海上寬方位地震資料多次波壓制技術(shù)研究及應(yīng)用

朱金強(qiáng)，張明強(qiáng)，焦敘明，謝 濤，程 耀，石孟常

(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)

圖1 窄方位與寬方位資料多次波路徑Fig.1 Multiple propagation paths of narrow azimuth and wide azimuth

1 引 言

隨著國(guó)內(nèi)油氣勘探的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向低幅構(gòu)造油氣藏及巖性油氣藏，寬方位采集的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。寬方位資料不僅有更多方位的照明，可以解決復(fù)雜構(gòu)造的成像難題，而且能夠?yàn)榀B前反演(Amplitude Versus Azimuth,AVAZ;Velocity Versus Azimuth,VVAZ)提供攜帶方位信息的道集，有利于儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和巖性勘探。

多次波一直是海洋地震資料精確成像的主要障礙之一，而寬方位采集更是增加了多次波的復(fù)雜性。常規(guī)多次波的特點(diǎn)有：①時(shí)間域的周期性；②速度低于相同走時(shí)的一次波；③多次波傾角隨其階數(shù)增大而增大；④與一次波或其他多次波發(fā)生干涉[1,2]。相對(duì)于常規(guī)窄方位資料，寬方位資料多次波的區(qū)別是攜帶了橫向炮檢距的信息，包含來(lái)自垂直測(cè)線(xiàn)方向的多次波，不再滿(mǎn)足二維假設(shè)。對(duì)于特點(diǎn)①②④，寬方位與窄方位多次波是一致的，其差別在于寬方位資料的多次波是全三維的，其傾角不僅與平行測(cè)線(xiàn)方向的地層構(gòu)造有關(guān)，也會(huì)受垂直測(cè)線(xiàn)方向的地層影響(圖1)。常規(guī)的二維算法都是建立在采集系統(tǒng)與地下構(gòu)造在同一個(gè)平面內(nèi)的假設(shè)條件下，當(dāng)存在橫向偏移距時(shí)，二維假設(shè)條件不再成立，預(yù)測(cè)的多次波模型會(huì)存在誤差，并且當(dāng)橫向偏移距足夠大時(shí)，這種誤差無(wú)法通過(guò)自適應(yīng)相減得到消除。同時(shí)，二維算法不考慮地震波傳播的方向性，在數(shù)據(jù)變換過(guò)程中會(huì)丟失方位各向異性特征，影響疊前反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)于海上寬方位資料，必須采用針對(duì)性的全三維多次波壓制方法。

目前常用的多次波壓制方法(反褶積、Radon域?yàn)V波、SRME：Surface Related Mulitiple Elimination)都已發(fā)展出了三維算法[3-5]，但保幅性和計(jì)算效率是多數(shù)三維算法需要解決的問(wèn)題。許多學(xué)者在全三維多次波壓制方法工業(yè)化推廣方面做了大量研究，數(shù)據(jù)重構(gòu)、稀疏反演、GPU(Graphic Processing Unit)加速等方面都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果[6-9]，但真正寬方位資料的實(shí)際應(yīng)用并不多見(jiàn)。本文從海洋寬方位實(shí)際資料出發(fā)，根據(jù)電纜鬼波、水層相關(guān)多次波、長(zhǎng)周期多次波在寬方位觀測(cè)系統(tǒng)中的特點(diǎn)，分別采用了針對(duì)性壓制方法，實(shí)現(xiàn)了海上寬方位資料多次波的有效壓制。

2 技術(shù)對(duì)策

海上多次波種類(lèi)繁多，可根據(jù)反射界面、傳播路徑、周期長(zhǎng)短等進(jìn)行不同的分類(lèi)。每類(lèi)多次波都有各自的特點(diǎn)，因此需要選擇針對(duì)性的方法。濾波法和波動(dòng)理論法是兩類(lèi)經(jīng)典的多次波壓制方法[10,11]，在處理過(guò)程中單一的方法難以將所有多次波進(jìn)行壓制，往往需要根據(jù)實(shí)際資料情況選擇幾種方法組合應(yīng)用。海上多次波的壓制原則是先壓制短周期多次波，后壓制長(zhǎng)周期多次波，以保證每個(gè)階段多次波預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

