寬拖多源雙傳感器拖纜多方位采集與成像技術(shù)研究進(jìn)展

張棟，孫治雷，張喜林，吳能友，駱迪，耿威，徐翠玲，曹紅

1. 自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266237

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

現(xiàn)代海洋地震勘探對具有成本效益的高質(zhì)量拖纜數(shù)據(jù)的需求穩(wěn)步增長，理想的高質(zhì)量海洋地震數(shù)據(jù)是指具有更長的偏移距、更均勻的近偏移覆蓋、更高的道密度、更密集的空間采樣以及更多的方位覆蓋等特征[1]。

在海洋地震勘探中，常規(guī)3D地震數(shù)據(jù)采集、處理及解釋面臨著許多挑戰(zhàn)，例如：① 采集腳印的影響，傳統(tǒng)淺海拖纜地震勘探，由于勘探目標(biāo)和拖纜水聽器之間反射角度的限制，地層通常以大反射角數(shù)據(jù)成像，缺乏近偏移距數(shù)據(jù)[2]，相鄰測線覆蓋范圍邊界的近偏移空隙導(dǎo)致空間采樣不均勻，在地震剖面上出現(xiàn)條帶狀的采集腳印，這會(huì)掩蓋淺地層真實(shí)的地震振幅信息[3]。更嚴(yán)重的情況是水聽器記錄不到來自淺層的反射信息，無法對淺地層成像。這些因素都會(huì)影響勘探目標(biāo)的成像精度和AVA屬性分析[4]，傳統(tǒng)的解決方案是增加采樣密度或加密測線，而這會(huì)增加采集成本[5]。② 多次波的影響，尤其在淺海環(huán)境，最小偏移距相對水深較大，大部分震源能量轉(zhuǎn)換為沿海底傳播的折射波，近偏移距記錄的初至以折射波為主，由折射波形成的自由界面短周期水層多次波發(fā)育，導(dǎo)致地震剖面中的一次反射不易識別[6-7]，隨著水深變淺，多次波階數(shù)增多，更難去除，此外多次波之間的干擾也增加了后期處理的難度[8-9]。③ 粗糙海面反射和環(huán)境噪聲的影響，常規(guī)海洋拖纜地震勘探不可避免地受粗糙海面反射和各種環(huán)境噪聲影響，這會(huì)導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)的頻帶變窄，分辨率降低，由于傳統(tǒng)水聽器拖纜的拖曳深度較淺，其受惡劣天氣和環(huán)境噪聲的影響嚴(yán)重[10]。④ 窄方位角的影響，使用一艘船同時(shí)拖曳震源和拖纜的窄方位地震勘探是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)勘探方法，但除了近偏移范圍之外，大多數(shù)激發(fā)-接收組合被限定于一個(gè)相對有限的方位角范圍內(nèi)，即地震波僅能從一個(gè)特定的窄方位照射地下地質(zhì)體[11]，而對于每個(gè)偏移量，更多方位特征有利于目標(biāo)照明、地震成像以及各種復(fù)雜噪聲的消除，尤其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中[12-13]。

淺海環(huán)境，由于采集腳印、多次波、粗糙海面反射、環(huán)境噪聲以及窄方位采集等影響，使得常規(guī)處理效果并不理想，因此需要研究新的采集和成像技術(shù)解決方案，從而經(jīng)濟(jì)、高效地改善淺層地質(zhì)目標(biāo)成像。Petroleum-Geo Services（PGS）公司提出了一種更適合淺海環(huán)境的高分辨率采集和成像方案[14-15]，該方案的突出特征包括以下幾方面：一是將雙傳感器拖纜Geostream和寬拖多源拖曳方式結(jié)合，為高分辨率地震成像拓寬了頻帶、提供了均勻的近偏移覆蓋[2]以及密集的空間采樣[3]，為AVA的精確分析提供了常規(guī)拖纜采集普遍缺失的小角度數(shù)據(jù)[16]，提高了采集效率。通過改變拖纜長度配置，采用長、短拖纜組合模式，為全波形反演提供長偏移量，以實(shí)現(xiàn)淺層和深層目標(biāo)的最佳成像[1]；二是結(jié)合上述的震源和拖纜拖曳方案，提出了經(jīng)濟(jì)高效的多方位地震采集方法，實(shí)現(xiàn)了具有豐富方位信息的多次覆蓋數(shù)據(jù)的采集[11]，有效提高了照明能力和信噪比[1]。與傳統(tǒng)拖纜采集系統(tǒng)相比，該采集方案顯著地改善了地震數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保不同深度目標(biāo)的最佳成像效果[14]；三是將反射層析成像、全波形反演以及分離波場成像等算法融合到高精度速度模型構(gòu)建和地震成像的流程中，該全波場成像方案更適合淺海環(huán)境，以提高淺部和深層地質(zhì)目標(biāo)的成像精度[17-18]。

