基于虛反射走時和道集相干聯合的電纜等浮校正方法

顏中輝，王小杰*，徐華寧，陳珊珊，楊佳佳，楊傳勝

（1.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東青島 266237；2.嶗山實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島 266237）

0 引言

基于高頻震源的海洋小道距、高分辨率多道地震探測方法［1-2］具有主頻高、頻帶寬的特點，是近海底地層層序及精細結構研究、天然氣水合物資源勘查等的重要手段［3-4］。這種采集技術在垂直與橫向勘探分辨率上優勢明顯［5-6］，但因其方法的特殊性和電纜本身的問題，導致在后期處理環節中地震資料的成像效果受到一定影響。主要表現為：為了提高原始資料的信噪比，電纜的深度平衡沒有水鳥的控制，受其本身重力的作用，不同炮檢距的位置入水深度表現出“遠深近淺”的情況；同時采集過程中受風浪和海流運動以及電纜拖曳拉力變化的影響。這些因素綜合引起電纜不等浮問題，在地震數據上反射同相軸呈現非雙曲線時距關系，動校正之后地震道集存在剩余時差，從而影響速度分析的準確性，導致難以達到同相疊加的成像效果［7-10］，降低了有效地層反射的信噪比和振幅能量，最終地震剖面的分辨率和成像精度受到影響。因此解決電纜不等浮問題是高分辨、小道距地震處理的重要環節［11］。

電纜剩余時差校正方法分為三類：①交互拾取海底反射和虛反射走時以擬合方式求取時差。主要思路是根據電纜姿態變換特點，通過拾取實際虛反射的時間位置，通過近炮檢距擬合獲得理想的虛反射周期，二者的差值即為電纜的剩余時差。在資料處理過程中，該類方法缺點在于手動拾取工作量較大［2］，所有地震記錄均需拾取虛反射及海底反射時間。通常為減少人工工作量，需按一定間隔的炮距進行拾取，所有炮集數據的時差通過插值的方式獲得。實測數據表明，當海底崎嶇不平、炮間隔選擇不當、纜深變換較快時，時差求取會有誤差，校正后存在同相軸錯位的現象。因此，這類方法在實際資料處理中有一定的局限性。②傾斜電纜處理中采用波場延拓纜深校正技術。但因采集過程中難以實時記錄不同水聽器位置的水深，故難以獲得準確的時差［12-13］。③道集剩余時差校正法，包括道集相干技術［14-17］、統計法［18-19］、相位匹配技術［20-23］以及動態時間規整算法(DTW)［24-25］等。首先以一定的技術手段形成模型參考道，然后對每道數據與參考道進行相關求取剩余時差校正量。但該類方法全程不受纜深數據約束，所求得的剩余時差量是電纜不等浮、速度求取不準確以及各向異性的綜合體現。而且該類方法對道集的品質有一定要求［26-30］，如：道集中多次波壓制較徹底、信噪比較高，還要求相鄰同相軸之間時差校正量較小、不存在相位反轉的情況。而實際的高分辨、小道距地震資料，受噪聲嚴重以及水聽器響應弱的影響，數據信噪比往往較低，加上海況影響下電纜的不可控性，在不同炮檢距處沉放深度差異明顯，對應的校正量之間差別也較大，難以滿足相應的假設要求。

針對上述方法存在的問題，本文提出一種基于虛反射走時和道集相干聯合的電纜等浮校正方法。該方法綜合利用虛反射走時方法和道集互相關方法的優勢，通過相干函數控制，可實現非常規電纜等浮的時差校正。首先，分間隔在炮集上交互拾取海底反射和檢波點的虛反射走時，所有炮相應的時間位置以擬合插值方法獲取，通過二者的時差求出電纜的實時深度，轉化到時間域獲得初始的時差校正量；然后，通過基于模型道約束的二維相干算法獲得參考的時差校正量；最后，根據二者互相關系數進行加權，得到修正的電纜不等浮剩余時差，應用后達到同相疊加的效果，從而實現地震資料成像品質的提升。

