極淺水環(huán)境下的水層多次波分階壓制

王 煒,徐 強,徐 爽

(1.中海油田服務股份有限公司 物探事業(yè)部研究院，天津 300459；2.中國石油集團東方地球物理公司 研究院，河北 涿州 072750)

1 引 言

多次波問題一直是海洋地震資料處理的難點，多次波會降低地震成像的真實性和可靠性。多次波壓制對于精準的偏移速度分析、復雜地質構造成像、波組特征精細刻畫以及小斷層成像都至關重要[1,2]。

地震資料的水層多次波的衰減一直是海洋地震資料處理中的難題，目前多次波的壓制技術主要有以下幾種：第一種是預測反褶積，在淺水海域，水層多次波壓制一直以來都是以預測反褶積技術為主[1]，但預測反褶積對于水層短周期多次波壓制效果并不理想。第二種是基于多次波與一次波的速度屬性差異，較為常見的是高精度Radon域[3]和F-K域[4]的多次波壓制方法。因為短周期多次波與一次波的速度差異并不明顯，這些方法很難對短周期多次波有作用。且近偏移距位置一次波和多次波速度差異小，依賴速度差異對近炮檢距進行多次波壓制十分困難。第三種是基于多次波的可預測性方法[5-7]，這種方法一般分兩步實現(xiàn)：第一步是多次波模型的預測，第二步是從原始地震數(shù)據(jù)減去多次波模型。目前應用最廣泛的是SRME方法[8-11]。但SRME方法對多次波的預測過度依賴于水層海底一次反射波的質量，而在極淺水環(huán)境中水層一次反射波常被折射波、直達波等淹沒，效果不理想。

針對淺水水層多次波，基于格林函數(shù)的模型預測方法可以較好地實現(xiàn)多次波的預測和衰減[12-16]。但將該方法應用于極淺水環(huán)境時，淺層多次波預測較好，深層效果不佳。主要因為極淺水環(huán)境水層多次波周期較短，一次波與水層多次波混疊，且地震波主頻隨傳播降低，使用自適應減法相減時,會造成有效波損失[17-21]。

本文基于格林函數(shù)多次波預測方法，提出在極淺水環(huán)境下，對于淺層數(shù)據(jù)進行一階及以上多次波預測，對于深層進行二階及以上多次波預測，利用自適應減法減去多次波模型。通過模擬數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)測試，可以在避免有效波損失的前提下較好地衰減水層多次波。

2 方法原理

首先通過單一子波分析水層多次波在淺層和深層差異。如圖1所示，分別使用主頻60 Hz和主頻18 Hz的模擬子波代表主頻較高的淺層地震數(shù)據(jù)和主頻較低的深層地震數(shù)據(jù)，然后分別與75 m和25 m兩種水深情況的多次波算子褶積，得到模擬子波的多次波?？梢钥闯?，主頻60 Hz子波即淺層地震數(shù)據(jù)，其一次有效子波與75 m水深和25 m水深的一階水層多次波均沒有重疊，可以較好地區(qū)分開，見圖1(d)和圖1(e)。主頻18 Hz子波即深層地震數(shù)據(jù)，其一次有效子波與75 m水深一階水層多次波也可以基本區(qū)分，見圖1(g)。但其與25 m水深的一階水層多次波則完全重疊在一起，無法區(qū)分，見圖1(h)。并且由于多次波重疊消減效應，其多次波發(fā)育程度比圖1(g)要弱很多。在這種情況下，對于主頻較低的地震深層數(shù)據(jù)，如果進行一階多次波的預測壓制，會造成有效波的損失。為保護有效信號，可進行二階及以上多次波預測及壓制。

圖1 模擬子波的水層多次波分析Fig.1 Water layer multiples of simulated wavelet

根據(jù)格林函數(shù)G在時間域表達式：

(1)

其中,v為層速度(m/s);t為時間(s);r為傳播距離(m);δ為狄利克雷函數(shù)。其物理意義意義為：在t=0時，在r=0位置激發(fā)一個單位脈沖，并由此產(chǎn)生球面波進行擴散。在t時刻，波場傳播為半徑為vt的球面上，振幅按1/r進行比例衰減。

水層多次波的模型Mi可以表示為：

(2)

