水陸檢數(shù)據(jù)上下行波場(chǎng)分離方法

高少武 錢(qián)忠平 孫鵬遠(yuǎn) 方云峰 李建峰 馬光凱

（中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州072750）

0 引言

隨著海上油氣勘探的難度和深度越來(lái)越大，對(duì)地震資料信噪比和分辨率的要求越來(lái)越高。水陸檢數(shù)據(jù)采集，包括海底電纜（Ocean Bottom Cable，OBC）［1］、海底節(jié) 點(diǎn)（Ocean Bottom Node，OBN）［2］和雙檢拖纜［3］等地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供了同一位置水檢和陸檢兩種數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)分別使用水中（壓力）檢波器和陸地（垂直速度）檢波器記錄。水中檢波器記錄的是地震波產(chǎn)生的壓力變化；陸地檢波器記錄的是質(zhì)點(diǎn)速度變化。由于這兩種檢波器記錄機(jī)理不同，對(duì)于同一位置處海面的多次波干擾表現(xiàn)出不同特征。垂直質(zhì)點(diǎn)速度檢波器的虛反射特征，總能準(zhǔn)確地補(bǔ)償壓力檢波器虛反射對(duì)有效信號(hào)的影響，且不依賴于檢波點(diǎn)深度。不管哪一種檢波器在任何頻率點(diǎn)存在一個(gè)頻率凹陷，另一種檢波器都會(huì)記錄一個(gè)較高信噪比的信號(hào)。作為壓力和質(zhì)點(diǎn)速度檢波器在記錄帶有虛反射的地震信號(hào)之前，因海面是負(fù)的反射系數(shù)，一次波在此處發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。壓力檢波器記錄該極性反轉(zhuǎn)信號(hào)無(wú)方向性，而垂直質(zhì)點(diǎn)速度檢波器具有方向性，導(dǎo)致在兩種檢波器記錄數(shù)據(jù)中，在一次波和虛反射能量的建設(shè)性和破壞性干涉之間，可做到有效補(bǔ)償［4-10］。

與水檢記錄的海面多次波干擾相比，陸檢記錄的海面多次波干擾表現(xiàn)出極性和振幅特征差異。兩種檢波器記錄的海面多次波干擾的極性相反、振幅不同，且相差一個(gè)與海底反射系數(shù)成比例的常數(shù)，該常數(shù)值即是能量匹配因子。因此利用振幅和極性特征差異，可有效消除海面多次波干擾。將標(biāo)定后的陸檢數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的水檢數(shù)據(jù)相加，得到水陸檢標(biāo)定數(shù)據(jù)（上行波場(chǎng)數(shù)據(jù)），消除了海面多次波干擾；將標(biāo)定后陸檢數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)水檢數(shù)據(jù)相減，得到與海面相關(guān)的多次波數(shù)據(jù)（下行波場(chǎng)），用于后續(xù)上行波場(chǎng)與下行波場(chǎng)聯(lián)合反褶積、去噪和偏移等處理，以進(jìn)一步提高分辨率和信噪比［11-28］。

地震數(shù)據(jù)大多包含噪聲，因此常規(guī)處理方法在使用能量匹配因子分離上、下行波場(chǎng)時(shí)，分離出的上行波場(chǎng)中包含下行波場(chǎng)、下行波場(chǎng)中包含上行波場(chǎng)，即不能完全實(shí)現(xiàn)上、下行波場(chǎng)的完全分離。

針對(duì)常規(guī)方法不能完全分離上、下行波場(chǎng)的窘?jīng)r，本文研討了水陸檢數(shù)據(jù)上下行波場(chǎng)分離方法，引入三個(gè)能量匹配因子和四個(gè)波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水陸檢數(shù)據(jù)上下行波場(chǎng)完全分離處理，數(shù)據(jù)試算表明了該方法的有效性。

1 方法原理

上行波場(chǎng)Ui，j和下行波場(chǎng)Di，j可表示為

式中：Hi，j是水檢數(shù)據(jù)；Gi，j是陸檢數(shù)據(jù)；α 是水陸檢數(shù)據(jù)能量匹配因子。由于Ui，j中還包含少量殘余下行波場(chǎng)，Di，j中也包含少量殘余上行波場(chǎng)，則上、下行波場(chǎng)可更精確地表示為

式中：^Ui，j是純上行波場(chǎng)；^Di，j是純下行波場(chǎng)；β 是上行波場(chǎng)中下行波場(chǎng)能量匹配因子；γ 是下行波場(chǎng)中上行波場(chǎng)能量匹配因子。由式（1）～式（4）可得

