海洋地震資料子波零相位化技術(shù)研究與應(yīng)用

王守君,方中于,史文英,張興巖,劉明珠

(1.中海石油(中國(guó))有限公司勘探部,北京100010);2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司物探技術(shù)研究所,廣東湛江524057)

海洋地震資料子波零相位化技術(shù)研究與應(yīng)用

王守君1,方中于2,史文英2,張興巖2,劉明珠2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司勘探部,北京100010);2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司物探技術(shù)研究所,廣東湛江524057)

針對(duì)深水地震資料,研究了海上氣槍震源子波的混合相位特征及海浪引起的粗糙海平面對(duì)子波特征的影響,提出了基于地震初至提取地震子波的方法及零相位校正技術(shù);利用譜比法提取等價(jià)常數(shù)Q值,對(duì)不同Q值統(tǒng)計(jì)平均并結(jié)合測(cè)井資料約束方法提煉最佳Q值,然后，利用改進(jìn)的Hale算法進(jìn)行反Q相位校正。南海北部實(shí)際資料應(yīng)用分析表明,該零相位化技術(shù)提高了目的層地震資料的分辨率,明顯提升了井震對(duì)比的相關(guān)度,提高了反演的精度,為后續(xù)的儲(chǔ)層精細(xì)描述提供了可靠的地震資料。

氣槍震源子波;零相位化;譜比法;改進(jìn)的Hale算法;反Q相位校正

隨著海上油氣勘探開發(fā)的深入,地震資料保幅保真精細(xì)處理已經(jīng)成為儲(chǔ)層描述、油氣檢測(cè)的重要前提,子波零相位化處理則顯得尤為重要。與陸上炸藥震源不同,海洋地震資料采集多采用氣槍震源[1-2],受鬼波干涉、較差的采集海況以及大地吸收因子Q對(duì)子波相位的影響,子波形態(tài)會(huì)發(fā)生畸變,相位信息也變得不確定,從而影響地震資料的品質(zhì)。另一方面,近幾年發(fā)展的海上寬頻采集技術(shù),如立體氣槍陣列激發(fā)技術(shù)、海上變深度纜寬頻采集技術(shù)、上下纜采集技術(shù)、雙檢采集技術(shù)等,采集的地震資料去鬼波處理都要求地震子波零相位化。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)陸地地震采集的子波相位校正問題開展了廣泛研究,Levy等[3]提出了自動(dòng)相位校正方法,在共深度點(diǎn)疊加處理中得到了較好的效果,Longbottom等[4]和White[5]闡述了最大峰度相位估計(jì)原理并將其應(yīng)用于子波零相位化,Trantham[6]提出了可控相位采集及其處理,有效地提高了相位一致性,國(guó)內(nèi)學(xué)者周興元等[7]、李合群等[8]、姚逢昌等[9]以及陳必遠(yuǎn)等[10]先后提出了常相位校正、振幅譜補(bǔ)償以及分頻常相位校正、地表一致性相位校正等方法,在陸地地震資料處理中取得了較好的應(yīng)用效果。而針對(duì)海洋地震子波相位校正的研究較少[11],Osen[12]和Jovanovich等[13]提出了利用海上實(shí)測(cè)子波(通過(guò)壓力檢波器測(cè)量)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積處理,消除鬼波對(duì)子波的影響。近些年,國(guó)際上出現(xiàn)了針對(duì)氣槍震源信號(hào)的精細(xì)處理技術(shù)[14],即利用氣槍理論模擬子波壓制剩余氣泡干擾和氣槍子波相位校正技術(shù),這些技術(shù)手段明顯地改善了地震資料品質(zhì)。

