許自強(qiáng) 李添才 王用軍 但志偉 顧漢明 劉杰明 李三福

（1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)物探技術(shù)研究所 廣東湛江 524057； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院 湖北武漢 430074）

許自強(qiáng)，李添才，王用軍，等.傾斜電纜地震資料處理關(guān)鍵技術(shù)及其效果分析［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（6）：10-18.

在過去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，海上地震資料常規(guī)采集采用單一等浮拖纜技術(shù)，即平纜采集。隨著勘探程度逐漸加深，海上勘探目標(biāo)逐漸走向深層和深水［1-3］，常規(guī)等浮電纜采集遇到瓶頸，表現(xiàn)在鬼波靠處理難以壓制，虛反射嚴(yán)重，信號(hào)頻帶高低兩端能量較弱，電纜沉放淺時(shí)中深層目標(biāo)低頻能量較弱，不利于深層構(gòu)造目標(biāo)的落實(shí)；電纜沉放深時(shí)高頻能量損失導(dǎo)致中層儲(chǔ)層頻帶范圍比較窄，不利于地層巖性圈閉勘探中儲(chǔ)層落實(shí)，影響油田開發(fā)方案的設(shè)計(jì)。近年來發(fā)展了 OBC［4-5］、上／下纜采集［6-7］和雙檢采集方式［8］，國(guó)內(nèi)外也針對(duì)有效壓制鬼波開發(fā)了相應(yīng)的上／下纜［9-12］和雙檢處理技術(shù)［13］，對(duì)于低頻和高頻的保持都有一定的作用，但電纜漂移影響上／下纜采集實(shí)際效果，施工時(shí)OBC和上／下纜采集的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單纜采集，采集成本顯著增加，同時(shí)上述2種采集方式的頻譜不光滑。

近幾年，CGG公司推出傾斜纜采集方式［14］，或稱變深度纜采集（VDS），具有以下優(yōu)勢(shì)：電纜信號(hào)接收頻帶較寬，淺、中、深層均能獲得較好成像；鬼波壓制效果好，頻寬大幅提高；電纜受海流影響漂移小，信噪比高；采集成本增加相對(duì)較小。同時(shí)，針對(duì)傾斜纜采集的地震資料推出了相應(yīng)的各種處理方法，但核心是鬼波壓制，如利用鏡像道集與聯(lián)合反褶積處理技術(shù)有效壓制鬼波［15-18］。為了實(shí)現(xiàn)傾斜電纜地震資料處理技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，筆者結(jié)合南海荔灣深水區(qū)傾斜電纜資料處理效果，研發(fā)了傾斜電纜地震資料關(guān)鍵處理技術(shù)，包括纜深校正技術(shù)、震源鬼波壓制技術(shù)、電纜鬼波壓制技術(shù)，總結(jié)出了海上寬頻處理的技術(shù)流程，并對(duì)今后海上寬頻采集和處理發(fā)展提出了建議。

1 傾斜電纜地震資料特點(diǎn)

如圖1所示，傾斜電纜采集技術(shù)是通過改變拖纜上檢波器的沉放深度，使得不同檢波器上鬼波造成的陷波點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)水平拖纜數(shù)據(jù)更分散，從而通過疊加就可獲得寬頻的地震數(shù)據(jù)，具有豐富的低頻（低至5 Hz）和高頻成分（高至震源鬼波陷波點(diǎn)），使得傾斜纜采集技術(shù)具有更好的地層穿透性，可實(shí)現(xiàn)更好的深部成像。為了獲得寬頻帶的疊前道集資料，必須采用處理手段在疊前消除電纜鬼波和震源鬼波的影響。

圖1 傾斜電纜采集原理示意圖Fig.1 Schematic of slant streamer acquisition

對(duì)于傾斜纜采集的地震資料，隨著偏移距由近及遠(yuǎn)，子波的形態(tài)也發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為隨著偏移距增大，電纜鬼波與有效波的時(shí)差越來越大。由于傾斜纜采集拖纜上檢波器的沉放深度逐漸變深，無論是有效波還是鬼波，主頻也是由近及遠(yuǎn)逐漸變低，鬼波的影響造成其在速度譜上的聚焦度不如平纜采集，與有效波的能量團(tuán)相平行的位置有一個(gè)速度較低的鬼波的能量團(tuán)（圖2），因此利用沒有衰減鬼波的地震速度譜在速度解釋時(shí)需要謹(jǐn)慎，加之多次波的影響導(dǎo)致有效波和鬼波及干擾波很難區(qū)分，而一般情況下要解釋偏高的有效波速度。

