OBN資料三維水層相關(guān)多次波壓制方法研究

張明強,焦敘明,王 煒,謝 濤,王艷冬,公緒飛,朱金強

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部物探研究院,天津300451;2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028;3.山東科技大學(xué),山東青島266590)

海底節(jié)點(ocean bottom node,OBN)采集技術(shù)因其超長偏移距、全方位覆蓋以及豐富的低頻信號等優(yōu)勢而在復(fù)雜構(gòu)造成像以及時移地震監(jiān)測等方面越來越受到業(yè)界青睞[1-2]。但這種采集方式給后續(xù)諸如多次波壓制等資料處理帶來了很大挑戰(zhàn)。由于海面近似為自由界面且海水與海底間通常有較強的阻抗差,因此采集的資料中水層相關(guān)多次波廣泛發(fā)育。同時由于震源在海面以下幾米到十幾米的位置密集激發(fā),檢波器稀疏地固定在海底接收信號,這種采集方式給OBN資料水層相關(guān)多次波的壓制帶來了相對于常規(guī)拖纜采集更大的困難。

傳統(tǒng)壓制水層相關(guān)多次波的方法多為預(yù)測反褶積方法和自由表面多次波壓制(surface-related multiple elimination,SRME)方法,但每種方法都有其特定的適用條件。比如預(yù)測反褶積類方法本質(zhì)上是基于多次波在時間域的周期性,利用預(yù)測濾波方法進行多次波壓制,但其周期性規(guī)律隨偏移距增大而逐漸變差且存在損傷有效信號的風(fēng)險[3-4],同時此類方法對于淺水區(qū)應(yīng)用效果顯著但在水體較深情況下則有其應(yīng)用局限性;SRME方法[5-7]對于拖纜采集且水深大于300m的深水探區(qū)應(yīng)用相對較為成功,但由于OBN采集具有節(jié)點稀疏且炮檢點高程差大的特點而無法直接應(yīng)用。針對上述問題,許多學(xué)者提出了相應(yīng)的改進措施,比如綜合利用OBN和拖纜資料預(yù)測表層相關(guān)多次波[8-10],但并非所有工區(qū)都有拖纜資料,而且即便有拖纜資料其偏移距和方位覆蓋也較為有限。同時,利用拖纜資料一次波與OBN數(shù)據(jù)進行褶積預(yù)測多次波模型時,由于額外引入了帶限的拖纜資料子波,存在破壞OBN資料頻帶完整性的風(fēng)險。針對淺水區(qū)拖纜和海底電纜等水層相關(guān)多次波壓制難題,WANG等[11]以及JIN等[12]提出了基于格林函數(shù)的水體模型驅(qū)動的水層相關(guān)多次波預(yù)測方法;HUANG等[13]又進一步提出聯(lián)合SRME方法和基于格林函數(shù)的水體模型驅(qū)動水層相關(guān)多次波預(yù)測方法實現(xiàn)OBN資料水層相關(guān)多次波和其余表層相關(guān)多次波的聯(lián)合壓制。孫維薔等[14]和徐鵬等[15]提出基于平面波編碼的水體相關(guān)多次波模型預(yù)測方法;馮全雄等[16]和張興巖等[17]提出在二維τ-p域利用水體模型驅(qū)動來預(yù)測拖纜和海底電纜資料中此類多次波的方法,上述方法均取得了較理想的應(yīng)用效果。

在海底較平緩情形下,對于拖纜資料或者窄方位海底電纜資料,通常水層相關(guān)多次波在二維τ-p域就有較好的周期性,而OBN采集通常為寬方位或者全方位數(shù)據(jù),在二維τ-p域周期性差,因此需要開展三維方法的研究。針對OBN資料炮點密集、檢波點稀疏以及上、下行波中水層相關(guān)多次波在三維τ-p域近似呈周期性的特點,本文在前人工作基礎(chǔ)上進一步在平面波域利用波場延拓實現(xiàn)OBN資料共檢波點道集全三維水層相關(guān)多次波預(yù)測,然后利用最小二乘自適應(yīng)匹配相減技術(shù)實現(xiàn)OBN資料上、下行波中水層相關(guān)多次波的合理壓制。

1 OBN資料水層相關(guān)多次波壓制

由于OBN資料采用四分量采集,因此可以利用水檢P分量和陸檢Z分量記錄的上行波極性相同、下行波極性相反的特點,首先對兩者進行振幅、頻率和相位匹配,然后對匹配后P分量和Z分量記錄分別進行相加和相減獲得分離的上行波和下行波[18-19]。經(jīng)波場分離后上、下行波對應(yīng)的水層相關(guān)多次波分別如圖1a和圖1b所示。

OBN資料水層相關(guān)多次波壓制過程如圖2所示。根據(jù)Sommerfeld原理,任意復(fù)雜地震波場可以表示為單頻平面波疊加。為此首先利用三維τ-p變換和一維傅里葉變換將OBN共檢波點道集經(jīng)波場分離后的上行波或下行波(圖2a)轉(zhuǎn)化為單頻平面波。其中,三維變換如下:

(1)

式中:d為OBN資料共檢波點道集經(jīng)波場分離后的上行波或下行波記錄;m為對應(yīng)τ-p域結(jié)果;px和py分別為x和y方向射線參數(shù)。在最小二乘反演框架下,m可以利用分頻迭代方式求解[20]。

然后在平面波域利用檢波點處水深信息進行波場延拓預(yù)測水層相關(guān)多次波(圖2b)。其中,水層相關(guān)多次波模型計算如下:

(2)

圖1 OBN水層相關(guān)多次波上行波(a)和下行波(b)

圖2 經(jīng)波場分離后的下行波共檢波點道集(a)、預(yù)測的水層相關(guān)多次波(b)以及水層相關(guān)多次波壓制結(jié)果(c)

(3)

式中:h為檢波點處水深;vw為海水速度;θ為出射角度。在海底較平緩情形下,預(yù)測孔徑內(nèi)海底深度可由檢波點處水深h近似表示。cosθ計算公式為:

(4)

圖3 出射角度示意

進一步將預(yù)測的平面波域水層相關(guān)多次波模型反變換到時空域,再配合自適應(yīng)匹配相減方法實現(xiàn)該多次波的合理壓制,結(jié)果見圖2c。其中,輸入數(shù)據(jù)和預(yù)測的多次波模型在τ-p域表現(xiàn)形式分別如圖4a和圖4b所示。

常規(guī)二維水層相關(guān)多次波預(yù)測假定炮點和檢波點位于同一條直線,常規(guī)拖纜采集或窄方位海底電纜(OBC)采集基本滿足此假設(shè)。但由于OBN采集通常為寬方位或全方位,此時不再滿足二維假設(shè),因此需要進行全三維多次波預(yù)測。

圖4 下行波τ-p域共檢波點道集(a)和預(yù)測的水層相關(guān)多次波模型(b)

2 三維模型數(shù)據(jù)和實際資料測試

2.1 三維模型數(shù)據(jù)

以一個簡單兩層三維模型(圖5a)為例,其中,海底深度200m。通過將檢波點置于海底、炮點位于海面激發(fā)的方式獲得下行波地震記錄。如圖5b所示,以多個炮點激發(fā)、單個檢波點接收為例,黑色三角和紅點分別代表檢波點和炮點。其中,正演模擬采用高階交錯網(wǎng)格有限差分法[21]且將上邊界設(shè)置為自由邊界,其余邊界設(shè)置為吸收邊界。這樣設(shè)置的目的一是可以獲得純下行波場;二是可以排除其它波場干擾,從而直觀地判斷水層相關(guān)多次波預(yù)測準(zhǔn)確度和壓制效果。

圖5 兩層簡單模型(a)及觀測系統(tǒng)示意(黑色三角形代表檢波點,紅點代表炮點)(b)

圖6a為利用二維方法預(yù)測的水層相關(guān)多次波模型與輸入共檢波點道集的疊合顯示,其中黑白顯示為輸入數(shù)據(jù),紅藍顯示為預(yù)測的多次波模型。可以明顯看出當(dāng)炮線距離檢波點的橫向偏移距較小時,即可近似認為炮線和檢波點位于一條直線的情況,用二維方法可以較準(zhǔn)確預(yù)測水層相關(guān)多次波(圖中紅色箭頭所示);但當(dāng)炮線距檢波點的橫向偏移距較大時,用二維預(yù)測方法會產(chǎn)生很大預(yù)測誤差(圖中紫色箭頭所示)。圖6b為利用本文所述三維方法預(yù)測的水層相關(guān)多次波模型與輸入共檢波點道集的疊合顯示,可以看到利用全三維方法預(yù)測的多次波模型與輸入共檢波點道集具有很好的吻合度。因此對于OBN資料這種寬方位甚至全方位采集的數(shù)據(jù)必須采用全三維的水層相關(guān)多次波預(yù)測方法。

圖7a為輸入共檢波點道集與利用二維方法預(yù)測的水層相關(guān)多次波模型經(jīng)自適應(yīng)匹配相減后的結(jié)果與輸入共檢波點道集的疊合顯示,其中黑白顯示為輸入共檢波點道集。由于二維方法無法準(zhǔn)確預(yù)測水層相關(guān)多次波(如圖6a所示),因此經(jīng)過自適應(yīng)匹配相減后炮線距離檢波點的橫向偏移距較大位置依舊有嚴重的多次波殘留(圖中紫色箭頭所示)。圖7b為輸入共檢波點道集與利用本文所述三維方法預(yù)測的水層相關(guān)多次波模型經(jīng)自適應(yīng)匹配相減后的結(jié)果與輸入共檢波點道集的疊合顯示,由于三維方法可以準(zhǔn)確預(yù)測水層相關(guān)多次波(如圖6b所示),因此經(jīng)自適應(yīng)匹配相減后水層相關(guān)多次波得到了較好的壓制。

