海洋地震采集足跡成因分析及衰減方法*

王 征 金翔龍 方念喬 張金淼 徐 強(qiáng) 陳文貴

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京 100083； 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459； 3. 國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 310012；4. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 浙江杭州 310012； 5. 中海油研究總院 北京 100028)

海洋地震采集足跡成因分析及衰減方法*

王 征1，2金翔龍1，3，4方念喬1張金淼5徐 強(qiáng)2陳文貴2

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京 100083； 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459； 3. 國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 310012；4. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 浙江杭州 310012； 5. 中海油研究總院 北京 100028)

受采集設(shè)備性能非一致性和采集環(huán)境變化的影響，海洋地震勘探資料中會(huì)留下采集足跡，從而對(duì)地震資料成像精度和地質(zhì)解釋結(jié)論造成不利影響，進(jìn)而影響巖石物理分析、油氣藏落實(shí)和井位選擇等。分析了產(chǎn)生采集足跡的幾種主要因素及其影響程度，提出了針對(duì)潮汐影響、設(shè)備及環(huán)境影響、水速影響及觀測(cè)系統(tǒng)影響所造成的采集足跡的衰減方法。實(shí)際資料處理結(jié)果表明，本文提出的幾種方法的組合應(yīng)用能有效衰減海洋地震勘探中的采集足跡，提高地震資料的成像精度。

海洋地震；采集足跡；影響因素；衰減方法

隨著高精度地震勘探技術(shù)的發(fā)展[1-4]和面向開發(fā)的地震勘探需求的不斷增長(zhǎng)，采集足跡對(duì)地震資料成像的影響問題越來(lái)越突出，它會(huì)引起振幅變化異常、同相軸錯(cuò)斷、斷層變形等現(xiàn)象。有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響斷層劃分、巖性分析以及低幅度構(gòu)造判斷，進(jìn)而影響巖石物理分析、油氣藏落實(shí)、井位選擇等。因此，探討海洋地震采集足跡的成因和衰減方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在一個(gè)工區(qū)施工中，采集環(huán)境變化、設(shè)備自身響應(yīng)、觀測(cè)系統(tǒng)和地質(zhì)因素等差異會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)間采集的地震采集資料的差異，一般會(huì)以采集足跡的形式表現(xiàn)出來(lái)。本文首先對(duì)拖纜和海底電纜(OBC)采集足跡的成因進(jìn)行了分析，探討了不同因素對(duì)地震資料成像和解釋的影響程度，進(jìn)而綜合生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用給出了針對(duì)目前已知成因的采集足跡的衰減方法，并從減少采集足跡影響的角度給出了一些建議。

1 采集足跡成因及影響分析

1.1 采集足跡成因

采集足跡的成因非常復(fù)雜，已知的影響因素主要可分為環(huán)境因素和設(shè)備因素兩類。設(shè)備因素影響相對(duì)簡(jiǎn)單。其中，激發(fā)端主要包含不同炮點(diǎn)(線)間激發(fā)能量、子波等變化和空氣槍沉放深度的變化等；接收端主要包括不同檢波點(diǎn)(線)間檢波器靈敏度的不同以及由于接收纜受力不同引起的檢波器噪音感應(yīng)變化和電纜沉放深度的變化等。圖1為4條拖纜檢波器的靈敏度對(duì)比，可見相近排列距離的檢波器靈敏度最大差異達(dá)5 dB左右。環(huán)境因素較為復(fù)雜，包含了潮汐、采集方向、風(fēng)浪變化、海水溫度和海水含鹽度[5-6]、環(huán)境噪音、定位系統(tǒng)誤差、觀測(cè)系統(tǒng)影響、采集參數(shù)變化等。圖2為海底電纜雙纜接收12炮線的束線觀測(cè)系統(tǒng)偏移成像剖面，可見觀測(cè)系統(tǒng)影響的類似垂直斷層假象嚴(yán)重影響淺層資料品質(zhì)。另外，由于巖石物理性質(zhì)的復(fù)雜性和觀測(cè)系統(tǒng)的局限性，炮檢互換也會(huì)形成差異(即不同采集方向會(huì)造成采集足跡)；不同方位采集的地震資料由于方位各向異性的存在，也會(huì)表現(xiàn)為類似足跡的影響。

圖1 4條拖纜檢波器靈敏度差異Fig .1 Difference of receivers sensitivity of four towropes

圖2 接收線間距較寬時(shí)束線采集觀測(cè)系統(tǒng)的足跡影響Fig .2 Acquisition footprint impact of swath geometry with wider receiving line spacing

