基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法

张 威,韩立国,李洪建

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;2.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法

张 威1,韩立国1,李洪建2

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;2.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

基于平坦海水表面假设的鬼波压制方法在起伏海水表面情况下鬼波压制效果不佳。为此,基于最小平方线性拉东反演去鬼波算法,反演得到海水表面处上行波场,正向和反向延拓海水表面处上行波场至检波器处,采用最小平方成像条件成像海水表面,以校正检波器实际沉放深度,消除起伏海水表面的影响,实现了基于起伏海水表面的鬼波压制。该方法考虑了起伏海水表面对鬼波压制的影响,改善了基于平坦海水表面假设的方法压制鬼波不完全的情况。数值模拟数据和海上实际拖缆数据测试结果表明,该方法能更好地压制鬼波,最大程度拓宽地震记录频带。

鬼波压制;最小平方成像条件;起伏海水表面;最小平方线性拉东反演;拓宽频带

海洋拖缆地震数据采集时,检波器接收到的记录包括来自地下反射界面的一次反射波和一次反射波经过海水表面反射到达检波器的虚反射(鬼波)[1]。鬼波紧随一次波之后,与一次波相互干涉,降低了地震剖面的分辨率。同时,鬼波的陷频特性使得地震资料频带变窄,给地震资料反演和解释带来了困难[2-3]。

为了获得宽频带的地震数据,人们提出了各种各类的宽频采集方式[4]。上下缆采集技术[5-7]通过对上下缆数据进行合并,达到去鬼波的目的。双检采集技术[8]通过对压力和速度传感器采集的记录进行波场分离,得到上行波记录。变深度缆采集技术[9-10]利用常规偏移和镜像偏移联合反褶积方法来压制鬼波。但是,这些宽频采集技术相对于常规水平拖缆采集技术而言,采集成本较高,并且需要特定的去鬼波方法。因此,基于常规水平拖缆采集技术的鬼波压制方法仍然是研究的热点。JOVANOVICH等[11]利用确定性反褶积压制鬼波,其压制效果很大程度上取决于鬼波延迟时间估计的精确性,但精确的鬼波延迟时间往往难以获取,因此该方法并不能有效压制鬼波。WANG等[12-13]基于bootstrap方法,分别在f-xy域和τ-p域实现了去鬼波,该方法需要通过反演得到最优鬼波延迟时间,但为了保证反演的稳定性,需要进行加窗处理,增加了计算的复杂性。POOLE[14]结合平面波传播理论,对最小平方线性拉东方程进行改进,在重建基准面的同时压制鬼波,该方法利用最小平方反演直接分离出上行波场,在提高计算效率的同时提升了鬼波的压制效果。在国内,王芳芳等[15]通过构造频率-波数域鬼波压制算子,实现了数据驱动的鬼波压制;管西竹等[16]采用高效率的Fourier变换波场解析延拓方法,有效解决了水平上下缆鬼波压制中有效信号畸变的问题;李洪建等[17]基于格林函数理论,通过对压力波场和垂直速度波场的预测压制检波点鬼波;ZHANG等[18]通过考虑实际粗糙海面反射系数对鬼波压制的影响,利用高斯统计公式精确估计反射系数,从而得到最优化鬼波压制算子。以上这些去鬼波算法均基于平坦海水表面的假设,而实际的海水表面是起伏变化的,忽略起伏海水表面的影响使得鬼波延迟时间和海水表面反射系数的估计存在误差,导致鬼波压制不完全。

近年来,ROBERTSSON等[19]利用压力波场信息和近似的压力波场梯度对海水表面进行成像,实现起伏海水表面去鬼波,但是该方法对检波器沉放深度和空间采样间隔有严格的限制。KRAGH等[20]从压力检波器中提取低频信息实现起伏海水表面的成像,成像质量很大程度上取决于低频信息提取的准确性。ORJI等[21]将双检数据分解为上行波场和下行波场并分别延拓到海水表面,再对海水表面进行成像,该方法受压力和速度传感器各自不同的灵敏度影响较大[22]。

