深水區(qū)直達波子波提取氣泡效應壓制技術

任　婷　彭海龍*　覃殿明　赫建偉　劉　兵　鄧　盾

(①中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；②中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，廣東湛江 524057)

1　引言

在海上地震數(shù)據(jù)采集過程中，由于氣槍震源自身的特點以及海面的強反射，造成地震資料中存在強能量的虛反射以及氣泡效應[1]。氣泡效應也稱延續(xù)相位，它是氣槍在水中激發(fā)的瞬間，在氣泡膨脹和破裂時產(chǎn)生的第二次沖擊波[2]。這種在海洋地震勘探中普遍存在的特有現(xiàn)象，嚴重影響地震資料的分辨率和信噪比，并導致非常嚴重的子波延續(xù)相位。在海上地震資料的中深層，隨著大地吸收濾波作用增強，后續(xù)的氣泡效用得到放大，子波形態(tài)加長、變粗。在地震剖面上，通常表現(xiàn)為地震同相軸變粗，資料分辨率降低，且出現(xiàn)雙基底情形，嚴重困擾后續(xù)解釋工作。對此，早期的處理手段是采用反褶積法進行氣泡效應壓制，此類方法不僅會改變子波形態(tài)，且壓制效果不好，影響資料保真度。

于是，人們對氣泡效應壓制展開了大量研究。在子波模擬研究方面，狄?guī)妥尩萚3]和陳浩林等[4]較早開始對氣槍震源理論子波進行了初步研究，同時實現(xiàn)了氣槍震源子波的數(shù)值模擬； 隨后，倪成洲等[5,6]、陳浩林等[7-10]進一步研究了基于近場子波模擬遠場子波的方法，并進行了遠場子波的應用研究[5-13]。除了從子波模擬角度壓制氣泡效應外，趙秀鵬[14]討論了應用氣泡相干組合原理，對氣槍的子波性能進行改善。李緒宣等[15]指出立體震源不僅可提高陷波能量，還可減小氣泡效應。通過從地震資料提取或者槍陣組合模擬的方法獲得地震子波，對子波進行相應處理，獲得氣泡效應壓制后的確定性子波； 再設計維納濾波器，獲得氣泡效應壓制算子，并將算子應用于數(shù)據(jù)處理過程。同時對深水區(qū)地震資料進行分析發(fā)現(xiàn)，直達波完好地記錄了地震子波的激發(fā)形態(tài)，與實際模擬得到的子波形態(tài)相符。然而，深水OBC資料因易受水層折射波干擾，提取子波較差，以致氣泡效應壓制效果不好。因此，在沒有遠場子波的情況下，通過從直達波提取的子波壓制氣泡效應，該方法已對多個深水工區(qū)的拖纜資料進行了試驗，取得了很好的應用效果。

2　子波及直達子波的提取

在沒有遠場子波的時候，可應用統(tǒng)計子波壓制氣泡效應。王衛(wèi)華[16]、劉明洋等[17]提出多道統(tǒng)計子波反褶積技術，通過壓制氣泡效應提高地震資料分辨率。對于統(tǒng)計性子波反褶積而言，雖然能解決延續(xù)相位問題，但對地震資料有效信號的振幅、相位改變很大，保幅性差，目前，該方法已很少在處理中使用。

在具有遠場子波的情況下，可以通過遠場子波預測反褶積處理壓制氣泡效應。劉仁武等[18]、陳浩林等[8]利用遠場子波進行遠場子波預測反褶積處理，在保幅保真的同時，能夠壓制延續(xù)相位，從而提高了地震資料的分辨率。通常情況下，采集過程中并沒有接收到真實的遠場子波，所謂的遠場子波往往是通過專業(yè)軟件模擬獲得[19]，所獲子波往往與真實地震子波存在一定差異，因此由模擬子波反褶積很難完全壓制氣泡效應。雖然遠場子波反褶積較傳統(tǒng)的多道統(tǒng)計反褶積方法保幅性更好，不會壓縮子波[20，21]，但該方法要求模擬子波與實際地震子波較為吻合。

