南海淺水區(qū)域三維τ -p域鬼波壓制分析?

謝玉洪，張迎朝,李 列,歐陽敏,譚 軍，方中于,李三福,張健男

(1.中國海洋石油集團(tuán)有限公司,北京 100010;2.中國海洋石油湛江分公司,廣東 湛江 524057;3.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266100;4.中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100;5.中海油服物探事業(yè)部特普公司,廣東 湛江 524057)

三維地震勘探工區(qū)位于珠三拗陷中部文昌A凹陷，主要發(fā)育文昌組、恩平組兩套四種類型的烴源巖[1]，并具有中新統(tǒng)珠江組海相砂巖儲(chǔ)集層與海侵泥巖蓋層[2]，從而形成良好的生、儲(chǔ)、蓋成藏組合。該區(qū)域還發(fā)育一系列背斜、斷背斜及斷塊構(gòu)造等圈閉[1]，構(gòu)成了“下生上儲(chǔ)，陸生海儲(chǔ)”的古近-新近系含油氣系統(tǒng)及油氣聚集區(qū)。文昌A凹陷低壓構(gòu)造脊帶呈北東向展布，形成了多個(gè)局部構(gòu)造，其中存在低幅度小背斜和異常體。該區(qū)三維地震資料分別為三個(gè)年度采集，部分年度的數(shù)據(jù)質(zhì)量差、信噪比低，導(dǎo)致常規(guī)地震處理結(jié)果為圈閉落實(shí)、有利目標(biāo)評價(jià)帶來極大困難。

在海洋地震勘探中，需將震源和檢波器放置于海平面以下一定深度。氣槍震源激發(fā)的能量其中一部分直接向上傳播到海面，然后發(fā)生反射并向地下深部傳播，遇到地下界面再反射回來被電纜檢波器所接收，形成尾隨于一次反射波之后的震源鬼波；與此類似，震源激發(fā)后能量向下傳播，遇到地下界面后反射回海面，再發(fā)生下行反射后被電纜檢波器所接收，同樣會(huì)形成位于一次反射波之后的電纜鬼波[3]。由于鬼波的波形、頻率、視速度等均與一次反射波接近，其不但導(dǎo)致地震資料出現(xiàn)陷頻，還造成地震資料出現(xiàn)多軸、多相位現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響局部構(gòu)造解釋——尤其會(huì)誤導(dǎo)針對低幅度小背斜、異常體的識(shí)別分析。

為了實(shí)現(xiàn)鬼波的壓制處理，進(jìn)而獲得具有較寬頻帶的地震資料，國內(nèi)外的地球物理學(xué)家提出了聯(lián)合反褶積鬼波壓制[4-7]、基于格林定理的鬼波壓制[8-13]以及基于逆散射級數(shù)法的鬼波壓制[14-17]等多類方法。上述各類方法中，聯(lián)合反褶積具有明顯的效率優(yōu)勢，當(dāng)虛反射與一次波時(shí)差較小(譬如海上常規(guī)拖纜地震)時(shí)，若能夠求出較為準(zhǔn)確的虛反射時(shí)間延遲量，可獲得理想的鬼波壓制效果。在頻率——空間域聯(lián)合反褶積鬼波壓制方法[18-19]的基礎(chǔ)上，Wang等[20-21]提出了在F-K域、τ -p域進(jìn)行的聯(lián)合反褶積鬼波壓制算法，將入射角引入到鬼波延遲時(shí)估算而減小了誤差，從而在實(shí)際地震處理中獲得了更優(yōu)的效果。

在淺水區(qū)域文昌A凹陷的三維地震資料鬼波壓制中，由于邊纜的縱向偏移距較大，相應(yīng)單纜記錄的二維τ -p變換結(jié)果出現(xiàn)了嚴(yán)重的空間假頻，致使基于二維τ -p變換的鬼波剔除遇到了困難。為此，本文實(shí)現(xiàn)了基于三維τ -p變換的鬼波壓制技術(shù)，然后對工區(qū)三個(gè)年度的三維地震資料進(jìn)行了鬼波壓制處理，其最終偏移數(shù)據(jù)體中緊隨一次波信號(hào)的鬼波同相軸旁瓣得到明顯壓制，地層反射更加清晰、信噪比顯著提高，從而驗(yàn)證了三維τ -p域鬼波壓制技術(shù)的有效性。

1 三維τ -p域鬼波壓制的基本原理

τ -p域鬼波壓制方法首先將偏移距域地震數(shù)據(jù)變換到τ -p域，即實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的平面波分解，然后對每個(gè)平面波分量進(jìn)行鬼波壓制。若已知震源(或檢波器)沉放深度與海水的地震波速，鬼波延遲時(shí)可視為波場入射(或出射)角度的函數(shù)。因此，在τ -p域可根據(jù)射線參數(shù)(水平慢度)p估計(jì)出具有不同入射(或出射)角度平面波分量的鬼波延遲時(shí)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)震源(或檢波器)鬼波的精準(zhǔn)壓制。

