劉學(xué)義, 程玖兵, 王騰飛, 耿建華, 劉玉柱

同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室， 上海 200092

0 引言

隨著油氣勘探的不斷深入，以構(gòu)造圈閉為主的優(yōu)質(zhì)儲層目標(biāo)越來越少，勘探開發(fā)的對象逐步向巖性油氣藏、構(gòu)造-巖性復(fù)合油氣藏拓展，對地震成像與儲層預(yù)測提出了更高的精度要求.在這種情況下，以聲壓波場傳播理論為基石的傳統(tǒng)標(biāo)量地震縱波勘探方法的局限性日益突出.多分量地震更全面地記錄了縱波(P波)和橫波(S波)的三維振動信息，聯(lián)合P-S波的地震成像與反演除了可改善“氣云區(qū)”和復(fù)雜地質(zhì)體(如鹽丘、火成巖)及其下部的構(gòu)造成像，還有助于巖性區(qū)分、儲層內(nèi)部非均質(zhì)性(包括裂縫系統(tǒng))刻畫以及含油氣性檢測，并在油氣藏開發(fā)、二氧化碳填埋等過程的動態(tài)監(jiān)控中體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(Stewart et al.,2002;張永剛等,2004;劉振武等,2008;何兵壽等,2019).

近20年來，在現(xiàn)代地震觀測與高性能計算技術(shù)的推動下，多分量地震方法在油氣資源勘探領(lǐng)域愈發(fā)受到重視.在海上，多分量地震以海底電纜(OBC)、海底節(jié)點(OBN)和海底地震儀(OBS)等觀測方式為主，由聲壓檢波器(俗稱水檢)和三分量質(zhì)點速度(或位移/加速度)檢波器(俗稱陸檢)共同接收到達海底的矢量波場信號.相比于陸地三分量(3C)地震，海底四分量(4C)地震多記錄一個聲壓場信號，就會受到海面多次波、水層鳴震以及涌浪噪聲等干擾.國內(nèi)外迄今采集了大量海底多分量地震資料，但資料的應(yīng)用還基本處于聯(lián)合利用水檢和陸檢信號壓制接收端海水鳴震階段，以此改善縱波成像質(zhì)量.簡便起見，有時也會直接將陸檢垂直分量信號視為P波，將水平分量信號視為PS波.然而，忽視P波與S波在這些分量的模式耦合會不同程度地影響多分量數(shù)據(jù)處理的效果(何兵壽和張會星,2006).理論與實踐表明，多分量波場P/S波模式分離(或解耦)有利于后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理，尤其是速度建模和偏移成像(陶春輝和何樵登,1993;許世勇等,1999;胡天躍等,2004; Yan and Sava,2008)，也能降低彈性波反演面臨的非線性和多參數(shù)耦合效應(yīng)(Wang et al., 2015,2018; Wang and Cheng, 2017;Ren and Liu, 2016;王騰飛,2017;Xu et al.,2019).目前，聯(lián)合水檢和陸檢信號實現(xiàn)上-下行P/S波分離，已被視為海底4C地震數(shù)據(jù)處理的一個最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于壓制水層鳴震或海面多次波，提高構(gòu)造成像和儲層預(yù)測的可靠性(Edme and Singh,2009;李維新等,2018;蘆俊等,2018).

海底地震波場分離有兩大類主流方法：第一類為聲波場分離方法(只能實現(xiàn)上下行波分離)，它把分離界面置于緊挨海底的水層中，根據(jù)水聽分量和陸檢垂直分量上行波信號極性相同、下行波極性相反的原理，將二者匹配后疊加分離出上、下行波場，俗稱PZ疊加或雙檢合并.該方法最先由Haggerty(1956)和White(1965)等提出，隨后得到一系列擴展(Dragoset and Barr,1994;Osen et al.,1999).這類聲波理論基礎(chǔ)上的波場分離方法僅適用于P波數(shù)據(jù)，無法區(qū)分P波與S波，因此難以支撐轉(zhuǎn)換波(如PS波)速度建模與成像處理.

