劉春成 焦振華 管西竹 陶 杰

(中海油研究總院 北京 100028)

海洋“犁式”電纜地震資料采集與處理方法*

劉春成 焦振華 管西竹 陶 杰

(中海油研究總院 北京 100028)

劉春成,焦振華,管西竹，等.海洋“犁式”電纜地震資料采集與處理方法[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：1-7.

Liu Chuncheng,Jiao Zhenhua,Guan Xizhu,et al.The acquisition and process method of marine plow cable streamer seismic data[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):1-7.

海洋寬頻勘探技術(shù)是解決中深層構(gòu)造成像問(wèn)題、提高地震分辨率、實(shí)現(xiàn)高精度勘探的重要方法，但受海上地震采集方式的制約，寬頻帶地震數(shù)據(jù)比較難以獲取，常規(guī)拖纜地震資料因受海水表面產(chǎn)生的鬼波影響，存在陷頻問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種“犁式”電纜采集技術(shù)，充分考慮了電纜沉放深度不同的特點(diǎn)，利用不同沉放深度具有不同陷波這一特征獲取了寬頻信息，達(dá)到了寬頻采集的目的；提出了一種“犁式”電纜地震資料τ-p域鬼波壓制方法，有效壓制了鬼波影響，拓展了地震頻帶寬度，提高了地震資料分辨率。南海深水區(qū)實(shí)際資料應(yīng)用效果表明，利用本文技術(shù)與方法得到的寬頻地震資料在地震分辨率、波阻特征及中深層成像方面明顯優(yōu)于常規(guī)地震資料，且低頻成分豐富，可以有效剔除鬼波導(dǎo)致的假象，使儲(chǔ)層反演結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，這在一定程度上解決了南海深水區(qū)寬頻地震信息獲取的難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)海洋深水寬頻地震勘探技術(shù)的空白。

寬頻地震；“犁式”電纜采集；τ-p域鬼波壓制；南海深水區(qū)

近年來(lái)，深水區(qū)油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)已逐漸成為海洋油氣勘探的熱點(diǎn)，勘探目標(biāo)也逐漸走向深層和復(fù)雜部位，這對(duì)地震勘探技術(shù)提出了更高的要求。海洋寬頻勘探技術(shù)是解決中深層構(gòu)造成像、提高地震分辨率、實(shí)現(xiàn)高精度勘探的重要方法。地震數(shù)據(jù)有效反射信息頻帶越寬，地震成像處理的精度越高，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：增加高頻成分的作用是縮短子波的延續(xù)時(shí)間，提高地震分辨率，進(jìn)而提高地震解釋和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度；增加低頻成分的作用主要是減少子波旁瓣，降低地震資料解釋的多解性，進(jìn)而提高解釋成果的精度[1]。

目前，海洋地震數(shù)據(jù)頻帶寬度通常在8～70 Hz之間，要實(shí)現(xiàn)寬頻地震勘探，就要增加地震頻譜的低頻信息和高頻信息。受海上地震采集方式制約，寬頻帶地震數(shù)據(jù)比較難以獲取，拖纜采集受海水表面影響，地震信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生鬼波(又稱(chēng)為虛反射)[2]，在地震頻譜上會(huì)產(chǎn)生陷波，從而使地震反射波頻譜頻帶的寬度受到嚴(yán)重影響。目前電纜沉放深度為7～10 m，電纜鬼波陷頻為80 Hz左右，該頻帶往往是地震勘探的優(yōu)勢(shì)頻帶。

海上采集以長(zhǎng)拖纜采集為主，雖然在一定程度上解決了深層成像問(wèn)題，但未能從根本上解決頻譜陷波的影響。近幾年，WesternGeco公司推出了海洋上下拖纜采集技術(shù)，通過(guò)上下纜合并處理技術(shù)壓制海水面引起的鬼波；CGGVeritas公司推出了變深度拖纜采集，并通過(guò)鏡像偏移處理技術(shù)有效壓制了鬼波；PGS公司推出雙傳感器地震拖纜采集系統(tǒng)，將壓力和速度傳感器整合在一起，能夠?qū)⑸闲?、下行波?chǎng)信號(hào)分離，并去除鬼波，得到寬頻帶地震數(shù)據(jù)[3]。相對(duì)于常規(guī)地震資料處理，寬頻地震資料處理存在的主要問(wèn)題之一是如何壓制或削弱鬼波，從而獲得更寬頻帶的地震數(shù)據(jù)[4-6]。

