海底電纜轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及在南海某區(qū)的應(yīng)用

張興巖,張立霞,方中于,張 敏,丑紀輝

(中海油服物探事業(yè)部 特普公司，廣東 湛江 524057)

1 引 言

除了構(gòu)造勘探.多波多分量地震勘探還可以進行巖性識別、氣云區(qū)成像、儲層預(yù)測、裂縫檢測、含氣性識別及流體性質(zhì)判別等，能有效降低單分量地震勘探的多解性，提高復(fù)雜巖性油氣藏預(yù)測精度[1]。 近年來，海底地震勘探(Ocean Bottom Seismic,OBS)這種寬方位角多分量采集在海洋地震勘探中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]，使得海洋地震勘探具備了轉(zhuǎn)換波勘探的資料基礎(chǔ)。但是由于當(dāng)前處理技術(shù)的制約，目前國內(nèi)大部分OBS資料生產(chǎn)時只使用了P、Z兩個縱波分量，X、Y兩個轉(zhuǎn)換波分量沒有處理，這就使得轉(zhuǎn)換波分量中的地震信息沒有得到應(yīng)用，降低了OBS勘探的性價比。此外，相對于縱波，轉(zhuǎn)換波信噪比一般較低，同時由于傳播路徑具有不對稱性[4]，其對各向異性更敏感，所以常規(guī)縱波處理技術(shù)不適用轉(zhuǎn)換波地震資料處理[5]。近年來，地球物理學(xué)家一直在研究[6-13]，Li等[7]、Dai等[8]基于雙平方根方程推導(dǎo)了VTI(Vertical Transverse Isotropy, VTI)介質(zhì)中轉(zhuǎn)換波非雙曲線時距曲線方程，奠定了轉(zhuǎn)換波各向異性成像的理論基礎(chǔ)；Lüth等[9]根據(jù)轉(zhuǎn)換波傳播路徑的特點，依據(jù)共轉(zhuǎn)換點CCP(Common Conversion Point,CCP)對稱偏移孔徑保證了偏移孔徑的優(yōu)化選取。陳陽陽等[10]通過角度掃描法計算出了地震轉(zhuǎn)換波在地層界面處的轉(zhuǎn)換點位置。岳玉波等[6]就VTI介質(zhì)轉(zhuǎn)換波Kirchoff疊前時間偏移實現(xiàn)過程中的幾個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進行研究分析，并給出了相應(yīng)的實施方案。楊哲等[11]簡化了轉(zhuǎn)換波VTI多參數(shù)速度建模流程，有效提高成像質(zhì)量降低了轉(zhuǎn)換波多參數(shù)建模的多解性。靜校正方面，Richard 等[12]提出了基于縱波構(gòu)造約束的轉(zhuǎn)換波靜校正方法，并在實際應(yīng)用中取得了較好的效果，但是該技術(shù)需要轉(zhuǎn)換波具有較高的信噪比；高憲偉等[13]提出以面波反演為基礎(chǔ)，結(jié)合構(gòu)造約束的轉(zhuǎn)換波靜校正技術(shù)，并在四川某工區(qū)實際應(yīng)用中取得了較好的效果。為了優(yōu)化OBS地震資料轉(zhuǎn)換波處理技術(shù)流程，有效提高OBS地震勘探的性價比，本文以我國南海某海底電纜(Ocean Bottom Cable,OBC)工區(qū)為例，對OBC(Ocean Bottom Cable,OBC)轉(zhuǎn)換波處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的研究，有效地提高了該工區(qū)海底電纜轉(zhuǎn)換波處理的信噪比，并改善了斷層及地層的成像效果，一定程度上推動了我國海底電纜轉(zhuǎn)換波地震資料處理的發(fā)展。