第二類為彈性波場分離方法(實現(xiàn)縱橫波解耦和上下行波分離)，它把分離界面置于緊挨海底的固體介質(zhì)中，具體實現(xiàn)要么依據(jù)海底波場極化信息(Cho et al.,1992)，要么采用彈性波特征分解方法(Schalkwijk et al.,1999).前者屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，主要依據(jù)到達海底檢波器的P波與S波極化方向的差異，但該方法過程繁瑣且易受到噪聲的影響，也不能區(qū)分上、下行波.后者基于彈性波動方程的平面波解，依據(jù)特征值分解(Frasier,1970;Aki and Richards,2002)或海底界面P/S波能量分配關(guān)系(Wang et al.,2002;Edme and Singh,2009)構(gòu)建依賴于海底介質(zhì)參數(shù)的上-下行P/S波解耦方法.它一般在射線參數(shù)域?qū)崿F(xiàn)，需要適當(dāng)拓展才能處理海底介質(zhì)的橫向非均勻性(Amundsen et al.,2000).更重要的是，海底上-下行P/S波分離還受到水檢與陸檢在海底的耦合性和儀器響應(yīng)差異、海底固體介質(zhì)彈性參數(shù)的影響.于是，Schalkwijk 等(1999,2003)提出了一種有較強實用性的多步分離技術(shù)流程.該流程需在炮集數(shù)據(jù)上人為選取特定反射波時窗，人工交互導(dǎo)致工作量大，且在淺水多次波發(fā)育和信噪比較低情況下選擇時窗存在困難.為此，Muijs 等(2004,2007)重新建立了一種面向淺水多分量地震數(shù)據(jù)的波場分離技術(shù)流程.總之，海底多分量地震數(shù)據(jù)上-下行P/S波分離是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，步驟多，對工區(qū)條件、資料品質(zhì)的依賴性很強，幾乎每步都需針對特定的數(shù)據(jù)成分或震相求解相應(yīng)的反問題.因此，現(xiàn)有方法與流程在有些實際地震資料處理中成效并不明顯.

針對我國東海油氣田繩系OBS四分量地震數(shù)據(jù)波場分離與偏移成像遇到的挑戰(zhàn)，本文結(jié)合工區(qū)水深環(huán)境與資料信噪比特征，構(gòu)建了一個海底多分量地震記錄上-下行P/S波分離的新流程.通過二維模型數(shù)據(jù)與實際資料分離實驗，分析幾個關(guān)鍵步驟采用的方法以及整個流程的有效性.

1 方法原理與常規(guī)技術(shù)流程

海底多分量地震數(shù)據(jù)采集時，通常認(rèn)為水檢處于緊鄰海底的水層中，陸檢位于緊鄰海底的固體介質(zhì)中(如圖1a，Δh接近于零).海底多分量地震數(shù)據(jù)上-下行P/S波分離的基本原理可由彈性波表示定理推導(dǎo)而來(Amundsen et al., 2000).對于復(fù)雜的海底介質(zhì)情況，分離過程需要求解一系列復(fù)雜的積分方程.當(dāng)海底介質(zhì)橫向均勻或變化緩慢時，積分方程退化為由頻率域彈性波動方程特征分解(Frasier, 1970; Aki and Richards, 2002)建立的波場分離公式(Schalkwijk et al., 1999).下文對二維三分量數(shù)據(jù)的波場分離問題進行詳細(xì)闡述和分析.

首先，海底多分量數(shù)據(jù)的聲波場上-下行波分離發(fā)生在水檢所在的界面(如圖1b中黑色水平虛線所示).由圖可見，分離界面處的下行P波是經(jīng)自由表面反射下行到海底的，而上行到分離界面的P波包含兩種成分：一是在海底固體介質(zhì)傳播的上行P波(包括由S到P波上行轉(zhuǎn)換波)，二是下行P波經(jīng)海底反射并立即到達分離界面的上行干擾P波，通常情況下這種干擾波的能量會比較強.基于二維頻率域聲波方程的特征分解，可以推導(dǎo)出海底上-下行波分離公式(Amundsen,1993)：

(1)

其次，海底多分量數(shù)據(jù)的彈性波場上-下行P/S波分離發(fā)生在陸檢所在的界面(圖1c黑色水平虛線表示).可見，在分離界面處可明確區(qū)分上行P波和S波，但是分離出的下行P波除了從海水透射的下行P波，還包含分別由上行P和S波在海底界面產(chǎn)生的下行反射和轉(zhuǎn)換P波場.同理下行S波在分離界面處也由三種成分構(gòu)成.當(dāng)海底存在松軟沉積層時，自由表面反射波到達海底透射到分界面處的下行P波(圖1c黑色帶箭頭粗實線)是下行P波的主導(dǎo)成分，而由上行S波經(jīng)海底反射到分離界面的下行S波(圖1c淺藍色帶箭頭粗線)在所有下行S波成分中占主導(dǎo)地位，其他海底相關(guān)的干擾體波成分會相對較弱.

基于二維頻率域彈性波方程的特征分解，并考慮到海底切應(yīng)力為零，可以導(dǎo)出海底上-下行P/S波分離公式(Schalkwijk et al., 2003)：

圖1 海底多分量地震記錄波場分離示意圖(a) 海底地震儀檢波器位置； (b) 聲波場上-下行波分離； (c) 彈性波場上-下行P/S波分離.圖中水平虛線代表波場分離界面，藍色箭頭細(xì)線表示經(jīng)海底反射立即在分離界面接收到的波場.Fig.1 Schematic diagram of wavefield decomposition for ocean bottom multi-component seismic recordings(a) Detector positions of ocean bottom seismograph (OBS); (b) Up/down-decomposition of acoustic wavefield; (c) Up/down P-and S-wave decomposition of elastic wavefield. The horizontally dashed lines represent the interface of wavefield decomposition, and the thin arrows represent the wavefields that reflect at seabed and immediately arrive at the given interface.