電纜鬼波、水層相關(guān)多次波、全程多次波是海洋資料的三種主要多次波。電纜鬼波緊隨在一次波之后，周期由電纜沉放深度決定，一般較短；水層相關(guān)多次波與水層深度相關(guān)，周期長(zhǎng)于電纜鬼波；地層的全程多次波周期最長(zhǎng)，為多次波產(chǎn)生地層埋深的整數(shù)倍。本文根據(jù)這三種多次波在海上寬方位資料的特點(diǎn)，分別采用針對(duì)性壓制手段，并制定了以電纜鬼波、水層相關(guān)多次波、長(zhǎng)周期多次波為順序的壓制策略。

圖2 陸檢接收能量隨入射角變化示意圖Fig.2 The energy received by geophone varies with incident angle

2.1 基于τ —p域水陸檢標(biāo)定的電纜鬼波壓制

電纜鬼波是由于檢波器沉放于海面以下所帶來(lái)的虛反射，是實(shí)現(xiàn)寬頻信號(hào)處理的主要障礙之一。海洋寬方位采集主要通過(guò)海底電纜(Ocean Bottom Cable,OBC)或海底節(jié)點(diǎn)(Ocean Bottom Node,OBN)方式實(shí)現(xiàn)[12]，因此本文所討論的電纜鬼波只限于多分量資料。其中，主流的電纜鬼波壓制方法為雙檢合并法。相對(duì)于拖纜資料，海底電纜由于接收器沉放更深，電纜鬼波的影響會(huì)更明顯，有效頻帶內(nèi)的陷波點(diǎn)也更多。雙檢合并是根據(jù)同一接收點(diǎn)的水檢和陸檢一次波極性相同，電纜鬼波極性相反的特點(diǎn)，通過(guò)合并后達(dá)到壓制電纜鬼波的目的[13,14]。由于不需要考慮電纜鬼波的延遲時(shí)間，雙檢合并是壓制電纜鬼波最理想的方法，但合并前需要首先解決水陸檢資料的標(biāo)定問(wèn)題，其中能量的標(biāo)定是影響合并效果的關(guān)鍵因素。

目前常用的標(biāo)定方法是對(duì)每個(gè)接收點(diǎn)采用交叉鬼波法求取一個(gè)算子，然后將其應(yīng)用到陸檢資料[15]，但這種方法忽略了水陸檢信號(hào)的接收機(jī)制差異。接收水檢信號(hào)的壓力檢波器是沒(méi)有方向性的，各個(gè)方向接收的同一信號(hào)能量是相同的；而接收陸檢信號(hào)的速度檢波器是有方向性的，陸檢能量會(huì)隨著入射角發(fā)生變化。如圖2所示，假設(shè)當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)，陸檢Z分量接收到的能量是1；那么當(dāng)入射角是θ時(shí)，其接收到的能量就是cosθ。尤其對(duì)于寬方位資料，每個(gè)檢波器接收來(lái)自不同位置炮點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，能量都是不同的，如果應(yīng)用單一標(biāo)定算子,無(wú)法實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向水陸檢信號(hào)的精確匹配。

為了解決陸檢Z分量能量隨入射角變化的問(wèn)題，本文采用水陸檢在τ—p域進(jìn)行標(biāo)定的方法，其中τ為時(shí)間截距，p為水平波慢度。將水陸檢信號(hào)分別轉(zhuǎn)到τ—p域，根據(jù)p值與入射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在每一p值處分別求取兩種信號(hào)的標(biāo)定算子，對(duì)Z分量進(jìn)行標(biāo)定后再轉(zhuǎn)到t-x域，較好地解決了不同入射角能量差異的問(wèn)題。水陸檢資料的精確標(biāo)定可以直接提升雙檢合并的效果，實(shí)現(xiàn)寬方位資料電纜鬼波的有效壓制。

