利用地震干涉法衰減海底相關(guān)層間多次波

利用地震干涉法衰減海底相關(guān)晨間多次波葉月明;姚根順;趙昌壘;莊錫進;張華【摘要】在海洋地震勘探中，由于海底面具有較強的波阻抗差，當(dāng)海底面以下存在高速反射層或散射體時，在海底與高速層(體)間會發(fā)育較強的海底相關(guān)層間多次波.由于這種相關(guān)層間多次波無特定的識別特征而難以去除，增加了地震資料處理的難度.為此，本文提出了基于地震干涉理論的海底相關(guān)層間多次波衰減方法和實現(xiàn)流程首先介紹了基于互易理論的地震干涉法原理，闡述了其在非均勻介質(zhì)中的近似條件和表達(dá)式;在此基礎(chǔ)上提出了通過海底一次反射記錄和海底以下構(gòu)造的反射記錄來構(gòu)建海底相關(guān)層間多次波.該方法克服了基于共聚焦點(CFP)延拓方法對速度場的依賴性與逆散射級數(shù)(ISS)法計算效率低的缺點，是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動型層間多次波衰減方法.Sigsbee2B模型測試及實際資料處理結(jié)果表明，海底相關(guān)層間多次波得到了較好的預(yù)測，疊前深度偏移結(jié)果中的偏移假象得到了明顯壓制，證明了文中方法的有效性.【期刊名稱】《石油地球物理勘探》【年(卷)，期】2015(050)002【總頁數(shù)】7頁(P225-231)【關(guān)鍵詞】海底相關(guān)層間多次波;衰減;地震干涉法;互易理論;數(shù)據(jù)驅(qū)動;格林函數(shù)【作者】葉月明;姚根順;趙昌壘;莊錫進漲華【作者單位】中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州310023;中國石油杭州地質(zhì)研究院浙江杭州310023;中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州310023;中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州I310023;川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司技術(shù)發(fā)展中心四川成都610213【正文語種】中文【中圖分類】P6311引言多次波分為地表相關(guān)多次波和層間多次波。傳統(tǒng)地表相關(guān)多次波衰減（SRME）方法可以較好地衰減自由表面相關(guān)多次波［1,2］，并且已經(jīng)在業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。由于地下界面多變性的特征，很難在地震剖面上有效識別層間多次波?，F(xiàn)階段業(yè)界主要應(yīng)用基于時差差異的方法進行層間多次波壓制［3,4］，這種方法對于淺層適用性較好，但是難以區(qū)分深層層間多次波，而且對處理員的主觀解釋依賴性較強。相對于自由表面相關(guān)多次波，層間多次波難以識別，只有存在較強反射界面時才可識別出較明顯的層間多次波特征。擴展的SRME方法是將波場延拓至產(chǎn)生層間多次波的界面后，再利用SRME方法衰減自由表面相關(guān)多次波。Berkhout等［5］指出，可以只把部分波場數(shù)據(jù)延拓至產(chǎn)生層間多次波的界面上，而將其余的波場數(shù)據(jù)保留在地表，從而減少延拓的數(shù)據(jù)量。Berkhout等［6］、Vers-chuur等［7］在SRME方法的基礎(chǔ)上，用共聚焦點（CFP）道集代替SRME方法中的炮集，從而將自由表面相關(guān)多次波衰減方法推廣到層間多次波衰減。該方法的關(guān)鍵在于求取準(zhǔn)確的CFP算子，并且對速度模型有一定的依賴性。劉伊克等［8］利用波路徑偏移消除多次波，通過程函方程計算出走時表，判斷偏移范圍內(nèi)是反射波還是多次波，在實際資料處理中取得了一定的效果。Weglein等［9,10］提出了基于逆散射級數(shù)（ISS）層間多次波去除方法，根據(jù)形成層間多次波的三個反射點位置具有“低一高一低”的相對關(guān)系，在理論上可以預(yù)測出任何可能的層間多次波。