復雜近地表多次波分析及壓制方法探討
——準噶爾盆地腹部地震資料處理實例

林 娟 蔣 立 潘 龍 冷雪梅 張欣吉 游 偉

(中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，新疆烏魯木齊 830013)

1 研究背景

中國新疆準噶爾盆地腹部前哨地區(qū)的地震剖面存在公益林區(qū)與沙漠區(qū)波組差異大的特征(圖1)，通過原始單炮初至的頻譜分析，可看出該區(qū)頻譜普遍存在“陷波”特征。針對此現(xiàn)象，從原始單炮對應的不同地表條件的激發(fā)及接收因素、表層結構、正演子波模型分析等多角度進行分析，發(fā)現(xiàn)此“陷波”現(xiàn)象是由近地表多次波引起，當多次波與有效反射波重疊時，地震資料頻譜就會出現(xiàn)明顯的“兩凸一凹”，即“陷波”現(xiàn)象。

圖1 公益林及沙漠區(qū)初疊剖面

多次波壓制是地震數(shù)據(jù)處理的一個難題，現(xiàn)今主要應用拋物線拉東變換、SRME等多次波去噪方法[4-6]，同時由于多次波在時間上呈現(xiàn)一定規(guī)律性，因此人們就利用預測反褶積去除多次波。預測反褶積步長可通過自相關得到，同時運行速度快，目前已經(jīng)成為壓制多次波的一種常用方法[7]。

針對近地表多次波引起的“陷波”，結合子波模型正演模擬分析，本文研究了基于旅行時的空變預測步長反褶積方法對近地表引起的多次波進行壓制；結合壓制后剖面自相關分析結果，串聯(lián)應用自相關第一波谷時間空變步長反褶積，更徹底地壓制殘存的近地表多次波[7]，消除或改善了“陷波”特征及剖面上“陰陽臉”現(xiàn)象，提升了資料品質。

2 方法原理

2.1 近地表多次波產(chǎn)生機理

2.1.1 不同震源類型分析

準噶爾盆地腹部前哨1井三維及相鄰的前哨2井三維地震均使用可控震源激發(fā)，其單炮記錄頻譜均存在“兩凸一凹”的“陷波”特征。為了進一步分析此現(xiàn)象與震源類型是否相關，在該區(qū)相同位置分別選取一條2007年井炮采集的二維測線及2017年可控震源采集的二維測線。從單炮的相同初至范圍的頻譜分析(圖2)可見，井炮激發(fā)記錄中看不出明顯的“陷波”特征。究其原因是井炮的激發(fā)點處于高速層以下，地震波在傳播過程中打穿高速層，因此即使存在近地表多次波也不明顯。

圖2 井炮(藍色)和可控震源(紅色)激發(fā)單炮的頻譜

2.1.2 激發(fā)、接收因素分析

由于該區(qū)主要為公益林和沙漠兩種類型的地表，因此選取激發(fā)位置分別在沙漠、公益林和過渡帶等三類典型地區(qū)的多個單炮記錄，進而結合接收位置分別處于公益林和沙漠區(qū)的初至波頻譜分析，發(fā)現(xiàn)所有位置均存在“陷波”特征(圖3～圖5)。由此可知：無論激發(fā)位置和接收位置處于公益林或沙漠區(qū)，均存在“陷波”現(xiàn)象；對頻譜細致對比可看出，公益林區(qū)的“陷波”特征較沙漠區(qū)更加明顯。

圖3 公益林區(qū)激發(fā)典型單炮及不同位置點(紅框)的頻譜

圖4 沙漠區(qū)激發(fā)典型單炮及不同位置點(紅框)的頻譜

圖5 過渡區(qū)激發(fā)典型單炮及不同位置點(紅框)的頻譜

結合本區(qū)Inline方向(圖6a)表層模型(圖6b)和不同位置微測井時距曲線分析(圖7)，可見目標區(qū)自公益林區(qū)向沙漠區(qū)(從西向東)方向表層厚度逐漸增厚，公益林區(qū)表層厚度約6～8m，沙漠區(qū)表層厚度近40m。根據(jù)沙層吸收衰減一般規(guī)律，隨著沙漠區(qū)表層厚度增大，吸收作用增強，這也是沙漠區(qū)接收的波場“陷波”現(xiàn)象較公益林區(qū)弱的原因之一。

圖6 目標區(qū)衛(wèi)星圖(a)及表層模型(b)

圖7 公益林區(qū)(a)、過渡區(qū)(b)及沙漠區(qū)(c)三種典型地表的微測井時距曲線下標“0”代表低速層，下標“1、2、3”對應不同降速層；速度超過1800m/s即認為是高速層；Va、H表分別為地表層的平均速度和總厚度

2.2 理論子波模型分析

為了進一步分析“陷波”產(chǎn)生的原因及具體位置，首先設計了7個不同反射系數(shù)模型[8-10]，有效波子波振幅為1.0，多次波反射系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，時間間隔為20ms，從這7個反射系數(shù)模型的頻譜(圖8)可知：多次波反射系數(shù)越大，其“陷波”作用越強。又針對0.5反射系數(shù)分別采用10、20和30ms間隔構建三個反射系數(shù)模型，從該三模型頻譜(圖9)可見，時間間隔越小，“陷波”頻帶越寬。

