频率域起伏双缆数据合并策略

李洪建,韩立国,巩向博

(吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026)

频率域起伏双缆数据合并策略

李洪建,韩立国,巩向博

(吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026)

受鬼波和陷波现象的影响,常规海洋拖缆采集地震记录分辨率低,频带较窄,低频端能量不足,因此常用的上下缆宽频采集技术及其数据合并方法成为海洋地球物理勘探研究重点之一。为此,提出了频率域起伏双缆合并策略。通过计算每个检波点处的鬼波算子,自适应地对起伏双缆进行合并,在减小缆深起伏对合并质量影响的同时,最大限度利用每个检波点信息以提高合并结果分辨率和信噪比。对于实际计算中鬼波算子存在奇异的情况,通过引入白噪因子,提高了计算的稳定性。并提出了利用浅缆补偿变深度拖缆高频端能量的采集技术,为高精度海洋地震勘探提供了新的思路。最后,分别选取起伏缆深上下缆拖缆模型、浅缆补偿变深度拖缆模型以及海上实际上下缆数据为例,验证了频率域起伏双缆合并策略的有效性。结果表明,鬼波被很好地去除,陷波现象被压制,低频端能量得以提升,地震记录频带也得到了有效拓宽。

上下缆采集；数据合并；鬼波压制；白噪因子；宽频地震

海洋地震勘探中,由于海水与空气的接触面是一个良好的反射面,检波器除接收到一次反射波外,还接收到与海水面反射作用相关的虚反射,即鬼波[1-2]。鬼波叠加在一次波的尾部,影响了一次波的振幅,甚至会产生假的同相轴,降低了地震记录的分辨率。同时,鬼波陷波现象导致地震记录有效频带变窄[3],低频端能量降低。而当今的高精度、高分辨率地震处理解释,如全波形反演、谱分解等都需要丰富的低、高频信息,因此鬼波压制、拓宽频带是海洋地球物理勘探的研究重点之一。

海洋拖缆采集中,拖缆深度对于地震信号频谱有直接影响[4],电缆沉放较浅时,鬼波延时小,频带较宽,高频信息丰富,浅层成像分辨率较高,但低频信息损失严重,深层成像差;随着拖缆深度的增加,信噪比提高,鬼波延时增大,低频成分逐渐丰富,信号穿透性增强,深层成像质量好,但是鬼波陷波现象导致频带变窄,高频能量不足,浅层成像分辨率较低。

结合不同缆深的频带优势,利用鬼波与有效信号间的延时随电缆沉放加深而增大的特性,研究者们提出了多种宽频采集方式,如上下缆采集技术[5-7],通过合并不同缆深地震记录,可以获得某一深度的上行波场,但是由于实际采集受环境、仪器性能等影响[8],拖缆无法准确控制在预设深度[9],实际施工中,拖缆沉放深度在预设深度上、下1m范围内都为合理。基于上下缆采集技术的数据合并方法也被逐渐提出,“相位校正求和”(dephase and sum,DPS)合并算法[10-12]应用最为广泛,在频率波数域实现了对鬼波的压制,但是由于DPS合并方法以假设固定深度拖缆为前提,因此很难消除起伏缆深对合并的影响。“移位和减去”(shift and subtract)法[13]对于上下缆深度差在不同偏移距处保持固定的缆深组合合并效果较好,但该方法同样受起伏缆深的影响,且受海洋环境噪声影响严重。“和差”(sum and difference)法[14]通过对不同道进行积分以消除鬼波,但是对于偏移距过大的地震记录合并效果较差。因此,发展一种精度更高、合并效果更好、环境适应性更强的上下缆合并算法尤为重要。

Robert等提出了变深度拖缆采集技术[15],针对不同偏移距处产生的具有不同陷波频率的鬼波,利用陷波多样性及常规偏移、镜像偏移联合反褶积技术[16-17]加以压制。但是,由于变深度拖缆平均缆深较大,虽然获得了丰富的低频成分且频带较宽,但是高频端能量相对不足。因此,可以尝试利用水平浅缆来弥补斜缆的高频缺失。

1 方法原理

海洋地震勘探中,由于海面是良好的反射界面,位于深度zi的检波器接收到的压力波场信号p(t,x,zi)由两部分组成:地层反射回的一次反射波和受海面影响而产生的鬼波,如方程(1)所示:

(1)

式中:pup(t,x,zi)为一次反射波波场；pd(t,x,zi)为海面反射产生的鬼波波场。对方程(1)做二维傅里叶变换:

(2)

式中:kx为水平波数；zi为检波器预设深度；P(ω,kx,zi)为频率波数域实际地震记录；Pup(ω,kx,zi)为地层反射的上行波场；Pd(ω,kx,zi)为海面发射产生的下行波场。由于海面反射系数接近于-1,基于波场延拓原理可得:

(3)

将方程(3)代入方程(2),可得:

(4)

其中,kz为垂直波数:

(5)

式中:k为波数。假设G(ω,kx,zi)为鬼波算子,则:

(6)

基于方程(6)计算不同深度处的等效陷波频率谱,图1表示拖缆深度为5,17,23m以及变深度拖缆5～50m的等效陷波频率谱。拖缆较深(23m)时,陷波点频率低,低频端能量高但是频带窄；拖缆较浅时刚好相反,有效频带较宽但低频端能量低；变深度拖缆采集可以获得丰富的低频成分且频带较宽,但是高频端能量相对不足。

我国油田行业是支撑我国经济发展的重要一部分，随着时代的不断改革，当下我国对油田企业的要求逐渐提高，油田项目开展前期的招标、投标、竞标的环节是非常重要的。对于当下最常见的企业招投标竞争的方式就是公开招标，公开招标作为最常见的公平竞标方式，投标企业要想在油田拿到项目，必须要通过公平竞争的方式，所以，油田企业为了能够让自身得到更好的发展，对招投标管理工作的力度是非常关键的，为了能够更好的做好招投标工作的管理，有必要对于招标投标管理中所出现的问题进行改进，并且提供相应的对策。

根据波场延拓原理,深度z1处的上行波场可以表示为z2处上行波场的延拓:

(7)

结合方程(4)和方程(7):

(8)

其中,z1和z2处鬼波算子分别为:

(9)

求解方程(8),可得鬼波压制后的上行波场:

(10)

式中,“*”表示复共轭函数。因为勘探中海洋环境是未知的,受技术限制,拖缆深度(检波器深度)无法控制在预设深度z1和z2,为忽略波数k对鬼波压制的影响,不考虑相邻检波器的影响,对鬼波算子G(ω,kx,zi)和频率波数域波场P(ω,kx,zi)采用逆傅里叶变换:

(11)

式中:P(ω,x,zi)为频率域波场；n表示检波器序号；z1_n和z2_n表示上、下缆第n个检波器的实际深度；eval函数表示对n道数据循环计算并按照道号顺序排序整合。但是在鬼波压制过程中,鬼波算子G会出现零值,使得1/G奇异,影响鬼波压制算法的计算稳定性,通过引入白噪因子,对1/G进行稳定性处理:

(12)

其中,ε为白噪因子,取值范围为0～0.1。通过方程(11),可以获得鬼波压制后的频率域波场。

图1 不同缆深等效陷波频率谱(蓝线:缆深5m;红线:缆深17m;绿线:缆深23m;黑线:变深度拖缆深度5～50m)

2 实例分析

2.1 起伏缆深上下缆拖缆模型

为了体现频率域起伏双缆合并策略的有效性,建立了起伏缆深上下缆拖缆模型,并夸大了缆深起伏程度,如图2,模拟缆深在预设深度上、下2m范围内起伏,图3a和图3b分别为缆深位于(11.5±2.0)m和(31.5±2.0)m的单炮记录,鬼波延时随着起伏缆深不断变化,导致同相轴不连续。经过频率域起伏上下缆合并,图3c为鬼波压制后的上行波记录,与实际生产中常用的DPS上下缆合并方法处理结果图3d相比,图3c中鬼波压制效果更好,一次波同相轴清晰且连续。

图2 起伏缆深上下缆模型

在频率域进行分析,结果如图4所示,DPS上下缆合并方法受缆深变化影响很大,频谱上仍存在很多剩余陷波点(图4d),而本文方法陷波现象被很好消除(图4c)。取其中一道数据进行分析,如图5所示,本文方法鬼波压制较好,无论是陷波点处还是低频端,能量都得到了很好的补充,有效地拓宽了频带。

图3 拖缆深度(11.5±2.0)m单炮记录(a)、拖缆深度(31.5±2.0)m单炮记录(b)、通过本文方法计算得到的上行波场(c)以及常规DPS方法计算得到的上行波场(d)

图4 对应图3a(a),图3b(b),图3c(c)和图3d(d)记录的频率谱

图5 第12道记录的频率谱(a)以及黑框区域放大显示(b)

2.2 浅缆补偿变深度拖缆模型

针对变深度拖缆采集中高频成分相对不足的问题,提出利用常规浅缆采集补偿变深度拖缆的采集方法,即常规缆、变深度拖缆联合采集,图6为浅缆补偿变深度拖缆模型,受环境影响,浅缆存在起伏,拖缆深度位于(11.5±2.0)m。

