深水區直達波子波提取氣泡效應壓制技術

任　婷　彭海龍*　覃殿明　赫建偉　劉　兵　鄧　盾

(①中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；②中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，廣東湛江 524057)

1　引言

在海上地震數據采集過程中，由于氣槍震源自身的特點以及海面的強反射，造成地震資料中存在強能量的虛反射以及氣泡效應[1]。氣泡效應也稱延續相位，它是氣槍在水中激發的瞬間，在氣泡膨脹和破裂時產生的第二次沖擊波[2]。這種在海洋地震勘探中普遍存在的特有現象，嚴重影響地震資料的分辨率和信噪比，并導致非常嚴重的子波延續相位。在海上地震資料的中深層，隨著大地吸收濾波作用增強，后續的氣泡效用得到放大，子波形態加長、變粗。在地震剖面上，通常表現為地震同相軸變粗，資料分辨率降低，且出現雙基底情形，嚴重困擾后續解釋工作。對此，早期的處理手段是采用反褶積法進行氣泡效應壓制，此類方法不僅會改變子波形態，且壓制效果不好，影響資料保真度。

于是，人們對氣泡效應壓制展開了大量研究。在子波模擬研究方面，狄幫讓等[3]和陳浩林等[4]較早開始對氣槍震源理論子波進行了初步研究，同時實現了氣槍震源子波的數值模擬； 隨后，倪成洲等[5,6]、陳浩林等[7-10]進一步研究了基于近場子波模擬遠場子波的方法，并進行了遠場子波的應用研究[5-13]。除了從子波模擬角度壓制氣泡效應外，趙秀鵬[14]討論了應用氣泡相干組合原理，對氣槍的子波性能進行改善。李緒宣等[15]指出立體震源不僅可提高陷波能量，還可減小氣泡效應。通過從地震資料提取或者槍陣組合模擬的方法獲得地震子波，對子波進行相應處理，獲得氣泡效應壓制后的確定性子波； 再設計維納濾波器，獲得氣泡效應壓制算子，并將算子應用于數據處理過程。同時對深水區地震資料進行分析發現，直達波完好地記錄了地震子波的激發形態，與實際模擬得到的子波形態相符。然而，深水OBC資料因易受水層折射波干擾，提取子波較差，以致氣泡效應壓制效果不好。因此，在沒有遠場子波的情況下，通過從直達波提取的子波壓制氣泡效應，該方法已對多個深水工區的拖纜資料進行了試驗，取得了很好的應用效果。

2　子波及直達子波的提取

在沒有遠場子波的時候，可應用統計子波壓制氣泡效應。王衛華[16]、劉明洋等[17]提出多道統計子波反褶積技術，通過壓制氣泡效應提高地震資料分辨率。對于統計性子波反褶積而言，雖然能解決延續相位問題，但對地震資料有效信號的振幅、相位改變很大，保幅性差，目前，該方法已很少在處理中使用。

在具有遠場子波的情況下，可以通過遠場子波預測反褶積處理壓制氣泡效應。劉仁武等[18]、陳浩林等[8]利用遠場子波進行遠場子波預測反褶積處理，在保幅保真的同時，能夠壓制延續相位，從而提高了地震資料的分辨率。通常情況下，采集過程中并沒有接收到真實的遠場子波，所謂的遠場子波往往是通過專業軟件模擬獲得[19]，所獲子波往往與真實地震子波存在一定差異，因此由模擬子波反褶積很難完全壓制氣泡效應。雖然遠場子波反褶積較傳統的多道統計反褶積方法保幅性更好，不會壓縮子波[20，21]，但該方法要求模擬子波與實際地震子波較為吻合。

對于海洋深水資料，在沒有模擬子波和遠場子波的情況下，用直達波提取子波壓制氣泡效應，可以取得較好的效果。深水情況下，直達波與地層反射存在較大時差，可從直達波中看到完整的氣泡縮脹過程，也能較好地識別氣泡效應。因此，選取直達波時間段，對近道剖面進行潮汐校正，讓主脈沖在同一基準面，再選取波形較好的信號進行同向疊加，從而獲得所需要的子波。由于直達波中真實記錄了氣泡周期、初泡比等信息，是真實子波的反映，相對于模擬子波而言，用直達波提取的子波進行確定性子波反褶積可以更好地壓制氣泡。