圖8 不同反射系數(shù)濾波頻譜

圖9 10ms(a)、20ms(b)、30ms(c)旅行時對應的子波頻譜

圖10a是用30Hz雷克子波與時間間隔為30ms的反射系數(shù)模型褶積產(chǎn)生的合成記錄，該模型上、下層反射系數(shù)分別是1.0和-0.5，并得到相應的頻譜分析結果(圖10c)；圖10b是對該合成記錄應用30ms時間步長的預測反褶積處理后記錄，可見多次波旁瓣得到較好的壓制，同時從其頻譜分析圖(圖10d)中也可看出“陷波”現(xiàn)象基本消除。

圖10 10ms(a)、20ms(b)、30ms(c)旅行時對應的子波頻譜預測反褶積前、后的子波(a、b)及頻譜(c、d)

2.3 近地表多次波壓制方法

前已述及，旅行時及反射系數(shù)對“陷波”位置均存在影響。因此，本文提出兩種方法求取每個炮檢點的預測步長Δti，j。第一種是通過一次波及多次波在近地表傳輸過程中旅行時時差求取預測步長，第二種是通過炮檢點自相關函數(shù)，結合一次波與多次波的時間差確定每個炮檢點的預測步長，然后基于最小平方理論做預測反褶積處理[11-13]

式中：x(t)為地震信號；h(τ)為反褶積算子；Δt為預測步長；ε為誤差；L表示窗口內樣點(τ)總數(shù)。

2.3.1 基于旅行時時差的變步長求取方法

根據(jù)一次波(圖11a)、多次波(圖11b)在地下介質的傳播射線路徑，假設存在近地表多次波，那么炮點在地表激發(fā)后，接收點既能接收到一次波能量，也能接收到多次波能量，此處僅考慮能量最大的一階多次波影響[9-10]，較復雜的高階多次波暫不討論。

圖11 一次波(a)和多次波(b)的傳播路徑(過程)示意圖

設定地表激發(fā)能量是1.0，地表與高速層頂界之間傳播的一階多次波傳播時間為雙程低速帶旅行時，假設高速層底界反射系數(shù)為0.5，地表反射系數(shù)為-1.0，正極性的一階多次波經(jīng)過高速層底界反射回0.5倍能量，再經(jīng)過地表反射轉換為負極性。另外，在水平層狀介質假設下，零炮檢距處有效波與一階多次波的時差為低速帶時深的兩倍，這也是預測反褶積應選取的預測步長。

2.3.2 基于自相關剖面的步長求取方法

與旅行時求取步長方法類似，根據(jù)波傳播規(guī)律進行模擬，當存在近地表多次波時，從單道自相關剖面示意圖(圖12)可看出，地震波向下傳播過程中，設定反射系數(shù)為1.0的波峰對應的是一次波，而反射系數(shù)為-0.5位置對應的即是多次波。依據(jù)該結果，結合前文試驗的預測步長與反射系數(shù)時差的關系，本文將一次波到多次波的時間差作為預測步長，故此次從自相關剖面中提取第一波谷的時間T1作為預測步長進行反褶積處理，進而消除目標區(qū)近地表多次波的影響[14-15]。

圖12 單道自相關剖面示意圖

3 實際數(shù)據(jù)應用

按照上述兩種變步長求取方法分別得到每一個炮檢點對應的預測步長，針對前哨2井區(qū)三維實際資料進行兩種方法結合的變步長預測反褶積處理，對比處理前、后的單炮(圖13)及頻譜(圖14)可知，近地表引起的多次波得到較好壓制，頻譜圖上能看出“陷波”現(xiàn)象也得到較好改善，同時結合變步長預測反褶積前、后自相關剖面(圖15)可見旁瓣壓制效果較好。

圖13 變步長反褶積前(a)、后(b)單炮

圖14 變步長反褶積前(a)、后(b)頻譜分析圖

圖15 變步長反褶積前(a)、后(b)的自相關

圖16是經(jīng)過兩次變預測步長反褶積消除近地表多次波前后，應用相同切除、速度和靜校正條件下的疊加剖面。從處理后的結果來看，剖面上公益林區(qū)與沙漠區(qū)近地表多次波引起的波組差異大的現(xiàn)象大體上被消除，剖面整體的一致性趨好，公益林區(qū)頻譜中的“陷波”現(xiàn)象也得到明顯改善(圖17)。

圖16 變步長反褶積前(a)、后(b)疊加剖面對比

圖17 變步長反褶積前、后不同地表區(qū)對應頻譜(a)反褶積前公益林區(qū)；(b)反褶積前沙漠區(qū)；(c)反褶積后公益林區(qū)；(d)反褶積后沙漠區(qū)

4 結論與認識

準噶爾盆地腹部前哨地區(qū)地震剖面上公益林區(qū)與沙漠區(qū)波組特征差異大的現(xiàn)象一直普遍存在。本文首先系統(tǒng)分析了波組特征不一致現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，認為主要緣于近地表結構中高速層頂界面是一較強的波阻抗界面，且該界面產(chǎn)生近地表多次波；進而結合理論模型試驗，提出基于旅行時及自相關求取步長的變預測步長反褶積方法，壓制該近地表多次波；通過理論與實際地震資料的處理，結果表明所提方法能有效壓制這種由近地表引起的多次波，使地震剖面的一致性明顯改善。

通過上述研究，筆者初步認為準噶爾盆地除了前哨地區(qū)，在其他地區(qū)(尤其是地表存在穩(wěn)定的高速層頂界面且下伏地層的速度是上覆地層的2倍以上)也有可能產(chǎn)生近地表多次波，只是有些地區(qū)這種現(xiàn)象明顯，有些地區(qū)不明顯，這與低降速層的厚度、速度、反射系數(shù)有關。