在挪威、澳大利亞、馬來西亞、中國東海等海域進(jìn)行的一系列雙傳感器拖纜Geostream地震勘探，證明了雙傳感器拖纜能夠明顯提高淺海復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的成像精度[19-21]。隨著深拖雙傳感器拖纜的應(yīng)用，寬拖三源同時(shí)激發(fā)的方案與之相結(jié)合，在獲得了更好空間分辨率的同時(shí)，還提高了采集效率[22-25]。該方案在水深和地質(zhì)目標(biāo)均較淺的巴倫支海域得到了廣泛應(yīng)用[1]，更多的震源配置，例如四源、五源甚至六源也進(jìn)行了實(shí)際勘探[26]。2019—2020年，PGS公司在澳大利亞近海、英國近海以及挪威巴倫支海完成了6個(gè)新型寬拖多源拖纜采集項(xiàng)目（表1），創(chuàng)造了多項(xiàng)行業(yè)紀(jì)錄，建立了新的地球物理基準(zhǔn)[27]。

表 1 2019—2020年實(shí)施的6個(gè)寬拖多源項(xiàng)目詳細(xì)信息[27]Table 1 Overview of the six wide-tow multi-source projects acquired in 2019 and 2020 [27]

為了兼顧巴倫支海淺層侏羅紀(jì)、三疊紀(jì)砂巖以及深層晚二疊紀(jì)巖溶的碳酸鹽巖不同深度的最佳成像需求，PGS在寬拖多源、雙傳感器基礎(chǔ)上又提出了長、短纜組合模式。對于淺層，利用基于折射的全波形反演構(gòu)建高分辨率速度模型[28]，對于深層，則提供了成像所需的長偏移數(shù)據(jù)和精確的速度分析[29]。2019年P(guān)GS公司推出了稱為GeoStreamer X的新型多方位拖纜采集技術(shù)，獲得了更大范圍內(nèi)的完整方位角數(shù)據(jù)，為復(fù)雜地質(zhì)條件的成像提供了一個(gè)或多個(gè)替代解釋方案[14]，并在挪威近海的維京地塹開展了多方位采集[5]，以經(jīng)濟(jì)高效的方式獲取了高質(zhì)量的多方位數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)介紹了寬拖多源雙傳感器拖纜多方位采集技術(shù)、全波場成像技術(shù)及其在淺海環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。對該方案地震采集效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，尤其是淺層圖像分辨率和質(zhì)量的提高進(jìn)行了討論。通過對現(xiàn)有采集方案進(jìn)行調(diào)整，使用全波場成像技術(shù)，可獲得更高分辨率的近地表圖像，為淺海地震勘探提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

1 寬拖多源雙傳感器拖纜多方位采集技術(shù)

1.1 寬拖多源拖曳方案

在傳統(tǒng)的海洋拖纜地震勘探中，氣槍陣列標(biāo)準(zhǔn)拖曳位置通常位于最內(nèi)側(cè)中心拖纜的前面，其主要目的是為了獲得更高質(zhì)量的氣槍子波。在該系統(tǒng)中，氣槍陣列間距由拖纜擴(kuò)展寬度除以陣列數(shù)量來定義，由此產(chǎn)生的CMP覆蓋范圍是拖纜擴(kuò)展寬度的一半。但在這種方案中，中心拖纜前的標(biāo)準(zhǔn)震源配置無法滿足AVO分析所需的近偏移/近角度覆蓋率，會(huì)導(dǎo)致淺地層地震圖像中出現(xiàn)橫向的采集腳印。雖然通過減小拖纜的總擴(kuò)展寬度和測線間距等措施能在一定程度上改善近偏移覆蓋，但又會(huì)導(dǎo)致勘探周期和成本的明顯增加[1]。

