渤海海域水平拖纜數(shù)據(jù)寬頻處理關(guān)鍵技術(shù)

王艷冬 王小六 桑淑云 王建花 張金淼 翁 斌

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

0 引言

寬頻地震資料頻帶寬、子波旁瓣小，有利于深部復(fù)雜構(gòu)造、小圈閉的成像[1-2]，能為解釋及反演提供更可靠、更優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)地震數(shù)據(jù)[3]。近年來海上寬頻地震勘探技術(shù)在深水區(qū)取得了較大的進(jìn)展，但是在淺水區(qū)進(jìn)展緩慢，尤其像渤海平均水深不超過30m的淺水海域，變深度纜寬頻采集難以實(shí)施，只有通過常規(guī)采集、寬頻處理才有可能實(shí)現(xiàn)這一目的。對于淺水區(qū)，地震資料不但受到鬼波的影響，還受到淺水多次波的影響，淺水多次波引起的陷頻效應(yīng)甚至大于鬼波影響，因此要實(shí)現(xiàn)淺水資料寬頻處理必須去除鬼波及淺水多次波的影響。

針對拖纜資料的鬼波壓制方法較多，例如在偏移過程中實(shí)現(xiàn)鬼波的壓制方法[4-6]、基于Bootstrap的鬼波壓制方法[7]、混合范數(shù)聯(lián)合反褶積的鬼波壓制方法[8]、基于逆散射級數(shù)的鬼波壓制方法[9]、τ-p域鬼波壓制方法[10]、基于格林函數(shù)理論的鬼波壓制方法[11]、基于波場延拓和反演的鬼波壓制方法[12]、基于波場外推和閾值截?cái)嗟墓聿▔褐品椒╗13]、基于最小平方殘差的鬼波壓制方法[14]、基于子波處理的鬼波壓制技術(shù)[15]等。相對于深水海域環(huán)境下的鬼波，淺水資料不同炮檢距、不同目的層反射波所產(chǎn)生的鬼波入射角變化范圍更大，即淺水海域條件下的鬼波時(shí)空變更加劇烈。

淺水環(huán)境下產(chǎn)生的多次波階數(shù)通常較高，并覆蓋整個(gè)地震剖面，因此在有效壓制鬼波的同時(shí)需要較好地壓制淺水多次波。目前淺水多次波壓制技術(shù)較多，如： 基于多道預(yù)測的淺水多次波壓制技術(shù)(SWD)[16]、基于水層模型驅(qū)動的淺水多次波壓制技術(shù)(MWD)[17]、基于τ-p域水體驅(qū)動的淺水多次波壓制技術(shù)[18-19]、基于克?；舴蜓苌淅碚摰臏\水多次波壓制技術(shù)[20]、基于交替分裂Bregman迭代算法多道預(yù)測反褶積的淺水多次波壓制技術(shù)[21]等。其中模型驅(qū)動的方法應(yīng)用最廣，但需要較為準(zhǔn)確的海底模型。通常通過對海底進(jìn)行深度域成像或者通過近道疊加自相關(guān)拾取淺水多次波周期建立海底深度模型，利用該模型進(jìn)行淺水多次波預(yù)測及壓制。但對于像渤海這樣平均水深不超過30m的淺水海域，且采集時(shí)近炮檢距數(shù)據(jù)缺失，海底基本無法成像，海底模型難以建立。另外，近道疊加對淺水多次波的周期改變嚴(yán)重，利用近道疊加自相關(guān)計(jì)算的海底模型精度不高、淺水多次波壓制效果不佳。

目前針對深水區(qū)變深度纜采集資料的寬頻處理關(guān)鍵技術(shù)[22-24]及常規(guī)采集資料寬頻處理關(guān)鍵技術(shù)[25-26]建立了相對比較完整的技術(shù)體系及流程，針對淺水區(qū)的寬頻處理關(guān)鍵技術(shù)研究相對較少，且多集中在近百米水深的淺水區(qū)[24，27]；針對像渤海這樣平均水深不超過30m的淺水海域條件下的寬頻地震資料處理研究就更少。

