0 引言

天然气水合物是由水分子和碳氢气体在低温、高压环境下形成的冰状晶体, 具有能量密度高、无污染等特点。预估水合物总资源量相当于世界已知煤、石油和天然气总量的二倍, 被认为是潜在的替代能源^[1]。天然气水合物还是洁净的未来新能源, 对于减轻空气污染、应对气候变化具有重要意义^[2]。由于传统化石能源的日益短缺, 人们对水合物的相关研究日渐加强, 主要集中在形成环境、保存条件、赋存范围以及资源量等方面^[3]。

中国南海具有天然气水合物成藏的充足物源、良好的运移通道和合适的温压条件, 是天然气水合物聚集的有利场所^[4]。中国在南海北部珠江口盆地不同区域先后进行了多次水合物钻探, 揭示了高饱和度砂质水合物储层具商业开发价值^[5-7]。同时也发现, 该区水合物层饱和度和厚度在垂向和横向上存在明显的不连续性, 现有地震资料处理技术难以实现水合物矿体的精细描述^[8-10]。

海上地震资料处理技术是地球物理技术服务公司竞争力的一个重要方面。GeoEast处理系统中的海洋资料处理技术近年来得到快速发展, 鬼波压制、多次波压制、菲涅耳层析等关键技术均取得突破性进展, 实现了与业界最高处理技术标准的接轨^[11-13]。

本文采用GeoEast处理系统海洋特色处理技术, 对中国南海地区拖缆地震资料进行了精细处理。首先，利用起伏海面相位驱动的虚反射衰减方法实现鬼波压制；然后，综合表面多次波压制技术(SRME)、聚束滤波去除复杂多次波；最后，以菲涅耳层析反演预测复杂海底近地表结构。最终处理结果表明, 基于GeoEast特色海洋处理技术能较好地实施天然气水合物地震数据处理, 明显提高了海底反射层(BSR)的成像精度, 为水合物勘查提供了高品质基础资料。

1 关键处理技术 1.1 起伏海面相位驱动的鬼波压制技术

近年来, 随着海域宽频采集和处理技术的蓬勃发展, 鬼波压制技术取得了显著进步。专家们提出了一系列鬼波压制方法, 主要有基于反褶积、射线理论和波动方程的方法^[14-17], 其中基于子波求取的褶积类压制法方法简单实用, 但由于提取的子波缺乏稳定性, 鬼波压制存在一定困难; 波动方程类方法的缺点是运算速度较慢, 难以实现规模化应用^[18]。

GeaEast采用起伏海面相位驱动的鬼波压制技术, 基于原始数据与镜像数据延拓后的数据角度差估算鬼波压制算子的相位, 进而通过希尔伯特变换计算算子的振幅谱。该算法考虑了起伏海面反射系数的变化^[19-20]。

在频率域, 地震数据可表示为

$ D(\omega)=P(\omega)\left(1-r \mathrm{e}^{-\mathrm{i} \omega \tau}\right)=P(\omega) A_0 \mathrm{e}^{-\mathrm{i} \theta} $

(1)

式中：D(ω)代表地震数据, 其中ω表示角频率；P(ω)代表上行波；r表示海面反射系数；τ代表下行波的旅行时延迟；θ代表鬼波传播算子的相位；A₀表示鬼波传播算子的振幅。地震数据D、上行波P和鬼波G间的角度关系见图 1。θ、ϕ、r之间的关系为

$ \tan \theta=\frac{r \sin \phi}{1+\cos \phi} $

(2)

如图 2所示，通过相移加内插法(phase-shift-plus-interpolation, PSPI)可把上行波数据P和下行波数据即鬼波G延拓到海水表面, 分别得到D₁和D₀，D₁分解的鬼波G₁与D₀分解的上行波P₀具有相同的相位，即

$ \angle D_0 O D_1=\angle P_0 O P_1=\phi $

(3)