針對以上問題，PGS公司提供了一種采用更寬間距的多個(gè)震源拖曳的技術(shù)方案（寬拖多源）。該方案的核心思想是改變拖曳方式，在縱向上使震源與拖纜前端的距離接近于零，在橫向上有效減小了震源到外部拖纜的距離。圖1對比展示了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)三源和PGS公司寬拖三源（震源總間距為350 m）的配置方案，其中拖纜排列方式分別為12×75 m和14×75 m。實(shí)際上，無論在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)震源配置還是寬拖多源配置中，每條測線產(chǎn)生的CMP數(shù)量都是由震源數(shù)和拖纜數(shù)的乘積定義的，但PGS公司的寬拖多源配置可有效擴(kuò)展CMP橫向覆蓋范圍，圖2對比展示了14×75 m拖纜排列分別在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)三源和PGS公司寬拖三源方案中獲得的CMP覆蓋范圍。由于相鄰測線間距由拖纜擴(kuò)展寬度決定，因此寬拖多源拖曳方案能以更大的測線間距實(shí)現(xiàn)更高的采集效率。雖然這種方案可能造成橫向外側(cè)稀疏的空間采樣，但實(shí)踐中通過嚴(yán)格控制測線間距，以重疊相鄰測線CMP方式就可達(dá)到密集空間的均勻采樣目的，同時(shí)還可有效提高近偏移覆蓋率（圖3），而無需借助插值技術(shù)[1]。

圖 1 震源拖曳與拖纜排列[1]a. 標(biāo)準(zhǔn)三源配置的12×75 m拖纜排列，b. 寬拖三源配置的14×75 m拖纜排列。Fig.1 Source towing and streamer configuration[1]a. A 12×75 m streamer spread with a standard triple-source configuration, b. A 14×75 m configuration with a wide-tow triple-source.

圖 2 CMP覆蓋范圍[1]a. 標(biāo)準(zhǔn)三源14×75 m拖纜的CMP覆蓋范圍，b. 寬拖三源14×75 m拖纜的CMP覆蓋范圍。Fig.2 CMP line coverage[1]a. CMP line coverage for a 14×75 m streamer spread with standard triple-source, b. CMP line coverage for a 14×75 m streamer spread with wide-tow triple-source.

圖 3 寬拖源方案的CMP互補(bǔ)覆蓋[1]黑色虛線表示3條相鄰的測線，彩色線是由測線生成的CMP覆蓋[1]。Fig.3 Complementary CMP line coverage for a wide-tow source acquisition[1]The black dashed lines indicate three adjacent sail lines. The colour-coding marks the CMP lines generated by the same sail line[1].

同時(shí)，在這種寬拖多源方案中，通過對震源拖曳方式的改變使得傳統(tǒng)上僅適用于深層目標(biāo)的拖纜排列在近海底地層勘探時(shí)變得可行，尤其適用于淺海，因?yàn)樵谠摥h(huán)境中，淺層目標(biāo)的精確識別需要更高程度的近偏移覆蓋[27,30]。雙源是寬拖多源地震勘探中常用的震源配置，在此基礎(chǔ)上的三源方案在不減小拖纜間距的前提下，進(jìn)一步提高了橫向采樣密度。除了震源數(shù)量和間距，這種寬拖多源方案還充分考慮了激發(fā)模式對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響效果。因?yàn)榕c雙源順序激發(fā)模式記錄的數(shù)據(jù)相比，三源順序激發(fā)模式獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量并沒有太大改善，但采用三源同時(shí)激發(fā)模式，就可獲得質(zhì)量明顯改善的數(shù)據(jù)。這是由于三源同時(shí)激發(fā)模式縮短了炮點(diǎn)間隔，增加了覆蓋，從而減少了數(shù)據(jù)混疊影響，獲得了更好的空間分辨率，這些優(yōu)勢超過了寬拖多源方案中每個(gè)震源總?cè)萘繙p小帶來的不利影響[3,24]。還需指出的是，在PGS公司寬拖多源方案中，震源數(shù)量并不僅限于雙源和三源，也可采用更多數(shù)量的震源配置[26]。

1.2 雙傳感器拖纜Geostream采集技術(shù)

