渤海海域水平拖纜數據寬頻處理關鍵技術

王艷冬 王小六 桑淑云 王建花 張金淼 翁 斌

(①中海油研究總院有限責任公司，北京 100028； ②海洋石油勘探國家工程實驗室，北京 100028)

0 引言

寬頻地震資料頻帶寬、子波旁瓣小，有利于深部復雜構造、小圈閉的成像[1-2]，能為解釋及反演提供更可靠、更優質的基礎地震數據[3]。近年來海上寬頻地震勘探技術在深水區取得了較大的進展，但是在淺水區進展緩慢，尤其像渤海平均水深不超過30m的淺水海域，變深度纜寬頻采集難以實施，只有通過常規采集、寬頻處理才有可能實現這一目的。對于淺水區，地震資料不但受到鬼波的影響，還受到淺水多次波的影響，淺水多次波引起的陷頻效應甚至大于鬼波影響，因此要實現淺水資料寬頻處理必須去除鬼波及淺水多次波的影響。

針對拖纜資料的鬼波壓制方法較多，例如在偏移過程中實現鬼波的壓制方法[4-6]、基于Bootstrap的鬼波壓制方法[7]、混合范數聯合反褶積的鬼波壓制方法[8]、基于逆散射級數的鬼波壓制方法[9]、τ-p域鬼波壓制方法[10]、基于格林函數理論的鬼波壓制方法[11]、基于波場延拓和反演的鬼波壓制方法[12]、基于波場外推和閾值截斷的鬼波壓制方法[13]、基于最小平方殘差的鬼波壓制方法[14]、基于子波處理的鬼波壓制技術[15]等。相對于深水海域環境下的鬼波，淺水資料不同炮檢距、不同目的層反射波所產生的鬼波入射角變化范圍更大，即淺水海域條件下的鬼波時空變更加劇烈。

淺水環境下產生的多次波階數通常較高，并覆蓋整個地震剖面，因此在有效壓制鬼波的同時需要較好地壓制淺水多次波。目前淺水多次波壓制技術較多，如： 基于多道預測的淺水多次波壓制技術(SWD)[16]、基于水層模型驅動的淺水多次波壓制技術(MWD)[17]、基于τ-p域水體驅動的淺水多次波壓制技術[18-19]、基于克?；舴蜓苌淅碚摰臏\水多次波壓制技術[20]、基于交替分裂Bregman迭代算法多道預測反褶積的淺水多次波壓制技術[21]等。其中模型驅動的方法應用最廣，但需要較為準確的海底模型。通常通過對海底進行深度域成像或者通過近道疊加自相關拾取淺水多次波周期建立海底深度模型，利用該模型進行淺水多次波預測及壓制。但對于像渤海這樣平均水深不超過30m的淺水海域，且采集時近炮檢距數據缺失，海底基本無法成像，海底模型難以建立。另外，近道疊加對淺水多次波的周期改變嚴重，利用近道疊加自相關計算的海底模型精度不高、淺水多次波壓制效果不佳。

目前針對深水區變深度纜采集資料的寬頻處理關鍵技術[22-24]及常規采集資料寬頻處理關鍵技術[25-26]建立了相對比較完整的技術體系及流程，針對淺水區的寬頻處理關鍵技術研究相對較少，且多集中在近百米水深的淺水區[24，27]；針對像渤海這樣平均水深不超過30m的淺水海域條件下的寬頻地震資料處理研究就更少。

本文針對渤海海域鬼波時空變劇烈的問題，研究了τ-p域自適應參數估計的鬼波壓制技術、有效解決鬼波時空變劇烈及槍深、纜深、海面不恒定的問題；針對渤海海域海底模型難以建立、淺水多次波壓制困難的問題，研究了τ-p域自適應海底深度估計的淺水多次波壓制技術。將本文研究的兩項關鍵技術與常規處理相結合，實現了渤海海域淺水資料寬頻處理的目的。

1 τ -p域自適應參數估計的鬼波壓制技術

1.1 τ -p域鬼波壓制原理

為了方便，僅以電纜鬼波為例說明τ-p域鬼波壓制方法。鬼波是有效波(上行波)被接收后繼續向上傳播經過海面反射(下行波)被再次接收。地震數據經過τ-p變換后，同一個p參數對應著具有相同傳播角度的平面波，沿τ軸上、下行波的延遲時固定不變。

如圖1所示，在τ-p域，電纜接收到的上、下行波的延遲時間Δtrg可以表示為

(1)