該方法的主要優(yōu)勢是不需要任何先驗地下信息就可以預(yù)測出層間多次波，但計算量非常大，難以投入實際應(yīng)用。金德剛等［11］對逆ISS層間多次波預(yù)測算法進行了改進，推導(dǎo)了1.5維時間一空間域ISS層間多次波預(yù)測算法，提高了計算效率。Jakubowicz［12］認(rèn)為，通過聯(lián)合使用與產(chǎn)生多次波界面有關(guān)的一次反射的逆時數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)可預(yù)測出與該層相關(guān)的層間多次波。Wu等［13］將這種方法擴展到多個界面的層間多次波壓制，并通過模型數(shù)據(jù)測試了其有效性。廣義地震干涉法是指與地震波有關(guān)的干涉現(xiàn)象，通過對地震信號的干涉得到新的地震信號，對不同輸入信號進行選擇和處理將得到所感興趣的信號［14］。Wapenaar［15］、Wapenaar等［16］利用互易性定理和時間反轉(zhuǎn)不變性原理，證明了地震波干涉法對不同的非衰減介質(zhì)和震源均是適用的?；诘卣鸶缮娣ǖ乃悸罚疚奶岢隽撕５紫嚓P(guān)層間多次波衰減方法。首先介紹了基于互易理論的地震干涉法基本原理，闡述了其在非均勻介質(zhì)中的近似條件和表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，提出了利用海底面一次反射與海底以下構(gòu)造的有效反射來構(gòu)建海底相關(guān)層間多次波，并利用限制孔徑范圍的方式提高計算效率。該方法不依賴于速度場，相對于逆散射法具有更高的計算效率和實用性。通過Sigsbee2B模型測試及實際資料處理結(jié)果表明，海底相關(guān)層間多次波得到了較好的預(yù)測，疊前深度偏移結(jié)果中的偏移假象得到了明顯壓制，證明了文中方法的有效性。2基于聲波互易理論的地震干涉法原理對于地震干涉法最直觀的理解為：兩個觀測信號的互相關(guān)相當(dāng)于以其中一個信號位置為震源，以另一個信號位置為檢波器而接收到的信號。Clearbout［17］最先證明了自由表面接收到的底部透射記錄的自相關(guān)等價于自激自收模擬記錄。近年來人們通過一系列基礎(chǔ)理論研究，認(rèn)為地震干涉法可用于研究確定性波場和擴散波場［18］。在非均勻無衰減聲波介質(zhì)中，記=(xA,zA)與=(xB,zB)分別為兩個源的位置，定義在=(x,z)觀測到來自與處的格林函數(shù)分別為，在頻率域分別為G(,,3)與G(,,3)(t與3分別為時間和頻率)(圖1a)，并滿足波動方程其中：P（）與C（）分別為密度與波速；di為關(guān)于空間（x,z）兩個方向的偏導(dǎo)數(shù)算子。聲波互易理論有褶積型和相關(guān)型兩種表現(xiàn)形式。基于褶積型互易理論可知，，3）有如下關(guān)系［16］其中：為處的震源在處觀測到的格林函數(shù)；為處的震源在處觀測到的格林函數(shù)；dD為無限半徑的球面；ni為沿空間某一坐標(biāo)軸方向的法向積分。按照格林函數(shù)的輻射條件，式（3）右邊應(yīng)為零，并且不依賴于任何積分面的形狀［19,20］,因此有式（4）即為經(jīng)典的震源與檢波點互易理論，該式表明，當(dāng)震源與檢波點位置互換后，地震記錄的值不變?；谑剑?）和相關(guān)型互易理論［16］，有其中“*”代表復(fù)共扼。定義）的實部，則有式（5）為聲波干涉理論的基礎(chǔ)。在地震勘探中，震源與檢波器都被布置在地表（圖1b）,為便于研究，假設(shè)積分面dD以外都為各向同性介質(zhì)，通過遠(yuǎn)場近似來表示單極震源標(biāo)定的偶極震源和積分面dD附近介質(zhì)參數(shù)的平緩變化，因此式（6）可簡化為更為實用的形式［16］，即式（7）表明，在時間域兩個信號的相關(guān)等價于在頻率域一個信號的復(fù)共扼與另一個信號的乘積，也就是說，在處激發(fā)、在處接收到的信號等價于在位置激發(fā)分別在與處接收到的兩個信號的相關(guān)。圖1空間任意兩點間的格林函數(shù)（a）與半無限空間下的格林函數(shù)（b）3海底相關(guān)層間多次波預(yù)測由于海底存在強波阻抗差，因此對于海洋地震資料而言，會在海底與海面間發(fā)育較強的自由表面相關(guān)多次波，利用經(jīng)典的SRME方法可以較好地衰減該類多次波。