OBN地震數據成像處理基本邏輯與關鍵方法技術

王華忠,項 健,石 聿

(同濟大學海洋與地球科學學院,波現象與反演成像研究組(WPI),上海200092)

油氣地震勘探的核心目標是:精確描述油氣藏,進行準確的含油氣性分析,做出最佳的鉆井決策,得到最高的油氣勘探效益。油氣地震勘探的核心問題是:由疊前地震數據及其它與彈性參數相關的先驗信息,進行寬波數帶的彈性參數估計(或稱廣義的高精度地震波成像),基于井數據并與巖石物理知識結合,進行精確的油氣藏描述和準確的含油氣性評價。對于寬波數帶的彈性參數估計或廣義的高精度地震波成像而言,成像結果主要表現為保真高分辨方位角度帶限反射系數(所謂的高精度背景速度建模結果還不能對精確的油藏描述提供有效的信息),這依舊是當前油氣地震勘探地震地質解釋最基礎的信息。今后可能逐漸發展到寬帶波阻抗成像[1]。

在復雜情況下,譬如深水、深層情形下,地下地質構造復雜(橫向變速劇烈)、目標油藏復雜(由以構造油氣藏為主轉向構造與地層巖性油氣藏并重),同時還可能伴隨海底地形及海底附近巖性的復雜變化時,保真高分辨方位角度反射系數成像依然是首先要解決的核心問題。這就需要擁有滿足地震波成像要求的疊前地震數據體。

海洋油氣勘探的技術現狀是:依據拖纜和/或OBS(OBN/OBC)觀測的地震數據,利用地震波成像技術(層析反演速度建模+疊前深度偏移成像)對目標地質體進行保真的和高分辨的帶限方位角度反射系數成像,基于帶限方位角度反射系數成像結果及地質、鉆井和巖石物理信息進行油藏描述,進入油氣開發階段[2]。

我國各海域油氣地震勘探的關鍵問題可以大致總結如下。①南海北部諸探區:鶯歌海探區存在地層高溫高壓、底辟氣煙囪導致成像模糊不清和底辟邊界刻畫不準的問題。瓊東南探區存在崎嶇海底、凹陷邊界及凹陷內構造成像模糊的問題;珠江口盆地(白云凹陷)探區存在陸架坡折帶地形復雜、重力流砂體厚度薄、深層存在復雜構造變化,以及中生界潛山內幕成像差、潛山邊界成像不清楚的問題。②渤海灣探區存在河流相和湖相沉積構造小、薄、碎,潛山邊界、潛山內幕成像困難的問題;以及復雜(淺)水體引起的噪聲難以壓制干凈導致成像模糊、波組特征不清楚,難以滿足薄/小砂體油藏精確描述的問題。③東海海域包括錢塘凹陷、長江口凹陷、蘇北坳陷、南黃海坳陷,以砂泥巖沉積為主,陡構造不發育,含油氣儲層主要為小尺度砂巖體。存在海底強反射及某些強反射地層引起的長程層間多次波所導致的成像困難的問題。東海海域諸探區,高分辨、高保真成像是主要的目標。針對我國海域油氣勘探存在的問題,有必要進一步發展適應性的地震數據采集和高精度地震波成像技術。

與陸上地震勘探相比,海洋地震勘探地震波成像處理的特殊性主要是由海上激發方式、接收方式和包含水體的地下介質中的波傳播決定的。海水介質的存在、氣槍為主的震源激發及海水壓力變化的檢測是引起陸海地震數據成像處理差異的根源。水層介質的存在及氣槍震源的使用對后續的地震波成像處理帶來的最大好處是各炮檢之間的地震子波一致性保持較好、沒有面波及面波相關的強干擾噪聲。但是,海面及海底這兩個特殊反射面帶來了特殊的問題?？傮w可以總結如下。①與海上槍陣激發相關的問題:槍陣組合形式與激發方式、氣泡效應。②與拖纜相關的問題:拖纜飄移、拖纜定位。③與震源和檢波器移動相關的問題。④與海水速度的動態變化相關的問題。⑤與波傳播相關的問題:鬼波(源鬼波、檢鬼波、源檢鬼波);海面相關多次波(水體多次波;各種海面相關長程多次波);硬海底、軟海底、崎嶇海底、深海底、淺海底相關的波現象。⑥與觀測系統相關的問題:OBS(OBN、OBC)引入的相關問題;窄纜觀測、多方位(窄纜、寬纜)觀測、寬方位觀測[3]、全方位觀測(Coiling)[4]、沉浸纜觀測[5]引入的相關問題;混疊源觀測、連續源觀測[6]引入的相關問題等?？傮w而言,最重要的還是體現在:海面相關多次波構成了影響海上油氣勘探地震波成像質量的關鍵因素,海面相關多次波的壓制或成像成了海上油氣地震勘探的特殊問題。海面、海水和(硬)海底構成的海水體模型,尤其在淺水探區,引起的復雜波現象的消除是海洋地震勘探的一個特殊問題。

當前海洋油氣勘探的基本狀況是:勘探目標在向深水、深層、復雜構造與復雜巖性儲層方向轉變,其主要矛盾依然是地震數據采集和地震波成像不能滿足油氣藏識別、描述與評價的精度要求。毋容置疑,海上“兩寬一高”地震數據觀測方式和相應的成像處理方法是解決這個矛盾的針對性方法技術。海面、硬海底面、地下介質特征強反射層引起的多次波是海洋地震數據處理的特殊問題。

首當其沖的依然是地震數據采集問題。海上“兩寬一高”地震數據采集是解決海上油氣地震勘探中地震波成像不能滿足油氣藏識別、描述與評價的精度要求問題的根本基礎。從目前情況看,OBN地震數據采集是在海上油氣勘探中實現“兩寬一高”地震數據采集的合理和可行的技術方案[7-10]。全方位觀測(Coiling)[4]和沉浸纜觀測[5]這兩種海上地震數據采集方法應該也是海上“兩寬一高”地震數據采集的合理方法,但是至今沒有得到推廣應用,問題可能出在技術可行性上。OBN地震數據采集(其它可行的“兩寬一高”地震數據采集技術也是可以的)+特征反射層相關多次波壓制或成像+初至波FWI(各向異性)速度建模+成像道集(各向異性)層析速度建模+成像道集為中心的高保真高分辨方位角度帶限反射系數成像(最好推進到寬帶波阻抗成像),然后在此基礎上進入精細油藏描述階段,應該是今后很長一段時期內海洋油氣地震勘探的技術方向。

本文著重討論高精度地震波成像對地震數據采集的要求,指出OBN數據采集在海洋油氣勘探中的必要性;分析OBN數據采集的地震波場的特點,據此提出OBN數據地震波成像處理基本邏輯及相應的關鍵技術;提出模型驅動波動理論特征反射層相關多次波預測與壓制的技術路線,并對比幾種代表性的多次波預測的基礎理論;提出以成像道集后處理為中心,把弱旁瓣、定量的反射系數作為保真高分辨地震波成像的目標,最好推進到寬帶波阻抗成像的技術路線;結合OBN數據的特點,給出OBN數據地震波成像處理的基本流程,指出各環節的關鍵方法技術。