(2)

以及，

(3)

假設(shè)海底多分量檢波器真實地記錄了質(zhì)點振動矢量場信息，按上述方法原理可以分離出海底上-下行P/S波記錄.然而，在實際海底地形與洋流條件下，某些地震儀與海底介質(zhì)的耦合性得不到保障，導(dǎo)致聲壓分量與陸檢分量在相位和振幅方面不符合理論上的數(shù)值關(guān)系.此外通常還會面臨真實海底參數(shù)未知的問題.因此很難直接利用公式(1)—(3)對實際海底多分量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分離.

隨著轉(zhuǎn)換波在海洋油氣勘探中愈發(fā)受到重視，地球物理學(xué)者也在不斷探索基于彈性波理論的上-下行P/S分離技術(shù)流程.Schalkwijk等(1999,2003)經(jīng)過多年的持續(xù)研究，提出了一種多步分離策略：首先，通過最小化一次反射波時窗中下行波的能量求取vz分量的校正因子.然后，通過最小化直達波時窗中上行波能量依次估計海底介質(zhì)參數(shù)并求取vx分量的校正因子.最后，根據(jù)特征分解理論導(dǎo)出的波場分離公式計算上-下行P/S波記錄.不過，該流程在耦合校正和參數(shù)估計時，需要在炮集數(shù)據(jù)上人工選定合適的時窗，除了工作量大，還容易受多次波及其他噪聲干擾.為此，Muijs等(2007)提出了一種面向淺水多分量地震數(shù)據(jù)P/S模式分離的新流程，它基于海底接收的上行波與下行波總能量相等這一理論假設(shè)建立的目標(biāo)函數(shù)來反演vz分量的校正因子，通過建立互相關(guān)目標(biāo)函數(shù)來估計海底介質(zhì)參數(shù)和反演vx分量校正因子.此外，有學(xué)者指出，依據(jù)海底接收的水聽分量和陸檢垂直分量中直達波的AVO關(guān)系，也可以估計海底介質(zhì)參數(shù)(Amundsen and Reitan,1995;Muijs et al., 2003).

2 淺水區(qū)海底多分量地震數(shù)據(jù)波場分離新流程

海底地震儀在重力作用下降落至海底，與海底接觸存在不可控性，且海底地形、環(huán)境與洋流狀況復(fù)雜，記錄中環(huán)境噪聲和多次波發(fā)育.尤其是在淺水條件下，環(huán)境噪聲的分布不均勻性遠高于深水區(qū)(劉麗華等,2012)，且多次波周期相對較短，對一次波的影響更為復(fù)雜.盡管全球范圍內(nèi)已經(jīng)采集了許多海底4C地震資料，但在偏移成像與儲層預(yù)測過程中真正利用好轉(zhuǎn)換波(如PS波)數(shù)據(jù)的實例并不多，其中一個重要原因就是海底波場分離效果不理想(李維新等,2018).

圖2顯示了國內(nèi)于2017年首次在東海油氣區(qū)將某型國產(chǎn)海底地震儀以繩系方式投放后，在一條二維測線上某地震儀采集的三分量地震記錄(已完成涌浪噪聲壓制、地震儀重定位與旋轉(zhuǎn)校正等預(yù)處理).由于前文提到的淺水環(huán)境噪聲與多次波、儀器和施工因素影響，聲壓分量的直達波受到嚴(yán)重污染，波形受到明顯破壞,淺層(0.7 s以內(nèi))反射波幾乎被噪聲掩蓋(圖2a黑色箭頭指示區(qū)域)，陸檢垂直分量的近偏移距處存在很強的波型泄漏干擾(圖2b黑色箭頭指示同相軸).由于很難挑選出信噪比有保證的直達波時窗以及多次波污染小的一次反射波時窗，前人針對垂直分量的校正方法無法使用.基于海底直達波的AVO關(guān)系估計海底介質(zhì)參數(shù)也比較困難.在理想情況下，初至折射波數(shù)據(jù)是上行波信號(圖2紅色箭頭指示同相軸)，因此它為儀器校正因子的求取提供了可以憑借的依據(jù).

因此，本文針對類似的海底多分量地震數(shù)據(jù)，依據(jù)彈性波場分離基本原理，提出由如下步驟組成的方法流程：

(1)P/vz校正：依據(jù)折射波時窗內(nèi)下行波能量最小化準(zhǔn)則反演vz分量相對于P分量的校正因子，進而完成陸檢垂直分量的匹配濾波與耦合校正；并通過公式(1)分離獲得純模式下行波場；

(2)估計海底介質(zhì)參數(shù)：利用到達海底的上行波與下行波零延遲互相關(guān)最小化準(zhǔn)則估計海底介質(zhì)參數(shù)；

圖2 東海QY探區(qū)海底多分量共接收點記錄(a) 水檢P分量； (b) 陸檢Z分量數(shù)據(jù)； (c) 陸檢X分量數(shù)據(jù).Fig.2 OBS common-receiver gathers from QY area in East China Sea(a) P- component of hydrophone; (b) Z- component of geophone; (c) X- component of geophone.

