OBN地震数据成像处理基本逻辑与关键方法技术

王华忠,项 健,石 聿

(同济大学海洋与地球科学学院,波现象与反演成像研究组(WPI),上海200092)

油气地震勘探的核心目标是:精确描述油气藏,进行准确的含油气性分析,做出最佳的钻井决策,得到最高的油气勘探效益。油气地震勘探的核心问题是:由叠前地震数据及其它与弹性参数相关的先验信息,进行宽波数带的弹性参数估计(或称广义的高精度地震波成像),基于井数据并与岩石物理知识结合,进行精确的油气藏描述和准确的含油气性评价。对于宽波数带的弹性参数估计或广义的高精度地震波成像而言,成像结果主要表现为保真高分辨方位角度带限反射系数(所谓的高精度背景速度建模结果还不能对精确的油藏描述提供有效的信息),这依旧是当前油气地震勘探地震地质解释最基础的信息。今后可能逐渐发展到宽带波阻抗成像[1]。

在复杂情况下,譬如深水、深层情形下,地下地质构造复杂(横向变速剧烈)、目标油藏复杂(由以构造油气藏为主转向构造与地层岩性油气藏并重),同时还可能伴随海底地形及海底附近岩性的复杂变化时,保真高分辨方位角度反射系数成像依然是首先要解决的核心问题。这就需要拥有满足地震波成像要求的叠前地震数据体。

海洋油气勘探的技术现状是:依据拖缆和/或OBS(OBN/OBC)观测的地震数据,利用地震波成像技术(层析反演速度建模+叠前深度偏移成像)对目标地质体进行保真的和高分辨的带限方位角度反射系数成像,基于带限方位角度反射系数成像结果及地质、钻井和岩石物理信息进行油藏描述,进入油气开发阶段[2]。

我国各海域油气地震勘探的关键问题可以大致总结如下。①南海北部诸探区:莺歌海探区存在地层高温高压、底辟气烟囱导致成像模糊不清和底辟边界刻画不准的问题。琼东南探区存在崎岖海底、凹陷边界及凹陷内构造成像模糊的问题;珠江口盆地(白云凹陷)探区存在陆架坡折带地形复杂、重力流砂体厚度薄、深层存在复杂构造变化,以及中生界潜山内幕成像差、潜山边界成像不清楚的问题。②渤海湾探区存在河流相和湖相沉积构造小、薄、碎,潜山边界、潜山内幕成像困难的问题;以及复杂(浅)水体引起的噪声难以压制干净导致成像模糊、波组特征不清楚,难以满足薄/小砂体油藏精确描述的问题。③东海海域包括钱塘凹陷、长江口凹陷、苏北坳陷、南黄海坳陷,以砂泥岩沉积为主,陡构造不发育,含油气储层主要为小尺度砂岩体。存在海底强反射及某些强反射地层引起的长程层间多次波所导致的成像困难的问题。东海海域诸探区,高分辨、高保真成像是主要的目标。针对我国海域油气勘探存在的问题,有必要进一步发展适应性的地震数据采集和高精度地震波成像技术。

与陆上地震勘探相比,海洋地震勘探地震波成像处理的特殊性主要是由海上激发方式、接收方式和包含水体的地下介质中的波传播决定的。海水介质的存在、气枪为主的震源激发及海水压力变化的检测是引起陆海地震数据成像处理差异的根源。水层介质的存在及气枪震源的使用对后续的地震波成像处理带来的最大好处是各炮检之间的地震子波一致性保持较好、没有面波及面波相关的强干扰噪声。但是,海面及海底这两个特殊反射面带来了特殊的问题。总体可以总结如下。①与海上枪阵激发相关的问题:枪阵组合形式与激发方式、气泡效应。②与拖缆相关的问题:拖缆飘移、拖缆定位。③与震源和检波器移动相关的问题。④与海水速度的动态变化相关的问题。⑤与波传播相关的问题:鬼波(源鬼波、检鬼波、源检鬼波);海面相关多次波(水体多次波;各种海面相关长程多次波);硬海底、软海底、崎岖海底、深海底、浅海底相关的波现象。⑥与观测系统相关的问题:OBS(OBN、OBC)引入的相关问题;窄缆观测、多方位(窄缆、宽缆)观测、宽方位观测[3]、全方位观测(Coiling)[4]、沉浸缆观测[5]引入的相关问题;混叠源观测、连续源观测[6]引入的相关问题等。总体而言,最重要的还是体现在:海面相关多次波构成了影响海上油气勘探地震波成像质量的关键因素,海面相关多次波的压制或成像成了海上油气地震勘探的特殊问题。海面、海水和(硬)海底构成的海水体模型,尤其在浅水探区,引起的复杂波现象的消除是海洋地震勘探的一个特殊问题。

当前海洋油气勘探的基本状况是:勘探目标在向深水、深层、复杂构造与复杂岩性储层方向转变,其主要矛盾依然是地震数据采集和地震波成像不能满足油气藏识别、描述与评价的精度要求。毋容置疑,海上“两宽一高”地震数据观测方式和相应的成像处理方法是解决这个矛盾的针对性方法技术。海面、硬海底面、地下介质特征强反射层引起的多次波是海洋地震数据处理的特殊问题。

首当其冲的依然是地震数据采集问题。海上“两宽一高”地震数据采集是解决海上油气地震勘探中地震波成像不能满足油气藏识别、描述与评价的精度要求问题的根本基础。从目前情况看,OBN地震数据采集是在海上油气勘探中实现“两宽一高”地震数据采集的合理和可行的技术方案[7-10]。全方位观测(Coiling)[4]和沉浸缆观测[5]这两种海上地震数据采集方法应该也是海上“两宽一高”地震数据采集的合理方法,但是至今没有得到推广应用,问题可能出在技术可行性上。OBN地震数据采集(其它可行的“两宽一高”地震数据采集技术也是可以的)+特征反射层相关多次波压制或成像+初至波FWI(各向异性)速度建模+成像道集(各向异性)层析速度建模+成像道集为中心的高保真高分辨方位角度带限反射系数成像(最好推进到宽带波阻抗成像),然后在此基础上进入精细油藏描述阶段,应该是今后很长一段时期内海洋油气地震勘探的技术方向。

本文着重讨论高精度地震波成像对地震数据采集的要求,指出OBN数据采集在海洋油气勘探中的必要性;分析OBN数据采集的地震波场的特点,据此提出OBN数据地震波成像处理基本逻辑及相应的关键技术;提出模型驱动波动理论特征反射层相关多次波预测与压制的技术路线,并对比几种代表性的多次波预测的基础理论;提出以成像道集后处理为中心,把弱旁瓣、定量的反射系数作为保真高分辨地震波成像的目标,最好推进到宽带波阻抗成像的技术路线;结合OBN数据的特点,给出OBN数据地震波成像处理的基本流程,指出各环节的关键方法技术。

