南黄海中部浅水区多次波衰减技术及其效果分析
刘俊1,2,3, 吴淑玉2,3, 高金耀4,5, 陈建文2,3
1.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074
2.国土资源部 海洋油气资源与环境地质重点实验室,青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071
3.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071
4.国家海洋局 海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012
5.国家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012

作者简介: 刘俊(1978-),男,高级工程师,在读博士生,从事地震资料采集与处理工作。E-mail:vnlj@163.com

摘要

在浅水区,由于水深较浅,缺少近偏移距的海底反射信号,采用常规SRME方法和预测反褶积不能有效地衰减海底相关多次波。笔者采用DWD+SRME组合法来衰减海底相关多次波,其中DWD方法用来衰减与海底相关的短周期多次波,SRME方法压制自由表面相关的长周期多次波,另外运用Radon变换去除层间多次波。结果表明,运用DWD+SRME组合法压制海底相关多次波效果较好,并且没有损害浅层的有效反射信号,采用Radon变换使层间多次波得到了良好的压制,深部有效反射信号逐步体现。因此,对于浅水区低信噪比地震资料,采用DWD+SRME组合方法和Radon域去多次,是比较可行的去多次波方法。

关键词: 浅水区; 海底多次波; DWD+SRME组合法; Radon变换; 深部反射信号
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)03-0568-10 doi: 10.11720/wtyht.2016.3.20
An effectiveness analysis of multiple depression technique in the Shallow water of the central uplift in South Yellow Sea
LIU Jun1,2,3, WU Shu-Yu2,3, GAO Jin-Yao4,5, CHEN Jian-Wen2,3
1.China University of Geosciences,Wuhan 430074,China
2.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environment Geology,Ministry of Land and Resources,Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao 266071,China
3.Function Laboratory for Marine Mineral Resource Geology and Exploration,Qingdao 266071,China
4.Key Laboratory of Submarine Geosciences of State Oceanic Administration,State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,China
5.Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,China
Abstract

In the shallow area,the seabed related multiples can't be depressed effectively by use of conventional SRME method because of the shallow water depth and the lack of reflected signal from the seabed.Predictive deconvolution is often used for multiple wave suppressing,but deconvolution will destroy valid reflected signal whose wave cycle is similar to the seabed multiple; particularly in the hard seabed,the amplitude of the seabed multiple wave energy is stronger than the seabed reflection, and in this case,the method of predictive deconvolution cannot depress seabed related multiples entirely.In this paper,seabed related multiples depression by using the DWD + SRME combination method and DWD method is adopted for attenuating short period seabed related multiples,and the SRME method is used for suppressing long period free surface related multiples.In addition,the method of radon transform is used for removing inter layer multiples.The results show that the seabed related multiples have been depressed effectively by the combination method of DWD + SRME,and the shallow effective reflection signals are not harmed,the deep reflection signals appear gradually because interlayer multiples are attenuated by using Radon transform method.It is therefore held that the adoption of the combination method of DWD + SRME and Radon transform technique is a feasible multiple depression technique for the low SNR seismic data in the shallow water.

Keyword: shallow water; seabed related multiples; DWD + SRME combination method; Radon transform; deep reflection signals

多次波衰减是海洋地震资料处理的关键环节, 多次波的存在影响地震成像的真实性和可靠性, 干扰地震资料的解释[1]。多次波的压制方法主要分为两大类:滤波方法和预测相减法, 滤波方法是基于信号分析处理方法, 主要包括预测反褶积、F-K滤波、拉东变换、共中心点叠加、倾斜叠加和聚束域滤波方法, 这些方法是利用一次波和多次波之间的周期性、速度等差异, 在不同变换域中用滤波的方法滤掉多次波, 以达到衰减或压制多次波的目的。预测相减法是基于波动方程的方法, 对地震记录进行模拟或反演的基础上预测出多次波, 并从记录中将预测出的多次波减去, 主要包括波场延拓法、反馈迭代法、逆散射级数法和恒定内插法, 预测相减法衰减多次波分为两个步骤:一是多次波的预测; 二是把预测出的多次波从地震记录中有效减去 27