1 方法原理

1.1 基于虛反射走時的初始時差計算原理

在電纜等浮的情況下，不考慮虛反射時間隨入射角不同造成的時差，地震記錄上虛反射同相軸基本滿足雙曲線規律，延遲時間對應電纜沉放深度的雙程旅行時，形態上與有效波一致。但在實際采集過程中由于各個位置的檢波點存在沉放深度的差異，引起地震道集上海底反射同相軸呈明顯的扭曲現象，即虛反射同相軸與一次波不完全平行。高分辨、小道距地震資料由于其特殊性，主要表現為主頻較高、頻帶較寬的特點。一般而言，該類數據采樣率為0.50或0.25 ms，對應的主頻為100～200 Hz。因此，地震資料分辨率較高，在炮集上有效波和虛反射時間差較明顯，在炮集上較容易識別。為保證較高的主頻，震源沉放深度很小，虛反射基本表現為檢波點的虛反射，因此影響虛反射延遲時間的關鍵是電纜的沉放深度。目前高分辨、小道距采集設備在中國尚處于技術不成熟階段，實時電纜沉放深度無法準確獲取，基于虛反射走時拾取方法可計算電纜深度，由時深轉換可得到初始的時差校正量［2］。

具體思路是：首先，采用人工交互拾取方法，抽取合適的炮距，拾取海底反射及虛反射波峰位置；然后，通過擬合插值獲取所有炮的信息，炮距的選擇主要考慮到海底的崎嶇程度，當海底較平時，選擇間隔較小的炮，海底較崎嶇時，選擇間隔較大的炮。總的來說，由中間炮插值出的海底和虛反射時間信息保證誤差在15%以內，可有效保證時差加權選擇的準確性。基于二者的時間差，通過公式推算對應炮的實際電纜沉放深度，以此計算電纜各個位置的初始剩余時差。

基于虛反射走時路徑可以得到兩者之間時差

式中：V為海水速度；DWB為海底深度；Ds為震源深度；DR為水聽器沉放深度；Xoff為炮檢距。

由式(1)可以反推各個水聽器位置沉放深度

此時，道集上對應的剩余時差dTre為

1.2 基于模型約束的絕對互相關參考時差計算原理

基于模型約束的絕對互相關算法求取剩余時差的主要理論基礎是道集相干原理和模型道建立。通常動校正后共反射點道集上某一同相軸的數據是來自同一反射點的不同炮檢距的信息，因此具有最大的相干性，處理過程中需要一個波組特征好、信噪比高的參考模型道進行控制。

合適的模型道對于道集的相干分析起著關鍵作用，單一的地震道集往往受多次波、噪聲、反射能量弱等問題影響，達不到模型道的要求。一般而言，選擇疊加剖面上對應的道集作為模型道，實際數據處理證明在剩余時差較大或相位反轉的情況相干適配性較差；選定近炮檢距內時差小的道參與同相疊加生成模型道，近道數據往往存在殘余的多次波，模型道的準確性同樣難以滿足［9］。理想的做法是根據地震道集情況，選擇合適炮檢距范圍(1/6～4/6炮檢距)信噪比較高的道進行部分疊加形成參考道，具體情況參考疊加后的剖面成像質量。疊加結果表示為

式中：N為道集內總道數；xi(nΔt)表示第i道數據，其中n為對應道的振幅采樣序號，Δt為采樣間隔。

獲得模型道后，參考的剩余時差通過每道與模型道之間的互相關分析獲得。處理過程中由于相關曲線存在多個極值，會導致相位串變。本文通過二維的相關函數同時求取時差和相位差，可有效解決相位問題。

設CMP 道集中第i道數據xi對應模型道集為yi，假定xi和yi之間存在時差Δt和相位差θ，因此剩余時差的確立本質是Δt和θ的求取。給定一定長度時窗(至少涵蓋2 個波組)，對xi做相位α校正后，實部和虛部分別與yi的實部和虛部做互相關。互相關函數表示為

式中：R(τ)為實部互相關道；I(τ)為虛部互相關道。S(α,τ)是以時差τ和θ為自變量的二維函數。在有效的一個波長范圍內，根據互相關函數的性質可知，(θ,Δt)對應S(α,τ)的極值點。通過極值原理，將式(5)改寫為