1 海洋油气勘探与陆地地震勘探中地震数据采集及成像处理问题的对比

无论是海上还是陆上油气勘探中的地震波成像处理,首要的问题是震源(震源与周围介质的相互作用)、波在地下介质中的传播(在地表附近介质中的传播、在浅层介质中的传播、在中深层介质中的传播及在深层超深层介质中的传播)及检波器(检波器与周围介质的相互作用)所决定的野外实际采集到的地震波场。

目前来看,只有炮集中的初至(包括早至波)波场(同相轴)和一次反(绕/散)射波场(同相轴)对地震波成像有贡献,而且初至(包括早至波)波同相轴上地震子波走时用于浅表层层析速度反演及建模;一次反(绕/散)射波同相轴上地震子波走时用于中深层速度层析反演及建模;一次反(绕/散)射波同相轴上地震子波振幅用于偏移成像/反演成像估计地下介质的带限反射系数。在偏移速度正确时,棱柱波(Duplex Wave)也可以用于逆时深度偏移(RTM)成像;OBN数据中一阶下行波场(属于一阶自由表面多次波)也可以通过镜像偏移得到成像结果。一般地,炮集中其它波现象都是要通过预处理压制掉的。即便是FWI技术,也极难将炮集中所有波现象用于地震波成像。初至(包括早至波)波场在近地表介质中传播,主要波现象是直达波、折射波和潜水波(Diving Wave)。事实上,其中可能还有多次折射波、多次Diving Wave、导波的波场成分,这些波现象的存在使得早至波的利用变得很困难或不可能。初至波(包括早至波)传播路径穿透浅层,最大穿透深度取决于最大偏移距和速度随深度变化情况。一次反(绕/散)射波来自于震源下行波场对反射界面和绕(散)体的有效照明,也取决于检波器对上行反射和绕(散)射波场的有效接收。宽角度和均匀角度增量的有效源端照明和同样的有效检端接收是反射界面及绕(散)体能否可靠地进行地震波成像的根本数据基础。浅层区域(譬如500ms以浅区域)反(绕/散)射波采样密度不够,深层、超深层反(绕/散)射波照明角度太窄,使得这两个区域中反射界面及绕(散)体成像的精度很难达到地质解释的要求。

上述地震波成像与地震数据采集及地震波传播的关系对海洋和陆上地震勘探都是适用的。依据上述分析可以部分地看出,为什么油气地震勘探领域坚持要开展“两宽一高”的地震数据采集。陆上地震勘探中,(单)节点检波技术已经成为实现“两宽一高”地震数据采集的核心。海洋油气地震勘探中,OBN地震数据采集技术的情况与陆上地震勘探是一致的。

对比陆上地震勘探的炮集和海洋地震勘探的炮集,二者的主要差异是由震源、近地表介质和检波器造成的。海洋地震勘探情形是:气枪震源(或正在发展中的海洋可控震源[11])、水平海面+(可能崎岖的)软/硬海底+速度变化很小的水体+压力检波器;陆上地震勘探情形是:炸药震源或可控震源、(极可能崎岖的)地表面+(极可能)横向速度变化剧烈的风化层+位移(更可能是速度)检波器。面波及面波散射波为主的复杂近地表相关波场+(可能剧变的)道间时差+不同炮检对地震子波振幅和波形的不一致构成了陆上地震数据的主要特点,造成了陆上地震数据处理的主要困难。因此,COX[12]认为,陆上地震勘探的主要困难是近地表因素引起的。与陆上地震勘探相比,海洋油气勘探中存在两个特殊的强反射面,即海水面和海底面,正是这两个反射面的存在,才导致了海洋地震数据成像处理的特殊性。这两个反射面,尤其是海水面的存在,引起的主要波现象包括鬼波(源端鬼波、检端鬼波、源检鬼波)、水体相关的多次波和来自海底面下强反射层的自由表面多次波。压制这3种波现象是海洋地震数据成像处理的重点。相比而言,海洋地震勘探炮集中的波现象总体上要比陆上地震勘探炮集中的波现象简单很多。但是,应该注意浅水介质系统(海面+海水+海底及附近介质)下,该系统也会产生复杂的波现象,严重降低浅水探区地震数据的质量,进而降低地震波成像结果的质量。也可以说,海洋油气地震勘探中地震波成像处理的主要困难也是(复杂)水体系统所导致的。客观地讲,正是因为炮集中波现象的简单,海洋地震数据成像处理要比陆上地震数据成像处理简单一些。

除了各自的近地表因素带来的问题,中深层地震波成像的问题是由不同探区的地质情况造成的,与海洋地震勘探或是陆上地震勘探关系不大,各自都有简单地质情况的探区和复杂地质情况的探区。

因此,可以得出如下结论性观点:海洋油气勘探的特殊问题主要是由反射系数接近于1的海面+海水+海底及附近介质构成的介质系统所引起的。自由表面(海面)相关多次波的预测、压制或成像处理构成了海洋地震数据处理的特殊问题。其它方面的问题,要么与陆上地震数据处理一致,要么没有明显的特殊性。

据此,我们提出水体模型(包含海底附近介质)建模+水体相关多次波压制+自由表面(海面)相关(长程)多次波压制+FWI(各向异性)速度建模+成像道集(各向异性)层析速度建模+成像道集为中心的高保真高分辨方位角度带限反射系数成像的海洋地震数据成像处理技术组合。

同时,我们认为,在海洋地震勘探中(也包括陆上地震勘探),多次波主要由特征反射界面引起的,所谓特征反射层包括海面、海底面及地下介质强反射面。据此我们提出特征反射层相关多次波预测与压制的技术路线。

2 OBN地震数据观测系统及OBN数据的特点

前已述及,海洋油气勘探的根本问题是地震数据采集和地震波成像不能满足油气藏识别、描述与评价的精度要求。

理论上讲,地震波成像对地震数据采集技术的基本需求是对地下任意一个成像点进行高精度的成像必须要有不同方位、不同偏移距(不同入射反射张角)的均匀照明。更准确地讲,均匀采样的方位和偏移距上都有宽带的、形态一致的地震子波,同时方位角展布范围和偏移距展布范围要足够宽。如果地下介质空间中任意一点都有这样的地震波照明,对应的观测系统就是比较理想的。本质上,这就是要求“两宽一高”的数据采集。应该注意到这是对反(绕/散)射波高精度成像对地震数据采集提出的基本要求。对于高精度地震波层析成像而言,对地震数据采集的要求可以描述为:对地下任一个速度分析单元,要有宽角度的、角度均匀展布的、角度增量尽可能小的波路径穿过。对浅层、中层和深层的任一速度分析单元,都期望有这样的照明。对比可知,目前的地震数据采集方式对于浅层和深层超深层介质的高精度速度建模是十分不友好的。因此,满足高精度地震波成像需求的“两宽一高”地震数据采集的真正实现还有十分大的差距。陆上和海洋油气勘探中,地震波成像对地震数据采集技术的基本需求都是如此,地震数据采集的技术状况也是如此。