當(dāng)海底以下存在高速反射界面時，在海底與高速反射界面間會產(chǎn)生較強的海底相關(guān)層間多次波，由于這種層間多次波無特定的識別特征而難以去除，增加了地震資料處理的難度。海底相關(guān)層間多次波是地震波在地下經(jīng)過了多次反射而在地表被接收到的波場（圖2）。地震干涉法已經(jīng)證明，通過兩個已知信號的相關(guān)或褶積可以得到新的信號，那么同樣可以通過已知的波場構(gòu)建海底相關(guān)層間多次波（圖2），即將地表觀測到的波場分為3部分：第1部分為海底面w以下層的反射，描述波場的傳播路徑為；第2部分為海底面w的一次反射，描述波場的傳播路徑為；第3部分為海底面w以下反射層的一次反射，描述波場的傳播路徑為首先通過）與的相關(guān)得到傳播路徑為，在頻率域表示為其次通過與的褶積得到海底相關(guān)層間多次波，傳播路徑為，在頻率域表示為為了提高計算效率，式（8）、式（9）中的取值范圍分別為。上述海底相關(guān)層間多次波預(yù)測方法的關(guān)鍵在于海底相關(guān)一次反射波的拾取。對于海洋地震資料而言，海底一次反射波一般較明顯，易于拾取，因此該方法的實用性較高。利用上述方法衰減海底相關(guān)層間多次波的具體做法為：（1） 對預(yù)處理后的海洋地震數(shù)據(jù)做動校正并疊加，在疊加剖面上拾取海底庫，保存海底反射時間；（2） 對預(yù)處理后的海洋地震數(shù)據(jù)做動校正，根據(jù)步驟（1）得到的海底反射時間，拾取動校正后的海底一次反射波數(shù)據(jù)，并進行反動校正，得到海底一次反射波（3） 對預(yù)處理后的海洋地震數(shù)據(jù)做動校正，根據(jù)步驟（1）得到的海底反射時間，切除海底一次反射波，對保留下來的數(shù)據(jù)進行反動校正，得到海底面以下反射波（4） 由于無法直接獲取海底以下層的一次反射波數(shù)據(jù)，在限制的取值范圍在與之間的情況下，假定通過步驟（3）得到的波場近似為海底以下層的一次反射波場（5） 根據(jù)式（8）和式（9）得到海底相關(guān)層間多次波圖2通過一次波構(gòu)建海底相關(guān)層間多次波震源在=（,z=0）處激發(fā)后，地震波向下傳播，當(dāng)遇到海底以下強反射層k時，在A點發(fā)生反射后向上傳播，當(dāng)遇到海底面可時，在B點發(fā)生反射后向下傳播，傳播至j層后在C點發(fā)生反射，傳播至自由表面后，被=（,z=0）處的檢波器接收（6） 通過基于最小二乘的匹配相減法將海底相關(guān)層間多次波從地震記錄中去除，從而完成海底相關(guān)層間多次波衰減。4模型測試4.1簡單模型通過設(shè)計一個簡單模型（圖3a）測試本文方法去除海底相關(guān)層間多次波的效果。該模型是在2000m/s均勻背景速度場中插入兩個厚度可以忽略不計的高速反射界面，界面速度分別為4000,3000m/s，由于反射面厚度可以不計，所以波場只在反射面處發(fā)生反射和透射。正演模擬時模型頂邊界采用吸收邊界條件，因此在記錄中只存在一次反射波和層間多次波（圖3b）。圖3為簡單模型多次波衰減結(jié)果，由圖中可見，在層間多次波衰減后記錄（圖3e）中，一階與二階層間多次波得到了較好的壓制，預(yù)測出的層間多次波特征（圖3f）與正演模擬記錄（圖3b中的③和④）一致，模型測試結(jié)果證實了本文方法的有效性。圖3簡單模型多次波衰減結(jié)果（a）速度模型；（b）正演模擬單炮記錄；（c）第—反射面以下的反射波場；（d）第一反射面的一次反射波場；（e）層間多次波衰減后記錄；（f）預(yù)測出的層間多次波正演模擬采用中間放炮兩邊接收的方式，最小炮間距為0，最大炮間距為1500m，共151道接收，CDP間距為10m，道距為20m，記錄時間為2s。①和②分別為第一反射界面和第二反射界面的一次反射波，③和④分別為一階和二階層間多次波4.2Sigsbee2B模型為了進一步驗證本文方法的有效性，對Sigsbee2B模型（圖4a）進行了試算處理。該模型的海底深度大于1.8km，海水速度約為1500m/s，在海底面以下發(fā)育高速鹽丘體，速度為4511m/s。鹽下存在多組正、逆斷層，在鹽丘上部和鹽丘下部分布著一些高速散射體。