海洋电火花震源地震资料处理关键技术及应用
Key technologies for processing marine seismic data from sparker sources and their applications
第一作者:
责任编辑: 沈效群
收稿日期: 2024-05-24 修回日期: 2024-09-27
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Received: 2024-05-24 Revised: 2024-09-27
海洋电火花震源地震资料具有噪声干扰发育、子波形态复杂和电缆羽状漂移与起伏导致的信号畸变及多次波干扰严重等问题,严重影响了资料的成像品质。本文根据海洋电火花震源数据特征与处理难点,建立了海洋电火花数据处理流程,详细介绍了流程中的关键技术,如LIFT高保真噪声压制技术、电缆漂移校正技术、地表一致性模拟退火静校正技术、子波处理技术、自由表面多次波压制技术等。实际应用效果表明了该处理流程能够有效解决海洋电火花震源地震资料处理中的难题,提高资料的信噪比,恢复地震数据的子波频带,得到宽频成像效果好、地质现象清楚的地震剖面。该处理方法为海洋宽方位地震资料的应用提供了新的技术手段。
关键词:
Marine seismic data from sparker sources exhibit strong noise interference, complex wavelet morphologies, signal distortion due to cables' feathering and undulation, and severe multiple wave interference, all of which greatly affect the imaging quality of seismic data. Based on the characteristics of marine seismic data from sparker sources, this study established a data processing workflow and elaborated on the key technologies involved, including LIFT high-fidelity noise suppression, cable drift correction, surface-consistent simulated annealing static correction, wavelet processing, and free surface multiple suppression technologies. The application to actual data indicates that this processing workflow can effectively address the challenges associated with marine seismic data from sparker sources, improve the signal-to-noise ratio, restore the wavelet bandwidth, and produce seismic sections with superior broadband imaging and clearly defined geological features. This study provides a novel technical means for the application of marine wide-azimuth seismic data.
Keywords:
本文引用格式
张兴岩, 曾维辉, 刘金朋, 张立霞, 杜广辉, 王发坤.
ZHANG Xing-Yan, ZENG Wei-Hui, LIU Jin-Peng, ZHANG Li-Xia, DU Guang-Hui, WANG Fa-Kun.
0 引言
由于早期的电火花震源存在信号不稳定、激发能量弱、地层穿透深度浅等问题,发展速度缓慢,逐渐被气枪震源取代。随着电子技术的发展,电火花震源的性能得到了巨大的提升,海洋电火花震源地震勘探方法在第四纪地质、水合物勘探和地质工程勘查等领域中得到广泛应用[1⇓⇓-4]。相对于传统的气枪震源,海洋电火花震源采集的地震资料一般应用在浅层地震勘探,具有较高的采样间隔与频带宽度,对噪声与采集环境的敏感度更强,所以海洋电火花震源地震数据一般具有较强的噪声、更为复杂的子波形态、电缆羽状漂移与电缆起伏带来的有效信号畸变、严重的多次波等问题,严重影响了其成像质量。针对以上问题,相关专家进行了技术攻关与尝试[5⇓⇓⇓⇓-10],虽然在一定程度上解决了海洋电火花震源数据处理中的单个问题,但并没有建立系统性的海洋电火花地震数据处理流程。
本文采用LIFT噪声压制技术、电缆漂移校正、模拟退火法剩余静校正、SRME多次波压制、子波处理等技术,有效解决了电火花震源数据中的难点问题,使得海洋地震勘探中电火花震源的高分辨率优势得以体现。同时,对我国东部海域某海洋电火花震源实际数据进行处理,提高了该工区海洋电火花震源地震资料信噪比,改善了断层及地层成像效果。
1 数据特征与处理难点
图1
图1
海洋电火花地震资料处理基本流程
Fig.1
Basic flow of simulated annealing surface consistent residual statics