1 海洋油氣勘探與陸地地震勘探中地震數據采集及成像處理問題的對比

無論是海上還是陸上油氣勘探中的地震波成像處理,首要的問題是震源(震源與周圍介質的相互作用)、波在地下介質中的傳播(在地表附近介質中的傳播、在淺層介質中的傳播、在中深層介質中的傳播及在深層超深層介質中的傳播)及檢波器(檢波器與周圍介質的相互作用)所決定的野外實際采集到的地震波場。

目前來看,只有炮集中的初至(包括早至波)波場(同相軸)和一次反(繞/散)射波場(同相軸)對地震波成像有貢獻,而且初至(包括早至波)波同相軸上地震子波走時用于淺表層層析速度反演及建模;一次反(繞/散)射波同相軸上地震子波走時用于中深層速度層析反演及建模;一次反(繞/散)射波同相軸上地震子波振幅用于偏移成像/反演成像估計地下介質的帶限反射系數。在偏移速度正確時,棱柱波(Duplex Wave)也可以用于逆時深度偏移(RTM)成像;OBN數據中一階下行波場(屬于一階自由表面多次波)也可以通過鏡像偏移得到成像結果。一般地,炮集中其它波現象都是要通過預處理壓制掉的。即便是FWI技術,也極難將炮集中所有波現象用于地震波成像。初至(包括早至波)波場在近地表介質中傳播,主要波現象是直達波、折射波和潛水波(Diving Wave)。事實上,其中可能還有多次折射波、多次Diving Wave、導波的波場成分,這些波現象的存在使得早至波的利用變得很困難或不可能。初至波(包括早至波)傳播路徑穿透淺層,最大穿透深度取決于最大偏移距和速度隨深度變化情況。一次反(繞/散)射波來自于震源下行波場對反射界面和繞(散)體的有效照明,也取決于檢波器對上行反射和繞(散)射波場的有效接收。寬角度和均勻角度增量的有效源端照明和同樣的有效檢端接收是反射界面及繞(散)體能否可靠地進行地震波成像的根本數據基礎。淺層區域(譬如500ms以淺區域)反(繞/散)射波采樣密度不夠,深層、超深層反(繞/散)射波照明角度太窄,使得這兩個區域中反射界面及繞(散)體成像的精度很難達到地質解釋的要求。

上述地震波成像與地震數據采集及地震波傳播的關系對海洋和陸上地震勘探都是適用的。依據上述分析可以部分地看出,為什么油氣地震勘探領域堅持要開展“兩寬一高”的地震數據采集。陸上地震勘探中,(單)節點檢波技術已經成為實現“兩寬一高”地震數據采集的核心。海洋油氣地震勘探中,OBN地震數據采集技術的情況與陸上地震勘探是一致的。

對比陸上地震勘探的炮集和海洋地震勘探的炮集,二者的主要差異是由震源、近地表介質和檢波器造成的。海洋地震勘探情形是:氣槍震源(或正在發展中的海洋可控震源[11])、水平海面+(可能崎嶇的)軟/硬海底+速度變化很小的水體+壓力檢波器;陸上地震勘探情形是:炸藥震源或可控震源、(極可能崎嶇的)地表面+(極可能)橫向速度變化劇烈的風化層+位移(更可能是速度)檢波器。面波及面波散射波為主的復雜近地表相關波場+(可能劇變的)道間時差+不同炮檢對地震子波振幅和波形的不一致構成了陸上地震數據的主要特點,造成了陸上地震數據處理的主要困難。因此,COX[12]認為,陸上地震勘探的主要困難是近地表因素引起的。與陸上地震勘探相比,海洋油氣勘探中存在兩個特殊的強反射面,即海水面和海底面,正是這兩個反射面的存在,才導致了海洋地震數據成像處理的特殊性。這兩個反射面,尤其是海水面的存在,引起的主要波現象包括鬼波(源端鬼波、檢端鬼波、源檢鬼波)、水體相關的多次波和來自海底面下強反射層的自由表面多次波。壓制這3種波現象是海洋地震數據成像處理的重點。相比而言,海洋地震勘探炮集中的波現象總體上要比陸上地震勘探炮集中的波現象簡單很多。但是,應該注意淺水介質系統(海面+海水+海底及附近介質)下,該系統也會產生復雜的波現象,嚴重降低淺水探區地震數據的質量,進而降低地震波成像結果的質量。也可以說,海洋油氣地震勘探中地震波成像處理的主要困難也是(復雜)水體系統所導致的?？陀^地講,正是因為炮集中波現象的簡單,海洋地震數據成像處理要比陸上地震數據成像處理簡單一些。

除了各自的近地表因素帶來的問題,中深層地震波成像的問題是由不同探區的地質情況造成的,與海洋地震勘探或是陸上地震勘探關系不大,各自都有簡單地質情況的探區和復雜地質情況的探區。

因此,可以得出如下結論性觀點:海洋油氣勘探的特殊問題主要是由反射系數接近于1的海面+海水+海底及附近介質構成的介質系統所引起的。自由表面(海面)相關多次波的預測、壓制或成像處理構成了海洋地震數據處理的特殊問題。其它方面的問題,要么與陸上地震數據處理一致,要么沒有明顯的特殊性。

據此,我們提出水體模型(包含海底附近介質)建模+水體相關多次波壓制+自由表面(海面)相關(長程)多次波壓制+FWI(各向異性)速度建模+成像道集(各向異性)層析速度建模+成像道集為中心的高保真高分辨方位角度帶限反射系數成像的海洋地震數據成像處理技術組合。

同時,我們認為,在海洋地震勘探中(也包括陸上地震勘探),多次波主要由特征反射界面引起的,所謂特征反射層包括海面、海底面及地下介質強反射面。據此我們提出特征反射層相關多次波預測與壓制的技術路線。

2 OBN地震數據觀測系統及OBN數據的特點

前已述及,海洋油氣勘探的根本問題是地震數據采集和地震波成像不能滿足油氣藏識別、描述與評價的精度要求。

理論上講,地震波成像對地震數據采集技術的基本需求是對地下任意一個成像點進行高精度的成像必須要有不同方位、不同偏移距(不同入射反射張角)的均勻照明。更準確地講,均勻采樣的方位和偏移距上都有寬帶的、形態一致的地震子波,同時方位角展布范圍和偏移距展布范圍要足夠寬。如果地下介質空間中任意一點都有這樣的地震波照明,對應的觀測系統就是比較理想的。本質上,這就是要求“兩寬一高”的數據采集。應該注意到這是對反(繞/散)射波高精度成像對地震數據采集提出的基本要求。對于高精度地震波層析成像而言,對地震數據采集的要求可以描述為:對地下任一個速度分析單元,要有寬角度的、角度均勻展布的、角度增量盡可能小的波路徑穿過。對淺層、中層和深層的任一速度分析單元,都期望有這樣的照明。對比可知,目前的地震數據采集方式對于淺層和深層超深層介質的高精度速度建模是十分不友好的。因此,滿足高精度地震波成像需求的“兩寬一高”地震數據采集的真正實現還有十分大的差距。陸上和海洋油氣勘探中,地震波成像對地震數據采集技術的基本需求都是如此,地震數據采集的技術狀況也是如此。

