利用直達(dá)波計(jì)算穩(wěn)健的深水OBN雙檢匹配算子

王明星,張慶淮,朱立彬

(1.中石化石油工程地球物理有限公司國(guó)際業(yè)務(wù)發(fā)展中心,北京 100020;2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100)

目前,海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)面臨更加復(fù)雜的海底作業(yè)環(huán)境,傳統(tǒng)的拖纜或海底電纜(ocean bottom cable,OBC)等海洋地震數(shù)據(jù)采集方式難以滿(mǎn)足復(fù)雜海底區(qū)域作業(yè)要求。基于海底節(jié)點(diǎn)(ocean bottom node,OBN)的海洋地震數(shù)據(jù)采集則不受采集電纜與地震船連接的束縛,可以靈活地設(shè)計(jì)觀(guān)測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)大偏移距、寬方位(全方位)地震數(shù)據(jù)采集[1-3]。此外,四分量OBN采集的地震數(shù)據(jù)提供了包含縱波和轉(zhuǎn)換波在內(nèi)的更多的地震信息。因此,OBN地震采集越來(lái)越成為海洋油氣勘探,尤其是在復(fù)雜海底情況下的主要采集方式。

數(shù)據(jù)成像是OBN地震勘探面臨的主要難題之一,其中鬼波壓制和上、下行波場(chǎng)分離是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。波場(chǎng)分離是通過(guò)將地震數(shù)據(jù)中水檢記錄的壓力波場(chǎng)和陸檢記錄的垂直質(zhì)點(diǎn)速度波場(chǎng)進(jìn)行合并,然后再將合并后的波場(chǎng)分離成上行波和下行波。最初,人們直接通過(guò)垂直疊加,或者使用固定的匹配系數(shù)進(jìn)行雙檢振幅匹配后再通過(guò)合并水檢數(shù)據(jù)和陸檢數(shù)據(jù)來(lái)壓制鬼波,再進(jìn)行波場(chǎng)分離。這種方法極不精確,不能適應(yīng)水深和水底介質(zhì)等因素的變化,波場(chǎng)分離效果不好。為此,人們提出了許多雙檢求和、分離上、下行波場(chǎng)的方法。如童思友等[4]提出了基于維納濾波的雙檢數(shù)據(jù)鬼波壓制技術(shù)。高少武等[5-6]對(duì)海上地震數(shù)據(jù)雙檢匹配做了大量研究,總結(jié)出多種上、下行波場(chǎng)分離方法。BARR[7]提出時(shí)空變的匹配算法,計(jì)算出每個(gè)檢波點(diǎn)的每一個(gè)采樣點(diǎn)的振幅匹配系數(shù)并對(duì)陸檢數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后,再與水檢數(shù)據(jù)合并,分離上、下行波場(chǎng)。這種算法也是目前主流商業(yè)軟件中主要的OBC/OBN地震數(shù)據(jù)波場(chǎng)分離算法。SOUBARAS[8-9]提出一種經(jīng)典的匹配算子求取算法,首先,對(duì)水檢和陸檢數(shù)據(jù)進(jìn)行共檢波點(diǎn)疊加及交互鬼波化,然后,采用這兩個(gè)交叉鬼波化后的疊加數(shù)據(jù)求取匹配算子,從而避免了極性相反的下行波對(duì)求取雙檢匹配算子的干擾。這種方法之所以成為經(jīng)典,是因?yàn)樗鼮槿藗兲峁┝艘环N穩(wěn)定的匹配算子求取方法,也是目前淺水地震數(shù)據(jù)處理中較好的鬼波解決方案。但是這種方法在交互鬼波化后,依然沒(méi)有辦法完全避免下行波對(duì)匹配算子求取的干擾。