(3)P/vx校正：利用到達海底的上行波與下行波零延遲互相關(guān)最小化準(zhǔn)則反演vx分量的校正因子，進而完成陸檢水平分量的匹配濾波與耦合校正；

(4)海底上-下行P/S數(shù)據(jù)分離：按前文方法原理，由三分量記錄分離獲得純模式的上行P波、上行S波.

在流程處理之前需要對實際數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括檢波器重定位、方位角和傾斜校正、去噪、插值等工作.

2.1 P/vz校正

通常水檢比陸檢的耦合性更好，故以水檢記錄的聲壓信號為標(biāo)準(zhǔn)首先對陸檢vz信號進行校正.在認(rèn)為海水聲波速度和密度已知條件下，通過P/vz校正之后的vz分量能夠比較真實地代表海底質(zhì)點振動的垂直速度，那么在折射波時窗(中長偏移距初至折射波同相軸所在時窗)內(nèi)下行波能量接近于零.設(shè)頻率域的校正因子為Cpz(ω)，聲波場信號的上、下行波分離遵循公式(1).當(dāng)校正因子足夠準(zhǔn)確時,時窗內(nèi)下行波能量達到極小值，因此建立如下ω-k域的目標(biāo)函數(shù)：

(4)

2.2 估計海底介質(zhì)參數(shù)

當(dāng)海底附近沒有明顯分層結(jié)構(gòu)時，上行波與下行波不會同時到達海底.當(dāng)海底上行波和下行波記錄分離得比較徹底時，它們的零延遲互相關(guān)應(yīng)當(dāng)是一個極小值.彈性波場分離的方法依賴于海底介質(zhì)參數(shù)，故可通過最小化分離后上行波和下行波記錄的互相關(guān)系數(shù)估計海底介質(zhì)參數(shù)(Muijs et al.,2007).

(5)

其中b(p)與海底介質(zhì)參數(shù)α、β、ρ有關(guān)，即：

(6)

首先使EP(p)最小化，估計出隨射線參數(shù)變化的b(p)曲線.然后根據(jù)公式(6)采用全局尋優(yōu)方法擬合b(p)曲線反演獲得海底介質(zhì)參數(shù).該步時窗選擇無具體要求，以信噪比較高的反射波時窗為宜.

2.3 P/vx校正

(7)

式中R代表取復(fù)信號的實部.對目標(biāo)函數(shù)的迭代最小化可以估計出陸檢水平分量的校正因子.

2.4 上-下行P/S波分離

3 理論模型數(shù)值實驗

首先在一個含有100 m深水層的水平層狀介質(zhì)模型(如圖3)上開展方法與流程測試.利用一階速度-應(yīng)力方程交錯網(wǎng)格有限差分算法合成海底二維三分量(2D3C)炮記錄.P波震源設(shè)置在模型(1800 m,50 m)處，采用主頻為40 Hz的雷克子波，水檢和陸檢以4 m間隔均勻布放在海底，以0.5 ms間隔記錄時長1.8 s.利用鏡像法仿真水平自由表面效應(yīng).如圖4，2D3C共炮記錄中一次反射波被大量的自由表面多次波所污染.

3.1 海底參數(shù)敏感性分析

利用合成的海底多分量記錄，驗證海底介質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性對波場分離結(jié)果的影響.對任意兩個參數(shù)組合，在真實參數(shù)(用黑色實線標(biāo)識)附近一定范圍擾動，將分離結(jié)果的誤差平方和與真實結(jié)果平方和的比值作為衡量誤差的標(biāo)準(zhǔn)，來評估P波或者S波分離對不同海底參數(shù)的敏感性，公式表示為

(8)

式中da表示使用精確海底介質(zhì)參數(shù)獲得的分離結(jié)果，dw為使用試驗參數(shù)獲得的分離結(jié)果，t和r分別對應(yīng)時間和檢波器采樣序號.圖5a—c誤差圖譜表明，P波分離受縱波速度影響大，受橫波速度和密度影響相對較??；圖5d—f表明S波分離主要受橫波速度影響，受密度的影響較小，且不受縱波速度的影響.總體而言，三個參數(shù)中縱、橫波速度的估計比較關(guān)鍵.