中國(guó)南海深水區(qū)是全球深水油氣勘探熱點(diǎn)區(qū)之一，但受到海水自由表面產(chǎn)生的鬼波影響，地震數(shù)據(jù)中低頻缺失、中高頻不足，頻帶寬度較窄，影響了中深層構(gòu)造成像及薄層解釋精度[7]。本文針對(duì)鬼波壓制難題，設(shè)計(jì)了一種“犁式”電纜采集技術(shù)，提出了一種針對(duì)“犁式”電纜地震資料的τ-p域鬼波壓制方法，并在南海深水區(qū)實(shí)際資料應(yīng)用中取得了良好效果，解決了該地區(qū)寬頻地震信息獲取的難題，填補(bǔ)了我國(guó)海洋深水寬頻地震勘探技術(shù)的空白。

1 “犁式”電纜采集技術(shù)

1.1 方法原理

受海底大陡坡、崎嶇海底、火山發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)條件影響，南海深水區(qū)地震資料繞射波能量強(qiáng)，地層成像差，中深層能量弱、信噪比低、成像差。針對(duì)南海深水區(qū)特殊地質(zhì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“犁式”電纜采集技術(shù)(圖1)，該技術(shù)將不同段的電纜沉放在不同深度，拖纜前段接收器深度隨炮檢距的增加而線性遞增，拖纜后段近似處于同一深度，不同沉放深度的檢波器接收到的地震資料具有頻率多樣性、豐富性的特點(diǎn)。因?yàn)椤袄缡健彪娎|后段呈水平狀，所以可根據(jù)實(shí)際采集區(qū)地質(zhì)情況調(diào)整水平段沉放深度及長(zhǎng)度，施工中更具適應(yīng)性，但在施工過(guò)程中拖纜需要保持固定的沉放角度和深度，這對(duì)拖纜沉放深度及控制技術(shù)有較高要求?！袄缡健彪娎|采集技術(shù)采用國(guó)產(chǎn)“海亮”拖纜采集系統(tǒng)、“海燕”拖纜控制與定位系統(tǒng)，首次沉放深度為60 m水深，突破了西方國(guó)家對(duì)中國(guó)出售電纜的20 m水深的限制。

圖1 “犁式”電纜采集技術(shù)示意圖

“犁式”電纜采集技術(shù)因?yàn)榍岸坞娎|沉放深度不同，所以具有不同的陷波頻率，“犁式”斜纜陷波頻率隨著拖纜沉放深度的增加而向低頻方向移動(dòng)，對(duì)于多個(gè)接收點(diǎn)(道)而言，接收點(diǎn)的頻率是分散的。隨著檢波器沉放深度不斷增加，虛反射與反射波的到達(dá)時(shí)差不斷增大，地震記錄同相軸呈現(xiàn)出不斷分離的趨勢(shì)，即延遲時(shí)間不一致。當(dāng)延遲時(shí)間很短時(shí)，頻譜陷波點(diǎn)頻率較大；當(dāng)延遲時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，頻譜陷波點(diǎn)頻率較小。將各接收道的鬼波頻譜疊加，得到鬼波平均振幅譜(剩余鬼波譜)，即疊加平均脈沖響應(yīng)譜，以此來(lái)衡量“犁式”斜纜鬼波濾波特性。設(shè)“犁式”拖纜共n道，則疊加平均脈沖響應(yīng)譜Gn(f)可表示為

(1)

式(1)中：f為陷波頻率，Hz；X為偏移距，m；i為接收道序號(hào)。

1.2 采集效果

取“犁式”電纜最小沉放深度7.5 m，最大沉放深度50 m，傾斜電纜段長(zhǎng)度4 000 m，水平電纜段長(zhǎng)度2 000 m，震源沉放深度6 m，目的層為埋深2 000 m的反射界面，通過(guò)式(1)可求出“犁式”電纜的疊加平均脈沖響應(yīng)譜。圖2為“犁式”電纜采集不同深度的鬼波濾波算子頻譜，其中紅線為7.5～50 m之間得到疊加平均脈沖響應(yīng)譜，拖纜平均深度35 m，在低頻段與沉放深度35 m時(shí)相同(相當(dāng)于保留了平均纜深的低頻能量)；除0 Hz之外，沒(méi)有其他陷波點(diǎn)。也就是說(shuō)，疊加平均脈沖響應(yīng)譜在3 Hz以上，鬼波作用相當(dāng)于低截止頻率為3 Hz的一個(gè)高通濾波器，即對(duì)一次波沒(méi)有陷波作用，所以“犁式”電纜記錄中包含了淺、中、深頻譜，可采集到3～200 Hz 的寬頻地震數(shù)據(jù)，具有寬頻特征。

