徐 鵬,劉亞輝,王華忠

(1.波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI),同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院,上海200092;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580)

隨著地震采集技術(shù)的不斷發(fā)展,“兩寬一高”地震勘探日漸常態(tài)化,但是地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)與成像結(jié)果的分辨率仍然受到多種因素的制約,多次波是其中重要因素之一。當(dāng)前勘探地震學(xué)的核心問(wèn)題是地震波反演成像,其目標(biāo)在于利用低波數(shù)的光滑速度場(chǎng)估計(jì)高波數(shù)散射體。現(xiàn)有成像方法多數(shù)假設(shè)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的反射波僅在地下經(jīng)歷一次反射,而地震波在真實(shí)介質(zhì)中的傳播通常包含多個(gè)波阻抗界面的反射,即包含多次波,常規(guī)針對(duì)一次波的成像結(jié)果會(huì)含有假象,嚴(yán)重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與解釋。

對(duì)于多次波的處理可以分為“壓制”和“利用”兩類(lèi)。“壓制”類(lèi)是將數(shù)據(jù)中的多次波視為噪聲去除后,利用常規(guī)的一次波成像方法處理;“利用”類(lèi)則將多次波也視為有效信號(hào),使用更復(fù)雜的成像方法對(duì)一次波、多次波進(jìn)行聯(lián)合成像。后者能更多地挖掘出數(shù)據(jù)中的地下介質(zhì)信息,是更理想的成像方式。例如劉伊克等[1]對(duì)南海深水區(qū)域含多次波的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像,成功彌補(bǔ)了目標(biāo)區(qū)域的照明不足;王永強(qiáng)[2]利用最小二乘逆時(shí)偏移(LS-RTM)對(duì)一次波-多次波進(jìn)行聯(lián)合成像,驗(yàn)證了一次波-多次波聯(lián)合成像方法的可行性。

但是,就目前研究現(xiàn)狀而言,多次波成像方法適用范圍有限,因?yàn)樗鼘?duì)偏移速度場(chǎng)的要求過(guò)于嚴(yán)格,同時(shí)為了消除不同階次的反射波之間的錯(cuò)誤相關(guān)值,引入最小二乘(LS)迭代流程,使得總體計(jì)算量增加。因此,先去除多次波,再利用成熟的常規(guī)算法進(jìn)行成像是目前更為合理的選擇。

勘探地震技術(shù)發(fā)展至今,已有多種多次波壓制方法在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。根據(jù)其基本原理,可將這些方法分為兩類(lèi):第一類(lèi)是濾波方法,基于多次波與一次波在道集中的形態(tài)特性差異,將多次波剔除;第二類(lèi)是褶積方法,基于多次波的物理成因,由波動(dòng)理論建立一次波與多次波的高維褶積模型,預(yù)測(cè)出多次波的位置、形態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)多次波的精確壓制。第一類(lèi)方法主要利用一次波與多次波(在變換域)的可分離性壓制多次波,具有成本低、計(jì)算量小等特點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用廣泛,代表方法有最優(yōu)疊加、特征值譜濾波、f-k域?yàn)V波等。然而,由于多次波與一次波并非完全可分,因此壓制效果差強(qiáng)人意。第二類(lèi)方法采用“預(yù)測(cè)-減去”的策略,預(yù)測(cè)階段主要考慮多次波的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息,減去階段則主要用動(dòng)力學(xué)信息進(jìn)行匹配。代表方法有經(jīng)典預(yù)測(cè)反褶積、純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自由表面多次波消除(SRME)[3-6]、基于模型的淺水多次波壓制(簡(jiǎn)稱(chēng)SWD)[7]等。該方法將多次波壓制分解為多次波模型預(yù)測(cè)與自適應(yīng)相減兩步,降低了實(shí)現(xiàn)難度,但是引入了額外的中間數(shù)據(jù),降低了自動(dòng)化程度[8-9]。