由于氣槍理論模擬子波與地震接收子波存在較大差異,海上氣槍震源子波的混合相位特征、海浪引起的粗糙海平面以及大地吸收因子Q對(duì)子波相位影響較大,單一相位校正方法或震源模擬子波反褶積很難取得較好的相位校正效果。針對(duì)海洋地震資料采集的基本特點(diǎn),我們研究了氣槍震源子波的基本相位特征,分析了海浪、波高(波浪高度)等海況信息對(duì)地震子波波形的改造作用,提出了一種基于地震數(shù)據(jù)初至提取子波信息的新方法,這種方法能更準(zhǔn)確描述氣槍氣泡信息;使用零相位濾波算子消除子波殘留相位;應(yīng)用譜比法及測(cè)井資料約束方法求取Q值,消除大地色散因素影響。實(shí)際資料應(yīng)用證明該方法效果較好。

1 海洋地震子波相位的影響因素

1.1 海況因素

海上地震采集過(guò)程中,受海浪、有效波高的影響,海平面不能近似為平滑的高斯面;粗糙海平面造成鬼波信號(hào)的散射,導(dǎo)致接收到的地震子波形態(tài)畸變。Jovanovich等13]給出了海平面有效波高與海面反射系數(shù)和鬼波能量之間的聯(lián)系。海面反射系數(shù)可表示為：

(1)

式中：R為粗糙海面反射系數(shù);R0是水平海面的反射系數(shù);σ是波波高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差;f是頻率;α是輻射角;c是聲速。這個(gè)方程意味著如果有3級(jí)海況,那么海水面反射系數(shù)約為-0.9。

圖1正演了不同海面反射系數(shù)下的子波,可以看出，當(dāng)海面反射系數(shù)減小時(shí),電纜鬼波能量減弱,子波畸變明顯。

圖2展示了實(shí)際地震數(shù)據(jù)近道海底波形信息。圖2a為高分辨率三維地震近道海底,采集時(shí)窗海況良好、海面相對(duì)靜止,海底子波一致性好,子波旁瓣能量穩(wěn)定;圖2b為常規(guī)三維地震近道海底,采集時(shí)窗海況較差,本條測(cè)線采集時(shí)為5級(jí)海況,波高3～4m,海底波形一致性很差,子波第二旁瓣振幅不穩(wěn)定,且能量總體偏弱,相位存在畸變。

圖1 不同海面反射系數(shù)下的子波特征

圖2 不同海況和波高條件下的地震近道海底子波特征

1.2 大地吸收色散作用

大地吸收色散作用是導(dǎo)致地震子波相位畸變的另一個(gè)重要因素,地震波在傳播過(guò)程中有吸收必會(huì)有色散[14]。色散即頻散,由于地震信號(hào)的不同頻率成分有不同的傳播速度,高頻成分相對(duì)于低頻成分有更快的速度,隨著傳播距離的增加,波峰逐漸向子波初始端前移,子波的形狀扭曲。圖3模擬了子波在吸收地層傳播過(guò)程中的頻散效應(yīng),零相位子波發(fā)生了相變。

圖3 吸收地層頻散對(duì)子波相位的影響

2 海洋地震子波零相位校正

2.1 氣槍理論模擬子波與海底統(tǒng)計(jì)子波

圖4為典型的理論模擬海洋地震子波,可以看出,在理想狀態(tài)下,模擬的震源信號(hào)子波的兩個(gè)旁瓣接近對(duì)稱,但存在一定的相位差,同時(shí)還存在一定程度上的2次氣泡干擾殘留。該模擬子波是基于理論模擬出的地震子波,沒有考慮到采集時(shí)海況的影響,所以將該子波用于實(shí)際地震記錄中的氣泡壓制處理，其效果會(huì)受到影響。

本文基于地震數(shù)據(jù)初至提取地震子波,假設(shè)實(shí)際地震子波為w,海底反射系數(shù)為r,近道初至為s,則：

圖4 典型的理論模擬海洋地震子波

(2)

(3)

