面向南海北部中生界地質目標的寬頻高精度準三維處理集成技術

陳勝紅 鐘廣見 吳廬山王嘹亮 吳其林 邵長高

(①廣州海洋地質調查局三亞南海地質研究所，海南三亞 572025； ②自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東廣州 510760； ③中國地質調查局南海地質科學院，海南三亞 572025； ④廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名 525000)

0 引言

前人研究成果和南海LF35-1-1井實鉆結果表明：位于南海北部的潮汕坳陷為中生界殘留坳陷，面積約4×103km2，最大沉積厚度超過7km，具有較好的石油地質條件和廣闊的油氣勘探潛力[1-5]。受復雜地震地質條件的影響，二維地震資料中生界成像較差，而“多纜三維”地震資料采集難以實施，長期以來坳陷內A目標區中生界圈閉無法落實，制約了該區中生界油氣的勘探、開發。近年來，準三維技術發展較快，在準三維窄方位地震資料處理[6]、網格層析速度反演速度場求取[7]、雙源單纜方式采集地震數據處理[8]、基于準三維資料的洋中脊巖石圈結構分析[9]等方面都取得了長足進步。

本文依托“南海東北部中生界油氣資源調查”項目，針對A目標區中生界約600km2準三維地震資料開展了處理技術攻關，形成了以自舉法τ-p域稀疏反演鬼波壓制技術、淺水多次波衰減法(SWMA)+自由表面相關多次波衰減法(SRME)+Radon變換法組合去多次波、匹配追蹤傅里葉變換五維面元規則化和基于全波形反演(FWI)的斷控層析速度建模的高斯束疊前深度偏移(CBM)集成技術，較好地解決了南海中生界地質目標的成像問題，為后續A目標區中生界圈閉落實和油氣勘探潛力評價奠定了堅實基礎，并形成了一套能服務于面向南海復雜海況、復雜構造背景的中生界油氣資源調查的“寬頻、高精度準三維處理集成技術”。

1 地震地質條件

潮汕坳陷位于南海北部東沙海域，復雜的地質條件和水文條件導致該區的地震地質條件非常復雜[10-11]，主要表現在6個方面：①海底底質較硬(主要為砂質或碳酸巖)，易引發鳴震現象； ②淺層碳酸鹽巖層或火山巖層具有屏蔽作用； ③新生界與中生界之間的強波阻抗界面，對地震波向下傳播具屏蔽作用； ④中生界內部地層波阻抗差較小導致內部反射能量較弱； ⑤中生界受多期構造運動作用影響，地層變形較大，構造復雜； ⑥受太平洋進入南海洋流“黑潮”的影響，該海域內波湍流特別發育，無規律、難以預測，若實施“多纜三維地震調查”，不僅會導致采集數據的嚴重缺失或不規則，還會導致電纜相互纏繞，致使設備嚴重損壞，形成作業安全隱患。

A目標區位于潮汕坳陷中部低凸起的中部，東臨東部凹陷、西緊鄰西部凹陷(圖1a)，油氣成藏條件非常優越(圖1b)，為潮汕坳陷中生界油氣勘探最有利目標區。由于地震地質條件復雜，“多纜三維地震調查”難以實施，嚴重影響了中生界圈閉的落實，進而制約了中生界油氣勘探潛力評價。為此，廣州海洋地質調查局依托“南海東北部中生界油氣資源調查”項目，對A目標中生界實施了面積約600km2的準三維地震數據采集(采用線間距100m、“長排列—單源—單纜”二維觀測系統和電纜三段式定位系統)，期待通過處理技術攻關，解決A目標區中生界的成像問題。準三維地震采集參數詳細見表1。

表1 準三維地震數據采集參數表

圖1 潮汕坳陷構造區劃(a)及其油氣運聚成藏剖面[4](b)

