地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (5): 2386-2392   PDF    
引用本文
唐进, 杨凯, 顾汉明, 苏冬雪, 郭佳, 王冲. 2015. 海上变深度缆地震采集宽频机理分析[J]. 地球物理学进展, 30(5): 2386-2392, doi: 10.6038/pg20150555  
TANG Jin, YANG Kai, GU Han-ming, SU Dong-xue, GUO Jia, WANG Chong. 2015. The broadband mechanism analysis for marine variable-depth streamer acquisition. Progress in Geophysics, 30(5): 2386-2392, doi: 10.6038/pg20150555   
海上变深度缆地震采集宽频机理分析
唐进1, 杨凯1, 顾汉明2 , 苏冬雪2, 郭佳2, 王冲2    
1. 中海油田服务股份有限公司物探事业部, 塘沽 300451;
2. 中国地质大学地球物理与空间信息学院, 地球内部多尺度成像湖北省重点实验室, 武汉 430074
收稿日期: 2015-03-11 修回日期: 2015-07-11.
基金项目: 国家重大科技专项课题"南海深水区油气勘探地球物理关键技术"(2016ZX05025-001).
作者简介: 唐进,男,1978年生,工程师,2003年毕业于中国地质大学(武汉),获硕士学位,现主要从事地震资料采集及处理工作. (E-mail: tjcosl@126.com)
通讯作者: 顾汉明,男,1963年生,教授,博士生导师,2000年毕业于中国地质大学(武汉),获博士学位,主要从事油气地震勘探与开发研究.(E-mail:hmgu@cug.edu.cn)
摘要: 常规海上拖缆采集数据存在受海水面的虚反射(鬼波)引起的陷波特性,而近年发展的变深度缆采集技术,通过专门的去鬼波处理方法可获得宽频数据.基于变深度缆沉放深度特点以及缆深鬼波滤波算子,推导出变深度缆陷波频率关于炮检距变化公式,阐述了变深度缆数据的陷波频率具有明显的多样性分布特征.同时,基于斜缆采集的鬼波滤波算子的平均叠加脉冲响应谱分析以及炮集记录的平均叠加谱分析,验证了变深度缆具有宽频采集特点.通过与等深度缆平均叠加谱特征比较,进一步验证了斜缆更能在一定程度上抑制海面虚反射,扩宽频带.
关键词: 变深度缆采集     宽频机理     鬼波     脉冲响应     平均叠加谱    
The broadband mechanism analysis for marine variable-depth streamer acquisition
TANG Jin1, YANG Kai1, GU Han-ming2 , SU Dong-xue2, GUO Jia2, WANG Chong2    
1. Geophysical Department, China Oilfield Services Limited, Tianjin, Tanggu 300451, China;
2. Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Key Laboratory, Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
Abstract: There is notch in conventional marine towed-streamer data by the ghost effects of the sea surface. The variable-depth streamer (VDS) acquisition technology has been considerable development in recent years. In this paper we deduce the formula about notch frequency visa offset for marine variable-depth streamer acquisition and demonstrate that the notch frequency with offset is of obvious diversity characters. Meanwhile, it is identified that the VDS acquisition is of more broadband characteristics by based analysis of average stack spectra for pulse response of ghost filter operator and for shot gather record by VDS acquisition. By compared average stack spectra for constant depth streamer with VDS, the VDS acquisition can attenuate effectively the ghost effects of the sea surface and make seismic data broadband.
Key words: variable-depth streamer acquisition     broadband mechanism     ghost     pulse response     average stack spectra    
 0 引 言

