一種改進(jìn)的DWD+SRME表面多次波組合法壓制技術(shù)在南海西部淺水工區(qū)的應(yīng)用

李 達(dá),趙昌壘,劉 巍,何祖深,張合斌,李 蓉

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海南海口570100;2.斯倫貝謝科技服務(wù)(北京)有限公司,北京100015)

如何壓制在水面產(chǎn)生的自由表面相關(guān)多次波是海洋拖纜地震資料信號處理中最大的難題之一。多次波的壓制方法一般分為兩大類,即濾波法和預(yù)測相減法[1]。濾波法主要是利用一次波與多次波的特征差異進(jìn)行分離,如利用周期性差異的預(yù)測反褶積、速度差異的Radon變換以及聚束濾波方法等[2-4]。預(yù)測相減法主要是利用波動(dòng)方程理論對多次波進(jìn)行預(yù)測,如經(jīng)典的波場外推法[5]、逆散射級數(shù)法[6-7]以及基于反饋迭代理論的表面相關(guān)多次波壓制(surface-related multiple elimination,SRME)、共聚焦點(diǎn)(common focus point,CFP)技術(shù)等[8-9]。除預(yù)測外,匹配相減也是多次波壓制成功的關(guān)鍵,基于多道匹配濾波[10]、基于模式識(shí)別的方法[11]得到了廣泛應(yīng)用。除上述傳統(tǒng)方法外,還有一些新方法值得關(guān)注,如基于稀疏反演的一次波估計(jì)[12-13]、閉合循環(huán)SRME方法[14]、“編碼-解碼”框架下的局部平面波域壓制淺水多次波[15]、基于Marchenko理論下的自由表面多次波壓制方法[16]等。此外,隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展,有學(xué)者也開始將其應(yīng)用于多次波壓制領(lǐng)域,如利用U-NET神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多次波自適應(yīng)相減[17]、利用生成對抗式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行表面多次波壓制[18]等,這些方法為多次波的壓制提供了新思路。

目前,針對自由表面多次波的壓制,商業(yè)軟件普遍采用SRME方法,利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自褶積預(yù)測多次波模型,然后利用自適應(yīng)相減的方法進(jìn)行壓制,在深水環(huán)境下,多次波與一次波較易識(shí)別,多次波可以得到有效的壓制,但在淺水環(huán)境下(小于200m)多次波壓制經(jīng)常失效,主要原因在于淺水有效的水底反射主要集中在近偏移距,而近偏移距大量缺失,因此難以利用SRME方法重構(gòu)水層相關(guān)的多次波模型,且在水平地層情況下,一次波與多次波大量交織,無法準(zhǔn)確識(shí)別。對于淺水區(qū)多次波,一般采用x-t域和τ-p域的預(yù)測反褶積進(jìn)行壓制[19],然而反褶積方法在變換過程中因振幅問題會(huì)有較多的殘留多次波,導(dǎo)致后期的反演及AVO分析失效[20]。MOORE等[21]擴(kuò)展了基于波場外推的方法,提出確定性水層多次波壓制(deterministic water-layer demultiple,DWD)方法,該方法利用自相關(guān)譜獲得海底模型,可以用準(zhǔn)確的振幅來預(yù)測水層相關(guān)多次波,但對于復(fù)雜的海底情況自相關(guān)拾取并不準(zhǔn)確,因此難以適用。為此,KOSTOV等[22]對DWD方法進(jìn)行擴(kuò)展,提出了廣義DWD(Generalized DWD,GDWD)方法,對于處理復(fù)雜海底地形有明顯優(yōu)勢。WANG等[23]也提出類似的水層多次波壓制(model-based water-layer demultiple,MWD)或淺水多次波壓制(shallow water demultiple,SWD)方法,該方法利用格林函數(shù)重構(gòu)一次海底反射與數(shù)據(jù)褶積的方式來預(yù)測水層相關(guān)多次波,GDWD或MWD方法對于水層相關(guān)多次波的壓制均有明顯效果,但都非常耗時(shí),對于大部分簡單海底情形來說,性價(jià)比過低,且對于與水層不相關(guān)的表面相關(guān)多次波仍然無法預(yù)測。因此,在水底比較平緩工區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)中,一般會(huì)選擇傳統(tǒng)的DWD方法進(jìn)行水層多次波壓制,而對于非水層多次波主要用SRME方法來解決。這兩種方法的組合主要有兩種方式,即串聯(lián)組合和并聯(lián)組合。串聯(lián)組合是先用DWD方法實(shí)現(xiàn)淺水水層多次波的壓制,然后切除水底反射,利用SRME方法預(yù)測非水層相關(guān)的多次波。HUNG等[24]、史文英等[25]、張治忠等[26]、施劍等[27]將類似思路應(yīng)用于實(shí)際地震資料,均取得了較好的多次波壓制效果。但KOSTOV等[22]認(rèn)為,DWD方法并不能完全消除與水層相關(guān)的多次波,且在超淺水區(qū)水底反射不清楚時(shí),并不易將其切除,因此采用了DWD+SRME的并聯(lián)組合方式,對DWD之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行近偏移距內(nèi)插后再進(jìn)行表面相關(guān)多次波預(yù)測(SRME),然后結(jié)合DWD的水層多次波模型和DWD之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)自適應(yīng)匹配,這樣可以最佳預(yù)測所有與表面相關(guān)的多次波,包括所有水層相關(guān)多次波。