2 準三維地震資料處理

在充分消化和吸收前人對潮汕坳陷中生界地震資料處理經驗[6-8,12-14]的基礎上，本文對A目標區中生界“準三維地震數據”開展了處理技術攻關，形成了以自舉法τ-p域稀疏反演鬼波壓制技術、SWMA+SRME+RADON組合去多次波、匹配追蹤傅里葉變換五維面元規則化和基于FWI斷控層析速度建模的CBM為代表的四大關鍵集成技術，并形成了如圖2所示的準三維地震資料處理流程。其中提頻處理主要采用Debubble技術，通過將一個窄帶的、鳴震的信號轉化為寬頻的、壓縮的子波，進而提高地震資料的分辨率； 基于TTI介質各向異性開展疊前時間偏移； 疊前時間偏移的疊后處理主要采用反Q濾波方法進行振幅調整(利用均方根速度轉化得到的層速度求Q因子)以及Radon去噪等； CBM疊后處理也主要采用反Q濾波的方法進行振幅調整處理(利用高精度層速度建模得到的層速度求Q因子)等。

圖2 準三維地震資料處理流程

2.1 鬼波壓制技術

海上地震資料采集時，需要將氣槍和檢波器都置于海平面之下一定的深度。由于海水與空氣的接觸面是一個良好的反射面，故接收器除了接收到通常的反射波外，還將接收到與海平面的反射作用相關聯的伴隨波，這種伴隨波稱為鬼波(或虛反射)[15-17]。鬼波會抑制地震數據的低頻分量，造成頻域的陷波點，從而降低地震記錄的分辨率，使地震記錄的同相軸發生混疊甚至產生假同相軸。為獲得準確的地震記錄，就要盡量消除鬼波的影響。

近年來，鬼波壓制的重要性越來越受到廣泛重視，并已成為海洋地震資料處理的關鍵技術。f-k域鬼波壓制方法[14]、基于格林函數理論的鬼波壓制方法[15]和基于高斯束偏移的鬼波壓制方法[16]等都取得了很好的應用效果。本文針對A目標區，采用自舉法τ-p域稀疏反演去鬼波技術壓制地震數據中的鬼波，其原理是使用炮集記錄通過基于一維射線追蹤的正常時差校正方法創建鏡像數據； 然后使用地震記錄和鏡像數據聯合反演檢波器無鬼波信號數據[17]。自舉法τ-p域稀疏反演去鬼波技術針對不同角度、不同空間響應的鬼波，精確地估算出鬼波的延遲時間，從而去除鬼波影響，還原真實地震子波，彌補頻帶凹陷，為后期利用寬頻帶信息研究提供了數據支撐。對比采用此技術前、后道集(圖3)、疊加剖面(圖4)和子波頻譜(圖5)可知：在道集上有效地抑制了鬼波對一次反射波的干擾(圖3中白色箭頭所示)； 在疊加剖面上有效信號得到加強，地震資料分辨率得到了提高(圖4中白色箭頭所示)； 子波頻譜可見，低頻能量得到增強、高頻端凹陷得到削弱，頻帶得到拓寬，減少了子波旁瓣。

圖3 去鬼波前(a)、后(b)道集對比

圖4 去鬼波前(a)、后(b)疊加剖面對比

圖5 去鬼波前、后子波頻譜對比

2.2 組合去多次波技術

壓制多次波是海洋地震勘探中最突出的問題之一[18-23]，常見的多次波包括海底相關的水層多次波、地層相關的水層多次波和海平面相關多次波(圖6)。殘留多次波會直接影響地震剖面成像的可靠性和真實性。因此，壓制多次波、突出有效波，反映地下真實地質情況是海洋地震數據處理的重要任務和難點。目前，前人開發了多種壓制多次波的方法，如壓制自由界面多次波的SWMA方法和SRME方法[18-23]、壓制層間多次波的高精度Radon變換法[22]和預測反褶積方法等[23]。

圖6 自由界面多次波

(1)SWMA技術。SWMA技術的基本原理是根據多次波在τ-p域具有嚴格的周期性這一特征，通過τ-p域波場延拓估計多次波模型，再應用均衡多道最小二乘自適應匹配濾波將多次波從地震數據中減去[18]。由于τ-p域中自由界面多次波數據表現出嚴格的周期性，與有效波數據存在較大差異，所以不會出現類似時間域遠炮檢多次波周期性變差的情況。只需知道海水速度與水深，就可預測出與水層有關的各級次多次波并加以壓制。但是由于SWMA是針對波場在海平面與海底之間振蕩產生的多次波而特定設計的(圖6a、圖6b)，因此該方法對于其他海平面相關的自由界面多次波衰減作用有限(圖6c)。

