面向南海北部中生界地质目标的宽频高精度准三维处理集成技术

陈胜红 钟广见 吴庐山王嘹亮 吴其林 邵长高

(①广州海洋地质调查局三亚南海地质研究所，海南三亚 572025；

②自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州 510760；

③中国地质调查局南海地质科学院，海南三亚 572025；

④广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名 525000)

前人研究成果和南海LF35-1-1井实钻结果表明：位于南海北部的潮汕坳陷为中生界残留坳陷，面积约4×103km2，最大沉积厚度超过7km，具有较好的石油地质条件和广阔的油气勘探潜力[1-5]。受复杂地震地质条件的影响，二维地震资料中生界成像较差，而“多缆三维”地震资料采集难以实施，长期以来坳陷内A目标区中生界圈闭无法落实，制约了该区中生界油气的勘探、开发。近年来，准三维技术发展较快，在准三维窄方位地震资料处理[6]、网格层析速度反演速度场求取[7]、双源单缆方式采集地震数据处理[8]、基于准三维资料的洋中脊岩石圈结构分析[9]等方面都取得了长足进步。

本文依托“南海东北部中生界油气资源调查”项目，针对A目标区中生界约600km2准三维地震资料开展了处理技术攻关，形成了以自举法τ-p域稀疏反演鬼波压制技术、浅水多次波衰减法(SWMA)+自由表面相关多次波衰减法(SRME)+Radon变换法组合去多次波、匹配追踪傅里叶变换五维面元规则化和基于全波形反演(FWI)的断控层析速度建模的高斯束叠前深度偏移(CBM)集成技术，较好地解决了南海中生界地质目标的成像问题，为后续A目标区中生界圈闭落实和油气勘探潜力评价奠定了坚实基础，并形成了一套能服务于面向南海复杂海况、复杂构造背景的中生界油气资源调查的“宽频、高精度准三维处理集成技术”。

潮汕坳陷位于南海北部东沙海域，复杂的地质条件和水文条件导致该区的地震地质条件非常复杂[10-11]，主要表现在6个方面：①海底底质较硬(主要为砂质或碳酸岩)，易引发鸣震现象；

②浅层碳酸盐岩层或火山岩层具有屏蔽作用；

③新生界与中生界之间的强波阻抗界面，对地震波向下传播具屏蔽作用；

④中生界内部地层波阻抗差较小导致内部反射能量较弱；

⑤中生界受多期构造运动作用影响，地层变形较大，构造复杂；

⑥受太平洋进入南海洋流“黑潮”的影响，该海域内波湍流特别发育，无规律、难以预测，若实施“多缆三维地震调查”，不仅会导致采集数据的严重缺失或不规则，还会导致电缆相互缠绕，致使设备严重损坏，形成作业安全隐患。

A目标区位于潮汕坳陷中部低凸起的中部，东临东部凹陷、西紧邻西部凹陷(图1a)，油气成藏条件非常优越(图1b)，为潮汕坳陷中生界油气勘探最有利目标区。由于地震地质条件复杂，“多缆三维地震调查”难以实施，严重影响了中生界圈闭的落实，进而制约了中生界油气勘探潜力评价。为此，广州海洋地质调查局依托“南海东北部中生界油气资源调查”项目，对A目标中生界实施了面积约600km2的准三维地震数据采集(采用线间距100m、“长排列—单源—单缆”二维观测系统和电缆三段式定位系统)，期待通过处理技术攻关，解决A目标区中生界的成像问题。准三维地震采集参数详细见表1。

表1 准三维地震数据采集参数表

图1 潮汕坳陷构造区划(a)及其油气运聚成藏剖面[4](b)