淺海環(huán)境為多次波壓制問(wèn)題引入了額外的難點(diǎn)。淺海環(huán)境主要的多次波是水體相關(guān)多次波,由于海底-海面路徑短,且海面、海底都是強(qiáng)反射界面,因此該類(lèi)多次波的特點(diǎn)是周期短、能量強(qiáng),對(duì)有效信號(hào)干擾極強(qiáng)[10-11]。然而,由于現(xiàn)有的觀測(cè)系統(tǒng)大多是針對(duì)中深層目標(biāo)體設(shè)計(jì)的,用于淺海底的反射波觀測(cè)時(shí)采樣間隔偏大,同時(shí)更易造成近偏移距數(shù)據(jù)的缺失,故常規(guī)的多次波壓制方法不能直接用于淺水?dāng)?shù)據(jù)的多次波壓制。例如,經(jīng)典的SRME作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高維褶積類(lèi)方法,對(duì)數(shù)據(jù)采樣間距、完備性有較高要求,因而無(wú)法在淺水?dāng)?shù)據(jù)中取得令人滿意的效果[12-15]。SWD方法引入了海底形態(tài)模型,對(duì)海底反射的刻畫(huà)更準(zhǔn)確,但其本質(zhì)仍是Rayleigh積分的數(shù)值實(shí)現(xiàn),故對(duì)積分孔徑、積分網(wǎng)格都有較高要求,在近偏移距數(shù)據(jù)缺失時(shí)仍有局限性。因此,需要發(fā)展針對(duì)淺海環(huán)境的多次波壓制技術(shù)。

本文針對(duì)淺海環(huán)境中多次波問(wèn)題的特點(diǎn),引入信號(hào)領(lǐng)域的“編碼-解碼”框架,設(shè)計(jì)一種針對(duì)淺水多次波的“預(yù)測(cè)-減去”類(lèi)壓制方法,借助稀疏τ-p變換克服不規(guī)則空間采樣問(wèn)題,再利用射線理論高效生成多次波模型,最終在局部平面波域完成觀測(cè)數(shù)據(jù)與多次波模型的匹配相減。

1 水體多次波問(wèn)題描述

水體中存在海水-空氣、海水-海底兩個(gè)強(qiáng)反射界面,因此海上地震數(shù)據(jù)中多次波往往更為發(fā)育。海上勘探中多次波種類(lèi)主要有:鬼波、水體相關(guān)多次波、其它自由表面相關(guān)多次波以及層間多次波。前三者成因與海上觀測(cè)系統(tǒng)緊密相關(guān),層間多次波基本與陸上勘探相同。

鬼波可分為源鬼波、檢鬼波和源檢鬼波。震源激發(fā)后,地震波上行至水面發(fā)生反射繼而下行,稍遲于震源直接激發(fā)的下行波傳播,即源鬼波。地震波與地下介質(zhì)相互作用后上行至海面反射一次后,再傳至檢波點(diǎn),即檢鬼波。若同時(shí)符合源鬼波、檢鬼波的路徑特點(diǎn),則稱(chēng)為源檢鬼波。

水體相關(guān)多次波是自由表面相關(guān)多次波的一種特例,以海底向上反射開(kāi)始或/和結(jié)束,可分為源端、檢端和源檢兩端三種。源端水體相關(guān)多次波是指地震波自震源激發(fā)后,先在海底-海面間震蕩一次,再自海面向深層介質(zhì)傳播的波現(xiàn)象。檢端水體相關(guān)多次波是指地震波穿過(guò)地層介質(zhì)后,最終被檢波器接收之前,在海面-海底間反射一次所形成的波現(xiàn)象。同時(shí)滿足源端水體相關(guān)多次波、檢端水體相關(guān)多次波路徑特點(diǎn)的波現(xiàn)象被稱(chēng)為源檢兩端水體相關(guān)多次波。另外,僅在水層中震蕩傳播的波現(xiàn)象被稱(chēng)為純水體鳴震[16-17]。

除鬼波、水體相關(guān)多次波之外的自由表面多次波統(tǒng)稱(chēng)為其它自由表面相關(guān)多次波。此類(lèi)多次波含義較廣,例如在海底之下波阻抗界面與水面之間的多次反射、多次折射等。