2 OBC轉(zhuǎn)換波處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 R、T分量旋轉(zhuǎn)

海底電纜多波多分量檢波器中的水平X分量一般與接收線平行，Y分量與接收線垂直；隨著炮點位置的變化，炮-檢點連線的方向與X、Y分量的夾角也不斷變化[14]，這樣X、Y分量就會同時接收到P-SV與P-SH波，這種復(fù)雜的波場關(guān)系對轉(zhuǎn)換波的處理極為不利，為了獲得一致的轉(zhuǎn)換波場，需要將水平方向的兩個分量X、Y能量進行重新分配，使其一個分量沿炮-檢點連線方向(R徑向)接收SV波，另一個分量垂直炮檢點方向(T切向)接收SH波，這個過程就是R、T分量旋轉(zhuǎn)[15]；

設(shè)炮-檢點連線方向與水平測線方向的夾角為θ，UX、UY分別為水平分量與垂直分量的位移向量，UR、UT分別為徑向分量與橫向分量的位移向量。當(dāng)θ在0到90度之間時，X、Y分量和R、T分量間的關(guān)系可用下式表示[16]：

(1)

若θ在90到180度之間時，公式(1)可以表示為：

(2)

用矩陣形式表示式(1)與式(2)為：

(3)

在公式(3)中右側(cè)的三個變量都是已知量，根據(jù)這三個已知量，就可以將X分量、Y分量上的能量轉(zhuǎn)換到R分量、T分量上；由于轉(zhuǎn)換波在炮-檢點方向上的偏振性，所以理論上各向同性介質(zhì)中轉(zhuǎn)換波的能量絕大部分集中在R分量上，各向異性介質(zhì)中，隨著各向異性的增強，T分量數(shù)據(jù)能量不斷增大。

圖1所示為轉(zhuǎn)換波坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前、后炮集，其中圖1(a)、圖1(b)為X、Y分量的共炮點道集數(shù)據(jù)，圖1(c)、圖1(d)為其經(jīng)水平分量旋轉(zhuǎn)到R、T分量的炮集數(shù)據(jù)。從圖1中可以看到，轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)后的能量大部分都集中到了R分量上，T分量中能量很少，這說明該工區(qū)地下介質(zhì)各向異性較弱。圖2所示為轉(zhuǎn)換波水平分量旋轉(zhuǎn)前后共轉(zhuǎn)換點疊加剖面上的的均方根振幅切片，其中圖2(a)、圖2(b)為X、Y分量的均方根振幅切片，圖2(c)、圖2(d)為R、T分量的均方根振幅切片。從圖2可以看到，水平分量旋轉(zhuǎn)后，X、Y兩個分量的能量大部分轉(zhuǎn)換到了R分量，T分量中能量很弱。

圖1 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前、后炮集Fig.1 Shot gather before and after coordinate rotation

圖2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前后均方根振幅Fig.2 Root mean square amplitude map before and after coordinate rotation

2.2 轉(zhuǎn)換波面元化技術(shù)

如圖3所示，縱波的振動方向與其傳播方向一致，他的反射點位于炮點和檢波點的共中心點；轉(zhuǎn)換波入射波為縱波，而反射波為橫波，其反射點位于共轉(zhuǎn)換點，轉(zhuǎn)換波ACCP(Approximate Common Conversion Point,ACCP)傳播射線路徑具有非對稱性[17]。

圖3 P-P波與P-S波傳播路徑Fig.3 Propagation path of P-P wave and P-S wave

如何確定轉(zhuǎn)換點的位置是轉(zhuǎn)換波地震資料處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)VP、VS分別代表縱波速度和橫波速度，θ、φ分別代表P波入射角和S波入射角，p代表射線參數(shù)，根據(jù)Snell定律可得：

(4)

假設(shè)XC為轉(zhuǎn)換點的橫坐標(biāo);X為源-檢距(偏移距);XP為炮點到轉(zhuǎn)換點的水平距離;XS為轉(zhuǎn)換點到接收點的水平距離;φ為P波入射角;θ為S波入射角;LP為P波射線長度;LS為轉(zhuǎn)換波射線長度;tP為P波射線旅行時;tS為轉(zhuǎn)換波射線旅行時;炮-檢距X則可表示為[18]：

(5)

由于XC與XP相等，所以XC與X之比可以用下式來表示：

(6)

假設(shè)tS0/tP0=VP/VS=γ，可得

XC0=X/(1+1/γ)=Xγ/(1+γ)

(7)

