海上拖纜采集地震數據接收點位移校正

薛東川 朱振宇 王小六 何洋洋

（①中海油研究總院，北京100028；②海洋石油勘探國家工程實驗室，北京100028）

·采集技術·

海上拖纜采集地震數據接收點位移校正

薛東川*①②朱振宇①②王小六①②何洋洋①②

（①中海油研究總院，北京100028；②海洋石油勘探國家工程實驗室，北京100028）

海上拖纜地震數據采集時，接收點位移會使成像剖面產生與采集船航向相反的偏移，越晚到達的信號越偏離實際位置。針對常規P1／90導航文件提供的時間信息只精確到1s、精度較低的問題，采用具有更高精度的P2／94導航文件的時間信息計算船速，逐條電纜校正地震數據；通過建立弧長坐標的方法，將平面上的曲線映射為弧長坐標中的直線，降低數據插值的復雜性。模型數據和實際資料的測試證明，經接收點位移校正減小了時移地震兩次采集時船速不同帶來的成像誤差，使資料的一致性更好，有利于突出儲層物性變化的地震響應，提高油氣藏變化監測的精度。該方法不僅針對海上時移地震資料匹配處理有效，對常規深水地震勘探同樣具有借鑒意義。

接收點位移校正 拖纜 船速 數據插值 弧長坐標 歸一化均方根差異 時移地震

1 引言

海上拖纜采集中為了獲得理想的觀測系統參數，采集船必須保持一定的航速使接收電纜處于拉直的狀態［1］。然而，常規地震數據處理中的檢波點位置是固定的［1-3］，海上拖纜采集數據時，接收點發生的位移會使成像剖面產生與采集船航向相反的偏移，且越晚到達的信號偏離實際位置越遠。由于這種接收點位移產生的成像位置誤差的量值一般較小，所以在海上地震資料常規處理中，通常忽略接收點位置誤差，將拖纜采集數據近似為固定纜采集的數據。但對時移地震資料做匹配處理時，非目的層的數據差異一般接近于零，而差異主要集中在產油層，此時接收點位移產生的誤差相對于油藏變化引起的細微差異無法忽略。尤其是當前、后兩次地震資料采集時，采集船航速不一致甚至航向相反，這種接收點位移帶來的誤差影響將更加明顯。因此，只有消除海上拖纜采集地震資料的接收點位移影響后，后續的時移地震資料匹配處理才更準確合理，為后續的地震資料處理、解釋提供高品質的基礎數據，提高油氣藏變化監測的精度。為此，本文提出一種按單炮數據插值的方法，提高時移地震資料的匹配精度。

2 方法原理

以圖1所示的一條海上二維拖纜為例，接收纜受拖船牽引保持勻速移動，箭頭指示接收電纜的移動方向，×是t=0時刻炮點激發時電纜上水聽器的初始位置，○是水聽器隨采集船移動后的實際位置（即地震記錄不同時刻水聽器的實際位置）。在炮點激發的瞬間，○與×完全重合；隨后○整體勻速向右移動；在t=2.5s時，○與×錯位重合，錯位一個接收點；在t=5s時，○與×再次錯位重合，錯位2個接收點。如前所述，雖然地下反射信號的實際接收位置是○，但資料處理中定義的是×固定位置上的信號。需要明確的是，地下反射信號的時空分布僅由該炮的震源子波、地下介質結構及炮點與地下介質的相對位置決定，在放炮瞬間就已經確定，而與接收點的放置位置無關。所以，已知圖1中○點的值，求×點的值，本質上是一個單炮地震數據的空間插值問題，可以通過t-x平面上的二維插值，或一系列時間點上的空間一維插值解決接收點位移校正問題。三維拖纜數據的接收點位移校正方法與二維數據校正方法類似，其中船速（接收點移動速度）的準確計算與三維拖纜漂移狀態下的數據插值是實際資料校正的關鍵。

圖1 海上二維拖纜單炮接收時接收點位置變化示意圖

3 船速計算

海上拖纜采集數據接收點位移校正首先要準確計算出采集船的航速。圖2展示了采集船沿K炮線進行拖纜數據采集的過程。圖中箭頭方向指示采集船的行駛方向，左右兩個氣槍交替放炮，放炮的炮點依次為a、b、c、d、e、f，其中，炮點a、c、e由左源激發，炮點b、d、f由右源激發，圖中三角形對應放炮時采集船的參考點位置，即參考點A對應a炮激發時采集船的位置，參考點B對應b炮激發時采集船的位置，依此類推。采集船的航行速度可以根據采集船在相鄰兩次放炮的時間間隔內行進的路程求得，即

