地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (4): 1798-1802   PDF    
引用本文
梁鸿贤, 秦宁, 高丽. 2017. 海底电缆双检资料正演模拟及特征分析. 地球物理学进展, 2017, 32(4): 1798-1802, doi: 10.6038/pg20170452  
LIANG Hong-xian, QIN Ning, GAO Li. 2017. Numerical simulation and feature analysis of OBC dual-sensor data. Progress in Geophysics (in Chinese), 32(4): 1798-1802, doi: 10.6038/pg20170452   
海底电缆双检资料正演模拟及特征分析
梁鸿贤, 秦宁, 高丽     
中国石化胜利油田分公司物探研究院, 东营 257022
收稿日期：2016-12-27; 修回日期：2017-05-17.
基金项目：国家重大科技专项“渤海湾盆地精细勘探关键技术（2016ZX05006002）和中石化重点攻关课题“滩浅海地震资料关键处理技术研究”资助.
作者简介：梁鸿贤, 男, 1972年生, 山东郓城人, 硕士, 高级工程师, 主要从事地震资料处理和相关技术的研究等工作.(E-mail:geoqin@163.com)
摘要：海底电缆双检采集是滩浅海地区地震勘探的重要手段.目前，国内外对双检资料的研究主要集中在鸣震压制方面，而对双检资料中有效波和鸣震的传播规律和陷频特征等研究较少.为了理清有效波和鸣震在水检和陆检中不同响应产生的原因，本文针对海底电缆双检资料开展正演模拟研究，利用二维声波方程的一阶应力-速度方程中的压力和垂向速度分量表示水检和陆检进行正演模拟，并采用自由表面的应力镜像法处理气水边界，形成了双检资料针对性正演模拟技术；分析有效波和鸣震在双检中的波场传播特征，以及不同水深双检资料的陷频规律，为双检资料鸣震压制等处理提供理论依据.
关键词：海底电缆    双检    正演    特征分析    陷频    
Numerical simulation and feature analysis of OBC dual-sensor data
LIANG Hong-xian , QIN Ning , GAO Li     
Shengli Geophysical Research Institute of Sinopec, Shangdong Dongying 257022, China
Abstract: The dualsensor acquisition of ocean bottom cable (OBC) is important tool for seismic exploration in the shallow sea area. At present, the research ofdualsensor seismic data is mainly focused on thesuppressionof ghost wave, lack of the research on propagating law and notch characteristic for effective wave and ghost wave. In order to clarify the reason of different response for effective wave and ghost wave in the geophone and hydrophone seismic data, we have carried out the numerical simulation research on OBC dualsensor data, used the firstorder stress-velocity equation to do seismic simulationin which the hydrophone data and geophone data are respected by pressurecomponentand vertical velocity component respectively under the 2D acoustic hypothesis, and applied the stressanti-symmetry method to solve the free surface boundary between gas and water, so the targeted seismic simulation method of dual sensor data had been developed. And we have analyzed the propagating characteristics of effective wave and ghost wavein dual sensor seismic data. And from the analysis we can know that there are large differences in amplitude, phase and frequency between hydrophonedata and geophonedata of our modeling results, and there are also differences in various water depths. In addition, we have obtained the frequency notch phenomenon of ghost in the hydrophone data, which can provide theoretical guidance for the processing and interpretation of the OBC dualsensor data.
Key words: OBC     dual-sensor     numerical simulation     feature analysis     frequency notch    
0 引言