式（5）和式（6）分別是上、下行波場(chǎng)分離方程。

定義波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子

式中：WUH是水檢數(shù)據(jù)對(duì)上行波場(chǎng)貢獻(xiàn)因子；WDH是水檢數(shù)據(jù)對(duì)下行波場(chǎng)貢獻(xiàn)因子；WUG是陸檢數(shù)據(jù)對(duì)上行波場(chǎng)貢獻(xiàn)因子；WDG是陸檢數(shù)據(jù)對(duì)下行波場(chǎng)貢獻(xiàn)因子。這四個(gè)參數(shù)稱為水陸檢數(shù)據(jù)上、下行波場(chǎng)波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子。

計(jì)算純上行波場(chǎng)、純下行波場(chǎng)數(shù)據(jù)分別為

高少武等［6］提出的逐次迭代算法可快速計(jì)算、確定三個(gè)能量匹配因子α、β和γ，進(jìn)而直接計(jì)算上、下行波場(chǎng)的波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子，實(shí)現(xiàn)上下行波場(chǎng)完全分離處理。

2 數(shù)據(jù)試算

圖1是設(shè)計(jì)的水平層狀速度深度模型，合成得到陸檢（圖2a）和水檢（圖2b）接收數(shù)據(jù)。對(duì)比分離后的上（圖3b）、下行（圖3a）波場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，本方法能完全分離上行波場(chǎng)與下行波場(chǎng)，且上行波場(chǎng)不包含殘余下行波場(chǎng)，下行波場(chǎng)不包含殘余上行波場(chǎng)。

圖1 水平層狀速度深度模型

針對(duì)圖4 所示的另一套合成共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)，用本文方法做分離處理（圖5a、圖5b），并與國(guó)外相關(guān)通用軟件處理結(jié)果（圖5c、圖5d）進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)兩種方法處理的總體效果相當(dāng)。但在某些細(xì)節(jié)上，本文方法優(yōu)于國(guó)外通用軟件，如國(guó)外通用軟件處理所得下行波場(chǎng)數(shù)據(jù)（圖5d）中約4400ms處同相軸旁瓣嚴(yán)重，而水陸檢數(shù)據(jù)（圖4）上同相軸無(wú)旁瓣，說(shuō)明其分離不干凈而產(chǎn)生了誤差，而本文方法分離得到的下行波場(chǎng)數(shù)據(jù)（圖5b）也不見(jiàn)旁瓣。

圖6是野外采集的OBN 共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比，可見(jiàn)波場(chǎng)分離之后，上行波場(chǎng)（紅色箭頭）中不含下行波，下行波場(chǎng)（藍(lán)色箭頭）中未見(jiàn)上行波，實(shí)現(xiàn)了上、下行波場(chǎng)完全分離。

總之，從圖2～圖6可見(jiàn)，分離的上行波場(chǎng)數(shù)據(jù)消除了水層產(chǎn)生的多次波干擾，提高了信噪比。

圖2 合成的陸檢（a）和水檢（b）數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 由圖2分離得到的下行波場(chǎng)（a）與上行波場(chǎng)（b）數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 用于測(cè)試的水檢（a）、陸檢（b）共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)

圖5 對(duì)圖4用兩種方法處理的共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 實(shí)際共檢波點(diǎn)道集數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié)論

本文水陸檢數(shù)據(jù)上下行波場(chǎng)分離方法，是通過(guò)反演最佳能量匹配因子、上行波場(chǎng)中下行波場(chǎng)能量匹配因子和下行波場(chǎng)中上行波場(chǎng)能量因子三個(gè)分離因子、以及四個(gè)波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水陸檢數(shù)據(jù)上行波場(chǎng)與下行波場(chǎng)的分離處理，達(dá)到消除地震數(shù)據(jù)中海水多次波干擾影響，提高地震數(shù)據(jù)信噪比和分辨率，為后續(xù)聯(lián)合反褶積和偏移成像處理提供高保真的上行波場(chǎng)與下行波場(chǎng)數(shù)據(jù)。

（1）本文方法可實(shí)現(xiàn)水檢數(shù)據(jù)上、下行波場(chǎng)的波場(chǎng)能量匹配因子和波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子估算，是水陸檢數(shù)據(jù)上下行波場(chǎng)分離的有效方法。

（2）本方法的水陸檢數(shù)據(jù)上、下行波場(chǎng)的波場(chǎng)分離處理結(jié)果，上行波場(chǎng)有效地壓制了虛反射多次波干擾，提高了反射數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率。

（3）水陸檢數(shù)據(jù)上、下行波場(chǎng)能量匹配因子和波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子的引入以及迭代計(jì)算，使得波場(chǎng)分離貢獻(xiàn)因子參數(shù)的估算更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。