在海底與海面間發(fā)育明顯的地表相關(guān)多次波，而在海底與鹽丘頂界間又發(fā)育海底相關(guān)層間多次波。該模型的測試難點在于多次波對構(gòu)造成像的影響以及由于高速鹽丘的屏蔽而造成的鹽下弱照明，本文主要考察層間多次波對構(gòu)造成像的影響。正演模擬共采用495炮數(shù)據(jù)，單炮接收的最大道數(shù)為348道，記錄時間為12s。圖4為Sigsbee2B模型測試結(jié)果，由圖中可見：由于模型頂界采用吸收邊界條件，正演模擬記錄中不存在自由表面相關(guān)多次波，只存在層間多次波（圖4b）；對比海底相關(guān)層間多次波衰減前（圖4b）、后（圖4e）的反射記錄可知，后者（圖4e）中的多次波得到了一定的衰減（矩形框區(qū)域）。為了了解海底相關(guān)層間多次波對疊前深度偏移的影響，對正演模擬記錄（圖4b）與海底相關(guān)層間多次波衰減后的記錄（圖4e）進行疊前深度偏移，圖5為海底相關(guān)層間多次波衰減前、后局部成像效果對比。由圖中可見，經(jīng)海底相關(guān)層間多次波衰減后，由散射體和海底面間的層間多次波造成的構(gòu)造假象（圖中黑色箭頭所指處）得到了較好的壓制（圖5b）。圖4Sigsbee2B模型測試結(jié)果（a）Sigsbee2B速度模型；（b）正演模擬記錄；（c）海底面以下反射層的反射記錄；（c）海底一次反射記錄；（e）海底相關(guān)層間多次波衰減后的記錄；（f）預(yù)測出的海底相關(guān)層間多次波圖5海底相關(guān)層間多次波衰減前（a）、后（b）局部成像效果對比圖6A探區(qū)海底相關(guān)層間多次波衰減前（a）、后（b）單炮記錄及預(yù)測出的海底相關(guān)層間多次波（c）道距為12.5m，單邊接收。①、②、③為海底相關(guān)層間多次波5實際資料測試為了驗證本方法對實際資料的處理效果，對A探區(qū)深海實際資料進行了試處理。該探區(qū)分布于深水水域，盆地內(nèi)含油氣構(gòu)造發(fā)育，地層和構(gòu)造條件具有良好的油氣運聚和成藏體系，是中國深海油氣勘探、開發(fā)的重要目標(biāo)區(qū)域。該探區(qū)的深海地震資料中的海底鳴震現(xiàn)象十分突出，而且相鄰的強反射層之間會產(chǎn)生較強的層間多次波，主要有海底及強反射界面的長周期多次波和層間多次波。此外，由于海底面以下存在高速火成巖，因此在海底與火成巖頂面間還發(fā)育海底相關(guān)層間多次波。利用SRME+拉東變換方法可以較好地衰減長周期海底相關(guān)自由表面多次波（圖6a）,由于海底相關(guān)層間多次波主要影響淺、中層，故選取4.0s以內(nèi)記錄進行處理。對比海底相關(guān)層間多次波衰減前（圖6a）、后（圖6b）的單炮記錄可知，后者（圖6b）中的海底相關(guān)層間多次波得到了明顯壓制，圖6c為預(yù)測出的海底相關(guān)層間多次波。圖7為海底相關(guān)層間多次波衰減前、后的疊加剖面，由圖中可見:由于海底相關(guān)層間多次波的存在，在疊加剖面中出現(xiàn)了虛假同相軸（圖7a中的箭頭所指層位）；通過利用本文方法衰減層間多次波，在疊加剖面中的虛假同相軸得到較好的壓制，提高了疊加剖面的品質(zhì)（圖7b）。圖7海底相關(guān)層間多次波衰減前（a）、后（b）的疊加剖面（道距為6.25m）6結(jié)束語多次波普遍存在于海洋地震資料中，其中層間多次波是最難以衰減的噪聲。本文基于地震干涉理論，提出了一種海底相關(guān)層間多次波衰減方法，模型測試及深海探區(qū)實際資料處理結(jié)果證實了方法的有效性?；诘卣鸶缮娣ǖ暮５紫嚓P(guān)層間多次波預(yù)測方法是一種純數(shù)據(jù)驅(qū)動型方法，不依賴于速度等先驗信息，其關(guān)鍵在于海底相關(guān)一次反射波的拾取。對于海洋地震資料而言，海底一次反射波一般較明顯，易于拾取，因此該方法的實用性較高。參考文獻[1]VerschuurDJ.Surface-relatedMultipleElimination,AnInversionApproach[D].DelftUniversityofTechnology,1991.[2]VerschuurDJ,BerkhoutAJ,WapenaarCPA.Adaptivesurface-relatedmultipleelimination.Geophysics,1992,57(9):1166-1177.