選取M工區一條測線，首先對原始炮集做高通濾波處理，主要濾除低頻干擾，抽取近炮檢距道集(圖1)。 從該道集上，可看到嚴重的子波氣泡效應。具體表現為直達波在時間上的重復出現， 該現象類似于多次波，具有周期性。氣泡效應是高壓氣體進入海水后，在海水壓力作用下反復震蕩導致的，在子波上表現為相位延續，嚴重影響地震資料的成像。通過對近道進行校正處理，選擇優勢段進行子波統計，提取了準確的地震子波。由于同一施工條件下氣槍容量、工作壓力以及氣槍沉放深度固定，因此氣泡震蕩周期固定，子波形態基本保持不變，且水體傳播過程中相對穩定，所以從近道提取的子波可壓制遠道數據的氣泡效應。從直達波中抽取的子波(圖2)形態上可看到子波氣泡效應嚴重，初泡比較低，且二級氣泡能量仍然很強。該現象在近炮檢距道集上就表現為直達波的時間重復，明顯看到氣泡的震蕩效應(圖1)。

圖2　從直達波中提取的地震子波

3　氣泡效應壓制

得到子波信息之后，根據實際資料的情況，設計處理流程。由于直達波中包含準確的氣泡信息，能量級別與實際數據一致。因此不需要進行子波的振幅匹配，這也是該方法的一大優勢。

3.1　氣泡效應壓制原理

在深水情況下提取子波較為容易，利用直達波或者海底反射數據信息，可直接從近炮檢距道集上提取。對于淺水情況，目前主要使用遠場子波，很難從地震資料中提取較為理想的子波。

當獲取地震子波之后，可利用預測反褶積或者直接截斷的方法得到一個期望輸出子波。然后通過設計合理的維納濾波器，將實際提取的子波x(t)整形為期望輸出的子波形狀d(t)，從而獲得整形算子f(τ)，將f(τ)應用到實際數據可壓制氣泡效應。

具體子波處理過程是： 根據直達波提取子波(圖2)與期望輸出子波(圖3a)求取濾波算子(圖3b)；將求取的濾波算子用于壓制實際資料中的氣泡效應(圖4)。

通過對比氣泡壓制前后的子波和頻譜圖可看到，在壓制氣泡效應之前，由于氣泡效應的存在，頻譜中存在“低頻抖動”。壓制氣泡效應之后，頻譜中低頻端更加光滑。

圖3　期望輸出子波(a)及濾波算子(b)

圖4　壓制氣泡效應前(a)、后(c)的子波及對應頻譜(b,d)

3.2　實際資料測試

首先分析淺層數據中的氣泡表現形式。采用某深水工區的實際拖纜數據，進行氣泡效應壓制處理。對比處理前后的速度譜可見，氣泡效應得到有效的壓制(圖5右)。

從氣泡效應壓制前后的道集中可看到類似于多次波的同相軸(圖5左)，在速度譜上表現為低速。經過氣泡效應壓制后該同相軸消失，且對應的低速能量團消失，說明該同相軸是氣泡導致的。下面從整體上分析氣泡效應的表現形式和壓制效果。

從氣泡壓制前后的炮記錄(圖6)可見： 氣泡效應壓制前，淺層存在類似多次波的同相軸(藍色橢圓)，且中深層延續相位較為嚴重(紅色橢圓)； 壓制氣泡效應后，淺層和中深層延續相位得到有效消除。以此為基礎進行初疊，從初疊剖面(圖7)上進一步分析對比氣泡效應壓制效果(圖中藍線表示圖6道集所在位置)。

圖5　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的道集(左)及速度譜(右)圖中的藍色箭頭和紅色箭頭分別對應一階氣泡和二階氣泡

圖6　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的炮記錄

對比圖7中藍色方框和藍色箭頭處，可見壓制氣泡前地震資料中存在較強的延續相位，在中深層尤其嚴重； 氣泡效應壓制后地震剖面上的延續相位得到有效壓制，中深層的成像品質得到改善。

圖7　氣泡效應壓制前(a)、后(b)的疊加剖面

4　處理效果對比

在沒有遠場子波的情況下，通常采用反褶積或者統計子波的方法進行氣泡效應壓制。然而，受到地層反射和氣泡效應混合影響，統計子波方法很難提取合理的地震子波，其波形相位和遠場子波具有較大的差異。反褶積雖然能解決部分延續相位問題，但是對地震資料有效信號的振幅、相位改變很大，氣泡效應壓制效果欠佳。兩種子波的提取結果如圖8所示。

