0 引言
在海底节点地震(OBN)采集的四分量数据中,检波器接收到的地震波,除了一次波外,还有经过海面反射产生的下行波,通常称之为鬼波(鸣震)。鬼波在地震记录中往往会使有效波与多次波同相轴互相影响甚至出现虚假同相轴的情况。因此,非常有必要寻找一种行之有效的方法来消除地震资料中的鬼波。1989年,Barr等[1]首次提出了双检合成技术消除鬼波的方法,其基本原理是由于速度检波器响应是地震波场传播引起的质点振动速度,而压力检波器响应是通过水压产生的压缩或膨胀作用,故压力检波器接收的信号是标量,没有正负,速度检波器接收的信号是矢量,因而两种检波器对下行鬼波的响应极性相反,而上行有效反射波的极性相同,利用这一特征可以将速度检波器与压力检波器接收的记录合成达到压制鸣震的效果。事实上,因为两种检波器在制造结构上有差异以及所接收物理量的不同,二者在理论上存在90°相位差,在振幅上也存在很大的差别,虽然在出厂时可能经过相位调校,但在实际海洋环境下所接收到的信号,其振幅、相位、频率均存在差异,故直接合成进行振幅标定求和难以有效地压制鬼波。所以,必须把陆检数据标定到相应的水检数据,以使二者反射同相轴具有相同的幅度、相位、频率,实现水陆检数据匹配。
然而,这些方法都假设接收到的地震记录不含噪声,水陆检波器在海底的耦合非常好。而实际数据不但受炮点交混回响的污染,而且还受随机噪声和相干干扰的干涉。考虑到各种噪声和环境变化,Vaughn[12]等提出的双传感器求和不但存在着振幅标定因子,而且存在着常相位因子。即只有同时估算准确的振幅标定因子和相位因子,才能实现水陆检数据的匹配。在这方面,常规处理方法采用扫描方法确定相位匹配因子,即预先设定一个相位匹配因子范围值和扫描步长[12,13,14,15,16,17],采用扫描方法给出一系列的相位匹配因子值,调整陆地检波器数据相位,以匹配水中检波器数据的相位,然后计算水中检波器数据和陆地检波器数据的互相关函数,由互相关函数计算最大能量,最后由最大能量值确定出最佳相位匹配因子。该方法需要大量的互相关计算和最大能量计算,运用常规处理方法对实际资料一炮数据进行相位校正需要1 h左右,因此计算非常费时[18]。
笔者运用相似系数准则进行水陆检相位差的求取,并对陆检数据进行相位匹配,为之后的振幅匹配以及海洋鸣震的压制做好前期工作。随后又运用匹配滤波的方法进行振幅匹配,之后进行水陆检合并压制鸣震,通过模型和实际数据验证了该方法可以有效进行水陆检相位匹配,并且之后压制鸣震也取得了较好的效果。
1 相位匹配处理
式中:Φgh和Φhg是水陆检的互相关。用不同相位对应的X(t)成图,比较得出其中振幅最小所对应的角度即为最佳校正角。
在陆地上进行地震采集时,当有测井资料可用时,以零相位合成记录作为标准道,用最大相似系数为判别准则拾取最佳相位是一种可靠的方法,从而使动校正以及之后的叠加剖面更加准确。相似系数计算公式为[19]:
式中:x(t)为测井零相位合成记录,t1到t2为相关时窗,Cj为井旁的第j个相移记录与合成记录的相关系数。
现将此方法应用到水陆检数据相位匹配中来,如前所述,OBN水陆检数据存在相位差,并且相位校正是为了将陆检数据的相位校正到与水检数据一致,故可以将水检数据作为标准道,并对相似系数的公式进行改进,使相似系数是在给定时间范围内的扫描结果,即:
其中,τ为时差,-1~1为水检记录与陆检记录的对比时差范围,一般对比时差扫描窗口的选取要包含海底反射波,长度是海底反射波的两倍左右。
通过对相似系数进行扫描,就省略了大量的互相关和自相关的计算,从而可以节省大量的时间,应用该方法对实际资料一炮数据进行相位校正需要12 min左右,花费时间大约为常规方法的五分之一。
2 模型测试
建立如图1所示的水平层状模型,模拟海底节点地震采集,检波器位于海底。其中虚线为海洋鸣震的路径,实线为一次波的路径。参数如下:第1层为水层,深度为100 m,速度为1 500 m/s,密度为1 000 kg/m3;第2层是厚度为300 m,速度为1 600 m/s,密度为1 500 kg/m3的水平地层;第3层的速度为1 800 m/s,密度为2 000 kg/m3。炮点坐标为(500,0),检波器置于海底,共401道,布设在(0,100)到(1000,100)之间,道间距为2.5 m。最小偏移距为0 m,模拟的采样间隔为1 ms。因为在陆地上应用相似系数准则时,是用测井资料的零相位合成记录作为标准道的,但混合相位合成的地震记录更接近OBN数据。故为了检验该方法在OBN数据中的适用性,分别用如图2所示的零相位子波和混合相位子波去模拟水陆检的地震记录。