基于DWD+SRME并聯(lián)組合的思路,對南海西部某淺水工區(qū)進(jìn)行多次波壓制時(shí)發(fā)現(xiàn),一階強(qiáng)能量水底反射全程多次波未得到有效壓制,且多次波壓制后的炮集中特別是近道中深層依然有部分多次波殘留。本文針對此問題對該流程進(jìn)行了改進(jìn),提出利用正演方法對海底進(jìn)行重建,再利用波場延拓算子對海底全程多次波進(jìn)行預(yù)測,加入到DWD多次波模型中,隨后對SRME的輸入進(jìn)行改造,以提高多次波振幅預(yù)測精度。最后用實(shí)際地震資料驗(yàn)證了改進(jìn)后的方法壓制淺水多次波的效果。

1 方法原理

淺水表面多次波主要分為水層相關(guān)的表面多次波和非水層相關(guān)的表面多次波,由于水面和水底靠近,水層相關(guān)的表面多次波周期短,通常與一次有效反射波大量重疊,不易識(shí)別和壓制,非水層相關(guān)的表面多次波通常周期長,相對容易預(yù)測和壓制。根據(jù)反射是否發(fā)生在水層,可以將水層表面相關(guān)多次波MWLM細(xì)分為全程水層多次波和微曲水層多次波,分別記為MSS,MSL,對于非水層表面相關(guān)多次波則記為MLL。其中,WLM(water-layered multiples)表示水層多次波,S(Short)表示在水層發(fā)生的短程反射,L(Long)表示不經(jīng)過水層的長程反射。圖1為淺水區(qū)表面多次波路徑示意圖。

圖1 淺水區(qū)表面多次波路徑示意a 全程水層多次波;b 微曲水層多次波;c非水層相關(guān)表面多次波

1.1 DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制淺水多次波思路

DWD方法主要用于壓制水層相關(guān)多次波MWLM,該類型多次波的預(yù)測主要是將地震數(shù)據(jù)D經(jīng)過水層波場外推后,即與水層格林函數(shù)GW進(jìn)行多維褶積后獲得。對于任何一個(gè)炮檢對,可以分為炮點(diǎn)端水層相關(guān)多次波MWLM-S和檢波點(diǎn)端水層相關(guān)多次波MWLM-R,如果將炮點(diǎn)及檢波點(diǎn)端的水層相關(guān)表面多次波直接相加會(huì)出現(xiàn)部分多次波重復(fù)預(yù)測,因此有必要將重復(fù)的部分從模型中減去[5]。重復(fù)的部分包括兩類:一類是一次反射(為水底反射),即全程水層多次波MSS;另一類是炮點(diǎn)端和檢波點(diǎn)端同時(shí)存在的水層震蕩多次波MWLM-SR。因此完整的水層相關(guān)的表面多次波模型可以由如下形式表述:

MWLM=MWLM-S+MWLM-R-MSS-MWLM-SR

(1)

式中:MSS=DW*GW,DW為水底一次反射,*表示多維褶積。為簡化起見,按照MOORE等[21]的思路,對(1)式重新進(jìn)行整合,將炮點(diǎn)端的水層反射合并,即將炮點(diǎn)端的水層多次波看成是去掉檢波點(diǎn)端鬼波后的數(shù)據(jù)M′WLM-S,表述如下:

(2)

式中:f為自適應(yīng)濾波算子;D為基礎(chǔ)去噪(如去直達(dá)波、涌浪及線性干擾等)的地震數(shù)據(jù)。DWD方法按照(2)式可以預(yù)測所有與水層相關(guān)的表面多次波。

如前所述,DWD并不能解決非水層相關(guān)的表面多次波,因此需要利用SRME對水底以下與表面相關(guān)的多次波預(yù)測的相對優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ),然后將DWD預(yù)測的水層相關(guān)多次波以及SRME預(yù)測的表面相關(guān)多次波MFSM與原始數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行匹配相減,從而得到壓制所有表面相關(guān)的淺水多次波后的一次反射波P,即:

P=D-f1*MWLM-f2*MFSM

(3)

式中:f1,f2為同時(shí)匹配過程中產(chǎn)生的振幅匹配因子;MFSM為表面相關(guān)多次波模型。

1.2 改進(jìn)的淺水表面多次波壓制流程

(4)

(5)

值得一提的是,在匹配過程中,因?yàn)槠ヅ渌阕硬捎玫哪繕?biāo)函數(shù)是以基于誤差能量最小化的二范式為基準(zhǔn),對于強(qiáng)能量的水底全層多次波有較好的壓制作用,但如果水底全層多次波能量較弱,對于振幅調(diào)整仍可能使誤差變大,特別是在工區(qū)內(nèi)淺水一次波能量與多次波能量旅行時(shí)和能量均重疊的情況下,會(huì)出現(xiàn)過度預(yù)測的問題,實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)針對性試用不同的匹配方法,如曲波域相減等,來提高振幅匹配的精度。

改進(jìn)后的DWD壓制淺水水層相關(guān)多次波技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的DWD壓制淺水水層相關(guān)多次波技術(shù)流程(紅框?yàn)楦倪M(jìn)部分)

為進(jìn)一步提高振幅預(yù)測精度,在SRME非水層表面多次波預(yù)測階段,對褶積形式進(jìn)行修改,SRME理論中標(biāo)準(zhǔn)做法是:一次波與一次波褶積得到一階多次波,一次波與一階多次波褶積得到二階多次波。但在實(shí)際生產(chǎn)中,一次波本身未知,一般采用數(shù)據(jù)本身自褶積得到多次波模型,因此,多次波模型的振幅一般是過度預(yù)測的。本文的改進(jìn)之處是將DWD之后壓制完大量的強(qiáng)能量水層多次波的數(shù)據(jù)作為一次波的輸入,這樣多次波的振幅相對來說更靠近理論精度,當(dāng)然其精度也取決于DWD的效果。修改形式如下:

MFSM′=PWLM*D=(P+MLL)*D=

M+MLL*D

(6)

式中:MLL為非水層相關(guān)的表面多次波;MFSM′為修改后的表面相關(guān)多次波模型;P為一次反射波;M為振幅精確的多次波模型。更改后的多次波模型在多次波振幅預(yù)測方面更為準(zhǔn)確,在自適應(yīng)相減方面更能區(qū)分多次波和有效波。最后再利用(3)式對改進(jìn)后的DWD與SRME模型進(jìn)行同時(shí)匹配及自適應(yīng)相減,得到表面相關(guān)多次波壓制后的數(shù)據(jù)。