隨著OBN在海洋地震數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,做好接收點(diǎn)鬼波壓制,更好地保留地震數(shù)據(jù)的帶寬和分辨率,更好地分離上、下行波場(chǎng),對(duì)改善海上地震數(shù)據(jù)成像質(zhì)量至關(guān)重要。目前OBN采集的地震數(shù)據(jù)基本上利用反射波計(jì)算雙檢匹配算子,但在深水OBN采集中,利用反射波求取雙檢匹配算子面臨許多局限性。利用直達(dá)波求取匹配算子的方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可以避免噪聲對(duì)匹配算子計(jì)算的影響,從而求取穩(wěn)定的雙檢匹配算子,達(dá)到更好地分離上、下行波場(chǎng),改善地震資料波場(chǎng)特征的目的。

1 問(wèn)題的提出

深水OBN地震勘探采用多分量檢波器接收,將水檢數(shù)據(jù)和陸檢垂直分量數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,可以壓制鬼波,分離上、下行波場(chǎng)。

雙檢合并最理想的情況是水檢和陸檢具有相位相同的上行波和相位相反的下行波,上、下行波場(chǎng)之間沒(méi)有絕對(duì)振幅、頻率和時(shí)間差異,如圖1所示。圖1a 為水檢理論記錄;圖1b為陸檢理論記錄;圖1c 為雙檢合并后的結(jié)果;圖1d為水檢記錄的一維傅里葉變換,顯示了水檢記錄接收點(diǎn)側(cè)鬼波的頻率陷波問(wèn)題;圖1e為陸檢記錄的一維傅里葉變換,顯示了陸檢記錄接收點(diǎn)側(cè)鬼波的頻率陷波問(wèn)題;圖1f為雙檢合并記錄的一維傅里葉變換?？梢?jiàn)雙檢合并后,鬼波得到壓制,由鬼波造成的頻率陷波點(diǎn)消失,說(shuō)明雙檢合并能對(duì)鬼波頻率陷波進(jìn)行補(bǔ)償。因此,在水檢和陸檢地震數(shù)據(jù)沒(méi)有振幅、頻率和相位差異的前提下,水檢和陸檢記錄的波場(chǎng)中鬼波的頻率互補(bǔ),經(jīng)過(guò)雙檢合并可以壓制鬼波,分離上、下行波場(chǎng)。

圖1 理想情況下的雙檢合并a 水檢記錄; b 陸檢記錄; c 雙檢合并后記錄; d 水檢記錄一維傅里葉變換; e 陸檢記錄一維傅里葉變換; f 雙檢合并后記錄的一維傅里葉變換

但是,在實(shí)際OBN地震數(shù)據(jù)中,水檢記錄的壓力波場(chǎng)和陸檢垂直分量記錄的速度波場(chǎng)并不會(huì)達(dá)到理想狀態(tài),兩者之間會(huì)存在振幅、頻率、相位上的差異[10],而且地震數(shù)據(jù)中總會(huì)存在各種各樣的噪聲,這些因素導(dǎo)致直接對(duì)雙檢數(shù)據(jù)進(jìn)行合并時(shí)難以取得較好的鬼波壓制效果。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,地球物理學(xué)家們就認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題,對(duì)地震數(shù)據(jù)凈化進(jìn)行了許多研究[11],并對(duì)水陸雙檢合并問(wèn)題進(jìn)行了大量探索,尋找合并前的雙檢匹配方法。但這些技術(shù)大多基于兩種檢波器數(shù)據(jù)中的反射波求取雙檢匹配算子,Soubaras方法[8]就是其中的典型代表。下面以該方法為例,分析利用反射波求取雙檢匹配算子在深水OBN波場(chǎng)分離中可能遇到的一些挑戰(zhàn)。

基于水檢和陸檢垂直分量雙檢合并的理論公式[12],SOUBARAS提出了基于交叉鬼波化的雙檢合并算法[8],采用估算一個(gè)將水檢與陸檢垂直分量相匹配的濾波器,解決水底反射率變化、檢波器不同、檢波器耦合不良等因素導(dǎo)致的信號(hào)差異問(wèn)題。該雙檢合并方法可以分解為3個(gè)步驟,即雙檢匹配、波場(chǎng)分離和微屈多次波壓制?？紤]到深水OBN地震勘探中下行波具有明顯的照明優(yōu)勢(shì),而壓制微屈多次波僅針對(duì)上行波,因此,這里不考慮微屈多次波壓制,僅介紹其中的雙檢匹配和波場(chǎng)分離。波場(chǎng)分離采用公式:

(1)

式中:U是上行波場(chǎng);D是下行波場(chǎng);H是水檢記錄的壓力波場(chǎng);G是陸檢記錄的速度波場(chǎng);fc是用于校正陸檢的匹配算子。

計(jì)算fc之前,為了排除下行波的干擾,Soubaras方法首先使用(2)式計(jì)算交叉鬼波化的水檢波場(chǎng)H′和陸檢波場(chǎng)G′:

(2)

式中:Z=e-iωΔt表示水層中地震波雙向垂直移動(dòng)的算子;Δt是水中傳播的雙程延遲時(shí)間。交叉鬼波化后,水檢和陸檢數(shù)據(jù)具有相同的時(shí)間,但幅度和相位不同,可通過(guò)最小化交叉鬼波化后的水檢和陸檢之間的差異來(lái)求解雙檢匹配算子fc:

(3)

在幾米到幾十米,甚至100m以深的淺海地震勘探中,很難提取穩(wěn)定的直達(dá)波信號(hào),Soubaras用交叉鬼波化后的反射波求取水陸檢的匹配算子,為人們提供了一種穩(wěn)定的雙檢匹配算子計(jì)算方法。但是,在深水OBN地震數(shù)據(jù)處理中,用反射波計(jì)算雙檢匹配算子會(huì)面臨以下4個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

1) 李斌等[13]指出,陸檢垂直分量含有大量不易去除的轉(zhuǎn)換波噪聲,如何避免這些噪聲對(duì)求取更穩(wěn)定的雙檢匹配算子的影響需要繼續(xù)深入研究。ZHANG等[14-15]提出陸檢垂直分量中的橫波泄漏是深水OBN雙檢合并面臨的一個(gè)挑戰(zhàn),并分別通過(guò)利用所有4個(gè)分量數(shù)據(jù)的降噪方法[16-17]和只使用兩個(gè)縱波分量的自適應(yīng)減法[18-19]來(lái)消除陸檢垂直分量中不需要的橫波,取得了較好的效果。圖2a是水檢記錄;圖2b 是陸檢垂直分量記錄,可以明顯觀(guān)察到泄漏到垂直分量上的橫波能量,如圖2b中的紅色箭頭所示。

圖2 OBN數(shù)據(jù)中的橫波泄漏噪聲a 水檢記錄; b 含橫波泄漏的陸檢記錄

2) OBN地震數(shù)據(jù)中含有包括隨機(jī)噪聲在內(nèi)的各種噪聲,含噪聲反射信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算不可避免地會(huì)影響雙檢匹配算子的穩(wěn)定性。

3) 深水OBN地震數(shù)據(jù)中淺層上行波的照明不好,利用上行反射波的雙檢匹配方法會(huì)面臨反射波能量太弱的挑戰(zhàn)。

4) 深水OBN地震數(shù)據(jù)的靜校正非常困難,使得利用反射波共檢波點(diǎn)疊加的雙檢匹配方法面臨極大挑戰(zhàn)。

受以上因素的制約,有必要研究替代反射波的深水OBN雙檢匹配算子計(jì)算方法。

2 用直達(dá)波求取雙檢匹配算子的方法

在OBN地震采集中,如果達(dá)到一定深度,就可以獲得一定偏移距的穩(wěn)定的直達(dá)波信號(hào)。根據(jù)水深、地震波在海底傳播的速度和水中傳播的速度,可以確定直達(dá)波信號(hào)的偏移距范圍。另外,直達(dá)波完全在水中傳播,因此我們可以根據(jù)水深和偏移距獲得準(zhǔn)確的直達(dá)波校正時(shí)差,從而實(shí)現(xiàn)直達(dá)波信號(hào)的同相疊加。在深水地震勘探中,直達(dá)波與其對(duì)應(yīng)的水底多次波有一定的時(shí)間間隔,選取小時(shí)窗直達(dá)波可以避免噪聲對(duì)求取匹配算子的影響。理論和實(shí)踐證明,水、陸檢波器波場(chǎng)的差異子波可以用直達(dá)波的差異子波代替,因此,可以直接用直達(dá)波來(lái)求取水檢和陸檢數(shù)據(jù)的匹配算子。