目前看来,海洋地震勘探实现“两宽一高”地震数据采集的技术难度比陆上地震勘探更大。首先宽方位、多方位拖缆采集,很难保障有较大的横纵比。全方位观测[4]和沉浸缆观测系统[5]似乎是实现海上“两宽一高”数据采集的很好方式,但是目前并没有大规模商业化应用,主要原因应该是当前的技术可实现性存在问题。OBN观测方式理论上是海洋油气勘探中实现“两宽一高”数据采集的较好方式[10],当前海洋地震数据采集的实践也证明了这一点。但是,相比陆上油气地震勘探,密集的OBN布设成本太高。宽方位采集是OBN数据观测方式的固有优势;宽频带数据主要靠枪阵激发来保障(侧重低频的海洋宽频可控震源的商用化将进一步保障宽频数据的获取[11]);高密度采集的实现是用高密度的炮点激发来换取的,这样做还能保证下行照明角度充分且照明能量充分。从石油工业界直至当前的实践看,OBN数据观测方式实现海上“两宽一高”地震数据采集基本成为共识。

OBN数据观测方式的特点决定了与其对应的地震波成像处理的特点。为完整起见,对比一下拖缆数据与OBN数据的特点及成像处理关键技术。

拖缆数据的技术特点及对应的成像处理关键技术如下。①拖缆的漂移引起检波器空间位置的不规则。如果是Coiling观测系统,数据规则化更是核心的处理环节。抗假频的数据规则化方法与技术[13]是拖缆数据处理的核心技术之一。②混叠激发的高效采集[14]是海上地震数据采集的常规技术,解混叠(Deblending)方法[15-16]是不可缺少的技术环节。解混叠方法是拖缆数据处理必备的技术。③鬼波和水体相关多次波,以及来自深层强反射的自由表面相关多次波是对地震波(一次反(绕/散)射波)成像产生严重干扰的波现象。压制鬼波和水体相关多次波,以及来自深层强反射的自由表面相关多次波是拖缆数据成像处理真正需要的核心技术。应该注意:倾斜缆、变形缆、双层缆压制鬼波都需要对应的方法技术。到底是用野外采集技术压制鬼波或是用平缆观测+鬼波压制算法来压制鬼波还是争论中的问题。

OBN数据的技术特点及对应的成像处理关键技术如下。①OBN节点比较稀疏,炮点位置不规则,导致OBN数据空间假频和空间采样不规则现象较为严重。抗假频的数据规则化方法与技术是OBN数据处理的核心技术之一。②OBN数据与任何海上数据一样,鬼波和水体相关多次波以及来自深层强反射的自由表面相关多次波是对地震波(一次反(绕/散)射波)成像产生严重干扰的波现象。压制鬼波和水体相关多次波以及来自深层强反射的自由表面相关多次波是OBN数据成像处理的第二项核心技术。③OBN数据的另一个特殊性表现为震源和检波器位于两个不同深度面上。OBN观测到的一定是至少一阶的自由表面多次波。上、下行波分解方法(水陆检合并方法技术[17])、炮检不同面的PSDM方法(也包括PSTM方法)、镜像PSDM方法[18]是必须具备的方法技术。④OBN数据的真正优势是宽方位观测。利用宽方位数据的速度建模、方位角度道集的生成及宽带反射系数成像是更为核心的问题。这是OBN数据成像处理的第四项核心技术。不过这与拖缆数据和陆上数据的成像处理技术是一致的。⑤OBN数据是四分量采集的。水检数据和三分量陆检数据的成像处理方法技术要具备:水检和陆检(垂直分量)合并的上下行波分解技术;水检和陆检(垂直分量)结合的横波压制技术;三分量陆检数据的成像处理方法技术等。应该注意到,与拖缆数据一样,为了提高效率,OBN数据采集也会进行混叠激发。因此,同样存在混叠激发数据的解混叠问题。这与拖缆数据的解混叠方法技术是一样的。还应该注意,OBN原始数据由巨量的炮集组成,不能进行以炮集为基础的成像处理,必须基于互易原理,按共接收点道集进行所谓的“单炮处理”,譬如FWI和RTM。这是OBN数据成像处理的一个特殊性。关于OBN多分量成像处理,P-SV转换波成像至今没有很成功的实例,P-SV转换波成像结果没有表现出能提升油藏描述精度及可靠性的潜力。利用压力检波器与陆检垂直分量中纵波成分的高度相关性,压制陆检垂直分量中的P-SV波成分的处理是有意义的。压力检波器与陆检垂直分量合并进行上下行波分解的处理效果是明显的。总之,OBN四分量观测数据合理的成像处理方法技术还需继续探究。

3 特征反射层相关多次波预测与压制

前述分析表明,海洋油气勘探中地震波成像处理的特殊问题主要由特征反射层引起。海水面、海底面和地下介质中若干强反射层构成了这些特征反射层。浅水区域油气勘探时,浅水介质系统(海面+浅水体+海底面及附近介质构成该系统)会产生复杂的干扰波场。深水区域油气勘探时,水体相关多次波和长程自由表面多次波构成主要的干扰波场。地下介质中若干强反射层形成的层间多次波在特定的地质情况下都可能存在,与浅水、深水,甚至陆上探区都没有关系。

正是特征反射层相关多次波预测与压制方法技术构成了海上地震数据成像处理的基本逻辑特点。其它的成像处理方法,譬如子波相关的处理方法、各种去噪方法、数据规则化方法、解混叠方法、偏移速度建模方法和叠前深度偏移成像方法,尽管针对海上拖缆采集数据、海上OBN采集数据及陆上地震数据处理,这些方法技术各有特点和不同,但都不存在本质性差异。

基于上述认识,我们提出了特征反射层相关多次波的预测与压制[19]的问题。目的是抓住多次波压制的主要矛盾。原因是一般意义下的、统一的多次波预测与压制理论方法及技术很难提出,即使提出来了也很难具体实现。特征反射层相关多次波预测与压制基本逻辑步骤包括:①背景速度+特征反射层构成的速度模型;②特征反射层相关的多次波模拟;③多次波模拟波场与实测多次波波场的配准;④最佳匹配滤波器设计及多次波减去。