傳統(tǒng)的海洋壓力水聽器拖纜記錄的數(shù)據(jù)無法消除海面反射的不利影響，這是因?yàn)閴毫λ犉魍瑫r(shí)記錄上行波（不受海面反射影響）和下行波（受海面反射影響）兩種有相互干擾作用壓力場的總波場，獲得的地震數(shù)據(jù)受海面反射和各種噪聲的嚴(yán)重影響[31]，造成地震頻譜中的陷波效應(yīng)，從而導(dǎo)致高頻成分損失嚴(yán)重、頻帶變窄以及分辨率降低。為減弱海面反射和噪聲對地震成像的不利影響，在數(shù)據(jù)采集過程中，一般將傳統(tǒng)拖纜的拖曳深度限制為7～10 m[32]；同時(shí)，在地震數(shù)據(jù)處理過程中也盡可能消除海面反射及多次波干擾影響，但這些方式并不能避免有效地震信號的損失。

針對以上弊端，2007年，PGS公司推出了寬帶雙傳感器拖纜技術(shù)[32]。這種雙傳感器拖纜系統(tǒng)在壓力水聽器拖纜的基礎(chǔ)上又增加了速度傳感器，其中壓力水聽器記錄聲波壓力信號，而速度水聽器記錄質(zhì)點(diǎn)速度的垂直分量，二者相加可得到上行壓力波場（不與海面作用），相減則得到下行壓力波場（海面向下反射），上行和下行波場疊加得到由傳統(tǒng)壓力水聽器拖纜記錄的總波場（圖4）[33]。因此，雙傳感器組合模式可以實(shí)現(xiàn)波場分離，有效地減少了由上行和下行兩個(gè)波場產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲，能夠減弱海面反射影響，從而拓寬頻帶范圍，提供更清晰、更高分辨率的圖像[20,34-35]。相比傳統(tǒng)技術(shù)，這種雙傳感器拖纜的拖曳深度更大，從而可有效降低噪聲影響，提供更強(qiáng)的低頻反射信號，最終使聲波穿透力增大。當(dāng)拖纜深度在15～30 m范圍時(shí)，可以獲得10～15 dB的低頻信噪比增益[36]，從而提高地震反演和儲(chǔ)層特征描述的質(zhì)量和準(zhǔn)確性[37]。

為兼顧不同深度目標(biāo)的采樣和成像質(zhì)量，獲得更準(zhǔn)確的速度模型，PGS公司又改進(jìn)了拖纜的組合方式，提出了全新的長、短纜排列組合方案。這是因?yàn)閷?shí)際勘探通常針對多個(gè)而非一個(gè)特定的地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)還要提供能夠覆蓋淺層和深層構(gòu)造的高精度圖像，并且不同深度的目標(biāo)成像對勘探方案設(shè)計(jì)有不同的需求，以便獲得最佳成像效果。理論上，只有具有足夠近偏移覆蓋的空間密集采樣才能為淺地層成像提供所需的高頻成分，而深層地質(zhì)目標(biāo)的刻畫又需要長偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行成像及精確速度分析。由于地震勘探船的拖曳能力和拖纜庫存有限，相對于長纜方案，選擇不同長度拖纜的排列組合是最理想的技術(shù)方案。長、短纜排列組合技術(shù)方案在減少施工過程中拖纜阻力的同時(shí)，能最大限度地提供密集采樣數(shù)據(jù)和長偏移數(shù)據(jù)，有效支撐了全波形速度反演的需求[1]，因此在實(shí)際勘探中更為經(jīng)濟(jì)高效[3]。

圖 4 壓力波場示意圖[33]Fig.4 Schematic illustration of the pressure wavefields [33]

圖 5 16×56.25 m密集拖纜排列[29]Fig.5 A high density 16×56.25 m streamer spread[29]

例如，針對巴倫支海的高分辨率勘探需要，2018年，PGS公司就采用了長、短拖纜排列組合的解決方案[29]。在實(shí)際施工中，部署了深度25 m、間距56.25 m的16條雙傳感器拖纜（圖5），利用三源配置獲得了6.25 m×9.375 m的CMP面元；同時(shí)，采用密集空間采樣使淺層成像頻率達(dá)到210 Hz。由于不需要密集拖纜間距來獲得穩(wěn)定的速度模型更新，因此在16條拖纜中只有3條拖纜長度為10 km，其余拖纜長度限定于7 km。為緩解不同長度拖纜纏繞風(fēng)險(xiǎn)，航行轉(zhuǎn)彎時(shí)將長拖纜沉放至30 m深度。