3.2 陸檢分量校正與波場分離

為了仿真海底儀器響應(yīng)差異與耦合問題，對陸檢vx和vz分量在頻率域施加如圖6所示的頻率畸變因子C(ω)，使其振幅特性發(fā)生改變(暫時不改變相位).首先采用前文所述第一步進行P/vz校正，該過程使用圖4箭頭指示的折射波同相軸(中長偏移距初至折射波同相軸所在時窗).如圖7，從真實校正因子(黑色虛線)與反演的校正因子(紅色實線)對比可知，在有效頻帶范圍內(nèi)得到了校正因子的合理估計，圖中真實校正因子由畸變因子計算獲得(真實校正因子的振幅是畸變因子振幅的倒數(shù)，相位與畸變因子符號相反).然后，采用流程第二步反演海底介質(zhì)參數(shù).將P分量和校正后的vz分量變換到τ-p域，在圖8矩形框所示的反射波時窗內(nèi)，通過最小化公式(5)定義的目標(biāo)函數(shù)反演獲得b(p)曲線(如圖9紅色實線所示).而后基于公式(6)在合理范圍內(nèi)遍歷參數(shù)組合擬合b(p)曲線，估計出海底介質(zhì)參數(shù).本例中α搜尋范圍1.5～2.5 km·s-1，β搜尋范圍0.1～1.0 km·s-1，ρ搜尋范圍1.5～2.3 g·cm-3，搜尋步長都為0.1.最優(yōu)擬合b(p)曲線對應(yīng)的三參數(shù)為α=1.6 km·s-1，β=0.4 km·s-1，ρ=1.85 g·cm-3.與真實海底介質(zhì)參數(shù)α=1.60 km·s-1，β=0.40 km·s-1，ρ=1.80 g·cm-3對比發(fā)現(xiàn)，縱橫波速度估計比較準(zhǔn)確，密度參數(shù)估計誤差較大.這與前面密度敏感性最低的認(rèn)識一致.

接下來在同一反射波時窗按流程第三步反演vx分量的校正因子Cpx(ω).結(jié)果如圖10所示，與真實校正因子對比可知，在有效頻帶范圍內(nèi)同樣合理地估計出了針對陸檢水平分量的校正因子.在完成陸檢信號的校正與海底參數(shù)的反演之后，就可按公式(2)和(3)完成海底波場分離.圖11a、b、c展示了不進行P/vz與P/vx校正，但采用精確的海底介質(zhì)參數(shù)的情況下，按聲波場分離原理分離出的下行P波記錄，以及按彈性波場分離原理直接分離出的上行P波與S波記錄.可見，忽略陸檢信號校正環(huán)節(jié)會影響分離效果.下行P波記錄仍然殘留折射波信號(圖11a箭頭指示同相軸)，上行P波與S波記錄均含有大量波型泄漏(圖11b、c箭頭指示同相軸).圖11d、e、f展示了依次進行P/vz校正、海底參數(shù)估計以及P/vx校正，然后實施波場分離取得的結(jié)果.可見，P/vz校正保證分離出來的下行P波記錄基本無折射波殘存，無明顯上行波干擾；基于校正后的vx分量和vz分量與估計的海底參數(shù)，按彈性波場分離原理分離出的上行P波和上行S波記錄明顯消除了檢波點端下行波(海水鳴震)干擾，避免了P波與S波信號相互泄漏.從偏移距100 m處抽道對比(圖12)看出，嚴(yán)格按流程步驟處理的分離結(jié)果與利用合成數(shù)據(jù)得到的真實結(jié)果(利用精確海底參數(shù)對未施加畸變因子的模擬數(shù)據(jù)做分離)基本一致.可見，水檢與陸檢信號校正及海底參數(shù)估計對P波與S波的高質(zhì)量分離至關(guān)重要.

圖3 淺水各向同性層狀介質(zhì)模型(a) 縱波速度； (b) 橫波速度； (c) 密度.Fig.3 Layered isotropic medium model in shallow water(a) P-wave velocity; (b) S-wave velocity; (c) Density.

圖4 二維三分量共炮點道集(a) P分量； (b) vz分量； (c) vx分量.Fig.4 Synthetic two-dimensional three-component (2D3C) common-shot gathers(a) P component; (b) vz component; (c) vx component.

圖5 波場分離對海底介質(zhì)參數(shù)的敏感性第1行:上行P波分離，第2行:上行S波分離. 黑線表示真實參數(shù)值所在位置.Fig.5 Sensitivity of wavefield decomposition to seabed medium parametersTop: decomposition of up-going P-waves; Bottom: decomposition of up-going S-waves. Black line denotes the actual value of the corresponding parameter.