(2)SRME技術。SRME技術的基本原理是通過地震數據褶積預測多次波模型，數據本身褶積得到一階多次波，該多次波與數據本身進行褶積可得二階多次波，重復以上操作可得到其他高階多次波。在此基礎上，由均衡多道最小二乘法自適應匹配濾波衰減多次波[19-21]。SRME技術因本身的假設條件較為嚴格而影響使用效果，若單獨使用，則自由界面多次波經衰減后仍有殘留。

將上述兩種技術的優缺點進行對比分析可發現：①SWMA技術可彌補SRME技術對采集要求過于嚴格的假設條件(空間采樣要求較密，近炮檢距需采集信息，規則化采集無羽角等要求)； ②SRME技術可彌補SWMA技術針對波場在海平面與海底之間振蕩產生多次波而設計的專一性，可壓制其他海平面相關自由界面產生的多次波。因此，SWMA與SRME技術組合使用可壓制自由界面產生的多次波。

(3)高精度拋物線Radon變換。高精度拋物線Radon變換主要是利用一次波與多次波之間速度或時間差異實現多次波的衰減[22]。為有效區分多次波與有效波，該變換需在動校后的道集上進行處理。道集上一次波經動校正后被拉平，而多次波因動校不足與有效波存在剩余時差。通過控制多次波與有效波的時差確定哪一部分是需保留的信號，哪一部分是要衰減的多次波。隨著炮檢距的增大，多次波與有效波的時差越來越大，更利于多次波與有效波的分離，因此，高精度拋物線Radon變換更適合進行中、遠道長周期多次波的去除。

通過分析，A目標區準三維地震數據多次波主要表現為自由界面多次波和中、遠炮檢距長周期多次波。針對A目標多次波的特點，首先利用SWMA方法壓制自由界面海底相關的水層多次波(圖7a)； 然后利用SRME方法壓制殘余的其他自由界面產生的多次波(圖7b)； 最后采用高精度拋物線Radon變換方法壓制殘余的一次波和多次波動校時差差異較大的中遠炮檢距長周期多次波(圖7c)。

圖7 三種方法多次波壓制前(左)、后(中)及差異部分(右)對比圖

圖8是針對A目標SWMA+SRME+Radon組合去多次波前、后疊加剖面對比，可明顯看到多次波得到有效壓制，資料信噪比和分辨率得到提高。

圖8 多次波壓制前(a)、后(b)疊加剖面對比

2.3 面元規則化

疊前偏移對輸入地震數據道空間坐標的規律性有嚴格的要求，數據采集的不規則和缺失會對疊前偏移成像造成嚴重影響。對于保真處理，需要在疊前偏移前進行數據規則化處理，疊前數據規則化技術基于已有的地震資料進行重構，計算缺失的地下反射信息，在一定程度上解決數據采集的不規則性或缺失造成的成像問題[24-27]。

通常，完整地描述三維地震數據至少需要5個維度，包括主測線(Inline)、聯絡測線(Crossline)、時間(time)、炮檢距(offset)和方位角(azimuth)。以往的三維或四維數據規則化，只能對3個維度(主測線、聯絡測線和時間)或4個維度(主測線、聯絡測線、時間和炮檢距)進行插值運算，不可避免地會損失橫向分辨率和振幅特性，不利于保真成像處理。五維規則化則同時考慮上述5個維度的信息，實現保真處理。

目前，反泄露傅里葉變換重構五維規則化方法[25]、炮檢距—方位角域數據矩形五維規則化方法[26]等均取得了一定的應用效果，但對極窄方位角數據效果不佳。本文針對A目標準三維地震數據特點(方位角非常窄，數據極不規則，且存在一定缺失)，采用匹配追蹤傅里葉變換五維規則化技術對疊前偏移輸入數據進行規則化處理。