1.1 三維τ -p變換的基本原理

三維離散空間——時(shí)間域的τ -p正、反變換的計(jì)算公式[22]分別為

(1)

式中：d(x,y,t)為偏移距域數(shù)據(jù)；u(px,py,τ)為τ-p變換的結(jié)果；d′(x,y,t)為τ-p反變換的地震記錄；t為雙程旅行時(shí)，τ為雙程零偏移距旅行時(shí)；x、y分別為x、y方向的偏移距；px、py分別為x、y方向的射線參數(shù)(水平慢度)。

為了保證τ-p變換過程的穩(wěn)定性，令輸入記錄d(x,y,t)與反變換結(jié)果d′(x,y,t)的誤差平方和最小，從而導(dǎo)出頻率域的最小平方三維τ-p正、反變換的表達(dá)式[23-24]：

(2)

式中:d、u分別表示偏移距域、(2)τ-p域的單頻數(shù)據(jù)矩陣；d′為τ-p反變換的結(jié)果；β為常數(shù)，I表示單位矩陣；上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置；*表示復(fù)共軛。

根據(jù)偏移距信息(x,y)與射線參數(shù)(px,py)確定復(fù)矩陣L，即

L=

(3)

在公式(2)中，復(fù)矩陣LT*為L的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，因此有

LT*=

(4)

對于三維τ -p變換而言，由于射線參數(shù)P(px,py)的規(guī)模極為龐大，而輸入記錄與待求解的τ -p域數(shù)據(jù)中均存在大量零值，因此利用公式中第1個(gè)方程求取u的過程屬于大規(guī)模稀疏矩陣的線性方程組求解問題，通常采用共軛梯度法進(jìn)行迭代計(jì)算。

1.2 基于三維τ -p變換的鬼波壓制

在假設(shè)地震波的傳播滿足平面波的前提條件下，鬼波延遲時(shí)Δt(鬼波與一次波的旅行時(shí)差)僅與震源(或拖纜檢波器)沉放深度、地震波入射(或出射)角度有關(guān)。在圖1所示一次波與鬼波的傳播過程示意圖中，設(shè)震源的沉放深度為h，平面波的入射(或出射)角度為θ，則鬼波的延遲時(shí)Δt為

(5)

式中：h為震源(或拖纜檢波器)深度；v為地震波在水中傳播的速度。

圖1 平面波假設(shè)條件下的震源鬼波傳播過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the propagation of source ghost under the assumption of plane wave

在τ -p域中，射線參數(shù)p與地震波入射(或出射)角度θ存在以下關(guān)系

(6)

將式(6)代入到式(5)中，可得

(7)

在三維情況下，射線參數(shù)p可表示為

(8)

因此，三維情況下的鬼波延遲時(shí)Δt為

(9)

根據(jù)波場延拓理論，鬼波可視為一次波波場在海面發(fā)生下行反射所形成的下行波場，即

g(px,py,ω)=R(px,py,ω)u′(px,py,ω)e-iωΔt。

(10)

式中，g表示下行的鬼波波場；u′表示一次波波場；R為鬼波入射到平界面的反射系數(shù)，可基于Zoeppritz方程組予以求解，由于海面為自由界面，R通常取-1。因此，總波場u為

u(px,py,ω)=u′(px,py,ω)+g(px,py,ω)=

u′(px,py,ω)+

R(px,py,ω)u′(px,py,ω)e-iωΔt。

(11)

利用式可求出一次波波場，即消除鬼波后的結(jié)果

(12)

為簡便起見，通常利用鬼波算子G來描述形成鬼波的波場延拓過程，即

G(px,py,ω)=1+R(px,py,ω)e-iωΔt。

(13)

因此，式(12)所描述的鬼波壓制過程可簡單地表示為

(14)

其中ε為保證分母不為0的阻尼因子。

圖2展示了鬼波壓制的詳細(xì)流程，主要包括以下步驟：

①將包含多纜數(shù)據(jù)的三維炮集記錄由時(shí)間域變換到頻率域，針對每個(gè)頻率成分ω解方程u=(LT*L+βI)·LT*d(見公式(2))，即可獲得頻率域的τ -p域記錄。

圖2 τ -p域鬼波壓制流程圖Fig.2 The processing flow chart of τ -p domain deghosting

2 文昌A凹陷區(qū)域三維鬼波壓制分析

目標(biāo)工區(qū)具有三個(gè)時(shí)期采集的地震數(shù)據(jù)，其采集時(shí)間分別為1997、2006和2014年，且野外觀測參數(shù)具有明顯差異(見表1)。為了獲得較優(yōu)的成像效果，需要基于工區(qū)內(nèi)的三批數(shù)據(jù)進(jìn)行地震聯(lián)片處理。

