淺水區(qū)海底電纜地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制技術(shù)及應(yīng)用

張興巖,潘冬明,史文英,但志偉,方中于,李 列,袁全社

(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州221116;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;3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

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淺水區(qū)海底電纜地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制技術(shù)及應(yīng)用

張興巖1,2,潘冬明1,史文英2,但志偉2,方中于2,李 列3,袁全社3

(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州221116;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;3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

水層多次波是海底電纜(OBC)地震數(shù)據(jù)中發(fā)育最多、能量最強(qiáng)的多次波,尤其是在水深小于100m的淺水區(qū),其對數(shù)據(jù)品質(zhì)影響很大。提出了一種淺水區(qū)OBC地震數(shù)據(jù)水層多次波壓制技術(shù),該技術(shù)使用水體模型驅(qū)動,在τ-p域進(jìn)行波場延拓,模擬出OBC地震數(shù)據(jù)的水層多次波模型,然后采用多道均衡匹配濾波技術(shù)對多次波模型和地震數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,最后從地震數(shù)據(jù)中減掉多次波。分別使用理論模型和實際OBC地震數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,結(jié)果證明該技術(shù)能有效壓制淺水區(qū)OBC地震數(shù)據(jù)水層多次波,提高OBC地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)。

海底電纜;水層多次波;淺水區(qū);水體模型;τ-p域

多次波壓制一直是海洋地震數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)之一,海底電纜(OBC)地震數(shù)據(jù)的多次波壓制也是如此。OBC數(shù)據(jù)因其不受海況及鉆井平臺等障礙的影響,信噪比較高,并且可以進(jìn)行多分量、寬方位采集,近年來這種采集技術(shù)在我國近海發(fā)展較快[1]。與常規(guī)拖纜采集地震數(shù)據(jù)類似,海底電纜地震數(shù)據(jù)多次波干擾非常嚴(yán)重。海面和海底是兩個強(qiáng)反射界面,海面的反射系數(shù)接近于-1,地震波在它們之間來回震蕩形成強(qiáng)烈的水層多次波[2-3]。水層多次波能量非常強(qiáng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間多次波,有時甚至能覆蓋有效信號,嚴(yán)重影響了地震成像的真實性與可靠性[4]。有效壓制水層多次波,突出有效波是OBC地震資料處理的重點(diǎn)工作之一[5]。

由于OBC觀測系統(tǒng)不同于拖纜,建立在拖纜模型的海洋多次波壓制方法大多不能直接用于OBC數(shù)據(jù)的多次波衰減。從20世紀(jì)90年代開始地球物理學(xué)家就一直在研究針對OBC數(shù)據(jù)的多次波壓制技術(shù),最初主要使用濾波法進(jìn)行多次波壓制,如預(yù)測反褶積、Radon變換等;但因濾波法自身的局限性,應(yīng)用于OBC數(shù)據(jù)時有許多不足之處,不能有效壓制多次波,同時可能傷害有效波[6-7]。DRAGOSET等[8]利用壓力分量與速度分量多次波極性相反的特點(diǎn),通過合并壓力分量與速度分量來達(dá)到壓制多次波的目的;VERSCHUUR等[9]對自由界面多次波預(yù)測與壓制(SRME)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),使其適用于OBC數(shù)據(jù),并將該方法成功應(yīng)用于實際數(shù)據(jù)中;IKELLE[10]用逆散射理論,與表層拖纜數(shù)據(jù)結(jié)合預(yù)測多次波,但是該技術(shù)需要與拖纜數(shù)據(jù)結(jié)合,限制了其應(yīng)用的廣泛性,隨后IKELLE[11]對該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),利用OBC數(shù)據(jù)自身預(yù)測多次波。ROBINSON[12]提出愛因斯坦反褶積方法來壓制OBC數(shù)據(jù)多次波,然而該方法的推導(dǎo)是基于一維層狀介質(zhì)的;SCHALKWIJK等[13]對多分量OBC數(shù)據(jù)進(jìn)行波場分離,來預(yù)測OBC多次波并取得了較好的效果。

