基于變水速模型驅(qū)動(dòng)的深水水層多次波壓制技術(shù)研究與應(yīng)用

張治忠,尹 成,謝 嵐,李三福,劉金朋,覃殿明,趙 明

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川成都610599;2.中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司,廣東湛江524057;3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部資料解釋中心,河北燕郊056001)

隨著海洋油氣勘探技術(shù)的不斷發(fā)展,規(guī)模、產(chǎn)能巨大的海上油氣田不斷發(fā)現(xiàn),越來越多的人力、技術(shù)、資金被吸引到海洋油氣勘探開發(fā)中[1-3]。目前,深水油氣地震勘探技術(shù)主要借鑒淺水勘探的經(jīng)驗(yàn)方法。但是深水地震勘探不可能完全照搬淺水勘探經(jīng)驗(yàn),因?yàn)樯钏卣鹂碧酱嬖谄洫?dú)有特性。如深水水層與淺水水層就有很大差異,一般情況下認(rèn)為淺水水層是均質(zhì)層,地震波在水層中沿簡單的直射線傳播,常水速可代替整個(gè)水層速度。因此淺水水層多次波衰減只需求得常水速、海底深度就能準(zhǔn)確預(yù)測出多次波在水層中的旅行時(shí),然后根據(jù)旅行時(shí)在τ-p域延拓地震數(shù)據(jù)得到水層多次波模型。這就是具有針對性的壓制淺水水層多次波的方法SWMA。但對于深水而言,水層并不是一個(gè)均質(zhì)體,而是一個(gè)變速體,即地震波在水層中沿復(fù)雜折射線傳播,單一速度無法準(zhǔn)確計(jì)算出地震波在深水水層中的旅行時(shí)。所以SWMA方法無法準(zhǔn)確預(yù)測深水水層多次波模型,不能有效壓制深水水層多次波。水層多次波由反射系數(shù)最大的海平面、海底震蕩產(chǎn)生,在Q值極大的水層中形成,在各類多次波中能量最強(qiáng)且分布最廣,如果無法有效將其壓制則會(huì)嚴(yán)重影響后期成像結(jié)果的真實(shí)性和可靠性[4]。

傳統(tǒng)的SRME方法通過數(shù)據(jù)本身褶積壓制深水水層多次波[5-7],但該方法不具針對性。其一,SRME是壓制自由界面相關(guān)多次波,不是針對水層相關(guān)多次波設(shè)計(jì);其二,SRME要取得最佳效果首先要求參與預(yù)測的多道數(shù)據(jù)的子波具有一致性,然后要求預(yù)測多次波的子反射能夠被電纜接收,最后要求采集數(shù)據(jù)規(guī)則化,即炮檢等距的規(guī)則觀測,可實(shí)際地震采集很難滿足以上要求[8-11]。因此SRME方法壓制水層多次波無法取得最佳效果。

考慮到深水水層特性和SRME方法的局限性,本文提出了具有針對性的深水水層多次波壓制技術(shù),即DWME技術(shù)。該技術(shù)基于變水速模型,在τ-p域?qū)⒌卣饠?shù)據(jù)按水層旅行時(shí)進(jìn)行波場延拓,預(yù)測出多次波模型,并應(yīng)用自適應(yīng)濾波法減去多次波模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深水水層多次波衰減。最后應(yīng)用該技術(shù)解決了海外某工區(qū)因水層多次波干擾使中深層成像模糊的問題。

1 方法原理

1.1 DWME預(yù)測多次波模型

DWME預(yù)測多次波模型利用炮集數(shù)據(jù)進(jìn)行τ-p域波場延拓來完成,延拓周期為地震波水層旅行時(shí)。選擇τ-p域進(jìn)行模型預(yù)測,是因?yàn)樵讦?p域中地震數(shù)據(jù)有效信號與水層多次波信號的周期性比時(shí)間域周期性好,時(shí)間域有效信號與水層多次波信號的周期性隨著偏移距變大而變差[12],而τ-p域中近中遠(yuǎn)偏移內(nèi)有效信號與水層多次波信號都具有嚴(yán)格的周期性[13]。τ-p域中地震數(shù)據(jù)擁有的這種良好特性對水層多次波預(yù)測非常有利,只需通過水速、水深就可以計(jì)算出水層多次波周期,再由該周期快速預(yù)測出各級次水層相關(guān)多次波。預(yù)測出水層多次波模型后,利用自適應(yīng)匹配濾波將水層多次波從地震數(shù)據(jù)中減去即完成多次波衰減。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