在接收點(diǎn)水深hr、激發(fā)點(diǎn)水深hs、地震波在水中傳播的速度vw和沿海底的傳播速度vb已知的前提下,初至為直達(dá)波的數(shù)據(jù)的偏移距范圍為(0～x),其中x由下式判定:

(4)

在偏移距(0～x)范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的雙檢數(shù)據(jù),用圖3所示流程求取雙檢匹配算子,進(jìn)行波場(chǎng)分離。

圖3 利用直達(dá)波求取雙檢匹配算子及波場(chǎng)分離的流程

用直達(dá)波求取雙檢匹配算子、進(jìn)行雙檢合并、分離上下行波場(chǎng)的主要步驟如下。

1) 在共接收點(diǎn)道集上由(4)式定義的范圍內(nèi)選取一定偏移距范圍的直達(dá)波。深水OBN直達(dá)波一

般沒(méi)有被噪聲污染,因此不需要太多的地震道用于共檢波點(diǎn)疊加。

2) 根據(jù)零偏移距接收點(diǎn)水深h0r、激發(fā)點(diǎn)水深hs、偏移距x和地震波在水中傳播的速度(1500m/s左右)計(jì)算校正時(shí)差,對(duì)雙檢數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時(shí)差校正。

(5)

然后對(duì)時(shí)差校正后的雙檢數(shù)據(jù)分別進(jìn)行共檢波點(diǎn)疊加,得到各檢波點(diǎn)的疊加數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 含有直達(dá)波的共檢波點(diǎn)疊加剖面a 水檢記錄的共檢波點(diǎn)疊加; b 陸檢記錄的共檢波點(diǎn)疊加; c校正后的陸檢記錄共檢波點(diǎn)疊加

3) 根據(jù)檢波點(diǎn)水深、激發(fā)點(diǎn)水深和地震波在水中傳播的速度獲取計(jì)算時(shí)窗的中心點(diǎn)時(shí)間tm=(h-hs)/vw,向上向下擴(kuò)展得到匹配算子的計(jì)算時(shí)窗tm-τ1～tm+τ2,時(shí)窗長(zhǎng)度τ1+τ2不宜太大,經(jīng)驗(yàn)值為100～300ms。

4) 輸入水檢和陸檢共檢波點(diǎn)疊加數(shù)據(jù),在選取的時(shí)窗內(nèi)用最小二乘方法求取每一個(gè)檢波點(diǎn)的雙檢匹配算子fc。

argmin‖H-fc*G‖2

(6)

5) 用求取的匹配算子fc校正陸檢數(shù)據(jù),使水檢和陸檢數(shù)據(jù)匹配。

6) 水檢和陸檢數(shù)據(jù)匹配之后,用公式(7)進(jìn)行雙檢合并,分離上下行波場(chǎng)。

(7)

式中,fc是利用直達(dá)波求取的匹配算子。用直達(dá)波求取的匹配子波與用反射波求取的匹配子波相位相反,因此,請(qǐng)注意(7)式與(1)式的區(qū)別。

3 應(yīng)用效果分析

圖4是含有直達(dá)波的共檢波點(diǎn)疊加結(jié)果。圖4a為水檢數(shù)據(jù)的共檢波點(diǎn)疊加結(jié)果;圖4b為陸檢數(shù)據(jù)的共檢波點(diǎn)疊加結(jié)果;圖4c為利用求取的匹配算子校正后的陸檢數(shù)據(jù)共檢波點(diǎn)疊加結(jié)果。由圖4可見(jiàn),在校正之前,水檢、陸檢的共檢波點(diǎn)疊加有明顯的相位和振幅差異;校正之后,水檢和陸檢的直達(dá)波波形趨于一致。