式中：θ為平面波傳播方向與垂直方向的夾角；v為海水速度，通常約為1500m/s；dr為電纜沉放深度。從式(1)可見，上、下行波的延遲時間隨入射角變化。對于淺水資料，不同炮檢距、不同反射目的層的θ變化范圍更廣，即鬼波時空變更加劇烈，因此在時空域很難對鬼波進行有效壓制。

根據τ-p變換與平面波射線參數的關系，有

(2)

式(1)可寫為

(3)

在τ-p域接收到的全波場地震數據可以表示為

Drg(p,dr,τ)=S(p,dr,τ)+rpS(p,dr,τ-Δtrg)

(4)

式中：S(p，dr，τ)為有效反射波數據；rp為海面反射系數。將式(4)對τ進行傅里葉變換，可得

Drg(p,dr,ω)=S(p,dr,ω)[1+rpexp(-iωΔtrg)]

(5)

式中ω為角頻率。如果能準確求取鬼波上、下行波延遲時間Δtrg和海面反射系數rp，就可以獲得不含鬼波的地震數據

(6)

在實際鬼波壓制過程中，通常從導航文件獲取的震源深度ds、電纜沉放深度dr不準確，實際海面反射系數rp是個大于-1的未知數，因此如何較為準確地求取ds、dr、rp是壓制鬼波的關鍵環節。

圖1 鬼波產生示意圖

1.2 τ -p域鬼波參數自適應估計

由式(6)可知，若能獲得鬼波壓制后的有效反射波數據，則鬼波可以由原始數據減去有效反射數據獲得。當鬼波壓制參數正確時，獲取的有效波與鬼波能量之和應該達到最小化，因此可以通過有效波與鬼波能量之和的最優化問題獲取ds、dr、rp，實現鬼波參數的自適應估計。

由于實際海面反射系數通常接近-1，且變化相對較小，因此先進行震源及電纜深度的估計。在這兩個參數估計的過程中假設海面反射系數恒定為-1。當這兩參數估計完成后，再利用這兩個參數進行海面反射系數的估計。

對于同一炮地震數據，電纜沉放深度dr是隨著炮檢距變化而變化的，因此每一射線參數p對應的電纜深度可以通過下式的最優化問題求解，即

min∶E=|Drg(p,dr,ω)-S(p,dr,ω)|2+

|S(p,dr,ω)|2

(7)

同樣，震源沉放深度ds和海面反射系數rp可以用類似的方法進行求解。

在獲得震源沉放深度ds、電纜沉放深度dr和海面反射系數rp后，就可以利用式(6)在τ -p域分別進行震源鬼波、電纜鬼波的壓制，然后進行τ -p反變換即可得到鬼波壓制后的炮集數據。

2 τ -p域自適應海底深度估計的淺水多次波壓制技術

2.1 τ -p域淺水多次波壓制原理

在淺水區，經過τ-p變化后，地震數據可以看作平面波，可以利用射線參數p確定傳播方向。在p相同的情況下，有效波與水層多次波之間沿著τ軸的時間延遲具有周期性。在τ-p域，有效波通過延拓可以預測出水層一階多次波，一階多次波通過延拓預測出二階水層多次波，…，n-1階多次波預測出n階多次波。

如圖2所示，在τ-p域水層多次波與有效波的時差Δtm可表示為

(8)

式中dw為海底深度。對比式(1)與式(8)，可見二者形式完全相同，只是將電纜深度替換為海底深度。

圖2 水層多次波與有效波傳播示意圖

在τ-p域進行波場延拓后，就可以預測出水層多次波，通過自適應匹配相減則可將水層多次波進行壓制，再進行τ-p反變換后就獲得水層多次波壓制后的炮集數據。

2.2 自適應海底深度估計

由式(8)可知，如果海底深度dw已知，就可以在τ-p域進行波場延拓獲得多次波模型。對于相對較深的淺水海域，通過對海底進行深度域成像，就可以獲得海底深度dw。但是對于像渤海這樣平均水深不超過30m的海域，由于近炮檢距數據的缺失，海底深度很難通過成像獲得；而近道疊加自相關獲得的淺水多次波周期被改變，建立的海水深度模型精度不高。為此，本文提出了一種在τ-p域進行自適應海底深度估計的方法。

由于炮集在τ-p域淺水多次波與一次波具有很好的周期性，因此在τ-p域淺水多次波與一次波具有很好的相關性。通過在τ-p域進行自相關，相關能量最強的為零延遲自相關，相關能量次強且與零延遲自相關極性相反的即為淺水多次波的周期，通過該周期可以獲得海底深度模型。如圖3所示，τ=0對應的峰值為一次波自相關的能量，即圖中黃色圓點所標示的位置，黑色圓點虛線所標示位置所對應的時間即為一階多次波在τ-p域的周期。