首先將時(shí)間域地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到τ-p域:

(1)

式中:φ(t,x)表示t-x域地震數(shù)據(jù);φ(τ,p)表示τ-p域地震數(shù)據(jù)。公式(1)是將t-x域地震數(shù)據(jù)沿時(shí)間函數(shù)t進(jìn)行積分。假設(shè)時(shí)間函數(shù)t的方程為t=τ+px,那么p表示時(shí)間函數(shù)的斜率,p=dt/dx。將p代入公式(1)即可得到常用的τ-p變換公式[14]:

(2)

τ-p變換公式的反變換公式如下[15]:

(3)

利用τ-p域變換后的地震數(shù)據(jù)構(gòu)建深水水層模型時(shí),必須已知水深和變水速(圖1)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中水深參數(shù)可以通過動(dòng)校后近道作自相關(guān)獲取,而深水水速不是定值,需要計(jì)算一個(gè)定值水速作為深水變水速的等效水速。等效水速是指地震波以其傳播的旅行時(shí)與實(shí)際變水速傳播的旅行時(shí)相同或近似的一個(gè)速度,該速度可有兩種方式獲得。

1) 有水層實(shí)測速度時(shí),可將連續(xù)變化的水層速度簡化成多層常速度組合,然后求取均值,具體計(jì)算公式如下:

式中:t0表示海底雙程旅行時(shí)時(shí)間;tp表示延拓周期;vw表示等效速度;h表示水層總厚度;n表示水層第n層。

2) 如果沒有水層實(shí)測速度,則選擇能使道集或炮集海底動(dòng)校拉平的速度,將這個(gè)速度乘以一個(gè)在1附近微小擾動(dòng)的系數(shù),最終通過預(yù)測出的多次波模型是否與原始數(shù)據(jù)多次波時(shí)間匹配,確定變水速系數(shù)的具體值。

水深、等效速度獲取后即可準(zhǔn)確計(jì)算出深水水層地震波傳播周期。然后將地震波場在τ-p域中延拓一個(gè)地震波傳播周期,得到各地震波相關(guān)水層多次波模型。圖2為利用簡圖表示的τ-p域變換和波場延拓[16]。

利用公式(4)計(jì)算出的延拓周期,將多次波壓制前炮集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到τ-p域進(jìn)行波場延拓,延拓公式如下:

(6)

式中:φM(τ,p)表示水層多次波模型;λ0表示海底反射系數(shù),該系數(shù)根據(jù)工區(qū)情況給一定值,一般取0.2～0.3;φ(τ,p)表示多次波壓制前τ-p域炮集數(shù)據(jù)。

圖1 常水速地震波旅行時(shí)(a)與變水速地震波旅行時(shí)(b)

圖2 地震數(shù)據(jù)τ -p域變換及波場延拓

1.2 自適應(yīng)匹配相減濾波

自適應(yīng)匹配相減濾波能在減去水層多次波模型的同時(shí)較好地保護(hù)有效信號。因?yàn)橄鄿p濾波首先進(jìn)行多道自適應(yīng)匹配,對模型數(shù)據(jù)各道子波進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將滿足相鄰道具有連續(xù)性的水層多次波模型地震數(shù)據(jù)保留下來;然后通過多道能量均衡使地震數(shù)據(jù)與多次波模型數(shù)據(jù)滿足子波一致的條件。地震數(shù)據(jù)完成自適應(yīng)匹配后,在給定的時(shí)窗內(nèi)有較強(qiáng)的正交性,能準(zhǔn)確減去多次波并保護(hù)有效信號[17-19]。設(shè)地震數(shù)據(jù)有k道,衰減掉多次波后的地震數(shù)據(jù)用公式表示為:

(7)

其中,i=1,2,…,k;t=1,2,…,n。

(8)

其中,i=1,2,…,k;t=1,2,…,n。

式中:di(t)表示第i道地震數(shù)據(jù);mi(t)表示與di(t)對應(yīng)的多次波模型數(shù)據(jù);s(t)表示自適應(yīng)濾波器;m0i(t)表示匹配后多次波模型數(shù)據(jù)。公式(7)中自適應(yīng)濾波器s(t)的求取是影響相減效果的關(guān)鍵。本文根據(jù)多次波壓制后地震數(shù)據(jù)有能量最小的規(guī)律,利用公式(7)的最小二乘解來得到自適應(yīng)濾波器。公式如下:

(9)

式中:E表示多次波壓制后地震數(shù)據(jù)的最小能量值。

求取濾波器s(t)的過程與最小平方反褶積運(yùn)算的過程類似[20-21]。將mi(t)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的矩陣M:

(10)

(11)

由此得到解:

(12)

式中:MTM為所預(yù)測多次波模型的自相關(guān);自相關(guān)矩陣MTM具有托布里茲矩陣的特殊結(jié)構(gòu),可以用Levinson遞推算法求解。為使自相關(guān)矩陣MTM逆

的求取過程更加穩(wěn)定,公式(12)中加入了阻尼約束算子λI。MTdi(t)為所預(yù)測多次波模型數(shù)據(jù)與輸入地震數(shù)據(jù)的互相關(guān)。

2 理論模型驗(yàn)證

圖3為深水地震地質(zhì)模型。該模型水深600m;水速從海平面1500m/s到海底逐漸降為1400m/s;海底平緩;接近海底地層中存在2個(gè)地質(zhì)體;地質(zhì)體以下地層構(gòu)造復(fù)雜。經(jīng)波動(dòng)方程正演得到疊加剖面[22],如圖4所示。圖4a是將圖3海面定義為吸收邊界正演得到的疊加剖面,剖面中不含水層多次波,僅存在層間多次波;圖4b是將圖3海面定義為自由界面正演得到的疊加剖面,剖面中水層多次波能量強(qiáng)、分布廣。理論模型驗(yàn)證時(shí),考慮到深水水層多次波壓制常用方法主要為SRME方法,而沒有其它針對性方法,因此主要測試了SRME與DWME壓制深水水層多次波的效果,以此說明DWME方法壓制深水水層多次波的可行性及有效性。

圖3 深水地震地質(zhì)模型

圖4 不含水層多次波(a)及含水層多次波(b)正演疊加剖面

圖5a為含水層多次波的正演炮集,圖5b和圖5c 分別為SRME與DWME兩種方法的多次波模型預(yù)測結(jié)果。對比圖5b與圖5c可見:圖5c上假頻少,同相軸聚焦,水層多次波能量與正演炮集水層多次波能量匹配度高,尤其是遠(yuǎn)偏移距預(yù)測出的多次波能量明顯優(yōu)于SRME預(yù)測結(jié)果,如圖5中箭頭所指示位置。

圖6a為多次波壓制前正演模擬疊加剖面,剖面中主要多次波都是地震波在水層震蕩產(chǎn)生的水層多次波;圖6b為SRME壓制多次波后的疊加剖面,可見SRME雖能壓制掉一部分水層多次波,但仍有水層多次波殘留;圖6c為DWME壓制多次波后的疊加剖面,圖中水層多次波壓制徹底,其疊加剖面形態(tài)與圖4a基本一致。理論模型測試結(jié)果說明水層多次波在深水地震資料中能量強(qiáng)、分布廣,從而嚴(yán)重影響了疊加剖面質(zhì)量(圖6a),并且進(jìn)一步說明了SRME壓制水層多次波的局限性(圖5b和圖6b)和DWME方法的有效性(圖6c)。

圖5 正演炮集多次波預(yù)測a 含水層多次波的正演炮集; b SRME預(yù)測多次波模型; c DWME預(yù)測多次波模型

圖6 DWME與SRME深水水層多次波壓制效果對比a 深水水層多次波壓制前疊加剖面; b SRME壓制深水水層多次波后疊加剖面; c DWME壓制深水水層多次波后疊加剖面

3 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際資料來自于海外某深水工區(qū),水深為500～1800m,水速為1410～1510m/s,水層速度變化強(qiáng)烈。水層多次波一直影響著該區(qū)地震資料的處理成果質(zhì)量,由于存在殘留的水層多次波,目前該區(qū)塊中深層成像結(jié)果有明顯模糊區(qū),無法有效識別中深層地層。本文應(yīng)用基于變水速模型驅(qū)動(dòng)的深水水層多次波壓制技術(shù)對該區(qū)塊水層多次波進(jìn)行壓制,并配合其它多次波壓制技術(shù)完成后續(xù)地震資料處理,大幅度提高了中深層地層成像品質(zhì)。