本文針對渤海海域鬼波時(shí)空變劇烈的問題，研究了τ-p域自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)的鬼波壓制技術(shù)、有效解決鬼波時(shí)空變劇烈及槍深、纜深、海面不恒定的問題；針對渤海海域海底模型難以建立、淺水多次波壓制困難的問題，研究了τ-p域自適應(yīng)海底深度估計(jì)的淺水多次波壓制技術(shù)。將本文研究的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與常規(guī)處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了渤海海域淺水資料寬頻處理的目的。

1 τ -p域自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)的鬼波壓制技術(shù)

1.1 τ -p域鬼波壓制原理

為了方便，僅以電纜鬼波為例說明τ-p域鬼波壓制方法。鬼波是有效波(上行波)被接收后繼續(xù)向上傳播經(jīng)過海面反射(下行波)被再次接收。地震數(shù)據(jù)經(jīng)過τ-p變換后，同一個(gè)p參數(shù)對應(yīng)著具有相同傳播角度的平面波，沿τ軸上、下行波的延遲時(shí)固定不變。

如圖1所示，在τ-p域，電纜接收到的上、下行波的延遲時(shí)間Δtrg可以表示為

(1)

式中：θ為平面波傳播方向與垂直方向的夾角；v為海水速度，通常約為1500m/s；dr為電纜沉放深度。從式(1)可見，上、下行波的延遲時(shí)間隨入射角變化。對于淺水資料，不同炮檢距、不同反射目的層的θ變化范圍更廣，即鬼波時(shí)空變更加劇烈，因此在時(shí)空域很難對鬼波進(jìn)行有效壓制。

根據(jù)τ-p變換與平面波射線參數(shù)的關(guān)系，有

(2)

式(1)可寫為

(3)

在τ-p域接收到的全波場地震數(shù)據(jù)可以表示為

Drg(p,dr,τ)=S(p,dr,τ)+rpS(p,dr,τ-Δtrg)

(4)

式中：S(p，dr，τ)為有效反射波數(shù)據(jù)；rp為海面反射系數(shù)。將式(4)對τ進(jìn)行傅里葉變換，可得

Drg(p,dr,ω)=S(p,dr,ω)[1+rpexp(-iωΔtrg)]

(5)

式中ω為角頻率。如果能準(zhǔn)確求取鬼波上、下行波延遲時(shí)間Δtrg和海面反射系數(shù)rp，就可以獲得不含鬼波的地震數(shù)據(jù)

(6)

在實(shí)際鬼波壓制過程中，通常從導(dǎo)航文件獲取的震源深度ds、電纜沉放深度dr不準(zhǔn)確，實(shí)際海面反射系數(shù)rp是個(gè)大于-1的未知數(shù)，因此如何較為準(zhǔn)確地求取ds、dr、rp是壓制鬼波的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 鬼波產(chǎn)生示意圖

1.2 τ -p域鬼波參數(shù)自適應(yīng)估計(jì)

由式(6)可知，若能獲得鬼波壓制后的有效反射波數(shù)據(jù)，則鬼波可以由原始數(shù)據(jù)減去有效反射數(shù)據(jù)獲得。當(dāng)鬼波壓制參數(shù)正確時(shí)，獲取的有效波與鬼波能量之和應(yīng)該達(dá)到最小化，因此可以通過有效波與鬼波能量之和的最優(yōu)化問題獲取ds、dr、rp，實(shí)現(xiàn)鬼波參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)。

由于實(shí)際海面反射系數(shù)通常接近-1，且變化相對較小，因此先進(jìn)行震源及電纜深度的估計(jì)。在這兩個(gè)參數(shù)估計(jì)的過程中假設(shè)海面反射系數(shù)恒定為-1。當(dāng)這兩參數(shù)估計(jì)完成后，再利用這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行海面反射系數(shù)的估計(jì)。

對于同一炮地震數(shù)據(jù)，電纜沉放深度dr是隨著炮檢距變化而變化的，因此每一射線參數(shù)p對應(yīng)的電纜深度可以通過下式的最優(yōu)化問題求解，即

min∶E=|Drg(p,dr,ω)-S(p,dr,ω)|2+

|S(p,dr,ω)|2

(7)