首先要解决的是水体相关多次波的压制。因此,我们提出了如下的OBN数据水体速度建模方法流程。首先,用下行直达波和初始水体速度进行简单形式的叠前深度偏移成像,得到海底形态(也可以通过其它方式得到初始海底形态);然后,进行一阶水体相关多次波射线走时模拟,基于模拟结果的约束用机器学习算法在实测炮集上检测一阶水体相关多次波走时;根据走时差和射线追踪结果构建层析反演方程,层析反演速度更新量,更新水体速度。同时偏移成像更新海底形态。视情况进入下一轮的水体速度模型反演。最多用到二阶水体相关多次波走时进行水体速度模型层析反演。用简单的方法建立水体速度模型当然也是可以的。在已知水体速度模型的基础上,用单向波和双向波数值模拟结合的方法,单向波模拟一次反射波,双向波模拟水体多次波,从双向波模拟波场中减去一次波模拟结果,得到水体中传播的各阶多次波。由于水体速度模型的不准确(水体速度和海底形态可能都不准确),多次波模拟结果与炮集中实测的多次波会存在一定的时差,因此进行多次波模拟波场与实测多次波波场的配准,尽可能消除二者之间的时差。最后,进行二者之间最佳匹配滤波器的设计并把水体相关多次波减去。

其它特征反射层之间多次波的消除,也按同样的逻辑进行。特殊之处是特征反射层的拾取。基于机器学习算法发展出了各种层位拾取的方法。有了背景速度+特征反射层构成的速度模型,就可以按照类似水体相关多次波的预测与压制方法进行特定特征反射层的多次波压制。

特征反射层相关多次波预测与压制,应该从浅到深逐层进行。

这是我们提出的具有一般意义的模型驱动海洋多次波预测与压制的方法体系。该方法体系也可以用于陆上地震数据层间多次波压制的处理。

下面从理论上对比当前代表性的多次波压制的方法原理。

3.1 Lippmann-Schwinger积分方程表达的自由表面多次波预测

为了建立准确的多次波预测模型,需要研究波在介质中的传播过程,分析多次波的形成机制。在地震勘探中,常用标量波方程描述地震波的传播。频率空间域声波方程表示为:

(1)

(2)

(3)

上式为Lippmann-Schwinger积分方程。其中:k0=ω/v0;u表示总场;u0表示背景波场。将(3)式写为震源与Green函数褶积的形式有:

u=GS=(G0+G0VG)S=(I-G0V)-1G0S

=(G0+G0VG0+G0VG0VG0+…)S

(4)

式中:G0表示背景介质的格林函数;G表示完整介质的格林函数;V表示介质扰动。Lippmann-Schwinger积分方程是一个非线性积分方程,要得到总的地震波场需要先知道总场本身,难以直接求解。在Born近似下假设介质是弱扰动的,忽略二阶及以上的多次散射,可以得到一次波与介质扰动之间的线性关系。但在实际地震勘探中,波传播介质并不总是弱扰动的,强反射/绕射体的存在导致波场中的多次散射不能直接忽略。

在海上地震勘探中,由于自由表面这一强反射界面的存在,自由表面相关多次波广泛发育。考虑将介质扰动V视为由自由表面r0和其它扰动部分V0组成:V=r0+V0,以自由表面为基准面,地下介质的一次散射响应表示为:

X0(xr,xs)=G0(xr,x)V0(x)G0(x,xs)

(5)

式中:X0(xr,xs)表示在自由表面xs处激发的脉冲震源经过地下介质散射后在xr的输出,则地表采集的数据中的一次波表示为P0=SX0。实际地下介质内部存在多次散射,导致层间多次波,这里将其视为V0产生的等效一次波。将Lippmann-Schwinger积分方程近似为一次散射和自由表面r0相关的多次散射之和,检波器在自由表面处接收到的上行波场P表示为:

P=[X0+(r0X0)X0+(r0X0)2X0+…]S

=P0+M=P0+M1+M2+…

(6)

(6)式的形式与Lippmann-Schwinger积分方程类似,其中的各阶级数表示各阶的自由表面多次波。自由表面多次波的形成过程可以用图1所示的反馈环模型表示,即到达自由表面的上行波场,经过自由表面的下行反射,形成“二次源”输入地下介质,形成更高一阶的自由表面多次波。根据(6)式可知高一阶的多次波是由低一阶的多次波/一次波褶积r0和X0得到的,所有阶的自由表面多次波可以由地表接收到的上行波场预测:

图1 自由表面多次波的反馈环模型

M=(r0X0)P=(r0S-1P0)P

(7)

式中:S-1表示子波反褶积算子。(7)式与SRME方法[20]得到的自由表面多次波预测模型类似,其由信号系统的角度出发,将自由表面多次波的预测描述为观测数据的高维褶积;理论上该方法需要规则完整的观测数据,并通过多轮迭代压制多次波。自由表面多次波预测与波传播模拟之间的关系将通过表示定理说明[21-25]。

3.2 Green表示定理表达的自由表面多次波预测

考虑如图2所示的地震勘探模型[26],震源和检波器放置在一个半球封闭面S=S0+SR内,S0表示下行反射系数为-1的理想自由表面,检波点处的波场p(xr,xs,ω)用如下积分方程表示:

图2 海上地震勘探物理模型

(8)

式中:p(x′,xs,ω)表示积分面上点x′处的声压波场;n是封闭面的单位外法线方向向量;σ=1/ρ表示密度倒数;G(xr,xs,ω)是声介质的脉冲响应;方程中的第1项G(xr,xs,ω)s(ω)表示xs点震源激发在xr处产生的声压波场,该部分波场由封闭面内的介质产生,包括直达波、反射波等波现象;第2项是Kirchhoff-Helmholtz积分,其表示封闭面上的波场及其法向导数在介质中任意点处产生的波场。当球面半径R趋于无穷大,根据索末菲辐射条件只需要考虑S0上的波场积分。由于自由表面S0处压力值趋于0,仅考虑声压法向导数产生的波场,由此得到如下含自由表面多次波的表示定理:

(9)

式中:对S0的积分即为自由表面多次波。由于自由表面S0是近似水平的,其法向导数近似为垂向导数,有σ0[∂p(x′,xs,ω)]/∂z=iωvz(x′,xs,ω),自由表面多次波的预测关系表示为:

(10)

式中:vz(x′,xs,ω)表示自由表面处的垂向速度分量;G(xr,x′,ω)是自由表面以下介质的格林函数;m(xr,xs,ω)表示预测的多次波。(10)式表明可以将观测数据的垂向分量作为“二次源”输入已知的参数模型,通过波场模拟预测自由表面多次波。