在去噪方面，傾斜纜采集和常規(guī)浮拖纜采集無重大差異。但在多次波壓制方面，由于SRME要求數(shù)據(jù)規(guī)則，如炮檢等距規(guī)則觀測(cè)，所有炮檢點(diǎn)必須在同一基準(zhǔn)面上，水平纜通過槍纜校正后誤差基本很小，但這一點(diǎn)斜纜基本不滿足。再次，SRME要求參與預(yù)測(cè)的多炮記錄具有地震子波一致性，事實(shí)上由于震源的方向性、反射波場(chǎng)出射角度以及纜深的不同，各個(gè)偏移距上鬼波特性都不盡相同，水平纜的差異相對(duì)較小，但對(duì)于斜纜來說差異會(huì)比較大，修正的方案就是首先解決纜深校正問題。依靠多次波和有效波速度差異的特性進(jìn)行壓制多次波，如拉冬變換等，在本質(zhì)上與平纜壓制差異較小，可以直接使用，但前提也是要首先解決纜深校正問題。

在偏移成像方面，克西霍夫偏移需要炮、檢都在同一水平面上，因此傾斜纜不能直接進(jìn)行疊前時(shí)間偏移，解決的辦法有2種：一是進(jìn)行真纜深的疊前時(shí)間偏移，把纜深項(xiàng)加進(jìn)去，在偏移過程中解決纜深變化的問題；二是采取波場(chǎng)延拓校正纜深。因此，首先解決了纜深校正問題，才能為后面的速度解釋、多次波衰減和疊前偏移創(chuàng)造條件。

圖2 傾斜電纜地震道集與速度譜Fig.2 CMP gather and velocity spectrum of slant streamer seismic

圖3 波場(chǎng)延拓校正與常規(guī)時(shí)差校正示意圖Fig.3 Schematic of wave field extrapolation and normal static corrections

2 關(guān)鍵處理技術(shù)

2.1 波場(chǎng)延拓纜深校正技術(shù)

由于變深度拖纜采集方式的檢波器沉放深度隨偏移距的增大而改變，因此以該采集方式得到的數(shù)據(jù)是難以進(jìn)行后續(xù)的常規(guī)處理的，需要把變深度纜采集數(shù)據(jù)校正到水平面的位置（圖3）。常規(guī)靜校正方法是直接計(jì)算垂直校正量，直接向上校正到所需水平面的位置（如圖3綠色虛線所示），而實(shí)際上波場(chǎng)并非直接向上傳播，因此這種方法與實(shí)際波場(chǎng)路徑不符，校正的結(jié)果不能用于多次波壓制和偏移成像。

圖4 進(jìn)行波場(chǎng)延拓校正前后并經(jīng)過動(dòng)校正后的道集對(duì)比Fig.4 NMO-CRP comparison between raw data and wave field extrapolation static correction data

針對(duì)上述問題，所采用的修正方案是“逐步緊加”波場(chǎng)外推的概念［19］?！爸鸩骄o加”的思路是在F-K域?qū)⒉▓?chǎng)從一個(gè)水平基準(zhǔn)面向上延拓，并在每一個(gè)深度步長(zhǎng)上將所截的拖纜位置上的原有波場(chǎng)值加到延拓的波場(chǎng)中再向上延拓，如此逐步進(jìn)行，直到基準(zhǔn)面為止。如圖4所示，左圖顯示出經(jīng)過動(dòng)校正后的道集記錄，由于沒有進(jìn)行纜深校正，反射同相軸沒有得到校平；而右圖顯示出實(shí)施波場(chǎng)延拓深度校正并經(jīng)過動(dòng)校正后的道集記錄，反射同相軸得到校平（如藍(lán)色箭頭所示），驗(yàn)證了F-K域波場(chǎng)延拓纜深校正具有較好的效果。

2.2 震源鬼波壓制技術(shù)