由兩種子波的頻譜(圖8b和圖8d)可見，統計子波很難得到正確的氣泡形態，因此該方法很少再使用(圖8d)。常規處理中，由于脈沖子波反褶積對有效數據的振幅、相位改變較大，保幅性差，實際生產基本不用。針對原始疊加數據(圖9)，預測反褶積對深層特別是基底位置的低頻延續相位也有一定的壓制作用，但效果較差。利用本文所提出的方法，在沒有遠場子波的情況下也能獲得很好的應用效果，與預測反褶積的效果(圖10)相比，該方法的氣泡效應壓制效果(圖11)明顯更好。

對比原始數據與預測反褶積后的疊加剖面， 可看到預測反褶積雖能有效壓制圖中藍色方框中的氣泡效應，但是對淺層的成像有一定的影響。利用從直達波中提取的子波進行氣泡效應壓制，除了方框中位置外，箭頭所指處氣泡效應也能得到很好的壓制，在有效解決延續相位問題下，不會對淺層的數據成像帶來干擾，相比較預測反褶積而言，具有很高的保真度。

圖8　遠場子波(a)、統計子波(c)及對應頻譜(b、d)的對比

圖9　原始疊加數據

圖10　預測反褶積氣泡效應壓制后疊加剖面

圖11　直達波提取的子波氣泡效應壓制后疊加剖面

5　結論

通過理論模擬和實際資料的驗證，海上地震資料中的直達波能夠直觀地反映激發子波的相關特征，提取的子波中包含真實有效的氣泡信息。用該子波進行確定性子波反褶積，取得了很好的效果，與采用預測反褶積壓制氣泡效應結果相比，該方法的氣泡壓制效果更好。經過氣泡效應壓制處理后，在保持地震資料信噪比的情況下，其分辨率能夠得到明顯的提高。通過一系列實際數據的對比分析，發現地震資料中相位延續的強弱與氣槍激發時的初泡比和周期相關，經過動校正后的數據，提取的子波其周期發生改變。因此，需要在非動校正的數據上進行提取。

為了進一步對氣泡效應進行壓制，建議在采集時提高震源的初泡比，以減弱氣泡效應，同時預測反褶積與本方法組合應用，能更好的地壓制氣泡效應。

[1] 王紅麗,丁在宇,桂德軍等.震源子波反褶積在海洋地震資料處理中的應用.石油物探,2013,52(1)：49-54.

Wang Hongli,Ding Zaiyu,Gui Dejun et al.Application of seismic source wavelet deconvolution in marine seismic survey.GPP,2013,52(1)：49-54.

[2] 陳浩林,於國平.氣槍震源單槍子波計算機模擬.物探裝備,2002,12(4)：241-244.

Chen Haolin and Yu Guoping.Computer simulation for single air gun signature.Equipment for Geophysical Prospecting,2002,12(4)：241-244.

[3] 狄幫讓,唐博文,陳浩林等.氣槍震源的理論子波研究.石油大學學報(自然科學版),2003,27(5)：32-35.

Di Bangrang,Tang Bowen,Chen Haolin et al.Study on theoretical waveform from air guns.Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2003,27(5)：32-35.

[4] 陳浩林,寧舒年,熊金良等.氣槍陣列子波數值模擬.石油地球物理勘探,2003,38(4)：363-368.

Chen Haolin,Ning Shunian,Xiong Jinliang et al.Numerical simulation of air-gun array wavelet.OGP,2003,38(4)：363-368.

[5] 倪成洲,陳浩林,牛宏軒.基于近場測量氣槍陣列遠場子波模擬軟件研發.物探裝備,2008,18(1)：11-17.

Ni Chengzhou,Chen Haolin,Niu Hongxuan.Development of software based on near field measurement of airgun array for simulation of far-field wavelet.Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(1)：11-17.

[6] 倪成洲,陳浩林,牛宏軒.基于近場測量氣槍陣列遠場子波模擬軟件開發.石油物探,2008,46(5)：521-531.

Ni Chengzhou,Chen Haolin,Niu Hongxuan.Development of software based on near field measurement of airgun array for simulation of far-field wavelet.GPP,2008,46(5)：521-531.

[7] 陳浩林,全海燕,劉軍等.基于近場測量的氣槍陣列模擬遠場子波.石油地球物理勘探,2005,40(6)：703-707.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Liu Jun et al.Simulation of far-field wavelet based on near-field measuring gun-array.OGP,2005,40(6)：703-707.