3.3 单向波+双向波数值模拟表达的特征反射层多次波预测

根据(10)式的自由表面多次波模拟预测关系,理论上需要地下介质的完整参数模型才能求解格林函数G(xr,x′,ω)。为了简化多次波预测对模型参数的需求,仅考虑预测地下强阻抗的特征反射层产生的自由表面多次波。在已知背景速度和反射层位置条件下,特征反射层相关的自由表面多次波由输入的“二次源”在自由表面和特征反射层间往返传播产生,其分解为波场的下行延拓和上行延拓过程,为此需要选择合适的波传播算子进行波场模拟。

在Born近似下,特征反射界面被视为由一系列散射点组成,有如下的多次波预测关系:

(11)

式中:d(x′,xs,ω)=iωvz(x′,xs,ω)表示观测数据的在自由表面处的二次源输入;ε(x)表示散射点的扰动强度;G0(x,x′,ω)和G0(xr,x,ω)分别表示背景介质中的下行和上行传播格林函数。上述方程用时空域的单向波+双向波模拟实现,表示为:

(12)

式中:d(x′,xs,t)=FT-1[d(x′,xs,ω)]为时间域的输入数据;g0是时空域的背景格林函数;u+(x,t)表示输入数据产生的下行波场;m(xr,xs,t)表示多次波预测模型。上述波场在时空域满足如下声波方程:

(13)

式中:v0(x)表示背景速度模型。自由表面多次波的模拟预测过程如图3所示。图3a为自由表面处的观测数据,其经过自由表面反射形成图3b所示的下行波场,下行波在背景模型中传播,在图3c所示的特征反射层扰动处形成多次散射,散射波场在背景模型中上行传播到自由表面,得到图3d所示的多次波预测模型。

图3 自由表面多次波的模拟预测过程a 自由表面观测数据; b 下行波场; c 特征反射层的多次散射波场; d 多次波预测模型

3.4 OBN上、下行波反褶积多次波压制

在OBN观测系统中,震源在海面激发,观测节点位于海底。假设地下介质是水平层状的,OBN观测的上、下行波数据中,各个方向的平面波独立地满足反褶积关系[27]。因此将OBN共检波点道集数据进行平面波分解,对各个平面波分量分别进行上下行波的反褶积,压制自由表面相关多次波。

以自由表面为基准面,OBN上、下行波数据的平面波分解表示如下:

(14)

(15)

式中:X0(k,ω)即为地下介质的一次反射响应,其不包含自由表面多次波。该一维反褶积过程在频率平面波域进行。由于OBN放置在海底,(15)式的上下行波反褶积结果只包含海底界面以下的介质信息,对海底及浅层构造的照明不足,因而常用OBN的下行波数据进行镜像偏移,补充浅部成像信息。OBN数据的下行波反褶积表示为:

(16)

上、下行波的褶积关系如图4所示。在图4a中,直达波D1为一阶下行波;一阶上行波U1=D1X0表示为以D1为输入源,与地下介质褶积的输出结果,X0表示地下介质的一次反射响应;以此类推可知,OBN数据中的各阶上行波是以对应阶的下行波为输入源,与地下介质系统褶积得到的;与上下行波褶积类似,在下行波中也存在如图4b所示的褶积关系,将直达波作为一阶下行波输入,其与介质响应褶积后产生二阶下行波,后续高一阶的下行波都由低一阶的下行波褶积X0得到。根据上述褶积关系,通过上、下行波数据的反褶积能够获得介质的一次反射响应,从而压制自由表面多次波。

图4 上、下行波的褶积关系a 上、下行波褶积示意; b 下行波褶积示意

3.5 层间多次波模拟预测

与自由表面多次波类似,地震波会在地下强反射层发生下行反射,导致层间多次波[29]。通过指定发生下行反射的特征反射层,层间多次波形成的正过程也可以用反馈环模型描述。考虑在zi深度处,界面Vi的下行反射形成的层间多次波,定义Vi界面以下介质的一次散射响应Xi表示为:

Xi(x′r,x′s,zi)=G0(x′r,x)V*(x)G0(x,x′s)

(17)

式中:V*表示Vi界面以下深部的介质扰动;x′s和x′r是位于Vi界面处虚拟的震源和检波点;G0(x,x′s)和G0(x′r,x)表示下行和上行传播的背景格林函数。将该散射响应带入Lippmann-Schwinger积分方程,得到包含层间多次波的散射级数,表示为:

u=G0S+G0VG0S+G0[Xi+(XiVi)Xi+
(XiVi)2Xi+…]Si=u0+p0+mi

(18)

式中:Si=ViXiS表示在Vi界面处发生的下行散射,其作为二次源输入深部介质;mi表示由Vi界面下行散射导致的层间多次波,形成过程如图5所示。

图5 层间多次波的反馈环模型

波动方程数值模拟是研究波现象的重要方法,常规的有限差分模拟结果难以分离层间多次波和一次波。根据上述含层间多次波的散射级数,通过提取特征反射层,能够实现对层间多次波的直接模拟。时空域方程表示为:

(19)

式中:u0是震源产生的背景场;ε*和εi分别表示V*和Vi的扰动强度;x′和x都表示波场在介质中的空间坐标,仅用于区分δu1和δu2;δu1和δu2分别是ε*和εi产生的散射场,其中δu2的下行散射传播到介质V*中产生层间多次波:

(20)

为了求解方程,需要分别提取介质中的反射层Vi和V*,用波动方程数值模拟背景介质中的波传播。上述波场在时空域满足如下方程:

(21)

方程组每次模拟一个特征反射层Vi相关的层间多次波,模拟的层间多次波都由Vi的下行反射产生,Vi以下的界面V*只产生上行波。

利用图6a所示的模型测试层间多次波模拟方法,该模型从浅到深包含3个界面。考虑第一个反射层相关的层间多次波模拟,反射层的提取和分离如图6b所示。层间多次波模拟过程如图7所示。震源激发如图7a所示的背景波场,背景模型由原模型平滑得到;背景场先在V*中产生一次散射(图7b),V*产生的上行散射在Vi处产生下行波场(图7c),将下行波场输入回V*产生层间多次波(图7d);V*和Vi波场的相互输入过程是每个时间片进行的,模拟的多次波中包含Vi下行反射产生的所有阶的层间多次波;最后需要单独模拟一次波,将一次波从数据中减去,得到如图7e所示的层间多次波模拟结果。该模拟过程由浅到深逐个特征反射层进行,模拟时清除Vi界面以上的介质扰动。

图6 3层介质速度模型(a)及其反射界面的提取和分离(b)

图7 层间多次波模拟过程a 震源下行波场; b 深部反射层V*的散射波; c 特征反射层Vi的下行散射波; d 包含层间多次波的V*散射波; e 分离的层间多次波模拟结果

上述模拟方法假设层间多次波只在一个特征反射层处发生下行反射,会忽略部分二阶及以上的层间多次波,但其已经能够模拟大部分的多次波现象。直接模拟得到的层间多次波模型能够帮助识别和分析实际观测数据中的多次波。