式中：P₁表示D₁分解的下行波；G₀表示D₀分解的上行波。

首先计算得到角度ϕ, 再通过希尔伯特变换可以得到鬼波传播算子的振幅A₀, 进而得到鬼波传播算子。

将上述方法应用于某海外工区实际地震资料，图 3是鬼波压制前、后炮集记录对比。可以看出，跟随在反射波之后的鬼波得到了有效压制(图中箭头所示)。图 4是图 3单炮所对应的频谱。可以看出，相比鬼波压制前(红色曲线)，压制后(蓝色曲线)的频率在低频端和高频端均得到了拓展，数据频带明显变宽。图 5是鬼波压制前、后叠加剖面对比，可见采用相位驱动的鬼波压制方法后，虚反射引起的假同相轴被有效压制, 波组特征更加清晰。

1.2 综合多次波压制技术 1.2.1 3D表面多次波压制技术

多次波的存在会导致目的层反射波形态发生畸变, 干扰地震成像。如果不进行有效压制, 得到的成像结果不能反映真实的地下情况，进而导致错误的地质认识。

目前, 二维数据驱动的表面多次波压制技术相对成熟。但是，实际采集的三维资料存在拖缆漂移问题, 且横测线往往采样比较稀疏, 导致准确预测表面多次波存在困难。GeaEast基于数据规则化配合稀疏反演进行三维表面多次波压制，能够较好地解决这种实际资料与算法之间的矛盾^[20-23]。

三维数据SRME的实现可分为两步：首先，对包含多次波的原始地震数据与上一次迭代得到的去除多次波后的数据进行褶积计算, 生成多次波模型；然后，利用匹配算子从原始数据中减去多次波模型。

三维情况下表面多次波预测主要分为两步：首先，在纵测线方向上对相应的共接收点和共炮点道集进行褶积，形成多次波贡献点道集；然后，对多次波贡献点道集进行求和。为了解决横测线方向多次波贡献道空间采样不足的问题, 可采用稀疏反演代替直接求和。具体实现过程是将横测线方向上的多次波贡献点道集映射到模型空间域。对生成的模型空间域数据的每一道都按照一定比例进行振幅和相位校正, 累加求和后再映射回数据空间域，最终得到三维多次波的预测道。

1.2.2 聚束滤波

表面多次波衰减后，仍需对剩余的中、远炮检距多次波进行压制。GeaEast系统的聚束滤波是一种非常有效的中、远炮检距多次波衰减方法。胡天跃等^[24]详细讨论了聚束滤波方法，并介绍了该技术在地震勘探实际资料处理中的应用。洪菲等^[25]则将其进一步应用于三维地震资料的多次波压制。

聚束滤波是一种多道滤波方法, 可在输出噪声能量为最小的前提下提取无畸变信号。为了将一次波与相关噪声分开, 聚束滤波中的数据模型x可表示为

$ \left\{\begin{array}{l} \boldsymbol{x}=\boldsymbol{B} \boldsymbol{s}+\boldsymbol{C} \boldsymbol{v}+\boldsymbol{u} \\ \boldsymbol{B}=\boldsymbol{b}_{j l} \exp \left(-2 \mathrm{i} \pi f \boldsymbol{\tau}_{j l}^{\mathrm{s}}\right) \\ \boldsymbol{C}=\boldsymbol{C}_{j m} \exp \left(-2 \mathrm{i} \pi f \boldsymbol{\tau}_{j m}^{\mathrm{v}}\right) \end{array}\right. $

(4)

式中：s表示地震信号；v表示相关噪声；u表示随机噪声；B、C表示过程矩阵变量；b_jl、τ_jl^s分别表示第l个有效信号在第j道上的振幅矩阵和时间延迟矩阵; C_jm和τ_jm^v分别是第m个相关噪声在第j道的振幅矩阵和时间延迟矩阵；f表示频率。

聚束滤波的基本设计准则是最小方差和无偏, 即必须满足无信号(一次波)畸变和输出噪声能量为最小两个条件。对于消除相关噪声的聚束滤波方法, 其约束条件是: ①相关噪声(多次波)为零(或最小)响应; ②控制随机噪声的增益。这个多约束问题使用的解或滤波器为

