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海洋地震資料多次波壓制技術(shù)及應(yīng)用
摘要： 近些年來(lái)，隨著陸上油氣資源的日益枯竭，為擴(kuò)大資源的開(kāi)采，地震勘探的發(fā)展由陸地逐漸向海洋，因此對(duì)于海洋地震資料處理技術(shù)的研究就變得更有意義和價(jià)值。海上地震數(shù)據(jù)當(dāng)中最主要的干擾是多次波，因此如何有效壓制多次波，是目前海洋地震資料處理的主要課題之一。文章對(duì)多次波的成因及分類(lèi)，多次波的特征及識(shí)別、多次波壓制方法進(jìn)行歸納總結(jié)。
關(guān)鍵詞： 海洋地震資料;多次波壓制技術(shù);多次波類(lèi)型
1、題目意義
隨著生產(chǎn)與消費(fèi)的迅速擴(kuò)展，世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展將越來(lái)越強(qiáng)調(diào)對(duì)能源供應(yīng)的依賴(lài)與需求，但是隨著傳統(tǒng)陸上油氣資源開(kāi)采難度的不斷加大、開(kāi)采成本的逐漸提高以及可預(yù)期可采資源量的日益減少，業(yè)內(nèi)越來(lái)越將勘探開(kāi)發(fā)的目光投向海洋，可以說(shuō)由陸地轉(zhuǎn)向海洋將是未來(lái)獲取更多量油氣資源的必然選擇和發(fā)展趨勢(shì)。而在海洋油氣資源勘查勘探的過(guò)程中通過(guò)激發(fā)人工地震采集地震數(shù)據(jù)然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋的方法始終是確定海底地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)而尋油找氣的主要技術(shù)方法之一。
而在地震數(shù)據(jù)資料的采集過(guò)程中因?yàn)榈乇砘虻叵履承┓瓷湎禂?shù)較大的反射界面使一次反射波重新折回地下產(chǎn)生了多次反射波。反射系數(shù)強(qiáng)的的反射界面如水氣交界面面、基巖面、不整和面、火成巖(如玄武巖)和其它強(qiáng)反射界面(如石膏層，巖鹽，石灰?guī)r等)都容易發(fā)生多次反射波。多次波的存在會(huì)極大程度上影響地震數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)而影響地震資料的解釋。這是因?yàn)槎啻尾ǖ拇嬖跁?huì)導(dǎo)致有效波的頻率、振幅，還有相位方面會(huì)造成一定的影響。所以，這些都是地震成像不可靠、不真實(shí)的重要原因。因此，關(guān)于多次波如何有效壓制，一直都是地震資料處理過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。
2、多次波壓制方法
2.1 多次波壓制方法的主要分類(lèi) 目前出現(xiàn)了多種多次波壓制技術(shù)，它們都是基于不同標(biāo)準(zhǔn)的，大致分為兩大類(lèi)[1]：
第一種基于波動(dòng)理論(表1)，首先利用反演或模擬的方法，從原始數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)出多次波，然后把預(yù)測(cè)出的多次波從原始數(shù)據(jù)中減掉。根據(jù)這個(gè)原理形成的方法被稱(chēng)為波動(dòng)方程預(yù)測(cè)減去法，它包括有反散射級(jí)數(shù)法、反饋環(huán)法、波動(dòng)方程外推法等。
第二種基于有效波及多次波之間的差異進(jìn)行濾波，如(表2)，其中包括利用多次波的重復(fù)性特征以及統(tǒng)計(jì)特性特征進(jìn)行多次波壓制，例如均值濾波法、預(yù)測(cè)反褶積、中值濾波法等;還包括基于一次波及多次波正常時(shí)差的差異進(jìn)行多次波壓制的，其中包括有局部相干濾波、二維濾波法、聚束濾波法、Radon變換法等。這兩種壓制多次波方法就是濾波方法，簡(jiǎn)稱(chēng)濾波法。