图1
图2
图2
用于合成地震记录的地震子波
a—零相位子波;b—混合相位子波
Fig.2
Seismic wavelet for synthetic seismic recording
a—zero phase wavelet;b—mixed phase wavelet
图3
图3
由OBN理论模型模拟的双检波器相位匹配校正实验(第201道记录)
a—零相位子波模型相位校正前;b—零相位子波模型相位校正后;c—混合相位子波模型相位校正前;d—混合相位子波模型相位校正后
Fig.3
Double detector simulated by OBN theory model(Channel of the 201st record)
a—before phase correction of zero-phase wavelet model;b—zero phase wavelet model phase correction;c—pre-phase correction of mixed phase wavelet model;d—phase correction of mixed phase wavelet model
3 实际数据处理
选取某勘探区实际OBN数据为例对上述方法进行验证。该数据为海面激发、海底接收采集的OBN四分量地震数据,其海底鸣震比较发育。对实际资料进行分析,发现水陆检数据的相位、振幅、频率均有差异。在用带通滤波进行频率匹配以及匹配滤波方法进行振幅匹配的基础上,用相似系数准则进行相位匹配。首先抽取某一共检波点的水陆检不同道进行相位对比,发现不同道的水陆检相位差是不同的。例如第100道陆检相位比水检相位提前,第250道水检相位比陆检相位提前,如图4a、4b中虚线所示。对其用上述方法进行校正,发现陆检数据校正后跟水检数据相位相似,如图4a、4b中实线所示。对整个共检波点陆检数据进行相位校正,可以得到每道的相位校正角,如图5所示。并将得到的校正角应用于对应的陆检数据中,可以完成水陆检相位匹配的工作。相位校正完成后下一步可以进行振幅匹配,这里应用的是匹配滤波的方法[20]。对匹配前后的水陆检记录进行对比,如图6,可以看出匹配前的水陆检数据相位差异比较大,陆检数据的振幅比水检数据的振幅要小,匹配后的水陆检数据相位和振幅匹配比较好,之后进行水陆检合并从而压制鸣震。抽出压制鸣震后的某一道和之前的对应道进行对比,如图7,该区的声波在海水中的传播速度为1 500 m/s左右,水深80 m左右,炮检距是150 m,故可以推断出鸣震在该道上大致出现的位置,经处理后可以发现鸣震得到了较好的压制(红色箭头处)。并且水陆检匹配合成后的记录可以有效扩宽海底节点数据有效频带,如图8,可以看出合成后的数据频谱明显得到了提升。对实际共检波点数据进行处理,如图9,对比水检和双检合成记录可以看到,由于鸣震的影响,在水检记录上,多次波现象比较显著,鸣震与有效波混合在了一起,同相轴数目比较杂乱,资料的分辨率也不高;从双检合并后的记录上可以明显看出,分辨率明显得到了提高,同相轴数目比水检记录减少,鸣震得到很好的压制(黑色标记处),有效波得以突出,地震资料品质大大提高。证明了本方法在压制鸣震方面的有效性和可行性。
图4
图4
OBN共检波点道集上不同地震道双检波器相位校正前后对比
a—第100道;b—第250道
Fig.4
Contrast before and after phase correction of dual geophones with different
a—the 100th;b—the 250th
图5
图5
共检波点道集陆检数据相位校正角
Fig.5
Phase correction angle of common detection point track collection land data
图6
图6
陆检匹配前后对比
a—水检记录;b—陆检记录;c—陆检匹配结果
Fig.6
Contrast before and after land inspection matching
a—hydrophone data;b—geophone data;c—matching results of geophone data