圖6 頻率域畸變因子Fig.6 Distortion factor in the frequency domain

圖7 vz分量頻率域校正因子Fig.7 Calibration operator in the frequency domain for vz component

圖8 τ -p域vz分量數(shù)據(jù)Fig.8 vz component of seismogram in τ -p domain

3.3 抗噪性分析

對數(shù)據(jù)施加統(tǒng)一強度的白噪聲，通常會導(dǎo)致局部數(shù)據(jù)信噪比(如初至折射波時窗信噪比)與整體信噪比有較大差別.在東海實際數(shù)據(jù)中初至折射波時窗信噪比相對較高(圖2所示)，且折射波時窗主要受涌浪等噪聲干擾，去噪相對簡單.本文方法最終分離結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于第一步vz分量校正因子估計的準(zhǔn)確性，所以我們向合成2D3C數(shù)據(jù)加入兩種不同強度的隨機噪聲，使得初至折射波時窗信噪比分別為4 dB和-10 dB(注意此時數(shù)據(jù)整體信噪比分別為20 dB和6 dB，如圖13所示，本文只展示vz分量)，以檢驗本文流程的抗噪性.

圖9 估計的b(p)曲線黑線為真實值，紅線為反演值.Fig.9 Estimated b(p) curveBlack: true value, Red: inverted value.

圖10 vx分量頻率域校正因子Fig.10 Calibration operator in the frequency domain for vx component

圖11 檢波器校正前后上-下行P/S模式分離結(jié)果對比(a—c) 校正前多分量數(shù)據(jù)分離的下行P波、上行P波和上行S波； (d—f) 校正后多分量數(shù)據(jù)分離的下行P波、上行P波和上行S波.Fig.11 Comparison of up-down P/S decomposition results before and after geophone calibration(a—c) Down- and up-going P-waves, and up-going S-waves from the seismograms without geophone calibration; (d—f) Down- and up-going P-waves, and up-going S-waves from the calibrated seismograms.

圖12 偏移距100 m處抽道對比圖三幅圖依次對應(yīng)下行P波、上行P波與上行S波；黑色虛線為真實分離結(jié)果，藍色虛線為未做校正數(shù)據(jù)分離結(jié)果，紅色實線為校正后數(shù)據(jù)分離結(jié)果.Fig.12 Comparison the seismic traces at the offset of 100 mThe black dotted line, blue dotted line and red solid line denote the true signals, the decomposition results without and with geophone calibration, respectively.

圖13 含隨機噪聲vz分量記錄(a) 整體信噪比為20 dB； (b) 整體信噪比為6 dB.Fig.13 vz component recordings with random noise(a) 20 dB of SNR; (b) 6 dB of SNR.

圖14 校正因子結(jié)果對比(a) vz分量校正因子; (b) vx分量校正因子. 黑色虛線是精確解，紅色實線是反演結(jié)果.Fig.14 Comparison of calibration operators(a—b) Calibration operators of vz and vx components (SNR=20 dB). Black dotted line and red solid line denote exact solution and inversion results, respectively.

圖15 20 dB信噪比數(shù)據(jù)b(p)曲線黑線為真實值，紅線為反演值.Fig.15 The estimated b(p) curves of SNR=20 dB dataThe black dashed lines denote the true values, and the red solid lines denote the inverted values.

對折射波時窗信噪比為4 dB的vz分量和vx分量合成記錄施加如圖6所示的頻率畸變因子C(ω)，然后按本文流程進行模式分離.圖14a與14b分別為vz分量和vx分量校正因子求取結(jié)果，在有效頻帶范圍內(nèi)與真實值非常接近.圖15為反演的b(p)曲線，對應(yīng)估計的海底介質(zhì)參數(shù)為：α=1.6 km·s-1，β=0.4 km·s-1，ρ=1.92 g·cm-3，只有密度誤差較大.由圖16可知，最終分離的上行P/S波記錄與精確結(jié)果非常接近.這說明折射波時窗信噪比為4 dB時，本文方法流程仍然可以獲得合理結(jié)果.

對折射波時窗信噪比為-10 dB的vz分量和vx分量數(shù)據(jù)施加同樣的畸變因子，然后利用本文流程進行模式分離.由于折射波時窗信噪比過低，導(dǎo)致vz分量校正因子結(jié)果存在很大誤差，進而導(dǎo)致參數(shù)估計和vx分量校正因子誤差很大，本文不再給出具體結(jié)果.因此，只對vx分量施加畸變因子(vz分量沒有畸變)，隨后按照本文流程進行海底參數(shù)估計和反演vx分量校正因子(這兩步選取的窗口信噪比與整體信噪比接近，為6 dB)，以驗證這兩步對噪聲的敏感性.最終分離出的上行P/S波結(jié)果如圖16b所示，與精確結(jié)果非常接近.所以綜合來看，本文所述方法流程具有較好抗噪性.