XC0為初始轉(zhuǎn)換點的橫坐標(biāo)，由式(7)可知，隨著入射角的減小或者反射層的加深，轉(zhuǎn)換點形成一條如圖4所示的漸近線。

圖4 轉(zhuǎn)換點隨深度變化曲線 Fig.4 Curve of conversion point with depth

在實際的轉(zhuǎn)換波資料處理中，一般使用垂直γ場可進行轉(zhuǎn)換波的漸進轉(zhuǎn)換點(Approximate Common Conversion Point,ACCP)面元化，并通過偏移使其歸位于真實轉(zhuǎn)換點[19]；ACCP道集也可以理解為近似共轉(zhuǎn)換點道集，雖然不如共轉(zhuǎn)換點(CCP)道集精確，但是轉(zhuǎn)換波資料處理時，初始的速度場，縱橫波速度比等參數(shù)的迭代，其初始值都是從ACCP道集中求取的；并最終通過不斷循環(huán)迭代，不斷逼近真實的CCP道集。

公式(8)為推導(dǎo)得到的γ0理論計算公式，

(8)

或γ0=VP0/VS0

其中，VP0為初始P波速度;VS0為初始轉(zhuǎn)換波速度;tPS為PS波射線旅行時;tP為P波射線旅行時。通過對垂直γ的精細掃描(圖5)，比對γ0=3和γ0=3.5的疊加剖面，可以看出γ0=3.5的疊加剖面上目的層區(qū)域同相軸成像更加連續(xù)，能量較強；參考工區(qū)的覆蓋次數(shù)圖(圖6)，γ0=3.5的覆蓋次數(shù)分布較為均勻，橫向跳動相對較少；最終確定本工區(qū)的γ(VP/VS)值約為3.5，所以首先采用該值來進行初始ACCP道集的抽取。

圖5 不同γ值的轉(zhuǎn)換波ACCP疊加剖面Fig.5 ACCP stack sections of converted waves with different γ values

圖6 不同γ值的轉(zhuǎn)換波ACCP面元覆蓋次數(shù)圖 Fig.6 ACCP bin coverage of the converted wave with different γ values

2.3 檢波點靜校正

在4C-OBC(4 Component Ocean Bottom Cable, 4C-OBC)地震資料處理中，靜校正是轉(zhuǎn)換波處理的重要步驟；由于轉(zhuǎn)換波傳播路徑不對稱，轉(zhuǎn)換波靜校正的炮點靜校正量和檢波點靜校正量需要分別求取[20]。

每道數(shù)據(jù)的靜校正值tij，可用4個部分來表示：

(9)

式中，si代表第i炮的靜校正量；gj代表第j個檢波點的靜校正量；ck代表第k個CCP的剩余動校正量；yk代表構(gòu)造傾角在第k個CCP點產(chǎn)生的靜校正量。

炮點一側(cè)的靜校正量主要由縱波帶來的，靜校正數(shù)值和縱波基本一致，檢波點一側(cè)的靜校正量則有轉(zhuǎn)換橫波帶來的，由于轉(zhuǎn)換波橫波傳播速度遠低于縱波速度，易受各向異性、巖性橫向變化等地質(zhì)因素的影響，靜校正的數(shù)值遠大于縱波數(shù)值，且在該位置處，靜校正數(shù)值對于成像效果產(chǎn)生的影響相對較大。因此轉(zhuǎn)換波檢波點靜校正量的求取是關(guān)鍵[21]。

假設(shè)表層模型為地表一致性的，為了計算更為簡單，該公式假設(shè)CCP點的位置和轉(zhuǎn)換點產(chǎn)生的深度無關(guān)；地下介質(zhì)構(gòu)造較為平緩時，靜校正量在檢波點的值要遠遠大于炮點和構(gòu)造傾角的靜校正量之和， 所以，式(9)可進一步進行簡化[22]：

tij≈gj

(10)