圖7比較了SWMA技術(shù)和DWME技術(shù)壓制深水水層多次波效果。圖7b為利用SWMA技術(shù)壓制深水水層多次波的結(jié)果,與圖7a形態(tài)幾乎一致,表明SWMA技術(shù)壓制深水水層多次波幾乎沒有效果。圖7c為應(yīng)用DWME技術(shù)壓制深水水層多次波的結(jié)果,其水層多次波壓制效果較好,與圖7a和圖7b對比差異明顯,如箭頭所指位置處。圖8對比了兩種方法預(yù)測的多次波模型。圖8b為SWMA預(yù)測出的多次波模型,遠(yuǎn)偏移距處多次波模型與原始數(shù)據(jù)的多次波時(shí)差達(dá)100ms,該模型應(yīng)用自適應(yīng)濾波時(shí)將無法有效地與原始地震數(shù)據(jù)匹配相減,而DWME預(yù)測的多次波(圖8c) 時(shí)間幾乎與原始地震數(shù)據(jù)的多次波完全匹配。造成這種差異的主要原因是SWMA沒有考慮

到深水水速并非常數(shù)(1500m/s),如果利用1500m/s的速度計(jì)算深水水層多次波旅行時(shí),其旅行時(shí)一定不準(zhǔn)確,以致出現(xiàn)圖8b結(jié)果。

按照傳統(tǒng)處理方法,水層多次波被認(rèn)為是自由界面多次波中的一種。海洋地震勘探中自由界面是指海面、海底,自由界面多次波是指水層多次波、水層多次波以外自由界面多次波,應(yīng)用SRME進(jìn)行自由界面多次波壓制可以認(rèn)為深水水層多次波也被衰減。但模型試算表明,SRME對于深水水層多次波壓制沒有針對性,本文在應(yīng)用SRME前應(yīng)用DWME壓制了深水水層多次波(圖9)。圖9a為多次波未壓制炮集;圖9b為SRME壓制自由界面多次波后的炮集,箭頭所指位置發(fā)現(xiàn)有水層多次波殘留;圖9c為DWME與SMRE組合壓制自由界面多次波的結(jié)果,未發(fā)現(xiàn)水層多次波的殘留。圖9a至圖9c炮集經(jīng)疊加處理分別對應(yīng)圖10a至圖10c疊加剖面。從圖10c的疊加剖面上可直觀看出利用DWME技術(shù)壓制自由界面多次波的效果。另外從圖10c還可以看出,加入DWME后不僅使自由界面多次波壓制效果更好,而且使深層多次波覆蓋下的有效波可以清晰辨別,如在圖中箭頭所指處可快速分辨出一套有效波組。

圖8 多次波模型預(yù)測a 深水水層多次波未壓制的炮集; b SWMA預(yù)測深水水層多次波模型; c DWME預(yù)測深水水層多次波模型

深水水層多次波壓制后,利用常規(guī)流程完成后續(xù)處理,得到了最終處理成果剖面如圖11所示。圖11

圖9 炮集多次波衰減效果a 多次波未壓制的炮集; b SRME壓制自由界面多次波后的炮集; c DWME與SRME組合壓制自由界面多次波后的炮集

圖10 疊加剖面多次波衰減效果a 多次波未壓制的疊加剖面; b SRME壓制自由界面多次波后疊加剖面; c DWME與SRME組合壓制自由界面多次波后疊加剖面

中兩個(gè)成果剖面的處理流程基本相同,不同之處是圖11b 增加了深水水層多次波壓制處理。圖11a成果剖面上中深層存在明顯模糊區(qū),該處存在水層多次波殘留干擾,嚴(yán)重影響了中深層地層成像質(zhì)量;而圖11b 中深層無水層多次波殘留,成像可靠,非常利于后期區(qū)域油氣評價(jià)。

4 結(jié)束語

通過理論模型測試及海外某工區(qū)實(shí)際深水地震資料驗(yàn)證,說明DWME方法相對傳統(tǒng)SRME方法可以更好地壓制深水水層多次波,并能有效提高深水水層多次波影響嚴(yán)重區(qū)域地震資料成像品質(zhì)。該方法在壓制深水水層多次波方面具有很強(qiáng)的針對性。

本文開發(fā)技術(shù)只適用于深水水層多次波壓制,不能壓制除水層多次波以外的自由界面多次波、繞射多次波、層間多次波。因此需組合其它具有針對性的多次波壓制技術(shù)才能有效壓制深水各類型多次波。

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