張明強(qiáng),焦敘明,王 煒,謝 濤,王艷冬,公緒飛,朱金強(qiáng)

(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(diǎn)(ocean bottom node,OBN)采集技術(shù)因其超長(zhǎng)偏移距、全方位覆蓋以及豐富的低頻信號(hào)等優(yōu)勢(shì)而在復(fù)雜構(gòu)造成像以及時(shí)移地震監(jiān)測(cè)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(qiáng)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(shí)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(hào),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(duì)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(cè)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(cè)反褶積類方法本質(zhì)上是基于多次波在時(shí)間域的周期性,利用預(yù)測(cè)濾波方法進(jìn)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(hào)的風(fēng)險(xiǎn)[3-4],同時(shí)此類方法對(duì)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(duì)于拖纜采集且水深大于300m的深水探區(qū)應(yīng)用相對(duì)較為成功,但由于OBN采集具有節(jié)點(diǎn)稀疏且炮檢點(diǎn)高程差大的特點(diǎn)而無法直接應(yīng)用。針對(duì)上述問題,許多學(xué)者提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,比如綜合利用OBN和拖纜資料預(yù)測(cè)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(shí),利用拖纜資料一次波與OBN數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積預(yù)測(cè)多次波模型時(shí),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(xiǎn)。針對(duì)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(dòng)的水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)方法;HUANG等[13]又進(jìn)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(dòng)水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)方法實(shí)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(cè)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(dòng)來預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)OBN資料炮點(diǎn)密集、檢波點(diǎn)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(diǎn),本文在前人工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步在平面波域利用波場(chǎng)延拓實(shí)現(xiàn)OBN資料共檢波點(diǎn)道集全三維水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè),然后利用最小二乘自適應(yīng)匹配相減技術(shù)實(shí)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(diǎn),首先對(duì)兩者進(jìn)行振幅、頻率和相位匹配,然后對(duì)匹配后P分量和Z分量記錄分別進(jìn)行相加和相減獲得分離的上行波和下行波[18-19]。經(jīng)波場(chǎng)分離后上、下行波對(duì)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(chǎng)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(diǎn)道集經(jīng)波場(chǎng)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(diǎn)道集經(jīng)波場(chǎng)分離后的上行波或下行波記錄;m為對(duì)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(diǎn)處水深信息進(jìn)行波場(chǎng)延拓預(yù)測(cè)水層相關(guān)多次波(圖2b)。其中,水層相關(guān)多次波模型計(jì)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(chǎng)分離后的下行波共檢波點(diǎn)道集(a)、預(yù)測(cè)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(diǎn)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(cè)孔徑內(nèi)海底深度可由檢波點(diǎn)處水深h近似表示。cosθ計(jì)算公式為:

(4)

圖3 出射角度示意

進(jìn)一步將預(yù)測(cè)的平面波域水層相關(guān)多次波模型反變換到時(shí)空域,再配合自適應(yīng)匹配相減方法實(shí)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(cè)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(cè)假定炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)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(shí)不再滿足二維假設(shè),因此需要進(jìn)行全三維多次波預(yù)測(cè)。

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

2 三維模型數(shù)據(jù)和實(shí)際資料測(cè)試

2.1 三維模型數(shù)據(jù)

以一個(gè)簡(jiǎn)單兩層三維模型(圖5a)為例,其中,海底深度200m。通過將檢波點(diǎn)置于海底、炮點(diǎn)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(gè)炮點(diǎn)激發(fā)、單個(gè)檢波點(diǎn)接收為例,黑色三角和紅點(diǎn)分別代表檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)。其中,正演模擬采用高階交錯(cuò)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(chǎng);二是可以排除其它波場(chǎng)干擾,從而直觀地判斷水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和壓制效果。

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

圖6a為利用二維方法預(yù)測(cè)的水層相關(guān)多次波模型與輸入共檢波點(diǎn)道集的疊合顯示,其中黑白顯示為輸入數(shù)據(jù),紅藍(lán)顯示為預(yù)測(cè)的多次波模型?？梢悦黠@看出當(dāng)炮線距離檢波點(diǎn)的橫向偏移距較小時(shí),即可近似認(rèn)為炮線和檢波點(diǎn)位于一條直線的情況,用二維方法可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(diǎn)的橫向偏移距較大時(shí),用二維預(yù)測(cè)方法會(huì)產(chǎn)生很大預(yù)測(cè)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(cè)的水層相關(guān)多次波模型與輸入共檢波點(diǎn)道集的疊合顯示,可以看到利用全三維方法預(yù)測(cè)的多次波模型與輸入共檢波點(diǎn)道集具有很好的吻合度。因此對(duì)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(cè)方法。

圖7a為輸入共檢波點(diǎn)道集與利用二維方法預(yù)測(cè)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(diǎn)道集的疊合顯示,其中黑白顯示為輸入共檢波點(diǎn)道集。由于二維方法無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(diǎn)的橫向偏移距較大位置依舊有嚴(yán)重的多次波殘留(圖中紫色箭頭所示)。圖7b為輸入共檢波點(diǎn)道集與利用本文所述三維方法預(yù)測(cè)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(diǎn)道集的疊合顯示,由于三維方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)際地震資料

選取海外某工區(qū)OBN資料對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)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(gè)共檢波點(diǎn)道集記錄由10多萬道組成,炮點(diǎn)和炮線距均為25m。

圖8a為經(jīng)波場(chǎng)分離后上行波共檢波點(diǎn)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(shí),單共檢波點(diǎn)道集水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)單核CPU計(jì)算耗時(shí)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(dòng)三維SRME方法預(yù)測(cè)水層相關(guān)多次波然后再進(jìn)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(jì)算海底反射系數(shù),然后以此作為模型進(jìn)行水層相關(guān)多次波的預(yù)測(cè)?？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(cè)方法進(jìn)行水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè),然后再配合自適應(yīng)匹配相減所得結(jié)果對(duì)應(yīng)的疊加剖面及自相關(guān)譜。對(duì)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(hào)不受損傷,在自適應(yīng)匹配相減時(shí)參數(shù)選擇較為保守。

圖8 OBN上行波共檢波點(diǎn)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(dòng)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(duì)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(lán)線為模型驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(bǔ)償。雖然低頻端陷波補(bǔ)償相比于模型驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償相對(duì)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(duì)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(diǎn)密集、檢波點(diǎn)稀疏且寬方位甚至全方位采集的特點(diǎn),本文在共檢波點(diǎn)道集上實(shí)現(xiàn)了平面波域全三維水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)。理論分析和三維模型測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)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(cè)方法。同時(shí),本文方法應(yīng)用于三維實(shí)際資料水層相關(guān)多次波預(yù)測(cè)和壓制時(shí)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(jì)算效率較高,但崎嶇海底情形下無法應(yīng)用。同時(shí)該方法只能預(yù)測(cè)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)。