海上地震采集受海水面的虚反射影响，存在陷波特性，使得地震记录的频带变窄，降低了地震剖面的分辨率(陈金海等，2000)，因此，要获得宽频带地震剖面，就必须在地震采集时或地震数据处理时设法消除虚反射的影响.适应新的要求，近几年来，国际上相继推出不同的拖缆宽频采集技术，Hill等(2006)首次介绍了上下缆宽频采集处理技术方法，Moldoveanu等(2007)对上下缆的采集方法、技术原理以及应用效果进行了进一步阐述，刘春成等(2013)通过研究得出利用上下缆合并算子来确定上下缆采集的最优沉放深度组合优选方法，通过上下缆合并处理，有效地压制海水面引起的虚反射.Özdemir等(2008)论证提出基于噪声背景下的最优化去虚反射方法，赫建伟等(2015)将波场延拓最小二乘法应用于上下缆数据去虚反射，赵仁永等(2011)和谢玉洪等(2012)分别介绍了上下缆采集技术在珠江口海域和琼东南盆地的应用进展情况.根据上下缆采集的技术原理，要求上下缆在同一垂直剖面内，对电缆的定位精度要求很高，而且由于是两条缆采集，势必增加了勘探成本.传统的海上拖缆通过水检接收压力信号，Tenghamn等(2007)介绍了一种新的双检采集技术，将压力和速度传感器集成在一条拖缆内，通过对接收的水检(压力)和陆检(速度分量)信号进行上行和下行波场信号分离去除虚反射，有利于提高成像分辨率和深部目标的穿透能力(Carlson et al.，2007)，但该技术对双检拖缆性能要求很高，压制效果受压力和速度传感器各自不同的灵敏度影响.Soubaras和Dowle(2010)提出一种新的海上变深度拖缆宽频解决方案，通过一条拖缆使检波器深度随着偏移距的改变而改变，浅部接收高频信息，深部接收低频信息，通过专门的斜缆处理技术，得到更宽的频带，Soubaras(2010，2012)详细介绍了基于镜像偏移的联合反褶积去虚反射技术，Lin等(2011)提出优化的变深度缆数据处理流程，Williams和Pollatos(2012)及Amundsen和Landro(2014)通过对宽频采集技术的应用进展分析，认为变深度拖缆采集技术是取得宽频资料的有效途径之一，国内也开展该技术的应用，并取得了较好的宽频效果.

本文基于变深度缆沉放深度特点以及缆深鬼波滤波算子，推导出变深度缆陷波频率关于炮检距变化公式，获得变深度缆陷波频率具有多样性分布特征.同时，基于斜缆采集的鬼波算子的平均叠加脉冲响应谱分析以及炮集记录的平均叠加谱分析，验证了变深度缆具有宽频采集特点.通过与等深度缆平均叠加谱特征比较，进一步验证了斜缆更能在一定程度上抑制海面虚反射，扩宽频带.

1 海上地震变深度缆采集的概念

海上拖缆采集记录频谱会受到海水面产生的虚反射(鬼波)引起的陷波影响，拖缆沉放深度的不同，其陷波作用不同，随着深度的增加，第一个陷波点频率变低，这就严重影响了频带宽度.对于相同的震源，拖缆沉放深度的增加，不仅低频能量增强，而且信噪比也增加，有利于中深层采集信号能量增强；但由于高频能量减弱，使得整体频带变窄，勘探分辨率降低.而当拖缆沉放较浅时，高频信号丰富，有较高的分辨率，但噪声干扰大，信噪比降低.所以实际海上地震勘探，需要设计合适的拖缆沉放深度以得到较好的地震数据，基于此，变深度缆或斜缆(Variable Depth Streamer，VDS)采集技术应用而生.

斜缆展布形式如图 1所示.通过一条随着炮检距增大检波器沉放深度逐渐增大的拖缆进行信号采集.该采集方式与传统海上地震采集方式的主要区别在于其接收拖缆的深度是可变的，拖缆的前段部分接收器深度随炮检距的增加而递增(形态是倾斜的)，拖缆的后段近似处于同一深度(形态是水平的)，这样整条拖缆中既接收到了浅部的高频信息，又接收到了深部稳定的低频信号，而且得到了各深度的虚反射特征.该方法是一项有效解决宽频带方法的深海地震采集技术，运用其独特的去鬼波技术去除了接收器虚反射，扩展了频带宽度.

图 1 斜缆采集方式示意图 Fig. 1 Diagram of slant streamer acquisition method
2 海上拖缆沉放深度对一次反射波的频谱影响

对于沉放深度为z的拖缆收到的地震记录频谱，相当于一次反射波信号的频谱F(f)乘上一个鬼波滤波器因子G(f)(鬼波滤波算子或虚反射算子)，其滤波特性为

其振幅谱为
式中τ为接收点处接收到的鬼波和一次波旅行时间差，x为炮检距.从上式可知鬼波滤波算子主要与τ有关，其陷波频率可表示为
τ与接收拖缆沉放深度z、炮检距xi有关.

在一维情况下，也即上行波垂直入射海水面再反射到接收点处的τ可以表示为

式(1)可写为

基于式(1)和式(3)可知，海上拖缆采集的记录频谱会受到海水面产生的虚反射(鬼波)引起的陷波影响，拖缆沉放深度的不同，其陷波作用不同，鬼波的陷波作用，相当于对一次反射波进行滤波作用，滤波器为鬼波陷波算子，如果鬼波滤波算子的频带越窄，对一次反射波的频谱陷波作用越严重.如图 2所示的为接收拖缆沉放深度为7.5 m、15 m和35 m(分别对应图中绿色、蓝色和红色)时的鬼波滤波算子的频谱，垂直的粗实线放置在2.5 Hz处，注意到在0 Hz附近处的坡度随着深度的增加而加大，沉放深度35 m拖缆的坡度增长比沉放深度7.5 m的拖缆更明显，同时也说明不同深度的拖缆有不同的频率信息，深度较浅的拖缆接收的高频信息较丰富，低频信息不足；深度较大的拖缆接收的高频信息不足，低频信息较丰富.