利用地震初至與海底反射系數(shù),可以估算出實(shí)際的地震子波。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),使用疊加剖面的海底地震反射記錄,來(lái)實(shí)現(xiàn)地震子波的提取，疊加壓制了隨機(jī)噪聲和海底下方的地層信息干擾,提取子波信噪比更高。圖5是CMP動(dòng)校正之后的疊加剖面,在該剖面基礎(chǔ)上提取地震資料中的海底波形,然后對(duì)海底波形數(shù)據(jù)進(jìn)行同向疊加,可以得到與實(shí)際更為吻合的地震子波。從統(tǒng)計(jì)角度觀察,疊加的結(jié)果是海底反射系數(shù)褶積一個(gè)子波,海底反射系數(shù)視為一個(gè)常量,這樣疊加結(jié)果得到的子波可以近似作為地震采集接收的子波,該子波沒有經(jīng)過(guò)海底以下地層的吸收。

我們通過(guò)基于模擬和初至提取兩種子波的氣泡壓制,來(lái)驗(yàn)證基于地震初至疊加得到的子波比理論模擬子波更可靠的觀點(diǎn)。圖6顯示了A工區(qū)采用兩種方法求取的子波,可以看出兩種子波除了主體部分有差異外,殘留氣泡干擾也有較大差異。理論模擬子波初泡比P/B=18.32,而海底統(tǒng)計(jì)子波初泡比P/B=12.59。圖7對(duì)比了利用兩種子波壓制地震氣泡干擾前、后的效果,可以看到,原始地震剖面(圖7a)中箭頭所指的氣泡干擾經(jīng)理論模擬子波壓制氣泡后(圖7b),由于存在氣泡周期和振幅方面的誤差,氣泡干擾沒有被有效壓制,而經(jīng)海底統(tǒng)計(jì)子波壓制氣泡后(圖7c),氣泡能量得到有效壓制。對(duì)比結(jié)果說(shuō)明了海底統(tǒng)計(jì)子波比理論模擬子波更可靠,壓制效果更明顯,達(dá)到了精細(xì)處理的要求。

圖5 海底疊加剖面

圖6 理論模擬子波(a)和海底統(tǒng)計(jì)子波(b)

圖7 氣泡壓制剖面對(duì)比(FFID表示野外文件號(hào))

2.2 零相位校正濾波算子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

子波傳播過(guò)程中的形態(tài)既時(shí)空變化又相對(duì)穩(wěn)定[11-12],為了消除相位影響,本文采用最小二乘法計(jì)算濾波算子,將零相位化子波作為期望輸出,將基于初至提取的子波經(jīng)過(guò)零相位算子褶積后逼近期望子波,亦即使下式為最?。?/p>

(4)

式中：x(t)為輸入信號(hào),即實(shí)際子波;h(t)為濾波算子;d(t)為期望輸出的零相位子波。對(duì)(4)式的誤差能量求偏導(dǎo)數(shù),并令偏導(dǎo)數(shù)為零,整理可得到托布利茲方程：

(5)

式中：rxx為輸入信號(hào)的自相關(guān);rdx為輸入信號(hào)和期望輸出的互相關(guān);m為濾波算子的長(zhǎng)度。求解(5)式,得到反濾波因子,再與輸入信號(hào)褶積得到零相位化后的數(shù)據(jù),圖8顯示出零相位化設(shè)計(jì)濾波算子的計(jì)算過(guò)程。

對(duì)實(shí)際采集的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行零相位化處理,

圖9 顯示出經(jīng)零相位算子褶積前后的地震記錄,可以看出,處理后的海底波形(箭頭所指處)更加對(duì)稱,子波波峰移到了真實(shí)海底位置。

2.3 反Q相位校正

為了消除大地吸收色散對(duì)子波相位變化的影響,本文在初至提取子波零相位化的基礎(chǔ)上,采用反Q濾波進(jìn)行相位校正,最終實(shí)現(xiàn)疊前地震資料的零相位化處理。