改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制淺水表面相關(guān)多次波技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制淺水表面相關(guān)多次波技術(shù)流程

2 實(shí)際資料應(yīng)用效果

南海西部某工區(qū)水深在62～80m,是典型的淺水工區(qū)(圖4)。地震資料為拖纜采集資料,纜深較淺,約為4m,最大偏移距為3000m,目的層在1.02～1.60s。圖5為該工區(qū)的典型炮記錄,經(jīng)過預(yù)處理(3Hz低截濾波、去氣泡、零相位化及涌浪、直達(dá)波、線性干擾壓制)后,在近偏移距可以發(fā)現(xiàn)大量周期性、強(qiáng)能量的小短同相軸,將單炮記錄放大后發(fā)現(xiàn),一次反射波與折射波混疊,難以分開,一階水底多次波相對清晰;同時(shí)在工區(qū)典型疊加剖面上淺水多次波與一次反射波大量混疊,不易識(shí)別,選取時(shí)窗0.1～1.5s進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn),淺水多次波引起的陷波效應(yīng)非常明顯(圖6中藍(lán)色箭頭所示)。

圖4 南海西部某工區(qū)水深分布

圖5 預(yù)處理后的典型單炮記錄a 工區(qū)質(zhì)控炮記錄;b 放大后的質(zhì)控炮記錄(紅色為水底反射,粉紅色為一階水底多次波)

圖6 工區(qū)典型剖面及頻譜分析a 某測線疊加剖面;b 疊加剖面對應(yīng)的頻譜分析(時(shí)窗0.1～1.5s)

初期采用常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制工區(qū)內(nèi)的表面相關(guān)多次波,對比表面多次波壓制前后的疊加剖面(圖7)可以看出:如圖7a和圖7b中黃色箭頭所示,目的層1.02～1.60s中主要的表面多次波都得到了較好的壓制;對于淺層0～0.6s,因?yàn)榭拷?該段多次波主要以水層相關(guān)多次波為主,較易識(shí)別的多次波為水底全程多次波,如圖7c和圖7d所示,水底反射時(shí)間為0.09s左右(紅色箭頭),水底一階全程多次波應(yīng)在0.18s左右(綠色箭頭),二階全程水底多次波應(yīng)在0.27s左右(黃色箭頭),仔細(xì)對比后發(fā)現(xiàn),二階水底全反射多次波得了有效壓制,但明顯的水底一階多次波卻并未被去掉(綠色箭頭)。

圖7 常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波前后的疊加剖面對比a 淺水多次波壓制前(1.02～1.60s);b 淺水多次波壓制后(1.02～1.60s);c 淺水多次波壓制前(0～0.6s);d 淺水多次波壓制后(0～0.6s)

考慮到水底一階多次波來源于一次水底反射的波場外推,從單炮記錄上的水底反射信息(如圖6b中紅色曲線對應(yīng)位置)看,一次水底反射波與初至波混疊,為防止初至波的信息混疊到淺水多次波模型中,在進(jìn)行波場外推前需要對初至波進(jìn)行切除,同時(shí)該操作會(huì)導(dǎo)致一階水底多次波未得到有效預(yù)測(圖5b粉紅色部分),且導(dǎo)致SRME過程中所有在水層產(chǎn)生的一階微曲多次波也無法得到預(yù)測,為解決該問題,考慮到淺水速度較穩(wěn)定,接近1530m/s,水底信息已知,利用聲波方程正演一次海底反射D′W(如圖8所示),對該合成記錄進(jìn)行水層波場外推,得到水底全程多次波,將該模型引入到改進(jìn)的DWD水層多次波壓制流程中,然后將新產(chǎn)生的水層多次波壓制后的數(shù)據(jù)作為SRME的一次波與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積,以改善多次波模型的振幅預(yù)測精度,最后將DWD與SRME各自產(chǎn)生的模型與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)自適應(yīng)匹配,再從數(shù)據(jù)中減去,得到淺水多次波壓制后的數(shù)據(jù)。

