李洪建,韓立國(guó),鞏向博

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026)

頻率域起伏雙纜數(shù)據(jù)合并策略

李洪建,韓立國(guó),鞏向博

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026)

受鬼波和陷波現(xiàn)象的影響,常規(guī)海洋拖纜采集地震記錄分辨率低,頻帶較窄,低頻端能量不足,因此常用的上下纜寬頻采集技術(shù)及其數(shù)據(jù)合并方法成為海洋地球物理勘探研究重點(diǎn)之一。為此,提出了頻率域起伏雙纜合并策略。通過(guò)計(jì)算每個(gè)檢波點(diǎn)處的鬼波算子,自適應(yīng)地對(duì)起伏雙纜進(jìn)行合并,在減小纜深起伏對(duì)合并質(zhì)量影響的同時(shí),最大限度利用每個(gè)檢波點(diǎn)信息以提高合并結(jié)果分辨率和信噪比。對(duì)于實(shí)際計(jì)算中鬼波算子存在奇異的情況,通過(guò)引入白噪因子,提高了計(jì)算的穩(wěn)定性。并提出了利用淺纜補(bǔ)償變深度拖纜高頻端能量的采集技術(shù),為高精度海洋地震勘探提供了新的思路。最后,分別選取起伏纜深上下纜拖纜模型、淺纜補(bǔ)償變深度拖纜模型以及海上實(shí)際上下纜數(shù)據(jù)為例,驗(yàn)證了頻率域起伏雙纜合并策略的有效性。結(jié)果表明,鬼波被很好地去除,陷波現(xiàn)象被壓制,低頻端能量得以提升,地震記錄頻帶也得到了有效拓寬。

上下纜采集；數(shù)據(jù)合并；鬼波壓制；白噪因子；寬頻地震

海洋地震勘探中,由于海水與空氣的接觸面是一個(gè)良好的反射面,檢波器除接收到一次反射波外,還接收到與海水面反射作用相關(guān)的虛反射,即鬼波[1-2]。鬼波疊加在一次波的尾部,影響了一次波的振幅,甚至?xí)a(chǎn)生假的同相軸,降低了地震記錄的分辨率。同時(shí),鬼波陷波現(xiàn)象導(dǎo)致地震記錄有效頻帶變窄[3],低頻端能量降低。而當(dāng)今的高精度、高分辨率地震處理解釋,如全波形反演、譜分解等都需要豐富的低、高頻信息,因此鬼波壓制、拓寬頻帶是海洋地球物理勘探的研究重點(diǎn)之一。

海洋拖纜采集中,拖纜深度對(duì)于地震信號(hào)頻譜有直接影響[4],電纜沉放較淺時(shí),鬼波延時(shí)小,頻帶較寬,高頻信息豐富,淺層成像分辨率較高,但低頻信息損失嚴(yán)重,深層成像差;隨著拖纜深度的增加,信噪比提高,鬼波延時(shí)增大,低頻成分逐漸豐富,信號(hào)穿透性增強(qiáng),深層成像質(zhì)量好,但是鬼波陷波現(xiàn)象導(dǎo)致頻帶變窄,高頻能量不足,淺層成像分辨率較低。

結(jié)合不同纜深的頻帶優(yōu)勢(shì),利用鬼波與有效信號(hào)間的延時(shí)隨電纜沉放加深而增大的特性,研究者們提出了多種寬頻采集方式,如上下纜采集技術(shù)[5-7],通過(guò)合并不同纜深地震記錄,可以獲得某一深度的上行波場(chǎng),但是由于實(shí)際采集受環(huán)境、儀器性能等影響[8],拖纜無(wú)法準(zhǔn)確控制在預(yù)設(shè)深度[9],實(shí)際施工中,拖纜沉放深度在預(yù)設(shè)深度上、下1m范圍內(nèi)都為合理?；谏舷吕|采集技術(shù)的數(shù)據(jù)合并方法也被逐漸提出,“相位校正求和”(dephase and sum,DPS)合并算法[10-12]應(yīng)用最為廣泛,在頻率波數(shù)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)鬼波的壓制,但是由于DPS合并方法以假設(shè)固定深度拖纜為前提,因此很難消除起伏纜深對(duì)合并的影響?！耙莆缓蜏p去”(shift and subtract)法[13]對(duì)于上下纜深度差在不同偏移距處保持固定的纜深組合合并效果較好,但該方法同樣受起伏纜深的影響,且受海洋環(huán)境噪聲影響嚴(yán)重?！昂筒睢?sum and difference)法[14]通過(guò)對(duì)不同道進(jìn)行積分以消除鬼波,但是對(duì)于偏移距過(guò)大的地震記錄合并效果較差。因此,發(fā)展一種精度更高、合并效果更好、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的上下纜合并算法尤為重要。