2.2 多次波壓制方法存在的問(wèn)題 在進(jìn)行濾波方法的應(yīng)用過(guò)程中，要注意以下幾項(xiàng)問(wèn)題：①二維及三維地震數(shù)據(jù)中的多次波，不能用一維的方法來(lái)壓制，應(yīng)該在多維波動(dòng)理論基礎(chǔ)的上進(jìn)行多維空間多次波的壓制;②當(dāng)介質(zhì)的速度變化比較小或者發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，如果地震數(shù)據(jù)的偏移距比較小，那么就會(huì)在多次波和有效波之間存在比較小的時(shí)差。如果此時(shí)利用濾波法，那么有效波就會(huì)被嚴(yán)重?fù)p傷到[1]。若介質(zhì)復(fù)雜，波場(chǎng)的響應(yīng)就不會(huì)滿(mǎn)足雙曲線(xiàn)及拋物線(xiàn)的特征，因而預(yù)測(cè)反褶積的結(jié)果就不會(huì)特別理想。除此之外，若多次波的周期較長(zhǎng)，如果此時(shí)加大預(yù)測(cè)濾波算子，則有可能會(huì)影響有效反射波的成像。綜上所述，這些都是濾波方法存在的問(wèn)題。
為了避免了使用非波動(dòng)法的局限性，在運(yùn)用波動(dòng)方程理論進(jìn)行多次波壓制時(shí)，結(jié)合了多次波傳播過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。近年來(lái)，因?yàn)椴▌?dòng)法基本不要求有先驗(yàn)信息，而且其具有理想的壓制效果，已經(jīng)成為多次波壓制研究方向的重點(diǎn)。
由此可知，壓制多次波的方法有很多種，但其各有優(yōu)劣點(diǎn)。如果能夠滿(mǎn)足波的傳播運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，而且多次波壓制的效果比較理想，則首先選用濾波法。這是因?yàn)檫\(yùn)用濾波法耗費(fèi)的時(shí)間少、花費(fèi)低，而且容易實(shí)現(xiàn)。目前，針對(duì)全程多次波，如果能將不同的處理模塊進(jìn)行優(yōu)化組合，做到在保證有效波特征的前提下，提高多次波壓制的效果，是非常有效的方法。
2.3 自由界面多次波壓制(SRME) SRME預(yù)測(cè)多次波的原理是通過(guò)對(duì)地震數(shù)據(jù)本身進(jìn)行時(shí)空褶積，又被稱(chēng)為自由界面多次波壓制。它的多次波形成原因是：地震波在向上傳播的過(guò)程中，遇到了自由界面，被反射之后又繼續(xù)向下傳播，經(jīng)過(guò)多次反射和多次透射，多次波能量被衰減，最終被檢波器以多次波的方式記錄下來(lái)。地震數(shù)據(jù)中自由表面多次波的任何一個(gè)子反射都會(huì)在地震記錄上以反射軸的形式體現(xiàn)。這是因?yàn)槊總�(gè)多次波都是由若干個(gè)初至反射波合成得到的。通過(guò)將具有多次波及有效波的原始數(shù)據(jù)做時(shí)空域褶積，就可以得到所有的自由界面多次波。
因?yàn)橐浑A多次波與自由界面從形態(tài)上看極為相近，所以如果運(yùn)用自由界面多次波壓制方法，則最終能取得理想的壓制效果。對(duì)于高階多次波，因?yàn)槠鋫鞑ヂ窂娇赡軙?huì)發(fā)生改變，只有在近道路徑，其形態(tài)才會(huì)和和自由界面比較相近，因此SRME只能將其近道的多次波進(jìn)行很有效的壓制。
如圖1，從左到右依次為：去多次波前的共偏移距剖面，預(yù)測(cè)出的多次波模型，去多次波后的近偏移距剖面。從圖中可以看出，近偏移距處的多次波得到了很好的壓制，而且預(yù)測(cè)出的多次波模型在位置、能量及形態(tài)上都很接近輸入的剖面。
2.3.1 自由界面多次波壓制的原理 所有的可以預(yù)測(cè)出的自由界面多次波，不考慮其射線(xiàn)路徑的復(fù)雜性，都可以分解為多個(gè)一次波，如圖2所示，多次波abc，是根據(jù)一次波ab、bc預(yù)測(cè)出來(lái)的。
SRME是將地震數(shù)據(jù)中的一次波進(jìn)行組合，從而預(yù)測(cè)出多次波，然后運(yùn)用這個(gè)預(yù)測(cè)去消除真正的自由界面多次波。其方法原理是，找出a為炮點(diǎn)，b為檢波點(diǎn)的一次波ab，再找出b為炮點(diǎn)，c為檢波點(diǎn)的一次波bc，然后將ab與bc進(jìn)行褶積，在將其結(jié)果乘以自由界面的反射系數(shù)-1。