圖3 τ -p域炮集自相關淺水多次波周期示意圖

為了提高計算海水深度的穩定性，拾取不同p參數下的淺水多次波周期，計算海底深度及平均海水速度

(9)

式中： Δti為在射線參數pi下拾取的淺水多次波周期；dw為海底深度；vw為平均海水速度。通過求解超定方程組式(9)可以獲得海底深度dw及平均海水速度vw，從而在τ-p域實現淺水多次波的預測及壓制。

3 實際資料應用

為了驗證本文方法的正確性及實用性，應用渤海M工區實際常規水平拖纜采集數據進行測試。實際數據炮間距為25m，道間距為12.5m，采樣率為2ms，震源沉放深度為5m，電纜沉放深度為6m，工區平均水深約為27m。理論上震源鬼波的陷頻點為0、150Hz，電纜鬼波的陷頻點為0、125Hz，淺水多次波的陷頻點為27.7Hz的整數倍。

圖4為實際炮集鬼波、淺水多次波壓制前、后的對比。其中圖4a為原始輸入炮集記錄；圖4b為在圖4a的基礎上應用本文方法進行電纜和震源鬼波壓制后的炮集，與圖4a相比，相位更為單一(黑色箭頭所示)；圖4c為在圖4b數據的基礎上進行淺水多次波壓制后的炮集，其中綠色箭頭所指為淺水多次波壓制前、后的效果對比。

圖4 實際地震炮集鬼波、多次波壓制結果

圖5為圖4炮集的頻譜，可見： 震源及電纜鬼波壓制后，地震資料的頻譜得到了明顯的拓寬，尤其低頻成分(<20Hz)得到了很好的恢復，高頻端(>100Hz)也略有提升(黑色箭頭所示)；淺水多次波壓制后，消除了由淺水多次波引起的陷頻現象 (綠色箭頭所示)；壓制鬼波、淺水多次波后，地震資料的頻譜更加光滑。

圖6為鬼波、淺水多次波壓制前、后疊加剖面的對比，可見鬼波、淺水多次波壓制后波組特征更加清楚，相位更為單一。圖7為圖6疊加剖面頻譜，可見鬼波、淺水多次波壓制后，低頻得到了明顯的拓展，以-10dB作為標準，低頻端由25Hz拓展到5Hz。

圖8為圖6疊加剖面自相關譜，可見：鬼波得到有效壓制，子波旁瓣(綠色箭頭所示) 明顯減??；淺水多次波得到有效壓制，明顯減少了剖面中周期性重復出現的同向軸(紅色箭頭所示)。

圖5 炮集鬼波、多次波壓制前、后頻譜對比

圖6 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面對比

圖7 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面頻譜對比

圖8 鬼波、多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面自相關譜對比

圖9為在渤海M實際工區的寬頻處理技術流程，其中紅色字體所示為本文研究的淺水寬頻處理關鍵技術。圖10a為利用常規處理流程(不包含圖9中紅色字體所示的兩項技術)獲得的疊前時間偏移剖面，圖10b為本文寬頻處理流程獲得的疊前時間偏移剖面。對比可見，寬頻處理流程在淺層能明顯提升地震資料的分辨率，在中淺層低頻信息更加豐富，波組特征更加清楚。

圖11為圖10時間偏移剖面頻譜對比，可見寬頻處理后地震資料的低、高頻能量都得到了一定程度的拓展，消除了由淺水多次波引起的陷頻現象，頻譜更加飽滿、光滑。

圖9 渤海海域水平拖纜寬頻處理流程

圖10 常規(a)與本文寬頻(b)處理流程時間偏移剖面對比

圖11 疊前時間偏移剖面頻譜對比

處理實踐表明，在像渤海這樣的淺水海域，寬頻處理仍然能提升地震資料的品質，為老資料挖潛提供了一條可能的處理方向。

4 結論

(1)本文針對淺水海域鬼波時空變劇烈的問題，提出了一種基于τ-p域自適應參數估計的平纜鬼波壓制技術；針對淺水海域海底模型難以建立的問題，提出了一種τ-p域自適應海底深度估計的淺水多次波壓制技術。

(2)將本文研究的關鍵技術與常規處理技術相結合，形成了淺水海域水平拖纜寬頻處理技術流程，在渤海實際數據處理中取得了一定的應用效果，驗證了本文所提出方法及技術流程的合理性及正確性。

(3)本文主要針對像渤海這樣淺水海域水平拖纜資料的鬼波、淺水多次波壓制技術進行了研究，并未考慮大地的吸收衰減作用，為了取得更好的應用效果，針對寬頻資料的吸收衰減補償技術有待進一步研究。