高少武 錢忠平 馬玉寧 王成祥 黃少卿 方云峰

(中國石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州 072750)

1 引言

隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，海上油氣勘探對地震資料的信噪比和分辨率要求越來越高。OBC(ocean bottom cable，海底電纜)是一種聯(lián)合海上和陸地地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)。海水鳴震多次波是海上地震勘探數(shù)據(jù)中最大的噪聲干擾。OBC水陸檢數(shù)據(jù)合并處理技術(shù)的最大優(yōu)點是可以有效消除海水鳴震多次波。由水陸檢波器記錄的同一個地下界面一次反射，具有相同極性的同相軸，而虛反射和海水鳴震等具有相反的極性。通過水陸檢數(shù)據(jù)適當(dāng)合并與組合，不但可以消除接收點虛反射，而且可以消除所有水體交混回響[1-5]。為了適當(dāng)組合水陸檢數(shù)據(jù)，必須把陸檢數(shù)據(jù)標(biāo)定到相應(yīng)的水檢數(shù)據(jù)，以使地表反射同相軸具有相同幅度[6]。利用水陸檢數(shù)據(jù)振幅和極性特征差異，可以有效消除海水鳴震多次波干擾[7]。其中，計算標(biāo)定因子、海水深度、海底反射系數(shù)等參數(shù)構(gòu)成了室內(nèi)海上地震數(shù)據(jù)處理消除海水鳴震多次波干擾的根本方法和關(guān)鍵步驟。

目前，通常采用掃描方法估算標(biāo)定因子、海水深度、海底反射系數(shù)等參數(shù)[8-18]。標(biāo)定因子估算時，預(yù)先設(shè)定一個標(biāo)定因子范圍值和掃描步長，采用掃描方法給出一系列的標(biāo)定因子值； 然后計算水中檢波器數(shù)據(jù)和陸地檢波器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和，再對數(shù)據(jù)和計算自相關(guān)函數(shù)，由自相關(guān)函數(shù)計算最大方差模； 最后由最大的最大方差模值，確定出標(biāo)定因子數(shù)值。該方法需要大量的自相關(guān)計算和最大方差模計算，因此計算非常費時。常規(guī)處理方法采用上行波場與下行波場數(shù)據(jù)互相關(guān)方法計算確定海水深度。首先使用水中檢波器數(shù)據(jù)和陸地檢波器數(shù)據(jù)，計算上行波場與下行波場數(shù)據(jù)；然后計算上行波場與下行波場數(shù)據(jù)互相關(guān)，由互相關(guān)函數(shù)最大值，確定出海水深度值。由于在實際水中檢波器數(shù)據(jù)和陸地檢波器數(shù)據(jù)中包含著各種噪聲干擾，雖然合并處理之前都會進(jìn)行噪聲壓制處理，但也會存在剩余噪聲。特別是，由于水陸檢數(shù)據(jù)有效頻帶范圍不同，剩余低頻噪聲和高頻噪聲分布也不同，尤其是陸檢數(shù)據(jù)包含著比較強的剩余面波干擾。另外，疊前水陸檢數(shù)據(jù)上還可能包含較強的剩余強振幅能量干擾。這樣使用水中檢波器數(shù)據(jù)和陸地檢波器數(shù)據(jù)計算的互相關(guān)函數(shù)也包含著各種噪聲成分。因此使用包含噪聲的互相關(guān)函數(shù)確定出的海水深度，存在很大的誤差。常規(guī)處理采用掃描方法計算確定海底反射系數(shù)。其預(yù)先設(shè)定一個海底反射系數(shù)范圍值和掃描步長，采用掃描方法給出一系列的反射系數(shù)值，對一系列海底反射系數(shù)，計算一系列Backus[19]海水鳴震多次波逆濾波器算子，對頻率域水陸檢上行波場數(shù)據(jù)(即，水陸檢波器數(shù)據(jù)之和)乘以Backus海水鳴震多次波逆濾波器算子，得到濾波處理后的上行波場數(shù)據(jù)； 然后利用傅里葉逆變換，將上行波場數(shù)據(jù)變換到時間域，在時間域計算一系列波場數(shù)據(jù)能量，其中最小能量所對應(yīng)的海底反射系數(shù)，就是所求最佳海底反射系數(shù)。該方法需要大量的自相關(guān)計算和最大方差模計算，因此計算非常費時。