圖8 正演水底合成記錄

分別采用常規(guī)的、新改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法從單炮記錄、共偏移距道集以及疊加剖面來對比分析多次波壓制效果。圖9為淺水表面多次波壓制前、后的單炮記錄對比結(jié)果,可以看出,采用改進(jìn)的方法進(jìn)行淺水表面相關(guān)多次波壓制后,對近偏移距水層多次波小短軸壓制改善效果明顯,特別是從殘差剖面可以看出,改進(jìn)后在近偏移距處預(yù)測出的多次波更多。圖10為表面多次波壓制前、后的共偏移距道集(200m),可以看出,在橢圓框中黑色箭頭所指示的強(qiáng)能量條帶現(xiàn)象是明顯的多次波與有效波干涉現(xiàn)象,采用常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法可以大部分壓制這部分的能量,但仍有殘留,采用改進(jìn)的方法后,這種多次波干涉相長的現(xiàn)象基本消失,且一階水底反射多次波也得到了明顯壓制(如淺層綠色箭頭所示)。從共偏移距道集(4000m)多次波壓制效果(圖11)可以看出,由于其一階反射多次波不明顯,采用常規(guī)和改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法的壓制效果差異不大。對比疊加剖面(圖12)可以看出,淺層一階水底全程多次波得到明顯壓制(圖12中綠色箭頭所指),中深層區(qū)域從視覺上較難判斷改進(jìn)效果,從對應(yīng)頻譜看,采用常規(guī)的和改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法對淺水多次波的陷波頻率均有所恢復(fù),而采用改進(jìn)方法后,在部分陷波頻率處相比常規(guī)方法有一定優(yōu)勢(圖12d 中黑色虛線圈所示),在該陷波頻率區(qū)域變化更為平緩,陷波頻率表現(xiàn)的“坑狀”形態(tài)恢復(fù)更好。

圖9 淺水表面多次波壓制前、后單炮記錄對比a 表面多次波壓制前;b 常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;c 改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;d 差剖面(a-b);e 差剖面(a-c)

圖10 表面多次波壓制前、后共偏移距道集(200m)對比a 表面多次波壓制前;b 常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;c 改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波

圖11 表面多次波壓制前、后共偏移距道集(4000m)對比a 表面多次波壓制前;b 常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;c 改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波

圖12 表面多次波壓制前、后疊加剖面及頻譜對比a 表面多次波壓制前;b 常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;c 改進(jìn)的DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制表面多次波;d 頻譜對比

3 結(jié)論

本文針對南海某淺水區(qū)多次波壓制過程中發(fā)現(xiàn)的有效一次水底反射波與初至波混疊而不易區(qū)分時(shí),水底全程反射多次波難以有效預(yù)測以及因SRME多次波預(yù)測振幅精度不夠?qū)е碌臍堄喽啻尾ǖ膯栴},對常規(guī)DWD+SRME并聯(lián)組合法壓制淺水多次波流程進(jìn)行了改進(jìn),在DWD環(huán)節(jié)引入一次水底反射合成記錄進(jìn)行波場外推,以及優(yōu)化SRME過程,將數(shù)據(jù)自褶積替換為DWD后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的褶積,從而改善了振幅預(yù)測精度,較好地壓制了表面相關(guān)特別是水層相關(guān)多次波的影響。

值得注意的是,在評價(jià)淺水多次波壓制效果特別是地層較平緩時(shí),除了疊加剖面,需要從多個(gè)維度進(jìn)行對比,如在本文實(shí)例中,采用改進(jìn)流程時(shí),在疊加剖面上除了對一階水層多次波有明顯壓制效果外,其余部分由于多次波的識(shí)別問題,改進(jìn)效果不易評價(jià),但在炮域和共偏移距域,從多次波相干相長,相反相消的特點(diǎn)進(jìn)行對比分析,可以發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)流程在壓制水層多次波方面依然有明顯優(yōu)勢,可以為后期地震解釋提供更保幅的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。