匹配追蹤算法是基于壓縮感知和稀疏表示理論[27]。壓縮感知理論的前提是數據可以稀疏表示，其核心思想是數據的壓縮和采樣合并同時進行； 稀疏表示理論的基本思想是為規則采樣的帶限信號設計一個合理的濾波器進行濾波處理，由較少的數據重建出滿足一定精度的原始信號。雖然在t-x域的地震數據不具備稀疏性，但經過傅里葉變換后，在f-k域的地震數據滿足稀疏表示的要求，因此可通過匹配追蹤與傅里葉變換相結合的方法實現地震數據的重構，從而在一定程度上恢復具有一定精度的地震信號。匹配追蹤傅里葉變換五維規則化技術具有反假頻和防頻譜泄漏的優點，保真度高，其原理見圖9[27]。

圖9 匹配追蹤傅里葉插值方法示意圖[28]

圖10是針對A目標數據采用匹配追蹤傅里葉變換五維規則化處理前、后地震疊加剖面對比，可明顯看到規則化有效彌補了原始數據的缺失； 圖11為規則化前、后時間切片對比，可明顯看出，規則化后數據消除了采集腳印的影響，提高了數據的信噪比。

圖10 五維規則化前(a)、后(b)地震剖面對比

圖11 五維規則化前(a)、后(b)的1200ms地震時間切片對比

2.4 疊前深度偏移

地下構造相對簡單、橫向速度變化較小、非均質性較弱時，共成像點與共反射點基本一致，疊前時間偏移可滿足目標成像的需求[28]。而當地下構造復雜、橫向速度變化較大、非均質性較強時，共成像點與共反射點不一致，疊前時間偏移不能滿足目標成像的要求，需要采用疊前深度偏移才能取得較好的成像效果[28]。深度域層速度模型的建立以及深度偏移方法的選擇是疊前深度偏移成像的兩大關鍵要素。

針對深度域層速度模型，前人開發了基于層位的層析速度建模方法、基于網格的層析速度建模方法和FWI方法等[29-31]?；趯游粚游龅乃俣冉７椒ㄊ窃诏B前深度偏移剖面上進行層位解釋，并進行沿層速度分析，再通過迭代修改速度—深度模型。該方法允許在兩個相鄰解釋層位之間速度橫向可變，但縱向上不能變化，因此，只能得到速度場的低頻分量?；诰W格層析的速度建模方法是一種無層位約束方法，它通過在共反射點(CRP)道集上自動拾取剩余時差對速度模型進行更新和修改，由于沒有層位約束，速度在橫、縱向均可變，具有獲得速度場高頻分量的潛在能力，但受初始模型的影響較大，不易收斂到實際速度模型。FWI方法主要是利用疊前地震波場的運動學和動力學信息，通過不斷匹配模擬記錄與實測資料更新速度模型，最終獲取可準確描述地下介質速度分布的深度域模型，但對低信噪比地震數據的反演結果不甚理想。

本文根據A目標地震數據特點，采用基于FWI的斷控層析速度建模方法[30]，獲得的高精度深度域模型既能反映速度在縱、橫向的變化特征，又能反映速度在斷層兩邊不連續性特征，如圖12中黑色箭頭所示。具體做法是：首先采用各向異性時間偏移速度轉化的層速度作為FWI初始速度模型； 再通過FWI逐步更新迭代，得到較為準確的高分辨率FWI速度模型(更新疊代3次，速度精度提升約30%)； 然后在高分辨率FWI 速度模型的基礎上開展高精度層析反演，更新層速度模型(速度精度提升約10%)，并將斷層約束引入速度反演(速度精度提升約20%)，確保斷層兩盤的速度不連續性在反演過程中得以保護，最終得到A目標高精度深度域層速度模型(速度精度總提升約40%)。