目前看來,海洋地震勘探實現“兩寬一高”地震數據采集的技術難度比陸上地震勘探更大。首先寬方位、多方位拖纜采集,很難保障有較大的橫縱比。全方位觀測[4]和沉浸纜觀測系統[5]似乎是實現海上“兩寬一高”數據采集的很好方式,但是目前并沒有大規模商業化應用,主要原因應該是當前的技術可實現性存在問題。OBN觀測方式理論上是海洋油氣勘探中實現“兩寬一高”數據采集的較好方式[10],當前海洋地震數據采集的實踐也證明了這一點。但是,相比陸上油氣地震勘探,密集的OBN布設成本太高。寬方位采集是OBN數據觀測方式的固有優勢;寬頻帶數據主要靠槍陣激發來保障(側重低頻的海洋寬頻可控震源的商用化將進一步保障寬頻數據的獲取[11]);高密度采集的實現是用高密度的炮點激發來換取的,這樣做還能保證下行照明角度充分且照明能量充分。從石油工業界直至當前的實踐看,OBN數據觀測方式實現海上“兩寬一高”地震數據采集基本成為共識。

OBN數據觀測方式的特點決定了與其對應的地震波成像處理的特點。為完整起見,對比一下拖纜數據與OBN數據的特點及成像處理關鍵技術。

拖纜數據的技術特點及對應的成像處理關鍵技術如下。①拖纜的漂移引起檢波器空間位置的不規則。如果是Coiling觀測系統,數據規則化更是核心的處理環節。抗假頻的數據規則化方法與技術[13]是拖纜數據處理的核心技術之一。②混疊激發的高效采集[14]是海上地震數據采集的常規技術,解混疊(Deblending)方法[15-16]是不可缺少的技術環節。解混疊方法是拖纜數據處理必備的技術。③鬼波和水體相關多次波,以及來自深層強反射的自由表面相關多次波是對地震波(一次反(繞/散)射波)成像產生嚴重干擾的波現象。壓制鬼波和水體相關多次波,以及來自深層強反射的自由表面相關多次波是拖纜數據成像處理真正需要的核心技術。應該注意:傾斜纜、變形纜、雙層纜壓制鬼波都需要對應的方法技術。到底是用野外采集技術壓制鬼波或是用平纜觀測+鬼波壓制算法來壓制鬼波還是爭論中的問題。

OBN數據的技術特點及對應的成像處理關鍵技術如下。①OBN節點比較稀疏,炮點位置不規則,導致OBN數據空間假頻和空間采樣不規則現象較為嚴重?？辜兕l的數據規則化方法與技術是OBN數據處理的核心技術之一。②OBN數據與任何海上數據一樣,鬼波和水體相關多次波以及來自深層強反射的自由表面相關多次波是對地震波(一次反(繞/散)射波)成像產生嚴重干擾的波現象。壓制鬼波和水體相關多次波以及來自深層強反射的自由表面相關多次波是OBN數據成像處理的第二項核心技術。③OBN數據的另一個特殊性表現為震源和檢波器位于兩個不同深度面上。OBN觀測到的一定是至少一階的自由表面多次波。上、下行波分解方法(水陸檢合并方法技術[17])、炮檢不同面的PSDM方法(也包括PSTM方法)、鏡像PSDM方法[18]是必須具備的方法技術。④OBN數據的真正優勢是寬方位觀測。利用寬方位數據的速度建模、方位角度道集的生成及寬帶反射系數成像是更為核心的問題。這是OBN數據成像處理的第四項核心技術。不過這與拖纜數據和陸上數據的成像處理技術是一致的。⑤OBN數據是四分量采集的。水檢數據和三分量陸檢數據的成像處理方法技術要具備:水檢和陸檢(垂直分量)合并的上下行波分解技術;水檢和陸檢(垂直分量)結合的橫波壓制技術;三分量陸檢數據的成像處理方法技術等。應該注意到,與拖纜數據一樣,為了提高效率,OBN數據采集也會進行混疊激發。因此,同樣存在混疊激發數據的解混疊問題。這與拖纜數據的解混疊方法技術是一樣的。還應該注意,OBN原始數據由巨量的炮集組成,不能進行以炮集為基礎的成像處理,必須基于互易原理,按共接收點道集進行所謂的“單炮處理”,譬如FWI和RTM。這是OBN數據成像處理的一個特殊性。關于OBN多分量成像處理,P-SV轉換波成像至今沒有很成功的實例,P-SV轉換波成像結果沒有表現出能提升油藏描述精度及可靠性的潛力。利用壓力檢波器與陸檢垂直分量中縱波成分的高度相關性,壓制陸檢垂直分量中的P-SV波成分的處理是有意義的。壓力檢波器與陸檢垂直分量合并進行上下行波分解的處理效果是明顯的?？傊?OBN四分量觀測數據合理的成像處理方法技術還需繼續探究。

3 特征反射層相關多次波預測與壓制

前述分析表明,海洋油氣勘探中地震波成像處理的特殊問題主要由特征反射層引起。海水面、海底面和地下介質中若干強反射層構成了這些特征反射層。淺水區域油氣勘探時,淺水介質系統(海面+淺水體+海底面及附近介質構成該系統)會產生復雜的干擾波場。深水區域油氣勘探時,水體相關多次波和長程自由表面多次波構成主要的干擾波場。地下介質中若干強反射層形成的層間多次波在特定的地質情況下都可能存在,與淺水、深水,甚至陸上探區都沒有關系。

正是特征反射層相關多次波預測與壓制方法技術構成了海上地震數據成像處理的基本邏輯特點。其它的成像處理方法,譬如子波相關的處理方法、各種去噪方法、數據規則化方法、解混疊方法、偏移速度建模方法和疊前深度偏移成像方法,盡管針對海上拖纜采集數據、海上OBN采集數據及陸上地震數據處理,這些方法技術各有特點和不同,但都不存在本質性差異。

基于上述認識,我們提出了特征反射層相關多次波的預測與壓制[19]的問題。目的是抓住多次波壓制的主要矛盾。原因是一般意義下的、統一的多次波預測與壓制理論方法及技術很難提出,即使提出來了也很難具體實現。特征反射層相關多次波預測與壓制基本邏輯步驟包括:①背景速度+特征反射層構成的速度模型;②特征反射層相關的多次波模擬;③多次波模擬波場與實測多次波波場的配準;④最佳匹配濾波器設計及多次波減去。