海上地震勘探采用氣槍激發(fā)，強(qiáng)能量的虛反射（震源鬼波與電纜鬼波）和明顯的氣泡效應(yīng)是地震資料特有的現(xiàn)象。震源鬼波可以假定是震源位置以上垂直2倍高度的一個(gè)激發(fā)，即震源以海平面為鏡面的一個(gè)鏡像震源激發(fā)，李緒宣等［20-21］通過氣槍立體陣列組合在采集階段進(jìn)行震源鬼波壓制。在常規(guī)采集處理階段，氣泡效應(yīng)可以使用遠(yuǎn)場(chǎng)子波設(shè)計(jì)一個(gè)沒有氣泡效應(yīng)的理論輸出，遠(yuǎn)場(chǎng)子波與沒有氣泡尾巴的子波進(jìn)行匹配求取反子波算子，然后應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)。根據(jù)相同原理，也可以設(shè)計(jì)一個(gè)沒有震源鬼波的子波作為理論輸出，與遠(yuǎn)場(chǎng)子波進(jìn)行匹配求取壓制震源鬼波的反子波算子，進(jìn)而應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)壓制震源鬼波。以上2種方法均可以稱為確定性震源子波反褶積，應(yīng)用該技術(shù)可以消除震源虛反射和氣泡效應(yīng)對(duì)地震子波的影響。筆者采用設(shè)計(jì)鬼波的逆濾波器方式進(jìn)行斜纜的震源鬼波壓制，由于與電纜沉放深度沒有關(guān)系，因此該方法同樣適合平纜采集地震資料。

海上震源鬼波的影響主要有2個(gè)陷波帶。以5 m震源沉放深度為例，假設(shè)水速為1 500 m／s，如果是垂直自激自收，理論上震源鬼波造成的陷波應(yīng)該在150 Hz，由于實(shí)際采集是傾斜接收，加之入射角的變化，波場(chǎng)行程非垂直走時(shí)，因此全偏移距的總體陷波點(diǎn)理論上應(yīng)該在150 Hz附近。實(shí)際地震表明，震源鬼波造成的一個(gè)陷波點(diǎn)在140～150 Hz，另外一個(gè)陷波點(diǎn)在0 Hz附近。

由震源鬼波壓制前后的道集、頻譜和自相關(guān)對(duì)比（圖5）可以看出，由于本次地震數(shù)據(jù)采集槍深為5 m，震源鬼波造成2個(gè)陷波點(diǎn)，即0 Hz附近和150 Hz附近，其中0 Hz陷波帶附近頻譜提升最明顯，140 Hz左右陷波也得到一定的抬升；由于震源鬼波得到壓制，自相關(guān)圖上的能量極值僅剩下一次波和電纜鬼波。

另外，由震源鬼波壓制前后的單偏移距體和頻譜圖以及疊加剖面和頻譜圖對(duì)比也可看出震源鬼波壓制效果（圖6、7）。

圖5 原始數(shù)據(jù)（左）、去震源鬼波（中）和去源＋纜鬼波（右）的道集、頻譜和自相關(guān)對(duì)比Fig.5 CRP，spectrum and autocorrelation comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

圖6 原始數(shù)據(jù)（左）、去震源鬼波（中）和去源＋纜鬼波（右）的1 100 m單偏移距體和頻譜對(duì)比Fig.6 Single offset volume（1 100 m）and spectrum comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

圖7 原始數(shù)據(jù)（左）、去震源鬼波（中）和去源＋纜鬼波（右）的疊加體和頻譜對(duì)比Fig.7 Stack and spectrum comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

2.3 電纜鬼波壓制技術(shù)

由于電纜鬼波受很多因素影響，如入射角變化、電纜漂移、海平面的粗糙性、隨機(jī)噪聲、地層吸收作用和三維采集等，常用的遠(yuǎn)場(chǎng)子波設(shè)計(jì)逆濾波器法存在很多不足；而且若采用設(shè)計(jì)反子波濾波算子方式，傾斜電纜資料要根據(jù)電纜深度變化設(shè)計(jì)幾百個(gè)濾波器，隨著電纜深度的變化，理論陷波點(diǎn)與實(shí)際陷波點(diǎn)之間的誤差將會(huì)越來越大。國(guó)外傾斜電纜的鬼波壓制方法分為疊后和疊前2類，其核心算法為鏡像偏移和聯(lián)合反褶積［15-18］。由于傳統(tǒng)方法需要采用鏡像偏移，或者產(chǎn)生鏡像道集，所以計(jì)算量大；另外，由于聯(lián)合反褶積在壓制鬼波的同時(shí)影響了地震子波的振幅譜和相位譜，也難以完全滿足保幅地震數(shù)據(jù)處理的要求。因此，如何準(zhǔn)確估計(jì)鬼波的2個(gè)重要參數(shù)，即時(shí)延和水面反射系數(shù)，是設(shè)計(jì)壓制鬼波算子的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