圖5分別是利用反射波交叉鬼波化后求取的雙檢匹配算子(Soubaras方法)和利用直達(dá)波求取的雙檢匹配算子。不難看出,兩種算子具有相反的相位。Soubaras方法由于噪聲等因素的干擾計(jì)算出的算子不穩(wěn)定,而本文方法求取的匹配算子穩(wěn)定。

圖5 兩種方法求取的雙檢匹配算子對(duì)比a Soubaras方法求取的雙檢匹配算子; b 本文方法求取的雙檢匹配算子

利用匹配算子校正之后,水檢和陸檢數(shù)據(jù)的直達(dá)波相似程度越高,雙檢合并的效果就越好,因此,經(jīng)過(guò)計(jì)算校正之后水檢直達(dá)波和陸檢直達(dá)波的相似系數(shù)來(lái)對(duì)匹配算子的匹配效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖6是用Soubaras方法和本文方法計(jì)算的匹配算子校正后水檢和陸檢共檢波點(diǎn)疊加的相似系數(shù)。圖6a為Soubaras方法雙檢匹配后的水檢、陸檢相似系數(shù),可以看出,相似系數(shù)大部分介于0.6～1.0之間。圖6b為本文方法校正后水檢、陸檢相似系數(shù),可見(jiàn)絕大部分相似系數(shù)都在0.9以上。二者對(duì)比說(shuō)明,在深水OBN地震數(shù)據(jù)雙檢匹配中,本文方法校正后的水檢和陸檢數(shù)據(jù)的匹配度更高,具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖6 兩種方法雙檢匹配后的相似系數(shù)對(duì)比a Soubaras方法雙檢匹配后的相似系數(shù); b 本文方法雙檢匹配后的相似系數(shù)

圖7是一對(duì)水檢、陸檢記錄的匹配及合并效果對(duì)比。其中,圖7a是原始陸檢記錄;圖7b為原始水檢記錄;圖7c為本文方法校正后陸檢記錄。可以看出,原始水檢、陸檢記錄存在明顯的振幅、相位差異;校正后,水檢、陸檢下行波相位一致,上行波相位相反,振幅接近。圖7d和圖7e分別為利用(7)式進(jìn)行雙檢合并分離波場(chǎng)后的上、下行波場(chǎng)記錄,可以看出波場(chǎng)分離效果很好,上行波波場(chǎng)中看不到明顯的下行波能量,下行波波場(chǎng)中的上行波殘留也非常小。

圖7 雙檢數(shù)據(jù)的校正與合并a 原始陸檢記錄; b 原始水檢記錄; c 校正后陸檢記錄; d 合并后上行波場(chǎng); e 合并后下行波場(chǎng)

圖8是應(yīng)用本文方法對(duì)海底起伏劇烈的記錄進(jìn)行波場(chǎng)分離的效果。圖8a為陸檢記錄;圖8b為水檢記錄;圖8c和圖8d分別為應(yīng)用本文方法進(jìn)行波場(chǎng)分離后的上、下行波場(chǎng)記錄。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出,即使海底崎嶇導(dǎo)致經(jīng)海面反射的下行波同相軸嚴(yán)重偏離了雙曲線(xiàn)形態(tài),利用本文方法依然可以很好地分離上、下行波場(chǎng)。