4 實際OBS資料處理

東海QY工區(qū)位于西湖凹陷三潭深凹中部，平均水深約85 m，處在較為寬緩的大陸架緩坡地帶，海底較為平緩，構(gòu)造總體呈東南傾斜，具有典型的凹中隆構(gòu)造特征.經(jīng)中海油、中石化與同濟大學(xué)三方協(xié)商，依托2017年二次三維地震采集航次機會與震源船設(shè)備，以繩系OBS方式沿一條10 km二維測線均勻布放100臺國產(chǎn)OBS儀器，接收由空氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的地震波.本文把OBS二維測線正上方炮數(shù)據(jù)分選出來開展海底多分量地震數(shù)據(jù)的波場分離實驗.該測線共834炮，炮間距37.5 m，共有100個OBS節(jié)點，間距為100 m.原始數(shù)據(jù)最大偏移距為20 km，但本文聚焦反射波成像問題，故只截取和處理偏移距10 km以內(nèi)的數(shù)據(jù).

用于波場分離實驗的二維三分量(2D3C)地震記錄依次經(jīng)過了檢波器重定位、傾斜校正和方向旋轉(zhuǎn)校正、時間重采樣、帶通濾波和點源到線源振幅校正等預(yù)處理.如前文圖2所示，由于儀器與施工因素以及淺水噪聲尤其是多次波的影響，聲壓分量在0.7 s以內(nèi)信噪比非常低，垂直速度分量在近偏移距存在嚴(yán)重的P與S波模式串?dāng)_，按現(xiàn)有基于直達波、反射波時窗的陸檢信號校正和海底參數(shù)估計方法很難開展.同時，基于低信噪比和波形振幅受到明顯破壞的直達波信號利用AVO反演估計海底參數(shù)也比較困難.

下面介紹本文方法流程的試驗結(jié)果.從100個OBS中選取了數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求的85個，按檢波器道集開展海底上-下行P/S波模式分離.這里以O(shè)BS編號為33的2D3C共接收點道集進行展示.首先選定中偏移距信噪比有保障的折射波時窗，按第一步反演vz分量校正因子(如圖17)，進而完成vz分量校正.同時按聲波場分離理論得到下行P波記錄，結(jié)果如圖18所示，在完成上下行波分離之后，下行P波記錄中基本不存在折射波信號，這表明P/vz校正效果明顯.接著按第二步在2.0s附近選定信噪比有保障的反射波時窗估計出海底縱、橫波速度與密度.圖19為這個過程中首先反演得到的b(p)曲線，由它進一步估計出海底參數(shù)分別為α=1.6 km·s-1，β=0.3 km·s-1，ρ=1.7 g·cm-3(由它們擬合出的b(p)曲線由圖19中紅色曲線表示).為了保證算法的穩(wěn)定性，在反演b(p)曲線過程中對目標(biāo)函數(shù)的梯度(局部優(yōu)化的下降方向)進行了正則化(光滑)處理.這樣的高縱-橫波速度比與工區(qū)內(nèi)海底存在未固結(jié)沉積物的情況比較吻合.然后在同樣的反射波時窗按第三步，求取vx分量的校正因子(如圖20)，完成vx分量校正.

最后對完成P/vz與P/vx校正的2D3C共接收點道集，采用估計出來的海底介質(zhì)參數(shù)，按第四步進行海底彈性波場分離.圖21分別展示分離出的上行P波記錄以及上行S波共接收點記錄.與陸檢垂直分量對比可知，上行P波基本消除了S波的串?dāng)_，而且壓制了一些與檢波器一端水體鳴震相關(guān)的噪聲；同樣，與陸檢水平分量的對比可看出，分離出的上行S波信噪比也有一定提升.vx分量中與P波視速度接近的同相軸幾乎看不到，說明其中主要能量是視速度低的S波.海水聲波速度為α0=1.5 km·s-1，密度為ρ0=1.0 g·cm-3，海底縱波速度為α=1.6 km·s-1，橫波速度為β=0.3 km·s-1，密度為ρ=1.7 g·cm-3，根據(jù)Zoeppritz公式(Aki and Richards,2002)，計算出上、下行P波、S波在海底界面的反射和透射系數(shù)曲線如圖22所示，在當(dāng)前參數(shù)配置情況下，海底界面處縱-橫波相互轉(zhuǎn)換并不強烈，同樣意味著vx分量基本為上行S波為主，這也一定程度上解釋了vx分量和分離出的上行S波記錄非常接近的原因.

圖16 偏移距100 m處分離的上行P/S波地震道對比(a) 信噪比20 dB； (b) 信噪比6 dB.黑線為真實值，紅線為校正后數(shù)據(jù)分離結(jié)果.注意P波與S波記錄為不同時窗范圍.Fig.16 Comparison of decomposed seismic traces of P- and S-waves at the offset of 100 m(a) SNR=20 dB; (b) SNR=6 dB.The black and red curves denote the real and inverted value. Note that different time windows are shown for P- and S-wave recordings.

圖17 vz分量頻率域校正因子Fig.17 Calibration operator in frequency domain of z-component

圖18 聲波場共接收點記錄分離結(jié)果(a) 聲壓分量(左)和垂直速度分量(右)； (b) 分離的下行波場.Fig.18 Acoustic wavefield decomposition of common-receiver gathers at the ocean bottom(a) Pressure component (left) and vertical particle velocity component(right); (b) Decomposed down-going waves.