國內(nèi)對OBC數(shù)據(jù)的處理研究集中在壓制交互混響方面。全海燕等[14]、張文波等[15]、程玉坤等[16]、趙偉等[17]、王振華等[18]對合并水檢分量和陸檢分量進(jìn)行了研究,壓制了海平面強(qiáng)反射多次波,取得了較好的效果;馬繼濤等[19]對SRME理論數(shù)據(jù)中的矩陣相乘部分進(jìn)行改進(jìn),利用其偶數(shù)項對OBC多次波進(jìn)行預(yù)測,模擬數(shù)據(jù)測試結(jié)果證明了此方法的有效性。郝振江等[20]對馬繼濤等[19]提出的方法進(jìn)行改進(jìn),在減去過程中采用了Curvelet閾值相減法對多次波進(jìn)行減去處理,相減法處理后的效果更加明顯。

淺水多次波衰減技術(shù)是近年來發(fā)展起來的針對淺水區(qū)多次波壓制的一種技術(shù)。馮全雄等[21]使用τ-p域水體模型驅(qū)動壓制淺水區(qū)水層多次波,取得了很好的效果。OBC數(shù)據(jù)一般在水深小于100m的淺水區(qū)進(jìn)行采集,水體多次波對數(shù)據(jù)影響較大,但是淺水區(qū)一般海底起伏不大,海底深度可以精確測量,同時水速為已知參數(shù)。本文根據(jù)OBC數(shù)據(jù)的這些特性,利用水體模型驅(qū)動,在τ-p域進(jìn)行波場延拓,模擬多次波模型,然后使用自適應(yīng)匹配相減方法從數(shù)據(jù)中消除淺水區(qū)OBC數(shù)據(jù)中的水體多次波。

1 方法原理

1.1 海底電纜水層多次波時間域特征分析

多次波與有效波在時間域的波形非常類似,時間上呈一定規(guī)律反復(fù)出現(xiàn),正是這種規(guī)律性使得多次波壓制成為可能。但這種規(guī)律性僅僅在零偏移距時呈周期分布[22]。隨著偏移距的增加,多次波在時間上的周期性不復(fù)存在,偏移距越大多次波與一次波之間的時差也越大。

由于淺水區(qū)海底一般坡度較小,可以近似為水平海底,下面具體分析水平海底OBC數(shù)據(jù)水層多次波的特征。圖1為OBC水平海底多次波傳播路徑示意圖,為了簡化問題,這里將炮點(diǎn)深度置為0,檢波點(diǎn)放置在海底,海底一次(黃色)、二次(粉紅色)、三次(藍(lán)色)反射波傳播路徑如圖1所示。

圖1 OBC海底多次波傳播路徑示意

水層反射波的運(yùn)動路徑可用(1)式表示:

(1)

式中:x表示偏移距;h0表示海底深度;v表示海水速度;n表示接收點(diǎn)道號;Δx表示道間距;lmin表示最小偏移距;m表示反射次數(shù),當(dāng)m=1時為一次波,m=2,3,…時為多次波。

從(1)式可以看到,隨著偏移距的增加,多次波與一次波的時差呈快速變小的趨勢。非零偏移距多次波隨著震蕩次數(shù)的增加,時差也在增加。也就是說在空間上和時間上多次波都是不呈周期性的。所以對于時間域疊前記錄,嚴(yán)格意義上的多次波預(yù)測步長是無法計算的,在時間域進(jìn)行準(zhǔn)確的多次波預(yù)測難度較大。

1.2 水層多次波的τ-p域波場延拓

經(jīng)τ-p變換后,地震數(shù)據(jù)可以看作平面波,傳播的方向可以用參數(shù)p來表示,在p值相同的情況下有效波與水層多次波之間沿著τ軸的時間延遲呈周期性(圖2)[23],在τ-p域進(jìn)行波場延拓,能較好地預(yù)測出OBC數(shù)據(jù)的水層多次波[24]。

圖2 有效波與多次波在時間域(a)與τ-p域(b)的同相軸

假設(shè)s(t,x)為一次有效反射,r為海面的反射系數(shù)(接近-1),dt為海底多次波與一次有效反射記錄的延遲時,則地震記錄可以表示為:

(2)

對公式(2)進(jìn)行τ-p變換可以得到:

(3)

(4)

式中:h0表示海水深度;v表示水層速度。平面波分解和τ-p變換聯(lián)系密切,在平面波域和τ-p域雖然振幅和頻率有一定差異但相位相同[25],所以平面波域的多次波與有效波的時差可以認(rèn)為是相等的,將射線參數(shù)定義為:

(5)

(6)

式中:dτ為τ-p域多次波與有效波的時差;p為射線參數(shù)。對(3)式進(jìn)行關(guān)于時間變量的傅里葉變換得:

(7)

則多次波可以表示為:

M(ω,p)=re-iωdτS(ω,p)

(8)

假設(shè)r=-1,ω=2πf,則re-iωdτ為延拓算子。

在τ-p域中,該算子只與dτ有關(guān)。首先需要利用水層信息(水速和水深)建立初始水體模型,計算出dτ,在地震數(shù)據(jù)上乘以延拓算子,將地震波場在水層中延拓一個水層周期,于是一次波變?yōu)槎畏瓷洳?各階多次波的階數(shù)增加一,這樣可以得到所有階次的水層多次波。圖4為τ-p變換和波場延拓的示意圖。其中,圖4a為多次波衰減前炮集示意圖,其中,黑色虛線代表直達(dá)波,在去多次波前需要先衰減掉,藍(lán)色雙曲線代表一次反射,紅線代表海底多次波;圖4b為τ-p域有效波與多次波關(guān)系示意圖,其中,藍(lán)線代表有效波,紅線代表海底多次波;圖4c為在τ-p域經(jīng)波場延拓后示意圖;圖4d 為反τ-p變換后的時間域炮集。

圖3 沿同一角度的平面波傳播方向

圖4 τ-p域波場延拓示意a 多次波衰減前炮集示意; b τ-p域有效波與多次波關(guān)系示意; c 在τ-p域經(jīng)波場延拓后示意; d 反τ-p變換后的時間域炮集示意

預(yù)測的多次波模型在振幅、相位及時差上和實際地震記錄中的多次波都有一定的差異,所以從原始數(shù)據(jù)中減去多次波時采用自適應(yīng)減法。自適應(yīng)減法首先求取匹配算子,使多次波模型與地震記錄中的多次波達(dá)到一致,然后將匹配后的多次波模型從原始數(shù)據(jù)中減去[26-27],就可以得到壓制水層多次波后的地震數(shù)據(jù)。

2 模型試算

建立一個3層水平地質(zhì)模型。第1層為水層,水深50m,水速1500m/s;第2層厚度50～500m,速度2000m/s;第3層厚度500～1500m,速度3500m/s。觀測系統(tǒng)模擬OBC采集方式,將炮點(diǎn)置于水面,接收點(diǎn)置于海底,炮點(diǎn)間距25.0m,接收點(diǎn)間距12.5m,采樣率2ms,記錄長度4000ms?；诟呔冉诲e網(wǎng)格有限差分波動方程正演獲得高品質(zhì)OBC模型炮集數(shù)據(jù),然后采用本文方法對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行多次波衰減處理。

圖5對比了正演模擬出的OBC炮集數(shù)據(jù)采用本文方法壓制水層多次波前、后的效果。其中,圖5a 為多次波壓制前的炮集,由于海底和海面的反射系數(shù)遠(yuǎn)大于地下地層各反射界面的反射系數(shù),所以產(chǎn)生于海底的多次波能量也較強(qiáng),雖然模型只有3層介質(zhì),但在圖5a中卻能看到多層強(qiáng)反射,這些強(qiáng)反射大都是海底產(chǎn)生的多次波;圖5b為采用本文OBC淺水多次波壓制技術(shù)模擬出的多次波模型;圖5c為采用自適應(yīng)匹配相減方法衰減掉多次波之后的炮集,可以看出,與海底有關(guān)的多次波都已經(jīng)得到衰減。