2.3.1 介質(zhì)Q值估算

關(guān)于吸收衰減品質(zhì)因子Q的估算方法,我們?cè)趯?duì)比分析了譜比法、上升時(shí)間法、脈沖振幅法、譜模擬法等的基礎(chǔ)上,最終選擇了譜比法求取Q值。圖10顯示了南海Y區(qū)塊3個(gè)不同位置求取的Q值對(duì)比結(jié)果,該區(qū)塊目標(biāo)層埋深在2500～3000ms,每個(gè)位置分別求取淺層500ms左右、深層3000ms左右的振幅譜,再運(yùn)用譜比法求取Q值,求取的Q值結(jié)果為110,107,100,對(duì)比可以看出,計(jì)算的Q值比較穩(wěn)定。

2.3.2Q補(bǔ)償原理

以層狀介質(zhì)為模型,采用反Q濾波的遞推公式進(jìn)行Q值補(bǔ)償：

(6)

圖8 零相位化濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程

圖9 零相位濾波前(a)、后(b)地震剖面海底波形對(duì)比

圖10 南海Y區(qū)塊3個(gè)不同位置譜比法求取的Q值

根據(jù)變Q結(jié)構(gòu)模型,將地震記錄道分為若干時(shí)窗,在每一個(gè)時(shí)窗內(nèi),Q值近似為一個(gè)常數(shù);再將該段記錄進(jìn)行傅氏變換到頻率域,對(duì)頻率域內(nèi)的波場(chǎng)進(jìn)行拉伸或壓縮實(shí)現(xiàn)Q補(bǔ)償,以達(dá)到提高信噪比的目的;將Q補(bǔ)償之后的波場(chǎng)從頻率域變換到時(shí)間域,即完成了該時(shí)窗記錄段的Q補(bǔ)償;對(duì)其他時(shí)窗段記錄,也使用以上方法,便可實(shí)現(xiàn)全道及全剖面的Q補(bǔ)償處理。

2.3.3 時(shí)間域Q補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)算子優(yōu)選

由于時(shí)間域反Q濾波算子的長(zhǎng)度比頻率域算子的長(zhǎng)度短,所以在時(shí)間域求取反Q濾波算子進(jìn)行反Q濾波更為高效,這種思想即為Hale算法的核心[15]。但該算法對(duì)深層、偏移距大的同相軸補(bǔ)償過(guò)度,需要控制增益以控制振幅,以免影響濾波器相位校正效果。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn),形成了多種改進(jìn)的Hale方法[11],本文采用二階近似反Q濾波的方法,其基本公式為：

(7)

改進(jìn)前的Hale算法處理效果基于最小相位的假設(shè),無(wú)法解決相位不相容的問題;改進(jìn)后的Hale算法利用了FabioRocca擴(kuò)展式,較好地解決了相位不相容問題。改進(jìn)前后Hale算法的差別主要集中在較高頻率部分,在衰減與頻散正演模擬時(shí)差別不大,因?yàn)楦哳l主要是低幅成分,但是在反演模擬中差別比較明顯。

圖11顯示了幾種反Q補(bǔ)償算法對(duì)合成記錄進(jìn)行處理后的子波對(duì)比,圖中從下到上依次為：①原始模型道;②大地吸收正演(振幅+相位，Q=130，f=125Hz)；③Robinson算法反Q(相位，Q=130，f=125Hz);④改進(jìn)Hale算法反Q(相位，Q=130，f=125Hz);⑤改進(jìn)Hale算法反Q(振幅+相位，Q=130，f=125Hz);⑥Hale算法反Q(振幅+相位，Q=130，f=125Hz)。分析結(jié)果表明,改進(jìn)Hale算法計(jì)算精度較高,更穩(wěn)定。

圖11 幾種反Q補(bǔ)償算法處理后的子波對(duì)比

3 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過(guò)多年勘探開發(fā),南海北部勘探重點(diǎn)逐漸向著深水勘探區(qū)、精細(xì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)、中深層目的層等方向轉(zhuǎn)移。將海洋地震資料子波零相位化技術(shù)應(yīng)用于南海北部多個(gè)區(qū)塊的地震資料處理，應(yīng)用后的效果顯著改善。