2.2 全三維平面波域水層相關(guān)多次波壓制

海面和海底是兩個(gè)強(qiáng)波阻抗界面，在波的傳播過(guò)程中很容易產(chǎn)生多次波[16]。對(duì)于常規(guī)窄方位數(shù)據(jù)通常采用二維SRME或預(yù)測(cè)反褶積的方法對(duì)此類(lèi)多次波進(jìn)行壓制。但當(dāng)橫向偏移距較大時(shí)，時(shí)空域的多次波周期及褶積法預(yù)測(cè)的多次波模型都會(huì)存在偏差，無(wú)法通過(guò)自適應(yīng)匹配相減的方式進(jìn)行消除[17]。根據(jù)海底電纜寬方位數(shù)據(jù)炮點(diǎn)密集,且水層相關(guān)多次波在平面波域近似呈周期性的特點(diǎn)，本文采用共檢波點(diǎn)道集平面波域水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)方法。

該方法首先對(duì)三維共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維τ—p變換，將地震數(shù)據(jù)從時(shí)空域轉(zhuǎn)到單頻平面波域，然后利用該位置的水深信息計(jì)算多次波周期，并對(duì)波場(chǎng)進(jìn)行延拓得到多次波模型，最后利用自適應(yīng)匹配相減的方法將多次波從地震數(shù)據(jù)中減去。在平面波域進(jìn)行多次波預(yù)測(cè)，充分利用了不同入射角多次波周期的穩(wěn)定性，同時(shí)可以通過(guò)低階多次波預(yù)測(cè)高階多次波，從而實(shí)現(xiàn)所有水層相關(guān)多次波的合理預(yù)測(cè)。多次波在τ—p域周期的計(jì)算公式為：

(1)

其中，dt為多次波與一次波的時(shí)間延遲(s);h為檢波點(diǎn)處水深(m);v為水速(m/s);px、py為x和y兩個(gè)方向的射線(xiàn)參數(shù)。為避免產(chǎn)生假頻，p的最大掃描范圍應(yīng)滿(mǎn)足公式(2)的采樣定理[18]，即

(2)

其中,pmax為p值最大掃描值;p0為實(shí)際同相軸斜率;fmax為數(shù)據(jù)最大頻率(Hz);Δx為該方向的空間采樣間隔(m)。由于實(shí)際數(shù)據(jù)通常Δx較大，可在變換前將地震數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以減小假頻的影響。

2.3 全三維Radon域長(zhǎng)周期多次波壓制

海洋資料的多次波是無(wú)法通過(guò)單一方法完全壓制的，即使經(jīng)過(guò)前期多種方法壓制后，依然會(huì)殘留部分長(zhǎng)周期多次波。拋物線(xiàn)Radon域?yàn)V波是壓制長(zhǎng)周期多次波的一種有效手段，其基本原理是CMP(Common Middle Point)道集經(jīng)過(guò)動(dòng)校正處理后，一次波被校平，多次波基本呈拋物線(xiàn)型。對(duì)其進(jìn)行拋物線(xiàn)Radon變換后，根據(jù)多次波和一次波在Radon域的分布差異進(jìn)行濾波，再經(jīng)過(guò)反變換后就可以達(dá)到壓制多次波的目的[19]。二維Radon域?yàn)V波需要道集按偏移距排列，對(duì)于二維觀測(cè)系統(tǒng)或三維窄方位觀測(cè)系統(tǒng)有較好的應(yīng)用效果。但當(dāng)方位角較寬時(shí)，不同方向的反射曲率不同，對(duì)于相同偏移距的地震道可能會(huì)存在走時(shí)差異，因此二維Radon域?yàn)V波會(huì)產(chǎn)生誤差。

三維Radon變換不再把偏移距看作標(biāo)量，而是考慮其方向性，因此更適合寬方位數(shù)據(jù)的多次波壓制。三維Radon變換公式為：

t=τ+qxx2+qyy2

(3)

