倾斜电缆地震资料处理关键技术及其效果分析＊

许自强 李添才 王用军 但志伟 顾汉明 刘杰明 李三福

（1.中海油能源发展工程技术物探技术研究所 广东湛江 524057； 2.中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院 湖北武汉 430074）

许自强，李添才，王用军，等.倾斜电缆地震资料处理关键技术及其效果分析［J］.中国海上油气，2015，27（6）：10-18.

在过去相当长时间里，海上地震资料常规采集采用单一等浮拖缆技术，即平缆采集。随着勘探程度逐渐加深，海上勘探目标逐渐走向深层和深水［1-3］，常规等浮电缆采集遇到瓶颈，表现在鬼波靠处理难以压制，虚反射严重，信号频带高低两端能量较弱，电缆沉放浅时中深层目标低频能量较弱，不利于深层构造目标的落实；电缆沉放深时高频能量损失导致中层储层频带范围比较窄，不利于地层岩性圈闭勘探中储层落实，影响油田开发方案的设计。近年来发展了 OBC［4-5］、上／下缆采集［6-7］和双检采集方式［8］，国内外也针对有效压制鬼波开发了相应的上／下缆［9-12］和双检处理技术［13］，对于低频和高频的保持都有一定的作用，但电缆漂移影响上／下缆采集实际效果，施工时OBC和上／下缆采集的难度要远远大于单缆采集，采集成本显著增加，同时上述2种采集方式的频谱不光滑。

近几年，CGG公司推出倾斜缆采集方式［14］，或称变深度缆采集（VDS），具有以下优势：电缆信号接收频带较宽，浅、中、深层均能获得较好成像；鬼波压制效果好，频宽大幅提高；电缆受海流影响漂移小，信噪比高；采集成本增加相对较小。同时，针对倾斜缆采集的地震资料推出了相应的各种处理方法，但核心是鬼波压制，如利用镜像道集与联合反褶积处理技术有效压制鬼波［15-18］。为了实现倾斜电缆地震资料处理技术的国产化，笔者结合南海荔湾深水区倾斜电缆资料处理效果，研发了倾斜电缆地震资料关键处理技术，包括缆深校正技术、震源鬼波压制技术、电缆鬼波压制技术，总结出了海上宽频处理的技术流程，并对今后海上宽频采集和处理发展提出了建议。

1 倾斜电缆地震资料特点

如图1所示，倾斜电缆采集技术是通过改变拖缆上检波器的沉放深度，使得不同检波器上鬼波造成的陷波点相对于常规水平拖缆数据更分散，从而通过叠加就可获得宽频的地震数据，具有丰富的低频（低至5 Hz）和高频成分（高至震源鬼波陷波点），使得倾斜缆采集技术具有更好的地层穿透性，可实现更好的深部成像。为了获得宽频带的叠前道集资料，必须采用处理手段在叠前消除电缆鬼波和震源鬼波的影响。

图1 倾斜电缆采集原理示意图Fig.1 Schematic of slant streamer acquisition

对于倾斜缆采集的地震资料，随着偏移距由近及远，子波的形态也发生变化，主要表现为随着偏移距增大，电缆鬼波与有效波的时差越来越大。由于倾斜缆采集拖缆上检波器的沉放深度逐渐变深，无论是有效波还是鬼波，主频也是由近及远逐渐变低，鬼波的影响造成其在速度谱上的聚焦度不如平缆采集，与有效波的能量团相平行的位置有一个速度较低的鬼波的能量团（图2），因此利用没有衰减鬼波的地震速度谱在速度解释时需要谨慎，加之多次波的影响导致有效波和鬼波及干扰波很难区分，而一般情况下要解释偏高的有效波速度。

在去噪方面，倾斜缆采集和常规浮拖缆采集无重大差异。但在多次波压制方面，由于SRME要求数据规则，如炮检等距规则观测，所有炮检点必须在同一基准面上，水平缆通过枪缆校正后误差基本很小，但这一点斜缆基本不满足。再次，SRME要求参与预测的多炮记录具有地震子波一致性，事实上由于震源的方向性、反射波场出射角度以及缆深的不同，各个偏移距上鬼波特性都不尽相同，水平缆的差异相对较小，但对于斜缆来说差异会比较大，修正的方案就是首先解决缆深校正问题。依靠多次波和有效波速度差异的特性进行压制多次波，如拉冬变换等，在本质上与平缆压制差异较小，可以直接使用，但前提也是要首先解决缆深校正问题。

在偏移成像方面，克西霍夫偏移需要炮、检都在同一水平面上，因此倾斜缆不能直接进行叠前时间偏移，解决的办法有2种：一是进行真缆深的叠前时间偏移，把缆深项加进去，在偏移过程中解决缆深变化的问题；二是采取波场延拓校正缆深。因此，首先解决了缆深校正问题，才能为后面的速度解释、多次波衰减和叠前偏移创造条件。

图2 倾斜电缆地震道集与速度谱Fig.2 CMP gather and velocity spectrum of slant streamer seismic

图3 波场延拓校正与常规时差校正示意图Fig.3 Schematic of wave field extrapolation and normal static corrections

2 关键处理技术

2.1 波场延拓缆深校正技术

由于变深度拖缆采集方式的检波器沉放深度随偏移距的增大而改变，因此以该采集方式得到的数据是难以进行后续的常规处理的，需要把变深度缆采集数据校正到水平面的位置（图3）。常规静校正方法是直接计算垂直校正量，直接向上校正到所需水平面的位置（如图3绿色虚线所示），而实际上波场并非直接向上传播，因此这种方法与实际波场路径不符，校正的结果不能用于多次波压制和偏移成像。

