張治忠,尹 成,謝 嵐,李三福,劉金朋,覃殿明,趙 明

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院,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)驗方法。但是深水地震勘探不可能完全照搬淺水勘探經(jīng)驗,因為深水地震勘探存在其獨有特性。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、海底深度就能準確預測出多次波在水層中的旅行時,然后根據(jù)旅行時在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,水層并不是一個均質(zhì)體,而是一個變速體,即地震波在水層中沿復雜折射線傳播,單一速度無法準確計算出地震波在深水水層中的旅行時。所以SWMA方法無法準確預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且分布最廣,如果無法有效將其壓制則會嚴重影響后期成像結(jié)果的真實性和可靠性[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;其二,SRME要取得最佳效果首先要求參與預測的多道數(shù)據(jù)的子波具有一致性,然后要求預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)按水層旅行時進行波場延拓,預測出多次波模型,并應用自適應濾波法減去多次波模型,進而實現(xiàn)深水水層多次波衰減。最后應用該技術(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預測多次波模型

DWME預測多次波模型利用炮集數(shù)據(jù)進行τ-p域波場延拓來完成,延拓周期為地震波水層旅行時。選擇τ-p域進行模型預測,是因為在τ-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間域周期性好,時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域中近中遠偏移內(nèi)有效信號與水層多次波信號都具有嚴格的周期性[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測非常有利,只需通過水速、水深就可以計算出水層多次波周期,再由該周期快速預測出各級次水層相關(guān)多次波。預測出水層多次波模型后,利用自適應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。具體實現(xiàn)方法如下:

首先將時間域地震數(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)沿時間函數(shù)t進行積分。假設(shè)時間函數(shù)t的方程為t=τ+px,那么p表示時間函數(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,必須已知水深和變水速(圖1)兩個關(guān)鍵參數(shù)。其中水深參數(shù)可以通過動校后近道作自相關(guān)獲取,而深水水速不是定值,需要計算一個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與實際變水速傳播的旅行時相同或近似的一個速度,該速度可有兩種方式獲得。

1) 有水層實測速度時,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,具體計算公式如下:

式中:t0表示海底雙程旅行時時間;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) 如果沒有水層實測速度,則選擇能使道集或炮集海底動校拉平的速度,將這個速度乘以一個在1附近微小擾動的系數(shù),最終通過預測出的多次波模型是否與原始數(shù)據(jù)多次波時間匹配,確定變水速系數(shù)的具體值。

水深、等效速度獲取后即可準確計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(a)與變水速地震波旅行時(b)

圖2 地震數(shù)據(jù)τ -p域變換及波場延拓

1.2 自適應匹配相減濾波

自適應匹配相減濾波能在減去水層多次波模型的同時較好地保護有效信號。因為相減濾波首先進行多道自適應匹配,對模型數(shù)據(jù)各道子波進行統(tǒng)計,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)完成自適應匹配后,在給定的時窗內(nèi)有較強的正交性,能準確減去多次波并保護有效信號[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)對應的多次波模型數(shù)據(jù);s(t)表示自適應濾波器;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算的過程類似[20-21]。將mi(t)轉(zhuǎn)換為對應的矩陣M:

(10)

(11)

由此得到解:

(12)

式中:MTM為所預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個地質(zhì)體;地質(zhì)體以下地層構(gòu)造復雜。經(jīng)波動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、分布廣。理論模型驗證時,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,尤其是遠偏移距預測出的多次波能量明顯優(yōu)于SRME預測結(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、分布廣,從而嚴重影響了疊加剖面質(zhì)量(圖6a),并且進一步說明了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 正演炮集多次波預測a 含水層多次波的正演炮集; b SRME預測多次波模型; c DWME預測多次波模型

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 實際應用

實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。本文應用基于變水速模型驅(qū)動的深水水層多次波壓制技術(shù)對該區(qū)塊水層多次波進行壓制,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對比了兩種方法預測的多次波模型。圖8b為SWMA預測出的多次波模型,遠偏移距處多次波模型與原始數(shù)據(jù)的多次波時差達100ms,該模型應用自適應濾波時將無法有效地與原始地震數(shù)據(jù)匹配相減,而DWME預測的多次波(圖8c) 時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的速度計算深水水層多次波旅行時,其旅行時一定不準確,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,應用SRME進行自由界面多次波壓制可以認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,本文在應用SRME前應用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 多次波模型預測a 深水水層多次波未壓制的炮集; b SWMA預測深水水層多次波模型; c DWME預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。

4 結(jié)束語

通過理論模型測試及海外某工區(qū)實際深水地震資料驗證,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。

[1] 牛化偉,鄭軍,曾廣東.深水油氣勘探開發(fā)——進展與啟示[J].海洋石油,2012,32(4):1-6

NIU H W,ZHENG J,ZENG G D.Progress and enlightenment of oil & gas exploration and development in deep water[J].Offshore Oil,2012,32(4):1-6

[2] 呂福亮,賀訓云,武金云,等.世界深水油氣勘探形勢分析及對我國深水油氣勘探的啟示[J].海洋石油,2007,27(3):41-45

LU F L,HE X Y,WU J Y,et al.The current situation and trend of deepwater oil and gas exploration of the world and the inspiration for us[J].Offshore Oil,2007,27(3):41-45