其中,D為地震記錄數(shù)據(jù);t0為地震波從檢波器j在水層中傳播經(jīng)過一次海底反射傳播到檢波器i的時間;R為海底反射系數(shù)(可以假設為0.5)。

根據(jù)克希霍夫衍射理論，加入海底反射角θ的影響，多次波的模型M可以表示為：

(3)

二階水層多次波傳播示意如圖2所示，二階及以上多次波的模型MMi可以表示為：

(4)

在實際地震資料處理時，參與計算的j道的地震數(shù)據(jù)，可以選取較小范圍孔徑內(nèi)的數(shù)據(jù)，減少地層傾角變化帶來的預測誤差。

利用式(4)求得多次波模型M后，可以在共炮檢距域或CDP域利用自適應方法減去多次波，減去法同SRME方法類似，即

P=D-f?M

(5)

式中,P為衰減多次后的數(shù)據(jù);f為自適應調(diào)整算子;?為褶積算子。

以上為基于格林函數(shù)的分階多次波預測的基本方法，主要在炮集記錄上針對深層地震數(shù)據(jù)的特點壓制二階及以上水層多次波。該方法可以與其他的多次波衰減方法(例如反褶積、部分SRME、拉東變換等)組合使用。

3 模型測試

為驗證多次波衰減效果，模型正演了拖纜采集，電纜長度4 000 m的含水層多次波的單一反射地層單炮剖面，子波主頻20 Hz。如圖3(a)所示，一次反射波與水層多次波混合重疊。常規(guī)格林函數(shù)方法預測水層多次波并壓制效果如圖3(b)所示，雖然水層多次波得到壓制，但一次有效波損失嚴重。經(jīng)過本文基于格林函數(shù)的二階水層多次波壓制之后，如圖3(c)所示，可以看到一次有效波保持得較好，同時水層多次波得到壓制。

圖3 正演數(shù)據(jù)測試Fig.3 Test results of forward modeling data

4 實際資料應用

以中國A海域的實際資料處理為例，整個工區(qū)為極淺水環(huán)境，深約20 m，目的層為基底以下的古生界地層，且地層構造非常復雜。

圖4是應用格林函數(shù)方法進行了水層多次波壓制，淺層多次波壓制后，波組特征明顯提高，有效波保持較好。

圖4 淺層地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制前后疊加剖面Fig.4 Stack of shallow seismic data before and after water layer multiples suppression

格林函數(shù)方法對深層多次波進行壓制后有效波損失嚴重(圖5b)。而使用本文方法僅壓制二階及以上多次波(圖5c)，可以看到有效波得到保持的同時多次波得到一定的壓制。

圖5 深層地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制前后疊加剖面Fig.5 Stack of deep seismic data before and after water layer multiples suppression

圖6為圖5對應的多次波處理前、后的自相關結果。從圖中可以看出，常規(guī)格林函數(shù)法壓制后效果比原始數(shù)據(jù)(圖6a)有效波損失嚴重(圖6b)，而使用本文方法后，自相關主軸能量得到很好的保持(圖6c)

圖6 深層地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制前后自相關圖Fig.6 Auto-correlation of deep seismic data before and after water layer multiples suppression

基于格林函數(shù)法的多次波壓制效果與水深密切相關。圖7(a)和圖7(b)展示了利用本方法在水深誤差5 m和水深誤差10 m兩個參數(shù)下壓制效果的對比，從圖中可以看出，兩者壓制效果基本一致，5 m誤差對多次的衰減更為徹底。

圖7 水深誤差對水層多次波壓制的影響Fig.7 Effect of water depth error on water layer multiple suppression

5 結 語

本文對極淺水環(huán)境下應用基于格林函數(shù)的多次波預測方法進行了改進。從模型和實際數(shù)據(jù)測試的結果來看，改進后的方法在較徹底的壓制水層相關多次波的同時，保護了深層有效信號。格林函數(shù)法多次波壓制效果與水深密切相關，水深誤差較大時易損失有效波。為提高壓制效果，可采用潮汐校正進一步提高水深精度。

本文方法可以和基于模型法的淺水多次波壓制、部分SRME、LIFT技術、預測反褶積、波動方程法等其他多次波壓制方法聯(lián)合使用，對于渤海、黃海等極淺水資料，本方法具有一定的推廣和借鑒意義。