綜上可知，通過(guò)有效的一次波的空間褶積能夠預(yù)測(cè)出自由界面多次波。因此要想得到所有的自由界面多次波，就要對(duì)地震記錄中所有的反射做褶積。相對(duì)于其他方法而言，此種多次波壓制的方法具有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是，不需要對(duì)地下介質(zhì)做任何假設(shè)，而且對(duì)反射系數(shù)及多次波的反射層位沒(méi)有任何要求。
SRME 方法分為多次波預(yù)測(cè)及多次波衰減兩步，是一種自適應(yīng)的壓制多次波的方法，將原始地震數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)算子，在處理過(guò)程中基本沒(méi)有人工干涉，也不需要任何的地下先驗(yàn)信息，適應(yīng)能力極強(qiáng)。當(dāng)多次波和一次波的速度不能很好的區(qū)別開(kāi)來(lái)時(shí)，針對(duì)近偏移距處的多次波進(jìn)行壓制，該方法的效果優(yōu)于Radon變換，效果相當(dāng)理想。
�、俣啻尾A(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)原始疊前數(shù)據(jù)及自身沿著自由表面做時(shí)空域褶積就可以預(yù)測(cè)出自由界面多次波。主要是運(yùn)用共檢波點(diǎn)與共炮集在時(shí)空間域進(jìn)行褶積。
M為自由表面相關(guān)的多次波，D為實(shí)際地震記錄，P為一次波，這三者之間的關(guān)系可用如下公式表示：
M=-S-1*D?茚P (1)
式(1)中， 震源子波表示為S，它是種包含2D 疊前褶積和多種相關(guān)的算法， 則一次波的估算可表示為：
P=D+S-1*D?茚P (2)
最初，震源子波及一次波都是未知條件，所以實(shí)際的迭代過(guò)程大概分為模型和分離兩步。在迭代開(kāi)始初期，用實(shí)際記錄代替一次波，用最小化能量的假定統(tǒng)計(jì)估算出反子波，將子波項(xiàng)忽略后，可以得到實(shí)際的迭代過(guò)程為：
P0=D (3)
Mn=-D?茚Pn-1 (4)
Pn=D-fn*Mn (5)
式中，n表示第n次迭代;f為自適應(yīng)濾波反褶積。
�、诙啻尾ㄋp。采用自適應(yīng)相減技術(shù)，從原始地震數(shù)據(jù)中把預(yù)測(cè)得到的多次波減掉，就可以得到消除多次波之后所形成的地震數(shù)據(jù)。其主要是應(yīng)用自適應(yīng)最小平方減去法，來(lái)實(shí)現(xiàn)最小能量準(zhǔn)則以減掉預(yù)測(cè)多次波，通常分為兩步進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：
1)計(jì)算自適應(yīng)因子f(采用最小二乘平方算法)
P0=D f=min(||d-f*m||)2 (6)
2)應(yīng)用自適應(yīng)因子， 然后相減
m′=f*m (7)
d′=d-m′ (8)
其中， d――實(shí)際數(shù)據(jù);m――多次波;d′――消除多次波后的數(shù)據(jù)。
2.3.2 自由界面多次波壓制的步驟
①建立多次波模型。這種多次波壓制方法完全不需要任何地下介質(zhì)信息。只有完全保證所有的子反射都存在記錄或估計(jì)，才能正確地預(yù)測(cè)出多次波。如果在地震記錄中缺失某些或者有些子反射存在誤差，則不能正確有效地預(yù)測(cè)出包括有這些子反射的自由界面多次波。在實(shí)際的地震資料處理過(guò)程中，不僅要補(bǔ)齊短缺的偏移距，還要進(jìn)行負(fù)偏移距的外推，使得偏移距信息更完整，進(jìn)而可以得到更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)多次波模型。
