲線映射為弧長坐標(biāo)中的直線，對單炮記錄逐條纜線做插值校正，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明其有效提高了時(shí)移地震資料的一致性。

［1］ 謝里夫R E，吉爾達(dá)特L P編；初英等譯.勘探地震學(xué).北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［2］ 渥·伊爾馬滋著；黃緒得等譯.地震數(shù)據(jù)處理.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［3］ 陸基孟.地震勘探原理.山東東營：中國石油大學(xué)出版社，2006.

［4］ http：∥www.seg.org／documents／10161／77915／ukooa_p1_90.pdf

［5］ http：∥www.seg.org／documents／10161／77915／ukooa_p2_94.pdf

［6］ 海上拖纜式地震資料采集技術(shù)規(guī)程.中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SY／T 10015-2013.Technical specifications for towed streamer marine seismic data acquisition.Standard of Petroleum and Natural Gas Industries，P.R.C.SY／T 10015-2013.

［7］ Eiken O，Haugen G U，Schonewille M et al.A proven method for acquiring highly repeatable towed streamer seismic data.Geophysics，2003，68（4）：1303-1309.

［8］ David H J.Practical Applications of Time-lapse Seismic Data.SEG Distinguished Instructor Series，16，2013.

P631

A

10.13810／j.cnki.issn.1000-7210.2017.01.001

薛東川，朱振宇，王小六，何洋洋.海上拖纜采集地震數(shù)據(jù)接收點(diǎn)位移校正.石油地球物理勘探，2017，52（1）：1-7.

1000-7210（2017）01-0001-07

*北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號中海油大廈B座，100028。Email：xuedch＠cnooc.com.cn

本文于2016年3月28日收到，最終修改稿于同年11月22日收到。

本項(xiàng)研究受中海油有限公司綜合研究項(xiàng)目“海上時(shí)移地震技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用”（YXKY-2015-ZY-03）和國家重大專項(xiàng)課題“中國近海中深層地震勘探關(guān)鍵技術(shù)”（2016ZX05024001）聯(lián)合資助。

（本文編輯：金文昱）

薛東川 1979年生；2001年獲青島海洋大學(xué)應(yīng)用地球物理專業(yè)學(xué)士學(xué)位；2004年獲中國石油大學(xué)（北京）地球探測與信息技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位；2007年獲中國石油大學(xué)（北京）地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)博士學(xué)位?，F(xiàn)就職于中海油研究總院，從事高性能計(jì)算和地震數(shù)據(jù)處理方法研究。