深水区直达波子波提取气泡效应压制技术

任　婷　彭海龙*　覃殿明　赫建伟　刘　兵　邓　盾

(①中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；②中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东湛江 524057)

1　引言

在海上地震数据采集过程中，由于气枪震源自身的特点以及海面的强反射，造成地震资料中存在强能量的虚反射以及气泡效应[1]。气泡效应也称延续相位，它是气枪在水中激发的瞬间，在气泡膨胀和破裂时产生的第二次冲击波[2]。这种在海洋地震勘探中普遍存在的特有现象，严重影响地震资料的分辨率和信噪比，并导致非常严重的子波延续相位。在海上地震资料的中深层，随着大地吸收滤波作用增强，后续的气泡效用得到放大，子波形态加长、变粗。在地震剖面上，通常表现为地震同相轴变粗，资料分辨率降低，且出现双基底情形，严重困扰后续解释工作。对此，早期的处理手段是采用反褶积法进行气泡效应压制，此类方法不仅会改变子波形态，且压制效果不好，影响资料保真度。

于是，人们对气泡效应压制展开了大量研究。在子波模拟研究方面，狄帮让等[3]和陈浩林等[4]较早开始对气枪震源理论子波进行了初步研究，同时实现了气枪震源子波的数值模拟； 随后，倪成洲等[5,6]、陈浩林等[7-10]进一步研究了基于近场子波模拟远场子波的方法，并进行了远场子波的应用研究[5-13]。除了从子波模拟角度压制气泡效应外，赵秀鹏[14]讨论了应用气泡相干组合原理，对气枪的子波性能进行改善。李绪宣等[15]指出立体震源不仅可提高陷波能量，还可减小气泡效应。通过从地震资料提取或者枪阵组合模拟的方法获得地震子波，对子波进行相应处理，获得气泡效应压制后的确定性子波； 再设计维纳滤波器，获得气泡效应压制算子，并将算子应用于数据处理过程。同时对深水区地震资料进行分析发现，直达波完好地记录了地震子波的激发形态，与实际模拟得到的子波形态相符。然而，深水OBC资料因易受水层折射波干扰，提取子波较差，以致气泡效应压制效果不好。因此，在没有远场子波的情况下，通过从直达波提取的子波压制气泡效应，该方法已对多个深水工区的拖缆资料进行了试验，取得了很好的应用效果。

2　子波及直达子波的提取

在没有远场子波的时候，可应用统计子波压制气泡效应。王卫华[16]、刘明洋等[17]提出多道统计子波反褶积技术，通过压制气泡效应提高地震资料分辨率。对于统计性子波反褶积而言，虽然能解决延续相位问题，但对地震资料有效信号的振幅、相位改变很大，保幅性差，目前，该方法已很少在处理中使用。

在具有远场子波的情况下，可以通过远场子波预测反褶积处理压制气泡效应。刘仁武等[18]、陈浩林等[8]利用远场子波进行远场子波预测反褶积处理，在保幅保真的同时，能够压制延续相位，从而提高了地震资料的分辨率。通常情况下，采集过程中并没有接收到真实的远场子波，所谓的远场子波往往是通过专业软件模拟获得[19]，所获子波往往与真实地震子波存在一定差异，因此由模拟子波反褶积很难完全压制气泡效应。虽然远场子波反褶积较传统的多道统计反褶积方法保幅性更好，不会压缩子波[20，21]，但该方法要求模拟子波与实际地震子波较为吻合。

对于海洋深水资料，在没有模拟子波和远场子波的情况下，用直达波提取子波压制气泡效应，可以取得较好的效果。深水情况下，直达波与地层反射存在较大时差，可从直达波中看到完整的气泡缩胀过程，也能较好地识别气泡效应。因此，选取直达波时间段，对近道剖面进行潮汐校正，让主脉冲在同一基准面，再选取波形较好的信号进行同向叠加，从而获得所需要的子波。由于直达波中真实记录了气泡周期、初泡比等信息，是真实子波的反映，相对于模拟子波而言，用直达波提取的子波进行确定性子波反褶积可以更好地压制气泡。