在海上勘探中(尤其是淺海探區(qū)),首先必須面對(duì)、同時(shí)也是干擾最強(qiáng)的多次波是水體相關(guān)多次波。水體相關(guān)多次波的存在,掩蓋了深層反射信號(hào),影響了微斷層、鹽丘下部構(gòu)造的成像[12,18]。

2 正問(wèn)題:用編碼觀點(diǎn)看待多次波形成正過(guò)程

從各種多次波成因來(lái)看,多次波實(shí)質(zhì)上是一次波的延拓結(jié)果。因此可從多個(gè)角度對(duì)多次波進(jìn)行表述,如將多次波表述為波動(dòng)方程的積分解、鏡像虛震源激發(fā)的波場(chǎng)等。本文從信號(hào)分析角度出發(fā),將觀測(cè)數(shù)據(jù)視為輸入信號(hào),將地下介質(zhì)整體視為線性濾波器(即“地層濾波系統(tǒng)”),多次波視為輸出信號(hào)。即將多次波視為一次波的編碼結(jié)果,而編碼過(guò)程是一次波在地下介質(zhì)中震蕩傳播的過(guò)程,或者說(shuō)取“地層濾波系統(tǒng)”的脈沖響應(yīng)作為編碼算子。將多次波形成的正過(guò)程表述為編碼過(guò)程,則多次波的消除過(guò)程可理解為解碼過(guò)程。引入信號(hào)分析領(lǐng)域的“編碼-解碼”框架使得輸入信號(hào)、編碼算子、輸出信號(hào)等概念更加直觀,簡(jiǎn)化整個(gè)多次波形成過(guò)程的描述,有利于多次波壓制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1a為真實(shí)地下介質(zhì)(含海水和空氣)示意圖,為方便討論,引入?yún)⒖冀橘|(zhì),如圖1b所示,即去除海面的自由邊界并在原海面及以上空間填充海水的假想介質(zhì)?；趫D1a介質(zhì)的地震波傳播情況如圖1c所示,可見(jiàn)由于海水自由表面的存在,一次反射波又被向下反射,繼續(xù)與地下介質(zhì)發(fā)生作用,進(jìn)而產(chǎn)生一階多次波;一階多次波繼續(xù)產(chǎn)生二階多次波,直至無(wú)窮階多次波。由于反射系數(shù)絕對(duì)值小于1,且地震波傳播會(huì)發(fā)生衰減,高階多次波可以忽略不計(jì)。

在參考介質(zhì)中,震源直接激發(fā)不會(huì)產(chǎn)生自由表面多次波。真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的自由表面多次波可看作將真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為邊值條件加載在深度z=0平面上所引起的波場(chǎng)(圖1d)?？捎媒?jīng)典的波動(dòng)方程積分解解釋:以所有上行波在海面的反射R0U(x′;xs,ω)為邊值條件,以海面+半徑無(wú)窮大的下半球?yàn)榉忾]面,最終在檢波點(diǎn)引起的波場(chǎng)。即:

(1)

式中:M(xr;xs,ω)表示自由表面相關(guān)多次波;U(x′;xs,ω)表示觀測(cè)數(shù)據(jù)(含一次波、多次波);Gref(x′;xr,ω)表示參考介質(zhì)中的格林函數(shù);ω表示頻率;xs,xr,x′分別表示震源點(diǎn)、檢波點(diǎn)以及積分微元的坐標(biāo);R0表示海面反射系數(shù);積分曲面S取為海平面;n表示積分微元處的單位法向量。公式(1)即水體相關(guān)多次波在“編碼-解碼”框架下的表達(dá)式。

等價(jià)地,可以用向量形式描述上述過(guò)程:

式中,輸入信號(hào)為所有上行波,編碼算子為海水層的脈沖響應(yīng),輸出信號(hào)為檢波點(diǎn)觀測(cè)到的波場(chǎng)。應(yīng)該指出,引入編碼算子A是為了簡(jiǎn)潔表達(dá)(1)式的線性關(guān)系,相當(dāng)于離散化表示的積分核。后續(xù)計(jì)算中不需要將該算子顯式表達(dá)為矩陣,僅需要實(shí)現(xiàn)A的矩陣向量乘。

