基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法

李洪建,刘定进,杨金龙

(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)

海洋拖缆地震勘探中,鬼波[1]作为一种特殊的噪声,影响海底一次反射的波形和振幅,甚至产生虚假同相轴,降低地震勘探精度。鬼波造成的陷波现象和低频端能量损失导致地震信号有效频带宽度不足[2]。为消除鬼波及其影响,宽频采集技术被提出并逐渐得到推广应用。

上下缆采集技术[3-4]有效利用不同缆深资料的频带优势,通过上下缆数据合并获得宽频地震信号,但上下缆采集技术受海洋环境影响,实施困难;斜缆采集技术[5]有效利用检波器深度变化,提高陷波频率多样性,提高去鬼波算子稳定性,张威等[6]采用最小平方成像条件校正检波器实际沉放深度,减小了海面起伏对斜缆采集数据处理的影响,但斜缆采集数据高频端能量相对较弱[4];双检采集技术是一种同时测量压力波场和速度波场的采集技术,双检数据处理中无需速度波场重构,数据说服力强[7-10],尤其受到地球物理学者的重视。

区别于常规海上拖缆采集,拖缆双检采集技术不仅拖带水检检波器(压力检波器),在相同的位置集成了一套陆检检波器(速度检波器),水检检波器利用压电效应记录信号在海水传播过程中引起的瞬时水压变化,灵敏度高;陆检检波器则通过机电转换记录检波器中磁铁和线圈的瞬时相对运动速度,适应范围广。双检采集技术通过水、陆检分别记录地震反射信号引起的压力波场和速度波场变化[11]。

双检采集中,瞬时水压变化属于标量,与地震信号的传播方向无关,而相对运动速度属于矢量,极性取决于陆检中磁铁和线圈的相对运动方向,海底一次反射和鬼波在前后经过检波器的过程中,在水检检波器均产生膨胀分量或者压缩分量,而在陆检检波器则由于海面反射而产生速度极性变化[12],因此,水、陆检波器接收到相同极性的海底一次反射信号,而鬼波信号极性则相反。

根据拖缆海洋双检采集数据的独特特点,研究人员先后提出了多种处理方法。贺兆全等[12]在精确求取海底反射系数基础上,利用双检数据叠加算法消除鬼波及上行微屈多次波;WEGLEIN等[13]提出先对双检资料进行波场分离,获取地震记录中的上行和下行波场,进而实现鬼波压制;赵伟等[14]提出双检数据合并之前,采用绝对振幅比值地震道小时窗光滑方法对水检和陆检资料进行能量均衡,提高数据合并精度;张兴岩等[15]将海底电缆数据划分成共炮检距矢量数据体并进行数据规则化,提高数据覆盖次数;AMUNDSEN等[16]提出在复杂海洋条件下,基于压力场梯度近似压制鬼波;WEGLEIN等[17-18]和李洪建等[19]提出基于格林函数理论的海底电缆、双检数据合并算法;龚旭东等[20]研究了检波点水深误差对OBC双检数据合并的影响;张建利等[21]测试了SCHALKWIJK和EDME两种海底多分量波场分离方法并对其进行了改进;张振波等[22]联合应用双检、上下缆两种宽频采集技术,有效提高了中深层数据品质及成像精度。但是,已知陆检数据信噪比低,有效信号能量弱,常规的双检数据合并算法受海洋环境影响较大。

本文采用基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法,有效压制鬼波能量,并引入噪声影响因子,提高双检数据合并精度,数值模拟资料和海上拖缆双检采集资料处理结果证明了基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法的有效性。

1　方法原理

海洋拖缆双检地震采集中,水检检波器接收的信号p由两部分组成:海底一次反射pup及海平面反射鬼波pdown:

(1)

对其做二维傅里叶变换:

P(ω,kx,z)=Pup(ω,kx,z)+Pdown(ω,kx,z)

(2)

其中,ω表示频率;kx表示水平波数;z表示拖缆深度(即检波器沉放深度)。根据波场延拓原理,一次波及鬼波信号可以表示为:

(3)

其中,kz表示垂直波数:

(4)

式中:k表示波数;P0(ω,kx,0)为海面处的地震波场。

(5)

即:

(6)

根据牛顿第二定律,压力波场P和速度波场vz之间的关系为:

(7)

式中:ρ表示密度。在频率波数域进行计算:

(8)

即:

(9)

由以上可知:

(10)

基于最小二乘反演和匹配滤波算法:

(11)

(12)

考虑水陆检记录的信号信噪比存在差异,引入噪声影响因子:

(13)

其中σ1和σ2分别表示水、陆检数据的噪声影响因子,且:

(14)

则:

(15)

经过双检采集压力波场和速度波场数据合并,即可消除鬼波,获得宽频带地震数据。

2　实例分析

2.1　数值模拟算例

为了验证基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法的有效性,建立了简单4层层状模型,水深180m,水下每层厚度100m,从海水层开始,层速度分别为1500,1800,2500,3000m/s,海水密度1000kg/m3,震源采用雷克子波,沉放深度1m,水平拖缆深度为20m,共105道,道间距为4m,采样间隔0.5ms,记录长度为0.5s。