同樣，震源沉放深度ds和海面反射系數(shù)rp可以用類似的方法進(jìn)行求解。

在獲得震源沉放深度ds、電纜沉放深度dr和海面反射系數(shù)rp后，就可以利用式(6)在τ -p域分別進(jìn)行震源鬼波、電纜鬼波的壓制，然后進(jìn)行τ -p反變換即可得到鬼波壓制后的炮集數(shù)據(jù)。

2 τ -p域自適應(yīng)海底深度估計(jì)的淺水多次波壓制技術(shù)

2.1 τ -p域淺水多次波壓制原理

在淺水區(qū)，經(jīng)過τ-p變化后，地震數(shù)據(jù)可以看作平面波，可以利用射線參數(shù)p確定傳播方向。在p相同的情況下，有效波與水層多次波之間沿著τ軸的時(shí)間延遲具有周期性。在τ-p域，有效波通過延拓可以預(yù)測出水層一階多次波，一階多次波通過延拓預(yù)測出二階水層多次波，…，n-1階多次波預(yù)測出n階多次波。

如圖2所示，在τ-p域水層多次波與有效波的時(shí)差Δtm可表示為

(8)

式中dw為海底深度。對比式(1)與式(8)，可見二者形式完全相同，只是將電纜深度替換為海底深度。

圖2 水層多次波與有效波傳播示意圖

在τ-p域進(jìn)行波場延拓后，就可以預(yù)測出水層多次波，通過自適應(yīng)匹配相減則可將水層多次波進(jìn)行壓制，再進(jìn)行τ-p反變換后就獲得水層多次波壓制后的炮集數(shù)據(jù)。

2.2 自適應(yīng)海底深度估計(jì)

由式(8)可知，如果海底深度dw已知，就可以在τ-p域進(jìn)行波場延拓獲得多次波模型。對于相對較深的淺水海域，通過對海底進(jìn)行深度域成像，就可以獲得海底深度dw。但是對于像渤海這樣平均水深不超過30m的海域，由于近炮檢距數(shù)據(jù)的缺失，海底深度很難通過成像獲得；而近道疊加自相關(guān)獲得的淺水多次波周期被改變，建立的海水深度模型精度不高。為此，本文提出了一種在τ-p域進(jìn)行自適應(yīng)海底深度估計(jì)的方法。

由于炮集在τ-p域淺水多次波與一次波具有很好的周期性，因此在τ-p域淺水多次波與一次波具有很好的相關(guān)性。通過在τ-p域進(jìn)行自相關(guān)，相關(guān)能量最強(qiáng)的為零延遲自相關(guān)，相關(guān)能量次強(qiáng)且與零延遲自相關(guān)極性相反的即為淺水多次波的周期，通過該周期可以獲得海底深度模型。如圖3所示，τ=0對應(yīng)的峰值為一次波自相關(guān)的能量，即圖中黃色圓點(diǎn)所標(biāo)示的位置，黑色圓點(diǎn)虛線所標(biāo)示位置所對應(yīng)的時(shí)間即為一階多次波在τ-p域的周期。

圖3 τ -p域炮集自相關(guān)淺水多次波周期示意圖

為了提高計(jì)算海水深度的穩(wěn)定性，拾取不同p參數(shù)下的淺水多次波周期，計(jì)算海底深度及平均海水速度

(9)

式中： Δti為在射線參數(shù)pi下拾取的淺水多次波周期；dw為海底深度；vw為平均海水速度。通過求解超定方程組式(9)可以獲得海底深度dw及平均海水速度vw，從而在τ-p域?qū)崿F(xiàn)淺水多次波的預(yù)測及壓制。

3 實(shí)際資料應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文方法的正確性及實(shí)用性，應(yīng)用渤海M工區(qū)實(shí)際常規(guī)水平拖纜采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。實(shí)際數(shù)據(jù)炮間距為25m，道間距為12.5m，采樣率為2ms，震源沉放深度為5m，電纜沉放深度為6m，工區(qū)平均水深約為27m。理論上震源鬼波的陷頻點(diǎn)為0、150Hz，電纜鬼波的陷頻點(diǎn)為0、125Hz，淺水多次波的陷頻點(diǎn)為27.7Hz的整數(shù)倍。