圖6 二維(a)和三維(b)平面波域水層相關(guān)多次波預(yù)測模型與輸入數(shù)據(jù)疊合顯示

圖7 二維(a)和三維(b)平面波域水層相關(guān)多次波壓制后的結(jié)果與輸入數(shù)據(jù)疊合顯示

2.2 實際地震資料

選取海外某工區(qū)OBN資料對本文方法進行驗證。該工區(qū)海底及地下構(gòu)造平緩且平均水深110m左右,單個共檢波點道集記錄由10多萬道組成,炮點和炮線距均為25m。

圖8a為經(jīng)波場分離后上行波共檢波點道集截取的單炮記錄局部放大及自相關(guān)譜,圖8b為應(yīng)用本文方法壓制水層相關(guān)多次波后的結(jié)果及自相關(guān)譜。在圖中紅色箭頭位置處,無論從道集還是自相關(guān)譜均可以看到水層相關(guān)多次波得到了較好的壓制。同時,單共檢波點道集水層相關(guān)多次波預(yù)測單核CPU計算耗時20min以內(nèi),可以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

圖9a為下行波水層相關(guān)多次波壓制前疊加剖面及自相關(guān)譜。在圖中紅色箭頭位置,可以看到明顯的一階及高階水層相關(guān)多次波。圖9b為利用模型驅(qū)動三維SRME方法預(yù)測水層相關(guān)多次波然后再進行自適應(yīng)匹配相減所得的疊加剖面及自相關(guān)譜。該方法首先利用該工區(qū)存在的拖纜地震資料計算海底反射系數(shù),然后以此作為模型進行水層相關(guān)多次波的預(yù)測?？梢钥吹剿畬酉嚓P(guān)多次波得到了一定程度的壓制,但該方法的應(yīng)用前提是需要該工區(qū)有拖纜資料來獲得海底反射系數(shù)信息。圖9c為利用本文所述三維平面波域水層相關(guān)多次波預(yù)測方法進行水層相關(guān)多次波預(yù)測,然后再配合自適應(yīng)匹配相減所得結(jié)果對應(yīng)的疊加剖面及自相關(guān)譜。對比可見,應(yīng)用本文方法可以獲得較好的水層相關(guān)多次波壓制效果,疊加剖面波組關(guān)系自然。需要注意的是,由于該工區(qū)淺層構(gòu)造較為平緩且薄互層發(fā)育,為盡可能保證有效信號不受損傷,在自適應(yīng)匹配相減時參數(shù)選擇較為保守。

圖8 OBN上行波共檢波點道集水層相關(guān)多次波壓制前(a)、后(b)單炮記錄(局部放大)及自相關(guān)譜

圖9 OBN資料下行波水層相關(guān)多次波壓制前疊加剖面及自相關(guān)譜(a)、應(yīng)用模型驅(qū)動三維SRME水層相關(guān)多次波壓制方法(b)及本文所述三維平面波域水層相關(guān)多次波壓制方法(c)壓制后的疊加剖面及相關(guān)譜

圖10對比了圖9黑框位置不同方法壓制結(jié)果的頻譜,其中紅線為水層相關(guān)多次波壓制前,藍線為模型驅(qū)動三維SRME水層相關(guān)多次波壓制的結(jié)果,黑線為本文三維平面波域水層相關(guān)多次波壓制的結(jié)果?？梢钥吹綉?yīng)用模型驅(qū)動三維SRME方法和本文所述方法后資料陷波效應(yīng)均得到了一定程度的補償。雖然低頻端陷波補償相比于模型驅(qū)動三維SRME方法略差,但本文所述方法在中高頻段陷波效應(yīng)補償相對更好。

圖10 圖9黑框位置處不同方法壓制結(jié)果的頻譜

3 討論與結(jié)論

針對OBN資料上、下行波水層相關(guān)多次波壓制難題,結(jié)合OBN資料炮點密集、檢波點稀疏且寬方位甚至全方位采集的特點,本文在共檢波點道集上實現(xiàn)了平面波域全三維水層相關(guān)多次波預(yù)測。理論分析和三維模型測試結(jié)果表明,對于OBN這種寬方位甚至全方位采集方式,基于常規(guī)二維的多次波壓制方法難以滿足需求,需要應(yīng)用全三維水層相關(guān)多次波預(yù)測方法。同時,本文方法應(yīng)用于三維實際資料水層相關(guān)多次波預(yù)測和壓制時取得了較好的效果。

需要注意的是本文所述方法在海底較平緩情形有較好的應(yīng)用效果且計算效率較高,但崎嶇海底情形下無法應(yīng)用。同時該方法只能預(yù)測水層相關(guān)多次波,其它類型的多次波需要配合應(yīng)用相應(yīng)的多次波壓制技術(shù)。