图7a,图7b和图7c分别为常规缆、变深度拖缆以及合并后的单炮记录,图8a,图8b及图8c分别为相应的频谱。由变深度拖缆单炮记录(图7b)可知,拖缆深度随偏移距不断增加,鬼波对一次波的波形产生不同的改变。由图8b可知,随着偏移距的增加,频带逐渐变窄,但是低频端能量逐渐增强。利用本文方法将常规缆和变深度拖缆合并，结果如图7c和图8c所示,可见，鬼波被很好地压制,陷波现象被消除,极大地拓宽了频带,低频能量得到了很好补充。由频谱分析结果(图9)可知,经过本文双缆合并策略,实现了浅缆和变深度拖缆数据的有效合并,在保留了变深度拖缆低频端能量的同时,提升了高频端的能量。

图6 浅缆补偿变深度拖缆模型

图7 拖缆深度为(11.5±2.0)m时的单炮记录(a)、变深度拖缆深度为5～50m时的单炮记录(b)和本文方法计算得到的上行波场(c)

图8 对应图7a(a),图7b(b)和图7c(c)单炮记录的频谱

图9 频谱分析结果

2.3 实际海上数据

为了验证频率域双缆合并策略的实用效果,选取实际地震资料进行处理和分析。数据为海上上下缆采集记录,拖缆深度分别为17m和23m,经过去噪、去多次波、动校正等预处理,图10a和图10b分别为相应深度时的单炮记录,图10c为鬼波压制后的单炮记录,经过鬼波压制,地震记录分辨率明显提高,由鬼波产生的虚假同相轴被很好的去除。

抽取其中一道进行分析,如图11为第554道530～980ms记录,经过鬼波压制,可见一次波尾部的鬼波被很好的压制,提高了资料的分辨率。通过频谱(图12)分析可知,经过上下缆合并,陷波点能量得到有效恢复,同样低频端能量也有很大提升。

图10 拖缆深度17m时的单炮记录(a);拖缆深度23m时的单炮记录(b)以及通过本文方法计算得到的上行波场(c)

图11 第554道530～980ms记录处理结果

图12 图10单炮记录的频率谱(a)以及黑框区域放大显示(b)

3 结论和讨论

本文提出了频率域起伏双缆合并策略,它有效地结合了浅缆的宽频优势和深缆的低频、高信噪比优势,与传统的上下缆合并方法相比,可以最小化缆深起伏对合并数据的影响,并最大限度地利用检波点信息以获得高信噪比和高分辨率,对于实际计算中鬼波算子存在奇异的情况,通过引入白噪因子,提高了计算的稳定性。

本文还提出了利用浅缆补偿变深度拖缆采集新技术,利用频率域起伏双缆合并策略对该技术进行了实现,通过鬼波压制,很好保留变深度拖缆丰富低频信息的同时,有效地提高了高频信息,为高精度海洋地震勘探提供了很好的技术基础。

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(编辑：朱文杰)

Merge strategy for marine seismic data from fluctuate double streamers in frequency domain

Li Hongjian,Han Liguo,Gong Xiangbo

(CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China)

Conventional streamer seismic acquisition suffers from the sea surface ghost and resulting notches,which results in poor resolution,narrow band and less low-frequency components for seismic data.As a common broadband seismic acquisition,over/under towed-streamers acquisition technique and its data merge are focused in marine geophysical research.We propose a data merge strategy for fluctuate double streamers in frequency domain.By estimating the ghost operator in every seismic geophone,the new strategy self-adaptively merges the two streamer data and reduces the equivalent notch effect to a theoretical minimum,while the information of all receiver points are utilized to improve the resolution and signal-to-noise ratio of merged results.For the case of singular ghost operator,the white noise coefficient is introduced and the stability of the calculation is improved.Variable-depth streamers could also be combined with a shallow streamer to strengthen its high-frequency energy,which provides a new thinking and well supplement in real high precision marine seismic exploration.We applied this strategy to both synthetic data examples from rough over/under towed-streamers,new proposed over/variable-depth streamers models and a real seismic data case.Good results for the synthetic and real data cases were achieved.The ghost is removed,notches are suppressed,band is broadened and the energy of low-frequency components is improved.

over/under towed-streamers acquisition,data merging,ghost suppression,white noise coefficient,broadband marine seismic acquisition

2015-04-13;改回日期：2015-09-06。

李洪建(1989— ),男,博士在读,现主要从事宽频地震正演模拟、采集、处理方面的研究。

韩立国(1961— ),男,教授,博士生导师,主要从事复杂地震波场正反演与成像、地震属性与地球物理信号分析研究。

国家科技重大专项项目(2011ZX05025-001-04)资助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0674-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.005