首先要解決的是水體相關多次波的壓制。因此,我們提出了如下的OBN數據水體速度建模方法流程。首先,用下行直達波和初始水體速度進行簡單形式的疊前深度偏移成像,得到海底形態(也可以通過其它方式得到初始海底形態);然后,進行一階水體相關多次波射線走時模擬,基于模擬結果的約束用機器學習算法在實測炮集上檢測一階水體相關多次波走時;根據走時差和射線追蹤結果構建層析反演方程,層析反演速度更新量,更新水體速度。同時偏移成像更新海底形態。視情況進入下一輪的水體速度模型反演。最多用到二階水體相關多次波走時進行水體速度模型層析反演。用簡單的方法建立水體速度模型當然也是可以的。在已知水體速度模型的基礎上,用單向波和雙向波數值模擬結合的方法,單向波模擬一次反射波,雙向波模擬水體多次波,從雙向波模擬波場中減去一次波模擬結果,得到水體中傳播的各階多次波。由于水體速度模型的不準確(水體速度和海底形態可能都不準確),多次波模擬結果與炮集中實測的多次波會存在一定的時差,因此進行多次波模擬波場與實測多次波波場的配準,盡可能消除二者之間的時差。最后,進行二者之間最佳匹配濾波器的設計并把水體相關多次波減去。

其它特征反射層之間多次波的消除,也按同樣的邏輯進行。特殊之處是特征反射層的拾取?；跈C器學習算法發展出了各種層位拾取的方法。有了背景速度+特征反射層構成的速度模型,就可以按照類似水體相關多次波的預測與壓制方法進行特定特征反射層的多次波壓制。

特征反射層相關多次波預測與壓制,應該從淺到深逐層進行。

這是我們提出的具有一般意義的模型驅動海洋多次波預測與壓制的方法體系。該方法體系也可以用于陸上地震數據層間多次波壓制的處理。

下面從理論上對比當前代表性的多次波壓制的方法原理。

3.1 Lippmann-Schwinger積分方程表達的自由表面多次波預測

為了建立準確的多次波預測模型,需要研究波在介質中的傳播過程,分析多次波的形成機制。在地震勘探中,常用標量波方程描述地震波的傳播。頻率空間域聲波方程表示為:

(1)

(2)

(3)

上式為Lippmann-Schwinger積分方程。其中:k0=ω/v0;u表示總場;u0表示背景波場。將(3)式寫為震源與Green函數褶積的形式有:

u=GS=(G0+G0VG)S=(I-G0V)-1G0S

=(G0+G0VG0+G0VG0VG0+…)S

(4)

式中:G0表示背景介質的格林函數;G表示完整介質的格林函數;V表示介質擾動。Lippmann-Schwinger積分方程是一個非線性積分方程,要得到總的地震波場需要先知道總場本身,難以直接求解。在Born近似下假設介質是弱擾動的,忽略二階及以上的多次散射,可以得到一次波與介質擾動之間的線性關系。但在實際地震勘探中,波傳播介質并不總是弱擾動的,強反射/繞射體的存在導致波場中的多次散射不能直接忽略。

在海上地震勘探中,由于自由表面這一強反射界面的存在,自由表面相關多次波廣泛發育?？紤]將介質擾動V視為由自由表面r0和其它擾動部分V0組成:V=r0+V0,以自由表面為基準面,地下介質的一次散射響應表示為:

X0(xr,xs)=G0(xr,x)V0(x)G0(x,xs)

(5)

式中:X0(xr,xs)表示在自由表面xs處激發的脈沖震源經過地下介質散射后在xr的輸出,則地表采集的數據中的一次波表示為P0=SX0。實際地下介質內部存在多次散射,導致層間多次波,這里將其視為V0產生的等效一次波。將Lippmann-Schwinger積分方程近似為一次散射和自由表面r0相關的多次散射之和,檢波器在自由表面處接收到的上行波場P表示為:

P=[X0+(r0X0)X0+(r0X0)2X0+…]S

=P0+M=P0+M1+M2+…

(6)

(6)式的形式與Lippmann-Schwinger積分方程類似,其中的各階級數表示各階的自由表面多次波。自由表面多次波的形成過程可以用圖1所示的反饋環模型表示,即到達自由表面的上行波場,經過自由表面的下行反射,形成“二次源”輸入地下介質,形成更高一階的自由表面多次波。根據(6)式可知高一階的多次波是由低一階的多次波/一次波褶積r0和X0得到的,所有階的自由表面多次波可以由地表接收到的上行波場預測:

圖1 自由表面多次波的反饋環模型

M=(r0X0)P=(r0S-1P0)P

(7)

式中:S-1表示子波反褶積算子。(7)式與SRME方法[20]得到的自由表面多次波預測模型類似,其由信號系統的角度出發,將自由表面多次波的預測描述為觀測數據的高維褶積;理論上該方法需要規則完整的觀測數據,并通過多輪迭代壓制多次波。自由表面多次波預測與波傳播模擬之間的關系將通過表示定理說明[21-25]。

3.2 Green表示定理表達的自由表面多次波預測

考慮如圖2所示的地震勘探模型[26],震源和檢波器放置在一個半球封閉面S=S0+SR內,S0表示下行反射系數為-1的理想自由表面,檢波點處的波場p(xr,xs,ω)用如下積分方程表示:

圖2 海上地震勘探物理模型

(8)

式中:p(x′,xs,ω)表示積分面上點x′處的聲壓波場;n是封閉面的單位外法線方向向量;σ=1/ρ表示密度倒數;G(xr,xs,ω)是聲介質的脈沖響應;方程中的第1項G(xr,xs,ω)s(ω)表示xs點震源激發在xr處產生的聲壓波場,該部分波場由封閉面內的介質產生,包括直達波、反射波等波現象;第2項是Kirchhoff-Helmholtz積分,其表示封閉面上的波場及其法向導數在介質中任意點處產生的波場。當球面半徑R趨于無窮大,根據索末菲輻射條件只需要考慮S0上的波場積分。由于自由表面S0處壓力值趨于0,僅考慮聲壓法向導數產生的波場,由此得到如下含自由表面多次波的表示定理:

(9)

式中:對S0的積分即為自由表面多次波。由于自由表面S0是近似水平的,其法向導數近似為垂向導數,有σ0[?p(x′,xs,ω)]/?z=iωvz(x′,xs,ω),自由表面多次波的預測關系表示為:

(10)

式中:vz(x′,xs,ω)表示自由表面處的垂向速度分量;G(xr,x′,ω)是自由表面以下介質的格林函數;m(xr,xs,ω)表示預測的多次波。(10)式表明可以將觀測數據的垂向分量作為“二次源”輸入已知的參數模型,通過波場模擬預測自由表面多次波。