本文基于POOLE[14]提出的最小平方线性拉东反演去鬼波方法,反演求解线性拉东方程得到海水表面处上行波波场,将海水表面处上行波场正向和反向延拓至检波器处,利用最小平方成像条件对海水表面进行成像,以校正检波器实际沉放深度;利用校正后的深度进行去鬼波处理,并与POOLE提出的去鬼波方法进行对比。合成数据和实际海上水平拖缆采集数据处理结果表明,基于起伏海水表面的鬼波压制方法能更好地压制鬼波,达到拓宽地震记录频带的目的。

1 方法原理

1.1 海水表面处上行波波场的求取

根据频率域最小平方线性拉东变换原理[23],检波器接收到的总波场道集D(x,ω)的频率拉东反变换可表示为:

(1)

式中:V(p,ω)为D(x,ω)拉东正变换的结果;ω为角频率;p为慢度参数;x为偏移距。

对于每一个频率分量ω,可将公式(1)表示为矩阵形式:

(2)

式中:L=e-jωτn,m;τn,m=pm·xn;xn为炮集中第n道的偏移距;pm为拉东域第m个慢度道所对应的慢度参数。模型V(p,ω)可通过最小平方反演求解线性方程(2)得到。

对于海洋水平拖缆采集,二维平面波传播如图1所示,第n道zn处的检波器接收到总波场,可以看作海水表面xn+Δxn,m处上行波场回传到检波器的波场与海水表面xn-Δxn,m处上行波场经海水表面反射到达检波器的下行波场之和,可将(2)式中延迟时间τn,m分解为τu和τg两项[14],其表达式如下:

(3)

(3)式中Δxn,m,Δτn,m的几何关系如下:

图1 二维平面波传播示意

(4)

式中:vw为海水速度;θm为出射角;zn为第n道检波器的沉放深度。

结合海水表面处上行波场和检波器处总波场之间的关系,通过对频率域最小平方线性拉东方程进行改造,得到新的线性方程,表达式如下:

(5)

(6)

式中:R为海水表面反射系数;Lud为拉东反变换算子;Lu=e-jωτu为上行波拉东反变换算子;Ld=e-jωτg为鬼波拉东反变换算子;V0(pm)为海水表面处上行波波场拉东变换的结果。

1.2 起伏海水表面成像

对于水平拖缆采集数据,通过求解公式(5)得到拉东域海水表面上行波波场V0(p,ω),利用频率域拉东反变换得到时间-空间域海水表面上行波波场U0(x,t)。

(7)

(8)

(9)

(10)

在实际资料去鬼波处理中,海水表面的起伏形态随时间变化,可通过选定时窗,使得时窗内海水表面影响一致或者相似,准确估计海水表面反射系数和检波器实际沉放深度,然后对时窗内的数据进行去鬼波处理。

2 数值模拟算例

为了验证基于起伏海水表面的鬼波压制方法的鬼波压制效果,对层状模型(图2)的水平拖缆单炮记录进行去鬼波处理。正演模拟时,采用主频为80Hz的雷克子波,记录道数为61,道间距为4m,采样间隔为0.5ms,记录长度为0.3s,拖缆沉放深度为15m。为了验证本文方法的抗噪性,加入了信噪比为15的随机噪声。

图2 水平层状速度模型

模拟平坦海水表面和起伏海水表面下的单炮记录分别如图3a和图3b所示,图3c为图3a和图3b的差剖面。可见,由于受到起伏海水表面的影响,海水表面反射的鬼波同相轴不再是标准的双曲线,呈现出与起伏海水表面波动吻合的弯曲(图3中红色方框所示)。对比图3a和图3b中各道的旅行时差发现起伏海面引起的鬼波同相轴最大旅行时差为1.5ms,与所设计的起伏海水表面完全吻合。相反,一次反射波经过海底反射直接传播到检波器处,并不受起伏海水表面的影响,其同相轴符合标准的双曲线。