2 方法原理

實際上在早期的OBC數(shù)據(jù)中，由于是在淺水區(qū)采集數(shù)據(jù)，第一個頻率凹陷已經(jīng)超出了地震數(shù)據(jù)的有效頻帶，當(dāng)上行波場與下行波場疊加在一起時，人們總是看到數(shù)據(jù)有一個明顯的90°相移。隨著深水區(qū)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，人們才認(rèn)識到這些頻率凹陷并不是水陸檢數(shù)據(jù)之間存在相移，而是微屈反射鳴震多次波算子引起水陸檢數(shù)據(jù)之間存在90°相移。所以在OBC水陸檢數(shù)據(jù)合并處理之前，并不需要做相位處理[9]，而僅僅需要做振幅處理。因此在頻率域水陸檢數(shù)據(jù)合并處理公式簡化為

(1)

Z=ei ω τ

(2)

(3)

式中：S為水陸檢合并處理后數(shù)據(jù)；H為水中檢波器數(shù)據(jù)；G為陸地檢波器數(shù)據(jù)；α為最佳標(biāo)定因子；A為合并后數(shù)據(jù)期望均方根振幅；AH為水中檢波器道集數(shù)據(jù)平均均方根振幅；AG為陸地檢波器道集數(shù)據(jù)平均均方根振幅；Rs為水面反射系數(shù)，由用戶給定；R為最佳海底反射系數(shù)；Z為延遲算子；ω為圓頻率；τ為海水雙程旅行時間；D為海水深度；V為海水速度。

水陸檢數(shù)據(jù)合并處理涉及到數(shù)據(jù)均方根振幅、標(biāo)定因子、海底反射系數(shù)和海水深度等參數(shù)估算。因此在合并處理前必須計算數(shù)據(jù)均方根振幅和準(zhǔn)確估算參數(shù)。

2.1 水陸檢數(shù)據(jù)均方根振幅匹配技術(shù)

在實際水陸檢波器數(shù)據(jù)合并處理中，由于水中檢波器和陸地檢波器的接收機理和制作工藝不同，不僅導(dǎo)致兩種檢波器接收數(shù)據(jù)之間能量存在差異，而且導(dǎo)致兩種接收數(shù)據(jù)之間存在相位差異。水陸檢數(shù)據(jù)參數(shù)計算與合并處理之前，必須進(jìn)行振幅和相位處理，使水陸檢數(shù)據(jù)振幅和相位匹配。高少武等[20,21]詳細(xì)論述了相關(guān)特征匹配法OBC水陸檢數(shù)據(jù)匹配技術(shù)。本文方法直接采用均方根振幅匹配方法進(jìn)行振幅匹配。如果認(rèn)為有必要進(jìn)行相位匹配處理，則直接采用常相位校正技術(shù)[22,23]。

實際數(shù)據(jù)處理時，對于一個接收點道集，選擇某些炮檢距和某個時窗數(shù)據(jù)，計算水陸檢數(shù)據(jù)整個道集平均均方根振幅

(4)

(5)

式中：Hi,j和Gi,j分別為共接收點道集水檢和陸檢地震數(shù)據(jù)；i表示時窗的道序號，i=1、2、3、…、L，L表示總道數(shù)；j表示時窗的樣點序號，j=1、2、3、…、N,N表示時間樣點數(shù)。

2.2 標(biāo)定因子估算技術(shù)