3.3 單向波+雙向波數值模擬表達的特征反射層多次波預測

根據(10)式的自由表面多次波模擬預測關系,理論上需要地下介質的完整參數模型才能求解格林函數G(xr,x′,ω)。為了簡化多次波預測對模型參數的需求,僅考慮預測地下強阻抗的特征反射層產生的自由表面多次波。在已知背景速度和反射層位置條件下,特征反射層相關的自由表面多次波由輸入的“二次源”在自由表面和特征反射層間往返傳播產生,其分解為波場的下行延拓和上行延拓過程,為此需要選擇合適的波傳播算子進行波場模擬。

在Born近似下,特征反射界面被視為由一系列散射點組成,有如下的多次波預測關系:

(11)

式中:d(x′,xs,ω)=iωvz(x′,xs,ω)表示觀測數據的在自由表面處的二次源輸入;ε(x)表示散射點的擾動強度;G0(x,x′,ω)和G0(xr,x,ω)分別表示背景介質中的下行和上行傳播格林函數。上述方程用時空域的單向波+雙向波模擬實現,表示為:

(12)

式中:d(x′,xs,t)=FT-1[d(x′,xs,ω)]為時間域的輸入數據;g0是時空域的背景格林函數;u+(x,t)表示輸入數據產生的下行波場;m(xr,xs,t)表示多次波預測模型。上述波場在時空域滿足如下聲波方程:

(13)

式中:v0(x)表示背景速度模型。自由表面多次波的模擬預測過程如圖3所示。圖3a為自由表面處的觀測數據,其經過自由表面反射形成圖3b所示的下行波場,下行波在背景模型中傳播,在圖3c所示的特征反射層擾動處形成多次散射,散射波場在背景模型中上行傳播到自由表面,得到圖3d所示的多次波預測模型。

圖3 自由表面多次波的模擬預測過程a 自由表面觀測數據; b 下行波場; c 特征反射層的多次散射波場; d 多次波預測模型

3.4 OBN上、下行波反褶積多次波壓制

在OBN觀測系統中,震源在海面激發,觀測節點位于海底。假設地下介質是水平層狀的,OBN觀測的上、下行波數據中,各個方向的平面波獨立地滿足反褶積關系[27]。因此將OBN共檢波點道集數據進行平面波分解,對各個平面波分量分別進行上下行波的反褶積,壓制自由表面相關多次波。

以自由表面為基準面,OBN上、下行波數據的平面波分解表示如下:

(14)

(15)

式中:X0(k,ω)即為地下介質的一次反射響應,其不包含自由表面多次波。該一維反褶積過程在頻率平面波域進行。由于OBN放置在海底,(15)式的上下行波反褶積結果只包含海底界面以下的介質信息,對海底及淺層構造的照明不足,因而常用OBN的下行波數據進行鏡像偏移,補充淺部成像信息。OBN數據的下行波反褶積表示為:

(16)

上、下行波的褶積關系如圖4所示。在圖4a中,直達波D1為一階下行波;一階上行波U1=D1X0表示為以D1為輸入源,與地下介質褶積的輸出結果,X0表示地下介質的一次反射響應;以此類推可知,OBN數據中的各階上行波是以對應階的下行波為輸入源,與地下介質系統褶積得到的;與上下行波褶積類似,在下行波中也存在如圖4b所示的褶積關系,將直達波作為一階下行波輸入,其與介質響應褶積后產生二階下行波,后續高一階的下行波都由低一階的下行波褶積X0得到。根據上述褶積關系,通過上、下行波數據的反褶積能夠獲得介質的一次反射響應,從而壓制自由表面多次波。

圖4 上、下行波的褶積關系a 上、下行波褶積示意; b 下行波褶積示意

3.5 層間多次波模擬預測

與自由表面多次波類似,地震波會在地下強反射層發生下行反射,導致層間多次波[29]。通過指定發生下行反射的特征反射層,層間多次波形成的正過程也可以用反饋環模型描述?？紤]在zi深度處,界面Vi的下行反射形成的層間多次波,定義Vi界面以下介質的一次散射響應Xi表示為:

Xi(x′r,x′s,zi)=G0(x′r,x)V*(x)G0(x,x′s)

(17)

式中:V*表示Vi界面以下深部的介質擾動;x′s和x′r是位于Vi界面處虛擬的震源和檢波點;G0(x,x′s)和G0(x′r,x)表示下行和上行傳播的背景格林函數。將該散射響應帶入Lippmann-Schwinger積分方程,得到包含層間多次波的散射級數,表示為:

u=G0S+G0VG0S+G0[Xi+(XiVi)Xi+
(XiVi)2Xi+…]Si=u0+p0+mi

(18)

式中:Si=ViXiS表示在Vi界面處發生的下行散射,其作為二次源輸入深部介質;mi表示由Vi界面下行散射導致的層間多次波,形成過程如圖5所示。

圖5 層間多次波的反饋環模型

波動方程數值模擬是研究波現象的重要方法,常規的有限差分模擬結果難以分離層間多次波和一次波。根據上述含層間多次波的散射級數,通過提取特征反射層,能夠實現對層間多次波的直接模擬。時空域方程表示為:

(19)

式中:u0是震源產生的背景場;ε*和εi分別表示V*和Vi的擾動強度;x′和x都表示波場在介質中的空間坐標,僅用于區分δu1和δu2;δu1和δu2分別是ε*和εi產生的散射場,其中δu2的下行散射傳播到介質V*中產生層間多次波:

(20)

為了求解方程,需要分別提取介質中的反射層Vi和V*,用波動方程數值模擬背景介質中的波傳播。上述波場在時空域滿足如下方程:

(21)

方程組每次模擬一個特征反射層Vi相關的層間多次波,模擬的層間多次波都由Vi的下行反射產生,Vi以下的界面V*只產生上行波。

利用圖6a所示的模型測試層間多次波模擬方法,該模型從淺到深包含3個界面?？紤]第一個反射層相關的層間多次波模擬,反射層的提取和分離如圖6b所示。層間多次波模擬過程如圖7所示。震源激發如圖7a所示的背景波場,背景模型由原模型平滑得到;背景場先在V*中產生一次散射(圖7b),V*產生的上行散射在Vi處產生下行波場(圖7c),將下行波場輸入回V*產生層間多次波(圖7d);V*和Vi波場的相互輸入過程是每個時間片進行的,模擬的多次波中包含Vi下行反射產生的所有階的層間多次波;最后需要單獨模擬一次波,將一次波從數據中減去,得到如圖7e所示的層間多次波模擬結果。該模擬過程由淺到深逐個特征反射層進行,模擬時清除Vi界面以上的介質擾動。

圖6 3層介質速度模型(a)及其反射界面的提取和分離(b)

圖7 層間多次波模擬過程a 震源下行波場; b 深部反射層V*的散射波; c 特征反射層Vi的下行散射波; d 包含層間多次波的V*散射波; e 分離的層間多次波模擬結果

上述模擬方法假設層間多次波只在一個特征反射層處發生下行反射,會忽略部分二階及以上的層間多次波,但其已經能夠模擬大部分的多次波現象。直接模擬得到的層間多次波模型能夠幫助識別和分析實際觀測數據中的多次波。