图4a,图4b为利用POOLE提出的方法对平坦海水表面和起伏海水表面下模拟的单炮记录进行鬼波压制的结果。可见,POOLE提出的方法能完全压制平坦海水表面下模拟单炮记录中的鬼波;但对于起伏海水表面,由于该方法忽略了起伏海水表面的影响,鬼波压制结果中存在残余的鬼波(图4b中蓝色箭头所指处),同时会引入较强的窜扰噪声(图4b中红色箭头所指处)。

图3 平坦海水表面下模拟的单炮记录(a)、起伏海水表面下模拟的单炮记录(b)以及两者的差剖面(c)

图4 POOLE方法对平坦海水表面(a)、起伏海水表面(b)下模拟单炮记录的去鬼波结果以及本文方法对起伏海水表面下模拟单炮记录的去鬼波结果(c)

利用本文方法对起伏海水表面条件下模拟的单炮记录(图3b)的海水表面形态进行成像,结果如图5中蓝色曲线所示,黑色曲线表示平坦海水表面,红色曲线表示模拟的起伏海水表面。可见,成像的海水表面与模拟的起伏海水表面在形态上匹配良好,部分差异主要是由主频80Hz子波的分辨率限制所引起的。

基于成像的海水表面对起伏海水表面下模拟的单炮记录进行鬼波压制,得到的去鬼波结果如图4c所示。与POOLE方法的去鬼波结果(图4b)相比,由于考虑了起伏海水表面对鬼波的影响,残余鬼波得到了压制,窜扰噪声也随之减少,压制效果得到明显提升。但去鬼波结果中仍存在少量的窜扰噪声,这是由海水表面成像误差所导致的。

图5 平坦海水表面、成像海水表面以及模拟海水表面

对去鬼波前后记录进行频谱分析,如图6所示,POOLE方法(蓝色曲线)和本文方法(红色曲线)去鬼波后的振幅谱中陷波现象得到消除,能量得到补偿,频带得到拓宽。本文方法对于低频端能量提升更加明显(绿色方框所示)。

图6 去鬼波前后振幅谱对比

3 实际水平拖缆数据测试

利用海上某工区水平拖缆采集资料进一步验证本文方法的适用性(图7),其采样间隔2ms,道间距12.5m,拖缆沉放深度为25m,采样总时间为10.572s,震源沉放深度为15m。图7a为经过直达波切除、滤波去噪、多次波压制等预处理后的原始单炮记录(选取2.6～3.4s,10～190道)。首先,利用本文方法对实际单炮记录的海水表面形态进行成像,结果如图8所示。然后,基于成像的海水表面进行鬼波压制,得到鬼波压制后的单炮记录,如图7c所示。与由POOLE方法压制鬼波后的单炮记录(图7b)进行对比可见,2种方法压制鬼波后的单炮记录中反射同相轴相位个数减少,炮记录变得更加清晰,分辨率得到提高。从两种方法差剖面(图7d)中可以看出,本文方法压制鬼波的记录中残余鬼波更少,压制效果更佳。

图7 原始单炮记录(a)、POOLE方法压制鬼波后的单炮记录(b)、本文方法压制鬼波后的单炮记录(c)以及两种方法处理结果的差剖面(d)

图8 成像海水表面

从成像的海水表面形态上看,30～80道和120～170道受海水表面起伏影响较大,两种方法在相应区域的鬼波压制效果存在微小的差异(由图7d差剖面可以明显看出)。为了验证本文方法的优越性,选取去鬼波前后相应的区域进行频谱分析,如图9a和图9b所示。在去鬼波前的炮记录中,在30,50,60,90Hz处存在明显的陷波现象,经过鬼波压制,2种方法都能有效消除检波器鬼波所引起的陷频特征,拓宽地震记录的频带。其中50Hz为震源鬼波引起的陷波点,因此,能量变化不大。与POOLE方法相比,本文方法无论是对低频能量还是高频能量的提升都具有明显优势(图9黑色箭头所指处)。