与海上拖缆采集相比，海底电缆采集不受障碍物的限制和洋流的影响，并且保持了观测系统的多变性，因此在滩浅海地震勘探具有极大的优越性.20世纪末，针对海底电缆采集中存在严重的鸣震干扰，出现了海底电缆双检采集技术，即将常规的陆用速度检波器(陆检)与压电检波器(水检)集成到一个检波器中进行数据接收，这种方法大大提高了滩浅海地震采集的数据质量，具有消除海上地震勘探中鸣震等多次波干扰的能力，能够为后续处理和解释提供良好的数据基础(任立刚等，2015).有关海底电缆(OBC)双检资料的研究始于Barr和Sanders(1989)在1989年提出的海底电缆双检接收技术压制多次波.多年来，许多专家学者针对海底电缆双检技术做出了有益的贡献，可以概括为：Soubaras(1996)研究了海底双检检波器数据的处理技术，Lawton和Hoffe(2000)研究了OBC地震资料中不同水深的影响，韩立强和常稳(2003)针对海底电缆初至波二次定位技术的应用进行了研究，全海燕和韩立强(2005)讨论了海底电缆双检接收技术压制水柱混响的问题，王振华等(2008)采用双检资料求得海底反射系数，并构建双检资料的最佳组合以达到压制鸣震干扰的目的，陈浩林等(2010)研究了水深对OBC地震资料的影响分析与对策，贺兆全等(2011)利用双检资料叠加去除鬼波的基础上应用海底反射系数去除微屈多次波，张振波等(2014)研究了双检与上下缆地震数据联合成像的方法.综上，国内外对双检资料的研究主要集中在鸣震压制方面，而对双检资料中有效波和鸣震的传播规律和陷频特征研究较少.

地震资料正演模拟是认识地下介质中地震波场传播规律和波动现象形成机理的重要手段，能够为地震资料采集设计、数据处理和综合解释提供理论指导.为了理清有效波和鸣震在水检和陆检中不同响应产生的原因，本文针对海底电缆双检资料开展正演模拟研究，分析有效波和鸣震在双检中的波场传播特征，以及不同水深双检资料的陷频规律，为双检资料鸣震压制等处理提供理论依据.

1 海底电缆双检正演模拟

为了更好地描述和模拟海底电缆双检资料的传播规律和波动现象，用以指导后续的双检资料处理和解释等环节，首先需要明确海底电缆双检检波器的类型及记录的物理量.同常规资料正演模拟不同，双检资料的正演模拟需要考虑两种接收记录，一种是水检记录，另一种是陆检记录，接收时作为两个记录地震道分别进行信号接收.水检记录代表的地球物理量是地震波场的加速度，在声波介质假设下，与压力成正比，利用压电检波器进行接收.陆检记录代表的地球物理量是地震波场的垂向速度，利用速度检波器进行接收.

海底电缆双检资料的正演问题转化为在声波波动方程的理论框架下，利用同样的激发条件和观测系统，分别求取地震波场的垂向速度和压力两个物理量.因此，我们选择了二维声波方程的一阶应力—速度方程作为海底电缆双检资料的正演方程，公式为

(1)

式中，vx和vz分别是质点水平速度和垂向速度，u是压力，ρ是密度，vp是声波速度，t是时间，x和z分别是水平和垂直方向的距离.正演方程的求解采用交错网格有限差分法实现.

对于正演模拟的边界条件，海底电缆双检资料描述的上界面是空气和海水的接触面(即气水边界)，本研究采用自由表面的应力镜像法处理气水边界，其他边界采用吸收衰减边界条件.

2 波场传播特征分析

利用一个两层模型研究海底电缆水检和陆检记录在地震波传播过程中的变化.图 1a和1b是同一时刻的压力分量(水检)和垂向速度分量(陆检)，为了更好地看清其特征，分别放大显示在图 1c和1d中.可以看到：压力分量中，入射波经过反射和透射后极性没有发生变化，而速度分量中，入射波经过反射后极性发生了反转，透射波的极性保持不变.并且，压力分量和速度分量中上行波的极性相同，而下行波的极性恰好相反.在海底电缆双检记录中，我们一般认为上行波是有效波，下行波是鸣震(这里没考虑炮点端鸣震的情况)，这样可使有效波同相叠加，鸣震相互抵消，这也正是海底电缆双检施工压制鸣震的原理所在.

图 1 压力分量和垂向速度分量的波场快照 (a)水检波场快照；(b)陆检波场快照；(c)水检波场快照放大图；(d)陆检波场快照放大图.1代表入射波，2代表反射波，3代表透射波. Figure 1 The snapshot of pressure and vertical velocity component (a) hydrophone data; (b) geophone data; (c) enlarged view of (a); (d) enlarged view of (b).sign 1 respects the incident wave, sign 2 respects the reflection wave, sign 3 respects the transmission wave.
3 不同水深陷频规律分析

海底电缆的采集特点是，在海水面下一定深度激发，在海底进行接收.这就带来一个问题：海水面和海底面都是很强的反射界面，地震波进入海水后会在两者之间产生多次反射，称为鸣震.鸣震会造成水检资料的陷频现象，其陷频规律为

(2)

其中f为陷频点，v为海水速度，d为海水深度.