在充分消化和吸收前人对潮汕坳陷中生界地震资料处理经验[6-8,12-14]的基础上，本文对A目标区中生界“准三维地震数据”开展了处理技术攻关，形成了以自举法τ-p域稀疏反演鬼波压制技术、SWMA+SRME+RADON组合去多次波、匹配追踪傅里叶变换五维面元规则化和基于FWI断控层析速度建模的CBM为代表的四大关键集成技术，并形成了如图2所示的准三维地震资料处理流程。其中提频处理主要采用Debubble技术，通过将一个窄带的、鸣震的信号转化为宽频的、压缩的子波，进而提高地震资料的分辨率；

基于TTI介质各向异性开展叠前时间偏移；

叠前时间偏移的叠后处理主要采用反Q滤波方法进行振幅调整(利用均方根速度转化得到的层速度求Q因子)以及Radon去噪等；

CBM叠后处理也主要采用反Q滤波的方法进行振幅调整处理(利用高精度层速度建模得到的层速度求Q因子)等。

图2 准三维地震资料处理流程

2.1 鬼波压制技术

海上地震资料采集时，需要将气枪和检波器都置于海平面之下一定的深度。由于海水与空气的接触面是一个良好的反射面，故接收器除了接收到通常的反射波外，还将接收到与海平面的反射作用相关联的伴随波，这种伴随波称为鬼波(或虚反射)[15-17]。鬼波会抑制地震数据的低频分量，造成频域的陷波点，从而降低地震记录的分辨率，使地震记录的同相轴发生混叠甚至产生假同相轴。为获得准确的地震记录，就要尽量消除鬼波的影响。

近年来，鬼波压制的重要性越来越受到广泛重视，并已成为海洋地震资料处理的关键技术。f-k域鬼波压制方法[14]、基于格林函数理论的鬼波压制方法[15]和基于高斯束偏移的鬼波压制方法[16]等都取得了很好的应用效果。本文针对A目标区，采用自举法τ-p域稀疏反演去鬼波技术压制地震数据中的鬼波，其原理是使用炮集记录通过基于一维射线追踪的正常时差校正方法创建镜像数据；

然后使用地震记录和镜像数据联合反演检波器无鬼波信号数据[17]。自举法τ-p域稀疏反演去鬼波技术针对不同角度、不同空间响应的鬼波，精确地估算出鬼波的延迟时间，从而去除鬼波影响，还原真实地震子波，弥补频带凹陷，为后期利用宽频带信息研究提供了数据支撑。对比采用此技术前、后道集(图3)、叠加剖面(图4)和子波频谱(图5)可知：在道集上有效地抑制了鬼波对一次反射波的干扰(图3中白色箭头所示)；

在叠加剖面上有效信号得到加强，地震资料分辨率得到了提高(图4中白色箭头所示)；

子波频谱可见，低频能量得到增强、高频端凹陷得到削弱，频带得到拓宽，减少了子波旁瓣。

图3 去鬼波前(a)、后(b)道集对比

图4 去鬼波前(a)、后(b)叠加剖面对比

图5 去鬼波前、后子波频谱对比

2.2 组合去多次波技术

压制多次波是海洋地震勘探中最突出的问题之一[18-23]，常见的多次波包括海底相关的水层多次波、地层相关的水层多次波和海平面相关多次波(图6)。残留多次波会直接影响地震剖面成像的可靠性和真实性。因此，压制多次波、突出有效波，反映地下真实地质情况是海洋地震数据处理的重要任务和难点。目前，前人开发了多种压制多次波的方法，如压制自由界面多次波的SWMA方法和SRME方法[18-23]、压制层间多次波的高精度Radon变换法[22]和预测反褶积方法等[23]。

图6 自由界面多次波

(1)SWMA技术。SWMA技术的基本原理是根据多次波在τ-p域具有严格的周期性这一特征，通过τ-p域波场延拓估计多次波模型，再应用均衡多道最小二乘自适应匹配滤波将多次波从地震数据中减去[18]。由于τ-p域中自由界面多次波数据表现出严格的周期性，与有效波数据存在较大差异，所以不会出现类似时间域远炮检多次波周期性变差的情况。只需知道海水速度与水深，就可预测出与水层有关的各级次多次波并加以压制。但是由于SWMA是针对波场在海平面与海底之间振荡产生的多次波而特定设计的(图6a、图6b)，因此该方法对于其他海平面相关的自由界面多次波衰减作用有限(图6c)。