4 OBN地震数据成像处理流程及关键技术

地下介质的高精度地震波成像是OBN数据成像处理的基本目的,当然也是拖缆和陆上地震数据成像的目的。当前的地震波成像首要目标依然是:方位角度保真高分辨的反射系数,更一般地,可以说是尽可能保真的、带限的相对波阻抗扰动量。

基本的成像公式可以表述为:

δdobs=δdcal+η=L(minitial)δm+η

(22)

(23)

事实上,炮集中包含的波现象是非常复杂的,海上地震勘探中各种自由表面相关多次波是主要的噪声源。选择一个复杂的正问题尽可能多地模拟炮集中实测的波现象使得剩余噪声η满足Gauss(白)噪声分布的假设,或是选择一个简单的正问题模拟炮集中某些特征波现象(所谓特征波现象是指能被所选择的正问题很好模拟的波,譬如前述的透射波和一次反(绕/散)射波),然后把不能模拟的波现象通过预处理压制掉,使得剩余噪声η满足Gauss(白)噪声分布的假设,这是地震波成像的策略问题。显然,当前石油工业界所用的方法是后者。FWI方法本质上是属于前者的。但是,FWI方法在复杂介质和复杂数据情形下的不收敛或很难收敛到有地质意义的解上,也迫使它尽可能利用特征波现象,尽量引入数据预处理压制掉特征波现象之外的不能被所选择的正问题预测的波现象。这是当前地震波成像所遵循的基本逻辑。

基于上述逻辑,海洋/OBN数据成像处理流程的制定一定要围绕:如何获得仅仅包含透射波和一次反(绕/散)射波的、规则无假频采样的叠前地震数据体;如何获得尽可能准确的偏移速度场(当前重点是保护好初至波,做好初至波FWI);如何得到高保真高分辨带限反射系数的成像结果。

另外,高保真高分辨带限反射系数的成像结果依然是目前油藏描述的最主要信息。它由地震波叠前深度偏移获得。带限反射系数成像的基本理论公式可以写为:

δm≈L(minitial)Tδdobs

(24)

式中:L(minitial)T是在背景速度场中对地表观测数据进行反传播所使用的算子,高频近似下的射线理论和Beam传播理论、单向波方程、双向波方程都可以构造出该算子。背景速度是比较光滑的速度,保证对不同炮检对、不同反(绕/散)射点产生的地震子波走时的预测是正确的,就满足了叠前深度偏移成像对背景速度模型精确性的需求。常密度声波方程构建的RTM算子对复杂构造和强横向变速有最好的适应性,因此RTM成为了高精度叠前深度偏移成像的代表性方法技术。但是,每种偏移算子都有其适用条件和优缺点,不能认为有了RTM就可替代其它偏移方法,RTM的高精度成像是依赖于高精度的速度模型的(譬如前述的Duplex Wave陡倾角成像)。当前,地震波成像算子已经可以处理各向异性介质和吸收衰减介质,但是考虑复杂介质情形带来了各向异性参数建模和Q值建模的复杂性。这是当前地震波偏移成像的技术发展现状。有大量的文献讨论过偏移算子问题。

(24)式的本质是将地表(海面或OBN)观测的、不同炮检对的一次反(绕/散射)射波反传到反(绕/散)射点处,并利用合理的成像条件产生成像结果。不同炮检对的一次反(绕/散)射波的同相位叠加、保幅叠加是高保真成像的基本要求。理论上,地下介质的反射系数只能是正或负的,而实际上,正反射系数出现相伴的负旁瓣或是负反射系数出现相伴的正旁瓣,这是地震波激发与接收的有限频带所导致的。这显然不是地下介质真实反射系数的体现。地震勘探的物理本质某种程度上可以理解为用波前面上的地震子波感知地下介质弹性参数的变化,因此地震子波的分辨率决定了地震波成像的分辨率。地震波反演成像的目的就是要剥离掉地震子波对地下介质弹性参数成像的模糊效应,估计真实的地下介质弹性参数的变化。众所周知,地震子波对地下介质弹性参数成像的影响不可能被彻底剥离掉。这是当前地震波成像存在分辨率问题的本质。据此,我们提出了地震波高分辨率叠前偏移成像的期望目标:无旁瓣或弱旁瓣、保幅的、定量的反射系数[31]。

勘探地震中,高保真高分辨带限反射系数成像的本质意义就是如此。根据上述认识,结合OBN数据观测方式及所记录波场的特点,可以制定出合理的OBN数据成像处理技术流程。

首先,海洋/OBN数据成像处理技术流程要包括如下关键环节:子波处理环节;水体相关多次波压制环节;自由表面相关多次波压制环节;其它噪声压制环节;数据规则化环节;Deblending环节(可选);偏移速度建模环节;叠前深度偏移成像环节;基于成像道集的成像后处理环节。

其中,每个处理环节都与上述地震波成像的理论要求有关。事实上,整个海洋/OBN数据成像处理技术流程围绕前述3个问题展开,即满足线性化的正问题δdcal=L(minitial)δm所能预测波现象的要求及基于线性化正问题的成像方法对规则无假频数据的需求;基于线性化正问题所开展的速度层析成像与建模;基于线性化正问题进行的叠前深度偏移成像。

1) 子波处理环节。不同炮检点的激发与接收子波的一致性,且期望地震子波是延续最短的、波形简单的、仅仅是主震源激发产生的。因此,鬼波压制方法[32-33](基于对鬼波形成与传播进行预测的压制方法;基于缆形变化(陷波点变化)的压制方法)、Designature方法[34]、Debubble方法[35]构成了子波预处理的三项关键技术。

2) 水体相关多次波压制环节[36-37]。海面+水体+海底及附近介质构成的系统是海上地震勘探的最主要的干扰噪声源,尤其在浅水油气探区。我们认为:水体速度模型建立、基于水体模型的水体相关多次波编码预测、最佳滤波器设计及水体相关多次波减去是模型驱动压制水体相关多次波的合理方法。目前国内外已经发展了处理水体相关多次波的各种方法技术。我们提出的单程波方程+双程波方程+图像配准进行基于模型的水体相关多次波预测及最佳减去应该是更合理的技术方案。

3) 自由表面相关多次波压制环节。应该知道:是地下介质存在强反射面时,长程自由表面多次波才成为必须重视的干扰波。深层强反射面的长程自由表面多次波由于传播时间长,可能超过了记录时间,对浅中层反射面成像的影响也不是很严重。因此,机器学习(ML)算法识别浅中层强反射面,构建包含浅中层强反射面的速度模型,开展基于模型的波动理论特征反射层相关多次波预测与减去方法是自由表面相关多次波压制的主要技术方向。另外,我们认为:一次波+自由表面相关多次波联合成像、包含自由表面相关多次波的FWI成像可能会是今后海洋/OBN数据成像处理的重要技术发展方向。

