海洋地震资料子波零相位化技术研究与应用

王守君,方中于,史文英,张兴岩,刘明珠

(1.中海石油(中国)有限公司勘探部,北京100010);2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司物探技术研究所,广东湛江524057)

海洋地震资料子波零相位化技术研究与应用

王守君1,方中于2,史文英2,张兴岩2,刘明珠2

(1.中海石油(中国)有限公司勘探部,北京100010);2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司物探技术研究所,广东湛江524057)

针对深水地震资料,研究了海上气枪震源子波的混合相位特征及海浪引起的粗糙海平面对子波特征的影响,提出了基于地震初至提取地震子波的方法及零相位校正技术;利用谱比法提取等价常数Q值,对不同Q值统计平均并结合测井资料约束方法提炼最佳Q值,然后，利用改进的Hale算法进行反Q相位校正。南海北部实际资料应用分析表明,该零相位化技术提高了目的层地震资料的分辨率,明显提升了井震对比的相关度,提高了反演的精度,为后续的储层精细描述提供了可靠的地震资料。

气枪震源子波;零相位化;谱比法;改进的Hale算法;反Q相位校正

随着海上油气勘探开发的深入,地震资料保幅保真精细处理已经成为储层描述、油气检测的重要前提,子波零相位化处理则显得尤为重要。与陆上炸药震源不同,海洋地震资料采集多采用气枪震源[1-2],受鬼波干涉、较差的采集海况以及大地吸收因子Q对子波相位的影响,子波形态会发生畸变,相位信息也变得不确定,从而影响地震资料的品质。另一方面,近几年发展的海上宽频采集技术,如立体气枪阵列激发技术、海上变深度缆宽频采集技术、上下缆采集技术、双检采集技术等,采集的地震资料去鬼波处理都要求地震子波零相位化。

国内外研究人员针对陆地地震采集的子波相位校正问题开展了广泛研究,Levy等[3]提出了自动相位校正方法,在共深度点叠加处理中得到了较好的效果,Longbottom等[4]和White[5]阐述了最大峰度相位估计原理并将其应用于子波零相位化,Trantham[6]提出了可控相位采集及其处理,有效地提高了相位一致性,国内学者周兴元等[7]、李合群等[8]、姚逢昌等[9]以及陈必远等[10]先后提出了常相位校正、振幅谱补偿以及分频常相位校正、地表一致性相位校正等方法,在陆地地震资料处理中取得了较好的应用效果。而针对海洋地震子波相位校正的研究较少[11],Osen[12]和Jovanovich等[13]提出了利用海上实测子波(通过压力检波器测量)对数据进行褶积处理,消除鬼波对子波的影响。近些年,国际上出现了针对气枪震源信号的精细处理技术[14],即利用气枪理论模拟子波压制剩余气泡干扰和气枪子波相位校正技术,这些技术手段明显地改善了地震资料品质。

由于气枪理论模拟子波与地震接收子波存在较大差异,海上气枪震源子波的混合相位特征、海浪引起的粗糙海平面以及大地吸收因子Q对子波相位影响较大,单一相位校正方法或震源模拟子波反褶积很难取得较好的相位校正效果。针对海洋地震资料采集的基本特点,我们研究了气枪震源子波的基本相位特征,分析了海浪、波高(波浪高度)等海况信息对地震子波波形的改造作用,提出了一种基于地震数据初至提取子波信息的新方法,这种方法能更准确描述气枪气泡信息;使用零相位滤波算子消除子波残留相位;应用谱比法及测井资料约束方法求取Q值,消除大地色散因素影响。实际资料应用证明该方法效果较好。

1 海洋地震子波相位的影响因素

1.1 海况因素

海上地震采集过程中,受海浪、有效波高的影响,海平面不能近似为平滑的高斯面;粗糙海平面造成鬼波信号的散射,导致接收到的地震子波形态畸变。Jovanovich等13]给出了海平面有效波高与海面反射系数和鬼波能量之间的联系。海面反射系数可表示为：

(1)