4 OBN地震數據成像處理流程及關鍵技術

地下介質的高精度地震波成像是OBN數據成像處理的基本目的,當然也是拖纜和陸上地震數據成像的目的。當前的地震波成像首要目標依然是:方位角度保真高分辨的反射系數,更一般地,可以說是盡可能保真的、帶限的相對波阻抗擾動量。

基本的成像公式可以表述為:

δdobs=δdcal+η=L(minitial)δm+η

(22)

(23)

事實上,炮集中包含的波現象是非常復雜的,海上地震勘探中各種自由表面相關多次波是主要的噪聲源。選擇一個復雜的正問題盡可能多地模擬炮集中實測的波現象使得剩余噪聲η滿足Gauss(白)噪聲分布的假設,或是選擇一個簡單的正問題模擬炮集中某些特征波現象(所謂特征波現象是指能被所選擇的正問題很好模擬的波,譬如前述的透射波和一次反(繞/散)射波),然后把不能模擬的波現象通過預處理壓制掉,使得剩余噪聲η滿足Gauss(白)噪聲分布的假設,這是地震波成像的策略問題。顯然,當前石油工業界所用的方法是后者。FWI方法本質上是屬于前者的。但是,FWI方法在復雜介質和復雜數據情形下的不收斂或很難收斂到有地質意義的解上,也迫使它盡可能利用特征波現象,盡量引入數據預處理壓制掉特征波現象之外的不能被所選擇的正問題預測的波現象。這是當前地震波成像所遵循的基本邏輯。

基于上述邏輯,海洋/OBN數據成像處理流程的制定一定要圍繞:如何獲得僅僅包含透射波和一次反(繞/散)射波的、規則無假頻采樣的疊前地震數據體;如何獲得盡可能準確的偏移速度場(當前重點是保護好初至波,做好初至波FWI);如何得到高保真高分辨帶限反射系數的成像結果。

另外,高保真高分辨帶限反射系數的成像結果依然是目前油藏描述的最主要信息。它由地震波疊前深度偏移獲得。帶限反射系數成像的基本理論公式可以寫為:

δm≈L(minitial)Tδdobs

(24)

式中:L(minitial)T是在背景速度場中對地表觀測數據進行反傳播所使用的算子,高頻近似下的射線理論和Beam傳播理論、單向波方程、雙向波方程都可以構造出該算子。背景速度是比較光滑的速度,保證對不同炮檢對、不同反(繞/散)射點產生的地震子波走時的預測是正確的,就滿足了疊前深度偏移成像對背景速度模型精確性的需求。常密度聲波方程構建的RTM算子對復雜構造和強橫向變速有最好的適應性,因此RTM成為了高精度疊前深度偏移成像的代表性方法技術。但是,每種偏移算子都有其適用條件和優缺點,不能認為有了RTM就可替代其它偏移方法,RTM的高精度成像是依賴于高精度的速度模型的(譬如前述的Duplex Wave陡傾角成像)。當前,地震波成像算子已經可以處理各向異性介質和吸收衰減介質,但是考慮復雜介質情形帶來了各向異性參數建模和Q值建模的復雜性。這是當前地震波偏移成像的技術發展現狀。有大量的文獻討論過偏移算子問題。

(24)式的本質是將地表(海面或OBN)觀測的、不同炮檢對的一次反(繞/散射)射波反傳到反(繞/散)射點處,并利用合理的成像條件產生成像結果。不同炮檢對的一次反(繞/散)射波的同相位疊加、保幅疊加是高保真成像的基本要求。理論上,地下介質的反射系數只能是正或負的,而實際上,正反射系數出現相伴的負旁瓣或是負反射系數出現相伴的正旁瓣,這是地震波激發與接收的有限頻帶所導致的。這顯然不是地下介質真實反射系數的體現。地震勘探的物理本質某種程度上可以理解為用波前面上的地震子波感知地下介質彈性參數的變化,因此地震子波的分辨率決定了地震波成像的分辨率。地震波反演成像的目的就是要剝離掉地震子波對地下介質彈性參數成像的模糊效應,估計真實的地下介質彈性參數的變化。眾所周知,地震子波對地下介質彈性參數成像的影響不可能被徹底剝離掉。這是當前地震波成像存在分辨率問題的本質。據此,我們提出了地震波高分辨率疊前偏移成像的期望目標:無旁瓣或弱旁瓣、保幅的、定量的反射系數[31]。

勘探地震中,高保真高分辨帶限反射系數成像的本質意義就是如此。根據上述認識,結合OBN數據觀測方式及所記錄波場的特點,可以制定出合理的OBN數據成像處理技術流程。

首先,海洋/OBN數據成像處理技術流程要包括如下關鍵環節:子波處理環節;水體相關多次波壓制環節;自由表面相關多次波壓制環節;其它噪聲壓制環節;數據規則化環節;Deblending環節(可選);偏移速度建模環節;疊前深度偏移成像環節;基于成像道集的成像后處理環節。

其中,每個處理環節都與上述地震波成像的理論要求有關。事實上,整個海洋/OBN數據成像處理技術流程圍繞前述3個問題展開,即滿足線性化的正問題δdcal=L(minitial)δm所能預測波現象的要求及基于線性化正問題的成像方法對規則無假頻數據的需求;基于線性化正問題所開展的速度層析成像與建模;基于線性化正問題進行的疊前深度偏移成像。

1) 子波處理環節。不同炮檢點的激發與接收子波的一致性,且期望地震子波是延續最短的、波形簡單的、僅僅是主震源激發產生的。因此,鬼波壓制方法[32-33](基于對鬼波形成與傳播進行預測的壓制方法;基于纜形變化(陷波點變化)的壓制方法)、Designature方法[34]、Debubble方法[35]構成了子波預處理的三項關鍵技術。

2) 水體相關多次波壓制環節[36-37]。海面+水體+海底及附近介質構成的系統是海上地震勘探的最主要的干擾噪聲源,尤其在淺水油氣探區。我們認為:水體速度模型建立、基于水體模型的水體相關多次波編碼預測、最佳濾波器設計及水體相關多次波減去是模型驅動壓制水體相關多次波的合理方法。目前國內外已經發展了處理水體相關多次波的各種方法技術。我們提出的單程波方程+雙程波方程+圖像配準進行基于模型的水體相關多次波預測及最佳減去應該是更合理的技術方案。

3) 自由表面相關多次波壓制環節。應該知道:是地下介質存在強反射面時,長程自由表面多次波才成為必須重視的干擾波。深層強反射面的長程自由表面多次波由于傳播時間長,可能超過了記錄時間,對淺中層反射面成像的影響也不是很嚴重。因此,機器學習(ML)算法識別淺中層強反射面,構建包含淺中層強反射面的速度模型,開展基于模型的波動理論特征反射層相關多次波預測與減去方法是自由表面相關多次波壓制的主要技術方向。另外,我們認為:一次波+自由表面相關多次波聯合成像、包含自由表面相關多次波的FWI成像可能會是今后海洋/OBN數據成像處理的重要技術發展方向。