图1a为拖缆深度20m时的模拟压力波场,图1b 为对应深度模拟垂直速度波场。可见,水、陆检数据在一次波之后均存在明显的鬼波能量,但水检信号中,鬼波与一次波极性相反;而陆检信号中,鬼波与一次波极性相同。基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法进行水陆检信号的合并,模拟数据不受噪

声影响,水、陆检数据噪声影响因子σ1和σ2均为1。图1c为水、陆检数据合并之后的波场,由图可见,鬼波能量得到有效压制,一次波能量得到凸显。

图2为水、陆检单炮记录合并前后的频率波数(F-K)谱。对比图2a和图2b可见,水、陆检数据的F-K谱箭头所示处均存在明显的陷波现象,能量不均衡,且低频端能量弱;经过双检数据合并(图2c),陷波现象得到了很好的压制,低频端能量有所提升。

频谱分析结果(图3)同样验证了鬼波压制的有效性。水检陷波频率公式为:

(16)

式中:f1为水检记录陷波点频率;n表示第n个陷波点;c0为声波在海水中的传播速度;d为水平拖缆深度。模拟数据拖缆深度d=20m,根据公式(16)可计算出水检数据理论陷波频率分别为37.5Hz,75.0Hz,……。陆检陷波频率公式为:

(17)

式中:f2为陆检记录陷波点频率。同样,拖缆深度d=20m,则根据公式(17)可算出陆检数据理论陷波频率分别为18.75Hz,56.25Hz,……。由图3频谱分析对比可知,理论陷波频率与频谱分析结果相吻合,由于水、陆检数据陷波点频率均位于有效频率范围之内,影响了地震信号的有效频带宽度,经过水陆检数据合并,陷波点频率能量得到有效提升,频带得到了有效拓宽。

2.2　海上双检实际数据

为了验证基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法在实际数据中的应用效果,我们选取某海上拖缆水、陆检地震单炮记录进行处理和分析,震源深度15m,水平拖缆深度为25m,道间距12.5m,采样间隔2ms,记录长度为10.57s。

图1　地震数值模拟结果a 模拟压力波场; b 模拟垂直速度波场; c 水陆检数据合并后波场

图2　频率波数谱a 模拟压力波场F-K谱; b 模拟垂直速度波场F-K谱; c 水陆检数据合并后F-K谱

图3　频谱分析

利用基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法进行水、陆检数据合并,图4为数据合并前后单炮记录放大显示(2550～8100ms),陆检数据信噪比低于水检,水、陆检数据噪声影响因子σ1和σ2分别取1.0和1.1,取海水密度1000kg/m3,经过双检数据合并,鬼波造成的虚假同相轴被很好压制,地震记录分辨率明显提高。抽取部分时窗(图4框图区域:2670～3390ms,1～110道)进行放大对比分析,如图5所示,经过水、陆检数据合并,鬼波能量得到了有效压制,地震数据信噪比和分辨率均得到了有效提升。

为更好地分析鬼波压制效果,对比图5区域鬼波压制前后单炮记录F-K谱,如图6a和图6b箭头所示处,水、陆检数据的频率波数谱均存在明显的陷波现象,经过数据合并,除震源鬼波导致50Hz限频外,其它陷波现象得到了很好的压制。

图4　实际数据单炮记录a 水检单炮记录; b 陆检单炮记录; c 水陆检数据合并后单炮记录

图5　实际数据单炮记录放大显示a 水检单炮记录; b 陆检单炮记录; c 水陆检数据合并后单炮记录

图6　频率波数(F-K)谱a 水检F-K谱; b 陆检F-K谱; c 水陆检数据合并后F-K谱

图7为图5区域频谱分析结果,可见,水检记录在30,60,90,120Hz频率附近存在明显陷波(绿色箭头所指);陆检记录在15,45,75,105,135,165Hz频率附近存在明显陷波(红色箭头所指);地震记录频谱受震源鬼波影响,水检、陆检记录在50,100,150Hz频率附近存在明显陷波(蓝黑色箭头所指)。经过鬼波压制,50,100,150Hz震源鬼波陷波点能量变化不大,15,30,45,60,75,90,105,120,135,165Hz陷波频率能量得到有效提升。

图7　频谱分析

3　结论

本文提出了基于最小二乘反演技术和匹配滤波算法压制拖缆双检数据鬼波能量的方法,该方法无需地下介质信息,纯数据驱动。对于水陆检信噪比不同的问题,通过引入噪声影响因子,降低陆检信号信噪比低对数据合并的影响,提高了数据合并精度。数值模拟资料和双检实际资料处理结果表明,基于最小二乘反演的拖缆双检鬼波压制方法可以有效压制鬼波能量,消除陷波现象,有效拓宽了地震资料频带宽度,有利于后续资料的处理和解释。

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