圖5 OBC淺水多次波衰減炮集對比a 多次波壓制前的炮集; b 多次波模型炮集; c 多次波壓制后的炮集

圖6為正演模擬出的OBC數(shù)據(jù)采用本文方法壓制多次波前、后的疊加剖面對比。圖6a為多次波衰減前的剖面;圖6b為多次波模型剖面;圖6c為采用本文方法壓制多次波后的剖面?？梢钥闯?采用OBC淺水多次波衰減方法壓制多次波后大部分的海底多次波得到了有效壓制,基本看不到多次波殘留;從模型數(shù)據(jù)處理中可以看出,本文提出的OBC淺水多次波衰減方法,對水體多次波的壓制效果非常好。

圖6 OBC淺水多次波衰減疊加剖面對比a 多次波壓制前的剖面; b 多次波模型剖面; c 多次波壓制后的剖面

3 實際數(shù)據(jù)應(yīng)用效果分析

選用南海某工區(qū)的實際OBC地震數(shù)據(jù)對本文方法進(jìn)行驗證。工區(qū)觀測系統(tǒng)如圖7所示,炮線與接收線垂直,為了節(jié)省采集成本,采用炮包纜的方式[28],紅色為炮線,藍(lán)色為接收線。炮線間距250m,炮點(diǎn)間距25m,接收線間距400m,接收點(diǎn)間距25m,工區(qū)水深40m左右,海底平坦,水體多次波較為發(fā)育。

圖8a為多次波衰減前的地震剖面,從剖面上可以看出,多次波發(fā)育,深部地層延續(xù)相位嚴(yán)重,已經(jīng)嚴(yán)重影響了層位的解釋。圖8b為采用本文方法壓制多次波后的地震剖面。與圖8a相比,波組特征得到明顯改善,多次波及深部地層延續(xù)相位得到了較大程度的壓制。

圖9為采用本文方法壓制多次波前、后的頻譜分析。圖9中藍(lán)線代表多次波壓制前剖面的頻譜,紅線代表多次波壓制后的頻譜。從頻譜中可以看到,多次波壓制前由多次波引起的陷波明顯,多次波壓制后,陷波帶得到了較好的補(bǔ)充(如圖9中箭頭所示位置),頻帶得到明顯的拓寬。

圖 7 OBC采集觀測系統(tǒng)

圖8 OBC淺水多次波壓制前(a)、后(b)剖面對比

圖9 OBC淺水多次波壓制前、后頻譜對比

圖10為采用本文方法與預(yù)測反褶積以及自由界面多次波預(yù)測與壓制(SRME)技術(shù)進(jìn)行實際數(shù)據(jù)多次波壓制的效果對比。預(yù)測反褶積是在時間域使用最小二乘法計算濾波因子,用預(yù)測濾波因子對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測濾波得到未來的預(yù)測值,預(yù)測多次波;SRME使用地震數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積疊加來預(yù)測多次波模型。由于預(yù)測反褶積在時間域進(jìn)行,遠(yuǎn)道多次波不呈周期性,SRME對輸入數(shù)據(jù)規(guī)則性及數(shù)據(jù)中海底反射的依賴度較高等原因,這兩種方法對于OBC水層多次波都不能很好的壓制。圖10a為多次波壓制前的剖面,圖10b為采用預(yù)測反褶積壓制多次波后的剖面,圖10c為采用SRME壓制多次波后的剖面,圖10d為采用本文方法壓制多次波后的剖面。從圖10可以看出,預(yù)測反褶積方法對淺層多次波的壓制效果較好,但存在損傷有效波的嫌疑,深層延續(xù)相位仍有部分殘留;拖纜SRME無法直接應(yīng)用于OBC數(shù)據(jù),改進(jìn)后的SRME可以壓制OBC數(shù)據(jù)多次波,但對于水層多次波淺層壓制效果不明顯,深層延續(xù)相位也有部分殘留;本文方法壓制OBC多次波后,淺層多次波壓制效果較好,并有較高的保真性,深層延續(xù)相位也得到了較好的壓制。