圖3為南海北部深水區(qū)“犁式”電纜地震資料炮集及對(duì)應(yīng)道集的頻譜，其中黑軸為一次反射波，近偏移距電纜沉放深度與震源沉放深度一致均為7 m時(shí)，震源鬼波與電纜鬼波延遲時(shí)間近似為0 ms，遠(yuǎn)偏移距電纜沉放深度27 m時(shí)，震源鬼波與電纜鬼波延遲時(shí)間近似為20 ms，可以分開(kāi)，所以近偏移距紅軸為震源與電纜鬼波，遠(yuǎn)偏移距第1根紅軸為震源鬼波，第2根紅軸為電纜鬼波。對(duì)比一次反射波和鬼波可以看出，隨著檢波器沉放深度不斷增加，電纜鬼波與一次波、震源鬼波逐漸分離。由不同偏移距道集對(duì)應(yīng)的頻譜可見(jiàn)，10 m水深電纜對(duì)應(yīng)地震道頻譜的第一陷波頻率為75 Hz，25 m水深電纜對(duì)應(yīng)地震道頻譜的第一陷波頻率為30 Hz，50 m水深電纜對(duì)應(yīng)地震道頻譜的第一陷波頻率為15 Hz，因此“犁式”電纜地震資料的陷波頻率具有顯著的多樣性，獲取到了更多的低頻和高頻信息，達(dá)到了寬頻地震采集的目的。

圖2 “犁式”電纜采集不同深度的鬼波濾波算子頻譜

圖3 “犁式”電纜地震資料單炮記錄及頻譜

2 “犁式”電纜地震資料τ -p域鬼波壓制方法

2.1 方法原理

受海水表面影響，拖纜采集地震信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生鬼波(又稱(chēng)虛反射)。地震波由震源傳播到海平面，再傳播到海底并在海底發(fā)生反射，再次傳播到檢波器上形成震源鬼波；當(dāng)一次反射波(上行波)由海底傳播到檢波器后，繼續(xù)傳播到海平面，由于海平面近似自由表面(反射系數(shù)近似為-1)，所以會(huì)經(jīng)海平面反射再次傳播到檢波器形成電纜鬼波(下行波)。這種由震源和檢波器造成的虛反射會(huì)減小頻帶寬度，降低垂向分辨率[8-10]。采用“犁式”電纜采集時(shí)，鬼波產(chǎn)生的陷波點(diǎn)會(huì)隨電纜深度的變化而變化，地震資料頻譜中有明顯的陷波效應(yīng)，具體推導(dǎo)如下：

一次反射信號(hào)為

h(t)=δ(t)

(2)

鬼波信號(hào)為

g(t)=-δ(t-Δt)

(3)

式(2)、(3)中：t為時(shí)間；δ為沖擊響應(yīng)；Δt為鬼波與一次反射信號(hào)的時(shí)差。

一次反射和鬼波共同作用后的信號(hào)為

H(t)=h(t)+g(t)

(4)

設(shè)ω為角頻率，h(ω)為頻率域一次反射信號(hào)，g(ω)為頻率域鬼波信號(hào)，S(ω)為頻率域震源信號(hào)，則信號(hào)的頻率域表達(dá)式為

H(ω)=h(ω)+g(ω)=S(ω)(1-eiωΔt)

(5)

若設(shè)f為頻率，則頻譜特征關(guān)系為

|H(ω)|=|S(ω)||2sin(πfΔt)|

(6)

當(dāng)f=1/Δt時(shí)，該頻率為陷波點(diǎn)，第一陷波點(diǎn)為0 Hz。

(7)

式(7)中：τpr為變換算子；τgh為鬼波的變換算子；R為海平面反射系數(shù)。

圖4 “犁式”電纜地震資料τ -p域鬼波壓制方法原理示意圖

2.2 處理效果

利用上述方法對(duì)“犁式”電纜采集到的地震資料進(jìn)行處理，得到壓制鬼波后的寬頻地震數(shù)據(jù)。圖5a為鬼波壓制前的CDP道集，圖5b為電纜鬼波壓制后的CDP道集，圖5c為電纜和震源鬼波壓制后的CDP道集，可見(jiàn)壓制后鬼波信息得到了明顯消除。圖6為“犁式”電纜采集地震資料壓制鬼波前后的頻譜對(duì)比，可以看到鬼波壓制后，特別是震源鬼波壓制后，頻帶在很大程度上得到了拓寬。