图7
图7
水陆检某一道压制鸣震效果对比
Fig.7
Contrast of suppressing reverberation effect between Hydrophone and Geophone
图8
图8
水陆检合并叠加数据频谱对比
Fig.8
Spectrum comparison of combined overlapping data of Hydrophone and Geophone
图9
图9
实际共检波点数据压制鸣震效果对比
a—压制鸣震前水检记录;b—压制鸣震后水陆检合并记录
Fig.9
Contrast of suppressing reverberation effect of actual common geophone data
a—suppression of Hydrophone records before reverberation;b—consolidated records of Hydrophone and Geophone after suppressed reverberation
4 结论
海上地震勘探过程中鸣震干扰问题一直是数据处理中的难题。所以,为了提高地震数据分辨率和解释精度,必须有效地压制鬼波干扰。其中双检采集技术(dual-sensor)是20世纪80年代中期发展起来的新方法。由于双检检波器对波场的上行分量响应正负性相同,对下行分量的响应正负性相反。根据这一差异,两种数据通过一定方法的相加求和,可以压制下行波场内的鬼波。但是,采集OBN记录的水听器和陆地检波器之间由于构造及采集原理的不同,使得采集的数据会存在频率、相位、振幅的差异。故有必要在合成压制鸣震前对其进行频率、相位和振幅的匹配。
常规相位匹配方法是进行相位扫描,笔者将陆地上进行测井资料与地震资料相位匹配的相似系数法应用到OBN数据中,运算时间是常规方法的五分之一,节省了大量时间,提高了计算效率。
笔者在频率及相位匹配的基础上,随后又运用匹配滤波的方法进行振幅匹配,之后进行水陆检合并压制鸣震。模型及实际数据处理证明该方法可以较好的进行水陆检数据的相位及振幅匹配,并且可以较好的压制海洋鸣震。频谱分析证明本文方法有效拓宽了OBN数据有效频带,提高了数据分辨率。
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地震叠加技术能提高资料的信噪比,其假设条件是在NMO校正后的CMP道集内进行地震道同相叠加。在叠加剖面上,地震子波的相位不是简单的数量相加,而是矢量求和,因此在叠加前,不但要对所有地震道进行振幅、时间校正,而且还要进行相位校正,以使叠加前CMP道集内所有地震道的振幅、时间和相位保持一致。只有这样才能得到最好的叠加效果。根据该假设条件,通过炮集、检波点集之间的迭代计算得到最佳相位校正因子,以实现相位校正。在地表一致性相位校正之后,尽可能地使得叠加前CMP道集上的地震波形对齐,即相位一致,通过叠加可得到最佳叠加剖面。本文采用变相位校正方法实现相位校正。通过实际数据试算,验证了本方法的正确性。
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地震数据处理中的相位校正技术综述
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在地表条件复杂的地区,采用不同震源和仪器联合进行地震数据采集,激发震源、检波器以及表层岩性的不同造成较大的子波差异,从而使采集到的地震反射资料的振幅(能量)、频率和相位等特征差别较大。鉴于子波整形处理技术存在缺陷,本文采用匹配滤波技术代替子波整形来消除反射时差、整形地震子波。实现过程为:通过反褶积方法求取同一位置的两个记录A和B的匹配滤波算子;再把匹配滤波算子作用于A(或B),使A (或B)经匹配滤波后逼近B(或A)。笔者利用根据匹配滤波原理开发出的交互匹配滤波软件包对滩浅海地区三维地震资料进行了处理。处理后资料的地震子波得到整形,消除了炮点、检波点的差异及同相轴间的时差, 实现了地震资料的同相叠加,使剖面信噪比提高,在不同震源所采集数据的衔接处地震记录的振幅、频率和相位都能得到较好的匹配,深浅层的地震反射叠加剖面都能较好地拼接,取得了较好的效果。
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