SRME(Surface-Related Multiple Elimination)這類數據驅動的壓制自由表面相關多次波的方法,受數據觀測方式的制約太大[38],在基于模型和波動方程的FWI成像逐漸普及應用的情況下,應該逐漸被基于模型(或模型驅動)的波動理論(特征反射層相關)多次波預測與減去方法所取代[39-41]。

4) 其它噪聲壓制環節。涌浪噪聲是海洋勘探的典型噪聲、纜本身引起的噪聲、外源噪聲等這些都是典型的去噪方法技術解決的問題。

5) 數據規則化環節。無論是海底Node或是海面炮點都很難保證規則布設。拖纜漂移更是無法避免。假設炮檢點定位準確的情況下,不規則數據對成像質量的影響是明顯的。即便實際地震數據處理中高維數據規則化的計算代價比較大,地震數據的規則化也是不可或缺的?；贔ourier變換算子的抗假頻數據規則化方法[42]和線性Radon譜約束的稀疏反演數據規則化方法是比較典型的、常用的方法[13]?；趶埩糠纸獾母呔S數據規則化方法[43]應該是要發展完善的方法?；谏窠浘W絡的深度學習數據規則化方法值得關注,但很難會成為主流的數據規則化方法。另外,值得提及的是:混疊采集數據的解混疊方法,在震源激發時間隨機編碼的條件下,解混疊方法本質上被轉化為在偽解碼數據域進行線性信號預測去噪問題。因此,高維數據空間中線性噪聲壓制、高維數據空間中數據規則化、高維數據空間中解混疊本質上是一個問題,即高維數據中所包含的線性信號的建模預測問題。

6) 精確的速度建模環節。OBN數據最大的特點是寬方位。提出OBN數據采集方法技術的目的主要就是利用寬方位的、更均勻的照明,首先提高復雜介質變化(也可以說是復雜構造變化)情形下偏移速度估計與建模的精度。在速度建模方面,與陸上油氣地震勘探關注點有所不同,除了寬方位觀測外,陸上還通過節點高密度采集技術的實施,考慮無假頻采集到地表相關的低視速度噪聲,更好地壓制掉這些強噪聲,從而提高信噪比滿足偏移速度建模的要求。寬方位長偏移距觀測提供的初至波走時是提高速度建模精度的重要信息。我們認為:寬方位長偏移距觀測數據中的初至波識別(走時檢測)+初至波FWI是OBN數據偏移速度建模必須要開展的工作;構造約束下的成像道集RMO射線層析速度建模是必須具有的反射波層析速度建模方法技術,目前中深層速度建模主要還是依賴于這種技術手段。反射波FWI還沒有證明其在速度建模中的真正效力。我們認為:對反射波FWI進行梯度分解,然后對層析梯度項和偏移梯度項分別引入有效的先驗約束,是反射波FWI逐漸實用化的合理途徑。因此,我們提出了特征反射層導引下的特征反射層FWI方法及具體的實現方案[44]。

7) 疊前深度偏移成像環節。眾所周知,OBN數據觀測的是至少一階自由表面多次波(下行波)和上行波。已知當前的疊前深度偏移成像僅僅對一次反(繞/散)射波進行。因此,OBN數據預處理必然存在這樣一個特殊點:即首先必須進行上、下行波分解[17],然后分別對這兩個波場進行滿足線性化正問題δdcal=L(minitial)δm要求的預處理。OBN數據觀測的另一個特殊點是炮檢點分布在不同的面上。因此,OBN數據疊前偏移成像方法必然有針對下行波場的偏移成像方法(鏡像偏移方法)[18]和針對炮檢點位于不同面上的PSTM/PSDM方法。很顯然,鏡像偏移方法針對的也是炮檢點位于不同面上的疊前數據。幸運的是,各種PSDM方法適應炮檢點不在同一面上是比較容易的。至于各向異性介質PSDM、吸收衰減介質PSDM、以及各向異性+吸收衰減介質PSDM,甚至彈性波PSDM都不是OBN數據地震波成像所特有的。大量文獻已經研究過這些通用的偏移成像方法。線性化的反演成像方法(LS_RTM或LS_PSDM)最近十幾年也得到了深入研究。

8) 基于成像道集的成像后處理環節。首先應該說明,由于地震波成像是基于線性模型δdcal=L(minitial)δm的,因而疊前數據空間與疊前成像空間是等價的。而且,保真和高分辨成像處理的要點是對來自地下同一點的、不同炮檢對的地震子波進行同相位疊加。影響同相位保真疊加的各種因素,既可以在疊前數據域進行處理,也可以在疊前成像域進行處理。事實上,在疊前成像域處理時,由于反射子波已經放在成像點處,對于反射子波不一致、存在噪聲、照明不均勻、速度不正確引起的道集不拉平等的各種處理方法的物理意義明確、保真和高分辨成像的目標更有針對性。眾所周知:保真和高分辨且滿足AVA關系的方位角度反射系數或零角度反射系數依然是油藏描述的最基礎數據,因此有必要給出期望的成像道集的定義。期望成像道集應該具有如下特點:方位角度或角度方位排放的、零相位子波同相軸體現的、零相位子波中心位置與反射界面深度一致且中心幅值與地下界面真實反射系數一致,另外,各方位角度上零相位子波波形一致、頻帶一致。若產生了期望的成像道集,就可以認為得到了保真成像結果。實際數據情形下,方位角度共成像點道集與上述期望的共成像點道集相差甚大,這是不能做到保真高分辨成像的根本原因?？梢钥闯?疊前數據空間中與疊前成像空間中的各種處理的本質目的就是為了得到保真和高分辨的成像結果。我們將這樣的成像結果定義為無旁瓣或弱旁瓣的、定量的反射系數。可以看出,成像道集中存在剩余深度差(時間差)、剩余相位差(子波形態不一致)、各方位各角度存在不符合AVA關系的振幅變化(包括(有效)照明角度多少也可能非常不一致)是成像道集后處理要解決的3個主要問題。我們針對性地提出了最佳照明優選振幅保真高分辨疊加成像方法技術[45]。另外,偏移成像得到的帶限反射系數是不定量的,即它與地下介質真反射系數即便保真成像情況下量級也是不一致的。做不到定量成像的具體影響因素很多,不再展開討論。對此,必須引入井數據約束,通過控制地震波成像剖面上標志層反射系數的量級,從而達到偏移成像得到的帶限反射系數基本定量化的目的。在此環節中,還可以繼續用各種合理的方法,壓制反射系數的旁瓣,最后得到期望的無旁瓣或弱旁瓣、定量的反射系數[46]。如果再進一步,就可以將背景阻抗與上述定量的無旁瓣或弱旁瓣反射系數融合成寬帶波阻抗[47-48],真正實現李慶忠院士[49]提出的波阻抗反演是高分辨率資料處理的最終表達形式的目標。