其中,x、y分別代表x、y兩個(gè)方向的偏移距分量;qx、qy分別代表x、y兩個(gè)方向的曲率參數(shù)。對(duì)于三維各向同性介質(zhì)，常規(guī)三維Radon域?yàn)V波可以取得較理想的效果[19]。但在方位各向異性比較強(qiáng)的區(qū)域，各個(gè)方位的傳播速度不同，地震波的波前不再是圓形，而是橢圓形。為了保持方位各向異性特征，Pierre Hugonnet提出了基于橢圓模型約束的三維Radon變換，提高了寬方位數(shù)據(jù)在Radon域的聚焦性。改進(jìn)后的Radon變換公式為[20]：

(4)

其中,

為橢圓模型的快波方位；qx′、qy′分別為橢圓模型下快慢波方向的曲率參數(shù)。加入橢圓模型的約束后，三維Radon域?yàn)V波更適合存在方位各向異性的寬方位數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 工區(qū)情況

研究工區(qū)位于渤海灣中部凹陷，已鉆井揭示深埋潛山發(fā)育規(guī)模性構(gòu)造圈閉，但由于埋藏深、潛山內(nèi)多次波發(fā)育，影響了油氣田的勘探評(píng)價(jià)。于是在該區(qū)部署了12線(xiàn)12炮的OBC寬方位采集方式，其中炮線(xiàn)間距50 m，接收線(xiàn)間距300 m，炮點(diǎn)間距50 m，接收點(diǎn)間距25 m，電纜有效接收長(zhǎng)度10 000 m，觀測(cè)系統(tǒng)橫縱比0.72，符合寬方位采集標(biāo)準(zhǔn)?；诖舜尾杉膶挿轿毁Y料進(jìn)行了針對(duì)性的多次波壓制處理。

3.2 多次波壓制效果

圖3 雙檢合并前后剖面和頻譜對(duì)比Fig.3 Stack profile and spectrum before and after dual-sensor combination

圖3為基于τ—p域水陸檢標(biāo)定的電纜鬼波壓制方法與傳統(tǒng)方法對(duì)比。圖3(a)為合并前的水檢數(shù)據(jù)，箭頭所指即是電纜鬼波，它的存在嚴(yán)重影響了剖面的波組關(guān)系，并帶來(lái)頻譜上的陷波。圖3(b)為傳統(tǒng)交叉鬼波法的合并結(jié)果，可以看到電纜鬼波得到了一定程度的壓制，但由于能量標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，依然有大量鬼波殘留，頻譜上的陷波也未得到完全補(bǔ)償。圖3(c)為經(jīng)過(guò)τ—p域標(biāo)定后的合并結(jié)果，標(biāo)定滑動(dòng)時(shí)窗選擇500 ms，可以看到電纜鬼波基本被壓制干凈，頻譜上的陷波也得到了很好的補(bǔ)償，達(dá)到了寬頻處理的效果。通過(guò)對(duì)比可以看出，水陸檢資料能量的精確標(biāo)定可有效提高電纜鬼波的壓制效果，同時(shí)也為后續(xù)多次波壓制奠定基礎(chǔ)。

電纜鬼波壓制后，就可進(jìn)行水層相關(guān)多次波的壓制。圖4(a)為橫向偏移距為3 000 m的共檢波點(diǎn)道集，可以看到中間道發(fā)育了大量水層相關(guān)多次波，這種多次波通過(guò)二維方法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。圖4(b)、圖4(c)分別是三維平面波域預(yù)測(cè)的多次波模型以及多次波壓制后結(jié)果，多次波預(yù)測(cè)周期根據(jù)該檢波點(diǎn)處水深計(jì)算得出，可以看到壓制后道集的多次波明顯減少，與海底相關(guān)的鳴震得到了較好的壓制，表明該方法對(duì)寬方位資料有很好的適用性。圖5為該方法與SRME方法的應(yīng)用效果對(duì)比，從疊加剖面對(duì)比可見(jiàn)，該方法將多次波壓制得更徹底，壓制后繞射波得到突顯，地層特征更清晰。從頻譜比較也可看出，使用該方法壓制多次波后資料的低頻和高頻成分都得到拓寬，由多次波帶來(lái)的陷波得到有效補(bǔ)償。