圖12顯示了利用初至提取子波對(duì)南海某區(qū)地震資料進(jìn)行零相位處理和反Q相位補(bǔ)償?shù)膶?shí)例。利用30Hz雷克子波井合成記錄作為檢驗(yàn)手段,對(duì)比了原始地震(圖12a)、海底子波零相位處理(圖12b)、海底子波零相位處理加上改進(jìn)Hale算法反Q(Q=105)相位校正(圖12c)3種地震剖面(黑色同相軸)與合成記錄(紅色同相軸)的吻合程度。從紅色箭頭標(biāo)示處可以明顯看出,經(jīng)過(guò)海底子波零相位處理(圖12b)后,標(biāo)定結(jié)果有了一定的改進(jìn),由原始地震與井的標(biāo)定系數(shù)0.71升高到0.77,經(jīng)過(guò)海底子波零相位處理和反Q相位校正(圖12c)后,標(biāo)定吻合程度有了明顯的提高,標(biāo)定系數(shù)為0.89。為了更進(jìn)一步的對(duì)比,在井旁地震道利用確定性子波提取技術(shù),提取了目的層段子波的振幅和相位信息(圖13)。對(duì)圖13c中的相位曲線進(jìn)行線性擬合,可以得到,原始地震提取的子波(紅色)相位在-70°左右,且不同頻率有較大的相位差。經(jīng)過(guò)海底子波零相位處理后提取的子波(黑色)相位大約在-50°左右。經(jīng)過(guò)海底子波零相位濾波加上改進(jìn)Hale算法反Q相位校正處理后提取的子波(藍(lán)色)相位大約在0附近,證明了海底子波零相位技術(shù)加上反Q相位補(bǔ)償技術(shù)的可靠性。

圖14對(duì)比了零相位化前后的偏移剖面,從圖上可以看出,相比零相位化前,剖面地層接觸關(guān)系變的更清晰,波峰波谷平行出現(xiàn)的假象消失,分辨率得到提升,提高了偏移剖面質(zhì)量。圖15為地震子波零相位化前后地震信息和井信息對(duì)比,其中測(cè)井曲線從T62層位開始出現(xiàn)明顯的低阻抗,表現(xiàn)為很強(qiáng)的負(fù)反射系數(shù),非零相位地震子波表現(xiàn)為波峰和波谷,而零相位地震子波則表現(xiàn)為強(qiáng)波谷,經(jīng)過(guò)子波零相位化,地震信息與井信息吻合度好。

圖12 井合成記錄對(duì)比

圖13 井旁地震道確定性方法提取子波(a)、振幅譜(b)和相位譜(c)

圖14 零相位化前后偏移剖面對(duì)比

圖15 零相位化前后井震對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從海洋地震資料特征出發(fā),分析了影響子波相位的因素,求取可靠子波和可靠Q值,進(jìn)行零相位濾波并用反Q方法消除子波時(shí)空變化,形成了海洋地震資料零相位化處理技術(shù),該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1) 基于地震數(shù)據(jù)初至提取子波是一種新方法,相比模擬子波方法更加準(zhǔn)確可靠;

2) 譜比法求取Q值,結(jié)合改進(jìn)Hale反Q補(bǔ)償算法,進(jìn)行反Q相位校正,不僅解決了Q補(bǔ)償問題,也解決了子波時(shí)空變化的問題;

3) 適用于疊前資料零相位化,處理結(jié)果保真性更高。

[1] 陳浩林,寧書年,熊金良,等.氣槍陣列子波數(shù)值模擬[J].石油地球物理勘探,2003,38(4):363-368 Chen H L,Ning S N,Xiong J L,et al.Numerical simulation of air-gun array wavelet[J].Oil Geophysical Prospecting,2003,38(4):363-368

[2] 李緒宣,溫書亮,顧漢明,等.海上氣槍陣列震源子波數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)海上油氣,2009,21(4)：216-220 Li X X,Wen S L,Gu H M,et al.A simulation of wavelets from off shore air-gun array seismic source[J].China Offshore Oil and Gas,2009,21(4):216-220