[3] 白云程,周曉惠,萬群,等.世界深水油氣勘探現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)[J].特種油氣藏,2008,15(2):7-10

BAI Y C,ZHOU X H,WAN Q,et al.The current situation and challenge of deepwater oil and gas exploration of the world[J].Special Oil and Gas Reservoirs,2008,15(2):7-10

[4] WEGLEIN A B.Multiple attenuation:an overview of recent advances and the road ahead[J].The Leading Edge,1999,18(1):40-44

[5] 田繼強,胡天躍.反饋迭代法在自由表面多次波壓制中的應用[J].石油物探,2008,47(4):449-454

TIAN J Q,HU T Y.Application of feedback iteration on surface-related multiple suppression[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2008,47(5):449-454

[6] BERKHOUT A J,VERSCHUUR D J.Estimation of multiple scattering by iterative inversion,part I:theoretical considerations[J].Geophysics,1997,62(8):1586-1595

[7] 孫維薔,王華忠.基于平面波編碼的水體相關(guān)多次波壓制方法研究[J].石油物探,2016,55(4):516-523

SUN W Q,WANG H Z.Water-layer related multiple suppression based on plane-wave coding[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(4):516-523

[8] 牛濱華,沈操,黃新武.波動方程多次波壓制技術(shù)的進展[J].地球物理學進展,2002,17(3):480-485

NIU B H,SHEN C,HUANG X W.Progress in multiple attenuation techniques based on wave equation[J].Progress in Geophysics,2002,17(3):480-485

[9] 王建立,王真理,張洪宙,等.海上多次波的聯(lián)合衰減法[J].地球物理學進展,2009,24(6):2070-2078

WANG J L,WANG Z L,ZHANG H Z,et al.A joint technique of multiple attenuation for offshore seismic data processing[J].Progress in Geophysics,2009,24(6):2070-2078

[10] 馬繼濤,MRINAL S K,陳小宏,等.海底電纜多次波壓制方法研究[J].地球物理學報,2011,54(11):2960-2966

MA J T,MRINAL S K,CHEN X H,et al.OBC multiple attenuation technique study[J].Chinese Journal of Geophysics,2011,54(11):2960-2966

[11] 張治忠,李三福,方中于,等.SWMA與SRME組合衰減自由界面多次波技術(shù)——在珠江口盆地A區(qū)的應用[J].物探化探計算技術(shù),2016,38(2):244-251

ZHANG Z Z,LI S F,FANG Z Y,et al.The combination of SWMA and SRME for surface-related multiple attenuation:case study in the A block of the Zhu Jiangkou basin[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2016,38(2):244-251

[12] 李鵬.復雜介質(zhì)多次波處理方法研究[D].北京:中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,2007:125-201

LI P.Multiple processing method research in complex media[D].Beijing:China International Geology And Geophysics Institute,2007:125-201

[13] 劉清林,何樵登.Tau-p變換與Tau-p域偏移[J].石油地球物理勘探,1988,23(2):171-187

LIU Q L,HE Q D.Tau-p transform and migration in Tau-p domain[J].Oil Geophysical Prospecting,1988,23(2):171-187

[14] 李鍵,王修田.炮集域壓制海水鳴震的變換法[J].中國海洋大學學報,2008,38(1):121-124

LI J,WANG X T.Using transform to attenuate sea water multiple wave in shot gather domain[J].Journal of Ocean University of China,2008,38(1):121-124

[15] 江則榮,姜紹仁,夏戡原.Tau-p變換若干問題的討論及其在反演聲納浮標資料中的應用[J].石油地球物理勘探,1989,24(2):130-143

JIANG Z R,JIANG S R,XIA K Y.The discussion on some problems of Tau-p transform and its application to the inversion of sonar buoy data[J].Oil Geophysical Prospecting,1989,24(2):130-143

[16] 吳律,武克奮,孫力.變換方法及其在地震資料處理中的應用(1)[J].石油物探,1986,25(1):37-53

WU L,WU K F,SUN L.The method of transformation and its application in seismic data processing,part 1[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,1986,25(1):37-53

[17] BERKHOUT A J.Removal of internal multiples with the common-focus-point approach,part 1:explanation of the theory[J].Geophysics,2005,70(3):45-60

[18] FOSTER D J,MOSHER C C.Suppression of multiple reflection using the Radon transform[J].Geophysics,1992,57(3):386-395

[19] LU W.Adaptive multiple subtraction using independent component analysis[J].Geophysics,2006,71(5):179-184

[20] 馬繼濤,陳小宏,姚逢昌,等.傾角分解多次波自適應相減方法研究[J].石油物探,2012,51(4):356-361

MA J T,CHEN X H,YAO F C,et al.Multiple self-adaptive subtraction based on dip decomposition[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(4):356-361

[21] 王承曙,張裕平.自適應的最小平方反褶積及在地震勘探中的應用[J].地球物理學報,1987,30(3):307-317

WANG C S,ZHANG Y P.Adaptive least square deconvolution and application to seismic prospecting[J].Chinese Journal of Geophysics,1987,30(3):307-317

[22] 印興耀,劉曉晶,吳國忱,等.模型約束基追蹤反演方法[J].石油物探,2016,55(1):116-122

YIN X Y,LIU X J,WU G C,et al.Basis pursuit inversion method under model constraint[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(1):115-122