海上地震数据从地域上划分, 可以分为浅海地震数据和深海地震数据[8]。海洋拖缆地震在浅水海区调查中, 由于水深很浅, 直达波的初至时间与海底反射波时间很接近, 在地震资料中很难分辨海底反射信号, 同时由于最小偏移距的存在, 一般最小偏移距比水深大很多(最小偏移距一般100 m以上, 而水深一般只有50 m), 缺少近偏移距的海底反射信息, 因此直接采用预测相减法, 如SRME(surface related multiple elimination)方法, 不能有效地衰减海底多次波, 主要因为:①浅海海底反射与直达波不能完全区分, 最小偏移的存在导致插值后的近偏移距海底反射不够准确, 预测多次波模型时受影响; ②预测的多次波模型存在互相干涉现象, 在自适应匹配相减阶段, 道集与多次波模型能量不易匹配, 容易伤害有效波[9]。对于海底多次波衰减, 采用预测反褶积也可以取得一定的效果, 但反褶积会破坏与海底多次波周期相近的一次有效反射信号, 特别是在硬海底, 多次波的振幅能量比海底反射还强的情况下, 预测反褶积方法的效果不够好。

南黄海中部隆起区地震资料多次波类型十分复杂, 研究区水深较浅, 平均水深50 m, 除了海底相关多次波外, 还存在新生界底界面产生的层间多次波。针对南黄海地震资料多次波的特殊性, 对与海底相关的多次波采用两步法来衰减:第一步采用DWD(deterministic water-layer demultiple)方法衰减与海底相关的短周期多次波, 第二步采用常规SRME方法压制剩余的长周期自由表面多次波; 通过应用DWD+SRME方法, 海底相关的多次波得到了很好的压制, 同时减少了对与海底多次波周期相近的一次有效反射信号的损害。对于层间多次波, 采用Radon域多次波衰减方法, 使强阻抗界面产生的多次波得到压制, 深部中古生界地层的有效地震反射信号逐步得到体现。结果表明, 对南黄海盆地浅水区低信噪比地震资料, 采用DWD+SRME组合方法和Radon域去多次是比较可行的去多次波方法, 在去多次波过程中, 严格遵守保幅处理原则, 便于下一步更深入研究该地区的地震资料特征。

1 南黄海地震资料多次波特征

海水层和空气之间的波阻抗差, 形成了稳定的反射界面, 容易在海底与海水表面之间形成多次波(图1); 另外, 强波阻抗界面也容易产生多次波[10]。多次波一般分为长周期多次波和短周期多次波, 短周期多次波包括虚反射、表层多次波和微屈多次波; 长周期多次波主要指全程多次波和层间多次波[11]。南黄海中部隆起区地震资料多次波类型十分复杂, 除了海底相关多次波外, 还存在新生界底界面产生的层间多次波。

图1 海底多次波示意

根据南黄海盆地中部隆起地质特征, 以海水速度为1 500 m/s, 新生界地层速度为2 000 m/s, 中古生界地层速度4 500 m/s, 建立地质速度模型(图2), 并采用波动方程有限差分方法进行了正演(图3)。

图2 南黄海盆地中部隆起地质速度模型

图3 正演单炮记录

通过正演的单炮记录, 可以看出在浅水区, 海水交混回响严重, 与海底相关的多次波在整个单炮记录上都有表现, 另外强阻抗界面产生的多次波能量较强, 影响深部的地震反射成像。

2 原始资料分析

南黄海地震资料信噪比低, 多次波类型较多, 除了海底产生的表面相关多次波外, 新生界底界面为一强阻抗界面, 该界面产生了大量的层间多次波, 从地震单炮来看(图4), 在1 s以下有效信号基本被多次波所掩盖, 很难识别出有效信号, 该多次波能量强, 频带较宽10~35 Hz, 与有效信号的频带基本一致, 给多次波衰减工作带来很大难度。

