OBC水陸檢數據合并處理技術

高少武 錢忠平 馬玉寧 王成祥 黃少卿 方云峰

(中國石油集團東方地球物理公司，河北涿州 072750)

1 引言

隨著地震勘探技術的發展，海上油氣勘探對地震資料的信噪比和分辨率要求越來越高。OBC(ocean bottom cable，海底電纜)是一種聯合海上和陸地地震數據采集技術。海水鳴震多次波是海上地震勘探數據中最大的噪聲干擾。OBC水陸檢數據合并處理技術的最大優點是可以有效消除海水鳴震多次波。由水陸檢波器記錄的同一個地下界面一次反射，具有相同極性的同相軸，而虛反射和海水鳴震等具有相反的極性。通過水陸檢數據適當合并與組合，不但可以消除接收點虛反射，而且可以消除所有水體交混回響[1-5]。為了適當組合水陸檢數據，必須把陸檢數據標定到相應的水檢數據，以使地表反射同相軸具有相同幅度[6]。利用水陸檢數據振幅和極性特征差異，可以有效消除海水鳴震多次波干擾[7]。其中，計算標定因子、海水深度、海底反射系數等參數構成了室內海上地震數據處理消除海水鳴震多次波干擾的根本方法和關鍵步驟。

目前，通常采用掃描方法估算標定因子、海水深度、海底反射系數等參數[8-18]。標定因子估算時，預先設定一個標定因子范圍值和掃描步長，采用掃描方法給出一系列的標定因子值； 然后計算水中檢波器數據和陸地檢波器數據的數據和，再對數據和計算自相關函數，由自相關函數計算最大方差模； 最后由最大的最大方差模值，確定出標定因子數值。該方法需要大量的自相關計算和最大方差模計算，因此計算非常費時。常規處理方法采用上行波場與下行波場數據互相關方法計算確定海水深度。首先使用水中檢波器數據和陸地檢波器數據，計算上行波場與下行波場數據；然后計算上行波場與下行波場數據互相關，由互相關函數最大值，確定出海水深度值。由于在實際水中檢波器數據和陸地檢波器數據中包含著各種噪聲干擾，雖然合并處理之前都會進行噪聲壓制處理，但也會存在剩余噪聲。特別是，由于水陸檢數據有效頻帶范圍不同，剩余低頻噪聲和高頻噪聲分布也不同，尤其是陸檢數據包含著比較強的剩余面波干擾。另外，疊前水陸檢數據上還可能包含較強的剩余強振幅能量干擾。這樣使用水中檢波器數據和陸地檢波器數據計算的互相關函數也包含著各種噪聲成分。因此使用包含噪聲的互相關函數確定出的海水深度，存在很大的誤差。常規處理采用掃描方法計算確定海底反射系數。其預先設定一個海底反射系數范圍值和掃描步長，采用掃描方法給出一系列的反射系數值，對一系列海底反射系數，計算一系列Backus[19]海水鳴震多次波逆濾波器算子，對頻率域水陸檢上行波場數據(即，水陸檢波器數據之和)乘以Backus海水鳴震多次波逆濾波器算子，得到濾波處理后的上行波場數據； 然后利用傅里葉逆變換，將上行波場數據變換到時間域，在時間域計算一系列波場數據能量，其中最小能量所對應的海底反射系數，就是所求最佳海底反射系數。該方法需要大量的自相關計算和最大方差模計算，因此計算非常費時。

2 方法原理

實際上在早期的OBC數據中，由于是在淺水區采集數據，第一個頻率凹陷已經超出了地震數據的有效頻帶，當上行波場與下行波場疊加在一起時，人們總是看到數據有一個明顯的90°相移。隨著深水區數據采集技術的發展，人們才認識到這些頻率凹陷并不是水陸檢數據之間存在相移，而是微屈反射鳴震多次波算子引起水陸檢數據之間存在90°相移。所以在OBC水陸檢數據合并處理之前，并不需要做相位處理[9]，而僅僅需要做振幅處理。因此在頻率域水陸檢數據合并處理公式簡化為

(1)

Z=ei ω τ

(2)

(3)

式中：S為水陸檢合并處理后數據；H為水中檢波器數據；G為陸地檢波器數據；α為最佳標定因子；A為合并后數據期望均方根振幅；AH為水中檢波器道集數據平均均方根振幅；AG為陸地檢波器道集數據平均均方根振幅；Rs為水面反射系數，由用戶給定；R為最佳海底反射系數；Z為延遲算子；ω為圓頻率；τ為海水雙程旅行時間；D為海水深度；V為海水速度。

水陸檢數據合并處理涉及到數據均方根振幅、標定因子、海底反射系數和海水深度等參數估算。因此在合并處理前必須計算數據均方根振幅和準確估算參數。

2.1 水陸檢數據均方根振幅匹配技術

在實際水陸檢波器數據合并處理中，由于水中檢波器和陸地檢波器的接收機理和制作工藝不同，不僅導致兩種檢波器接收數據之間能量存在差異，而且導致兩種接收數據之間存在相位差異。水陸檢數據參數計算與合并處理之前，必須進行振幅和相位處理，使水陸檢數據振幅和相位匹配。高少武等[20,21]詳細論述了相關特征匹配法OBC水陸檢數據匹配技術。本文方法直接采用均方根振幅匹配方法進行振幅匹配。如果認為有必要進行相位匹配處理，則直接采用常相位校正技術[22,23]。

實際數據處理時，對于一個接收點道集，選擇某些炮檢距和某個時窗數據，計算水陸檢數據整個道集平均均方根振幅

(4)

(5)

式中：Hi,j和Gi,j分別為共接收點道集水檢和陸檢地震數據；i表示時窗的道序號，i=1、2、3、…、L，L表示總道數；j表示時窗的樣點序號，j=1、2、3、…、N,N表示時間樣點數。