在上述多次波壓制后，對(duì)于周期較長(zhǎng)、與一次波存在速度差異的多次波可采用Radon域?yàn)V波法進(jìn)行壓制。圖6(a)為多次波壓制前經(jīng)過(guò)動(dòng)校正的蝴蝶道集(按偏移距Y和偏移距X排列)，一次波被校平，多次波呈拋物線(xiàn)型。圖6(b)、圖6(c)分別為二維與三維Radon域?yàn)V波結(jié)果，Radon域的上切范圍都是200 ms，三維方法的各向異性抖動(dòng)范圍設(shè)為30 ms，可見(jiàn)二維濾波后依然有多次波殘留，三維方法對(duì)多次波壓制更為徹底。從二維(圖6d)、三維(圖6e)濾波分別去掉的多次波道集上也可以看出，三維方法比二維方法預(yù)測(cè)的多次波模型更完整，尤其是在近道的弧頂位置。圖7展示的是三維Radon域壓制多次波方法在蝸牛道集上的效果，壓制多次波之前的道集可以看到同相軸周期性起伏現(xiàn)象，這是由于不同方位的速度差異引起的，是后續(xù)疊前反演的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)三維Radon域?yàn)V波后，多次波得到有效壓制的同時(shí)，方位各向異性特征得到了很好的保持，表明該方法對(duì)于寬方位資料具有很好的保真性。

圖4 橫向偏移距3 000 m的共檢波點(diǎn)道集多次波壓制效果Fig.4 Receiver record before and after multiple attenuation with transverse offset of 3 000 m

圖5 三維平面波域多次波壓制效果Fig.5 Stack profile and spectrum of multiple attenuation in 3D plane wave domain

圖6 三維Radon域?yàn)V波與二維Radon域?yàn)V波對(duì)比Fig.6 Comparison between 3D Radon filtering and 2D Radon filtering

圖7 三維Radon域?yàn)V波在蝸牛道集的效果Fig.7 Result of 3D Radon domain filtering on snail gather

圖8展示的是3種多次波壓制方法綜合應(yīng)用效果。圖8(a)為多次波壓制前水檢疊加剖面，由于大量多次波的發(fā)育，剖面波組關(guān)系不明確，部分弱反射的一次波被覆蓋。圖8(b)為經(jīng)過(guò)電纜鬼波、水層相關(guān)多次波、長(zhǎng)周期多次波壓制后的剖面，可以看出整個(gè)剖面的波組關(guān)系明顯提升，不同地層的反射強(qiáng)弱關(guān)系清晰可辨，同時(shí)多次波壓制后繞射波更加突出，為后續(xù)偏移成像提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖9(a)、圖9(b)分別為多次波壓制前后自相關(guān)剖面，可以看出多次波壓制前相關(guān)性較好，這是由周期性多次波造成的，而經(jīng)過(guò)處理后周期性多次波明顯減少。從圖10的頻譜對(duì)比也可以看出，多次波被合理壓制后，由多次波引起的陷波得到補(bǔ)償，高頻和低頻成分都得到拓寬，大大提高了資料的分辨率。

4 結(jié) 論

1)基于τ—p域信號(hào)標(biāo)定的電纜鬼波壓制方法充分考慮了寬方位采集時(shí)陸檢信號(hào)的能量差異，實(shí)現(xiàn)了水陸檢信號(hào)的高度匹配，保障了合并的準(zhǔn)確性。

2)三維平面波域多次波壓制方法，解決了時(shí)空域多次波周期不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高了多次波模型預(yù)測(cè)的精度。

3)與二維Radon域?yàn)V波相比，基于橢圓約束的三維Radon域?yàn)V波方法不僅對(duì)多次波預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確，同時(shí)很好地保持了寬方位采集的方位各向異性特征，是寬方位資料長(zhǎng)周期多次波壓制的有效方法。

4)全三維多次波壓制方法在取得良好效果的同時(shí)，也明顯增加了計(jì)算機(jī)時(shí)，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)資料的橫縱比，選擇合適的多次波壓制方法，實(shí)現(xiàn)處理效果和效率的最優(yōu)化。