2 关键技术
2.1 LIFT噪声衰减技术
如图2所示,首先采用强噪声压制技术,将原始海洋电火花震源数据分解为信号与噪声两个部分,信号部分以有效反射信号为主,噪声部分则由噪声和微信号构成;然后对噪声部分进行处理,提取噪声中的微弱信号,将提取出的信号反加回信号部分;如此循环,直到数据保真度符合要求为止。
图2
图3
图4为海洋电火花震源数据低频及涌浪噪声衰减前、后的叠加剖面对比,从中同样可以看到,噪声被压制干净的同时,数据保真度较高。
图4
图4
低频及涌浪噪声衰减叠加剖面
Fig.4
Stack section of low frequency and surge noise attenuation
图5
图6
2.2 电缆漂移校正
图7
图7
海洋电火花震源数据电缆漂移校正前、后效果对比
Fig.7
Comparison of the effect before and after cable drift correction for marine electric spark source data
图7所示为海洋电火花震源数据电缆漂移校正前、后的效果对比。可以看到:校正前受到电缆漂移的影响,反射波同相轴呈现不规则状,电缆漂移校正后,炮集中的反射波同相轴呈现规则的双曲形状,与理论同相轴形态相符(图7a,b);未经电缆漂移校正的炮集动校后,同相轴未能校平,经电缆漂移校正的炮集动校后,同相轴拉平,这也说明了电缆漂移校正的有效性(图7c,d)。而图7e~h显示:电缆漂移校正前,由于同相轴的不规则性,同相轴没有同相叠加,速度谱上的能量团比较分散,叠加剖面中地层反射界面分散且能量较弱,难以分辨地层反射界面的具体位置;电缆漂移校正后,同相轴的一致性增强,速度谱中能量团聚焦性变好,叠加剖面中地层界面清晰,不同地层间的波组特征变好。
2.3 模拟退火法地表一致性剩余静校正
由于电火花震源的分辨率较高,海面起伏导致的同相轴抖动问题严重影响了海洋电火花震源数据的最终成像,因此成像前需要采用静校正技术解决此类问题。本文采用基于模拟退火法的地表一致性剩余静校正,来解决海洋电火花震源数据中的海面起伏问题。
图8
图8
海洋电火花震源数据模拟退火法地表一致性剩余静校正前、后效果对比
Fig.8
Comparison of the effect before and after simulated annealing surface consistency residual static of marine spark source data
2.4 SRME多次波衰减
海水与空气的接触面为强反射界面,地震勘探过程中产生了大量与海面相关的多次波,严重影响了地震数据的真实性,所以海洋电火花震源数据处理过程中多次波压制也是重点和难点。本文采用SRME(surface-related multiple elimination)技术压制海洋电火花震源数据中的多次波。SRME原理是利用地震数据自身进行时空褶积、迭代的方式来预测多次波,然后采用自适应相减消除原始数据中的多次波。上行波场在自由表面处向下反射,在地下介质中经过透射和反射,以多次波的形式被记录下来[26],每个多次波都可被分解为若干个反射波,地震记录中的任何一个反射波都可以看作是数据中自由表面多次波的子反射,将原始数据与自身进行时空域褶积,所有的子反射就被褶积在一起,从而预测出所有的自由表面多次波。此方法不需要地下任何信息,若要正确预测多次波,须保证所有所需的子反射都有记录,如果某些子反射缺失或有误差,就不会准确预测包含这些子反射的自由表面多次波[27]。预测出多次波后,在原始记录上通过自适应匹配减,消除计算出来的多次波,就能得到去除自由表面多次波的地震记录。其迭代公式为[28]
式中:P为包含有效波和与自由界面相关多次波的数据矩阵;P0为不含与自由界面有关多次波数据矩阵;A表示自由界面算子;n表示迭代次数。给出一个没有多次波的数据矩阵
图9
图9
海洋电火花震源数据SRME多次波压制前、后效果对比
Fig.9
Comparison of the effect before and after marine electric spark source data SRME multiple wave suppression
2.5 子波处理
电火花震源放电的瞬间,周围的海水在电弧的热量下蒸发,迅速形成气泡,气泡周围水压缩、流动、形变的过程就是地震子波传播的过程。气泡内的压力与气泡周围水压力之间的交互作用,使气泡膨胀与压缩,周而复始,形成振幅逐渐衰减的气泡阻尼振荡。随着气泡的生成与振荡,压力波在水中向外传播,气泡生成的第一个压力波被称为震源的压力子波(有效波),其余震荡过程的压力波为干扰波[29⇓⇓-32]。再加上炮点、接收点端鬼波的影响,使得海洋电火花震源拥有较多的子波旁瓣,限制了地震子波的频带宽度,影响了地震数据的分辨率,因此必须对气泡效应与鬼波进行压制。本文采用tau-p域预测反褶积、自适应鬼波压制技术、零相位化技术对海洋电火花地震数据子波进行处理,有效解决了电火花数据子波形态不规则的问题,恢复了电火花震源的子波频带,获得了高分辨率地震数据,丰富了低频信息,提高了同相轴的识别能力,增强地质现象的刻画程度[33]。
图10所示为电火花震源激发的地震子波及其频谱。可以看到海底子波形态复杂,由多个相位组成,很难识别出海底的确切位置;而由于气泡震荡与鬼波的作用,频谱上周期性出现多个陷波点,极大限制了电火花数据的频带宽度,降低了数据的信噪比。
图10
图11
图11