圖12 初始層速度體(a)與基于FWI的斷控層析層速度體(b)剖面對比

疊前深度偏移方法可分為Kirchhoff積分偏移、CBM和逆時偏移(RTM)等[31-36]。①Kirchhoff積分偏移是利用波動方程的Kirchhoff積分解實現地震波場的反向傳播及成像，因其靈活、高效的特點，在工業界得到了廣泛應用，其理論出發點是地震記錄的加權繞射疊加。但常規的射線法在復雜介質中計算旅行時存在焦散和多路徑等問題，并且無法解決復雜介質區域炮點、接收點和地下成像點間的多次波至現象，因而成像精度低。②CBM的基本思想是將相鄰的輸人道進行局部傾斜疊加、分解為局部平面波，然后通過高斯束將局部平面波分量反傳至地下局部的成像區域進行成像。該方法所使用的格林函數是一系列高斯束的疊加，每條高斯束代表了地下處處正則的局部波場，且每條高斯束的成像過程是相互獨立的，因此可實現多次波至的成像，不存在波場的奇異性區域，不存在波場陰影區和焦散區。③RTM是將地面觀測到的炮集記錄作為輸人，通過速度模型正向傳播波場與炮集記錄逆時延拓波場的互相關求取成像值，正向傳播波場和逆時延拓波場的計算都需要很密的空間采樣，且容易受網格頻散以及多次波假象的干擾，優點是不存在傾角限制，能準確描述速度場的任意變化，但由于其計算效率太低，在生產中應用很少。

根據A目標準三維地震數據的特點，結合疊前深度偏移方法對速度的依賴性[37](表2)，在FWI斷控層析速度建?；A上采用CBM，獲得了A目標區中生界較高品質地震成像資料。

表2 深度偏移方法適用條件對比

3 效果分析

相對于二維地震資料，A目標區中生界準三維地震資料品質得到顯著改善。圖13為二維與準三維疊前時間偏移地震剖面，對比可見：后者中生界內部地層明顯可辨，地層之間波組反射特征縱、橫向變化強弱分明，斷點、斷面清晰，斷層得到較好歸位。

圖13 二維(左)與準三維(右)疊前時間偏移剖面對比

如圖14所示，經基于高精度全波形反演斷控層析速度建模基礎上的CBM處理后，準三維疊前深度偏移剖面相對于疊前時間偏移剖面，中生界的構造成像得到明顯改善，尤其是深層成像，具體表現為：①中生界內部地層結構和接觸關系清晰(黑色箭頭所示)； ②地層之間波組特征層次感較好，反射特征縱、橫向變化明晰； ③斷點清晰、斷層得到較好歸位。

圖14 疊前時間偏移(左)與疊前深度偏移(右)剖面(時間域)對比

通過準三維地震資料處理技術的攻關，A目標區中生界地震資料品質得到顯著改善和提高，為后續對其中生界構造解釋及圈閉落實和油氣勘探潛力評價奠定了堅實基礎。

將針對目標A區準三維地震數據處理攻關形成的技術，應用于與之類似的中生界B目標區，中生界的構造成像效果也得到顯著改善，尤其是深層(圖15)。

圖15 B目標區區疊前時間偏移(左)與疊前深度偏移(右)剖面(時間域)對比

4 結論

通過針對復雜海況、復雜構造背景下的南海北部中生界地層準三維地震數據處理技術攻關，得到如下結論：

(1)本文形成了以自舉法τ-p域稀疏反演鬼波壓制技術、SWMA+SRME+Radon組合去多次波、匹配追蹤傅里葉變換五維面元規則化和基于全波形反演斷控層析速度建模的高斯束疊前深度偏移(CBM)為核心的寬頻高精度準三維處理集成技術體系；

(2)在南海北部東沙海域潮汕坳陷中生界A目標區應用效果表明，本文形成的寬頻高精度準三維處理集成技術體系能夠較好改善中生界內部的成像，地層結構和接觸關系、地層波組特征清晰，斷層、斷點清晰，為后續A目標區中生界圈閉落實和油氣勘探潛力評價奠定了堅實基礎；

(3)形成的寬頻高精度準三維處理集成技術是一套能服務于復雜海況、復雜構造背景的南海北部潮汕坳陷中生界油氣資源調查的實用技術，可為全球類似海域目標油氣資源調查提供借鑒。

本文在研究過程中，得到了廣州海洋地質調查局文鵬飛教授、李福元教授、鄧桂林高工、邢濤高工和賽吉紀技術服務(北京)有限公司劉永霞女士的指導和幫助，在此表示衷心感謝！