對于海洋深水資料，在沒有模擬子波和遠場子波的情況下，用直達波提取子波壓制氣泡效應，可以取得較好的效果。深水情況下，直達波與地層反射存在較大時差，可從直達波中看到完整的氣泡縮脹過程，也能較好地識別氣泡效應。因此，選取直達波時間段，對近道剖面進行潮汐校正，讓主脈沖在同一基準面，再選取波形較好的信號進行同向疊加，從而獲得所需要的子波。由于直達波中真實記錄了氣泡周期、初泡比等信息，是真實子波的反映，相對于模擬子波而言，用直達波提取的子波進行確定性子波反褶積可以更好地壓制氣泡。

選取M工區(qū)一條測線，首先對原始炮集做高通濾波處理，主要濾除低頻干擾，抽取近炮檢距道集(圖1)。 從該道集上，可看到嚴重的子波氣泡效應。具體表現(xiàn)為直達波在時間上的重復出現(xiàn)， 該現(xiàn)象類似于多次波，具有周期性。氣泡效應是高壓氣體進入海水后，在海水壓力作用下反復震蕩導致的，在子波上表現(xiàn)為相位延續(xù)，嚴重影響地震資料的成像。通過對近道進行校正處理，選擇優(yōu)勢段進行子波統(tǒng)計，提取了準確的地震子波。由于同一施工條件下氣槍容量、工作壓力以及氣槍沉放深度固定，因此氣泡震蕩周期固定，子波形態(tài)基本保持不變，且水體傳播過程中相對穩(wěn)定，所以從近道提取的子波可壓制遠道數(shù)據(jù)的氣泡效應。從直達波中抽取的子波(圖2)形態(tài)上可看到子波氣泡效應嚴重，初泡比較低，且二級氣泡能量仍然很強。該現(xiàn)象在近炮檢距道集上就表現(xiàn)為直達波的時間重復，明顯看到氣泡的震蕩效應(圖1)。

圖2　從直達波中提取的地震子波

3　氣泡效應壓制

得到子波信息之后，根據(jù)實際資料的情況，設計處理流程。由于直達波中包含準確的氣泡信息，能量級別與實際數(shù)據(jù)一致。因此不需要進行子波的振幅匹配，這也是該方法的一大優(yōu)勢。

3.1　氣泡效應壓制原理

在深水情況下提取子波較為容易，利用直達波或者海底反射數(shù)據(jù)信息，可直接從近炮檢距道集上提取。對于淺水情況，目前主要使用遠場子波，很難從地震資料中提取較為理想的子波。

當獲取地震子波之后，可利用預測反褶積或者直接截斷的方法得到一個期望輸出子波。然后通過設計合理的維納濾波器，將實際提取的子波x(t)整形為期望輸出的子波形狀d(t)，從而獲得整形算子f(τ)，將f(τ)應用到實際數(shù)據(jù)可壓制氣泡效應。

具體子波處理過程是： 根據(jù)直達波提取子波(圖2)與期望輸出子波(圖3a)求取濾波算子(圖3b)；將求取的濾波算子用于壓制實際資料中的氣泡效應(圖4)。

通過對比氣泡壓制前后的子波和頻譜圖可看到，在壓制氣泡效應之前，由于氣泡效應的存在，頻譜中存在“低頻抖動”。壓制氣泡效應之后，頻譜中低頻端更加光滑。

圖3　期望輸出子波(a)及濾波算子(b)

圖4　壓制氣泡效應前(a)、后(c)的子波及對應頻譜(b,d)

3.2　實際資料測試

首先分析淺層數(shù)據(jù)中的氣泡表現(xiàn)形式。采用某深水工區(qū)的實際拖纜數(shù)據(jù)，進行氣泡效應壓制處理。對比處理前后的速度譜可見，氣泡效應得到有效的壓制(圖5右)。

從氣泡效應壓制前后的道集中可看到類似于多次波的同相軸(圖5左)，在速度譜上表現(xiàn)為低速。經(jīng)過氣泡效應壓制后該同相軸消失，且對應的低速能量團消失，說明該同相軸是氣泡導致的。下面從整體上分析氣泡效應的表現(xiàn)形式和壓制效果。