1.3 新型多方位GeoStreamer X采集方案

地震解釋的不確定性通常與照明缺乏、分辨率低以及速度模型精度低有關(guān)。雖然一艘船同時(shí)牽引震源和拖纜的窄方位地震勘探技術(shù)是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)高效的方案，然而，就實(shí)際獲得的方位各向異性而言，傳統(tǒng)的單方位勘探方式限制了儲(chǔ)層表征的可靠性，進(jìn)而影響了復(fù)雜地質(zhì)特征的準(zhǔn)確解釋[11,38]。

新型多方位GeoStreamer X采集方案可以達(dá)到改善照明、減小多次波影響及提高信噪比的目標(biāo)[39]，以應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)區(qū)精確勘探的挑戰(zhàn)。該技術(shù)方案綜合考慮勘探目標(biāo)的時(shí)間和空間分辨率、照明和噪聲壓制，同時(shí)權(quán)衡了具體任務(wù)目標(biāo)和勘探成本，緩解了地震解釋的不確定性[12-13,40]。PGS公司的這種多方位采集方案就是使用一艘船在兩個(gè)或多個(gè)勘測方位上進(jìn)行勘探（圖6），借助每個(gè)偏移量的豐富方位角信息有效改善目標(biāo)的照明，減弱各種噪聲，最終提高復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造解釋的精度[14]。

圖 6 GeoStreamer X多方位采集方案[14]Fig.6 The GeoStreamer X multi-azimuth acquisition configurations[14]

2 全波場成像技術(shù)

全波場成像技術(shù)是一種集成了使用反射、折射和多次波進(jìn)行高分辨率速度建模和深度成像的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)非常適合于淺水環(huán)境和具有復(fù)雜地質(zhì)蓋層的區(qū)域。

2.1 PGS全波形反演

傳統(tǒng)的反射層析成像非常適合于深部地層的速度模型更新，但由于偏移距和角度的限制，該方法無法構(gòu)建可靠的淺層速度模型，特別是在淺水環(huán)境中[41]。全波形反演是目前地震數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域最前沿的速度建模技術(shù)，可用于構(gòu)建高分辨率、高保真的地質(zhì)速度模型，在特定頻帶內(nèi)，使用梯度優(yōu)化方法最小化記錄數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)之間的差異來迭代優(yōu)化速度模型，同時(shí)利用比射線追蹤更為準(zhǔn)確的雙程波波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬及偏移運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)高分辨率速度更新和成像[42]。傳統(tǒng)的海洋地震勘探方法采集的數(shù)據(jù)可能存在缺少長偏移數(shù)據(jù)以及超低頻信息等問題，這會(huì)引起全波形反演過程中的收斂及周期跳躍等問題，PGS全波形反演借助深拖雙傳感器拖纜豐富的低頻、偏移距、方位角以及高信噪比地震數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，利用全波場信息，有效地避免了以上問題，以穩(wěn)健的方式建立更精確的速度模型，更適用于淺水環(huán)境的復(fù)雜地質(zhì)速度建模[1,28]。

中小尺度的速度變化與偏移剖面中的地質(zhì)特征有很好的相關(guān)性，PGS全波形反演利用深拖雙傳感器拖纜的折射波和潛水波，構(gòu)建北海淺層沉積物速度模型[43]。長、短纜排列組合方案將用于成像的高密度數(shù)據(jù)與全波形速度反演相結(jié)合，有效提高速度模型的精度。模擬研究表明，7 km偏移記錄的折射波實(shí)現(xiàn)了最大深度約2.5 km的速度更新，而10 km偏移記錄的折射波可使速度更新的最大深度達(dá)到約5 km[29]（圖7）。多方位采集方案中豐富的方位角信息，能夠增加地質(zhì)體覆蓋范圍，改善速度模型中的橫向分辨率，長拖纜和多方位折射全波形反演有助于提高穿透深度和覆蓋層精度，圖8展示了9 Hz的全波形反演靈敏度核，蓋層、注砂體（橙色箭頭）及下方在兩個(gè)方位角都得到了有效照射。利用全波形反演技術(shù)準(zhǔn)確地表征了由地層非均質(zhì)性引起的小尺度速度變化，表明全波形反演可用于缺乏鉆井?dāng)?shù)據(jù)和存在強(qiáng)各向異性的條件下的速度建模[28]。