圖4為實(shí)際炮集鬼波、淺水多次波壓制前、后的對比。其中圖4a為原始輸入炮集記錄；圖4b為在圖4a的基礎(chǔ)上應(yīng)用本文方法進(jìn)行電纜和震源鬼波壓制后的炮集，與圖4a相比，相位更為單一(黑色箭頭所示)；圖4c為在圖4b數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行淺水多次波壓制后的炮集，其中綠色箭頭所指為淺水多次波壓制前、后的效果對比。

圖4 實(shí)際地震炮集鬼波、多次波壓制結(jié)果

圖5為圖4炮集的頻譜，可見： 震源及電纜鬼波壓制后，地震資料的頻譜得到了明顯的拓寬，尤其低頻成分(<20Hz)得到了很好的恢復(fù)，高頻端(>100Hz)也略有提升(黑色箭頭所示)；淺水多次波壓制后，消除了由淺水多次波引起的陷頻現(xiàn)象 (綠色箭頭所示)；壓制鬼波、淺水多次波后，地震資料的頻譜更加光滑。

圖6為鬼波、淺水多次波壓制前、后疊加剖面的對比，可見鬼波、淺水多次波壓制后波組特征更加清楚，相位更為單一。圖7為圖6疊加剖面頻譜，可見鬼波、淺水多次波壓制后，低頻得到了明顯的拓展，以-10dB作為標(biāo)準(zhǔn)，低頻端由25Hz拓展到5Hz。

圖8為圖6疊加剖面自相關(guān)譜，可見：鬼波得到有效壓制，子波旁瓣(綠色箭頭所示) 明顯減??；淺水多次波得到有效壓制，明顯減少了剖面中周期性重復(fù)出現(xiàn)的同向軸(紅色箭頭所示)。

圖5 炮集鬼波、多次波壓制前、后頻譜對比

圖6 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面對比

圖7 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面頻譜對比

圖8 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面自相關(guān)譜對比

圖9為在渤海M實(shí)際工區(qū)的寬頻處理技術(shù)流程，其中紅色字體所示為本文研究的淺水寬頻處理關(guān)鍵技術(shù)。圖10a為利用常規(guī)處理流程(不包含圖9中紅色字體所示的兩項(xiàng)技術(shù))獲得的疊前時(shí)間偏移剖面，圖10b為本文寬頻處理流程獲得的疊前時(shí)間偏移剖面。對比可見，寬頻處理流程在淺層能明顯提升地震資料的分辨率，在中淺層低頻信息更加豐富，波組特征更加清楚。

圖11為圖10時(shí)間偏移剖面頻譜對比，可見寬頻處理后地震資料的低、高頻能量都得到了一定程度的拓展，消除了由淺水多次波引起的陷頻現(xiàn)象，頻譜更加飽滿、光滑。

圖9 渤海海域水平拖纜寬頻處理流程

圖10 常規(guī)(a)與本文寬頻(b)處理流程時(shí)間偏移剖面對比

圖11 疊前時(shí)間偏移剖面頻譜對比

處理實(shí)踐表明，在像渤海這樣的淺水海域，寬頻處理仍然能提升地震資料的品質(zhì)，為老資料挖潛提供了一條可能的處理方向。

4 結(jié)論

(1)本文針對淺水海域鬼波時(shí)空變劇烈的問題，提出了一種基于τ-p域自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)的平纜鬼波壓制技術(shù)；針對淺水海域海底模型難以建立的問題，提出了一種τ-p域自適應(yīng)海底深度估計(jì)的淺水多次波壓制技術(shù)。

(2)將本文研究的關(guān)鍵技術(shù)與常規(guī)處理技術(shù)相結(jié)合，形成了淺水海域水平拖纜寬頻處理技術(shù)流程，在渤海實(shí)際數(shù)據(jù)處理中取得了一定的應(yīng)用效果，驗(yàn)證了本文所提出方法及技術(shù)流程的合理性及正確性。

(3)本文主要針對像渤海這樣淺水海域水平拖纜資料的鬼波、淺水多次波壓制技術(shù)進(jìn)行了研究，并未考慮大地的吸收衰減作用，為了取得更好的應(yīng)用效果，針對寬頻資料的吸收衰減補(bǔ)償技術(shù)有待進(jìn)一步研究。