圖8 海底起伏劇烈的雙檢數(shù)據(jù)波場(chǎng)分離效果a 陸檢記錄; b 水檢記錄; c 上行波記錄; d 下行波記錄

為了驗(yàn)證本文方法在計(jì)算深水OBN雙檢匹配算子中的優(yōu)勢(shì),分別對(duì)水、陸檢記錄直接合并、利用商業(yè)軟件進(jìn)行振幅匹配后再合并、利用Soubaras方法進(jìn)行雙檢匹配后再合并,以及利用本文方法進(jìn)行雙檢匹配后再合并的效果進(jìn)行了對(duì)比,如圖9所示。圖9a 是水檢、陸檢直接合并的結(jié)果?？梢钥闯?雙檢直接合并波場(chǎng)分離效果不好,在上行波場(chǎng)中存在明顯的下行波;圖9b是利用商業(yè)軟件進(jìn)行了時(shí)空變雙檢振幅匹配后合并的結(jié)果,由于沒(méi)有進(jìn)行相位匹配,波場(chǎng)分離效果依然很差,分離后的上行波場(chǎng)中存在明顯的下行波;圖9c是應(yīng)用Soubaras方法,即利用反射波進(jìn)行雙檢匹配后合并的結(jié)果,可以看出,Soubaras方法較好地解決了雙檢匹配問(wèn)題,波場(chǎng)分離效果較好,但是在上行波場(chǎng)中依然可以看到殘留的下行波能量;圖9d是采用本文方法求取雙檢匹配算子,并用該匹配算子進(jìn)行雙檢匹配后合并的結(jié)果,可以看出,本文方法波場(chǎng)分離效果最好,在上行波場(chǎng)中,幾乎看不到下行波能量。

圖9 不同雙檢合并效果對(duì)比a 水、陸檢直接合并; b 振幅匹配后雙檢合并; c Soubaras方法雙檢合并; d 本文方法雙檢合并

圖10是深海OBN水檢數(shù)據(jù)、陸檢數(shù)據(jù)和利用本文方法進(jìn)行波場(chǎng)分離后的上行波、下行波數(shù)據(jù)快速Q(mào)C疊加剖面對(duì)比。圖10a是水檢數(shù)據(jù)的疊加剖面;圖10b是陸檢數(shù)據(jù)的疊加剖面;圖10c是波場(chǎng)分離后的上行波疊加剖面;圖10d是波場(chǎng)分離后的下行波疊加剖面。在水檢疊加和陸檢疊加剖面上可以明顯觀(guān)察到海底多次波和近海底反射多次波同相軸;波場(chǎng)分離后的上行波疊加剖面上由于排除了下行波的干擾,疊加效果更好。與上行波疊加剖面相比,深海OBN數(shù)據(jù)的下行波疊加剖面(圖10d)優(yōu)勢(shì)更加明顯,海底和地下反射的疊加效果明顯好于上行波。

圖10 深海OBN雙檢數(shù)據(jù)和波場(chǎng)分離后的數(shù)據(jù)疊加剖面對(duì)比a 水檢數(shù)據(jù)疊加; b 陸檢數(shù)據(jù)疊加; c 上行波疊加; d 下行波疊加

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 在深水OBN地震數(shù)據(jù)的上、下行波場(chǎng)分離中,用反射波求取雙檢匹配算子的方法受一系列因素的制約,求取的匹配算子不夠穩(wěn)定,從而影響上、下行波場(chǎng)分離效果。

2) 如果水深達(dá)到一定深度,在OBN地震數(shù)據(jù)中就會(huì)有相對(duì)穩(wěn)定的直達(dá)波,選取一定范圍的直達(dá)波來(lái)求取雙檢匹配算子,可以避免噪聲對(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾,而且?guī)缀醪皇芎５灼鸱蜕闲胁ㄕ彰鞯挠绊?求取穩(wěn)定的雙檢匹配算子,更好地分離上、下行波場(chǎng)。

3) 用直達(dá)波求取雙檢匹配算子不適用于淺水OBN地震數(shù)據(jù),但是,直達(dá)波計(jì)算深水OBN雙檢匹配算子的方法給我們帶來(lái)啟示,利用淺水低信噪比地震數(shù)據(jù)中反射波之外的其它較穩(wěn)定的信號(hào)可以成為計(jì)算雙檢匹配算子的潛在方案。