Mo等［22］提出了基于非高斯性最大化的鬼波參數(shù)估計(jì)方法，認(rèn)為鬼波僅僅是一次波的負(fù)向時(shí)延，與一次波具有極強(qiáng)的相似性。由概率知識(shí)可知，當(dāng)2個(gè)非獨(dú)立的相似信號(hào)經(jīng)過疊加后將會(huì)增加高斯性，所以一次波的非高斯性要比原始信號(hào)（一次波與鬼波的疊加信號(hào)）的非高斯性要高。因此，可以利用枚舉法掃描一系列的鬼波時(shí)延和反射系數(shù)，再進(jìn)行鬼波壓制，最后選取鬼波壓制后信號(hào)非高斯性最強(qiáng)的作為真實(shí)的處理結(jié)果。該方法假設(shè)鬼波參數(shù)是時(shí)變的，但并未考慮不同偏移距檢波點(diǎn)深度的變化，即鬼波的時(shí)延和水面反射系數(shù)在時(shí)間和空間上都在變化。本文針對(duì)鬼波時(shí)空變的特點(diǎn)，利用地震數(shù)據(jù)的非高斯性，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)空變鬼波參數(shù)估計(jì)的策略，即超高斯時(shí)空變鬼波壓制法，其具體設(shè)計(jì)思路如下。

檢波點(diǎn)鬼波參數(shù)在共炮集上是時(shí)空變的，所以有效信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的鬼波混合成觀測(cè)到的地震信號(hào)過程可以用一個(gè)時(shí)空變信號(hào)混合模型表示為

式（1）中：y（t，x）是觀測(cè)地震信號(hào)；s（t，x）是有效信號(hào)；g（t，x）是鬼波；t為時(shí)間；x為偏移距。其中，鬼波和有效信號(hào)的關(guān)系表示為

式（2）中：＊表示沿時(shí)間方向的1D卷積運(yùn)算；f（d（t，x），α）是時(shí)空變鬼波算子；d（t，x）是時(shí)空變鬼波時(shí)延；α是海面的反射系數(shù)，一般取-1或略大的值。其中，時(shí)空變鬼波算子模型為

式（3）中：δ（t）是尖脈沖函數(shù)。

為了從觀測(cè)地震信號(hào)y（t，x）中分離出有效信號(hào)s（t，x）和鬼波g（t，x），可以將鬼波壓制問題表示為一個(gè)時(shí)空變盲信號(hào)分離問題。由于地震信號(hào)是超高斯分布的，采用如下優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解：

式（4）中：Lap（d（t，x））表示對(duì)d（t，x）進(jìn)行 Laplace濾波。式（4a）中優(yōu)化目標(biāo)中前2項(xiàng)是最大化分離后信號(hào)的超高斯性，第3項(xiàng)是最大化時(shí)延參數(shù)的光滑性，也就是假設(shè)時(shí)延參數(shù)在時(shí)空域上是慢變的。

通過求解式（4）給出的優(yōu)化問題，可以得到時(shí)延d（t，x）、有效信號(hào)s（t，x）和鬼波g（t，x）的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)鬼波的壓制。由于式（4）是一個(gè)非線性優(yōu)化問題，一般情況下也是一個(gè)非凸問題，存在局部極小點(diǎn)的問題。為了求取一個(gè)合理的時(shí)延d（t，x）估計(jì)，可以根據(jù)檢波器沉放深度dr、海水速度v、海水深度dw及某一地震道的偏移距x確定時(shí)延d（t，x）的取值范圍為

海面反射系數(shù)范圍設(shè)為［αmin，αmax］，給定一個(gè)時(shí)延掃描步長(zhǎng)（如1 ms）和一個(gè)反射系數(shù)掃描步長(zhǎng)（如0.1），利用不同的鬼波參數(shù)進(jìn)行鬼波壓制，然后在時(shí)空域上選擇非高斯性最大的結(jié)果進(jìn)行融合，得到最終的鬼波壓制結(jié)果。

基于超高斯的時(shí)空變鬼波壓制方法對(duì)海上拖纜采集的電纜沉放形狀沒有限制，壓制海上鬼波最難確定的2個(gè)系數(shù)，即鬼波時(shí)延和反射系數(shù)都要進(jìn)行掃描，最后確定最優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行鬼波壓制，因此該方法理論上適應(yīng)性較廣，任意拖纜采集方式均可采用該方法進(jìn)行電纜鬼波的壓制。若利用源檢互換原理，即把炮集重排列為共檢波點(diǎn)域，采用該方法也可進(jìn)行震源鬼波的壓制。