SRME(Surface-Related Multiple Elimination)这类数据驱动的压制自由表面相关多次波的方法,受数据观测方式的制约太大[38],在基于模型和波动方程的FWI成像逐渐普及应用的情况下,应该逐渐被基于模型(或模型驱动)的波动理论(特征反射层相关)多次波预测与减去方法所取代[39-41]。

4) 其它噪声压制环节。涌浪噪声是海洋勘探的典型噪声、缆本身引起的噪声、外源噪声等这些都是典型的去噪方法技术解决的问题。

5) 数据规则化环节。无论是海底Node或是海面炮点都很难保证规则布设。拖缆漂移更是无法避免。假设炮检点定位准确的情况下,不规则数据对成像质量的影响是明显的。即便实际地震数据处理中高维数据规则化的计算代价比较大,地震数据的规则化也是不可或缺的。基于Fourier变换算子的抗假频数据规则化方法[42]和线性Radon谱约束的稀疏反演数据规则化方法是比较典型的、常用的方法[13]。基于张量分解的高维数据规则化方法[43]应该是要发展完善的方法。基于神经网络的深度学习数据规则化方法值得关注,但很难会成为主流的数据规则化方法。另外,值得提及的是:混叠采集数据的解混叠方法,在震源激发时间随机编码的条件下,解混叠方法本质上被转化为在伪解码数据域进行线性信号预测去噪问题。因此,高维数据空间中线性噪声压制、高维数据空间中数据规则化、高维数据空间中解混叠本质上是一个问题,即高维数据中所包含的线性信号的建模预测问题。

6) 精确的速度建模环节。OBN数据最大的特点是宽方位。提出OBN数据采集方法技术的目的主要就是利用宽方位的、更均匀的照明,首先提高复杂介质变化(也可以说是复杂构造变化)情形下偏移速度估计与建模的精度。在速度建模方面,与陆上油气地震勘探关注点有所不同,除了宽方位观测外,陆上还通过节点高密度采集技术的实施,考虑无假频采集到地表相关的低视速度噪声,更好地压制掉这些强噪声,从而提高信噪比满足偏移速度建模的要求。宽方位长偏移距观测提供的初至波走时是提高速度建模精度的重要信息。我们认为:宽方位长偏移距观测数据中的初至波识别(走时检测)+初至波FWI是OBN数据偏移速度建模必须要开展的工作;构造约束下的成像道集RMO射线层析速度建模是必须具有的反射波层析速度建模方法技术,目前中深层速度建模主要还是依赖于这种技术手段。反射波FWI还没有证明其在速度建模中的真正效力。我们认为:对反射波FWI进行梯度分解,然后对层析梯度项和偏移梯度项分别引入有效的先验约束,是反射波FWI逐渐实用化的合理途径。因此,我们提出了特征反射层导引下的特征反射层FWI方法及具体的实现方案[44]。

7) 叠前深度偏移成像环节。众所周知,OBN数据观测的是至少一阶自由表面多次波(下行波)和上行波。已知当前的叠前深度偏移成像仅仅对一次反(绕/散)射波进行。因此,OBN数据预处理必然存在这样一个特殊点:即首先必须进行上、下行波分解[17],然后分别对这两个波场进行满足线性化正问题δdcal=L(minitial)δm要求的预处理。OBN数据观测的另一个特殊点是炮检点分布在不同的面上。因此,OBN数据叠前偏移成像方法必然有针对下行波场的偏移成像方法(镜像偏移方法)[18]和针对炮检点位于不同面上的PSTM/PSDM方法。很显然,镜像偏移方法针对的也是炮检点位于不同面上的叠前数据。幸运的是,各种PSDM方法适应炮检点不在同一面上是比较容易的。至于各向异性介质PSDM、吸收衰减介质PSDM、以及各向异性+吸收衰减介质PSDM,甚至弹性波PSDM都不是OBN数据地震波成像所特有的。大量文献已经研究过这些通用的偏移成像方法。线性化的反演成像方法(LS_RTM或LS_PSDM)最近十几年也得到了深入研究。

8) 基于成像道集的成像后处理环节。首先应该说明,由于地震波成像是基于线性模型δdcal=L(minitial)δm的,因而叠前数据空间与叠前成像空间是等价的。而且,保真和高分辨成像处理的要点是对来自地下同一点的、不同炮检对的地震子波进行同相位叠加。影响同相位保真叠加的各种因素,既可以在叠前数据域进行处理,也可以在叠前成像域进行处理。事实上,在叠前成像域处理时,由于反射子波已经放在成像点处,对于反射子波不一致、存在噪声、照明不均匀、速度不正确引起的道集不拉平等的各种处理方法的物理意义明确、保真和高分辨成像的目标更有针对性。众所周知:保真和高分辨且满足AVA关系的方位角度反射系数或零角度反射系数依然是油藏描述的最基础数据,因此有必要给出期望的成像道集的定义。期望成像道集应该具有如下特点:方位角度或角度方位排放的、零相位子波同相轴体现的、零相位子波中心位置与反射界面深度一致且中心幅值与地下界面真实反射系数一致,另外,各方位角度上零相位子波波形一致、频带一致。若产生了期望的成像道集,就可以认为得到了保真成像结果。实际数据情形下,方位角度共成像点道集与上述期望的共成像点道集相差甚大,这是不能做到保真高分辨成像的根本原因。可以看出,叠前数据空间中与叠前成像空间中的各种处理的本质目的就是为了得到保真和高分辨的成像结果。我们将这样的成像结果定义为无旁瓣或弱旁瓣的、定量的反射系数。可以看出,成像道集中存在剩余深度差(时间差)、剩余相位差(子波形态不一致)、各方位各角度存在不符合AVA关系的振幅变化(包括(有效)照明角度多少也可能非常不一致)是成像道集后处理要解决的3个主要问题。我们针对性地提出了最佳照明优选振幅保真高分辨叠加成像方法技术[45]。另外,偏移成像得到的带限反射系数是不定量的,即它与地下介质真反射系数即便保真成像情况下量级也是不一致的。做不到定量成像的具体影响因素很多,不再展开讨论。对此,必须引入井数据约束,通过控制地震波成像剖面上标志层反射系数的量级,从而达到偏移成像得到的带限反射系数基本定量化的目的。在此环节中,还可以继续用各种合理的方法,压制反射系数的旁瓣,最后得到期望的无旁瓣或弱旁瓣、定量的反射系数[46]。如果再进一步,就可以将背景阻抗与上述定量的无旁瓣或弱旁瓣反射系数融合成宽带波阻抗[47-48],真正实现李庆忠院士[49]提出的波阻抗反演是高分辨率资料处理的最终表达形式的目标。