表1 與鬼波壓制有關(guān)的野外采集參數(shù)Table 1 Acquisition parameters are related of deghosting

Note:①Year；②Cable number；③Trace number/Cable；④Cable interval；⑤Vertical minimum offset；⑥Vertical trace interval；⑦Source depth；⑧Receiver depth

輸入衰減多次波后的炮記錄，基于圖2所示的處理流程進(jìn)行鬼波壓制。為保證三維τ -p變換的精度，需采用較大的px、py值范圍與較小的px、py值間隔，通常根據(jù)主要反射同相軸在最大偏移距道中的時(shí)移量γ來描述τ -p變換參數(shù)：

其中，γx、γy分別為反射同相軸在X、Y方向最大偏移距道中的最大時(shí)移量，據(jù)此可求出射線參數(shù)p。

(15)

因此，根據(jù)表1中的野外觀測參數(shù)可計(jì)算出px、py的范圍與間隔。此外，在基于公式(14)進(jìn)行鬼波壓制時(shí)，為保證公式中分母不為0，設(shè)阻尼因子ε為0.01。

采用上述參數(shù)進(jìn)行三維τ -p域的鬼波壓制處理，圖2、3分別展示了鬼波壓制前、后的一組炮集記錄對比。為清晰起見，對圖3、4中所示數(shù)據(jù)的局部記錄(道號(hào)范圍：1～200，時(shí)間范圍：0～2 s)進(jìn)行放大顯示，分別見圖5、6。通過對比可知，輸入炮記錄中緊隨一次波信號(hào)的鬼波旁瓣得到明顯壓制，地震數(shù)據(jù)的信噪比顯著提高。抽取同震源炮集的第11道與第101道組成共檢波器道集，壓制鬼波前、后的共檢波器道集分別如圖7、8所示，因震源鬼波與檢波器鬼波疊加所形成的同相軸旁瓣已被去除，兩剖面中的強(qiáng)反射同相軸處于“反相”狀態(tài)，并且由原來的多相位變成單相位。創(chuàng)建圖7、8所示道集的自相關(guān)譜，所得結(jié)果分別如圖9、10所示，其中箭頭指向的一次波與鬼波旁瓣相關(guān)所形成的能量已被完全消除。

(2006年采集，1～3纜。Acquisition in 2006,1～3 Cable.)圖3 鬼波壓制前的炮集記錄示例Fig.3 Shot record before deghosting

(2006年采集，1～3纜。Acquisition in 2006,1～3 Cable.)圖4 鬼波壓制后的炮集記錄示例Fig.4 Shot record after deghosting

(道號(hào)范圍：1～200，時(shí)窗范圍：0～2 s。Trace number:1～200,Time window:0～2 s.)
圖5 圖3所示記錄的局部放大顯示
Fig.5 Enlarged part of the record as shown in Fig.3

(道號(hào)范圍：1～200，時(shí)窗范圍：0～2 s。Trace number:1～200,Time window:0～2 s.)
圖6 圖4所示記錄的局部放大顯示
Fig.6 Enlarged part of the record as shown in Fig.4

圖7 壓制鬼波前的共檢波器道集Fig.7 Common receiver gathers before deghosting

圖8 壓制鬼波后的共檢波器道集Fig.8 Common receiver gathers after deghosting

圖9 壓制鬼波前共檢波器道集的自相關(guān)譜Fig.9 Autocorrelation spectrum of common receiver gathers before deghosting

圖10 壓制鬼波后共檢波器道集的自相關(guān)譜Fig.10 Autocorrelation spectrum of common receiver gathers after deghosting

圖11、12展示了壓制鬼波前、后的疊前時(shí)間偏移剖面。在原始成像剖面中，時(shí)差較小的鬼波信號(hào)尾隨于一次波之后，且疊加在一起形成了同相軸旁瓣，導(dǎo)致剖面中的反射層位處于多相位狀態(tài)，這對后續(xù)的解釋分析是非常不利的。在圖12所示去除鬼波的偏移剖面中，緊隨一次波信號(hào)的鬼波旁瓣得到明顯壓制，地層反射更加清晰，中深層低頻能量增強(qiáng)，信噪比顯著提高。

圖11 鬼波壓制前的偏移剖面示例Fig.11 Example of the migration profile before deghosting

圖12 鬼波壓制后的偏移剖面示例Fig.12 Example of the migration profile after deghosting

3 結(jié)語

本文首先實(shí)現(xiàn)了基于三維τ -p變換的鬼波壓制技術(shù)，并對淺水區(qū)文昌A凹陷工區(qū)進(jìn)行了鬼波壓制處理，其最終偏移數(shù)據(jù)體中緊隨一次波信號(hào)的鬼波旁瓣得到明顯壓制，地下反射界面更加清晰、信噪比顯著提高，從而證明了三維τ -p域鬼波壓制技術(shù)的有效性。