1.2 采集足跡影響分析

各種影響因素在地震資料上留下的“足跡”不同，有些會(huì)造成非地質(zhì)因素影響的振幅變化，有些會(huì)造成相位的漂移，有些會(huì)造成時(shí)差錯(cuò)動(dòng)。

1) 潮汐的影響。潮汐的影響在海洋地震采集中是非常強(qiáng)烈的，以渤海為例，潮差可達(dá)5 m左右，也就是說(shuō)潮汐可產(chǎn)生約4 ms的時(shí)差，造成相鄰測(cè)線間同相軸產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，形成垂直狀的假“斷層”。

2) 設(shè)備及環(huán)境的影響。采集過程中受內(nèi)外界因素影響引起的地震記錄能量變化和噪音水平的變化也是不容忽略的，如果不進(jìn)行相應(yīng)的處理，不僅會(huì)留下嚴(yán)重的足跡，而且直接影響到保幅處理的效果。圖3顯示了連續(xù)采集的資料受采集因素變化影響而造成剖面上箭頭所指兩側(cè)能量的跳變。

3) 水速的影響。隨著季節(jié)的變化，海水溫度、含鹽度等變化引起聲波在水中傳播速度的變化也是非常可觀的，渤海某工區(qū)采集過程中的實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示，在電纜沉放深度處聲波對(duì)海水速度夏天為1 580 m/s，冬天為1 430 m/s，相差150 m/s。近年來(lái),有一些大面積三維工區(qū)需要跨年度施工，且由于漁業(yè)干擾嚴(yán)重，施工次序無(wú)法完全按計(jì)劃進(jìn)行，相鄰測(cè)線間采集時(shí)間間隔長(zhǎng)的情況時(shí)有發(fā)生。以水深30 m、最小偏移距200 m的采集條件為例，按上述測(cè)得的聲波對(duì)水速度變化值計(jì)算(最大相差150 m/s)，其引起的近道時(shí)差最大達(dá)到14 ms，這對(duì)處理的影響是非常嚴(yán)重的。

圖3 采集因素變化影響造成噪音水平不同F(xiàn)ig .3 Noise energy changing affected by acquisition factors

4) 觀測(cè)系統(tǒng)的影響。無(wú)論是拖纜還是OBC采集，觀測(cè)系統(tǒng)本身都會(huì)在地震數(shù)據(jù)中留下明顯的烙印，而且炮線間距或纜間距過大時(shí)足跡會(huì)更加明顯。圖4顯示的是雙線12炮束線采集，600 m接收線距時(shí)，采集足跡表現(xiàn)為明顯的束狀條帶形能量不均分布，剖面中接收線附近地震道由于近偏移距豐富而表現(xiàn)為能量較強(qiáng)，2條接收線中間部位由于近偏移距道少而表現(xiàn)為能量較弱。

圖4 雙纜束線采集接收線距過大時(shí)產(chǎn)生的條帶狀采集足跡Fig .4 A ribbon footprint of dual cables swath geometry with the wider receiving line spacing

2 采集足跡衰減方法

采集足跡對(duì)地震資料成像的影響是非常嚴(yán)重的，尤其是中淺層。近年來(lái)各地球物理處理軟件開發(fā)公司針對(duì)削弱采集足跡影響開發(fā)了一些方法，如三維F-K濾波、均方根噪音最小化足跡衰減等[7-10]，將采集足跡作為一種噪音在疊前或疊后處理中加以衰減，一般用在處理流程的中后期，注重批量處理，多為“表面修復(fù)”。有學(xué)者從采集足跡的成因入手，研究了由水速和采集觀測(cè)系統(tǒng)引起的采集足跡衰減方法，采用靜校正等方法對(duì)采集足跡進(jìn)行衰減，取得了較好效果[11]。本文針對(duì)采集足跡成因多樣性的特點(diǎn)，按照造成采集足跡的幾種主要因素分類，探討相應(yīng)的衰減處理方法。