由電纜鬼波壓制前后的道集（圖5b、c）、頻譜（圖5e、f）和部分道集上的道自相關(guān)對(duì)比（圖5h、i）可看出，由于電纜鬼波得到壓制，相關(guān)圖上的能量極值僅剩下一次波。由電纜鬼波壓制前后的單偏移距體（圖6b、c）及其頻譜對(duì)比（圖6e、f），以及電纜鬼波壓制前后的疊加剖面（圖7b、c）及其頻譜對(duì)比（圖7e、f）也可看出電纜鬼波壓制效果。震源及電纜鬼波壓制后，無論在道集還是在單偏移距體上，海底和基底由4個(gè)同相軸變?yōu)?個(gè)同相軸，頻帶也大幅拓寬。

3 寬頻處理流程及效果分析

通過模型數(shù)據(jù)及實(shí)際數(shù)據(jù)的處理測(cè)試，建立了南海荔灣深水區(qū)傾斜電纜地震資料寬頻處理流程（圖8），該流程也適合其他形狀的變深度纜或水平拖纜地震資料的寬頻處理。

圖9為荔灣深水區(qū)平纜常規(guī)處理與傾斜電纜寬頻處理的疊加體和頻譜對(duì)比。以-10 dB為限，常規(guī)平纜處理剖面的有效頻寬為10～75 Hz，而傾斜電纜寬頻處理剖面的有效頻寬則達(dá)2.5～140 Hz。與平纜地震資料相比，傾斜電纜地震資料在成像質(zhì)量上首先是低頻成分的增多對(duì)基底和斷面的成像有益處，其次是寬頻處理使得地震資料的分辨率得到提高；在地質(zhì)認(rèn)識(shí)方面，傾斜電纜地震資料不整合接觸關(guān)系更加清晰，邊界斷層可靠，洼陷形態(tài)更加清楚，構(gòu)造形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，中深層地層產(chǎn)狀特征明顯。另外，由于傾斜電纜地震資料低頻成分的充足，在反演上彌補(bǔ)了測(cè)井和常規(guī)資料在5～10 Hz頻帶的缺失，更加有利于提高反演的穩(wěn)定性和精度［23］。

圖10顯示了荔灣深水區(qū)平纜采集地震資料常規(guī)處理與寬頻處理的疊加體和頻譜的對(duì)比結(jié)果，可以看出，平纜地震資料通過寬頻處理壓縮了地震子波，使得子波更加尖銳，頻帶更寬，有利于基底、斷面成像，而且寬頻資料波組特征明顯，地層超覆面清晰，超覆點(diǎn)位置準(zhǔn)確，在識(shí)別巖性變化方面也優(yōu)于常規(guī)處理資料。

圖8 海上拖纜采集地震資料寬頻處理流程Fig.8 Broadband processing flow chart of seismic data of offshore towed-streamer acquisition

圖9 荔灣深水區(qū)平纜地震資料（左）與傾斜電纜地震資料（右）的疊加體和頻譜對(duì)比Fig.9 Stack and spectrum comparison between flat streamer seismic data（left）and slant streamer seismic data（right）in Liwan deep water area

圖10 荔灣深水區(qū)平纜常規(guī)處理（左）與平纜寬頻處理（右）的疊加體和頻譜對(duì)比Fig.10 Stack and spectrum comparison between flat streamer seismic data by conventional processing（left）and broadband processing（right）in Liwan deep water area

4 結(jié)論與建議

1）傾斜電纜采集為寬頻地震資料提供了先天的優(yōu)勢(shì)，但合理有效的處理技術(shù)和手段是把這種優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為成果的關(guān)鍵所在。其中，傾斜電纜采集地震處理首先要進(jìn)行波場(chǎng)延拓，這是后續(xù)多次波衰減、反褶積和偏移成像等處理的重要基礎(chǔ)；而電纜鬼波與震源鬼波同時(shí)得到有效壓制，才能實(shí)現(xiàn)真正的傾斜電纜地震資料寬頻處理。

2）本文所建立的傾斜電纜地震資料寬頻處理技術(shù)流程同樣適合常規(guī)平纜采集地震資料的寬頻處理。建議今后傾斜電纜采集要對(duì)傾斜部分和水平部分的配置比例進(jìn)行優(yōu)化論證，傾斜電纜處理要對(duì)鬼波壓制后的殘留旁瓣進(jìn)行進(jìn)一步壓制。需要注意的是，由于寬頻地震資料的低頻能量較強(qiáng)，導(dǎo)致地層內(nèi)部阻抗差異小的地震反射成層性差，尤其是陸相沉積層的內(nèi)幕反射結(jié)構(gòu)，不利于沉積微相的解釋和儲(chǔ)層描述，因此寬頻地震資料的使用需要繼續(xù)研究和認(rèn)識(shí)，如分頻使用寬頻地震資料。

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