利用简单的四层模型(图 2)分析不同水深双检模型记录的陷频规律.正演模拟的参数设置为：震源沉放深度为水下3 m，主频40 Hz，检波器位于海底，海水深度为12 m，18 m，40 m.对比图 3、图 4与图 5中的单炮记录可以发现：双检资料在振幅、相位和频率上均存在差异.并且，海水深度较浅(12 m和18 m)时，鸣震叠加在一次有效波的后面难以区分，频谱中的陷频值分别为61.8 Hz和42.3 Hz，见图 3和图 4.海水深度较深(40 m)时，鸣震跟一次有效波能够分开，并且由于其第一个陷频点频率较低(18.4 Hz)，周期性陷频现象较为突出，如图 5.这些陷频规律与理论值较为吻合，验证了海底电缆双检正演模拟算法的正确性，能够为双检资料鸣震压制等处理提供理论依据.

图 2 四层速度模型 Figure 2 The four-layer velocity model

图 3 水深12 m时的双检单炮及频谱 (a)水检单炮；(b)陆检单炮；(c)水检单炮频谱；(d)陆检单炮频谱. Figure 3 The single shot record and the frequency spectrum when water depth is 12 meters (a) Shot of P data; (b) Shot of Z data; (c) Frequency spectrum of (a); (d) Frequency spectrum of (b).

图 4 水深18 m时的双检单炮及频谱 (a)水检单炮；(b)陆检单炮；(c)水检单炮频谱；(d)陆检单炮频谱. Figure 4 The single shot record and the frequency spectrum when water depth is 18 meters (a) Shot of P data; (b) Shot of Z data; (c) Frequency spectrum of (a); (d) Frequency spectrum of (b).

图 5 水深40 m时的双检单炮及频谱 (a)水检单炮；(b)陆检单炮；(c)水检单炮频谱；(d)陆检单炮频谱. Figure 5 The single shot record and the frequency spectrum whenwater depth is 40 meters (a) Shot of P data; (b) Shot of Z data; (c) Frequency spectrum of (a); (d) Frequency spectrum of (b).
4 实际资料特征分析

图 6为A探区实际双检资料单炮及频谱，从单炮上可以发现：水检和陆检资料在频率、相位和能量上均存在较大差异，水检资料比陆检资料的频率高，而且频带更宽，但是陆检资料的低频成分更为丰富.对双检单炮方框标示的位置进行频谱分析，可以看到：在频谱上，水检资料出现了陷频现象，并且水检频谱和陆检频谱具有一定的互补性.这为后续双检资料压制鸣震等处理提供了理论依据.

图 6 A探区实际双检资料单炮及频谱 (a)水检单炮；(b)陆检单炮；(c)水检单炮频谱；(d)陆检单炮频谱. Figure 6 The single shot record and the frequency spectrum of real dataset in A area (a) Shot of P data; (b) Shot of Z data; (c) Frequency spectrum of (a); (d) Frequency spectrum of (b).
5 结论

同常规资料正演模拟不同，双检资料的正演模拟需要考虑两种接收记录，一种是水检记录，另一种是陆检记录，本文利用二维声波方程的一阶应力—速度方程中的压力和垂向速度分量表示水检和陆检进行正演模拟，并采用自由表面的应力镜像法处理气水边界，形成了双检资料针对性正演模拟技术；利用双检资料的波场传播特征分析有效波和鸣震在水检和陆检中的不同响应特点，以及不同水深双检资料的陷频规律，得到如下结论：双检记录在振幅、相位和频率上均存在较大差异，并且在水深和水浅时也有差异.这就意味着在后续的资料处理时必须考虑双检的这些差异性，发展针对性地处理技术以消除这些差异.另外，模型记录和实际资料中的水检频谱都出现了鸣震陷频现象，并且与陆检频谱具有一定的互补性，为双检资料鸣震压制等处理提供理论依据.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
参考文献
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