地震數(shù)據(jù)中的一次波及各階多次波表達(dá)式可以拆分,得到更直觀的編碼預(yù)測(cè)關(guān)系:以一次波在海面的反射作為邊值條件,在參考介質(zhì)中傳播得到的波場(chǎng)即為一階檢端多次波;以一階檢端多次波在海面的反射作為邊值條件,在參考介質(zhì)中傳播得到的波場(chǎng)即為二階檢端多次波;以此類(lèi)推,以k階檢端多次波在海面的反射作為邊值條件,在參考介質(zhì)中傳播得到的波場(chǎng)即為k+1階檢端多次波。

圖1 地下介質(zhì)及地震波傳播a 真實(shí)地下介質(zhì); b 參考介質(zhì); c 地震波在真實(shí)地下介質(zhì)中的傳播; d 在參考介質(zhì)中借助面源描述地震波傳播

(4)

式中,Mi表示第i階自由表面相關(guān)多次波,P表示一次反射波?？傊?算子A的作用是海水層對(duì)海面處上行波的編碼“升階”。

分別累加各式等號(hào)兩端,得:

(5)

式中,Mtotal為觀測(cè)到的總體多次波(各階多次波之和),右側(cè)為觀測(cè)數(shù)據(jù)。

同樣地,若將各階多次波都寫(xiě)為關(guān)于一次波P的函數(shù):

(6)

可得總體多次波與一次波的關(guān)系:

(7)

其中,總體多次波不是一個(gè)直接觀測(cè)的量。為了建立一次波P與直接觀測(cè)結(jié)果Uobs之間的關(guān)系,在(7)式左右兩端都加上P,因此得到描述一次波與含多次波的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的線性編碼關(guān)系:

(8)

其中,I表示單位矩陣。

3 反問(wèn)題:用解碼的觀點(diǎn)看待多次波壓制

(9)

其中,L為迭代次數(shù)。

令:

(10)

將公式(10)代入公式(9),得:

(11)

(12)

公式(12)即為水體相關(guān)多次波的求解公式,它與SRME的“預(yù)測(cè)+減去”公式有類(lèi)似之處。相對(duì)SRME使用觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)代替(1)式的Rayleigh積分,本文使用了特征波域的射線束傳播算子更為精確地實(shí)現(xiàn)編碼算子A,完成了(12)式中的A(ω)Uobs(ω)計(jì)算,即總體多次波的預(yù)測(cè)。

公式(12)描述了理想情況下的多次波壓制或一次波估計(jì)的數(shù)學(xué)模型。但事實(shí)上,由于對(duì)水體介質(zhì)各屬性(如海面和海底的反射系數(shù)分布、水體速度模型、海底起伏形態(tài))不能進(jìn)行精確描述,實(shí)際數(shù)值實(shí)現(xiàn)的A算子都是近似的。

多次波壓制過(guò)程具體可描述為:

1) 利用公式(13)計(jì)算或預(yù)測(cè)多次波模型。

(13)

2) 利用公式(14)估計(jì)一個(gè)整形濾波器f,使得輸出的一次波能量最小。

(14)

3) 采用公式(15)輸出一次波。

(15)

借鑒SRME方法,公式(12)的減法是自適應(yīng)減法,且在局部平面波域進(jìn)行。相對(duì)于空間域減法,局部平面波域自適應(yīng)減法能更好地區(qū)分多次波與一次波的斜率差別,也更能容忍兩者的交叉,使得輸出的去噪結(jié)果質(zhì)量更好。