式中：R为粗糙海面反射系数;R0是水平海面的反射系数;σ是波波高度的标准偏差;f是频率;α是辐射角;c是声速。这个方程意味着如果有3级海况,那么海水面反射系数约为-0.9。

图1正演了不同海面反射系数下的子波,可以看出，当海面反射系数减小时,电缆鬼波能量减弱,子波畸变明显。

图2展示了实际地震数据近道海底波形信息。图2a为高分辨率三维地震近道海底,采集时窗海况良好、海面相对静止,海底子波一致性好,子波旁瓣能量稳定;图2b为常规三维地震近道海底,采集时窗海况较差,本条测线采集时为5级海况,波高3～4m,海底波形一致性很差,子波第二旁瓣振幅不稳定,且能量总体偏弱,相位存在畸变。

图1 不同海面反射系数下的子波特征

图2 不同海况和波高条件下的地震近道海底子波特征

1.2 大地吸收色散作用

大地吸收色散作用是导致地震子波相位畸变的另一个重要因素,地震波在传播过程中有吸收必会有色散[14]。色散即频散,由于地震信号的不同频率成分有不同的传播速度,高频成分相对于低频成分有更快的速度,随着传播距离的增加,波峰逐渐向子波初始端前移,子波的形状扭曲。图3模拟了子波在吸收地层传播过程中的频散效应,零相位子波发生了相变。

图3 吸收地层频散对子波相位的影响

2 海洋地震子波零相位校正

2.1 气枪理论模拟子波与海底统计子波

图4为典型的理论模拟海洋地震子波,可以看出,在理想状态下,模拟的震源信号子波的两个旁瓣接近对称,但存在一定的相位差,同时还存在一定程度上的2次气泡干扰残留。该模拟子波是基于理论模拟出的地震子波,没有考虑到采集时海况的影响,所以将该子波用于实际地震记录中的气泡压制处理，其效果会受到影响。

本文基于地震数据初至提取地震子波,假设实际地震子波为w,海底反射系数为r,近道初至为s,则：

图4 典型的理论模拟海洋地震子波

(2)

(3)

利用地震初至与海底反射系数,可以估算出实际的地震子波。在实际应用时,使用叠加剖面的海底地震反射记录,来实现地震子波的提取，叠加压制了随机噪声和海底下方的地层信息干扰,提取子波信噪比更高。图5是CMP动校正之后的叠加剖面,在该剖面基础上提取地震资料中的海底波形,然后对海底波形数据进行同向叠加,可以得到与实际更为吻合的地震子波。从统计角度观察,叠加的结果是海底反射系数褶积一个子波,海底反射系数视为一个常量,这样叠加结果得到的子波可以近似作为地震采集接收的子波,该子波没有经过海底以下地层的吸收。

我们通过基于模拟和初至提取两种子波的气泡压制,来验证基于地震初至叠加得到的子波比理论模拟子波更可靠的观点。图6显示了A工区采用两种方法求取的子波,可以看出两种子波除了主体部分有差异外,残留气泡干扰也有较大差异。理论模拟子波初泡比P/B=18.32,而海底统计子波初泡比P/B=12.59。图7对比了利用两种子波压制地震气泡干扰前、后的效果,可以看到,原始地震剖面(图7a)中箭头所指的气泡干扰经理论模拟子波压制气泡后(图7b),由于存在气泡周期和振幅方面的误差,气泡干扰没有被有效压制,而经海底统计子波压制气泡后(图7c),气泡能量得到有效压制。对比结果说明了海底统计子波比理论模拟子波更可靠,压制效果更明显,达到了精细处理的要求。

图5 海底叠加剖面

图6 理论模拟子波(a)和海底统计子波(b)

图7 气泡压制剖面对比(FFID表示野外文件号)

2.2 零相位校正滤波算子的设计与应用

子波传播过程中的形态既时空变化又相对稳定[11-12],为了消除相位影响,本文采用最小二乘法计算滤波算子,将零相位化子波作为期望输出,将基于初至提取的子波经过零相位算子褶积后逼近期望子波,亦即使下式为最小：