該成像方案已成功應(yīng)用于北海淺水區(qū)地震調(diào)查。結(jié)果顯示，全波形反演速度建模在表征淺地層通道、麻坑及氣煙囪等構(gòu)造的高分辨率速度變化方面能力更突出，明顯好于傳統(tǒng)的反射層析成像速度模型（圖9）[44]。該技術(shù)方案還成功用于巴倫支海西南部不同深度目標(biāo)的成像[29]，由于深拖，記錄的低頻信息信噪比高，以低至2～4 Hz的頻率開始基于折射的全波形反演，隨后頻率范圍逐漸增至2～15 Hz。深度為1 km的15 Hz全波形反演速度切片（圖10a），存在明顯的低速帶和斷裂構(gòu)造（白色箭頭），與初始速度（圖10b）相比，全波形反演速度模型（圖10c）清晰地顯示了淺層的輪廓及其內(nèi)部的速度變化。

圖 7 全波形反演速度更新和深度偏移疊加剖面疊合[29]a. 最大偏移量7 km，b. 最大偏移量10 km。Fig.7 FWI velocity updates overlaid depth migration stack[29]a. The maximum offset is 7 km, b. The maximum offset is 10 km.

圖 8 注砂巖處的長偏移折射的9 Hz全波形反演靈敏度核[14]a. 深度切片，b. 方位角1的剖面，c. 方位角2的剖面。Fig.8 FWI sensitivity kernel at 9 Hz for long offset refractions over sand-injectites [14]a. Depth slice, b. Profile at azimuth 1, c. Profile at azimuth 2.

圖 9 速度與地震剖面疊合[44]a. 小波變換層析速度與克?；舴蛏疃绕瞥上癔B合，b. 全波形反演速度與克?；舴蛏疃绕瞥上癔B合。Fig.9 Velocity model overlaid seismic profile[44]a. Velocity model after wavelet shift tomography overlaid the Kirchhoff depth migrated image, b. FWI velocity with corresponding Kirchhoff image overlaid.

2.2 分離波場成像

在雙傳感器拖纜GeoStreamer波場分離的基礎(chǔ)上，PGS公司提出了分離波場成像[45]。這是一種深度成像技術(shù)，使用雙傳感器拖纜記錄的上行和下行波場，將下行波場作為源，在每個(gè)拖纜接收點(diǎn)位置創(chuàng)建虛擬震源，利用海面反射波恢復(fù)近角度信息[16]，克服了海洋拖纜記錄的一次波數(shù)據(jù)照明效果不理想的弊端。圖11所示，在淺部反射層，多次波以更小的反射角和更大的范圍照射地質(zhì)目標(biāo)，為地下的反射點(diǎn)提供額外的角度照明以及更密集的采樣，可得到傳統(tǒng)反射地震成像無法獲得的高分辨率地震剖面[19,21,45-46]。同時(shí)該數(shù)據(jù)可作為AVA分析和淺層地震反演的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過分析梯度和截距，發(fā)現(xiàn)分離波場成像改善了地震道集，有助于淺層目標(biāo)的AVA分析。在無鉆井?dāng)?shù)據(jù)的情況下，能夠提高巖性和流體預(yù)測精度，而傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)則缺少近角度反射數(shù)據(jù)，因此疊前數(shù)據(jù)的AVA分析結(jié)果會(huì)導(dǎo)致梯度和截距的不確定性。

圖 10 全波形反演速度模型[29]a. 深度為1 km的15 Hz 全波形反演速度切片，b. 疊加偏移剖面與初始速度疊合，c. 疊加偏移剖面與全波形反演速度疊合。Fig.10 FWI velocity model[29]a. Depth slice of the 15 Hz FWI velocity model at a depth of 1 km, b. Migrated stacks with initial velocity overlaid,c. Migrated stacks with FWI velocity overlaid.

圖 11 雙傳感器記錄波場示意圖[16]實(shí)線：一次反射，虛線：多次反射，S：震源，VS：虛擬震源，EI：額外的照明，DS：該反射點(diǎn)包括震源的一次照射和多個(gè)虛擬震源照射。Fig.11 Schematic diagram of wave field recorded by dual-sensor[16]solid lines: primary wavefield, dashed lines: multiple wavefield, S: Source, VS: Virtual Source, EI: multiple reflection signals; DS: primary wavefield contains a single reflection angle, while multiple wavefield contains more than one reflection angle.