在OBC數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)能量由地下反射波能量和海水鳴震多次波能量構(gòu)成。數(shù)據(jù)自相關(guān)包含地下反射波自相關(guān)和海水鳴震多次波自相關(guān)。地下反射波自相關(guān)函數(shù)能量集中在自相關(guān)函數(shù)零點附近，而海水鳴震多次波自相關(guān)能量位于遠(yuǎn)離自相關(guān)函數(shù)零點處。消除海水鳴震多次波后，數(shù)據(jù)已經(jīng)消除了多次波能量，剩下地下反射波能量，即零點附近自相關(guān)函數(shù)值保持不變，而遠(yuǎn)離零點處自相關(guān)函數(shù)值減小。自相關(guān)函數(shù)方差模反映了這種關(guān)系，因此為了有效估算標(biāo)定因子，使用自相關(guān)函數(shù)方差模最小作為確定標(biāo)定因子求取準(zhǔn)則。本文基于合并數(shù)據(jù)自相關(guān)函數(shù)方差模最小準(zhǔn)則，采用相關(guān)函數(shù)特征法，直接計算確定OBC水陸檢數(shù)據(jù)標(biāo)定因子[24，25]。

2.3 海底反射系數(shù)估算技術(shù)

在包含海水鳴震多次波的OBC數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)的能量由地下反射波的能量和海水鳴震多次波的能量構(gòu)成。消除海水鳴震多次波后，地震數(shù)據(jù)中，已經(jīng)消除了多次波能量，剩下地下反射波的能量。因此為了有效估算海底反射系數(shù)，使用地震數(shù)據(jù)能量最小作為確定海底反射系數(shù)的準(zhǔn)則。基于合并數(shù)據(jù)能量最小準(zhǔn)則，高少武等[26]推導(dǎo)出了波場延遲特征方法，直接計算確定海底反射系數(shù)。本文采用這一技術(shù)估算海底反射系數(shù)。

2.4 海水深度估算技術(shù)

常規(guī)處理采用上行波場與下行波場數(shù)據(jù)互相關(guān)方法計算確定海水深度。由于水陸檢數(shù)據(jù)有效頻帶范圍不同，低頻噪聲和無用高頻分布也不同，尤其是陸檢數(shù)據(jù)包含著較強的面波干擾，且水陸檢數(shù)據(jù)還包含強振幅能量干擾。這樣由水中檢波器數(shù)據(jù)和陸地檢波器數(shù)據(jù)計算的互相關(guān)函數(shù)，也包含著各種噪聲成分。而使用包含噪聲的互相關(guān)函數(shù)確定海水深度，存在很大誤差。高少武等[27，28]推導(dǎo)出水陸檢數(shù)據(jù)分段歸一化相關(guān)譜方法和互雙譜方法，計算確定海水深度。本文采用分段歸一化互雙譜方法，直接估算OBC水陸檢數(shù)據(jù)海水深度。

3 數(shù)據(jù)試算

圖1是某地區(qū)海上OBC采集的一個實際炮集數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)時間采樣間隔為1ms； 圖2是數(shù)據(jù)頻譜對比； 圖3是自相關(guān)函數(shù)對比，制作頻譜數(shù)據(jù)和自相關(guān)數(shù)據(jù)范圍：道號為296～336，時間為1000～2400ms。

圖1 炮集數(shù)據(jù)對比

圖2 炮集數(shù)據(jù)頻譜對比

從數(shù)據(jù)、頻譜和自相關(guān)可以看出：①水檢數(shù)據(jù)包含很強的高頻噪聲和海水鳴震多次波干擾，并且造成頻譜明顯的頻率凹陷；②陸檢數(shù)據(jù)包含著異常道，但海水鳴震多次波干擾較弱，頻率凹陷并不明顯；③水陸檢數(shù)據(jù)有效頻帶存在差異，水檢數(shù)據(jù)有效頻帶高頻豐富，而陸檢數(shù)據(jù)有效頻帶低頻豐富；④水陸檢數(shù)據(jù)能量差異較大，水檢數(shù)據(jù)能量較強，而陸檢數(shù)據(jù)能量較弱。