使用常規(guī)旅行時分解靜校正量的方法[23]，在共接收點域的疊加剖面上利用優(yōu)化模型道和目標(biāo)道間的互相關(guān)統(tǒng)計，估算出每個檢波點的橫波靜校正量，再將該靜校正量應(yīng)用在數(shù)據(jù)上。在共接收點域的疊加剖面上，不同道之間的靜校正量與接收點的真實靜校正量近似，所以可以使用道與道間的互相關(guān)統(tǒng)計來估算接收點的初始靜校正值[24]；在初始校正值的基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為疊加道橫向能量求和[25]:

(11)

式中：E代表振幅相關(guān)能量值;Gk代表第k個疊加道；gk代表第k個點上的靜校正值；t代表縱向求和寬度；j代表橫向求和寬度。利用這個方法給定初始的gk，求得E值，最后使用最優(yōu)化函數(shù)求出最大E值所對應(yīng)的靜校正量gk。

圖7展示的是潿西南工區(qū)轉(zhuǎn)換波接收點靜校正量的統(tǒng)計圖，從圖中可以看到，該工區(qū)的轉(zhuǎn)換點靜校正量在-25～25 ms之間。圖8為應(yīng)用靜校正前、后的共接收點疊加剖面，通過對靜校正之前的剖面進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，剖面中同向軸的扭曲問題相對較為嚴重，其同向軸的連續(xù)性得到了增強，同相軸的信噪比得到了較大的提高。

圖7 轉(zhuǎn)換波靜校正量統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical static correction values of convert wave

圖8 轉(zhuǎn)換波靜校正前、后共接收點疊加Fig.8 Convert wave common receiver point stack section before and after static correction

2.4 轉(zhuǎn)換波五維插值與數(shù)據(jù)規(guī)則化

由于4C-OBC地震數(shù)據(jù)采集成本較高，為了降低采集成本，4C-OBC實際采集時炮線與接收線間距一般較大。這樣做雖然節(jié)省了采集成本，但也產(chǎn)生了空間采樣間隔過大，面元內(nèi)覆蓋次數(shù)、方位角、偏移距等信息分布不均及近偏移距數(shù)據(jù)缺失過多等問題，給后續(xù)處理帶來了較多的不利因素，對轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)的影響更為嚴重，處理過程中一般需要使用插值技術(shù)來彌補空間采樣上的不足。對于海底地震(OBS)這些寬方位地震數(shù)據(jù)，在地震數(shù)據(jù)插值或者規(guī)則化時需要充分考慮其原始采集中的各種信息，本文使用基于抗泄漏傅里葉變換的5D插值方法[26,27]，在一定程度上解決了原始采集數(shù)據(jù)空間采樣過大的問題，同時可以較好地保持OBC數(shù)據(jù)的寬方位特性。

四個空間維度的不規(guī)則數(shù)據(jù)傅里葉變換方程為：

FT(Kx,Ky,KOx,KOy)

(12)

式中,dn為一個頻率切片的輸入數(shù)據(jù);Kx為x方向上的波數(shù)；Ky為y方向上的波數(shù)；KOx為offset-x方向上的波數(shù)；KOy為offset-y方向上的波數(shù)；ω為角頻率。

為防止不規(guī)則采樣數(shù)據(jù)的傅里葉變換泄漏，通過不斷迭代求取最優(yōu)化的傅里葉系數(shù)，每次迭代后使用逆不規(guī)則傅里葉變換將其從輸入數(shù)據(jù)中去除，直到不規(guī)則網(wǎng)格上最終更新的輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行減法操作后趨為零；最后通過正傅里葉變換，可以將數(shù)據(jù)映射到任何記錄坐標(biāo)。

圖9 單個面元五維插值前、后的炮檢點分布以及蜘蛛圖Fig.9 Shot-receiver point and spider figure before and after 5D interpolation in single bin