在地震单炮记录上(图4)很难分辨出海底反射时间, 直达波能量较强, 在共炮检距剖面上(图5)只有左侧能够识别直达波和海底反射波, 直达波与海底反射波的时差仅有20 ms左右, 水深较浅, 该测线水深范围为26~56 m, 根据直达波与海底反射波的走时关系:

s22+(d-d1)22+s22+(d-d2)22-sv=t1

式中:d为水深, d1为气枪沉放深度, d2为电缆沉放深度, s为最小偏移距, t为直达波与海底反射波时差, v为水速。在已知d1=10 m, d2=14 m, s=104.15 m, v=1 500 m/s的条件下, 当水深d=30 m时, 计算时差t=4 ms; 当水深d=50 m时, t=17 ms, 因此在水深大于50 m的情况下, 才能识别直达波与海底反射波, 在共炮检距剖面右侧水深小于50 m, 不能够区分直达波与海底反射波。在这种水深较浅的浅水区, 同时最小偏移距的存在, 影响了预测海底多次波模型的准确性, 在海上地震资料采集中, 在确保电缆不受船体噪声和尾流影响下, 可以适当缩小最小偏移距, 增加近偏移距数据, 以更好地区分直达波和海底反射波。

图4 单炮记录与频谱分析

图5 共炮检距剖面

2.1 多次波速度谱特征分析

速度谱是进行动校正和偏移的重要资料, 利用速度谱可以区分一次波和多次波, 利用速度信息可以采用抛物线拉东变换分离或压制多次波。由于多次波反映的是上覆地层的速度, 而一次波反映的是当前地层的速度, 所以多次波的速度要小于相同深度的一次波速度[12]。南黄海地震资料信噪比之低, 多次波能量之强, 从速度谱上(图6)可以得到充分体现, 由于新生界底界面为一强阻抗界面, 使得地震波向下传播能量很弱, 在速度谱上1 s以下没有有效信号的能量团, 多次波能量很强, 难以拾取准确的叠加速度, 在CMP道集上, 强阻抗界面以下, 很难识别有效的地震信号。

图6 速度谱与CMP道集

2.2 自相关分析

地震数据自相关参数统计法是一种对数据进行分析、对处理质量实施监控的有效工具。它利用数理统计原理, 提取数据的自相关特征参数, 并将统计结果应用于实际数据的分析和处理中[13]。从最小偏移距的共炮检距剖面上看(图7), 多次波干扰非常严重, 在新生界界面以下无法识别有效反射信号, 海底相关多次波与强阻抗界面(新生界底界面)产生的多次波混叠在一起, 多次波类型以短周期为主。对共炮检距剖面选取合适的时窗进行自相关分析(图8), 在自相关谱上, 零值同相轴的上下两端次生同相轴很多, 这点也说明了多次波干扰很强, 只有自相关谱上同相轴少了, 主要能量都集中于零时间处, 才表明去噪效果好[12]

图7 最小偏移距的共炮检距剖面

图8 共炮检距剖面自相关分析

3 主要方法原理

根据南黄海水深较浅, 海底较硬, 存在强阻抗反射界面等特征, 采用DWD+SRME组合方法, 压制海底相关的多次波; 对于层间多次波, 采用Radon域多次波衰减方法来进行压制。

3.1 DWD方法

DWD方法与传统反褶积压制多次波的方法相比, 避免了反褶积给资料造成的“ 伤害” ; DWD与SRME方法相比, 对近道数据的要求更低, 更易于实现, 并且更适合浅水海洋环境地震资料的处理[19, 20]。DWD方法首先近道自相关拾取海底反射时间, 然后在Taup域计算海底多次波周期, 将数据静校正到一阶多次波, 乘以测算的反射系数, 再进行自适应相减, 最后Taup反变换, 得到海底多次波模型(图9)。

图9 DWD方法工作原理

在Taup域(图10), 多次波周期与p值的关系可以用公式

Tm=Tw* (Xref2-P2Vw2)12Xref2

定义。式中:Tm为多次波周期(ms); Tw为水底双程时间(ms); Vw为水速(m/s); P线性动校正量(s); Xref为参考偏移距(m)。

图10 Taup域多次波示意

3.2 SRME方法

SRME方法基于波动方程的多次波衰减方法[21]。在均匀介质模型下, 把地震波在地下介质的脉冲响应定义为x0(t), 它包含了地下所有有效波和层间多次波, 那么一阶表面多次波可表示为

m1(t)=-x0(t)* x0(t)(3)