选取M工区一条测线，首先对原始炮集做高通滤波处理，主要滤除低频干扰，抽取近炮检距道集(图1)。 从该道集上，可看到严重的子波气泡效应。具体表现为直达波在时间上的重复出现， 该现象类似于多次波，具有周期性。气泡效应是高压气体进入海水后，在海水压力作用下反复震荡导致的，在子波上表现为相位延续，严重影响地震资料的成像。通过对近道进行校正处理，选择优势段进行子波统计，提取了准确的地震子波。由于同一施工条件下气枪容量、工作压力以及气枪沉放深度固定，因此气泡震荡周期固定，子波形态基本保持不变，且水体传播过程中相对稳定，所以从近道提取的子波可压制远道数据的气泡效应。从直达波中抽取的子波(图2)形态上可看到子波气泡效应严重，初泡比较低，且二级气泡能量仍然很强。该现象在近炮检距道集上就表现为直达波的时间重复，明显看到气泡的震荡效应(图1)。

图2　从直达波中提取的地震子波

3　气泡效应压制

得到子波信息之后，根据实际资料的情况，设计处理流程。由于直达波中包含准确的气泡信息，能量级别与实际数据一致。因此不需要进行子波的振幅匹配，这也是该方法的一大优势。

3.1　气泡效应压制原理

在深水情况下提取子波较为容易，利用直达波或者海底反射数据信息，可直接从近炮检距道集上提取。对于浅水情况，目前主要使用远场子波，很难从地震资料中提取较为理想的子波。

当获取地震子波之后，可利用预测反褶积或者直接截断的方法得到一个期望输出子波。然后通过设计合理的维纳滤波器，将实际提取的子波x(t)整形为期望输出的子波形状d(t)，从而获得整形算子f(τ)，将f(τ)应用到实际数据可压制气泡效应。

具体子波处理过程是： 根据直达波提取子波(图2)与期望输出子波(图3a)求取滤波算子(图3b)；将求取的滤波算子用于压制实际资料中的气泡效应(图4)。

通过对比气泡压制前后的子波和频谱图可看到，在压制气泡效应之前，由于气泡效应的存在，频谱中存在“低频抖动”。压制气泡效应之后，频谱中低频端更加光滑。

图3　期望输出子波(a)及滤波算子(b)

图4　压制气泡效应前(a)、后(c)的子波及对应频谱(b,d)

3.2　实际资料测试

首先分析浅层数据中的气泡表现形式。采用某深水工区的实际拖缆数据，进行气泡效应压制处理。对比处理前后的速度谱可见，气泡效应得到有效的压制(图5右)。

从气泡效应压制前后的道集中可看到类似于多次波的同相轴(图5左)，在速度谱上表现为低速。经过气泡效应压制后该同相轴消失，且对应的低速能量团消失，说明该同相轴是气泡导致的。下面从整体上分析气泡效应的表现形式和压制效果。

从气泡压制前后的炮记录(图6)可见： 气泡效应压制前，浅层存在类似多次波的同相轴(蓝色椭圆)，且中深层延续相位较为严重(红色椭圆)； 压制气泡效应后，浅层和中深层延续相位得到有效消除。以此为基础进行初叠，从初叠剖面(图7)上进一步分析对比气泡效应压制效果(图中蓝线表示图6道集所在位置)。

图5　气泡效应压制前(a)、后(b)的道集(左)及速度谱(右)图中的蓝色箭头和红色箭头分别对应一阶气泡和二阶气泡

图6　气泡效应压制前(a)、后(b)的炮记录

对比图7中蓝色方框和蓝色箭头处，可见压制气泡前地震资料中存在较强的延续相位，在中深层尤其严重； 气泡效应压制后地震剖面上的延续相位得到有效压制，中深层的成像品质得到改善。

图7　气泡效应压制前(a)、后(b)的叠加剖面

4　处理效果对比

在没有远场子波的情况下，通常采用反褶积或者统计子波的方法进行气泡效应压制。然而，受到地层反射和气泡效应混合影响，统计子波方法很难提取合理的地震子波，其波形相位和远场子波具有较大的差异。反褶积虽然能解决部分延续相位问题，但是对地震资料有效信号的振幅、相位改变很大，气泡效应压制效果欠佳。两种子波的提取结果如图8所示。