于是，求取Δt和θ轉換為R2(τ)+I2(τ)的極值問題。通過計算式(6)的極大值對應的點，即可獲得Δt和θ。相位的引入避免了剩余時差過大導致的相位串變問題。沿時間方向以固定的步長滑動時窗并計算時差量，直至完成一個地震道的計算。重復以上步驟，完成整個地震數據的處理，得到的時移量作為參考時差校正量。

1.3 剩余時差的加權選擇

由前文分析可知，初始時差受炮插值的影響，在炮間隔選取不當、海底崎嶇不平、纜深變換過快的情況下，插值后的CMP 道集局部炮檢距位置時差計算會產生誤差。另外，由于海底反射和虛反射時間是由炮集拾取所得，通過轉換應用到CMP 道集上，可能會引起時差跳變。因此需要通過初始時差與參考時差的聯合處理修正電纜時差。其思路是：在給定的時窗范圍內，統計初始時差和參考時差之間異常位置的時間范圍，選擇二倍于最大時間作為滑動步長估算兩個時差的互相關系數［31］。考慮本文方法只針對纜深進行校正，參考時差量是綜合時差量的體現，因為以初始時差量作為標準，如果超過90%，可認為初始時差量是正確的，低于90%，通過二者加權平均的方法進行計算。以此逐道進行處理，平滑后得到修正的電纜時差校正量。

相關系數計算公式如下

2 數據處理

2.1 模型數據處理

為了驗證本文方法的有效性，首先對理論模型數據進行校正處理。本文選取主頻為120 Hz 的Ricker子波為震源，采用射線追蹤方法構建一個高分辨率、小道距斜纜地震數據，共128 道，炮距為12.5 m，道間距為3.125 m，每道有512 個采樣點，震源沉放深度為0。圖1a 是模擬得到的地震記錄，可見清晰的檢波點虛反射；圖1b 為經過動校正后的數據。可以看到，由于電纜設計深度不在一個平面上，地震記錄上近道已經被拉平，遠道未拉平，反射波時距曲線為非雙曲線。隨著炮檢距的增大，虛反射和海底反射時差變大，局部位置由于電纜的沉放深度不連續，同相軸存在彎曲、抖動的情況。

圖1 模型數據動校正前（a）、后（b）對比圖

首先，拾取第一個炮集和第三個炮集的虛反射和海底反射時間，第二個炮集對應的時間通過二者插值獲得，根據式（3）求得每一道的初始時差校正量。圖2a為炮集分選到CMP道集后某一道集第20道的初始校正量；然后，選擇CMP道集中前20道疊加結果作為模型道，考慮模型數據波組特征較好，互相關系數的門檻值設為0.8，系數低于0.8的不做校正處理。為了包含整個未校平的同相軸范圍，時窗長度設為60 ms，最大時差量為10 ms，每道與參考道進行相干計算，獲得參考的時差校正量。圖2b為選擇的CMP道集中第20道求得的參考校正量。可以看出，初始時差量和參考時差量在局部位置有一些相對異常的值，左邊方框標識位置處初始時差校正量存在異常。右邊方框標識位置處參考時差校正量存在異常。經互相關分析和加權，得到時差校正結果（圖2c），此時異常值得到消除，更符合剩余時差修正趨勢。

圖2 第20 道初始時差量（a）、參考時差量（b）及修正時差量（c）的對比

把修正時差應用到整個CMP道集(經過虛反射壓制處理)，并與常規互相關方法校正結果對比（圖3）。可以看出：常規互換方法在遠炮檢距位置上翹的同相軸基本被拉平，抖動現象有所改善，但在部分位置同相軸抖動現象未拉平(圖3b 黑色箭頭所示位置)，局部位置還出現了校正異常的現象(紅色箭頭所示位置)；本文方法很好地改善遠炮檢距動校不平和抖動現象(圖3c)。總體而言，本文方法比單純的互相關方法的校正效果更好，達到了期望的處理效果。