式中：v a為a炮數據采集時采集船的平均航行速度；T a為a炮的激發時間；Tb為b炮的激發時間；x A、y A分別表示參考點A的橫坐標和縱坐標；x B、y B分別表示參考點B的橫坐標和縱坐標。對于包括N個炮點的K炮線來說，可以根據式（1）分別計算出前N-1炮數據采集時采集船的平均航行速度，而炮線最后一炮（第N炮）采集時的平均船速則用相鄰的第N-1炮的平均船速代替。

按照式（1）計算K炮線上各炮數據采集時采集船的航行速度所需要的全部信息均可以從該炮線的P1／90導航文件中讀取。P1／90導航文件是英國勘探委員會（UKOOA，United Kingdom Offshore Operators Association）于20世紀90年代初制定的海上地震勘探導航格式文件，由ASCII碼編寫，每行80個字符。按照P1／90導航文件格式規定：每行記錄的首字符如果是V，則表示該行記錄是采集船參考點信息，不同列分別記錄了該炮點的坐標、海水深度、經緯度、炮線名、放炮時間等信息［4］。

圖2 三維海上拖纜數據采集過程示意圖

需要指出的是，P1／90導航文件所記錄的放炮時間信息只精確到1s，誤差較大，由此計算得到的采集船航速精度較低。圖3a是以K炮線的P1／90導航文件計算的放炮時間間隔，數值集中在7s和8s，包含較大的舍入誤差。圖3b是用此放炮時間間隔按式（1）求出的采集船航行速度，受時間精度影響，船速主要集中在2.65m／s和2.35m／s附近，中間數值存在空白，即表明采集船航行時速度總是在相差約0.3m／s的兩個速度之間來回跳變，這顯然與地震資料采集時采集船基本保持勻速航行的情況不符。這種情況可以通過從P2／94導航文件中提取相應的放炮時間得到改善。P2／94導航文件是P1／90導航文件的基礎文件，記錄的放炮時間精度達到了0.1s。P2／94導航文件同樣是UKOOA制定的海上地震勘探導航格式文件，用ASCII碼編寫，每行80個字符。按照P2／94導航文件格式規定：每行以E1000開頭的數據記錄了放炮時間，第59～66列是放炮時間［5］。圖4a是從K炮線的P2／94導航文件中提取的放炮時間間隔，數值主要分布在7.2～8.0s之間的間隔0.1s的條帶上，分選性更好。圖4b是用P2／94導航文件的放炮時間間隔求出的采集船航速，數值從2.38m／s逐漸變化到2.58m／s，相鄰兩炮船速的變化減小，更符合實際情況。

圖3 K炮線P1／90計算的放炮時間間隔（a）和采集船航速（b）

圖4 K炮線P2／94計算的放炮時間間隔（a）和采集船航速（b）

4 三維單炮數據接收點位移校正

當求出數據采集時每一炮的船速以后，就可以根據放炮時接收點的初始位置估算采集過程中接收點在任意時刻的空間位置，然后通過數據插值完成每一炮地震數據的接收點位移校正。但要指出的是，在海上實際數據采集時，接收電纜受洋流等環境因素影響，很難保持理想的直線狀態，長達數千米的電纜在海面上呈現出不同程度的彎曲，而電纜末端一般會偏離航線更遠的距離（要求羽角控制在10°以內［6］）。此外，為了防止接收電纜之間相互纏繞，纜間距一般控制在100～150m。然而，海水中地震子波的長度也在90～150m，聯絡線方向上地震信號采樣不足會產生嚴重的空間假頻［3］。因此，海上拖纜三維地震數據的三維數據插值沒有實際意義，實際地震資料處理中將單炮三維地震數據按接收電纜分組，在每條電纜上做二維或一維數據插值，實現三維數據的接收點位移校正。

由于海面上彎曲的采集電纜是條二維曲線，無法進行空間一維插值。為此，定義弧長坐標，如圖5所示。圖中的曲線代表海面上一條采集電纜，○是纜上的接收器，它的位置由（x，y）坐標確定。當采集電纜受拖船牽引移動時，纜上的接收器受電纜牽引，而洋流對接收器的作用力要遠小于電纜的牽引力，接收器沿著彎曲電纜的切線方向（箭頭方向）移動。在t=0時刻，以電纜上靠近拖船一端的首個接收點為原點，其弧長坐標為0，記作R00，定義放炮時各接收點的弧長坐標為

