水陸檢數據上下行波場分離方法

高少武 錢忠平 孫鵬遠 方云峰 李建峰 馬光凱

（中國石油集團東方地球物理公司物探技術研究中心，河北涿州072750）

0 引言

隨著海上油氣勘探的難度和深度越來越大，對地震資料信噪比和分辨率的要求越來越高。水陸檢數據采集，包括海底電纜（Ocean Bottom Cable，OBC）［1］、海底節 點（Ocean Bottom Node，OBN）［2］和雙檢拖纜［3］等地震數據采集系統，提供了同一位置水檢和陸檢兩種數據，這兩種數據分別使用水中（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生的壓力變化；陸地檢波器記錄的是質點速度變化。由于這兩種檢波器記錄機理不同，對于同一位置處海面的多次波干擾表現出不同特征。垂直質點速度檢波器的虛反射特征，總能準確地補償壓力檢波器虛反射對有效信號的影響，且不依賴于檢波點深度。不管哪一種檢波器在任何頻率點存在一個頻率凹陷，另一種檢波器都會記錄一個較高信噪比的信號。作為壓力和質點速度檢波器在記錄帶有虛反射的地震信號之前，因海面是負的反射系數，一次波在此處發生極性反轉。壓力檢波器記錄該極性反轉信號無方向性，而垂直質點速度檢波器具有方向性，導致在兩種檢波器記錄數據中，在一次波和虛反射能量的建設性和破壞性干涉之間，可做到有效補償［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，且相差一個與海底反射系數成比例的常數，該常數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。將標定后的陸檢數據與對應的水檢數據相加，得到水陸檢標定數據（上行波場數據），消除了海面多次波干擾；將標定后陸檢數據與對應水檢數據相減，得到與海面相關的多次波數據（下行波場），用于后續上行波場與下行波場聯合反褶積、去噪和偏移等處理，以進一步提高分辨率和信噪比［11-28］。

地震數據大多包含噪聲，因此常規處理方法在使用能量匹配因子分離上、下行波場時，分離出的上行波場中包含下行波場、下行波場中包含上行波場，即不能完全實現上、下行波場的完全分離。

針對常規方法不能完全分離上、下行波場的窘況，本文研討了水陸檢數據上下行波場分離方法，引入三個能量匹配因子和四個波場分離貢獻因子等參數，實現了水陸檢數據上下行波場完全分離處理，數據試算表明了該方法的有效性。

1 方法原理

上行波場Ui，j和下行波場Di，j可表示為

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

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

式（5）和式（6）分別是上、下行波場分離方程。

定義波場分離貢獻因子

式中：WUH是水檢數據對上行波場貢獻因子；WDH是水檢數據對下行波場貢獻因子；WUG是陸檢數據對上行波場貢獻因子；WDG是陸檢數據對下行波場貢獻因子。這四個參數稱為水陸檢數據上、下行波場波場分離貢獻因子。

計算純上行波場、純下行波場數據分別為

高少武等［6］提出的逐次迭代算法可快速計算、確定三個能量匹配因子α、β和γ，進而直接計算上、下行波場的波場分離貢獻因子，實現上下行波場完全分離處理。

2 數據試算

圖1是設計的水平層狀速度深度模型，合成得到陸檢（圖2a）和水檢（圖2b）接收數據。對比分離后的上（圖3b）、下行（圖3a）波場數據可知，本方法能完全分離上行波場與下行波場，且上行波場不包含殘余下行波場，下行波場不包含殘余上行波場。

圖1 水平層狀速度深度模型

針對圖4 所示的另一套合成共檢波點道集數據，用本文方法做分離處理（圖5a、圖5b），并與國外相關通用軟件處理結果（圖5c、圖5d）進行對比，可見兩種方法處理的總體效果相當。但在某些細節上，本文方法優于國外通用軟件，如國外通用軟件處理所得下行波場數據（圖5d）中約4400ms處同相軸旁瓣嚴重，而水陸檢數據（圖4）上同相軸無旁瓣，說明其分離不干凈而產生了誤差，而本文方法分離得到的下行波場數據（圖5b）也不見旁瓣。

圖6是野外采集的OBN 共檢波點道集數據處理結果對比，可見波場分離之后，上行波場（紅色箭頭）中不含下行波，下行波場（藍色箭頭）中未見上行波，實現了上、下行波場完全分離。

總之，從圖2～圖6可見，分離的上行波場數據消除了水層產生的多次波干擾，提高了信噪比。

圖2 合成的陸檢（a）和水檢（b）數據對比

圖3 由圖2分離得到的下行波場（a）與上行波場（b）數據對比

圖4 用于測試的水檢（a）、陸檢（b）共檢波點道集數據

圖5 對圖4用兩種方法處理的共檢波點道集數據對比

圖6 實際共檢波點道集數據及其處理結果的對比

3 結論

本文水陸檢數據上下行波場分離方法，是通過反演最佳能量匹配因子、上行波場中下行波場能量匹配因子和下行波場中上行波場能量因子三個分離因子、以及四個波場分離貢獻因子等參數，實現水陸檢數據上行波場與下行波場的分離處理，達到消除地震數據中海水多次波干擾影響，提高地震數據信噪比和分辨率，為后續聯合反褶積和偏移成像處理提供高保真的上行波場與下行波場數據。

（1）本文方法可實現水檢數據上、下行波場的波場能量匹配因子和波場分離貢獻因子估算，是水陸檢數據上下行波場分離的有效方法。

（2）本方法的水陸檢數據上、下行波場的波場分離處理結果，上行波場有效地壓制了虛反射多次波干擾，提高了反射數據的信噪比和分辨率。

（3）水陸檢數據上、下行波場能量匹配因子和波場分離貢獻因子的引入以及迭代計算，使得波場分離貢獻因子參數的估算更加穩定和準確。