4 在平面波域?qū)崿F(xiàn)多次波的編碼預(yù)測(cè)與一次波的解碼

公式(1)是將海面每個(gè)微元作為參考介質(zhì)中激發(fā)的偶極震源,積分計(jì)算所有微元在檢波點(diǎn)處所產(chǎn)生的波場(chǎng)。作為波動(dòng)方程的積分解,理想情況下公式(1)在數(shù)學(xué)上是精確成立的,并有明確的物理意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中,有限的積分孔徑、不規(guī)則的面元分布、近偏移距數(shù)據(jù)的缺失等問(wèn)題,使得公式(1)的精確性下降。編碼算子A是公式(1)中積分所描述的線性關(guān)系的緊湊表達(dá)。在局部平面波域?qū)崿F(xiàn)編碼算子A可以緩解上述問(wèn)題。在每個(gè)局部區(qū)域,作為輸入信號(hào)的入射波上行波場(chǎng)都可分解為不同方向的平面波[19-20]。局部區(qū)域激發(fā)的二次波場(chǎng)的傳播過(guò)程可以看作一組不同方向的平面波傳播過(guò)程。該方法在地震成像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如馮波[21]通過(guò)局部平面波分解解決波形反演中的“周期跳躍”問(wèn)題;劉少勇[22]通過(guò)局部平面波分解解決常規(guī)偏移中的畫(huà)弧問(wèn)題;孫維薔[23]將局部平面波分解用于鬼波與自由表面多次波的統(tǒng)一壓制。

本文將局部平面波分解用于描述多次波的形成過(guò)程。單個(gè)平面波分量的傳播過(guò)程如圖2a所示,相比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方式(圖2b),該方法考慮了各個(gè)平面波分量的方向,同時(shí)簡(jiǎn)化了地震波在水體中的傳播過(guò)程。局部平面波域水體相關(guān)多次波預(yù)測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:

1) 將計(jì)算區(qū)域的海面分解為若干局部窗。

2) 通過(guò)稀疏求解局部窗τ-p系數(shù),將局部窗內(nèi)的入射波上行波場(chǎng)分解為不同方向的平面波。

3) 從局部窗中心向檢波面進(jìn)行反射射線追蹤(從窗中心出發(fā),在海底反射,終點(diǎn)在檢波面,見(jiàn)圖2a),并記錄各條射線出射方向、走時(shí)(T)。

4) 將局部平面波當(dāng)作有方向、有寬度的射線來(lái)傳播,各個(gè)τ-p系數(shù)按照與其方向?qū)?yīng)的射線的走時(shí)計(jì)算延遲,然后“放置”到射線路徑終點(diǎn)對(duì)應(yīng)小鄰域內(nèi)檢波點(diǎn)的數(shù)據(jù)上(需考慮相對(duì)于各檢波點(diǎn)的時(shí)差)。

5) 對(duì)所有局部窗重復(fù)步驟2)～4),完成所有計(jì)算。

預(yù)測(cè)過(guò)程主要利用運(yùn)動(dòng)學(xué)信息構(gòu)建了多次波模型,其波形、振幅等動(dòng)力學(xué)信息與真實(shí)數(shù)據(jù)仍有差異,因此精細(xì)的“匹配相減”是不可或缺的措施。得益于本文方法中的“平面波分解”步驟,可以將“匹配相減”過(guò)程放在局部平面波域,從而能額外考慮方向信息,使得匹配過(guò)程更為精細(xì)。

圖2 觀測(cè)數(shù)據(jù)作為二次源對(duì)于多次波的不同貢獻(xiàn)方式a 本文方法中的局部平面波源方式; b 積分解形式中的偶極點(diǎn)源方式

5 實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文方法的有效性及實(shí)用性,設(shè)計(jì)、實(shí)施了淺海環(huán)境的OBC數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和拖纜數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。

5.1 淺海OBC數(shù)據(jù)

淺海OBC數(shù)據(jù)共含有8條檢波線,每條檢波線有240個(gè)檢波器。炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)間距為25m,炮線間距250m,檢波線間距400m,觀測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。采集環(huán)境平均水深約37m,水體相關(guān)多次波周期約為50ms(該數(shù)據(jù)中單個(gè)震相的波形時(shí)長(zhǎng)約40ms),嚴(yán)重干擾了有效信號(hào)。

圖3 OBC數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)

采用以下步驟對(duì)多次波進(jìn)行了壓制:

1) 通過(guò)“近道自相關(guān)”提取工區(qū)網(wǎng)格內(nèi)的水深,并插值為光滑曲面作為海底模型。該海底深度模型是深度關(guān)于坐標(biāo)的二階光滑函數(shù)。