同理, 二阶表面多次波表示为

m2(t)=-x0(t)* m1(t)=x0(t)* x0(t)* x0(t)(4)

因此所有表面相关多次波可以由整个响应与一次反射褶积得到, 这种通过地震数据自身褶积, 一次反射波变成多次波, 低级多次波变成高级多次波, 这样就可以同时预测出自海底表面向下反射的一次或多次的所有与表面有关的多次波[22]。SRME方法适用于压制长周期的海底相关多次波, 最大的优势是预测过程不需要知道地下介质信息[23, 24], 缺点是要求待处理的地震数据中包含从零炮检距到最大炮检距的全波场地震数据[21]

DWD方法对海底相关的短周期多次波可以较好地压制, 但还存在自由表面相关的长周期多次波, 该类多次波可以用SRME方法来进行压制, 在使用SRME方法前, 需要对海底反射进行切除[14, 17, 18], 避免SRME对短周期多次波再次预测。

3.3 Radon变换

Radon变换是基于一次波与多次波速度时差的滤波方法[25, 26]。对CMP道集进行动校后, 一次波同相轴被拉平, 多次波同相轴呈向下弯曲状, 把动校后的CMP道集进行Radon正变换后, 一次波能量分布在零P道附近, 而多次波能量呈弯曲条带状分布在远离零P道的地方[24], 这样就可以在τ -p域中把多次波从地震资料中分离出来。该方法分辨能力强, 振幅和相位的保真性好, 其缺点是可能损伤浅层的高频成分, 且对近道的多次波压制相对不足[21]

抛物线Radon正变换公式:

v(τ, q)=-u(t=τ+qx2, x)dx, (5)

反变换公式:

u(t, x)=-v(τ=t-qx2, q)dq, (6)

式中:u(t, x)是在时空域数据, v(τ , q)是抛物线Radon域数据, q是以零偏移距为中心的抛物线的曲率, τ 是抛物线在时间轴的截距。

4 多次波压制效果分析
4.1 DWD+SRME组合方法

首先采用确定性水层多次波压制方法(DWD), 对海底相关的短周期多次波进行压制(图11), 由于水深较浅, 以及强阻抗界面的存在(新生界底界面), 叠加剖面上多次波发育丰富, 能量很强(图11a), 应用DWD方法压制多次波后, 在浅层, 与海底相关的多次波得到了较好的压制(图11b), 在强阻抗界面以下, 对海底产生的高阶相关多次波和强阻抗界面产生的多次波做了相应的衰减(图11c)。

图11 DWD压制多次波前后叠加剖面

图12 DWD、SRME和Taup域预测反褶积法剖面对比分析

由于强阻抗界面的存在, 使DWD方法压制海底多次波的效果不是很明显, 通过对浅层资料的进一步分析, 可以看出DWD方法在浅水区优于常规的SRME方法和预测反褶积方法(图12), 由图12b可以看出, 采用DWD方法海底相关多次波得到较好地压制, 对有效信号同相轴没有破坏, 与SRME方法(图12c)相比, SRME方法去除的信息较多, 破坏了部分有效信号, 从黄色箭头指示处可以看出, 本来连续有效的同相轴, SRME之后部分被去除, 同相轴变得断续、模糊。与Taup域反褶积方法比较(图12d), 在剖面的浅层200~300 ms处, 反褶积破坏了有效的同相轴, 并且产生了一些羽状的斜干扰。

通过与SRME方法和Taup域反褶积方法比较, DWD方法在去除海底相关的短周期多次波的同时没有破坏浅层有效信号, 确保了同相轴的连续性。

在DWD方法去除短周期海底相关多次波的基础上, 采用SRME技术对自由表面长周期的多次波进行压制, 图13b为DWD+SRME组合去除多次波后的叠加剖面, 从剖面上看海底相关的多次波得到了很好的压制, 同时强阻抗界面产生的多次波也得到衰减, 与常规的SRME方法相比(图13c), 剖面上1~1.5 s处, DWD+SRME组合去多次波法对强阻抗界面产生的多次波压制较好; 采用Taup域预测反褶积去除多次波(图13d), 剖面上深部还存在比较明显的多次波。