(2)SRME技术。SRME技术的基本原理是通过地震数据褶积预测多次波模型，数据本身褶积得到一阶多次波，该多次波与数据本身进行褶积可得二阶多次波，重复以上操作可得到其他高阶多次波。在此基础上，由均衡多道最小二乘法自适应匹配滤波衰减多次波[19-21]。SRME技术因本身的假设条件较为严格而影响使用效果，若单独使用，则自由界面多次波经衰减后仍有残留。

将上述两种技术的优缺点进行对比分析可发现：①SWMA技术可弥补SRME技术对采集要求过于严格的假设条件(空间采样要求较密，近炮检距需采集信息，规则化采集无羽角等要求)；

②SRME技术可弥补SWMA技术针对波场在海平面与海底之间振荡产生多次波而设计的专一性，可压制其他海平面相关自由界面产生的多次波。因此，SWMA与SRME技术组合使用可压制自由界面产生的多次波。

(3)高精度抛物线Radon变换。高精度抛物线Radon变换主要是利用一次波与多次波之间速度或时间差异实现多次波的衰减[22]。为有效区分多次波与有效波，该变换需在动校后的道集上进行处理。道集上一次波经动校正后被拉平，而多次波因动校不足与有效波存在剩余时差。通过控制多次波与有效波的时差确定哪一部分是需保留的信号，哪一部分是要衰减的多次波。随着炮检距的增大，多次波与有效波的时差越来越大，更利于多次波与有效波的分离，因此，高精度抛物线Radon变换更适合进行中、远道长周期多次波的去除。

通过分析，A目标区准三维地震数据多次波主要表现为自由界面多次波和中、远炮检距长周期多次波。针对A目标多次波的特点，首先利用SWMA方法压制自由界面海底相关的水层多次波(图7a)；

然后利用SRME方法压制残余的其他自由界面产生的多次波(图7b)；

最后采用高精度抛物线Radon变换方法压制残余的一次波和多次波动校时差差异较大的中远炮检距长周期多次波(图7c)。

图7 三种方法多次波压制前(左)、后(中)及差异部分(右)对比图

图8是针对A目标SWMA+SRME+Radon组合去多次波前、后叠加剖面对比，可明显看到多次波得到有效压制，资料信噪比和分辨率得到提高。

图8 多次波压制前(a)、后(b)叠加剖面对比

2.3 面元规则化

叠前偏移对输入地震数据道空间坐标的规律性有严格的要求，数据采集的不规则和缺失会对叠前偏移成像造成严重影响。对于保真处理，需要在叠前偏移前进行数据规则化处理，叠前数据规则化技术基于已有的地震资料进行重构，计算缺失的地下反射信息，在一定程度上解决数据采集的不规则性或缺失造成的成像问题[24-27]。

通常，完整地描述三维地震数据至少需要5个维度，包括主测线(Inline)、联络测线(Crossline)、时间(time)、炮检距(offset)和方位角(azimuth)。以往的三维或四维数据规则化，只能对3个维度(主测线、联络测线和时间)或4个维度(主测线、联络测线、时间和炮检距)进行插值运算，不可避免地会损失横向分辨率和振幅特性，不利于保真成像处理。五维规则化则同时考虑上述5个维度的信息，实现保真处理。

目前，反泄露傅里叶变换重构五维规则化方法[25]、炮检距—方位角域数据矩形五维规则化方法[26]等均取得了一定的应用效果，但对极窄方位角数据效果不佳。本文针对A目标准三维地震数据特点(方位角非常窄，数据极不规则，且存在一定缺失)，采用匹配追踪傅里叶变换五维规则化技术对叠前偏移输入数据进行规则化处理。