[3] Levy S,Oldenburg D W.Automatic phase correction of common-midpoint stacked data[J].Geophysics,1987,52(1):51-59

[4] Longbottom J,Walden A T,White R E.Principles and application of maximum kurtosis phase estimation[J].Geophysical Prospecting,1988,36(1):115-138

[5] White R E.Maximum kurtosis phase correction[J].Geophysical Journal International,1988,95(2):371-389

[6] Trantham E C.Controlled-phase acquisition and processing[J].Expanded Abstracts of 64thAnnual Internat SEG Mtg,1994,890-894

[7] 周興元.常相位校正[J].石油地球物理勘探,1989,24(2):119-129 Zhou X Y.Constant phase correction[J].Oil Geophysical Prospecting,1989,24(2):119-129

[8] 李合群,周興元.時(shí)差、常相位校正及加權(quán)疊加[J].石油地球物理勘探,2000,35(4):415-418 Li H Q,Zhou X Y.Moveout and constant phase corrections,along with weighted stacking[J].Oil Geophysical Prospecting,2000,35(4):415-418

[9] 姚逢昌.振幅譜補(bǔ)償和相位校正[J].石油物探,1990,29(1):46-57 Yan F C.Amplitude spectra compensation and phase correction[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,1990,29(1):46-57

[10] 陳必遠(yuǎn),陳明偉,易維啟,等.時(shí)空變分頻常相位校正[J].石油地球物理勘探,1997,32(1):103-108 Chen B Y,Chen M W,Yi W Q,et al.Time and space and subsection frequency phase correction[J].Oil Geophysical Propsecting,1997,32(1):103-108

[11] 余振,王彥春,何靜,等.反Q濾波方法研究綜述[J].勘探地球物理進(jìn)展,2009,32(5):309-314 Yu Z,Wang Y C,He J,et al.A review of inverseQfiltering methods[J].Progress in Exploration Geophysics,2009,32(5):309-314

[12] Osen A,Secrest B,Amundsen L,et al.Wavelet estimation from marine pressure measurements[J].Geophysics,1998,63(6):2108-2119

[13] Jovanovich D B,Summer R D,Akins-Easterlin S L.Ghosting and marine signature deconvolution:a prerequisite for detailed seismic interpretation[J].Geophysics,1983,48(11):1468-1485

[14] Harris P.Robust wavelet estimation and quality measures[J].Expanded Abstracts of 76thAnnual Internat SEG Mtg,2006,771-775

[15] Hale D.An inverse Q-filter[J].Stanford Exploration Project,1981,28(1):289-298

(編輯：朱文杰)

Marine seismic wavelet zero-phasing technology and its application

Wang Shoujun1,Fang Zhongyu2,Shi Wenying2，Zhang Xingyan2，Liu Mingzhu2

(1.ExplorationDepartment,CNOOC,Beijing100010,China;2.Development&ProspectingGeophysicalInstitute,CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCorporation,Zhanjiang524057,China)

In order to study the mixed phase characteristics of airgun wavelet and the influence of rough sea surface for wavelet characteristics in deep water seismic data,we proposed an extraction method for seismic wavelet based on first arrival and zero-phase correction technology.Then the spectral ratio method is used to extract the equivalent constantQ,to refine the bestQvalue by statistical average of differentQvalue combined with well constraint means,and to carry out inverseQphase correction by the improved Hale algorithm.Application result of field data shows that the method improves the resolution of seismic data,especially in target layer,and significantly enhances the correlation between the seismic data and the synthetic records calculated from well,and improves the accuracy of the inversion.The application result in northern South China Sea can provide reliable seismic data for reservoir characterization.

airgun wavelet,zero-phasing,spectrum ratio,improved Hale algorithm,inverseQphase correction

2015-02-12;改回日期：2015-05-22。

王守君(1957—)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事海上油氣勘探開發(fā)技術(shù)研究和生產(chǎn)管理工作。

P631

A

1000-1441(2015)05-0551-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.008