2.2 標定因子估算技術

在OBC數據中，數據能量由地下反射波能量和海水鳴震多次波能量構成。數據自相關包含地下反射波自相關和海水鳴震多次波自相關。地下反射波自相關函數能量集中在自相關函數零點附近，而海水鳴震多次波自相關能量位于遠離自相關函數零點處。消除海水鳴震多次波后，數據已經消除了多次波能量，剩下地下反射波能量，即零點附近自相關函數值保持不變，而遠離零點處自相關函數值減小。自相關函數方差模反映了這種關系，因此為了有效估算標定因子，使用自相關函數方差模最小作為確定標定因子求取準則。本文基于合并數據自相關函數方差模最小準則，采用相關函數特征法，直接計算確定OBC水陸檢數據標定因子[24，25]。

2.3 海底反射系數估算技術

在包含海水鳴震多次波的OBC數據中，數據的能量由地下反射波的能量和海水鳴震多次波的能量構成。消除海水鳴震多次波后，地震數據中，已經消除了多次波能量，剩下地下反射波的能量。因此為了有效估算海底反射系數，使用地震數據能量最小作為確定海底反射系數的準則?；诤喜祿芰孔钚蕜t，高少武等[26]推導出了波場延遲特征方法，直接計算確定海底反射系數。本文采用這一技術估算海底反射系數。

2.4 海水深度估算技術

常規處理采用上行波場與下行波場數據互相關方法計算確定海水深度。由于水陸檢數據有效頻帶范圍不同，低頻噪聲和無用高頻分布也不同，尤其是陸檢數據包含著較強的面波干擾，且水陸檢數據還包含強振幅能量干擾。這樣由水中檢波器數據和陸地檢波器數據計算的互相關函數，也包含著各種噪聲成分。而使用包含噪聲的互相關函數確定海水深度，存在很大誤差。高少武等[27，28]推導出水陸檢數據分段歸一化相關譜方法和互雙譜方法，計算確定海水深度。本文采用分段歸一化互雙譜方法，直接估算OBC水陸檢數據海水深度。

3 數據試算

圖1是某地區海上OBC采集的一個實際炮集數據對比，數據時間采樣間隔為1ms； 圖2是數據頻譜對比； 圖3是自相關函數對比，制作頻譜數據和自相關數據范圍：道號為296～336，時間為1000～2400ms。

圖1 炮集數據對比

圖2 炮集數據頻譜對比

從數據、頻譜和自相關可以看出：①水檢數據包含很強的高頻噪聲和海水鳴震多次波干擾，并且造成頻譜明顯的頻率凹陷；②陸檢數據包含著異常道，但海水鳴震多次波干擾較弱，頻率凹陷并不明顯；③水陸檢數據有效頻帶存在差異，水檢數據有效頻帶高頻豐富，而陸檢數據有效頻帶低頻豐富；④水陸檢數據能量差異較大，水檢數據能量較強，而陸檢數據能量較弱。

針對實際水陸檢數據資料特點，開發研制出相應的OBC數據合并處理軟件和技術，包括：OBC水陸檢數據分離與匹配、OBC水陸檢數據分析與參數計算和OBC水陸檢數據合并處理三個模塊，用于OBC數據合并處理。OBC水陸檢數據分析與參數計算就是對OBC水陸檢數據進行振幅和相位分析以及相關和頻譜分析，計算確定水陸檢數據平均均方根振幅、標定因子、海水深度、海底反射系數等參數。利用這些參數，可以對輸入數據進行合并處理，并用于水陸數據合并質量控制。

圖4和圖5分別是水、陸檢及合并疊加數據及其頻譜對比。由圖可見，本文方法合并后的疊加數據細節明顯優于現有方法，在頻譜為60Hz以下時，本文方法合并數據的振幅與現有方法相當； 在頻譜為60Hz以上時，本文方法合并數據的振幅超過現有方法，說明本文方法提高了高頻成分的能量，即拓寬了有效頻帶。

圖6是估算參數對比，估算與實測海水深度絕對誤差小于1.5m，相對誤差小于9%，誤差較大部位位于圖7(藍色為接收點，構成4條OBC海底電纜線，紅色為炮點)最左邊、最右邊和中左部位，這是由于缺少炮點、覆蓋次數少而導致參數估算誤差較大。

圖3 炮集數據自相關函數對比

圖4 疊加數據對比

圖5 疊加數據頻譜對比

由數據、頻譜和自相關函數顯示可以看出，本方法處理結果有效壓制了水陸檢數據海水鳴震多次波干擾，吸收了陸檢數據的低頻成分和水檢數據的高頻成分，有效拓寬了海底電纜數據的有效頻率帶寬，提高了OBC數據的分辨率。利用本方法估算的標定因子、海底反射系數和海水深度參數，有效消除了水層產生的多次波干擾，提高了OBC數據信噪比。因此，本文方法估算的參數，可以滿足實際數據處理要求。

圖6 估算參數

圖7 炮點和接收點位置圖

4 結論

(1)本文方法可以實現標定因子、海底反射系數和海水深度估算，是OBC水陸檢波器數據合并處理中標定因子、海底反射系數和海水深度估算的有效方法。

(2)本文方法的OBC合并處理技術，有效地壓制了水陸檢數據海水鳴震多次波干擾，吸收了陸檢數據的低頻成分和水檢數據的高頻成分，有效拓寬了海底電纜數據的有效頻率帶寬，提高了OBC數據的分辨率。

(3)水中檢波器與陸地檢波器數據互相關函數特征方程、延遲波場、分段互相關功率譜的引入，使得標定因子、海底反射系數和海水深度三個參數的估算更加穩定和準確。