[3]HampsonD.Inversevelocitystackingformultipleelimination.JournaloftheCanadianSocietyofExplorationGeophysicists,1986,22(1):44-55.[4]熊登，趙偉，張劍鋒.混合域高分辨率拋物Radon變換及在衰減多次波中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報，2009,52(4):1068-1077.XiongDeng,ZhaoWei,ZhangJianfeng.Hybrid-domainhigh-resolutionparabolicRadontransformanditsapplicationtodemultiple.ChineseJournalofGeophysics,2009,52(4):1068-1077.[5]BerkhoutAJ,VerschuurDJ.Estimationofmultiplescatteringbyiterativeinversion,PartI—Theoreticalconsiderations.Geophysics,1997,62(5):1586-1595.[6]BerkhoutAJ,VerschuurDJ.Removalofinternalmultipleswiththecommon-focus-point(CFP)approach,Part1—Explanationofthetheory.Geophysics,2005,70(3):V45-V60.[7]VerschuurDJ,BerkhoutAJ.Removalofinternalmultipleswiththecommon-focus-point(CFP)approach,Part2—Applicationstrategiesanddataexamples.Geophysics,2005,70(3):V61-V72.[8]劉伊克，常旭，王輝等.波路徑偏移壓制層間多次波的理論與應(yīng)用.地球物理學(xué)報，2008,51(2):589-595.LiuYike,ChangXu,WangHuietal.Internalmultipleremovalanditsapplicationbywavepathmigration.ChineseJournalofGeophysics,2008,51(2):589-595.[9]WegleinAB,GasparottoFA,CarvalhoPMetal.Aninversescatteringseriesmethodforattenuationmultiplesinseismicreflectiondata.Geophysics,1997,62(6):1975-1989.[10]WegleinAB,AraujoFA,CarvalhoPMetal.Inversescatteringseriesandseismicexploration.InverseProblems,2003,19(6):R27-R83.[11]金德剛，常旭，劉伊克?逆散射級數(shù)法預(yù)測層間多次波的算法改進及其策略.地球物理學(xué)報，2008,51(4):1209-1217.JinDegang,ChangXu,LiuYike.Algorithmimprovementandstrategyofinternalmultiplespredictionbasedoninversescatteringseriesmethod.ChineseJournalofGeophysics,2008,51(4):1209-1217.[12]JakubowiczH.Waveequationpredictionandremovalofinterbedmultiple.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts,1998,27:1527-1530.[13]WuZM,DragosetB.Robustinternalmultiplepredictionalgorithm.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts,2011,30:3541-3545.[14]陶毅，符力耘，孫偉家等