图9 30～80道去鬼波前后振幅谱对比(a)以及120～170道去鬼波前后振幅谱对比(b)

4 结论

本文通过对起伏海水表面进行成像,实现了基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制。通过对模拟单炮数据和实际海上数据处理结果的分析,可得以下结论和认识:

1) 基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法能有效地压制拖缆采集数据中的鬼波,恢复陷波点能量,提高了地震资料的分辨率,拓宽了地震资料的频带。

2) 相对于基于平坦海水表面的鬼波压制方法,基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法考虑了起伏海水表面对鬼波的影响,鬼波压制效果更佳,低频和高频能量的提升更加明显,能够适应实际起伏海水表面情况。

3) 起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法基于最小平方成像条件实现了对海水表面的成像,但起伏海水表面的成像精度在一定程度上取决于地震数据的信噪比。

[1] HAMARBITAN N S,MARGRAVE G F.Spectral analysis of a ghost[J].Geophysics,2001,66(4):1267-1273

[2] 李套山,高洪强,刘振夏,等.虚反射信息的采集及其形成机制、频率响应的理论探讨[J].石油物探,1997,36(4):38-44 LI T S,GAO H Q,LIU Z X,et al.The acquisition of ghost information and the study of its generation and frequency response[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,1997,36(4):38-44

[3] 李洪建,韩立国,巩向博.频率域起伏双缆数据合并策略[J].石油物探,2015,54(6):674-680 LI H J,HAN L G,GONG X B.Merge strategy for fluctuate double streamers in frequency domain[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2015,54(6):674-680

[4] 吴志强.海洋宽频带地震勘探技术新进展[J].石油地球物理勘探,2014,49(3):421-430 WU Z Q.New advances in marine broadband seismic exploration[J].Oil Geophysical Prospecting,2014,49(3):421-430

[5] POSTHUMUS B J.Deghosting of twin streamer configuration[J].Geophysical Prospecting,1993,41(3):267-286

[6] ÖZDEMIR A K,CAPRIOLI P,ÖZBEK A,et al.Optimized deghosting of over/under towed-streamer data in the presence of noise[J].The Leading Edge,2008,27(2):190-199

[7] 刘春成,刘志斌,顾汉明.利用上/下缆合并算子确定海上上/下缆采集的最优沉放深度组合[J].石油物探,2013,52(6):623-629 LIU C C,LIU Z B,GU H M.The determination of optimal sinking depths of over/under streamers in offshore survey by merge operator[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(6):623-629

[8] CARLSON D,SÖLLNER W,TABTI H,et al.Increased resolution of seismic data from a dual-sensor streamer cable[J].Expanded Abstracts of 77thAnnual Internat SEG Mtg,2007,994-998

[9] SOUBARAS R.Deghosting by joint deconvolution of a migration and a mirror migration[J].Expanded Abstracts of 80thAnnual Internat SEG Mtg,2010:3406-3410

[10] 许自强,方中于,顾汉明,等.海上变深度缆数据最优化压制鬼波方法及其应用[J].石油物探,2015,54(4):404-413 XU Z Q,FANG Z Y,GU H M,et al.The application of optimal deghosting algorithm on marine variable-depth streamer data[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2015,54(4):404-413

[11] JOVANOVICH D B,SUMNER R D,AKINS-EASTERLIN S L.Ghosting and marine signature deconvolution:a prerequisite for detailed seismic interpretation[J].Geophysics,1983,48(11):1468-1485

[12] WANG P,PENG C.Premigration deghosting for marine towed streamer data using a bootstrap approach[J].Expanded Abstracts of 82ndAnnual Internat SEG Mtg,2012:1-5

[13] WANG P,RAY S,PENG C,et al.Premigration deghosting for marine streamer data using a bootstrap approach in tau-p domain[J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013:4221-4225