針對本工區(qū)的4C-OBC數(shù)據(jù)的特征，使用五維插值對地震數(shù)據(jù)進行重建，重建后的數(shù)據(jù)炮線和接收線間距各加密一倍，炮線間距由250 m加密至125 m，接收線間距由400 m加密至200 m。圖9為單個面元五維插值前、后的炮點與接收點分布圖和蜘蛛圖。從圖9(a)，可以看到，五維插值后炮點和接收點線的密度都增加了一倍；從圖9(b)的蜘蛛圖可以看到五維插值后，方位角分布更均勻，道數(shù)也更多。圖10所示為五維插值前、后的CDP道集對比。從圖10可以看到，五維插值前的CDP道集中數(shù)據(jù)缺失較多，很難看到清晰的反射波同相軸，而五維插值后的CDP道集缺失的數(shù)據(jù)全部被重建出來，同相軸清晰可見。圖11示為五維插值前、后的疊前時間偏移疊加剖面。從圖11可以看到，五維插值前，由于數(shù)據(jù)缺失，共偏移距體疊加剖面上地層連續(xù)性不強，很難看到地下介質(zhì)的特征，而五維插值后的剖面較好地恢復(fù)了地震波場，及數(shù)據(jù)中同相軸的連續(xù)性，提高了數(shù)據(jù)的分辨率和信噪比，明顯改善了成像質(zhì)量。成像品質(zhì)的改善，說明數(shù)據(jù)規(guī)則化能夠安全地提高成像質(zhì)量。

圖10 五維插值前后的CDP道集Fig.10 CDP gather before and after 5D interpolation in single bin

圖11 轉(zhuǎn)換波五維插值前、后疊前時間偏移剖面Fig.11 PSTM sections of converted wave before and after five-dimensional interpolation

2.5 轉(zhuǎn)換波時間偏移

轉(zhuǎn)換波傳播方式與縱波不同，因此偏移方法也有本質(zhì)區(qū)別。轉(zhuǎn)換波時間偏移的旅行時表達式為：

tC=tP(γ0,VP)+tS(γ0,VS)

(13)

展開為：

(14)

其中：

(15)

(16)

式中，tC為轉(zhuǎn)換波射線旅行時;tP為P波射線旅行時;tS為S波射線旅行時;VP為P波速度;VS為S波速度;γ0=VP0/VS0；VP0為初始P波速度；VS0為初始S波速度；γeffect為迭代后的γ值；VP/VS=γ；VP和VS分別為P波和S波的疊加速度；VC為轉(zhuǎn)換波疊加速度；γ0為垂直速度比?？v波偏移主要參數(shù)只有一個，即縱波速度；而轉(zhuǎn)換波偏移則需要三個參數(shù)，轉(zhuǎn)換波速度、垂直γ場、縱波速度(或者有效γ場)；這三個參數(shù)中，縱波速度來自于PP波處理；垂直γ場來自于縱波和轉(zhuǎn)換波的層位匹配(PP/PS)，是已知量；而有效γ場和轉(zhuǎn)換波速度均為未知量。

采用這種偏移算法需要分別對有效γ場和轉(zhuǎn)換波速度進行掃描：首先使用掃描的垂直γ場，抽取ACCP道集計算初始的轉(zhuǎn)換波疊加速度VC，拾取初始有效γ場；然后使用初始VC、有效γ場、垂直γ場進行PS_PSTM目標(biāo)線偏移，偏移后的PS剖面與PP波剖面進行層位比對，標(biāo)識相同層位后拾取較為精確的垂直γ場；第三步使用較為精確的垂直γ場進行PS_PSTM偏移，在偏移的道集上拾取VC和有效γ場，并不斷迭代，更新轉(zhuǎn)換波速度；此后需要對有效γ場和轉(zhuǎn)換波速度進行迭代的多次掃描，以求取最終有效γ場和轉(zhuǎn)換波速度，從而進行最終偏移。流程圖如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)換波疊前時間偏移速度更新流程Fig.12 Velocity iteration process of converted wave prestack time migration

圖13所示為本文靶區(qū)使用五維插值處理后的數(shù)據(jù)做為疊前時間偏移的輸入數(shù)據(jù)，最終迭代更新的PS疊前時間偏移參數(shù)場(gamma0，gamma-effectVC)，下一步就可以使用最終求出的參數(shù)場，采用克西霍夫法對轉(zhuǎn)換波進行疊前時間偏移成像。

圖13 PS波疊前時間偏移參數(shù)場(gamma0，gamma-effect,VC)Fig.13 PS wave prestack time migration parameter field (gamma0, gamma-effect,VC)