圖12展示了馬來西亞近海海域的兩種方法成像結(jié)果[46]，圖12a是僅利用一次反射波進(jìn)行成像，由于測線間隔較大和折射波的消除，有限的照明導(dǎo)致淺地層中可以看到明顯的間隙。圖12b是分離波場成像結(jié)果，淺地層圖像連續(xù), 經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，這種分離波場成像技術(shù)不僅提高了淺表層的分辨率，而且由于照明的改善和數(shù)據(jù)覆蓋范圍的增加，深部地層的分辨率也得到了明顯改善。圖12c和12d分別是兩種成像方案在海面以下105 m處的切片，分離波場圖像（圖12d）展示了更多的常規(guī)成像（圖12c）中不存在的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié), 成像照明和分辨率明顯提高。分離波場成像方法還可以減少地震剖面中淺層的采集腳印，擴(kuò)大地震成像的橫向覆蓋范圍[46]。

圖 12 馬來西亞淺海聯(lián)絡(luò)測線地震剖面[46]a. 常規(guī)方法成像，b. 分離波場成像，c. 海平面以下105 m的常規(guī)成像深度切片，d. 分離波場成像105 m深度切片。Fig.12 Seismic profile of crossline in shallow water of Malaysia [46]a. Conventional imaging, b. SWIM imaging, c. Depth slice at 105 m below sea surface from conventional imaging, d. Depth slice at 105 m of SWIM.

圖 13 全波場成像流程[21]Fig.13 Complete wavefield imaging workflow[21]

2.3 全波場成像方法流程

PGS開發(fā)的全波場成像技術(shù)結(jié)合了反射層析成像、全波形反演以及分離波場成像，能夠得到適合寬帶Geostream地震數(shù)據(jù)成像的高分辨率速度模型[17]（圖13）。首先，利用反射層析成像構(gòu)建背景速度，將其作為全波形反演迭代的初始速度模型；然后，從包含相干能量數(shù)據(jù)中的最低頻率開始，通過匹配建模和記錄的數(shù)據(jù)，對速度模型進(jìn)行迭代優(yōu)化；接著，使用分離波場成像，得到淺水環(huán)境下的高分辨率地震剖面，用于驗(yàn)證全波形反演速度模型；最后，再次利用反射層析成像進(jìn)行更深地層的速度建模，精確的淺層速度模型提高了深部模型的精度，從而得到更好、更穩(wěn)健的速度模型，最終的成像結(jié)果更準(zhǔn)確[21]。

圖 14 采集方案[5]a. 寬拖三源配置，震源擴(kuò)展寬度達(dá)到2×112.5 m（即225 m）, b. GeoStreamer X采集配置。Fig.14 Acquisition scheme[5]a. Wide-tow triple-source set-up, the total separation for the wide-tow triple-source is 2×112.5 m (i.e. 225 m), b. The GeoStreamer X acquisition configurations.

圖 15 巴倫支海域應(yīng)用[14]a. 傳統(tǒng)速度模型和地震成像，b. 全波形反演速度模型和地震成像。Fig.15 Applications in the Barents Sea[14]a. Legacy velocity model and seismic profile, b. FWI velocity model and seismic profile.

3 海洋寬拖多源雙傳感器拖纜多方位采集與成像技術(shù)應(yīng)用

PGS公司推出的這種“海洋寬拖多源雙傳感器拖纜多方位采集與成像技術(shù)”方案可有效應(yīng)對日益復(fù)雜的勘探目標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)。其中，最為典型的是在挪威巴倫支海維京地塹的勘探應(yīng)用。該區(qū)既存在著地層的低速異常、膠結(jié)砂的高速異常以及多邊形斷裂，同時(shí)又在目標(biāo)儲(chǔ)層上方存在著白堊紀(jì)薄層，這些特殊地質(zhì)體的照明和分辨率面臨著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)[5,14]。借鑒2018年巴倫支海勘探項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)[29]，采用長、短拖纜排列組合的創(chuàng)新性解決方案，于2019年在該海域又進(jìn)一步實(shí)施了新型高分辨率多方位拖纜采集項(xiàng)目。