由两种子波的频谱(图8b和图8d)可见，统计子波很难得到正确的气泡形态，因此该方法很少再使用(图8d)。常规处理中，由于脉冲子波反褶积对有效数据的振幅、相位改变较大，保幅性差，实际生产基本不用。针对原始叠加数据(图9)，预测反褶积对深层特别是基底位置的低频延续相位也有一定的压制作用，但效果较差。利用本文所提出的方法，在没有远场子波的情况下也能获得很好的应用效果，与预测反褶积的效果(图10)相比，该方法的气泡效应压制效果(图11)明显更好。

对比原始数据与预测反褶积后的叠加剖面， 可看到预测反褶积虽能有效压制图中蓝色方框中的气泡效应，但是对浅层的成像有一定的影响。利用从直达波中提取的子波进行气泡效应压制，除了方框中位置外，箭头所指处气泡效应也能得到很好的压制，在有效解决延续相位问题下，不会对浅层的数据成像带来干扰，相比较预测反褶积而言，具有很高的保真度。

图8　远场子波(a)、统计子波(c)及对应频谱(b、d)的对比

图9　原始叠加数据

图10　预测反褶积气泡效应压制后叠加剖面

图11　直达波提取的子波气泡效应压制后叠加剖面

5　结论

通过理论模拟和实际资料的验证，海上地震资料中的直达波能够直观地反映激发子波的相关特征，提取的子波中包含真实有效的气泡信息。用该子波进行确定性子波反褶积，取得了很好的效果，与采用预测反褶积压制气泡效应结果相比，该方法的气泡压制效果更好。经过气泡效应压制处理后，在保持地震资料信噪比的情况下，其分辨率能够得到明显的提高。通过一系列实际数据的对比分析，发现地震资料中相位延续的强弱与气枪激发时的初泡比和周期相关，经过动校正后的数据，提取的子波其周期发生改变。因此，需要在非动校正的数据上进行提取。

为了进一步对气泡效应进行压制，建议在采集时提高震源的初泡比，以减弱气泡效应，同时预测反褶积与本方法组合应用，能更好的地压制气泡效应。

[1] 王红丽,丁在宇,桂德军等.震源子波反褶积在海洋地震资料处理中的应用.石油物探,2013,52(1)：49-54.

Wang Hongli,Ding Zaiyu,Gui Dejun et al.Application of seismic source wavelet deconvolution in marine seismic survey.GPP,2013,52(1)：49-54.

[2] 陈浩林,於国平.气枪震源单枪子波计算机模拟.物探装备,2002,12(4)：241-244.

Chen Haolin and Yu Guoping.Computer simulation for single air gun signature.Equipment for Geophysical Prospecting,2002,12(4)：241-244.

[3] 狄帮让,唐博文,陈浩林等.气枪震源的理论子波研究.石油大学学报(自然科学版),2003,27(5)：32-35.

Di Bangrang,Tang Bowen,Chen Haolin et al.Study on theoretical waveform from air guns.Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2003,27(5)：32-35.

[4] 陈浩林,宁舒年,熊金良等.气枪阵列子波数值模拟.石油地球物理勘探,2003,38(4)：363-368.

Chen Haolin,Ning Shunian,Xiong Jinliang et al.Numerical simulation of air-gun array wavelet.OGP,2003,38(4)：363-368.

[5] 倪成洲,陈浩林,牛宏轩.基于近场测量气枪阵列远场子波模拟软件研发.物探装备,2008,18(1)：11-17.

Ni Chengzhou,Chen Haolin,Niu Hongxuan.Development of software based on near field measurement of airgun array for simulation of far-field wavelet.Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(1)：11-17.

[6] 倪成洲,陈浩林,牛宏轩.基于近场测量气枪阵列远场子波模拟软件开发.石油物探,2008,46(5)：521-531.

Ni Chengzhou,Chen Haolin,Niu Hongxuan.Development of software based on near field measurement of airgun array for simulation of far-field wavelet.GPP,2008,46(5)：521-531.

[7] 陈浩林,全海燕,刘军等.基于近场测量的气枪阵列模拟远场子波.石油地球物理勘探,2005,40(6)：703-707.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Liu Jun et al.Simulation of far-field wavelet based on near-field measuring gun-array.OGP,2005,40(6)：703-707.