由此可見(jiàn)，基于τ-p域波場(chǎng)分離理論的鬼波壓制方法能夠很好地分離地震數(shù)據(jù)中的上、下行波，非常適合“犁式”電纜采集的寬頻帶地震數(shù)據(jù)，是一種不降低信噪比的保幅處理方法。由于該方法對(duì)噪聲不敏感，對(duì)地震信號(hào)有保幅作用，這樣得到的結(jié)果能在低頻和高頻段同時(shí)增加頻譜寬度，可以極大地提高地震資料的分辨率，更加真實(shí)地反映來(lái)自地下地質(zhì)體的地震響應(yīng)。

圖5 鬼波壓制前后“犁式”電纜地震資料CDP道集對(duì)比

圖6 “犁式”電纜采集地震資料鬼波壓制前后頻譜對(duì)比

3 應(yīng)用效果

利用“犁式”電纜采集技術(shù)在南海深水區(qū)進(jìn)行采集，再采用τ-p域鬼波壓制方法對(duì)地震資料進(jìn)行處理。對(duì)比荔灣深水區(qū)寬頻地震資料與常規(guī)地震資料(圖7)，寬頻地震資料由于低頻信息更豐富，有利于中深層成像;由于高頻信息更豐富，斷層清晰，地層成像更好，尤其是凹陷基底構(gòu)造陡傾界面成像質(zhì)量明顯提高。相對(duì)于常規(guī)地震資料，寬頻地震資料潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量更高，反射同相軸連續(xù)，地層界面清晰。

對(duì)比白云深水區(qū)寬頻地震數(shù)據(jù)與常規(guī)地震數(shù)據(jù)(圖8)，寬頻地震數(shù)據(jù)中同相軸銳化程度提高了，斷層斷點(diǎn)效果增強(qiáng)了，可以提供更多的地層結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)信息，突出了構(gòu)造異常和沉積異常，更加適合層序地層分析，可為沉積體精細(xì)刻畫(huà)和小層解釋提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

實(shí)踐表明，“犁式”電纜采集的寬頻地震資料既拓寬了地震資料的低頻成分，也拓寬了地震資料的高頻成分，就反演技術(shù)而言，低頻信息對(duì)反演結(jié)果至關(guān)重要。在寬頻地震資料中，低頻信息能量顯著增強(qiáng)，地震頻率可以低至3 Hz，可以從地震資料中獲取更多的低頻信息，減少了低頻模型、地形結(jié)構(gòu)等外界條件的影響，能夠得到更加可靠的反演結(jié)果。從南海北部深水區(qū)常規(guī)地震資料與寬頻地震資料反演結(jié)果對(duì)比(圖9)可以看到，寬頻地震資料對(duì)鬼波壓制好，反演的地層層數(shù)變少，還原了儲(chǔ)層厚度較大、連續(xù)性好的特點(diǎn)，使儲(chǔ)層頂?shù)滋卣鞲用鞔_，降低了反演的多解性。

圖7 荔灣深水區(qū)常規(guī)地震資料與寬頻地震資料對(duì)比

圖8 白云深水區(qū)常規(guī)地震資料與寬頻地震資料對(duì)比

圖9 南海北部深水區(qū)常規(guī)地震資料與寬頻地震資料反演結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1) 本文提出的“犁式”電纜采集技術(shù)充分考慮了電纜沉放深度不同的特點(diǎn)，利用不同沉放深度具有不同陷波這一特征獲取了寬頻信息，達(dá)到了寬頻采集的目的。

2) 本文提出的“犁式”電纜地震資料τ-p域鬼波壓制方法有效壓制了鬼波的影響，拓展了地震頻帶寬度，提高了地震資料分辨率。

3) 應(yīng)用效果表明，“犁式”電纜寬頻地震資料在地震分辨率、波阻特征及中深層成像方面均明顯優(yōu)于常規(guī)地震資料，并且低頻成分豐富，可以有效剔除鬼波導(dǎo)致的假象，使儲(chǔ)層反演結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，這在一定程度上解決了南海深水區(qū)寬頻地震信息獲取的難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)海洋深水寬頻地震勘探技術(shù)的空白。

[1] 蔡希玲,閆忠,崔全章,等. 砂泥巖薄互層分辨率的理論分析[J].石油物探,2004,43(5):229-233. Cai Xiling,Yan Zhong,Cui Quanzhang,et al.Theoretic analysis of the resolution of thin sand-mud interbed[J].Geophysical Prospecting For Petroleum,2004,43(5):229-233