該項(xiàng)目的采集方案主要包含3項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新：①寬拖三源拖曳方案。其中，震源擴(kuò)展寬度達(dá)到了2×112.5 m（即225 m），同時(shí)在縱向上實(shí)現(xiàn)了近零偏移距（圖14a）。這種超寬源距和零偏移距方案提高了勘探效率，改善了近偏移采樣，有助于近海底地層目標(biāo)的AVO精確分析；② 長、短拖纜排列組合方案。實(shí)際拖曳12×84.38 m的拖纜，其中10條拖纜長6 km，拖曳深度為25 m，另外2條長10 km，拖纜深度始終保持在28～30 m；③ 新型寬方位采集方案。在2011年3D雙傳感器雙源單方位拖纜采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，又額外新增了兩個(gè)采集方向，并將這兩個(gè)新采集方位夾角設(shè)置為60o，以提供最佳的方位角覆蓋，該技術(shù)方案如圖14b所示。

全波形反演利用長偏移和多方位優(yōu)勢，不僅提高了圖像的信噪比和縱、橫向分辨率，而且增強(qiáng)了高、低速度體的異常對比，提高了地震剖面解釋的可靠性。在挪威巴倫支海的應(yīng)用中，提取了傳統(tǒng)速度模型（圖15a）和全波形反演速度模型（圖15b）中深度分別為1 170和1 300 m的切片，以及疊前深度偏移與速度的疊合剖面，對比顯示，在傳統(tǒng)速度模型中，并未發(fā)現(xiàn)全波形反演速度模型中的低速異常（圖15a藍(lán)色箭頭）。由于該異常一般與地震剖面有很好的相關(guān)性，這可能是由于該區(qū)域泥底辟的超壓異常導(dǎo)致；同時(shí)，由于創(chuàng)新方案中低頻成分的更新，膠結(jié)砂體（橙色箭頭）速度變得更高，邊界范圍也更清晰。

全波形反演高精度速度模型的構(gòu)建是多方位勘探成像的關(guān)鍵。與2011年采集數(shù)據(jù)處理結(jié)果（圖16a）相比，最新方案中穿過白堊紀(jì)頂部時(shí)間切片（圖16c）與采集方向一致的線性干擾顯著減少，而這種線性干擾通?？稍诘卣鹌拭嫔媳憩F(xiàn)為因照射不足和粗糙反射引起的偏移偽影（圖16b）。經(jīng)過2019年采集和處理方法的創(chuàng)新，與2011年的數(shù)據(jù)相比，同一地質(zhì)目標(biāo)的照明和分辨率得到了明顯提升（見圖16d中箭頭所指），尤其在膠結(jié)砂體下方，古新世和侏羅紀(jì)地層的連續(xù)性、信噪比也得到了很大改善，大大提高了潛在儲(chǔ)層特征地震解釋的精確度和可靠性。

圖 16 單方位與多方位采集方案成像對比[14]a. 單方位采集的時(shí)間切片，b. 單方位采集的地震剖面，c. 多方位采集的時(shí)間切片，d. 多方位采集的地震剖面。Fig.16 Imaging comparison of single azimuth and multi-azimuth acquisition schemes[14]a. Single azimuth depth slice, b. Single azimuth seismic profile, c. Multi-azimuth depth slice, d. Multi-azimuth seismic profile.

4 結(jié)論

（1）雙傳感器拖纜及成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上、下行波場分離，拓寬了頻帶，結(jié)合寬拖多源，可在不犧牲采集效率和增加成本的前提下，實(shí)現(xiàn)近偏移覆蓋的改善和空間采樣密度的提高，明顯提高了近海底地層高精度成像的能力。長、短拖纜排列組合方案兼顧了施工過程中拖纜阻力和獲得長偏移數(shù)據(jù)能力的關(guān)系，能最大限度地滿足精確速度分析和高分辨率的成像需求。

（2）GeoStreamer X新型多方位采集方案實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的多方位互補(bǔ)照明，提高了地層照明的均勻性，同時(shí)為高分辨率成像提供了密集采樣，由此獲得的速度模型和地震成像精度更高，有效解決了局部速度異常帶來的成像問題。

（3）融合了反射層析成像、全波形反演以及分離波場的全波場成像創(chuàng)新方案，彌補(bǔ)了單一方案的不足，提高了淺海環(huán)境中不同深度的速度模型和成像精度。