[8] 陈浩林,倪成洲,邢筱君.气枪阵列远场子波模拟与应用.石油地球物理勘探,2008,43(6)：623-625.

Chen Haolin,Ni Chengzhou,Xing Xiaojun et al.Simulation and application of far-field wavelet for airgun array.OGP, 2008,43(6)：623-625.

[9] 陈浩林,全海燕,於国平等.气枪震源理论技术综述(上).物探装备,2008,18(4)：211-217.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Yu Guoping et al.Summary of airgun source theory and technology (1).Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(4)：211-217.

[10]陈浩林,全海燕,於国平等.气枪震源理论技术综述(下).物探装备,2008,18(5)：300-308.

Chen Haolin,Quan Haiyan,Yu Guoping et al.Summary of airgun source theory and technology (2).Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(5)：300-308.

[11]叶亚龙,李艳青,张阿漫.平面气枪阵列远场子波模拟及优化.石油地球物理勘探,2015,50(1)：8-13.

Ye Yalong,Li Yanqing,Zhang Aman.Simulation and optimization of far-field signature of planar air-gun arrays.OGP,2015,50(1)：8-13.

[12]张鹏,杨凯,李欣等.海上空气枪点震源阵列的优化设计及应用.石油地球物理勘探,2015,50(4)：588-599.

Zhang Peng,Yang Kai,Li Xin et al.The optimal design of point source air-gun array in marine and its application.OGP,2015,50(4)：588-599.

[13]熊忠,高顺莉,张敏强等.上下源宽线地震采集技术在南黄海中部隆起的应用.石油地球物理勘探,2016,51(4)：647-653.

Xiong Zhong,Gao Shunli,Zhang Minqiang et al.Wide line seismic acquisition with over/under sources in the central uplift of South Yellow Sea Basin.OGP,2016,51(4)：647-653.

[14]赵秀鹏.海洋气枪震源组合及子波模拟.油气地质与采收率,2004,11(4)：36-39.

Zhao Xiupeng.Marine air gun array source and wavelet simulation.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2004,11(4)：36-38.

[15]李绪宣,王建花,张金淼等.海上气枪震源阵列优化组合设计与应用.石油学报,2012,33(SI)：142-148.

Li Xuxuan,Wang Jianhua,Zhang Jinmiao et al.Design and application of air-gun arrays in marine seismic exploration.Acta Petrolei Sinica,2012,33(SI)：142-148.

[16]王卫华.提高地震剖面信噪比和分辨率的一种新途径.石油地球物理勘探,1997,32(2)：246-256.

Wang Weihua.A new way of improving both signal/noise ration and resolution of seismic section.OGP,1997,32(2)：246-256.

[17]刘明洋,郭韬,沈铭成等.多道统计法提取子波及其应用.石油天然气学报,2010,32(5)：238-240.

Liu Mingyang,Guo Tao,Shen Mingcheng et al.Using multi-track statistical method for extracting wavelet and its application.Journal of Oil and Gas Technology,2010,32(5)：238-240.

[18]刘仁武,陈浩林,刘军等.极浅水域地震采集气枪震源设计与应用.石油地球物理勘探,2010,45(4)：478-481.

Liu Renwu,Chen Haolin,Liu Jun et al.Airgun designing and application in seismic acquisition in extremely shallow water area.OGP,2010,45(4)：478-481.

[19]张鹏，李欣，杨凯等．海洋空气枪点震源阵列优化组合设计与应用．石油物探，2015，54(3)：292-300．

Zhang Peng，Li Xin，Yang Kai et al．The optimal design of four sub-arrays point-source air-gun array in offshore seismic exploration，GPP，2015，54(3)：292-300．

[20]王红丽，丁在宇，桂德军等．震源子波反褶积在海洋地震资料处理中的应用．石油物探，2013，52(1)：49-54．

Wang Hongli，Ding Zaiyu，Gui Dejun et al．Application of seismic source wavelet deconvolution in marine seismic survey．GPP，2013，52(1)：49-54．

[21]丁继才，孙文博，黄小刚等．海上地震数据全波形反演实际应用．石油物探，2017，56(1)：75-80

Ding Jicai，Sun Wenbo，Huang Xiaogang et al．The strategies of FWI realization for marine seismic data．GPP，2017，56(1)：75-80．