利用直達波計算穩健的深水OBN雙檢匹配算子

王明星,張慶淮,朱立彬

(1.中石化石油工程地球物理有限公司國際業務發展中心,北京 100020;2.中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島266100)

目前,海洋油氣勘探開發面臨更加復雜的海底作業環境,傳統的拖纜或海底電纜(ocean bottom cable,OBC)等海洋地震數據采集方式難以滿足復雜海底區域作業要求?；诤５坠濣c(ocean bottom node,OBN)的海洋地震數據采集則不受采集電纜與地震船連接的束縛,可以靈活地設計觀測系統,能夠實現大偏移距、寬方位(全方位)地震數據采集[1-3]。此外,四分量OBN采集的地震數據提供了包含縱波和轉換波在內的更多的地震信息。因此,OBN地震采集越來越成為海洋油氣勘探,尤其是在復雜海底情況下的主要采集方式。

數據成像是OBN地震勘探面臨的主要難題之一,其中鬼波壓制和上、下行波場分離是一個長期存在的挑戰。波場分離是通過將地震數據中水檢記錄的壓力波場和陸檢記錄的垂直質點速度波場進行合并,然后再將合并后的波場分離成上行波和下行波。最初,人們直接通過垂直疊加,或者使用固定的匹配系數進行雙檢振幅匹配后再通過合并水檢數據和陸檢數據來壓制鬼波,再進行波場分離。這種方法極不精確,不能適應水深和水底介質等因素的變化,波場分離效果不好。為此,人們提出了許多雙檢求和、分離上、下行波場的方法。如童思友等[4]提出了基于維納濾波的雙檢數據鬼波壓制技術。高少武等[5-6]對海上地震數據雙檢匹配做了大量研究,總結出多種上、下行波場分離方法。BARR[7]提出時空變的匹配算法,計算出每個檢波點的每一個采樣點的振幅匹配系數并對陸檢數據進行匹配后,再與水檢數據合并,分離上、下行波場。這種算法也是目前主流商業軟件中主要的OBC/OBN地震數據波場分離算法。SOUBARAS[8-9]提出一種經典的匹配算子求取算法,首先,對水檢和陸檢數據進行共檢波點疊加及交互鬼波化,然后,采用這兩個交叉鬼波化后的疊加數據求取匹配算子,從而避免了極性相反的下行波對求取雙檢匹配算子的干擾。這種方法之所以成為經典,是因為它為人們提供了一種穩定的匹配算子求取方法,也是目前淺水地震數據處理中較好的鬼波解決方案。但是這種方法在交互鬼波化后,依然沒有辦法完全避免下行波對匹配算子求取的干擾。

隨著OBN在海洋地震數據采集中的應用越來越廣泛,做好接收點鬼波壓制,更好地保留地震數據的帶寬和分辨率,更好地分離上、下行波場,對改善海上地震數據成像質量至關重要。目前OBN采集的地震數據基本上利用反射波計算雙檢匹配算子,但在深水OBN采集中,利用反射波求取雙檢匹配算子面臨許多局限性。利用直達波求取匹配算子的方法有其獨特的優勢,可以避免噪聲對匹配算子計算的影響,從而求取穩定的雙檢匹配算子,達到更好地分離上、下行波場,改善地震資料波場特征的目的。

1 問題的提出

深水OBN地震勘探采用多分量檢波器接收,將水檢數據和陸檢垂直分量數據進行合并,可以壓制鬼波,分離上、下行波場。

雙檢合并最理想的情況是水檢和陸檢具有相位相同的上行波和相位相反的下行波,上、下行波場之間沒有絕對振幅、頻率和時間差異,如圖1所示。圖1a 為水檢理論記錄;圖1b為陸檢理論記錄;圖1c 為雙檢合并后的結果;圖1d為水檢記錄的一維傅里葉變換,顯示了水檢記錄接收點側鬼波的頻率陷波問題;圖1e為陸檢記錄的一維傅里葉變換,顯示了陸檢記錄接收點側鬼波的頻率陷波問題;圖1f為雙檢合并記錄的一維傅里葉變換?？梢婋p檢合并后,鬼波得到壓制,由鬼波造成的頻率陷波點消失,說明雙檢合并能對鬼波頻率陷波進行補償。因此,在水檢和陸檢地震數據沒有振幅、頻率和相位差異的前提下,水檢和陸檢記錄的波場中鬼波的頻率互補,經過雙檢合并可以壓制鬼波,分離上、下行波場。