(4)

式中：x(t)为输入信号,即实际子波;h(t)为滤波算子;d(t)为期望输出的零相位子波。对(4)式的误差能量求偏导数,并令偏导数为零,整理可得到托布利兹方程：

(5)

式中：rxx为输入信号的自相关;rdx为输入信号和期望输出的互相关;m为滤波算子的长度。求解(5)式,得到反滤波因子,再与输入信号褶积得到零相位化后的数据,图8显示出零相位化设计滤波算子的计算过程。

对实际采集的地震数据进行零相位化处理,

图9 显示出经零相位算子褶积前后的地震记录,可以看出,处理后的海底波形(箭头所指处)更加对称,子波波峰移到了真实海底位置。

2.3 反Q相位校正

为了消除大地吸收色散对子波相位变化的影响,本文在初至提取子波零相位化的基础上,采用反Q滤波进行相位校正,最终实现叠前地震资料的零相位化处理。

2.3.1 介质Q值估算

关于吸收衰减品质因子Q的估算方法,我们在对比分析了谱比法、上升时间法、脉冲振幅法、谱模拟法等的基础上,最终选择了谱比法求取Q值。图10显示了南海Y区块3个不同位置求取的Q值对比结果,该区块目标层埋深在2500～3000ms,每个位置分别求取浅层500ms左右、深层3000ms左右的振幅谱,再运用谱比法求取Q值,求取的Q值结果为110,107,100,对比可以看出,计算的Q值比较稳定。

2.3.2Q补偿原理

以层状介质为模型,采用反Q滤波的递推公式进行Q值补偿：

(6)

图8 零相位化滤波器设计过程

图9 零相位滤波前(a)、后(b)地震剖面海底波形对比

图10 南海Y区块3个不同位置谱比法求取的Q值

根据变Q结构模型,将地震记录道分为若干时窗,在每一个时窗内,Q值近似为一个常数;再将该段记录进行傅氏变换到频率域,对频率域内的波场进行拉伸或压缩实现Q补偿,以达到提高信噪比的目的;将Q补偿之后的波场从频率域变换到时间域,即完成了该时窗记录段的Q补偿;对其他时窗段记录,也使用以上方法,便可实现全道及全剖面的Q补偿处理。

2.3.3 时间域Q补偿实现算子优选

由于时间域反Q滤波算子的长度比频率域算子的长度短,所以在时间域求取反Q滤波算子进行反Q滤波更为高效,这种思想即为Hale算法的核心[15]。但该算法对深层、偏移距大的同相轴补偿过度,需要控制增益以控制振幅,以免影响滤波器相位校正效果。为此,许多学者进行了改进,形成了多种改进的Hale方法[11],本文采用二阶近似反Q滤波的方法,其基本公式为：

(7)

改进前的Hale算法处理效果基于最小相位的假设,无法解决相位不相容的问题;改进后的Hale算法利用了FabioRocca扩展式,较好地解决了相位不相容问题。改进前后Hale算法的差别主要集中在较高频率部分,在衰减与频散正演模拟时差别不大,因为高频主要是低幅成分,但是在反演模拟中差别比较明显。

图11显示了几种反Q补偿算法对合成记录进行处理后的子波对比,图中从下到上依次为：①原始模型道;②大地吸收正演(振幅+相位，Q=130，f=125Hz)；③Robinson算法反Q(相位，Q=130，f=125Hz);④改进Hale算法反Q(相位，Q=130，f=125Hz);⑤改进Hale算法反Q(振幅+相位，Q=130，f=125Hz);⑥Hale算法反Q(振幅+相位，Q=130，f=125Hz)。分析结果表明,改进Hale算法计算精度较高,更稳定。

图11 几种反Q补偿算法处理后的子波对比

3 应用效果分析

经过多年勘探开发,南海北部勘探重点逐渐向着深水勘探区、精细复杂构造区、中深层目的层等方向转移。将海洋地震资料子波零相位化技术应用于南海北部多个区块的地震资料处理，应用后的效果显著改善。