式中：rj是接收點j到接收點j-1的弧長；x j、y j分別表示第j個接收點的橫坐標和縱坐標。由于海面上采集電纜的真實形態難以準確描述，式（2）實際應用時以兩接收點間的直線距離近似替代弧長。因此，電纜上接收點k的位置可以描述為電纜上距離原點的折線距離為R k的點。通過空間映射將二維曲線變換成一條一維直線，方便一維插值計算。而t時刻采集電纜上各接收點相對于炮點激發時弧長坐標原點的弧長坐標的計算公式為

式中：v是采集船航行速度；t表示當前地震數據的記錄時間。當求出采集時接收點的實際位置后，就可以通過t-x域的二維插值或一系列時間點上的空間一維插值得到炮點激發時接收器所在位置的地震記錄。再逐條電纜進行數據插值，就完成了三維單炮拖纜數據的接收點位移校正。

圖5 計算弧長坐標示意圖

5 應用效果

5.1 模型驗證

圖6是Marmousi2縱波速度模型。設計海面上一條長3375m的采集電纜在拖船的牽引下自西向東移動，船速為2.5m／s，圖中分別用*和▽標識放炮時炮點和接收點的位置。采用二維有限元聲波方程數值模擬單炮記錄的波場空間分布，記錄時長為3.5s。圖7是模擬單炮記錄的接收點位移校正結果。由圖7a可以看出，海上拖纜采集地震數據因為接收信號時電纜保持勻速移動，導致實際接收記錄與期望采集記錄之間存在誤差。對比圖7a、圖7e可以看出，接收點位移校正消除了船速帶來的影響（圖7d），與放炮激發時固定位置上接收到的記錄（圖7c）趨于一致，僅海底反射波強能量有少量殘留（圖7e）。由此可見，單炮記錄插值可以有效去除拖纜采集數據的船速影響，將其校正為固定接收位置上采集的數據。

圖6 Marmousi2縱波速度模型

海上時移地震數據經過接收點位移校正后，消除了兩次采集時船速不同帶來的成像誤差，地震資料的一致性更好。為了檢測兩次成像結果的可重復性，需要對標志層位置的時窗內的成像結果做可重復性測量。這些檢測手段包括計算頻譜、相關系數、時移誤差、振幅比和均方根振幅差等［7］。目前最常用的重復性測量方法是計算NRMS（Normalized Root-Mean-Square difference，歸一化均方根差異）。NRMS值是兩次成像的振幅差的平均均方根振幅除以兩次成像的平均均方根振幅之和，即

式中：B是基礎剖面（前一次采集）；M是觀測剖面（后一次采集）。均方根算子定義為

式中：Ai是成像剖面時窗中的振幅；i是樣點序號，i=1，2，…，N，N是時窗中的樣點個數。時移地震用NRMS值檢測兩次處理結果的可重復性，如果NRMS=0，表示數據完全一致；如果NRMS=2，說明數據反相關；如果B和M只包含隨機噪聲，NRMS值受相位和振幅差、時移誤差和噪聲的影響，值越小說明重復性越好［8］。

圖8是對圖7中的單炮記錄分時窗計算NRMS值的比較。將圖8b看作基礎數據，圖8a和圖8c看作兩次不同的觀測數據，設置從淺至深3個時窗，分別計算校正前后的NRMS值。由圖8a可以看出，從淺至深的3個時窗內NRMS值逐漸增大，說明與圖8b的一致性逐漸變差，這是因為越晚到達的信號電纜越偏離放炮時的初始位置，船速帶來的誤差影響就越大。而接收點位移校正后，圖8c中1.0～1.5s時窗的NRMS值從校正前的0.094降至校正后的0.008，1.75～2.250s時窗的NRMS值從0.192降至0.006，2.5～3.0s時窗的NRMS值從0.261降至0.003，而整個記錄的NRMS值也從0.243降至0.103。校正后各個時窗的NRMS值相對校正前大幅降低，表明接收點位移校正降低了船速影響，提高了資料的一致性。

圖7 模擬單炮記錄的接收點位移校正前、后結果對比

圖8 圖7數據接收點位移校正前、后NRMS值比較

圖9是圖8單炮記錄加隨機噪聲后計算的NRMS值的比較。在圖9a、圖9b中分別添加了幅值為有效信號最大幅值10%的隨機噪聲。仍然從淺至深設置3個時窗，計算校正前、后的NRMS值。可以看出，添加噪聲后，各個時窗內的NRMS值較圖8都顯著增大。但經接收點位移校正后，1.0～1.5s時窗的NRMS值從校正前的1.350降至校正后的1.349，1.75～2.25s時窗的 NRMS值從1.269降至1.255，2.5～3.0s時窗的 NRMS值從1.370降至1.365，而整個記錄的NRMS值也從1.240降至1.226。校正后各個時窗的NRMS值相對校正前均有不同程度的降低，表明即使在很強的噪聲水平下，接收點位移校正仍然能夠降低船速影響，提高資料的一致性。