圖1 理想情況下的雙檢合并a 水檢記錄; b 陸檢記錄; c 雙檢合并后記錄; d 水檢記錄一維傅里葉變換; e 陸檢記錄一維傅里葉變換; f 雙檢合并后記錄的一維傅里葉變換

但是,在實際OBN地震數據中,水檢記錄的壓力波場和陸檢垂直分量記錄的速度波場并不會達到理想狀態,兩者之間會存在振幅、頻率、相位上的差異[10],而且地震數據中總會存在各種各樣的噪聲,這些因素導致直接對雙檢數據進行合并時難以取得較好的鬼波壓制效果。從20世紀90年代開始,地球物理學家們就認識到了這個問題,對地震數據凈化進行了許多研究[11],并對水陸雙檢合并問題進行了大量探索,尋找合并前的雙檢匹配方法。但這些技術大多基于兩種檢波器數據中的反射波求取雙檢匹配算子,Soubaras方法[8]就是其中的典型代表。下面以該方法為例,分析利用反射波求取雙檢匹配算子在深水OBN波場分離中可能遇到的一些挑戰。

基于水檢和陸檢垂直分量雙檢合并的理論公式[12],SOUBARAS提出了基于交叉鬼波化的雙檢合并算法[8],采用估算一個將水檢與陸檢垂直分量相匹配的濾波器,解決水底反射率變化、檢波器不同、檢波器耦合不良等因素導致的信號差異問題。該雙檢合并方法可以分解為3個步驟,即雙檢匹配、波場分離和微屈多次波壓制?？紤]到深水OBN地震勘探中下行波具有明顯的照明優勢,而壓制微屈多次波僅針對上行波,因此,這里不考慮微屈多次波壓制,僅介紹其中的雙檢匹配和波場分離。波場分離采用公式:

(1)

式中:U是上行波場;D是下行波場;H是水檢記錄的壓力波場;G是陸檢記錄的速度波場;fc是用于校正陸檢的匹配算子。

計算fc之前,為了排除下行波的干擾,Soubaras方法首先使用(2)式計算交叉鬼波化的水檢波場H′和陸檢波場G′:

(2)

式中:Z=e-iωΔt表示水層中地震波雙向垂直移動的算子;Δt是水中傳播的雙程延遲時間。交叉鬼波化后,水檢和陸檢數據具有相同的時間,但幅度和相位不同,可通過最小化交叉鬼波化后的水檢和陸檢之間的差異來求解雙檢匹配算子fc:

(3)

在幾米到幾十米,甚至100m以深的淺海地震勘探中,很難提取穩定的直達波信號,Soubaras用交叉鬼波化后的反射波求取水陸檢的匹配算子,為人們提供了一種穩定的雙檢匹配算子計算方法。但是,在深水OBN地震數據處理中,用反射波計算雙檢匹配算子會面臨以下4個方面的挑戰。

1) 李斌等[13]指出,陸檢垂直分量含有大量不易去除的轉換波噪聲,如何避免這些噪聲對求取更穩定的雙檢匹配算子的影響需要繼續深入研究。ZHANG等[14-15]提出陸檢垂直分量中的橫波泄漏是深水OBN雙檢合并面臨的一個挑戰,并分別通過利用所有4個分量數據的降噪方法[16-17]和只使用兩個縱波分量的自適應減法[18-19]來消除陸檢垂直分量中不需要的橫波,取得了較好的效果。圖2a是水檢記錄;圖2b 是陸檢垂直分量記錄,可以明顯觀察到泄漏到垂直分量上的橫波能量,如圖2b中的紅色箭頭所示。

圖2 OBN數據中的橫波泄漏噪聲a 水檢記錄; b 含橫波泄漏的陸檢記錄

2) OBN地震數據中含有包括隨機噪聲在內的各種噪聲,含噪聲反射信號的相關運算不可避免地會影響雙檢匹配算子的穩定性。

3) 深水OBN地震數據中淺層上行波的照明不好,利用上行反射波的雙檢匹配方法會面臨反射波能量太弱的挑戰。

4) 深水OBN地震數據的靜校正非常困難,使得利用反射波共檢波點疊加的雙檢匹配方法面臨極大挑戰。

受以上因素的制約,有必要研究替代反射波的深水OBN雙檢匹配算子計算方法。

2 用直達波求取雙檢匹配算子的方法

在OBN地震采集中,如果達到一定深度,就可以獲得一定偏移距的穩定的直達波信號。根據水深、地震波在海底傳播的速度和水中傳播的速度,可以確定直達波信號的偏移距范圍。另外,直達波完全在水中傳播,因此我們可以根據水深和偏移距獲得準確的直達波校正時差,從而實現直達波信號的同相疊加。在深水地震勘探中,直達波與其對應的水底多次波有一定的時間間隔,選取小時窗直達波可以避免噪聲對求取匹配算子的影響。理論和實踐證明,水、陸檢波器波場的差異子波可以用直達波的差異子波代替,因此,可以直接用直達波來求取水檢和陸檢數據的匹配算子。