海洋电火花震源数据子波处理前、后效果对比
Fig.11
Comparison of the effect before and after wavelet processing of marine electric spark source data
3 最终成果展示
使用本文所提出的海洋电火花地震数据处理流程与关键技术,对某海域浅层地质调查中的电火花地震数据进行处理,验证该流程的适用性。
该工区为拖缆多道采集电火花数据,炮点间距12.5 m,接收点间距6.25 m,最小偏移距37.5 m,震源沉放深度2 m,接收电缆沉放深度2 m,接收道数48道,记录长度 3 000 ms,采样间隔 0.5 ms。从采集参数可以看出空间采样密度与时间采样密度较大,数据的分辨率较高,对环境的敏感度也较高。
图12为海洋电火花震源数据噪声压制前后的偏移剖面对比,可以看到:压制前噪声能量较强,大部分有效信号被噪声覆盖,极大降低了剖面的信噪比,同时噪声引起的偏移画弧现象严重,影响地层的识别;噪声被有效压制后,剖面中的信噪比获得极大提高,地层的同相轴变得更加清晰,噪声引起的偏移画弧现象消失,但是由于受到电缆漂移、海面起伏的影响导致抖动现象严重,地层模糊。
图12
图12
海洋电火花震源数据噪声压制前、后的偏移剖面
Fig.12
Migration profile before and after noise suppression in marine electric spark source data
图13为经电缆漂移校正与静校正后的偏移剖面,地层的抖动消失,地层反射同相轴连续性增强,信噪比进一步提升,剖面中的地质现象更加明显;但是复杂的子波使得海底与地层反射信号后续跟着若干相干性非常强的延续信号,影响了后续的地震资料解释。
图13
图13
海洋电火花震源数据电缆漂移与静校正后偏移剖面
Fig.13
The offset effect of cable drift correction for marine electric spark source data
图14为海洋电火花震源数据子波处理后的地震剖面,此时气泡震荡,鬼波得到有效压制,海底与地层反射信号单一,剖面中低频信息丰富,剖面的分辨率得到较大提高,并且深部地层有效信号信噪比得到了较大提高,地质特征明显,有利于后续的地震资料解释。
图14
图14
海洋电火花震源数据子波处理后偏移效果
Fig.14
Migration effect of wavelet processing on marine electric spark source data
4 结论与建议
本文分析了海洋电火花地震数据的特征,指出了海洋电火花地震数据处理中的难点,并根据其特点形成了以LIFT高保真噪声压制、电缆漂移校正、模拟退火法剩余静校正、SRME多次波压制、子波处理等技术为核心的海洋电火花地震数据处理技术流程。LIFT高保真噪声衰减技术可有效压制噪声,提高信噪比,同时不损伤有效波;电缆漂移校正与剩余静校正后可有效解决海洋电火花数据中电缆漂移与海面起伏导致的同相轴的抖动问题,有效恢复真实的地质信息;SRME可有效压制自由表面多次波,消除多次波对成像的影响;子波压制技术有效解决电火花数据子波形态不规则的问题,恢复电火花震源的子波频带,获得高分辨率地震数据,丰富低频信息,提高同相轴识别能力,增强地质现象的表征能力。
该技术流程在实际资料应用中取得了较好的效果,有效恢复了电火花震源地震资料信噪比、子波频带宽度,得到成像质量高、宽频、地质现象清楚的地震数据,表明该技术流程能够有效应对海洋电火花震源数据面临的问题,因此值得进一步推广。
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Application study on spark source for hydrophone positioning during exploration on shallow sea
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电火花震源在石油地震勘探中的应用
[J].电火花震源具有安全环保、较高能量转换效率等特点,实际勘探中,电火花震源应用广泛。为了验证其应用效果,在某浅海处进行电火花震源和气枪震源地震勘探试验,综合浅海勘探实例以及与气枪震源的对比,表明电火花震源具有很好的效果,200kJ电火花震源激发的地震波勘探深度可达3000m。
The application of sparker source forseismic exploration
[J].The sparker has advantages of high safety,environmental protection and high energy conversion efficiency.It is widely used in actual exploration.In order to verify the effectiveness,a testbetween sparker source and airgun source for seismic exploration was made at a shallow sea.The test showed that the sparker source has better effects,such asthe seismic wavecan explore deep to 3000mwith 200kJ excites.