圖3 本文方法與常規方法模型數據校正效果對比

2.2 實際數據處理

為了探討本文方法在實際地震資料處理中的應用效果，選取某海域實際小道距地震資料進行處理分析。原始數據道數為120，炮間距為12.5 m，道間距3.125 m。為了保證數據的信噪比，先對道集進行各類噪聲衰減預處理。圖4a 為經過預處理后動校正的CMP 道集，受電纜沒有水鳥控制的影響，經過動校正后，中遠炮檢距存在動校不平的現象，剩余時差問題較嚴重，部分位置受不均勻海流的影響，有抖動的情況。受實際資料信噪比影響，在初始時差計算過程中，為了保證拾取的準確性，海底反射及虛反射的拾取炮間隔較小；參考時差計算過程中，考慮到無多次波的影響，選擇疊加剖面作為模型參考道。圖4b 和圖4c 分別是常規的互相關方法和本文方法處理后的結果，可以看出，圖4c明顯削弱了同相軸抖動現象，且在信噪比較低的位置效果更好。換言之，本文方法從二個維度對剩余時差進行識別，得到的剩余時差更加符合實際情況。從CMP 道集效果來看，不同深度的同相軸被拉平，解決了電纜時差問題，提升了道集同相疊加的精度。

圖4 不同方法電纜等浮校正前、后CMP 道集效果對比

圖5a是時差校正前的疊加剖面，整體地震反射能量弱、信噪比低、地層連續性較差，同相軸存在抖動的現象，導致地質現象不明顯，內幕反射不清晰。圖5b和圖5c 分別是常規的互相關方法和本文方法處理后的結果，經二種方法電纜時差校正后，地層的連續性得到改善，剖面整體能量有了加強，尤其是弱反射區域，分辨率和信噪比得到提高。從解釋角度分析，仔細對比可知，圖5c的波組特征更清楚，斷層更清晰(方框位置所示)，在同相軸連續性和地層反射能量方面，改善更好(橢圓位置所示)，從而整體的剖面成像質量更高。

圖5 等浮校正前、后疊加剖面（左）及其局部放大（右）效果對比

由圖中局部位置的變密度顯示放大圖(圖5 右)可以看出，由于小道距覆蓋次數較低，電纜等浮情況對疊加剖面成像影響較大。從處理前、后剖面效果來看，弱反射軸以提升反射能量為主(紅色箭頭所示)，強反射軸以提升連續性為主(藍色箭頭所示)。總體而言，本文方法通過不同約束條件下的聯合處理，處理效果優于常規的校正方法。

圖6 為圖5 的頻譜。由圖可見，噪聲的頻譜曲線基本保持不變，有效信號在振幅和頻帶寬度上都有明顯改善。原始剖面頻譜從130 Hz以后，整體振幅下降速度較快（圖6a），校正后，高頻部分得到補償。本文方法（圖6c）相比常規方法（圖6b）的優勢在于，各個頻段位置對應的振幅幅值更大，表明地震反射能量提升更多，校正后獲得了更好同相疊加的效果。

圖6 圖5 的頻譜

3 結論與展望

(1)小道距地震采集中由于國產電纜的不完善，往往存在電纜不等浮問題，嚴重影響地震數據的信噪比和成像精度。本文提出基于道集相干和虛反射走時聯合的電纜等浮校正方法，能夠實現對不同炮檢距深度不一致引起的時差進行校正，應用后同相軸被拉平，同相軸連續性變好，剖面的成像品質得到提升。

(2)本文方法從電纜深度計算和相干分析二個維度獲得剩余時差校正量，保障了求取時差的準確性。

(3)本文方法對數據有良好的適應性，在交互拾取的環節，可以根據海底的崎嶇程度，對數據的拾取間隔進行選擇，可實現生產化的處理，因此具有較好的適應性和推廣價值。

(4)本文方法主要針對的是可有效識別虛反射的高分辨率地震數據，對于常規多道地震處理中的電纜數據等浮校正，受分辨率的影響，有效波和虛反射難以準確分離，在應用上需做進一步的探索。