在接收點水深hr、激發點水深hs、地震波在水中傳播的速度vw和沿海底的傳播速度vb已知的前提下,初至為直達波的數據的偏移距范圍為(0～x),其中x由下式判定:

(4)

在偏移距(0～x)范圍內選取一定數量的雙檢數據,用圖3所示流程求取雙檢匹配算子,進行波場分離。

圖3 利用直達波求取雙檢匹配算子及波場分離的流程

用直達波求取雙檢匹配算子、進行雙檢合并、分離上下行波場的主要步驟如下。

1) 在共接收點道集上由(4)式定義的范圍內選取一定偏移距范圍的直達波。深水OBN直達波一

般沒有被噪聲污染,因此不需要太多的地震道用于共檢波點疊加。

2) 根據零偏移距接收點水深h0r、激發點水深hs、偏移距x和地震波在水中傳播的速度(1500m/s左右)計算校正時差,對雙檢數據分別進行時差校正。

(5)

然后對時差校正后的雙檢數據分別進行共檢波點疊加,得到各檢波點的疊加數據,如圖4所示。

圖4 含有直達波的共檢波點疊加剖面a 水檢記錄的共檢波點疊加; b 陸檢記錄的共檢波點疊加; c校正后的陸檢記錄共檢波點疊加

3) 根據檢波點水深、激發點水深和地震波在水中傳播的速度獲取計算時窗的中心點時間tm=(h-hs)/vw,向上向下擴展得到匹配算子的計算時窗tm-τ1～tm+τ2,時窗長度τ1+τ2不宜太大,經驗值為100～300ms。

4) 輸入水檢和陸檢共檢波點疊加數據,在選取的時窗內用最小二乘方法求取每一個檢波點的雙檢匹配算子fc。

argmin‖H-fc*G‖2

(6)

5) 用求取的匹配算子fc校正陸檢數據,使水檢和陸檢數據匹配。

6) 水檢和陸檢數據匹配之后,用公式(7)進行雙檢合并,分離上下行波場。

(7)

式中,fc是利用直達波求取的匹配算子。用直達波求取的匹配子波與用反射波求取的匹配子波相位相反,因此,請注意(7)式與(1)式的區別。

3 應用效果分析

圖4是含有直達波的共檢波點疊加結果。圖4a為水檢數據的共檢波點疊加結果;圖4b為陸檢數據的共檢波點疊加結果;圖4c為利用求取的匹配算子校正后的陸檢數據共檢波點疊加結果。由圖4可見,在校正之前,水檢、陸檢的共檢波點疊加有明顯的相位和振幅差異;校正之后,水檢和陸檢的直達波波形趨于一致。

圖5分別是利用反射波交叉鬼波化后求取的雙檢匹配算子(Soubaras方法)和利用直達波求取的雙檢匹配算子。不難看出,兩種算子具有相反的相位。Soubaras方法由于噪聲等因素的干擾計算出的算子不穩定,而本文方法求取的匹配算子穩定。

圖5 兩種方法求取的雙檢匹配算子對比a Soubaras方法求取的雙檢匹配算子; b 本文方法求取的雙檢匹配算子

利用匹配算子校正之后,水檢和陸檢數據的直達波相似程度越高,雙檢合并的效果就越好,因此,經過計算校正之后水檢直達波和陸檢直達波的相似系數來對匹配算子的匹配效果進行評價。圖6是用Soubaras方法和本文方法計算的匹配算子校正后水檢和陸檢共檢波點疊加的相似系數。圖6a為Soubaras方法雙檢匹配后的水檢、陸檢相似系數,可以看出,相似系數大部分介于0.6～1.0之間。圖6b為本文方法校正后水檢、陸檢相似系數,可見絕大部分相似系數都在0.9以上。二者對比說明,在深水OBN地震數據雙檢匹配中,本文方法校正后的水檢和陸檢數據的匹配度更高,具有明顯優勢。