2) 以單炮道集為獨(dú)立單位進(jìn)行多次波預(yù)測(cè)。將單炮數(shù)據(jù)按檢波點(diǎn)坐標(biāo)劃分為若干局部空間窗口,并利用稀疏τ-p變換進(jìn)行平面波分解。

3) 在每個(gè)空間窗內(nèi),將所有平面波分量“傳播”到檢波陣列中。即將每個(gè)平面波分量當(dāng)作一束有寬度的射線,按照其起飛角(由參數(shù)p計(jì)算),沿“海底-海面”反射路徑,貢獻(xiàn)到檢波陣列(圖2a),最終得到該單炮道集的多次波預(yù)測(cè)結(jié)果。

4) 進(jìn)行“局部平面波域匹配相減”,減去多次波,輸出結(jié)果即為一次波。

考慮各個(gè)單炮以及各個(gè)空間窗之間的獨(dú)立性,本文在各個(gè)單炮道集間采用MPI多進(jìn)程并行計(jì)算,每炮內(nèi)各空間窗之間采用OpenMP多線程并行的計(jì)算策略,從而提高計(jì)算效率。

本文方法中的稀疏估計(jì)平面波系數(shù)方法可以利用有限樣點(diǎn)還原出局部波前面,從而緩解采樣不足問(wèn)題,因此比常規(guī)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。其中局部平面波傳播在三維坐標(biāo)系下進(jìn)行,能夠自動(dòng)適應(yīng)實(shí)際三維OBC觀測(cè)系統(tǒng)。OBC數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并消除水體相關(guān)多次波。圖4和圖5 對(duì)比了多次波壓制處理前后OBC炮集和OBC數(shù)據(jù)體,圖6為原始OBC數(shù)據(jù)及其平面波系數(shù),圖7為多次波壓制處理后OBC數(shù)據(jù)及其平面波系數(shù),可以看出多次波已被成功分離。圖8對(duì)比了OBC炮集多次波壓制處理前后自相關(guān)結(jié)果,可見(jiàn)數(shù)據(jù)自相關(guān)中的周期性成分已被成功消除。

圖5 原始OBC數(shù)據(jù)體(a)與多次波壓制處理后OBC數(shù)據(jù)體(b)對(duì)比

圖6 原始OBC數(shù)據(jù)(a)及其局部平面波系數(shù)(b)

圖7 多次波壓制處理后OBC數(shù)據(jù)(a)及其局部平面波系數(shù)(b)

圖8 OBC炮集多次波壓制處理前(a)、后(b)自相關(guān)結(jié)果對(duì)比

5.2 淺海拖纜數(shù)據(jù)

淺海拖纜數(shù)據(jù)共1149炮,炮間距25m,每炮4條拖纜,檢波器間距12.5m,拖纜間距100m。采集環(huán)境水深90m,多次波周期約120ms。該數(shù)據(jù)中單個(gè)震相的波形時(shí)長(zhǎng)約40ms,水體相關(guān)多次波的存在使得有效數(shù)據(jù)同相軸下方多出若干“虛影”。相比OBC數(shù)據(jù),拖纜數(shù)據(jù)的觀測(cè)系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性:近偏移距數(shù)據(jù)缺失、拖纜發(fā)生漂移甚至彎曲(圖9)。得益于稀疏τ-p反演,本文方法在面對(duì)非規(guī)則網(wǎng)格時(shí),能根據(jù)采樣點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)將數(shù)據(jù)分解為不同方向的平面波,解決了觀測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的問(wèn)題。

拖纜數(shù)據(jù)多次波壓制的步驟與OBC數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)相同。圖10對(duì)比了拖纜數(shù)據(jù)多次波壓制處理前后的疊加剖面,可以看到多次波的影響已被成功消除。圖11對(duì)比了拖纜數(shù)據(jù)多次波壓制處理前后自相關(guān)結(jié)果,可以看出零延遲之外的旁瓣已被消除,這意味著數(shù)據(jù)中的周期性成分已被成功壓制。