图13 DWD+SRME组合去多次波效果分析

图14 DWD+SRME组合去多次波后自相关谱分析

分别对以上三种去多次波后的叠加剖面做自相关分析, 从自相关谱上(图14)来看, DWD+SRME组合法压制海底相关多次波取得了良好的效果, 图14b中主要能量集中于零时间处, 两侧的同相轴较少; 图14c中, 零时间的两侧还存在短周期的同相轴, 说明SRME方法没有完全去除短周期的海底相关多次波; Taup域预测反褶积方法后, 自相关谱上存在间隔时间较大的同相轴, 表明长周期多次波衰减不彻底。

通过对DWD+SRME组合法、SRME方法和Taup域预测反褶积去除多次波的效果对比, 表明在浅水区, 采用DWD+SRME组合法压制海底相关多次波效果较好, DWD方法主要压制海底相关的短周期多次波, SRME方法用来衰减自由表面相关的长周期多次波。

4.2 Radon变换去多次波

利用Radon变换来压制层间多次波对于剩余的层间多次波, 由于地震资料信噪比较低, 在速度谱上(图15a), 1.2 s以下无法识别有效的能量团, 存在严重的多次波干扰, 有效信息基本被多次波湮没, 很难从速度谱上获取可靠的速度, 经过DWD+SRME组合去多次波后(图15b), 速度谱上多次波能量得到一定衰减, 1 s以下的有效波能量团逐步显现出来, 采用Radon变换去多次后(图15c), 有效波的能量信息得到很大的提升, 多次波信息基本压制干净。

图15 Radon变换去除多次波速度谱分析

图16 Radon变换去多次波后叠加剖面

图16为Radon变换去多次波后的叠加剖面, 剖面上多次波基本被压制, 在2.5 s附近有效反射同相轴得到了体现。可以看出, 在南黄海低信噪比资料中, 多次波压制非常关键, 采用DWD+SRME去多次波和Radon变换去多次波方法, 在该研究区是比较适用的。

5 结论

南黄海地震资料多次波发育丰富, 除了海底相关的多次波外, 还存在强阻抗界面(新生界底界面)产生的层间多次波, 另外信噪比较低, 深部有效的反射信号弱, 给多次波压制、目的层成像工作带来了极大困难。通过采用DWD+SRME组合法来衰减海底相关多次波, Radon变换压制层间多次波, 较好地压制了多次波, 深部有效信号得到了体现。

1) 首次采用DWD+SRME组合法应用于南黄海地震资料, 通过与SRME方法、Taup 域预测反褶积方法去除多次波的效果对比分析, 表明DWD+SRME组合法适用于南黄海地震资料, 该方法有效地去除了海底相关多次波, 并且没有损害有效的一次反射信号。