圖6 兩種方法雙檢匹配后的相似系數對比a Soubaras方法雙檢匹配后的相似系數; b 本文方法雙檢匹配后的相似系數

圖7是一對水檢、陸檢記錄的匹配及合并效果對比。其中,圖7a是原始陸檢記錄;圖7b為原始水檢記錄;圖7c為本文方法校正后陸檢記錄?？梢钥闯?原始水檢、陸檢記錄存在明顯的振幅、相位差異;校正后,水檢、陸檢下行波相位一致,上行波相位相反,振幅接近。圖7d和圖7e分別為利用(7)式進行雙檢合并分離波場后的上、下行波場記錄,可以看出波場分離效果很好,上行波波場中看不到明顯的下行波能量,下行波波場中的上行波殘留也非常小。

圖7 雙檢數據的校正與合并a 原始陸檢記錄; b 原始水檢記錄; c 校正后陸檢記錄; d 合并后上行波場; e 合并后下行波場

圖8是應用本文方法對海底起伏劇烈的記錄進行波場分離的效果。圖8a為陸檢記錄;圖8b為水檢記錄;圖8c和圖8d分別為應用本文方法進行波場分離后的上、下行波場記錄。經過對比可以看出,即使海底崎嶇導致經海面反射的下行波同相軸嚴重偏離了雙曲線形態,利用本文方法依然可以很好地分離上、下行波場。

圖8 海底起伏劇烈的雙檢數據波場分離效果a 陸檢記錄; b 水檢記錄; c 上行波記錄; d 下行波記錄

為了驗證本文方法在計算深水OBN雙檢匹配算子中的優勢,分別對水、陸檢記錄直接合并、利用商業軟件進行振幅匹配后再合并、利用Soubaras方法進行雙檢匹配后再合并,以及利用本文方法進行雙檢匹配后再合并的效果進行了對比,如圖9所示。圖9a 是水檢、陸檢直接合并的結果?？梢钥闯?雙檢直接合并波場分離效果不好,在上行波場中存在明顯的下行波;圖9b是利用商業軟件進行了時空變雙檢振幅匹配后合并的結果,由于沒有進行相位匹配,波場分離效果依然很差,分離后的上行波場中存在明顯的下行波;圖9c是應用Soubaras方法,即利用反射波進行雙檢匹配后合并的結果,可以看出,Soubaras方法較好地解決了雙檢匹配問題,波場分離效果較好,但是在上行波場中依然可以看到殘留的下行波能量;圖9d是采用本文方法求取雙檢匹配算子,并用該匹配算子進行雙檢匹配后合并的結果,可以看出,本文方法波場分離效果最好,在上行波場中,幾乎看不到下行波能量。

圖9 不同雙檢合并效果對比a 水、陸檢直接合并; b 振幅匹配后雙檢合并; c Soubaras方法雙檢合并; d 本文方法雙檢合并

圖10是深海OBN水檢數據、陸檢數據和利用本文方法進行波場分離后的上行波、下行波數據快速QC疊加剖面對比。圖10a是水檢數據的疊加剖面;圖10b是陸檢數據的疊加剖面;圖10c是波場分離后的上行波疊加剖面;圖10d是波場分離后的下行波疊加剖面。在水檢疊加和陸檢疊加剖面上可以明顯觀察到海底多次波和近海底反射多次波同相軸;波場分離后的上行波疊加剖面上由于排除了下行波的干擾,疊加效果更好。與上行波疊加剖面相比,深海OBN數據的下行波疊加剖面(圖10d)優勢更加明顯,海底和地下反射的疊加效果明顯好于上行波。

圖10 深海OBN雙檢數據和波場分離后的數據疊加剖面對比a 水檢數據疊加; b 陸檢數據疊加; c 上行波疊加; d 下行波疊加

4 結論與認識

1) 在深水OBN地震數據的上、下行波場分離中,用反射波求取雙檢匹配算子的方法受一系列因素的制約,求取的匹配算子不夠穩定,從而影響上、下行波場分離效果。

2) 如果水深達到一定深度,在OBN地震數據中就會有相對穩定的直達波,選取一定范圍的直達波來求取雙檢匹配算子,可以避免噪聲對計算結果的干擾,而且幾乎不受海底起伏和上行波照明的影響,求取穩定的雙檢匹配算子,更好地分離上、下行波場。

3) 用直達波求取雙檢匹配算子不適用于淺水OBN地震數據,但是,直達波計算深水OBN雙檢匹配算子的方法給我們帶來啟示,利用淺水低信噪比地震數據中反射波之外的其它較穩定的信號可以成為計算雙檢匹配算子的潛在方案。