图 2 不同深度的鬼波滤波算子频谱 Fig. 2 The spectra of ghost filtering operator at different depth

虚反射对一次波的影响是具有周期性的陷波作用，这就使得原本有一定宽度的子波频带由于虚反射的作用变窄，因此，去除虚反射是地震勘探尤其是海上地震勘探急需解决的问题.而宽频地震采集技术的提出就是为了解决虚反射作用带来的陷波影响.

在二维情况下，海底深度为H，则随着偏移距的增大，地震波不再是理想状态下垂直的传播，同一接收点处接收到的鬼波和一次波旅行时间分别为

则有
从而计算陷频的公式应精确为
其中，x表示偏移距，H表示海底深度，ZS表示炮点深度，ZR表示检波点深度，Vw表示海水速度.

3 斜缆采集的陷波频率分布特征

从图 1可以看出，斜缆采集方式拖缆内的不同接收道的沉放深度不同，斜缆的形态有多种，通常采用抛物线形态，其数学表达式为

可以看出，斜缆由三个参数控制：z0，s0，xc，深度z是沿着Z轴测量的，炮检距x是沿着X轴测量的，第一式提供斜缆沉放深度数据，而第二式提供水平缆沉放深度.第一个参数为起始深度z0，通常为几米.第二个参数s0为斜缆初始点处的斜率，通常为0.03~1之间.第三个参数xc为斜缆部分投影水平长度，也即斜缆起始点到终止点之间的水平长度，其值从几百米到几千米.通过对斜缆形态控制函数进行拖缆内各道的陷波频率多样性程度分析，也即陷频随各道位置的变化率越大，则表示斜缆的陷频多样性程度越高.

对式(9)计算关于炮检距x的微分，即

将式(6)、式(7)、式(10)代入式(11)，化简并作一定的近似得
取Z0=6 m，S0=2%，Xc=4400 m，则其缆深示意图如图 3所示.考虑海底深度为H=2000 m反射界面，震源沉放深度Zs=6 m，基于式(9)可以得到各道陷波频率，如图 4a所示，可以看出各道的陷波频率随着偏移距的增加而急速减少，到达一定偏移距后，随着偏移距的增加陷波频率缓慢增加；而等深度缆(Constant Depth Streamer，CDS)对应的各道的陷波频率随着偏移距的增加而缓慢增加.从图 4b也可以看出各道频率随偏移距的变化率的绝对值随偏移距的增加而急速减少，到达一定偏移距后，随着偏移距的增加而缓慢减少到0，而对于沉放深度为25 m的等深度缆而言，陷波频率从30 Hz缓慢变化到54 Hz，也即斜缆的陷波频率具有显著的多样性，因而斜缆资料通过处理能够更有效的压制鬼波，提高频带宽度.

图 3 斜缆沉放深度示意图 Fig. 3 Schematic diagram of slant streamer depth

图 4 斜缆及等深缆陷波频率随偏移距变化示意图 Fig. 4 The variety of notch frequency with offset for VDS(a) and CDS(b)

从上述分析可知，各接收点处的陷波频率不同，进一步分析不同深度缆的鬼波振幅谱特征，如图 5所示，图中蓝色为由鬼波引起的陷波，CDS显示频谱上的陷波随偏移距变化不明显，VDS显示频谱上的陷波随偏移距变化明显，这就是所谓的陷频多样性.

图 5 各道频谱随偏移距变化 Fig. 5 The trace spectra with the variety of offset
4 斜缆采集的鬼波算子的平均叠加脉冲响应谱分析

由于陷波频率随着拖缆沉放深度的增加向低频方向移动，对于多道而言，意味着接收道的频率是分散的，可以用各接收道的鬼波滤波算子的振幅谱叠加得到其平均振幅谱(也称剩余鬼波谱)来衡量斜缆的鬼波滤波特性，鬼波滤波算子的平均振幅谱也称为平均叠加脉冲响应谱，可表示为

从而基于式(1)和式(13)可以分析不同斜缆采集参数下的平均叠加脉冲响应谱.