圖10 OBC資料多次波壓制前及采用不同多次波壓制方法壓制多次波后的剖面對比a 多次波壓制前的剖面; b 采用預(yù)測反褶積方法壓制多次波后的剖面; c 采用SRME方法壓制多次波后的剖面; d 采用本文方法壓制多次波后的剖面

圖11 OBC資料多次波壓制前及采用不同多次波壓制方法壓制多次波后剖面的相關(guān)譜對比a 多次波壓制前剖面的相關(guān)譜; b 采用預(yù)測反褶積方法壓制多次波后剖面的相關(guān)譜; c 采用SRME方法壓制多次波后剖面的相關(guān)譜; d 采用本文方法壓制多次波后剖面的相關(guān)譜

圖11為與圖10中剖面對應(yīng)的自相關(guān)譜。從圖11可以看到,多次波壓制前,剖面的相關(guān)性較好,這是由于多次波大量發(fā)育并且與一次波相似性高造成的;使用預(yù)測反褶積和SRME壓制多次波后,多次波得到了一定的壓制,但仍然能看到多次波對自相關(guān)譜的影響,采用本文方法壓制多次波后剖面的相關(guān)譜相對于反褶積及SRME壓制后剖面的相關(guān)譜明顯干凈了許多。

4 結(jié)束語

我們從海底電纜水層多次波特征出發(fā),分析其形成機(jī)制及周期特點(diǎn),在τ-p域使用延拓算子進(jìn)行波場延拓求取OBC數(shù)據(jù)的水層多次波模型,最后使用自適應(yīng)減法將多次波從原始數(shù)據(jù)中衰減掉,該技術(shù)具有以下特點(diǎn):

1)τ-p域多次波周期性強(qiáng),在進(jìn)行波場延拓時精度較高。

2) 合成數(shù)據(jù)及實際數(shù)據(jù)測試表明,該技術(shù)能較好地壓制OBC數(shù)據(jù)中的水層多次波。

3) 需要說明的是,本文所采用的淺水多次波壓制方法只針對在海底和海面間產(chǎn)生的多次波,同時只適應(yīng)水平海底的淺水區(qū),對其它自由表面多次波和層間多次波沒有效果。所以本文方法不能代替常規(guī)的多次波壓制方法,將本文方法與其它多次波壓制方法進(jìn)行組合壓制多次波效果更佳。

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(編輯：陳 杰)

Water layer multiple attenuation technique for OBC seismic data in shallow water area and its application

ZHANG Xingyan1,2,PAN Dongming1,SHI Wenying2,DAN Zhiwei2,FANG Zhongyu2, LI Lie3,YUAN Quanshe3

(1.ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.Development&ProspectingGeophysicalInstitute,CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Zhanjiang524057,China;3.ZhanjiangBranch,CNOOCLtd.,Zhanjiang524057,China)

Water layer multiples develop most and energy strongest in ocean bottom cable (OBC) seismic data,especially in the shallow water area with water depth less than 100m.We proposed a method of ocean bottom cable shallow water de-multiple to suppress the water layer multiples of OBC seismic data in shallow water areas.The method is water layer model-driven,which uses the wavefield continuation inτ-pdomain to build an initial multiple model of water layer multiples of OBC seismic data firstly.Then the multi-channel equalization matched filtering technique is applied to match the multiple model and seismic data.Finally,the multiple is removed from OBC seismic data.The application results on model data and real data show that our technique can effectively suppress water layer multiples for OBC seismic data in shallow water areas,and improve the quality of OBC seismic data.

ocean bottom cable (OBC),water layer multiple,shallow water area,water model,τ-pdomain

2015-12-03;改回日期：2016-04-06。

張興巖(1982—),男,博士在讀,主要研究方向為海上地震數(shù)據(jù)處理。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(2015XKMS036)和中海油總公司科研項目(CNOOC-KJ125ZDXM06LTDNFCJF2012-01)共同資助。

This research is financially supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No.2015XKMS036) and the Scientific Research Project of China National Offshore Oil Corporation (Grant No.CNOOC-KJ125ZDXM06LTDNFCJF2012-01).

P631

A

1000-1441(2016)06-0816-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.06.006