[8] 陳浩林,倪成洲,邢筱君.氣槍陣列遠場子波模擬與應用.石油地球物理勘探,2008,43(6)：623-625.

Chen Haolin,Ni Chengzhou,Xing Xiaojun et al.Simulation and application of far-field wavelet for airgun array.OGP, 2008,43(6)：623-625.

[9] 陳浩林,全海燕,於國平等.氣槍震源理論技術綜述(上).物探裝備,2008,18(4)：211-217.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Yu Guoping et al.Summary of airgun source theory and technology (1).Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(4)：211-217.

[10]陳浩林,全海燕,於國平等.氣槍震源理論技術綜述(下).物探裝備,2008,18(5)：300-308.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Yu Guoping et al.Summary of airgun source theory and technology (2).Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(5)：300-308.

[11]葉亞龍,李艷青,張阿漫.平面氣槍陣列遠場子波模擬及優化.石油地球物理勘探,2015,50(1)：8-13.

Ye Yalong,Li Yanqing,Zhang Aman.Simulation and optimization of far-field signature of planar air-gun arrays.OGP,2015,50(1)：8-13.

[12]張鵬,楊凱,李欣等.海上空氣槍點震源陣列的優化設計及應用.石油地球物理勘探,2015,50(4)：588-599.

Zhang Peng,Yang Kai,Li Xin et al.The optimal design of point source air-gun array in marine and its application.OGP,2015,50(4)：588-599.

[13]熊忠,高順莉,張敏強等.上下源寬線地震采集技術在南黃海中部隆起的應用.石油地球物理勘探,2016,51(4)：647-653.

Xiong Zhong,Gao Shunli,Zhang Minqiang et al.Wide line seismic acquisition with over/under sources in the central uplift of South Yellow Sea Basin.OGP,2016,51(4)：647-653.

[14]趙秀鵬.海洋氣槍震源組合及子波模擬.油氣地質與采收率,2004,11(4)：36-39.

Zhao Xiupeng.Marine air gun array source and wavelet simulation.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2004,11(4)：36-38.

[15]李緒宣,王建花,張金淼等.海上氣槍震源陣列優化組合設計與應用.石油學報,2012,33(SI)：142-148.

Li Xuxuan,Wang Jianhua,Zhang Jinmiao et al.Design and application of air-gun arrays in marine seismic exploration.Acta Petrolei Sinica,2012,33(SI)：142-148.

[16]王衛華.提高地震剖面信噪比和分辨率的一種新途徑.石油地球物理勘探,1997,32(2)：246-256.

Wang Weihua.A new way of improving both signal/noise ration and resolution of seismic section.OGP,1997,32(2)：246-256.

[17]劉明洋,郭韜,沈銘成等.多道統計法提取子波及其應用.石油天然氣學報,2010,32(5)：238-240.

Liu Mingyang,Guo Tao,Shen Mingcheng et al.Using multi-track statistical method for extracting wavelet and its application.Journal of Oil and Gas Technology,2010,32(5)：238-240.

[18]劉仁武,陳浩林,劉軍等.極淺水域地震采集氣槍震源設計與應用.石油地球物理勘探,2010,45(4)：478-481.

Liu Renwu,Chen Haolin,Liu Jun et al.Airgun designing and application in seismic acquisition in extremely shallow water area.OGP,2010,45(4)：478-481.

[19]張鵬，李欣，楊凱等．海洋空氣槍點震源陣列優化組合設計與應用．石油物探，2015，54(3)：292-300．

Zhang Peng，Li Xin，Yang Kai et al．The optimal design of four sub-arrays point-source air-gun array in offshore seismic exploration，GPP，2015，54(3)：292-300．

[20]王紅麗，丁在宇，桂德軍等．震源子波反褶積在海洋地震資料處理中的應用．石油物探，2013，52(1)：49-54．

Wang Hongli，Ding Zaiyu，Gui Dejun et al．Application of seismic source wavelet deconvolution in marine seismic survey．GPP，2013，52(1)：49-54．

[21]丁繼才，孫文博，黃小剛等．海上地震數據全波形反演實際應用．石油物探，2017，56(1)：75-80

Ding Jicai，Sun Wenbo，Huang Xiaogang et al．The strategies of FWI realization for marine seismic data．GPP，2017，56(1)：75-80．