�、诙啻尾▔褐啤８鶕�(jù)建立多次波模型的原理，將多次波預(yù)測(cè)出來(lái)后，然后從原始數(shù)據(jù)中減去，就可以得到消除多次波之后的地震數(shù)據(jù)。這種方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先要求多次波模型與原始地震記錄的能量能夠匹配且一致，達(dá)到此要求，方能進(jìn)行相減。對(duì)選擇的窗口進(jìn)行多次試驗(yàn)，合理選擇，就有可能達(dá)到理想的壓制效果。
2.4 Radon變換去多次波 Radon變換是一項(xiàng)應(yīng)用很廣的實(shí)用技術(shù)，自從拉冬在1917年提出之后，這種方法已經(jīng)在天文界、物理界、醫(yī)學(xué)界等領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。
2.4.1 Radon變換的原理 Radon變換是通過(guò)線(xiàn)積分，將數(shù)據(jù)從(x，t)域變換到(τ，p)域。具體包括線(xiàn)性拉冬變換，拋物拉冬變換、雙曲拉冬變換三種方式[2]：
u(p，τ)=■dxu(x，τ+px) (9)
其中：線(xiàn)性拉冬變換中：t=px+τ
拋物拉冬變換中：t=px2+τ
雙曲拉冬變換中：t=■
τ――截距時(shí)間，t――偏移距x的時(shí)間，p――在拋物Radon變換中是指慢度，在雙曲Radon變化曲線(xiàn)中是慢度與距離相除的結(jié)果。
拉冬變換根據(jù)其原理又可以稱(chēng)為投影或傾斜疊加，其根本就是沿著特定的路徑對(duì)介質(zhì)某方面的特征進(jìn)行線(xiàn)積分。選定CMP道集或炮集作為疊前的道集記錄，用一次波速度對(duì)其進(jìn)行動(dòng)校正。如果動(dòng)校正之后，有效波的同相軸被拉平，然而多次波的同相軸則會(huì)因?yàn)樾Ｕ坎蛔愣蛳聫澢�，形態(tài)近似于拋物線(xiàn)(如圖3)若對(duì)該道集做拋物線(xiàn)拉冬變換，即沿著拋物線(xiàn)軌跡進(jìn)行求和，則可以在τ-p域中得到與多次波及一次波分別對(duì)應(yīng)的能量團(tuán);然后在τ-p域中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行切除，即把多次波的能量團(tuán)切掉，然后再進(jìn)行拋物線(xiàn)拉冬反變換，就可以得到壓制之后的道集記錄;在此過(guò)程中一定要保證一次波不被當(dāng)作多次波而壓制掉，就必須限制被看作為多次波的同相軸的彎曲程度，Δtmin是指經(jīng)過(guò)動(dòng)校之后的CMP道集內(nèi)同相軸的彎曲程度的最小時(shí)差值;其實(shí)質(zhì)是指在CMP道集中，位于最大偏移距處及最小偏移距處同一t0同相軸的時(shí)差，根據(jù)這一原理，如果t0同相軸的時(shí)差大于Δtmin，則都被看作是多次波，應(yīng)該進(jìn)行壓制，如果t0同相軸的時(shí)差小于Δtmin，這樣的同相軸都應(yīng)該予以保留[3]。
2.4.2 Radon變換的步驟 由于道集經(jīng)過(guò)動(dòng)校正之后，一次波被拉平，而多次波則會(huì)由于校正速度過(guò)大而變成拋物線(xiàn)，所以我們可以根據(jù)這一特點(diǎn)，有效地區(qū)別有效波及多次波。然后根據(jù)拉冬域一次波與多次波P值的差異，進(jìn)行二者的區(qū)別，并進(jìn)行多次波壓制，最終將有效波進(jìn)行拉冬反變換。從CMP道集上可以看出，在中遠(yuǎn)偏移距處，多次波和一次波存在較大的時(shí)差。所以，此方法對(duì)壓制中遠(yuǎn)偏移距處的多次波有特別理想的效果。而在近偏移距處時(shí)，則會(huì)引入假象以致得不到理想的效果，這就是該方法所存在的弊端。
在實(shí)際的地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中主要包括兩步：一是，要盡量求準(zhǔn)一次波的速度。尤其是在有效波及多次波的速度特別接近時(shí)，只有一次波的速度準(zhǔn)確了，才有可能達(dá)到理想的效果。二是，多次試驗(yàn)一次波與多次波在最大偏移距處的時(shí)差。然后根據(jù)時(shí)差求出兩者的P值差，這樣在多次波壓制的過(guò)程中，才有可能不損傷到有效波。