据此,我们给出图8所示的OBN数据地震波成像处理流程。

图8 OBN数据地震波成像处理流程

关于OBN数据的多波成像处理问题,本质上就是P-P波和P-SV波成像处理,到目前为止,并没有见到能有效地贡献于提升油藏描述精度的成像结果。我们认为,出现这样的结果,主要不是由P-SV波成像处理方法导致的,而是因为数据中P-SV波的信噪比太低。实质上,这还是地震波传播的物理机制决定的,纵波在实际的孔隙流体介质中为什么不能转换成较强SV波,为什么只有局部区域能产生有效的SV波而大多数情形下没有有效的SV波决定的。如何有效地利用OBN数据中的P-SV波,是要继续探索的议题。我们不建议用弹性波FWI这类更高端的成像算法进行针对OBN数据的矢量波反演成像,而是重点研究波传播的实际物理机制,弄清楚实际数据是否支撑做弹性波FWI。弹性波方程模拟数据下的弹性波成像能得到很好的成像结果,但这不过是个Inversion Crime(反演骗局)[50]。任何有效的地震波反演成像技术,一定是奠基在实测数据能有效支持的基础上的,理论上还是成像所用的波动方程数值模拟结果与实际波传播结果之间存在高度的一致性。

5 结论与讨论

海上油气勘探的主要矛盾依然是地震数据采集和地震波成像不能满足油气藏识别、描述与评价的精度要求。“两宽一高”地震数据采集方式和以FWI/LS_RTM为代表的高精度地震波成像技术是公认的解决海上油气勘探主要矛盾的有效方法技术系列。OBN地震数据采集是基本上得到一致承认的海上“两宽一高”地震数据采集技术。OBN数据的最大特点是包含了至少一阶自由地表相关多次波;检波点在海底,与炮点明显地不在一个面上;OBN数目相对少、纵横向网格间距较大;包含了四分量观测数据。针对复杂构造成像的宽方位、长偏移距观测尽管是开展OBN数据采集的主要目的,也是它的典型特点,但并非是OBN数据采集所特有。正是因为OBN数据观测方式的独特性,才使得OBN数据的成像处理有了一定的特殊性。尽管如此,客观地讲,OBN数据绝大部分的成像处理方法与拖缆和陆上地震数据处理方法差异并不大。另外,应该指出,由于目前OBN数目相对少导致纵横向采样间距较大,即便使用了高维数据插值(规则化)技术和上下行波场成像技术,也很难弥补OBN空间采样不足带来的成像质量降低的问题,有必要发展稀疏OBN节点与拖缆数据结合的成像处理方法。

根据OBN数据的特点,我们提出:①抗假频的数据规则化方法与技术是OBN数据处理的核心技术之一;②压制鬼波和水体相关多次波,以及来自深层强反射的自由表面相关多次波是OBN数据成像处理的第二项核心技术;③炮检不同面的PSDM方法(也包括PSTM方法)、镜像PSDM方法是必须具备的方法技术;④利用宽方位数据的速度建模、方位角度道集的生成及宽带反射系数成像是更为核心的问题;⑤发展水检和陆检(垂直分量)合并的上下行波分解技术、水陆和陆检(垂直分量)结合的横波压制技术和三分量陆检数据的成像处理方法技术等是必要的。

针对保真高分辨成像,我们提出:叠前数据空间与叠前成像空间是等价的,保真和高分辨成像处理的要点是对来自地下同一点的、不同炮检对的地震子波进行同相位叠加。影响同相位保真叠加的各种因素,既可以在叠前数据域进行处理,也可以在叠前成像域进行处理。提出期望成像道集应该具有如下特点:方位角度排放的、零相位子波同相轴体现的、零相位子波中心位置与反射界面深度一致的且中心幅值与地下界面真实反射系数一致的,另外,各方位角度上零相位子波波形一致、频带一致。提出保真高分辨成像结果应该是:无旁瓣或弱旁瓣的、定量的反射系数。指出应该将保真高分辨成像推进到宽带波阻抗成像。

我们认为,海洋油气勘探的真正特殊问题主要还是由反射系数接近1的海面及海面+海水+海底及附近介质构成的介质系统所引起的、由于地下介质中存在强反射面引起的长程自由表面多次波所引起的去多波问题。自由表面(海面)相关多次波的预测、压制或成像处理构成了海洋地震数据处理的真正特殊问题。其它方面的问题,要么与陆上地震数据处理一致,要么没有明显的特殊性。

据此我们提出了水体模型建模+水体相关多次波压制+自由表面(海面)相关(长程)多次波压制+初至波FWI(各向异性)速度建模+成像道集(各向异性)层析速度建模+成像道集为中心的高保真高分辨方位角度带限反射系数成像(最好推进到宽带波阻抗成像)的海洋地震数据成像处理技术组合。

同时我们认为,在海洋/OBN地震勘探(也包括陆上地震勘探)中,多次波主要由特征反射界面引起,所谓特征反射层包括海面、海底面及地下介质强反射面。据此我们提出模型驱动波动理论特征反射层相关多次波预测与压制的技术路线。基本逻辑步骤包括:①构建背景速度+特征反射层组成的速度模型;②波动理论特征反射层相关的多次波模拟预测;③多次波模拟预测波场与实测多次波波场的配准;④最佳匹配滤波器设计及多次波减去。在FWI+LS_RTM已经成为高精度地震波成像方法技术核心的时代,基于模型的(模型驱动的)波动方程特征反射层相关多次波预测与压制方法技术应该成为海洋/OBN地震数据处理的核心方法技术。基于数据驱动的(如SRME之类的)方法应该逐渐让位于基于模型驱动的多次波预测与压制方法。机器学习算法被引入帮助建立包含特征反射层的速度模型;图像模板之间的时差测量方法(图像配准方法)被借用来检测由于包含特征反射层的速度模型的不准确引起的预测多次波同相轴与实测多次波同相轴之间的时差,帮助设计最佳的匹配滤波器进而实现最佳的多次波减去。这样的理念与方法技术也可以用在无论海洋或陆上地震勘探中的层间多次波压制过程中。

关于OBN数据的多波(即矢量波场)成像处理问题,我们认为,经过几十年的探索,实践多波勘探没有得到大规模应用、没有产生明显勘探效益的根本原因,本质上不是地震波成像理论与方法出了问题,而是实际观测的多波地震波场中的波现象(主要是P_SV波)与地震波传播及模拟理论不匹配导致了多波成像结果达不到预期。因此,我们不建议发展更高端的矢量波场成像算法,而是重点研究实际观测的多波地震波场中的波现象与地震波传播及模拟理论不匹配的物理根源到底是什么。