匹配追踪算法是基于压缩感知和稀疏表示理论[27]。压缩感知理论的前提是数据可以稀疏表示，其核心思想是数据的压缩和采样合并同时进行；

稀疏表示理论的基本思想是为规则采样的带限信号设计一个合理的滤波器进行滤波处理，由较少的数据重建出满足一定精度的原始信号。虽然在t-x域的地震数据不具备稀疏性，但经过傅里叶变换后，在f-k域的地震数据满足稀疏表示的要求，因此可通过匹配追踪与傅里叶变换相结合的方法实现地震数据的重构，从而在一定程度上恢复具有一定精度的地震信号。匹配追踪傅里叶变换五维规则化技术具有反假频和防频谱泄漏的优点，保真度高，其原理见图9[27]。

图9 匹配追踪傅里叶插值方法示意图[28]

图10是针对A目标数据采用匹配追踪傅里叶变换五维规则化处理前、后地震叠加剖面对比，可明显看到规则化有效弥补了原始数据的缺失；

图11为规则化前、后时间切片对比，可明显看出，规则化后数据消除了采集脚印的影响，提高了数据的信噪比。

图10 五维规则化前(a)、后(b)地震剖面对比

图11 五维规则化前(a)、后(b)的1200ms地震时间切片对比

2.4 叠前深度偏移

地下构造相对简单、横向速度变化较小、非均质性较弱时，共成像点与共反射点基本一致，叠前时间偏移可满足目标成像的需求[28]。而当地下构造复杂、横向速度变化较大、非均质性较强时，共成像点与共反射点不一致，叠前时间偏移不能满足目标成像的要求，需要采用叠前深度偏移才能取得较好的成像效果[28]。深度域层速度模型的建立以及深度偏移方法的选择是叠前深度偏移成像的两大关键要素。

针对深度域层速度模型，前人开发了基于层位的层析速度建模方法、基于网格的层析速度建模方法和FWI方法等[29-31]。基于层位层析的速度建模方法是在叠前深度偏移剖面上进行层位解释，并进行沿层速度分析，再通过迭代修改速度—深度模型。该方法允许在两个相邻解释层位之间速度横向可变，但纵向上不能变化，因此，只能得到速度场的低频分量。基于网格层析的速度建模方法是一种无层位约束方法，它通过在共反射点(CRP)道集上自动拾取剩余时差对速度模型进行更新和修改，由于没有层位约束，速度在横、纵向均可变，具有获得速度场高频分量的潜在能力，但受初始模型的影响较大，不易收敛到实际速度模型。FWI方法主要是利用叠前地震波场的运动学和动力学信息，通过不断匹配模拟记录与实测资料更新速度模型，最终获取可准确描述地下介质速度分布的深度域模型，但对低信噪比地震数据的反演结果不甚理想。

本文根据A目标地震数据特点，采用基于FWI的断控层析速度建模方法[30]，获得的高精度深度域模型既能反映速度在纵、横向的变化特征，又能反映速度在断层两边不连续性特征，如图12中黑色箭头所示。具体做法是：首先采用各向异性时间偏移速度转化的层速度作为FWI初始速度模型；

再通过FWI逐步更新迭代，得到较为准确的高分辨率FWI速度模型(更新叠代3次，速度精度提升约30%)；

然后在高分辨率FWI 速度模型的基础上开展高精度层析反演，更新层速度模型(速度精度提升约10%)，并将断层约束引入速度反演(速度精度提升约20%)，确保断层两盘的速度不连续性在反演过程中得以保护，最终得到A目标高精度深度域层速度模型(速度精度总提升约40%)。

