李士濤，張 笑，于 寧，劉建為，王夢(mèng)瑤

(1.東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 海洋物探分公司，天津 300457；2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034；3.東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 大慶物探二公司，吉林 松原 138000)

1 引 言

混合采集模式的概念最早應(yīng)用于陸地地震采集，具有代表性的采集方法為滑動(dòng)掃描[1](Slip-sweep)、高保真可控震源采集[2](HFVS, High Fidelity Vibratory Seismic Method)、分距同步震源模式(DSSS)等。其中，分距同步震源模式(DSSS，Distance-separated Simultaneous Sources)在陸地勘探中得到了廣泛的應(yīng)用，其要求同步震源激發(fā)距離足夠大，以保證目的層的有效反射信號(hào)不被鄰炮干擾信號(hào)壓制。該技術(shù)的應(yīng)用需要很大的排列擴(kuò)展距離，以達(dá)到距離分離的效果。并且，為了保持炮點(diǎn)的同步激發(fā)性，要求震源和記錄系統(tǒng)精確匹配。

相比陸地可控震源，海上氣槍震源受缺乏子波整形的能力，以及冗余的震源激發(fā)需要保持一定的船速，海上震源船成本等限制因素[3]，導(dǎo)致海上氣槍震源高效混采技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚。隨著海洋節(jié)點(diǎn)設(shè)備連續(xù)采集性能的不斷推廣和應(yīng)用，海上混合高效采集技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。BP石油公司于2006年引入更為靈活的獨(dú)立同步震源(ISS，Independent Simultaneous Source)采集技術(shù)，采用多個(gè)震源在很小的時(shí)間間隔內(nèi)獨(dú)立激發(fā)，能成功地以較低的采集成本獲得高品質(zhì)的地震數(shù)據(jù)[4]。2009年BP公司推動(dòng)該技術(shù)由陸地向海上采集的轉(zhuǎn)變，在墨西哥海域進(jìn)行了成功試驗(yàn)[5,6]，后期于2017年在印度尼西亞水域完成了首例世界超大規(guī)模海底節(jié)點(diǎn)采集(OBN，Ocean Bottom Node)項(xiàng)目，推動(dòng)了海底節(jié)點(diǎn)地震采集生產(chǎn)效率的提高和獲得高品質(zhì)采集數(shù)據(jù)方法的革新[7,8]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的采集模式，該技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠獲得較高的覆蓋次數(shù)和寬方位的地震數(shù)據(jù)，更為重要的是能夠大大地提高采集效率，減少勘探成本的投入，縮短施工周期，最小化野外作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

2 同步震源(混合)采集原理

混合采集數(shù)據(jù)可以表述為一個(gè)線性矩陣方程式[8,10,11]

d=Γm

(1)

其中，d為連續(xù)道集記錄混采數(shù)據(jù);m為所期望分離的有效信號(hào);Γ為混疊算子;描述炮點(diǎn)激發(fā)的時(shí)間和位置信息。

同步震源激發(fā)采集數(shù)據(jù)的分離處理，被廣泛認(rèn)為是處理技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。通過(guò)混疊分離處理將不同激發(fā)源產(chǎn)生的混疊信號(hào)相互分開(kāi)，形成無(wú)鄰炮干擾的炮檢道集。目前可使用的基于去噪和基于稀疏反演的兩類混采數(shù)據(jù)分離方法，都是利用數(shù)據(jù)在某種域內(nèi)有效信號(hào)的連續(xù)性與混疊噪聲的隨機(jī)分布特征。傳統(tǒng)的相干噪聲衰減方法分離干擾炮是可以接受的。但相對(duì)而言，稀疏反演方法采用在共檢波點(diǎn)道集上壓制干擾炮噪聲，取得的分離效果相對(duì)較好[12,13]。首先通過(guò)傅里葉變換來(lái)提取相干信號(hào)，然后利用主炮相干信號(hào)預(yù)測(cè)鄰炮干擾，并從原始數(shù)據(jù)中減去，通過(guò)殘差不斷迭代，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分離。并且當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)采集混疊度較高時(shí)，更有利于有效信號(hào)的分離和提取[14,15]。分離后的地震數(shù)據(jù)，即可采用常規(guī)的處理流程。

由于混采數(shù)據(jù)樣點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)少于有效信號(hào)樣點(diǎn)數(shù)，該方程式的問(wèn)題是欠定的。加以額外限制約束以獲得唯一解，Abma提出相干限制方程式[12,13]即,

d=ΓSm

(2)

其中，S為相干限制因子，其假設(shè)分離的有效信號(hào)與鄰道具有相干性。m有效信號(hào)在FK域(Frequency Wave Number Domian)表現(xiàn)為相似頻率特征，隨機(jī)干擾炮噪聲表現(xiàn)為分散性，利用這種差異可以在FK域采用稀疏反演法進(jìn)行噪聲衰減。