3 轉(zhuǎn)換波分量地震資料處理效果

為了驗證上述OBC轉(zhuǎn)換波處理的關(guān)鍵技術(shù)，本文將其應(yīng)用于南海某工區(qū)實際OBC轉(zhuǎn)換波處理中。該工區(qū)野外資料由COSL-517海底電纜隊采集，記錄系統(tǒng)為Searay300，采樣率2 ms，記錄長度10 240 ms，檢波器組合方式為DSU3+1 Hydrophone，四分量采集，patch方式觀測系統(tǒng)，共采集了25個patch數(shù)據(jù)，每一個patch觀測系統(tǒng)共48條炮線，8條接收線，炮點間距25 m，炮線間距250 m；接收點間距 25 m，接收線間距 400 m。

圖14為該工區(qū)轉(zhuǎn)換波處理流程圖，其中主要相關(guān)處理技術(shù)為：R、T分量旋轉(zhuǎn)技術(shù)、轉(zhuǎn)換波ACP(Approximate Conversion Point, ACP)面元化、轉(zhuǎn)換波檢波點靜校正、五維插值、轉(zhuǎn)換波偏移速度掃描技術(shù)。

圖14 轉(zhuǎn)換波處理流程Fig.14 Converted wave processing flow

圖15為 PS波處理效果展示及其與PP波處理效果對比；從PS波與PP波處理效果對比來看，PS波處理的剖面形態(tài)與PP波大體一致，并且在中深層有一定的信噪比，在流三段、基底附近波阻特征明顯，成像效果較好，斷層清楚。但是淺層分辨率及信噪比轉(zhuǎn)換波相對較差，比如1.0 s處縱波和橫波反射同相軸能量明顯有差異，主要是因為轉(zhuǎn)換波信號低頻成分能量較強、分辨率較低引起的；其次，斷層成像較有不足，比如基底左側(cè)反射形態(tài)有所差異， 主要是因為轉(zhuǎn)換波成像效果精度沒有達到縱波的精度。

圖15 縱波與轉(zhuǎn)換波成果剖面效果對比Fig.15 PSTM results sections of P-wave and converted wave

4 語 結(jié)

常規(guī)拖纜縱波地震勘探技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，比如對尖滅、小幅度構(gòu)造、小斷層、礁體、古潛山的準(zhǔn)確定位, 對非構(gòu)造油氣藏的勘探, 真假亮點的識別, 氣囪內(nèi)部成像, 裂縫發(fā)育帶分析, 流體的識別與監(jiān)測等；隨著海洋油氣勘探程度的深入與海底地震勘探(OBS)寬方位多分量采集成本的不斷降低，海洋地震資料中的寬方位多分量地震數(shù)據(jù)會越來越多，所以海底地震轉(zhuǎn)換波處理技術(shù)將會得到更廣泛的應(yīng)用。

本文著重介紹了海底電纜轉(zhuǎn)換波處理中的關(guān)鍵技術(shù)，使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)技術(shù)有效地將采集方向的X、Y分量旋轉(zhuǎn)到傳播方向的R、T分量，為轉(zhuǎn)換波的下一步處理打下了基礎(chǔ)；采用轉(zhuǎn)換波檢波點靜校正精細解決橫波靜校正問題。五維插值技術(shù)在保持OBC寬方位特征的前提下插值出缺失的地震數(shù)據(jù)，有效地防止了偏移畫弧噪音、提升了道集近偏移距信噪比，并且為寬方位各項異性處理奠定了基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)換波偏移速度掃描技術(shù)能較精確地求取轉(zhuǎn)換波速度和縱橫波速度比，轉(zhuǎn)換波疊前時間偏移技術(shù)使得R分量精確成像?？傮w來說，該工區(qū)的轉(zhuǎn)換波處理取得了一定的效果，成像較為清晰，地層形態(tài)與縱波剖面能較地匹配，但是轉(zhuǎn)換波剖面的分辨率、小斷層成像等方面較縱波剖面稍有不足，需要在后續(xù)的研究中進行進一步的改善。