图12显示了利用初至提取子波对南海某区地震资料进行零相位处理和反Q相位补偿的实例。利用30Hz雷克子波井合成记录作为检验手段,对比了原始地震(图12a)、海底子波零相位处理(图12b)、海底子波零相位处理加上改进Hale算法反Q(Q=105)相位校正(图12c)3种地震剖面(黑色同相轴)与合成记录(红色同相轴)的吻合程度。从红色箭头标示处可以明显看出,经过海底子波零相位处理(图12b)后,标定结果有了一定的改进,由原始地震与井的标定系数0.71升高到0.77,经过海底子波零相位处理和反Q相位校正(图12c)后,标定吻合程度有了明显的提高,标定系数为0.89。为了更进一步的对比,在井旁地震道利用确定性子波提取技术,提取了目的层段子波的振幅和相位信息(图13)。对图13c中的相位曲线进行线性拟合,可以得到,原始地震提取的子波(红色)相位在-70°左右,且不同频率有较大的相位差。经过海底子波零相位处理后提取的子波(黑色)相位大约在-50°左右。经过海底子波零相位滤波加上改进Hale算法反Q相位校正处理后提取的子波(蓝色)相位大约在0附近,证明了海底子波零相位技术加上反Q相位补偿技术的可靠性。

图14对比了零相位化前后的偏移剖面,从图上可以看出,相比零相位化前,剖面地层接触关系变的更清晰,波峰波谷平行出现的假象消失,分辨率得到提升,提高了偏移剖面质量。图15为地震子波零相位化前后地震信息和井信息对比,其中测井曲线从T62层位开始出现明显的低阻抗,表现为很强的负反射系数,非零相位地震子波表现为波峰和波谷,而零相位地震子波则表现为强波谷,经过子波零相位化,地震信息与井信息吻合度好。

图12 井合成记录对比

图13 井旁地震道确定性方法提取子波(a)、振幅谱(b)和相位谱(c)

图14 零相位化前后偏移剖面对比

图15 零相位化前后井震对比

4 结束语

本文从海洋地震资料特征出发,分析了影响子波相位的因素,求取可靠子波和可靠Q值,进行零相位滤波并用反Q方法消除子波时空变化,形成了海洋地震资料零相位化处理技术,该技术具有以下特点：

1) 基于地震数据初至提取子波是一种新方法,相比模拟子波方法更加准确可靠;

2) 谱比法求取Q值,结合改进Hale反Q补偿算法,进行反Q相位校正,不仅解决了Q补偿问题,也解决了子波时空变化的问题;

3) 适用于叠前资料零相位化,处理结果保真性更高。

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(编辑：朱文杰)

Marine seismic wavelet zero-phasing technology and its application

Wang Shoujun1,Fang Zhongyu2,Shi Wenying2，Zhang Xingyan2，Liu Mingzhu2

(1.ExplorationDepartment,CNOOC,Beijing100010,China;2.Development&ProspectingGeophysicalInstitute,CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCorporation,Zhanjiang524057,China)

In order to study the mixed phase characteristics of airgun wavelet and the influence of rough sea surface for wavelet characteristics in deep water seismic data,we proposed an extraction method for seismic wavelet based on first arrival and zero-phase correction technology.Then the spectral ratio method is used to extract the equivalent constantQ,to refine the bestQvalue by statistical average of differentQvalue combined with well constraint means,and to carry out inverseQphase correction by the improved Hale algorithm.Application result of field data shows that the method improves the resolution of seismic data,especially in target layer,and significantly enhances the correlation between the seismic data and the synthetic records calculated from well,and improves the accuracy of the inversion.The application result in northern South China Sea can provide reliable seismic data for reservoir characterization.

airgun wavelet,zero-phasing,spectrum ratio,improved Hale algorithm,inverseQphase correction

2015-02-12;改回日期：2015-05-22。

王守君(1957—)，男，高级工程师，长期从事海上油气勘探开发技术研究和生产管理工作。

P631

A

1000-1441(2015)05-0551-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.008