李洪建,劉定進,楊金龍

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

海洋拖纜地震勘探中,鬼波[1]作為一種特殊的噪聲,影響海底一次反射的波形和振幅,甚至產(chǎn)生虛假同相軸,降低地震勘探精度。鬼波造成的陷波現(xiàn)象和低頻端能量損失導致地震信號有效頻帶寬度不足[2]。為消除鬼波及其影響,寬頻采集技術(shù)被提出并逐漸得到推廣應用。

上下纜采集技術(shù)[3-4]有效利用不同纜深資料的頻帶優(yōu)勢,通過上下纜數(shù)據(jù)合并獲得寬頻地震信號,但上下纜采集技術(shù)受海洋環(huán)境影響,實施困難;斜纜采集技術(shù)[5]有效利用檢波器深度變化,提高陷波頻率多樣性,提高去鬼波算子穩(wěn)定性,張威等[6]采用最小平方成像條件校正檢波器實際沉放深度,減小了海面起伏對斜纜采集數(shù)據(jù)處理的影響,但斜纜采集數(shù)據(jù)高頻端能量相對較弱[4];雙檢采集技術(shù)是一種同時測量壓力波場和速度波場的采集技術(shù),雙檢數(shù)據(jù)處理中無需速度波場重構(gòu),數(shù)據(jù)說服力強[7-10],尤其受到地球物理學者的重視。

區(qū)別于常規(guī)海上拖纜采集,拖纜雙檢采集技術(shù)不僅拖帶水檢檢波器(壓力檢波器),在相同的位置集成了一套陸檢檢波器(速度檢波器),水檢檢波器利用壓電效應記錄信號在海水傳播過程中引起的瞬時水壓變化,靈敏度高;陸檢檢波器則通過機電轉(zhuǎn)換記錄檢波器中磁鐵和線圈的瞬時相對運動速度,適應范圍廣。雙檢采集技術(shù)通過水、陸檢分別記錄地震反射信號引起的壓力波場和速度波場變化[11]。

雙檢采集中,瞬時水壓變化屬于標量,與地震信號的傳播方向無關(guān),而相對運動速度屬于矢量,極性取決于陸檢中磁鐵和線圈的相對運動方向,海底一次反射和鬼波在前后經(jīng)過檢波器的過程中,在水檢檢波器均產(chǎn)生膨脹分量或者壓縮分量,而在陸檢檢波器則由于海面反射而產(chǎn)生速度極性變化[12],因此,水、陸檢波器接收到相同極性的海底一次反射信號,而鬼波信號極性則相反。

根據(jù)拖纜海洋雙檢采集數(shù)據(jù)的獨特特點,研究人員先后提出了多種處理方法。賀兆全等[12]在精確求取海底反射系數(shù)基礎上,利用雙檢數(shù)據(jù)疊加算法消除鬼波及上行微屈多次波;WEGLEIN等[13]提出先對雙檢資料進行波場分離,獲取地震記錄中的上行和下行波場,進而實現(xiàn)鬼波壓制;趙偉等[14]提出雙檢數(shù)據(jù)合并之前,采用絕對振幅比值地震道小時窗光滑方法對水檢和陸檢資料進行能量均衡,提高數(shù)據(jù)合并精度;張興巖等[15]將海底電纜數(shù)據(jù)劃分成共炮檢距矢量數(shù)據(jù)體并進行數(shù)據(jù)規(guī)則化,提高數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù);AMUNDSEN等[16]提出在復雜海洋條件下,基于壓力場梯度近似壓制鬼波;WEGLEIN等[17-18]和李洪建等[19]提出基于格林函數(shù)理論的海底電纜、雙檢數(shù)據(jù)合并算法;龔旭東等[20]研究了檢波點水深誤差對OBC雙檢數(shù)據(jù)合并的影響;張建利等[21]測試了SCHALKWIJK和EDME兩種海底多分量波場分離方法并對其進行了改進;張振波等[22]聯(lián)合應用雙檢、上下纜兩種寬頻采集技術(shù),有效提高了中深層數(shù)據(jù)品質(zhì)及成像精度。但是,已知陸檢數(shù)據(jù)信噪比低,有效信號能量弱,常規(guī)的雙檢數(shù)據(jù)合并算法受海洋環(huán)境影響較大。