針對實際水陸檢數(shù)據(jù)資料特點，開發(fā)研制出相應(yīng)的OBC數(shù)據(jù)合并處理軟件和技術(shù)，包括：OBC水陸檢數(shù)據(jù)分離與匹配、OBC水陸檢數(shù)據(jù)分析與參數(shù)計算和OBC水陸檢數(shù)據(jù)合并處理三個模塊，用于OBC數(shù)據(jù)合并處理。OBC水陸檢數(shù)據(jù)分析與參數(shù)計算就是對OBC水陸檢數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅和相位分析以及相關(guān)和頻譜分析，計算確定水陸檢數(shù)據(jù)平均均方根振幅、標(biāo)定因子、海水深度、海底反射系數(shù)等參數(shù)。利用這些參數(shù)，可以對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，并用于水陸數(shù)據(jù)合并質(zhì)量控制。

圖4和圖5分別是水、陸檢及合并疊加數(shù)據(jù)及其頻譜對比。由圖可見，本文方法合并后的疊加數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)明顯優(yōu)于現(xiàn)有方法，在頻譜為60Hz以下時，本文方法合并數(shù)據(jù)的振幅與現(xiàn)有方法相當(dāng)； 在頻譜為60Hz以上時，本文方法合并數(shù)據(jù)的振幅超過現(xiàn)有方法，說明本文方法提高了高頻成分的能量，即拓寬了有效頻帶。

圖6是估算參數(shù)對比，估算與實測海水深度絕對誤差小于1.5m，相對誤差小于9%，誤差較大部位位于圖7(藍(lán)色為接收點，構(gòu)成4條OBC海底電纜線，紅色為炮點)最左邊、最右邊和中左部位，這是由于缺少炮點、覆蓋次數(shù)少而導(dǎo)致參數(shù)估算誤差較大。

圖3 炮集數(shù)據(jù)自相關(guān)函數(shù)對比

圖4 疊加數(shù)據(jù)對比

圖5 疊加數(shù)據(jù)頻譜對比

由數(shù)據(jù)、頻譜和自相關(guān)函數(shù)顯示可以看出，本方法處理結(jié)果有效壓制了水陸檢數(shù)據(jù)海水鳴震多次波干擾，吸收了陸檢數(shù)據(jù)的低頻成分和水檢數(shù)據(jù)的高頻成分，有效拓寬了海底電纜數(shù)據(jù)的有效頻率帶寬，提高了OBC數(shù)據(jù)的分辨率。利用本方法估算的標(biāo)定因子、海底反射系數(shù)和海水深度參數(shù)，有效消除了水層產(chǎn)生的多次波干擾，提高了OBC數(shù)據(jù)信噪比。因此，本文方法估算的參數(shù)，可以滿足實際數(shù)據(jù)處理要求。

圖6 估算參數(shù)

圖7 炮點和接收點位置圖

4 結(jié)論

(1)本文方法可以實現(xiàn)標(biāo)定因子、海底反射系數(shù)和海水深度估算，是OBC水陸檢波器數(shù)據(jù)合并處理中標(biāo)定因子、海底反射系數(shù)和海水深度估算的有效方法。

(2)本文方法的OBC合并處理技術(shù)，有效地壓制了水陸檢數(shù)據(jù)海水鳴震多次波干擾，吸收了陸檢數(shù)據(jù)的低頻成分和水檢數(shù)據(jù)的高頻成分，有效拓寬了海底電纜數(shù)據(jù)的有效頻率帶寬，提高了OBC數(shù)據(jù)的分辨率。

(3)水中檢波器與陸地檢波器數(shù)據(jù)互相關(guān)函數(shù)特征方程、延遲波場、分段互相關(guān)功率譜的引入，使得標(biāo)定因子、海底反射系數(shù)和海水深度三個參數(shù)的估算更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。