[14] POOLE G.Premigration receiver deghosting and redatuming for variable depth streamer data[J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013:4216-4220

[15] 王芳芳,李景叶,陈小宏.基于逆散射级数法的鬼波压制方法[J].地球物理学报,2013,56(5):1628-1636 WANG F F,LI J Y,CHEN X H.Deghosting method based on inverse scattering series[J].Chinese Journal of Geophysics,2013,56(5):1628-1636

[16] 管西竹,陈宝书,符立耘,等.基于波动方程的上下缆地震数据鬼波压制方法研究[J].地球物理学报,2015,58(10):3746-3757 GUAN X Z,CHEN B S,FU L Y,et al.The study of a deghosting method of over/under streamer seismic data based on wave equation[J].Chinese Journal of Geophysics,58(10):3746-3757

[17] 李洪建,韩立国,巩向博,等.基于格林函数理论的波场预测和鬼波压制方法[J].地球物理学报,2016,59(3):1113-1124 LI H J,HAN L G,GONG X B,et al.A wavefield prediction and ghost suppression method based on Green function theory[J].Chinese Journal of Geophysics,2016,59(3):1113-1124

[18] ZHANG X Y,PAN D M,SHI W Y,et al.Deghosting towed streamer data inτ-pdomain based on rough sea surface reflectivity[J].Applied Geophysics,2015,12(4):573-584

[19] ROBERTSSON J O A,KRAGH E.Rough-sea deghosting using a single streamer and a pressure gradient approximation[J].Geophysics,2002,67(6):2005-2011

[20] KRAGH E,LAWS R.Rough seas and statistical deconvolution[J].Geophysical Prospecting,2006,54(4):475-485

[21] ORJI O,SÖLLNER W,GELIUS L J.Imaging the sea surface using a dual-sensor towed streamer[J].Geophysics,2010,75(6):V111-V118

[22] TENGHAMN R,VAAGE S,BORRESEN C.A dual-sensor towed marine streamer:its viable implementation and initial results[J].Expanded Abstracts of 77thAnnual Internat SEG Mtg,2007:989-993

[23] KOSTOV C.Toeplitz structure in slant-stack inversion[J].Expanded Abstracts of 60thAnnual Internat SEG Mtg,1990:1618-1621

[24] SCHLEICHER J,COSTA J C,NOVAIS A.A comparison of imaging conditions for wave-equation shot-profile migration[J].Geophysics,2008,73(6):S219-S227

(编辑:朱文杰)

Deghosting method based on a variable sea surface for conventional streamer seismic data

ZHANG Wei1,HAN Liguo1,LI Hongjian2

(1.CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China;2.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Currently,the deghosting algorithms based on a flat sea surface assumption can not provide a robust deghsoing result,caused by the misestimation of sea surface reflection and ghost delay time.A new method of deghsoting has been developed by solving the least-square linear Radon equation.The up-going wavefield at the sea surface can be obtained and then extrapolate the up-going wavefield forward and backward to the receivers where a least-square imaging condition is applied so that the variation of the sea surface can be estimated.The effect of the variable sea surface on the ghosts can be taken into account by imaging the sea surface.The sea surface is then provided to the correction of the actual depth of the receiver.Finally,we compare the deghosting results using a flat sea surface and a variable sea surface.Less ghost residuals and reduced ringing artifacts are observed when deghosting was performed using a variable sea surface.Test results on synthetic and field data show that the proposed approach can better remove ghost wave and achieve the goal of broadening the bandwidth of seismic data.

deghosting,least-square imaging condition,variable sea surface,least squares linear Radon inversion,broaden the bandwidth

2016-06-30;改回日期：2017-01-24。

张威(1992—),男,硕士在读,现主要从事宽频地震采集、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。

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2014AA06A605)资助。

P631

A

1000-1441(2017)04-0500-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.005

The research is financially supported by the Nationl High-tech R & D Program of China (863 Program) (Grant No.2014AA06A605).