2.1 潮汐的影響

我國(guó)近海地震勘探中潮汐變化帶來(lái)的時(shí)差是比較明顯的，能達(dá)到2～4 ms。由于潮汐的影響是隨時(shí)間軸規(guī)律變化，因此可在工區(qū)內(nèi)安放驗(yàn)潮儀或通過高精度差分GPS高程測(cè)量等方式獲得實(shí)時(shí)潮汐變化，進(jìn)而按采集時(shí)間序列對(duì)震源和檢波點(diǎn)應(yīng)用潮汐靜校正[12]。但是，不建議按潮汐表進(jìn)行靜校正，這是因?yàn)閷?shí)際的潮汐變化與潮汐表會(huì)存在時(shí)差，而且受短期偶然性的氣候變化影響，這一時(shí)差也不恒定，潮汐幅度和高低潮時(shí)間在實(shí)際測(cè)量中也都會(huì)發(fā)生改變。

在工區(qū)海底地形較為平緩時(shí)(我國(guó)近海淺水探區(qū)基本上滿足這一假設(shè)條件)，采用施工中獲得的海底測(cè)深數(shù)據(jù)(地震采集施工中都要求實(shí)時(shí)采集海水深度數(shù)據(jù))，通過單條施工測(cè)線在主測(cè)線方向輕微平滑消除測(cè)量高頻噪音和波浪影響，再通過在聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向大半徑平滑過濾掉潮汐的影響，得到反映海底地形的三維曲面數(shù)據(jù)體，2次平滑結(jié)果相減即可獲得每條施工測(cè)線的潮汐校正值[13]。該方法可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)中應(yīng)用效果較好。如圖5所示，經(jīng)過潮汐校正后，時(shí)間切片上由于不同航次不同潮汐狀態(tài)采集造成的條帶狀足跡得到了明顯衰減。

2.2 設(shè)備及環(huán)境的影響

設(shè)備及環(huán)境影響會(huì)引起不同地震道間、炮間、接收纜間、采集航次間、束線間振幅的非地質(zhì)因素變化。受此影響，盡管沒有時(shí)差，也會(huì)產(chǎn)生明顯的采集足跡，有時(shí)偏移以后會(huì)更加明顯。對(duì)于噪音水平不一致情況，應(yīng)先進(jìn)行針對(duì)性去噪，然后再進(jìn)行振幅校正補(bǔ)償處理。通過道間、炮間、炮(檢波)線間地震資料均方根振幅比較，求取振幅校正因子并應(yīng)用于地震道，可得到局部能量校正的輸出結(jié)果。如圖6所示，由于每段接收電纜的靈敏度不同，采集單炮中存在振幅差異(圖6a)，經(jīng)過均方根振幅校正處理可以獲得較好的能量補(bǔ)償(圖6b)，再通過地表一致性振幅校正處理可以整體解決采集造成的振幅差異。

圖5 利用水深數(shù)據(jù)平滑進(jìn)行潮汐校正前后疊加數(shù)據(jù)時(shí)間切片對(duì)比Fig .5 Time slices comparison of stack volume before and after tidal correction by appling the water depth data smoothing

圖6 地震道間振幅校正前后炮集對(duì)比Fig .6 Shot gathers comparsion before and after amplitude correction between the seismic traces

2.3 水速的影響

采集過程中由于各種原因引起的聲波對(duì)海水的傳播速度變化都會(huì)累計(jì)在地震資料中，造成相鄰(或重疊在一起)的測(cè)線間存在速度差異，無(wú)法用同一水速進(jìn)行動(dòng)校正，這時(shí)可以通過冷水校正的方法進(jìn)行解決[14],即用一個(gè)空間常量的參考水速代替每條測(cè)線實(shí)際測(cè)得的水速。水速替換的具體步驟為：首先用測(cè)得的實(shí)際水速做動(dòng)校正;然后用實(shí)際水速和參考水速分別求取零偏移距處的水底雙程旅行時(shí)，用兩者的時(shí)差對(duì)動(dòng)校正道集進(jìn)行靜校正；最后用參考速度進(jìn)行反動(dòng)校正。圖7展示了水速校正前后的疊加剖面，校正前海底附近同相軸參差不齊且造成了錯(cuò)斷現(xiàn)象，校正后這種現(xiàn)象得到了明顯改善。

圖7 聲速(海水中)校正前后疊加剖面對(duì)比Fig .7 Stack sections comparsion before and after sound velocity (in sea water) correction

2.4 觀測(cè)系統(tǒng)的影響

觀測(cè)系統(tǒng)造成的采集足跡主要是由于空間采樣的密度不足和采集資料空間分布不均勻引起的。通過五維高精度插值處理[15]和面元內(nèi)地震道規(guī)則化、中心化[16]，插值補(bǔ)齊所欠缺的地震道，去掉某些偏移距組中的冗余道，在需要時(shí)進(jìn)行空間插值、數(shù)據(jù)加密，能夠較好地削弱觀測(cè)系統(tǒng)造成的采集足跡，尤其是對(duì)海底電纜采集的資料效果明顯。