據此,我們給出圖8所示的OBN數據地震波成像處理流程。

圖8 OBN數據地震波成像處理流程

關于OBN數據的多波成像處理問題,本質上就是P-P波和P-SV波成像處理,到目前為止,并沒有見到能有效地貢獻于提升油藏描述精度的成像結果。我們認為,出現這樣的結果,主要不是由P-SV波成像處理方法導致的,而是因為數據中P-SV波的信噪比太低。實質上,這還是地震波傳播的物理機制決定的,縱波在實際的孔隙流體介質中為什么不能轉換成較強SV波,為什么只有局部區域能產生有效的SV波而大多數情形下沒有有效的SV波決定的。如何有效地利用OBN數據中的P-SV波,是要繼續探索的議題。我們不建議用彈性波FWI這類更高端的成像算法進行針對OBN數據的矢量波反演成像,而是重點研究波傳播的實際物理機制,弄清楚實際數據是否支撐做彈性波FWI。彈性波方程模擬數據下的彈性波成像能得到很好的成像結果,但這不過是個Inversion Crime(反演騙局)[50]。任何有效的地震波反演成像技術,一定是奠基在實測數據能有效支持的基礎上的,理論上還是成像所用的波動方程數值模擬結果與實際波傳播結果之間存在高度的一致性。

5 結論與討論

海上油氣勘探的主要矛盾依然是地震數據采集和地震波成像不能滿足油氣藏識別、描述與評價的精度要求。“兩寬一高”地震數據采集方式和以FWI/LS_RTM為代表的高精度地震波成像技術是公認的解決海上油氣勘探主要矛盾的有效方法技術系列。OBN地震數據采集是基本上得到一致承認的海上“兩寬一高”地震數據采集技術。OBN數據的最大特點是包含了至少一階自由地表相關多次波;檢波點在海底,與炮點明顯地不在一個面上;OBN數目相對少、縱橫向網格間距較大;包含了四分量觀測數據。針對復雜構造成像的寬方位、長偏移距觀測盡管是開展OBN數據采集的主要目的,也是它的典型特點,但并非是OBN數據采集所特有。正是因為OBN數據觀測方式的獨特性,才使得OBN數據的成像處理有了一定的特殊性。盡管如此,客觀地講,OBN數據絕大部分的成像處理方法與拖纜和陸上地震數據處理方法差異并不大。另外,應該指出,由于目前OBN數目相對少導致縱橫向采樣間距較大,即便使用了高維數據插值(規則化)技術和上下行波場成像技術,也很難彌補OBN空間采樣不足帶來的成像質量降低的問題,有必要發展稀疏OBN節點與拖纜數據結合的成像處理方法。

根據OBN數據的特點,我們提出:①抗假頻的數據規則化方法與技術是OBN數據處理的核心技術之一;②壓制鬼波和水體相關多次波,以及來自深層強反射的自由表面相關多次波是OBN數據成像處理的第二項核心技術;③炮檢不同面的PSDM方法(也包括PSTM方法)、鏡像PSDM方法是必須具備的方法技術;④利用寬方位數據的速度建模、方位角度道集的生成及寬帶反射系數成像是更為核心的問題;⑤發展水檢和陸檢(垂直分量)合并的上下行波分解技術、水陸和陸檢(垂直分量)結合的橫波壓制技術和三分量陸檢數據的成像處理方法技術等是必要的。

針對保真高分辨成像,我們提出:疊前數據空間與疊前成像空間是等價的,保真和高分辨成像處理的要點是對來自地下同一點的、不同炮檢對的地震子波進行同相位疊加。影響同相位保真疊加的各種因素,既可以在疊前數據域進行處理,也可以在疊前成像域進行處理。提出期望成像道集應該具有如下特點:方位角度排放的、零相位子波同相軸體現的、零相位子波中心位置與反射界面深度一致的且中心幅值與地下界面真實反射系數一致的,另外,各方位角度上零相位子波波形一致、頻帶一致。提出保真高分辨成像結果應該是:無旁瓣或弱旁瓣的、定量的反射系數。指出應該將保真高分辨成像推進到寬帶波阻抗成像。

我們認為,海洋油氣勘探的真正特殊問題主要還是由反射系數接近1的海面及海面+海水+海底及附近介質構成的介質系統所引起的、由于地下介質中存在強反射面引起的長程自由表面多次波所引起的去多波問題。自由表面(海面)相關多次波的預測、壓制或成像處理構成了海洋地震數據處理的真正特殊問題。其它方面的問題,要么與陸上地震數據處理一致,要么沒有明顯的特殊性。

據此我們提出了水體模型建模+水體相關多次波壓制+自由表面(海面)相關(長程)多次波壓制+初至波FWI(各向異性)速度建模+成像道集(各向異性)層析速度建模+成像道集為中心的高保真高分辨方位角度帶限反射系數成像(最好推進到寬帶波阻抗成像)的海洋地震數據成像處理技術組合。

同時我們認為,在海洋/OBN地震勘探(也包括陸上地震勘探)中,多次波主要由特征反射界面引起,所謂特征反射層包括海面、海底面及地下介質強反射面。據此我們提出模型驅動波動理論特征反射層相關多次波預測與壓制的技術路線?；具壿嫴襟E包括:①構建背景速度+特征反射層組成的速度模型;②波動理論特征反射層相關的多次波模擬預測;③多次波模擬預測波場與實測多次波波場的配準;④最佳匹配濾波器設計及多次波減去。在FWI+LS_RTM已經成為高精度地震波成像方法技術核心的時代,基于模型的(模型驅動的)波動方程特征反射層相關多次波預測與壓制方法技術應該成為海洋/OBN地震數據處理的核心方法技術?；跀祿寗拥?如SRME之類的)方法應該逐漸讓位于基于模型驅動的多次波預測與壓制方法。機器學習算法被引入幫助建立包含特征反射層的速度模型;圖像模板之間的時差測量方法(圖像配準方法)被借用來檢測由于包含特征反射層的速度模型的不準確引起的預測多次波同相軸與實測多次波同相軸之間的時差,幫助設計最佳的匹配濾波器進而實現最佳的多次波減去。這樣的理念與方法技術也可以用在無論海洋或陸上地震勘探中的層間多次波壓制過程中。

關于OBN數據的多波(即矢量波場)成像處理問題,我們認為,經過幾十年的探索,實踐多波勘探沒有得到大規模應用、沒有產生明顯勘探效益的根本原因,本質上不是地震波成像理論與方法出了問題,而是實際觀測的多波地震波場中的波現象(主要是P_SV波)與地震波傳播及模擬理論不匹配導致了多波成像結果達不到預期。因此,我們不建議發展更高端的矢量波場成像算法,而是重點研究實際觀測的多波地震波場中的波現象與地震波傳播及模擬理論不匹配的物理根源到底是什么。