图12 初始层速度体(a)与基于FWI的断控层析层速度体(b)剖面对比

叠前深度偏移方法可分为Kirchhoff积分偏移、CBM和逆时偏移(RTM)等[31-36]。①Kirchhoff积分偏移是利用波动方程的Kirchhoff积分解实现地震波场的反向传播及成像，因其灵活、高效的特点，在工业界得到了广泛应用，其理论出发点是地震记录的加权绕射叠加。但常规的射线法在复杂介质中计算旅行时存在焦散和多路径等问题，并且无法解决复杂介质区域炮点、接收点和地下成像点间的多次波至现象，因而成像精度低。②CBM的基本思想是将相邻的输人道进行局部倾斜叠加、分解为局部平面波，然后通过高斯束将局部平面波分量反传至地下局部的成像区域进行成像。该方法所使用的格林函数是一系列高斯束的叠加，每条高斯束代表了地下处处正则的局部波场，且每条高斯束的成像过程是相互独立的，因此可实现多次波至的成像，不存在波场的奇异性区域，不存在波场阴影区和焦散区。③RTM是将地面观测到的炮集记录作为输人，通过速度模型正向传播波场与炮集记录逆时延拓波场的互相关求取成像值，正向传播波场和逆时延拓波场的计算都需要很密的空间采样，且容易受网格频散以及多次波假象的干扰，优点是不存在倾角限制，能准确描述速度场的任意变化，但由于其计算效率太低，在生产中应用很少。

根据A目标准三维地震数据的特点，结合叠前深度偏移方法对速度的依赖性[37](表2)，在FWI断控层析速度建模基础上采用CBM，获得了A目标区中生界较高品质地震成像资料。

表2 深度偏移方法适用条件对比

相对于二维地震资料，A目标区中生界准三维地震资料品质得到显著改善。图13为二维与准三维叠前时间偏移地震剖面，对比可见：后者中生界内部地层明显可辨，地层之间波组反射特征纵、横向变化强弱分明，断点、断面清晰，断层得到较好归位。

图13 二维(左)与准三维(右)叠前时间偏移剖面对比

如图14所示，经基于高精度全波形反演断控层析速度建模基础上的CBM处理后，准三维叠前深度偏移剖面相对于叠前时间偏移剖面，中生界的构造成像得到明显改善，尤其是深层成像，具体表现为：①中生界内部地层结构和接触关系清晰(黑色箭头所示)；

②地层之间波组特征层次感较好，反射特征纵、横向变化明晰；

③断点清晰、断层得到较好归位。

图14 叠前时间偏移(左)与叠前深度偏移(右)剖面(时间域)对比

通过准三维地震资料处理技术的攻关，A目标区中生界地震资料品质得到显著改善和提高，为后续对其中生界构造解释及圈闭落实和油气勘探潜力评价奠定了坚实基础。

将针对目标A区准三维地震数据处理攻关形成的技术，应用于与之类似的中生界B目标区，中生界的构造成像效果也得到显著改善，尤其是深层(图15)。

图15 B目标区区叠前时间偏移(左)与叠前深度偏移(右)剖面(时间域)对比

通过针对复杂海况、复杂构造背景下的南海北部中生界地层准三维地震数据处理技术攻关，得到如下结论：

(1)本文形成了以自举法τ-p域稀疏反演鬼波压制技术、SWMA+SRME+Radon组合去多次波、匹配追踪傅里叶变换五维面元规则化和基于全波形反演断控层析速度建模的高斯束叠前深度偏移(CBM)为核心的宽频高精度准三维处理集成技术体系；

(2)在南海北部东沙海域潮汕坳陷中生界A目标区应用效果表明，本文形成的宽频高精度准三维处理集成技术体系能够较好改善中生界内部的成像，地层结构和接触关系、地层波组特征清晰，断层、断点清晰，为后续A目标区中生界圈闭落实和油气勘探潜力评价奠定了坚实基础；

(3)形成的宽频高精度准三维处理集成技术是一套能服务于复杂海况、复杂构造背景的南海北部潮汕坳陷中生界油气资源调查的实用技术，可为全球类似海域目标油气资源调查提供借鉴。

本文在研究过程中，得到了广州海洋地质调查局文鹏飞教授、李福元教授、邓桂林高工、邢涛高工和赛吉纪技术服务(北京)有限公司刘永霞女士的指导和帮助，在此表示衷心感谢！

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