Robert等提出了變深度拖纜采集技術(shù)[15],針對(duì)不同偏移距處產(chǎn)生的具有不同陷波頻率的鬼波,利用陷波多樣性及常規(guī)偏移、鏡像偏移聯(lián)合反褶積技術(shù)[16-17]加以壓制。但是,由于變深度拖纜平均纜深較大,雖然獲得了豐富的低頻成分且頻帶較寬,但是高頻端能量相對(duì)不足。因此,可以嘗試?yán)盟綔\纜來(lái)彌補(bǔ)斜纜的高頻缺失。

1 方法原理

海洋地震勘探中,由于海面是良好的反射界面,位于深度zi的檢波器接收到的壓力波場(chǎng)信號(hào)p(t,x,zi)由兩部分組成:地層反射回的一次反射波和受海面影響而產(chǎn)生的鬼波,如方程(1)所示:

(1)

式中:pup(t,x,zi)為一次反射波波場(chǎng)；pd(t,x,zi)為海面反射產(chǎn)生的鬼波波場(chǎng)。對(duì)方程(1)做二維傅里葉變換:

(2)

式中:kx為水平波數(shù)；zi為檢波器預(yù)設(shè)深度；P(ω,kx,zi)為頻率波數(shù)域?qū)嶋H地震記錄；Pup(ω,kx,zi)為地層反射的上行波場(chǎng)；Pd(ω,kx,zi)為海面發(fā)射產(chǎn)生的下行波場(chǎng)。由于海面反射系數(shù)接近于-1,基于波場(chǎng)延拓原理可得:

(3)

將方程(3)代入方程(2),可得:

(4)

其中,kz為垂直波數(shù):

(5)

式中:k為波數(shù)。假設(shè)G(ω,kx,zi)為鬼波算子,則:

(6)

基于方程(6)計(jì)算不同深度處的等效陷波頻率譜,圖1表示拖纜深度為5,17,23m以及變深度拖纜5～50m的等效陷波頻率譜。拖纜較深(23m)時(shí),陷波點(diǎn)頻率低,低頻端能量高但是頻帶窄；拖纜較淺時(shí)剛好相反,有效頻帶較寬但低頻端能量低；變深度拖纜采集可以獲得豐富的低頻成分且頻帶較寬,但是高頻端能量相對(duì)不足。

我國(guó)油田行業(yè)是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要一部分，隨著時(shí)代的不斷改革，當(dāng)下我國(guó)對(duì)油田企業(yè)的要求逐漸提高，油田項(xiàng)目開(kāi)展前期的招標(biāo)、投標(biāo)、競(jìng)標(biāo)的環(huán)節(jié)是非常重要的。對(duì)于當(dāng)下最常見(jiàn)的企業(yè)招投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)的方式就是公開(kāi)招標(biāo)，公開(kāi)招標(biāo)作為最常見(jiàn)的公平競(jìng)標(biāo)方式，投標(biāo)企業(yè)要想在油田拿到項(xiàng)目，必須要通過(guò)公平競(jìng)爭(zhēng)的方式，所以，油田企業(yè)為了能夠讓自身得到更好的發(fā)展，對(duì)招投標(biāo)管理工作的力度是非常關(guān)鍵的，為了能夠更好的做好招投標(biāo)工作的管理，有必要對(duì)于招標(biāo)投標(biāo)管理中所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，并且提供相應(yīng)的對(duì)策。

根據(jù)波場(chǎng)延拓原理,深度z1處的上行波場(chǎng)可以表示為z2處上行波場(chǎng)的延拓:

(7)

結(jié)合方程(4)和方程(7):

(8)

其中,z1和z2處鬼波算子分別為:

(9)

求解方程(8),可得鬼波壓制后的上行波場(chǎng):

(10)

式中,“*”表示復(fù)共軛函數(shù)。因?yàn)榭碧街泻Ｑ蟓h(huán)境是未知的,受技術(shù)限制,拖纜深度(檢波器深度)無(wú)法控制在預(yù)設(shè)深度z1和z2,為忽略波數(shù)k對(duì)鬼波壓制的影響,不考慮相鄰檢波器的影響,對(duì)鬼波算子G(ω,kx,zi)和頻率波數(shù)域波場(chǎng)P(ω,kx,zi)采用逆傅里葉變換:

(11)

式中:P(ω,x,zi)為頻率域波場(chǎng)；n表示檢波器序號(hào)；z1_n和z2_n表示上、下纜第n個(gè)檢波器的實(shí)際深度；eval函數(shù)表示對(duì)n道數(shù)據(jù)循環(huán)計(jì)算并按照道號(hào)順序排序整合。但是在鬼波壓制過(guò)程中,鬼波算子G會(huì)出現(xiàn)零值,使得1/G奇異,影響鬼波壓制算法的計(jì)算穩(wěn)定性,通過(guò)引入白噪因子,對(duì)1/G進(jìn)行穩(wěn)定性處理:

(12)

其中,ε為白噪因子,取值范圍為0～0.1。通過(guò)方程(11),可以獲得鬼波壓制后的頻率域波場(chǎng)。

圖1 不同纜深等效陷波頻率譜(藍(lán)線:纜深5m;紅線:纜深17m;綠線:纜深23m;黑線:變深度拖纜深度5～50m)

2 實(shí)例分析

2.1 起伏纜深上下纜拖纜模型

為了體現(xiàn)頻率域起伏雙纜合并策略的有效性,建立了起伏纜深上下纜拖纜模型,并夸大了纜深起伏程度,如圖2,模擬纜深在預(yù)設(shè)深度上、下2m范圍內(nèi)起伏,圖3a和圖3b分別為纜深位于(11.5±2.0)m和(31.5±2.0)m的單炮記錄,鬼波延時(shí)隨著起伏纜深不斷變化,導(dǎo)致同相軸不連續(xù)。經(jīng)過(guò)頻率域起伏上下纜合并,圖3c為鬼波壓制后的上行波記錄,與實(shí)際生產(chǎn)中常用的DPS上下纜合并方法處理結(jié)果圖3d相比,圖3c中鬼波壓制效果更好,一次波同相軸清晰且連續(xù)。

圖2 起伏纜深上下纜模型

在頻率域進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示,DPS上下纜合并方法受纜深變化影響很大,頻譜上仍存在很多剩余陷波點(diǎn)(圖4d),而本文方法陷波現(xiàn)象被很好消除(圖4c)。取其中一道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖5所示,本文方法鬼波壓制較好,無(wú)論是陷波點(diǎn)處還是低頻端,能量都得到了很好的補(bǔ)充,有效地拓寬了頻帶。

圖3 拖纜深度(11.5±2.0)m單炮記錄(a)、拖纜深度(31.5±2.0)m單炮記錄(b)、通過(guò)本文方法計(jì)算得到的上行波場(chǎng)(c)以及常規(guī)DPS方法計(jì)算得到的上行波場(chǎng)(d)

圖4 對(duì)應(yīng)圖3a(a),圖3b(b),圖3c(c)和圖3d(d)記錄的頻率譜

圖5 第12道記錄的頻率譜(a)以及黑框區(qū)域放大顯示(b)

2.2 淺纜補(bǔ)償變深度拖纜模型

針對(duì)變深度拖纜采集中高頻成分相對(duì)不足的問(wèn)題,提出利用常規(guī)淺纜采集補(bǔ)償變深度拖纜的采集方法,即常規(guī)纜、變深度拖纜聯(lián)合采集,圖6為淺纜補(bǔ)償變深度拖纜模型,受環(huán)境影響,淺纜存在起伏,拖纜深度位于(11.5±2.0)m。

圖7a,圖7b和圖7c分別為常規(guī)纜、變深度拖纜以及合并后的單炮記錄,圖8a,圖8b及圖8c分別為相應(yīng)的頻譜。由變深度拖纜單炮記錄(圖7b)可知,拖纜深度隨偏移距不斷增加,鬼波對(duì)一次波的波形產(chǎn)生不同的改變。由圖8b可知,隨著偏移距的增加,頻帶逐漸變窄,但是低頻端能量逐漸增強(qiáng)。利用本文方法將常規(guī)纜和變深度拖纜合并，結(jié)果如圖7c和圖8c所示,可見(jiàn)，鬼波被很好地壓制,陷波現(xiàn)象被消除,極大地拓寬了頻帶,低頻能量得到了很好補(bǔ)充。由頻譜分析結(jié)果(圖9)可知,經(jīng)過(guò)本文雙纜合并策略,實(shí)現(xiàn)了淺纜和變深度拖纜數(shù)據(jù)的有效合并,在保留了變深度拖纜低頻端能量的同時(shí),提升了高頻端的能量。