5.2 海上時移地震資料測試

圖9 加噪后的接收點位移校正前、后NRMS值比較

圖10 W區海上時移地震采集炮線分布示意圖

圖10是海上W區2003年和2013年時移地震采集的測線分布圖。從中選取兩條相鄰的主測線分別記作2003-44線和2013-17線，對這兩條測線的疊加剖面做可重復性測量，檢驗三維地震資料接收點位移校正的實際應用效果。圖11為兩條測線的疊加剖面。圖11a、圖11c在資料處理中采用了相同的處理參數，圖11b、圖11d兩個剖面的處理參數保持一致。從淺至深選取3個不同時窗計算接收點位移校正前后的NRMS值，其中1.2～1.5s的時窗內是該地區儲層上方的標志層位，其NRMS值從校正前的0.4972降為校正后的0.4956；1.5～1.7s的時窗內包含一套尚未開采的儲層，其NRMS值從校正前的0.5049降為校正后的0.5030；而1.9～2.2s的時窗內包含了一套開采層，經過10年的油氣開采，儲層物性發生改變，其NRMS值從校正前的0.5968增大為校正后的0.5972。在保持相同處理參數的情況下，時移地震數據經接收點位移校正后減小了因兩次采集時船速不同帶來的成像誤差，使得資料的一致性更好，這有利于突出儲層物性變化的地震響應，提高了油氣藏變化監測的精度。

圖11 時移地震資料接收點位移校正前、后的疊加剖面對比

6 結論

本文圍繞提高海上時移地震資料一致性提出了接收點位移校正方法，可以得出以下幾點結論。

（1）海上拖纜采集的地震數據都存在接收點位移校正問題。地震信號的實際接收位置較記錄位置靠前，越晚到達的信號偏離實際位置越遠；

（2）接收點位移校正能夠降低兩次地震采集時船速不同帶來的非油藏因素影響，是時移地震資料處理的必要步驟；

（3）本文接收點位移校正方法利用P2／94導航文件的時間信息計算船速，建立弧長坐標，將平面上的曲線映射為弧長坐標中的直線，對單炮記錄逐條纜線做插值校正，實際應用結果證明其有效提高了時移地震資料的一致性。

［1］ 謝里夫R E，吉爾達特L P編；初英等譯.勘探地震學.北京：石油工業出版社，1999.

［2］ 渥·伊爾馬滋著；黃緒得等譯.地震數據處理.北京：石油工業出版社，1994.

［3］ 陸基孟.地震勘探原理.山東東營：中國石油大學出版社，2006.

［4］ http：∥www.seg.org／documents／10161／77915／ukooa_p1_90.pdf

［5］ http：∥www.seg.org／documents／10161／77915／ukooa_p2_94.pdf

［6］ 海上拖纜式地震資料采集技術規程.中華人民共和國石油天然氣行業標準，SY／T 10015-2013.Technical specifications for towed streamer marine seismic data acquisition.Standard of Petroleum and Natural Gas Industries，P.R.C.SY／T 10015-2013.

［7］ Eiken O，Haugen G U，Schonewille M et al.A proven method for acquiring highly repeatable towed streamer seismic data.Geophysics，2003，68（4）：1303-1309.

［8］ David H J.Practical Applications of Time-lapse Seismic Data.SEG Distinguished Instructor Series，16，2013.

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A

10.13810／j.cnki.issn.1000-7210.2017.01.001

薛東川，朱振宇，王小六，何洋洋.海上拖纜采集地震數據接收點位移校正.石油地球物理勘探，2017，52（1）：1-7.

1000-7210（2017）01-0001-07

*北京市朝陽區太陽宮南街6號中海油大廈B座，100028。Email：xuedch＠cnooc.com.cn

本文于2016年3月28日收到，最終修改稿于同年11月22日收到。

本項研究受中海油有限公司綜合研究項目“海上時移地震技術優化與應用”（YXKY-2015-ZY-03）和國家重大專項課題“中國近海中深層地震勘探關鍵技術”（2016ZX05024001）聯合資助。

（本文編輯：金文昱）

薛東川 1979年生；2001年獲青島海洋大學應用地球物理專業學士學位；2004年獲中國石油大學（北京）地球探測與信息技術專業碩士學位；2007年獲中國石油大學（北京）地質資源與地質工程專業博士學位。現就職于中海油研究總院，從事高性能計算和地震數據處理方法研究。