2.5 預(yù)測(cè)反褶積 預(yù)測(cè)反褶積是典型的基于多次波周期性特征來(lái)壓制多次波的方法目前預(yù)測(cè)反褶積法已經(jīng)在地震數(shù)據(jù)處理中取得了廣泛的應(yīng)用。
在實(shí)際運(yùn)用預(yù)測(cè)反褶積法時(shí)，主要包括三個(gè)參數(shù)，它們分別是算子長(zhǎng)度、預(yù)測(cè)步長(zhǎng)及白噪系數(shù)。在運(yùn)用這種方法時(shí)，必須滿(mǎn)足三條假設(shè)，分別是子波要滿(mǎn)足最小相位，介質(zhì)為水平層狀，數(shù)據(jù)為零偏移距數(shù)據(jù)，且同時(shí)不存在轉(zhuǎn)換縱橫波。
如果這幾條中有任何一條不能滿(mǎn)足，該方法在運(yùn)用過(guò)程中有問(wèn)題，因而無(wú)法得到滿(mǎn)意的結(jié)果。
這種方法主要存在的缺點(diǎn)為：一是，除了有限的時(shí)間間隔，反射系數(shù)序列不可能完全不相關(guān);二是，只有在水平成層狀的介質(zhì)的零偏移距處才會(huì)有理想的效果;三是，如果無(wú)法滿(mǎn)足假設(shè)的條件，那么在壓制多次波的過(guò)程中，只能消除部分多次波，且一次波有可能受到損傷，進(jìn)而壓制剖面得不到理想的效果[2]。
2.6 聚束濾波法多次波衰減 聚束濾波法與拉冬變換比較相似，也是一種模型擬合的處理方法，不僅包含了有效信號(hào)，而且還存在相關(guān)噪音。
關(guān)于數(shù)字化假變換問(wèn)題，在這種方法中是不存在的，例如，在變換域中的截?cái)鄦?wèn)題和采樣轉(zhuǎn)化為模型擬合問(wèn)題的過(guò)程中，是根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整的，所以這種方法不僅可以考慮到在大偏移距處由于要對(duì)折射波和直達(dá)波進(jìn)行切除，而對(duì)一次波造成損傷;還可以考慮到相位和振幅隨偏移距的改變，此方法能夠?qū)ΣńM抗剖面、AVO做更深的分析，進(jìn)而獲得有效波在疊前方面的信息，同時(shí)在畸變消除方面也有很大的提高[2]。
通過(guò)多種試驗(yàn)可知，此種方法在壓制多次波的過(guò)程中盡可能完全保留有效波，這是因?yàn)樗粌H綜合了地震波的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而且還綜合了地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。
此方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本準(zhǔn)則是不僅要滿(mǎn)足最小方差，還要滿(mǎn)足無(wú)偏，即必須滿(mǎn)足兩方面的要求：一是，信號(hào)必須沒(méi)有畸變的情況;二是，輸出來(lái)的噪音的能量必須為最小。聚束濾波方法在消除相關(guān)噪音過(guò)程中所受的限制條件也包括兩方面的內(nèi)容：一是，必須控制隨機(jī)噪音的不斷增大;二是，相關(guān)噪音最小的響應(yīng)或零響應(yīng)。如圖5，從左到右依次為：輸入的數(shù)據(jù)，被壓制掉的多次波，估計(jì)出來(lái)的隨機(jī)噪音。
3、結(jié)論
通過(guò)認(rèn)識(shí)和對(duì)比各種壓制海洋地震資料多次反射波的技術(shù)和方法，在遇到多次波強(qiáng)烈發(fā)育的地震資料的時(shí)候，我們首先分析和判別多次波的成因和類(lèi)型，然后根據(jù)多次波的不同特征以及地質(zhì)環(huán)境條件選擇不同的技術(shù)方法進(jìn)行消除和壓制，針對(duì)一塊勘查區(qū)域內(nèi)的地震資料，通常會(huì)制定一套多次波組合壓制技術(shù)方法，將各種多次波壓制技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，只有這樣才能達(dá)到有效去除多次波干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確真實(shí)地震成像的最終目的。
參考文獻(xiàn)：
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