图 6中绿线、蓝线和黑线分别对应缆深7.5 m、15 m、35 m的等深缆的平均振幅谱，红线所示的是沉放深度从7.5～50 m的斜缆，其各 个深度接收道的鬼波滤波算子的平均振幅谱，拖缆平均深度是35 m，在低频段与黑色线相同，相当于保留了平均缆深的低频能量；除了f=0之外，没有其他的陷波点，即斜缆的鬼波滤波的作用相当于低截止频率为2.5 Hz的一个高通滤波器，对一次波没有陷波作用，因而验证了斜缆记录中包含浅中深频谱，具有宽频特征.

图 6 不同深度的鬼波滤波算子振幅谱及其平均振幅谱 Fig. 6 The spectra of ghost filter operator at different depth
5 斜缆采集的炮集记录平均叠加谱分析

基于波动方程正演方法进行地震地质模型在不同斜缆采集参数下的炮集记录模拟，分析计算每道目的层反射波的振幅谱及叠加振幅谱，公式为

其中，An(f)为正演模拟结果平均叠加频谱，n为道数.基于频谱An(f)曲线形态、光滑程度以及高、低频能量大小，评价该斜缆下的接收到的地震记录的宽频特征.

如图 7所示的层状模型，沉放深度从5 m到50 m的斜缆采集方式接收的合成地震记录(图 8)，随着检波器沉放深度不断增加，虚反射与反射波的到达时差不断增大，二者同相轴呈现出不断分开的趋势，这是斜缆地震数据最大的特点之一，即延迟时间不一致.

图 7 二维层状模型 Fig. 7 2D layered model

图 8 斜缆地震记录示意图 Fig. 8 The simulated seismic record of VDS

图 9显示了炮集记录中三道(不同沉放深度)的振幅谱与各接收道的振幅谱叠加得到的平均振幅谱对比，图中蓝色线、绿色线、粉红色线分别对应沉放深度为17 m、28 m和50 m，红色线为沉放深度为7.5到50 m之间的各道记录振幅谱叠加得到的平均振幅谱，可见，在低频段保留了平均缆深的低频能量；而其他频率段对应的陷波能量得到提升，验证了由虚反射引起的陷波对频带的影响，即拖缆沉放深度越深，陷波越丰富，低频信息越丰富，将所有道叠加后，陷波点能量提高，频带趋于稳定，继而在后续叠加处理时，通过特有的去鬼波算法可以更有效地压制鬼波，提高频带宽度.

图 9 由海底和某目的层组成的模型正演模拟炮集记录谱对比 Fig. 9 The spectra of synthetic shot record reflected at seafloor(a) and target layer(b)
6 斜缆与等深度缆平均叠加谱特征比较

针对图 7所示模型，对目的层进行斜缆和等深度缆波动方程正演，对比沉放深度5~50 m的斜缆(蓝色)与平均沉 放深度zi的等深度缆(粉红色)的单道与叠加频谱，分析二者在低频与高频信息上的优势.

由于斜缆平均谱可以表示为

在低频段，有fzi/c≤1，则式(15)可以近似为

从而可以获得斜缆深度zi的平均沉放深度zi，其等价于等深度缆的深度，即

选取两种拖缆的第53道、第108道、第322道，对应斜缆的沉放深度为17 m、27.5 m、50 m，等深度缆的深度为27.5 m，对比它们的正演模拟单道频谱和平均叠加频谱(图 10).

图 10 两种缆形正演模拟平均叠加频谱对比 Fig. 10 The spectra of synthetic shot record reflected at seafloor for VDS and CDS

图中的粉红色实线为等深度缆，蓝色实线为斜缆，可以看出，在近道位置，沉放深度较深的等深度缆陷波丰富，低频信息也丰富(图 10a)；当两种拖缆沉放深度均为27.5 m时，两种拖缆有细微差别，斜缆的低频0~3 Hz能量强于等深度缆(图 10b)；在远道位置，斜缆优于沉放深度较等深度缆深，所以低频信息较等深度缆丰富(图 10c)；在一个道集内通过叠加再平均(图 10d)，斜缆的低频能量整体高于等深度缆，且斜缆的频带较等深度缆平稳，说明相较于等深度缆，斜缆更能在一定程度上抑制海面虚反射，有效扩宽频带.

7 结 论

7.1  斜缆采集技术，拖缆中沉放深度较浅的检波器具有更好的接收高频信息能力，沉放深度较深的检波器具有更好的接收低频信息能力，不同沉放深度接收道具有陷波特征的多样性，利用不同道集的陷波叠加，使得斜缆采集资料的频带较宽.

7.2  斜缆采集技术能在低频端和高频端共同拓宽频带，有助于地震成像，比传统拖缆具有更高的分辨率，增加的低频成分提供了较好的穿透能力，是解决当前海洋中深层地震勘探难题的一项有效技术手段.

致 谢 感谢编辑部和审稿专家的支持和帮助.

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