$ \boldsymbol{H}=\boldsymbol{G}\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{H}} \boldsymbol{Q}^{-1} \boldsymbol{A}\right)^{-1} \boldsymbol{A}^{\mathrm{H}} \boldsymbol{Q}^{-1} $

(5)

式中: G=(I, I₀), I表示单位矩阵, I₀表示零矩阵；A=(B, C); Q=E[UU^H]u, 这里E[·]表示求估计值, 上标H表示转置共轭；U表示随机噪声矩阵。如果随机噪声是正态分布的，且每道能量相同, 即Q=e²I，那么信号s可表示为

$ \boldsymbol{s}=\boldsymbol{G}\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{H}} \boldsymbol{A}\right)^{-1} \boldsymbol{A}^{\mathrm{H}} \boldsymbol{x} $

(6)

聚束滤波多次波压制技术要求已知速度信息, 且一次波速度与多次波速度有一定差别。交替应用聚束滤波与速度分析, 逐步获得较准确的一次波速度, 可改善聚束滤波效果。

图 6是多次波压制前(a)及经3D SRME(b)和聚束滤波(c)后单炮结果，可以看出经SRME处理后，周期性较强的近炮检距多次波得到了较好压制，进一步进行聚束滤波后，单炮一次波能量更加清晰(图 6c中红色箭头所示区域)。图 7是多次波压制前及经3D SRME和聚束滤波后叠加效果，可以看出表面多次波能量大部分得到了压制(图 7b)，但仍有部分残余。通过聚束滤波技术进行压制后，多次波能量得到了较好压制，资料信噪比显著提高(图 7c中红色箭头所示区域)，为后期的水合物成藏研究奠定了坚实的数据基础。

1.3 菲涅耳带速度建模技术

速度异常是水合物地层最重要的识别标志之一，高精度的速度分析有利于寻找水合物矿点、判断水合物层位。建立准确的速度模型一直是地震勘探的核心问题^[26-27]。菲涅耳层析方法既保持了传统射线层析法计算效率高的优点，同时亦兼顾了波形层析的高分辨率，因而受到业界关注^[28]。

初至波菲涅耳带层析速度建模方法利用地震记录的初至旅行时信息直接反演近地表速度信息，对地表条件不需要做任何假设, 也不需要“地下速度结构简单”的前提条件, 能够提高叠前数据质量。

GeoEast处理系统的最新版本已经将菲涅耳带速度建模技术应用于海上勘探常见的OBN、OBC和拖缆资料, 采用与陆上资料相同的初至拾取方式产生初至文件后, 可以反演出海平面以下一定深度范围内地层的速度。反演的有效深度通常受用户设定的最大反演炮检距的影响。实际计算的有效深度可以参考反演生成的射线密度文件来确定。确定好初始速度后，采用网格层析反演方法对整体速度进行迭代更新，最终取得满意的速度模型。

图 8为最终偏移叠加数据体及对应的速度模型。可以看出，叠加剖面所示BSR下伏速度具有明显的低速异常(图中箭头所示)，为落实浅层天然气水合物目标优选提供了有力的证据支撑。

2 应用实例

采用最新版本的GeoEast处理系统模块，对中国南海西沙海域某工区的地震资料开展目标处理^[29]。以工区内一条二维地震剖面(图 9a)为例，通过前述关键处理技术的运用，获得图 9b所示最终成果叠加剖面。由图可见，本文方法处理成果剖面实现了目标矿体的准确成像, BSR具有穿层、极性与海底相反、与海底似平行的特征，更易于识别。因此，本文关键处理技术有效提高了深层地震信号的分辨率和保真度, 为天然气水合物勘查奠定了可靠的数据基础。

3 结束语

本文针对中国南海海域拖缆采集资料的特点, 对GeoEast软件海洋特色处理技术开展了应用研究, 重点研究了相位驱动的鬼波压制方法、综合多次波压制以及菲涅耳层析反演速度建模等关键技术, 形成了基于GeoEast软件的海洋资料处理流程。经关键技术处理后的地震成果资料表明，叠前深度偏移成果剖面上BSR及下伏地层的分辨率和成像精度得到明显提高，为南海地区水合物勘查提供了可靠的基础数据。