3 應(yīng)用效果

工區(qū)A為海底電纜單邊接收的束線形式施工，纜間距為600 m，兩纜間布置12條炮線，雖然覆蓋次數(shù)相同，但兩纜中間部分的面元中缺少近道數(shù)據(jù)，二次處理中通過高精度的插值和面元中心化處理，很好地削弱了條帶狀的采集足跡影響，再現(xiàn)了真實(shí)的斷裂系統(tǒng)特征(圖8)。

圖8 觀測(cè)系統(tǒng)引起的采集足跡衰減前后時(shí)間切片對(duì)比(工區(qū)A)Fig .8 Time slices comparsion before and after the attenuation of acquisition footprint caused by geometry(work area A)

工區(qū)B為常規(guī)拖纜采集，施工歷時(shí)近2年，經(jīng)歷了不同季節(jié)，受到了嚴(yán)重的漁業(yè)干擾，局部區(qū)域測(cè)線施工次序冬夏重疊，高潮低潮重疊，因而采集足跡影響比較嚴(yán)重，在未經(jīng)校正的處理結(jié)果上形成了垂直“斷層”。經(jīng)過潮汐校正、水速校正及高精度面元中心化插值等處理后，與原先的處理成像結(jié)果對(duì)比，采集足跡得到很好的衰減，“垂直斷層”假象得到了消除，分辨率也得到了改善(圖9)。

圖9 潮汐、水速等差異引起的采集足跡衰減前后 地震成像對(duì)比(工區(qū)B)Fig .9 Seismic image comparsion before and after the attenuation of acquisition footprint caused by the discrepancy of tidal and sound velocity(work area B)

4 結(jié)論與建議

分析了海洋地震采集足跡形成的主要因素，并針對(duì)4種主要成因提出了對(duì)應(yīng)的衰減方法。對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用表明，本文提出的潮汐校正、能量變化校正、水速校正、高精度插值等處理技術(shù)，可以有效衰減采集足跡，從而保證地震數(shù)據(jù)成像的正確性。

但到目前為止，采集足跡仍然是一個(gè)不能完全從處理上消除的現(xiàn)象。因此，應(yīng)從采集入手，盡量保證工區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)采集在空間上均勻和在時(shí)間上連續(xù)，這是降低采集足跡影響最直接的方法。建議采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡量做到空間采樣均勻，偏移距分布均勻，相鄰束線間施工時(shí)間間隔不要太長(zhǎng)，且同一時(shí)間段內(nèi)盡量連片施工。

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(編輯：馮 娜)

Cause analysis and attenuation of the marine seismic acquisition footprint

WANG Zheng1，2JIN Xianglong1,3,4FANG Nianqiao1ZHANG Jinmiao5XU Qiang2CHEN Wengui2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 2.COSL,Tianjin300459,China; 3.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences,SOA,Hangzhou,Zhejiang310012,China; 4.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou,Zhejiang310012,China; 5.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The acquisition footprint in marine seismic data due to the inconsistency of equipment and acquisition environment variation adversely affects the seismic image and geology interpretation, and then affects the rock physical analysis, reservoir prediction and well position selection. In this paper, the main contributing factors of the footprint and their influences on imaging are analyzed, and the attenuation methods are discussed according to the genetic classification of footprints, such as tidal impact, equipment, sea water velocity variation and observation system. Actual data processing results show that the combined application of the methods can effectively attenuate the acquisition footprint of marine seismic exploration and improve the seismic data imaging precision.

marine seismic; acquisition footprint; influence factor; attenuation method

王征，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋科學(xué)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事地球物理方法研究。地址：天津市濱海新區(qū)塘沽海洋高新區(qū)海川路1581號(hào)(郵編：300459)。E-mail：decon163@163.com。

1673-1506(2017)03-0025-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.004

P631.4

A

2016-11-10 改回日期：2017-01-13

*“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“中國(guó)近海中深層地震勘探關(guān)鍵技術(shù)(編號(hào)：2016ZX05024-001)”部分研究成果。

王征,金翔龍,方念喬，等.海洋地震采集足跡成因分析及衰減方法[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(3)：25-30.

WANG Zheng,JIN Xianglong,FANG Nianqiao,et al.Cause analysis and attenuation of the marine seismic acquisition footprint[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):25-30.