圖19 實際數(shù)據(jù)b(p)曲線紅實線為反演曲線，黑虛線為擬合曲線.Fig.19 The estimated b(p) curves of the field dataThe red solid and black dotted lines denote the inverted and fitted results, respectively

圖20 vx分量頻率域校正因子Fig.20 Calibration operator in frequency domain for x-component

針對85個OBS分離出的上行P波與S波記錄，進行標(biāo)量聲波高斯束疊前深度偏移處理，其中P波速度模型由水檢記錄初至波走時層析構(gòu)建，S波速度模型按一定的縱-橫波速度比換算得到.圖23為原始聲壓記錄、分離出的上行P波記錄對應(yīng)的偏移剖面.可見后者反射界面層次更清晰，同相軸連續(xù)性得到改善，海水鳴震以及一些S波污染的壓制對提升成像分辨率與信噪比起到了作用.圖24展示了對分離后上行S波記錄進行高斯束偏移獲得的PS反射成像剖面.由于上述流程僅能壓制檢波器端的水層鳴震，所以分離出的上行P波與S波均受到大量殘余淺水多次波的干擾，今后需要研究針對性的多次波壓制與偏移處理方法.

5 討論與結(jié)論

本文提出了由四個核心步驟組成的上-下行P/S波分離新流程，在至關(guān)重要的第一步依據(jù)中偏移距折射波時窗內(nèi)下行波能量最小化準(zhǔn)則，取代常規(guī)基于小偏移距直達波時窗的P/vz校正方法，擴充了淺水低信噪比海底多分量地震記錄波場分離的技術(shù)選項.理論合成數(shù)據(jù)實驗檢驗了方法流程的可行性，參數(shù)敏感性分析表明縱波速度對P波分離效果影響最大，橫波速度對S波分離效果影響最大，而密度對波場分離影響較小.抗噪性分析實驗表明本文所述方法具有較好抗噪性.

圖21 海底共接收點數(shù)據(jù)彈性波場分離結(jié)果(a) 垂直速度(左)與分離的上行P波記錄(右)； (b) 水平速度(左)與分離的上行S波記錄(右).Fig.21 Elastic wavefield decomposition of common-receiver gathers at the ocean bottom(a) Vertical particle velocity (left) and the decomposed up-going P-wave recording (right); (b) Horizontal particle velocity (left) and the decomposed up-going S-wave recordings (right).

圖22 海底界面反射/透射系數(shù)分析(a) 入射上行P波； (b) 入射上行S波； (c) 入射下行P波.圖中左側(cè)為平面波入射/透射/反射示意圖，右側(cè)紅線、黑線和綠線分別為上行P波、下行P波以及上行S波的振幅隨射線參數(shù)的變化系數(shù).Fig.22 Reflection and transmission coefficients at the seafloor interface(a) Up-going P-wave incidence; (b) up-going S-wave incidence and (c) down-going P-wave incidence. The left row denotes plane wave incidence/transmission/reflection, and the red, black and green lines on the right row denote the reflection and transmission coefficients of various wave modes.

圖23 反射PP波疊前深度偏移結(jié)果(a) 基于原始聲壓分量的PP成像； (b) 基于分離的上行P波記錄的PP成像.Fig.23 Prestack depth migration results of reflected PP waves(a) PP image of the raw pressure component; (b) PP image of the separated up-going P-wave recordings.

圖24 基于分離后上行S波記錄的反射PS波疊前深度偏移結(jié)果Fig.24 Prestack depth migration result of the separated up-going S-wave recording

分析東海油氣田國產(chǎn)地震儀采集的多分量地震數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所有水檢直達波信號都受到嚴(yán)重的噪聲污染，因此基于中偏移距折射波時窗的P/vz校正方法正好克服常規(guī)海底波場分離方法流程的不足.從最終分離的上行P波與S波記錄及其疊前深度偏移結(jié)果來看，本文技術(shù)流程基本達到了海底波場分離的預(yù)期效果.雖然它能壓制檢波端的水體鳴震，但仍然殘余的淺水多次波能量直接影響一次反射PP波與PS波的偏移成像質(zhì)量.今后針對該海底多分量地震資料的精細(xì)處理，需要補充其他有針對性的淺水多次波壓制方法，發(fā)展針對轉(zhuǎn)換波記錄的多次波壓制方法與技術(shù)流程，進而開展更細(xì)致的縱、橫波速度建模與偏移成像處理.

致謝感謝國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0202903 & 2018YFC0310100)和國家自然科學(xué)基金(41630964，41674117)以及國家科技重大專項(2017ZX05005-004)的資助.感謝于鵬飛博士以及中海油、中石化上海分公司有關(guān)人員在YQ探區(qū)多分量地震數(shù)據(jù)采集工作中付出的努力.