本文采用基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法,有效壓制鬼波能量,并引入噪聲影響因子,提高雙檢數(shù)據(jù)合并精度,數(shù)值模擬資料和海上拖纜雙檢采集資料處理結(jié)果證明了基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法的有效性。

1　方法原理

海洋拖纜雙檢地震采集中,水檢檢波器接收的信號p由兩部分組成:海底一次反射pup及海平面反射鬼波pdown:

(1)

對其做二維傅里葉變換:

P(ω,kx,z)=Pup(ω,kx,z)+Pdown(ω,kx,z)

(2)

其中,ω表示頻率;kx表示水平波數(shù);z表示拖纜深度(即檢波器沉放深度)。根據(jù)波場延拓原理,一次波及鬼波信號可以表示為:

(3)

其中,kz表示垂直波數(shù):

(4)

式中:k表示波數(shù);P0(ω,kx,0)為海面處的地震波場。

(5)

即:

(6)

根據(jù)牛頓第二定律,壓力波場P和速度波場vz之間的關(guān)系為:

(7)

式中:ρ表示密度。在頻率波數(shù)域進行計算:

(8)

即:

(9)

由以上可知:

(10)

基于最小二乘反演和匹配濾波算法:

(11)

(12)

考慮水陸檢記錄的信號信噪比存在差異,引入噪聲影響因子:

(13)

其中σ1和σ2分別表示水、陸檢數(shù)據(jù)的噪聲影響因子,且:

(14)

則:

(15)

經(jīng)過雙檢采集壓力波場和速度波場數(shù)據(jù)合并,即可消除鬼波,獲得寬頻帶地震數(shù)據(jù)。

2　實例分析

2.1　數(shù)值模擬算例

為了驗證基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法的有效性,建立了簡單4層層狀模型,水深180m,水下每層厚度100m,從海水層開始,層速度分別為1500,1800,2500,3000m/s,海水密度1000kg/m3,震源采用雷克子波,沉放深度1m,水平拖纜深度為20m,共105道,道間距為4m,采樣間隔0.5ms,記錄長度為0.5s。

圖1a為拖纜深度20m時的模擬壓力波場,圖1b 為對應深度模擬垂直速度波場?？梢?水、陸檢數(shù)據(jù)在一次波之后均存在明顯的鬼波能量,但水檢信號中,鬼波與一次波極性相反;而陸檢信號中,鬼波與一次波極性相同?；谧钚《朔囱莸耐侠|雙檢鬼波壓制方法進行水陸檢信號的合并,模擬數(shù)據(jù)不受噪

聲影響,水、陸檢數(shù)據(jù)噪聲影響因子σ1和σ2均為1。圖1c為水、陸檢數(shù)據(jù)合并之后的波場,由圖可見,鬼波能量得到有效壓制,一次波能量得到凸顯。

圖2為水、陸檢單炮記錄合并前后的頻率波數(shù)(F-K)譜。對比圖2a和圖2b可見,水、陸檢數(shù)據(jù)的F-K譜箭頭所示處均存在明顯的陷波現(xiàn)象,能量不均衡,且低頻端能量弱;經(jīng)過雙檢數(shù)據(jù)合并(圖2c),陷波現(xiàn)象得到了很好的壓制,低頻端能量有所提升。

頻譜分析結(jié)果(圖3)同樣驗證了鬼波壓制的有效性。水檢陷波頻率公式為:

(16)

式中:f1為水檢記錄陷波點頻率;n表示第n個陷波點;c0為聲波在海水中的傳播速度;d為水平拖纜深度。模擬數(shù)據(jù)拖纜深度d=20m,根據(jù)公式(16)可計算出水檢數(shù)據(jù)理論陷波頻率分別為37.5Hz,75.0Hz,……。陸檢陷波頻率公式為:

(17)

式中:f2為陸檢記錄陷波點頻率。同樣,拖纜深度d=20m,則根據(jù)公式(17)可算出陸檢數(shù)據(jù)理論陷波頻率分別為18.75Hz,56.25Hz,……。由圖3頻譜分析對比可知,理論陷波頻率與頻譜分析結(jié)果相吻合,由于水、陸檢數(shù)據(jù)陷波點頻率均位于有效頻率范圍之內(nèi),影響了地震信號的有效頻帶寬度,經(jīng)過水陸檢數(shù)據(jù)合并,陷波點頻率能量得到有效提升,頻帶得到了有效拓寬。