3 獨(dú)立同步震源(ISS)

ISS高效采集技術(shù)是一種降低成本、提高地震采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法，在炮點(diǎn)單獨(dú)激發(fā)、檢波點(diǎn)持續(xù)記錄的方式下進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集。ISS高效采集無(wú)疑是海上節(jié)點(diǎn)地震高效采集較優(yōu)化的方案，其兩大關(guān)鍵影響因素為炮點(diǎn)激發(fā)的隨機(jī)延遲時(shí)間(Δt，Dither Time)與炮點(diǎn)空間分布的最小激發(fā)距離。該參數(shù)能夠保證炮點(diǎn)激發(fā)充足的自然隨機(jī)性和混疊程度，也是后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理分離的關(guān)鍵。

3.1 隨機(jī)延遲時(shí)間(Dither Time)

海上震源船施工以導(dǎo)航系統(tǒng)基于點(diǎn)位信息進(jìn)行炮點(diǎn)激發(fā),激發(fā)時(shí)間因船速的實(shí)時(shí)變化的影響而具有自然的隨機(jī)性。然而，隨機(jī)延遲時(shí)間的應(yīng)用確保了多船作業(yè)震源激發(fā)的隨機(jī)性，有利于進(jìn)一步的減少地震干擾的影響。該數(shù)值隨機(jī)分布在一個(gè)±250 ms(或±500 ms)時(shí)窗內(nèi)(圖1)，該范圍決定了最大獨(dú)立震源數(shù)的投入，每一炮的激發(fā)時(shí)間=炮點(diǎn)間距/船速±250 ms。因此，在共檢波點(diǎn)道集上實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)有效波是相干性的，鄰炮地震干擾在一定程度上被認(rèn)為是隨機(jī)的。隨機(jī)延遲時(shí)間參數(shù)是后期炮點(diǎn)分離的關(guān)鍵因素，使數(shù)據(jù)在不同域轉(zhuǎn)換中顯示出了差異性，能有效地進(jìn)行地震干擾信號(hào)的分離與衰減。

3.2 最小激發(fā)距離

震源空間激發(fā)分布的隨機(jī)性也是ISS高效采集的關(guān)鍵因素，最小激發(fā)距離能夠使記錄的混疊數(shù)據(jù)具有較大的能量差異性，有利于后期數(shù)據(jù)的分離處理。

4 野外采集

4.1 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次采集的觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：

1)最大限度地減少噪聲混合與提高采集效率。觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在高效混合采集模式下起到?jīng)Q定性的作用[16]。受觀測(cè)系統(tǒng)本身和采集設(shè)備投入成本的限制，較大的最小距離很難實(shí)現(xiàn)海上混采高效采集的目的。

2)確保排列持續(xù)滾動(dòng)、數(shù)據(jù)采集無(wú)間斷進(jìn)行。通過(guò)綜合分析不同同步激發(fā)距離的分離后炮檢點(diǎn)道集與頻譜的保真度、殘差均方根振幅的差異，確定ISS采集技術(shù)適用最小震源間距。

按這些原則確定了如圖2所示的觀測(cè)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)接收排列長(zhǎng)度為9 000 m，炮線長(zhǎng)度為21 000 m，檢波線與炮線間隔分別為300 m和50 m。接收排列采用20條滾動(dòng)1條的方式進(jìn)行，并且額外鋪設(shè)5根排列，確保排列持續(xù)滾動(dòng)、數(shù)據(jù)采集無(wú)間斷進(jìn)行。確定最小震源間距為6 km[17]。該方案在阿聯(lián)酋某海域地震采集中成功實(shí)施。

圖2 同步震源采集方式示意圖

4.2 震源船施工

采用2條單源震源船+1條雙源震源船配合激發(fā)，相互間保持6 000 m以上最小激發(fā)距離。整體施工以雙源船激發(fā)采集為主(Flip-Flop,12.5 m/每炮)，單震源船為輔。采用“追逐” 放炮方式，達(dá)到施工效率最大化。圖3為不同震源船炮點(diǎn)激發(fā)間隔時(shí)間分布圖，Δt的引入明顯減少了炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性。

圖3 炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)

4.3 效率對(duì)比

與以往常規(guī)的采集效率相比，本次ISS高效采集的效率約為其的2.5倍(圖4)。常規(guī)采集方式受炮點(diǎn)間距、記錄長(zhǎng)度等因素的制約而導(dǎo)致船速存在上限，因此24小時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的炮數(shù)產(chǎn)量也存在上限。ISS高效采集效率與海上采集設(shè)備投入的多少有關(guān)，并且項(xiàng)目運(yùn)作前期需對(duì)成本投入和效率測(cè)算進(jìn)行平衡評(píng)估，以確定最優(yōu)化的海上采集資源配置方案。