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目前海上三维地震勘探主要以多缆采集为主,对地震船、震源和拖缆等设备进行全方位的精确定位是确保高精度地震采集资料品质的关键所在。介绍了海上多源多缆地震采集综合导航定位网络的配置及其质量评价标准;根据现场工作经验总结提出了一套海上拖缆地震采集综合导航定位数据实时处理和质量控制流程;详细论述了定位数据预处理和网络平差等关键技术环节以及必须把握的准则;进一步讨论了综合导航定位数据现场实时处理可以同时起到的定位参数设置检查修正和水下设备故障分析判断作用。
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水层多次波是海底电缆(OBC)地震数据中发育最多、能量最强的多次波,尤其是在水深小于100 m的浅水区,其对数据品质影响很大。提出了一种浅水区OBC地震数据水层多次波压制技术,该技术使用水体模型驱动,在τ-p域进行波场延拓,模拟出OBC地震数据的水层多次波模型,然后采用多道均衡匹配滤波技术对多次波模型和地震数据进行匹配,最后从地震数据中减掉多次波。分别使用理论模型和实际OBC地震数据进行验证,结果证明该技术能有效压制浅水区OBC地震数据水层多次波,提高OBC地震数据的品质。
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<p>Water layer multiples develop most and energy strongest in ocean bottom cable (OBC) seismic data,especially in the shallow water area with water depth less than 100 m.We proposed a method of ocean bottom cable shallow water de-multiple to suppress the water layer multiples of OBC seismic data in shallow water areas.The method is water layer model-driven,which uses the wavefield continuation in <em>τ-p</em> domain to build an initial multiple model of water layer multiples of OBC seismic data firstly.Then the multi-channel equalization matched filtering technique is applied to match the multiple model and seismic data.Finally,the multiple is removed from OBC seismic data.The application results on model data and real data show that our technique can effectively suppress water layer multiples for OBC seismic data in shallow water areas,and improve the quality of OBC seismic data.</p>
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针对深水地震资料,研究了海上气枪震源子波的混合相位特征及海浪引起的粗糙海平面对子波特征的影响,提出了基于地震初至提取地震子波的方法及零相位校正技术;利用谱比法提取等价常数Q值,对不同Q值统计平均并结合测井资料约束方法提炼最佳Q值,然后,利用改进的Hale算法进行反Q相位校正。南海北部实际资料应用分析表明,该零相位化技术提高了目的层地震资料的分辨率,明显提升了井震对比的相关度,提高了反演的精度,为后续的储层精细描述提供了可靠的地震资料。
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In order to study the mixed phase characteristics of airgun wavelet and the influence of rough sea surface for wavelet characteristics in deep water seismic data,we proposed an extraction method for seismic wavelet based on first arrival and zero-phase correction technology.Then the spectral ratio method is used to extract the equivalent constant Q,to refine the best Q value by statistical average of different Q value combined with well constraint means,and to carry out inverse Q phase correction by the improved Hale algorithm.Application result of field data shows that the method improves the resolution of seismic data,especially in target layer,and significantly enhances the correlation between the seismic data and the synthetic records calculated from well,and improves the accuracy of the inversion.The application result in northern South China Sea can provide reliable seismic data for reservoir characterization.
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