2.2　海上雙檢實際數(shù)據(jù)

為了驗證基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法在實際數(shù)據(jù)中的應用效果,我們選取某海上拖纜水、陸檢地震單炮記錄進行處理和分析,震源深度15m,水平拖纜深度為25m,道間距12.5m,采樣間隔2ms,記錄長度為10.57s。

圖1　地震數(shù)值模擬結(jié)果a 模擬壓力波場; b 模擬垂直速度波場; c 水陸檢數(shù)據(jù)合并后波場

圖2　頻率波數(shù)譜a 模擬壓力波場F-K譜; b 模擬垂直速度波場F-K譜; c 水陸檢數(shù)據(jù)合并后F-K譜

圖3　頻譜分析

利用基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法進行水、陸檢數(shù)據(jù)合并,圖4為數(shù)據(jù)合并前后單炮記錄放大顯示(2550～8100ms),陸檢數(shù)據(jù)信噪比低于水檢,水、陸檢數(shù)據(jù)噪聲影響因子σ1和σ2分別取1.0和1.1,取海水密度1000kg/m3,經(jīng)過雙檢數(shù)據(jù)合并,鬼波造成的虛假同相軸被很好壓制,地震記錄分辨率明顯提高。抽取部分時窗(圖4框圖區(qū)域:2670～3390ms,1～110道)進行放大對比分析,如圖5所示,經(jīng)過水、陸檢數(shù)據(jù)合并,鬼波能量得到了有效壓制,地震數(shù)據(jù)信噪比和分辨率均得到了有效提升。

為更好地分析鬼波壓制效果,對比圖5區(qū)域鬼波壓制前后單炮記錄F-K譜,如圖6a和圖6b箭頭所示處,水、陸檢數(shù)據(jù)的頻率波數(shù)譜均存在明顯的陷波現(xiàn)象,經(jīng)過數(shù)據(jù)合并,除震源鬼波導致50Hz限頻外,其它陷波現(xiàn)象得到了很好的壓制。

圖4　實際數(shù)據(jù)單炮記錄a 水檢單炮記錄; b 陸檢單炮記錄; c 水陸檢數(shù)據(jù)合并后單炮記錄

圖5　實際數(shù)據(jù)單炮記錄放大顯示a 水檢單炮記錄; b 陸檢單炮記錄; c 水陸檢數(shù)據(jù)合并后單炮記錄

圖6　頻率波數(shù)(F-K)譜a 水檢F-K譜; b 陸檢F-K譜; c 水陸檢數(shù)據(jù)合并后F-K譜

圖7為圖5區(qū)域頻譜分析結(jié)果,可見,水檢記錄在30,60,90,120Hz頻率附近存在明顯陷波(綠色箭頭所指);陸檢記錄在15,45,75,105,135,165Hz頻率附近存在明顯陷波(紅色箭頭所指);地震記錄頻譜受震源鬼波影響,水檢、陸檢記錄在50,100,150Hz頻率附近存在明顯陷波(藍黑色箭頭所指)。經(jīng)過鬼波壓制,50,100,150Hz震源鬼波陷波點能量變化不大,15,30,45,60,75,90,105,120,135,165Hz陷波頻率能量得到有效提升。

圖7　頻譜分析

3　結(jié)論

本文提出了基于最小二乘反演技術(shù)和匹配濾波算法壓制拖纜雙檢數(shù)據(jù)鬼波能量的方法,該方法無需地下介質(zhì)信息,純數(shù)據(jù)驅(qū)動。對于水陸檢信噪比不同的問題,通過引入噪聲影響因子,降低陸檢信號信噪比低對數(shù)據(jù)合并的影響,提高了數(shù)據(jù)合并精度。數(shù)值模擬資料和雙檢實際資料處理結(jié)果表明,基于最小二乘反演的拖纜雙檢鬼波壓制方法可以有效壓制鬼波能量,消除陷波現(xiàn)象,有效拓寬了地震資料頻帶寬度,有利于后續(xù)資料的處理和解釋。

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