圖4 ISS高效采集與常規(guī)采集效率對(duì)比

5 最新技術(shù)進(jìn)展

5.1 進(jìn)展介紹

以周期性的Dither Time替代隨機(jī)延遲時(shí)間，以模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)利用地震數(shù)據(jù)空間頻帶寬度的限制將混疊數(shù)據(jù)在頻率波數(shù)域(FK domain, Frequency-Wave Number Domain)進(jìn)行分離，該技術(shù)稱為波場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)(Wavefield Signal Apparition)。其采用拖纜三源激發(fā)模式在挪威北海試驗(yàn)成功[18,19]。在設(shè)計(jì)的炮點(diǎn)上三個(gè)震源同時(shí)激發(fā)，每個(gè)震源激發(fā)的隨機(jī)延遲時(shí)間Δt≤0.020 s(20 ms)(圖5)。

圖5 北海拖纜Signal Apparition采集試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的雙源、三源交替放炮模式而言，該技術(shù)有效地增加了在單位時(shí)間、面積內(nèi)采集的炮密度。由Statoil(Equinor)最初研究并應(yīng)用，后期美孚、康菲公司、Wintershall Norge AS陸續(xù)研究。Viking Graben Dataset and SEAM Open Data、CGG挪威、Shearwater等數(shù)據(jù)處理公司先后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5.2 原理

波場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)技術(shù)采用混疊數(shù)據(jù)分離原理[20,22]，假定第一震源沿著直線均勻采樣產(chǎn)生波場(chǎng)g，第二震源也以固定激發(fā)方式沿著第二條直線方向產(chǎn)生波場(chǎng)h，同一檢波點(diǎn)位置波場(chǎng)干擾記錄的總和為f=g+h。圖6為傳統(tǒng)采集為信號(hào)呈現(xiàn)方式采集原理的示意圖。通過(guò)時(shí)空傅里葉變換，在頻率波數(shù)域(Frequency-Wave Number Domain，F(xiàn)K域)記錄的混疊數(shù)據(jù)以F=G+H表示，在FK域所有信號(hào)能量位于信號(hào)錐內(nèi)(圖6a)。H部分分為2個(gè)部分，H=H++H-，H-為已知，并與尼奎斯特波數(shù)相區(qū)分，H為標(biāo)尺函數(shù)，通過(guò)選擇頻率函數(shù)A(ω)得到轉(zhuǎn)換的波場(chǎng)H，G=F-H。通過(guò)反傅里葉變換，在時(shí)空域(XT域, Time Distance Domain, XT domain)將波場(chǎng)g和h進(jìn)行分離。

圖6 FK域波場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)集 [19]

5.3 實(shí)例

圖7為波場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)分離示例。其中，圖7(a),圖7(d)為XT和FK域混疊數(shù)據(jù)，圖7(b),圖7(c),圖7(e)和圖7(f)為模擬的不同炮點(diǎn)采集數(shù)據(jù)及相應(yīng)的FK域數(shù)據(jù)，圖7(g), 圖7(h),圖7(j)和圖7(k)為混疊數(shù)據(jù)在FK域成功分離后的結(jié)果。從圖7可以看出，混疊數(shù)據(jù)在FK域數(shù)據(jù)差異明顯，通過(guò)數(shù)據(jù)分離可以獲得清晰的成像資料。

(a)為XT域采集混疊數(shù)據(jù)；(d)為FK域混疊數(shù)據(jù)；(b)&(e)為模擬的第一震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(c)&(f)為模擬的第二震源在在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(g)&(h)為分離的第一震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(j)&(k)為分離的第二震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(i)為第一震源分離誤差；(l)為第二震源分離誤差

6 結(jié) 論

獨(dú)立同步震源技術(shù)(ISS)的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)了海洋勘探高效率、低成本的進(jìn)程，具有里程碑的意義。其投入的設(shè)備、人員數(shù)較常規(guī)采集方式略大，但取得的效果卻有顯著的差異，為常規(guī)采集效率的2～3倍，大大地縮短了海上勘探的周期，也意味著在很大程度上降低了海上高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的暴露時(shí)間。通過(guò)本次研究得出以下結(jié)論：

1)隨機(jī)延遲時(shí)間和最小激發(fā)距離是ISS高效采集技術(shù)的關(guān)鍵因素，決定了后期混疊數(shù)據(jù)分離的效果。

2)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅決定了后期采集資料的品質(zhì)和分離效果，而且也是海上勘探資源配置方案的重要參考依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的采集。

3)稀疏反演方法在分離混疊數(shù)據(jù)方面得到了很好的應(yīng)用，且當(dāng)混疊度較高時(shí)，更有利于有效信號(hào)的分離和提取。

4)波場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)采集技術(shù)進(jìn)一步推進(jìn)了同步震源采集方法的革新。