[2] 陸敬安,伍忠良,曾憲軍.海洋地震勘探中地震波、鬼波綜合效應(yīng)分析與應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2006,25(4):76-79. Lu Jingan,Wu Zhongliang,Zeng Xianjun.The synthesized effect of seismic wave and ghost reflection and its application in marine seismic survey[J].Ocean Technology,2006,25(4):76-79

[3] 劉春成,劉志斌,顧漢明.利用上/下纜合并算子確定海上上/下纜采集的最優(yōu)沉放深度組合[J].石油物探,2013,52(6):623-629. Liu Chuncheng,Liu Zhibin,Gu Hanming.The determination of optimal sinking depths of over/under streamers in offshore survey by merge operator[J].Geophysical Prospecting For Petroleum,2013,52(6):623-629

[4] POSTHUMUS B J.Deghosting of twin streamer configuration[J].Geophysical Prospecting,1993,41(3):267-286

[5] SOUBARAS R,DOWLE R.Variable-depth streamer:a broadband marine solution[J].First Break,2010,28(12):89-96

[6] MOLDOVEANU N,COMBEE L,EGAN M,et al.Over/under towed-streamer acquisition:A method to extend seismic bandwidth to both higher and lower frequencies[J].The Leading Edge,2007,26(1):41-58

[7] 朱偉林.南海北部深水區(qū)油氣勘探關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2009,86(8):1059-1064. Zhu Weilin.Some key geological issues on oil and gas exploration in the northern deepwater area of the south china sea[J].Acta Geologica Sinica,2009,86(8):1059-1064

[8] 鐘明睿,朱江梅,楊威.震源及電纜沉放深度對(duì)海上地震資料的影響[J].物探與化探，2012,36(1):79-88. Zhong Mingrui,Zhu Jiangmei,Yang Wei.The impact of seismic source and cable sinking depth on marine seismic data[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2012,36(1):79-88

[9] 謝玉洪,李列,袁全社,等.海上寬頻地震勘探技術(shù)在瓊東南盆地深水區(qū)的應(yīng)用[J].石油地球物理勘探,2012,47(3):431-435. Xie Yuhong,Li Lie,Yuan Quanshe,et al.Broadband marine seismic exploration in Qiongdongnan Basin deepwater areas[J].Oil Geophysical Prospecting,2012,4(3):431-435

[10] 張振波,李東方.斜纜寬頻地震勘探技術(shù)在珠江口盆地的應(yīng)用[J].石油地球物理勘探,2014,49(3):451-455. Zhang Zhenbo,Li Dongfang.Variable-depth streamer seismic acquisition and processing in Pearl River Mouth Basin[J].Oil Geophysical Prospecting,2014,49(3):451-455.

(編輯：馮 娜)

The acquisition and process method of marine plow cable streamer seismic data

Liu Chuncheng Jiao Zhenhua Guan Xizhu Tao Jie

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The broadband marine seismic exploration technology is an important method to solve medium-deep structural imaging, improve seismic resolution and realize high precision exploration. However, due to the constraints of the marine seismic acquisition mode, the broadband seismic data is difficult to be obtained. The traditional streamer seismic acquisition affected by the ghost of free surface causes the problem of frequency trap. In this paper, a plow cable acquisition technology is designed with full consideration of the character of cable with different depths. Using the feature of different frequency traps with different depths, the broadband seismic is obtained, thus achieving the purpose of broadband acquisition. Meanwhile, aτ-pdomain ghost suppression method of plow cable seismic data is developed, which effectively suppresses the ghost wave effect, expands the seismic frequency band width, and improves the resolution of seismic data. The application in deep water area of the South China Sea indicates that broadband seismic data obtained by this method is superior to the conventional seismic data in the seismic resolution, wave impedance characteristics and the medium-depth imaging, which can effectively eliminate the illusion caused by the ghost, obtaining more accurate and reliable results of reservoir inversion. This technology solves the problem of broadband seismic data obtaining, and fills a domestic gap in deep water broadband seismic exploration.

broadband seismic；plow cable acquisition；τ-pdomain ghost suppression；deep water area of the South China Sea

劉春成，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)海洋石油總公司勘探專(zhuān)家，從事地球物理技術(shù)研究與應(yīng)用。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院(郵編：100028)。E-mail：liuchch@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0001-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.001

TE132.1

A

2016-02-26 改回日期：2016-05-23

*“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng) “南海深水區(qū)油氣勘探地球物理關(guān)鍵技術(shù)(編號(hào)：2011ZX0525-001)”部分研究成果。