圖9 拖纜數(shù)據(jù)中炮檢點(diǎn)分布

圖10 拖纜數(shù)據(jù)多次波壓制處理前(a)、后(b)疊加剖面對(duì)比

圖11 拖纜數(shù)據(jù)多次波壓制處理前(a)、后(b)自相關(guān)結(jié)果對(duì)比

6 討論與結(jié)論

本文分析了淺海環(huán)境中多次波問(wèn)題的特點(diǎn),引入信號(hào)分析領(lǐng)域的“編碼-解碼”框架,提出了針對(duì)性的多次波壓制方法。將多次波的產(chǎn)生與壓制用一個(gè)線性系統(tǒng)及其逆進(jìn)行描述,即將上行波在水層震蕩產(chǎn)生多次波的過(guò)程視為編碼過(guò)程,將多次波壓制過(guò)程視為解碼過(guò)程,以精簡(jiǎn)的方式從線性系統(tǒng)求解角度給出了壓制算法。該方法將水體相關(guān)多次波的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移到局部平面波域,利用稀疏τ-p反演緩解了采樣不規(guī)則、近偏移距數(shù)據(jù)缺失造成的影響。利用淺海OBC數(shù)據(jù)和拖纜數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性和高效性,展示了方法在淺海環(huán)境地震數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用前景。

本文方法相對(duì)傳統(tǒng)方法具有如下優(yōu)勢(shì):①稀疏求解τ-p系數(shù),能在非均勻網(wǎng)格下得到各個(gè)窗口的平面波分解,克服了非均勻采樣問(wèn)題,緩解了近道缺失的影響;②所需的海底模型為光滑曲面,不需要離散建模,因此能應(yīng)對(duì)崎嶇海底,且不會(huì)引入模型的鋸齒和波場(chǎng)的數(shù)值頻散現(xiàn)象;③傳播過(guò)程化簡(jiǎn)為從窗中心到海面的反射射線追蹤更高效,由于射線追蹤計(jì)算次數(shù)等于局部窗口數(shù)目,遠(yuǎn)小于檢波點(diǎn)數(shù)目,故總體效率也高于MWD(model-based water-layer demultiple)算法中從檢波點(diǎn)到檢波點(diǎn)的射線追蹤;④各個(gè)單炮道集以及各個(gè)局部窗的計(jì)算過(guò)程相互獨(dú)立,具有良好的可并行性;⑤將匹配相減放在局部平面波域進(jìn)行,能夠區(qū)分一次波、多次波的不同視速度,提高多次波壓制精度。

但是,本文方法在多次波預(yù)測(cè)過(guò)程中將每個(gè)平面波分量當(dāng)作一束有寬度的射線(即胖射線)傳播,對(duì)于射線寬度的選擇尚缺理論依據(jù),需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試。射線過(guò)寬時(shí),所構(gòu)建的多次波模型的頻帶將偏低;射線過(guò)窄時(shí),構(gòu)建的多次波模型會(huì)出現(xiàn)一些空缺點(diǎn)。可能的解決方法是根據(jù)“菲涅爾半徑”確定射線寬度,需要開(kāi)展進(jìn)一步的探索研究。

展望未來(lái)多次波相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,“壓制”與“利用”應(yīng)當(dāng)并重?？碧降卣饘W(xué)的重要方法如層析、FWI、成像等,目前仍依賴(lài)于一次波假設(shè)。在實(shí)際應(yīng)用中,多次波壓制的效率與效果,將與最終處理、解釋結(jié)果緊密相關(guān)。因此,發(fā)展有效的多次波壓制技術(shù)具有重要意義。同時(shí),多次波成像應(yīng)予以重視,一種能夠應(yīng)對(duì)多次波的成像方法將大大簡(jiǎn)化地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理,并能更多地挖掘出數(shù)據(jù)中的地下介質(zhì)信息,最終呈現(xiàn)出更準(zhǔn)確的成像結(jié)果。故對(duì)待多次波,應(yīng)當(dāng)立足“壓制”,展望“利用”。

致謝:感謝中海油研究總院和湛江分公司對(duì)本文研究的支持。感謝中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院及西北分院、中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院和勝利油田分公司對(duì)波現(xiàn)象與智能反演成像研究組(WPI)研究工作的資助與支持。