圖6 淺纜補(bǔ)償變深度拖纜模型

圖7 拖纜深度為(11.5±2.0)m時(shí)的單炮記錄(a)、變深度拖纜深度為5～50m時(shí)的單炮記錄(b)和本文方法計(jì)算得到的上行波場(chǎng)(c)

圖8 對(duì)應(yīng)圖7a(a),圖7b(b)和圖7c(c)單炮記錄的頻譜

圖9 頻譜分析結(jié)果

2.3 實(shí)際海上數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證頻率域雙纜合并策略的實(shí)用效果,選取實(shí)際地震資料進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)為海上上下纜采集記錄,拖纜深度分別為17m和23m,經(jīng)過(guò)去噪、去多次波、動(dòng)校正等預(yù)處理,圖10a和圖10b分別為相應(yīng)深度時(shí)的單炮記錄,圖10c為鬼波壓制后的單炮記錄,經(jīng)過(guò)鬼波壓制,地震記錄分辨率明顯提高,由鬼波產(chǎn)生的虛假同相軸被很好的去除。

抽取其中一道進(jìn)行分析,如圖11為第554道530～980ms記錄,經(jīng)過(guò)鬼波壓制,可見(jiàn)一次波尾部的鬼波被很好的壓制,提高了資料的分辨率。通過(guò)頻譜(圖12)分析可知,經(jīng)過(guò)上下纜合并,陷波點(diǎn)能量得到有效恢復(fù),同樣低頻端能量也有很大提升。

圖10 拖纜深度17m時(shí)的單炮記錄(a);拖纜深度23m時(shí)的單炮記錄(b)以及通過(guò)本文方法計(jì)算得到的上行波場(chǎng)(c)

圖11 第554道530～980ms記錄處理結(jié)果

圖12 圖10單炮記錄的頻率譜(a)以及黑框區(qū)域放大顯示(b)

3 結(jié)論和討論

本文提出了頻率域起伏雙纜合并策略,它有效地結(jié)合了淺纜的寬頻優(yōu)勢(shì)和深纜的低頻、高信噪比優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)的上下纜合并方法相比,可以最小化纜深起伏對(duì)合并數(shù)據(jù)的影響,并最大限度地利用檢波點(diǎn)信息以獲得高信噪比和高分辨率,對(duì)于實(shí)際計(jì)算中鬼波算子存在奇異的情況,通過(guò)引入白噪因子,提高了計(jì)算的穩(wěn)定性。

本文還提出了利用淺纜補(bǔ)償變深度拖纜采集新技術(shù),利用頻率域起伏雙纜合并策略對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),通過(guò)鬼波壓制,很好保留變深度拖纜豐富低頻信息的同時(shí),有效地提高了高頻信息,為高精度海洋地震勘探提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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(編輯：朱文杰)

Merge strategy for marine seismic data from fluctuate double streamers in frequency domain

Li Hongjian,Han Liguo,Gong Xiangbo

(CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China)

Conventional streamer seismic acquisition suffers from the sea surface ghost and resulting notches,which results in poor resolution,narrow band and less low-frequency components for seismic data.As a common broadband seismic acquisition,over/under towed-streamers acquisition technique and its data merge are focused in marine geophysical research.We propose a data merge strategy for fluctuate double streamers in frequency domain.By estimating the ghost operator in every seismic geophone,the new strategy self-adaptively merges the two streamer data and reduces the equivalent notch effect to a theoretical minimum,while the information of all receiver points are utilized to improve the resolution and signal-to-noise ratio of merged results.For the case of singular ghost operator,the white noise coefficient is introduced and the stability of the calculation is improved.Variable-depth streamers could also be combined with a shallow streamer to strengthen its high-frequency energy,which provides a new thinking and well supplement in real high precision marine seismic exploration.We applied this strategy to both synthetic data examples from rough over/under towed-streamers,new proposed over/variable-depth streamers models and a real seismic data case.Good results for the synthetic and real data cases were achieved.The ghost is removed,notches are suppressed,band is broadened and the energy of low-frequency components is improved.

over/under towed-streamers acquisition,data merging,ghost suppression,white noise coefficient,broadband marine seismic acquisition

2015-04-13;改回日期：2015-09-06。

李洪建(1989— ),男,博士在讀,現(xiàn)主要從事寬頻地震正演模擬、采集、處理方面的研究。

韓立國(guó)(1961— ),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事復(fù)雜地震波場(chǎng)正反演與成像、地震屬性與地球物理信號(hào)分析研究。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05025-001-04)資助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0674-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.005