從氣泡壓制前后的炮記錄(圖6)可見： 氣泡效應壓制前，淺層存在類似多次波的同相軸(藍色橢圓)，且中深層延續(xù)相位較為嚴重(紅色橢圓)； 壓制氣泡效應后，淺層和中深層延續(xù)相位得到有效消除。以此為基礎進行初疊，從初疊剖面(圖7)上進一步分析對比氣泡效應壓制效果(圖中藍線表示圖6道集所在位置)。

圖5　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的道集(左)及速度譜(右)圖中的藍色箭頭和紅色箭頭分別對應一階氣泡和二階氣泡

圖6　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的炮記錄

對比圖7中藍色方框和藍色箭頭處，可見壓制氣泡前地震資料中存在較強的延續(xù)相位，在中深層尤其嚴重； 氣泡效應壓制后地震剖面上的延續(xù)相位得到有效壓制，中深層的成像品質(zhì)得到改善。

圖7　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的疊加剖面

4　處理效果對比

在沒有遠場子波的情況下，通常采用反褶積或者統(tǒng)計子波的方法進行氣泡效應壓制。然而，受到地層反射和氣泡效應混合影響，統(tǒng)計子波方法很難提取合理的地震子波，其波形相位和遠場子波具有較大的差異。反褶積雖然能解決部分延續(xù)相位問題，但是對地震資料有效信號的振幅、相位改變很大，氣泡效應壓制效果欠佳。兩種子波的提取結果如圖8所示。

由兩種子波的頻譜(圖8b和圖8d)可見，統(tǒng)計子波很難得到正確的氣泡形態(tài)，因此該方法很少再使用(圖8d)。常規(guī)處理中，由于脈沖子波反褶積對有效數(shù)據(jù)的振幅、相位改變較大，保幅性差，實際生產(chǎn)基本不用。針對原始疊加數(shù)據(jù)(圖9)，預測反褶積對深層特別是基底位置的低頻延續(xù)相位也有一定的壓制作用，但效果較差。利用本文所提出的方法，在沒有遠場子波的情況下也能獲得很好的應用效果，與預測反褶積的效果(圖10)相比，該方法的氣泡效應壓制效果(圖11)明顯更好。

對比原始數(shù)據(jù)與預測反褶積后的疊加剖面， 可看到預測反褶積雖能有效壓制圖中藍色方框中的氣泡效應，但是對淺層的成像有一定的影響。利用從直達波中提取的子波進行氣泡效應壓制，除了方框中位置外，箭頭所指處氣泡效應也能得到很好的壓制，在有效解決延續(xù)相位問題下，不會對淺層的數(shù)據(jù)成像帶來干擾，相比較預測反褶積而言，具有很高的保真度。

圖8　遠場子波(a)、統(tǒng)計子波(c)及對應頻譜(b、d)的對比

圖9　原始疊加數(shù)據(jù)

圖10　預測反褶積氣泡效應壓制后疊加剖面

圖11　直達波提取的子波氣泡效應壓制后疊加剖面

5　結論

通過理論模擬和實際資料的驗證，海上地震資料中的直達波能夠直觀地反映激發(fā)子波的相關特征，提取的子波中包含真實有效的氣泡信息。用該子波進行確定性子波反褶積，取得了很好的效果，與采用預測反褶積壓制氣泡效應結果相比，該方法的氣泡壓制效果更好。經(jīng)過氣泡效應壓制處理后，在保持地震資料信噪比的情況下，其分辨率能夠得到明顯的提高。通過一系列實際數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)地震資料中相位延續(xù)的強弱與氣槍激發(fā)時的初泡比和周期相關，經(jīng)過動校正后的數(shù)據(jù)，提取的子波其周期發(fā)生改變。因此，需要在非動校正的數(shù)據(jù)上進行提取。

為了進一步對氣泡效應進行壓制，建議在采集時提高震源的初泡比，以減弱氣泡效應，同時預測反褶積與本方法組合應用，能更好的地壓制氣泡效應。

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