2) 经过多次速度迭代, 采用Radon变换, 较好地衰减了层间多次波, 在速度谱上, 有效信号能量团得到了加强, 在叠加剖面上, 深部的有效反射同相轴逐步显现出来。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 牛滨华, 沈操, 黄新武. 波动方程多次波压制技术的进展[J]. 地球物理学进展, 2002, 17(3): 480-485. [本文引用:1]
[2] 李东升, 帕提幔. 利用波动方程预测减去法压制海洋地震资料中的多次波[J]. 石油地球物理勘探, 2007, 42(S1): 57-60. [本文引用:1]
[3] 李鹏, 刘伊克, 常旭, . 多次波问题的研究进展[J]. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 888-897. [本文引用:1]
[4] 张兴岩, 朱江梅, 杨薇, . 海洋资料多次波组合衰减技术及应用[J]. 物探与化探, 2011, 35(4): 511-514. [本文引用:1]
[5] 王建立, 王真理, 张洪宙, . 海上多次波的联合衰减法[J]. 地球物理学进展, 2009, 24(6): 2070-2078. [本文引用:1]
[6] 张金强, 牟永光. 多次波压制的自适应方法[J]. 石油地球物理勘探, 2002, 37(3): 209-215. [本文引用:1]
[7] 王维红, 崔宝文, 刘洪. 表面多次波衰减的研究现状与进展[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(1): 156-164. [本文引用:1]
[8] 李振勇, 姜浩, 李东升. 海洋地震数据处理技术探讨[J]. 石油地球物理勘探, 2007, 42(S1): 8-13. [本文引用:1]
[9] 范宝仓, 谢涛. 部分去除表面多次波技术在浅水海域的应用[J]. 石油天然气学报, 2012, 34(12): 73-75. [本文引用:1]
[10] 陈见伟, 庄锡进, 胡冰, . 多次波压制组合技术在海洋地震资料处理中的应用[J]. 海相油气地质, 2011, 16(1): 68-73. [本文引用:1]
[11] 张洪昌. 衰减多次波的几种方法[J]. 中国海上油气: 地质, 1996, 10(4): 261-265. [本文引用:1]
[12] 张军华, 王要森, 郑旭刚, . 海上地震资料多次波特征分析[J]. 石油地球物理勘探, 2009, 44(5): 574-577. [本文引用:2]
[13] 蔡希玲, 刘学伟, 王彦娟, . 地表一致性统计相关分析法及其应用[J]. 石油物探, 2006, 45(4): 390-396. [本文引用:1]
[14] Moore I. Multiple attenuation in shallow-water situations[C]//68th Meeting EAGE Expand ed Abstracts, 2006: 18. [本文引用:1]
[15] Hung B, Yang K, Zhou J, et al. Surface multiple attenuation in seabeach-shallow water, case study on data from the Bohai Sea[C]//SEG Technical Program Expand ed Abstracts, 2010a. [本文引用:1]
[16] Hargreaves N. Surface multiple attenuation in shallow water and the construction of primaries from multiples[J]. SEG Technical Program Expand ed Abstracts, 2006: 2689-2693. [本文引用:1]
[17] Sonika C. Surface multiple attenuation in shallow water, case study on data from the Bonaparte Basin, Australia[C]//10th Biennial International Conference & Exposition, 2013: 437. [本文引用:1]
[18] Hung B. Workflow for surface multiple attenuation in shallow water[C]//Thailand : International Petroleum Technology Conference, 2011. [本文引用:1]
[19] 张亚斌, 施荣富, 姚刚. Q-marine技术和特色处理技术在东海海域油气区的应用[J]. 石油天然气学报, 2013, 35(6): 47-52. [本文引用:1]
[20] 张志军, 魏天罡. 浅水多次波的联合衰减技术在渤海海域LD地区的应用[J]. 中国石油勘探, 2013, 1(1): 59-65. [本文引用:1]
[21] 郭梦秋, 赵彦良, 左胜杰, . 海上地震资料处理中的组合压制多次波技术[J]. 石油地球物理勘探, 2012, 47(4): 547-544. [本文引用:3]
[22] 赵秀莲, 陈茂根, 龚定康, . SRME技术在澳大利亚Timer Sea地区的应用[J]. 海洋石油, 2009, 29(4): 48-52. [本文引用:1]
[23] 肖二莲, 陈瑜, 万欢, . SRME多次波衰减方法在海洋地震资料中的应用[J]. 地球物理学进展, 2010, 25(3): 1057-1064. [本文引用:1]
[24] 史文英, 李列, 袁全社, . 串联SRME在涠西南地区多次波衰减中的应用[J]. 物探与化探, 2013, 37(5): 911-915. [本文引用:2]
[25] 王立歆, 李强, 姬小兵, . 用Radon变换法消除沙丘鸣震的应用及效果分析[J]. 石油物探, 2002, 41(1): 88-91. [本文引用:1]
[26] 黄兆林. SRME与Radon滤波方法组合衰减深水多次波[J]. 工程地球物理学报, 2011, 8(6): 659-665. [本文引用:1]