图4 进行波场延拓校正前后并经过动校正后的道集对比Fig.4 NMO-CRP comparison between raw data and wave field extrapolation static correction data

针对上述问题，所采用的修正方案是“逐步紧加”波场外推的概念［19］。“逐步紧加”的思路是在F-K域将波场从一个水平基准面向上延拓，并在每一个深度步长上将所截的拖缆位置上的原有波场值加到延拓的波场中再向上延拓，如此逐步进行，直到基准面为止。如图4所示，左图显示出经过动校正后的道集记录，由于没有进行缆深校正，反射同相轴没有得到校平；而右图显示出实施波场延拓深度校正并经过动校正后的道集记录，反射同相轴得到校平（如蓝色箭头所示），验证了F-K域波场延拓缆深校正具有较好的效果。

2.2 震源鬼波压制技术

海上地震勘探采用气枪激发，强能量的虚反射（震源鬼波与电缆鬼波）和明显的气泡效应是地震资料特有的现象。震源鬼波可以假定是震源位置以上垂直2倍高度的一个激发，即震源以海平面为镜面的一个镜像震源激发，李绪宣等［20-21］通过气枪立体阵列组合在采集阶段进行震源鬼波压制。在常规采集处理阶段，气泡效应可以使用远场子波设计一个没有气泡效应的理论输出，远场子波与没有气泡尾巴的子波进行匹配求取反子波算子，然后应用于地震数据。根据相同原理，也可以设计一个没有震源鬼波的子波作为理论输出，与远场子波进行匹配求取压制震源鬼波的反子波算子，进而应用于地震数据压制震源鬼波。以上2种方法均可以称为确定性震源子波反褶积，应用该技术可以消除震源虚反射和气泡效应对地震子波的影响。笔者采用设计鬼波的逆滤波器方式进行斜缆的震源鬼波压制，由于与电缆沉放深度没有关系，因此该方法同样适合平缆采集地震资料。

海上震源鬼波的影响主要有2个陷波带。以5 m震源沉放深度为例，假设水速为1 500 m／s，如果是垂直自激自收，理论上震源鬼波造成的陷波应该在150 Hz，由于实际采集是倾斜接收，加之入射角的变化，波场行程非垂直走时，因此全偏移距的总体陷波点理论上应该在150 Hz附近。实际地震表明，震源鬼波造成的一个陷波点在140～150 Hz，另外一个陷波点在0 Hz附近。

由震源鬼波压制前后的道集、频谱和自相关对比（图5）可以看出，由于本次地震数据采集枪深为5 m，震源鬼波造成2个陷波点，即0 Hz附近和150 Hz附近，其中0 Hz陷波带附近频谱提升最明显，140 Hz左右陷波也得到一定的抬升；由于震源鬼波得到压制，自相关图上的能量极值仅剩下一次波和电缆鬼波。

另外，由震源鬼波压制前后的单偏移距体和频谱图以及叠加剖面和频谱图对比也可看出震源鬼波压制效果（图6、7）。

图5 原始数据（左）、去震源鬼波（中）和去源＋缆鬼波（右）的道集、频谱和自相关对比Fig.5 CRP，spectrum and autocorrelation comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

图6 原始数据（左）、去震源鬼波（中）和去源＋缆鬼波（右）的1 100 m单偏移距体和频谱对比Fig.6 Single offset volume（1 100 m）and spectrum comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

图7 原始数据（左）、去震源鬼波（中）和去源＋缆鬼波（右）的叠加体和频谱对比Fig.7 Stack and spectrum comparison among raw data（left），source-deghosting（middle）and source＋receivers deghosting（right）

2.3 电缆鬼波压制技术

由于电缆鬼波受很多因素影响，如入射角变化、电缆漂移、海平面的粗糙性、随机噪声、地层吸收作用和三维采集等，常用的远场子波设计逆滤波器法存在很多不足；而且若采用设计反子波滤波算子方式，倾斜电缆资料要根据电缆深度变化设计几百个滤波器，随着电缆深度的变化，理论陷波点与实际陷波点之间的误差将会越来越大。国外倾斜电缆的鬼波压制方法分为叠后和叠前2类，其核心算法为镜像偏移和联合反褶积［15-18］。由于传统方法需要采用镜像偏移，或者产生镜像道集，所以计算量大；另外，由于联合反褶积在压制鬼波的同时影响了地震子波的振幅谱和相位谱，也难以完全满足保幅地震数据处理的要求。因此，如何准确估计鬼波的2个重要参数，即时延和水面反射系数，是设计压制鬼波算子的关键和难点。

Mo等［22］提出了基于非高斯性最大化的鬼波参数估计方法，认为鬼波仅仅是一次波的负向时延，与一次波具有极强的相似性。由概率知识可知，当2个非独立的相似信号经过叠加后将会增加高斯性，所以一次波的非高斯性要比原始信号（一次波与鬼波的叠加信号）的非高斯性要高。因此，可以利用枚举法扫描一系列的鬼波时延和反射系数，再进行鬼波压制，最后选取鬼波压制后信号非高斯性最强的作为真实的处理结果。该方法假设鬼波参数是时变的，但并未考虑不同偏移距检波点深度的变化，即鬼波的时延和水面反射系数在时间和空间上都在变化。本文针对鬼波时空变的特点，利用地震数据的非高斯性，提出了一种数据驱动的时空变鬼波参数估计的策略，即超高斯时空变鬼波压制法，其具体设计思路如下。

检波点鬼波参数在共炮集上是时空变的，所以有效信号及其对应的鬼波混合成观测到的地震信号过程可以用一个时空变信号混合模型表示为

式（1）中：y（t，x）是观测地震信号；s（t，x）是有效信号；g（t，x）是鬼波；t为时间；x为偏移距。其中，鬼波和有效信号的关系表示为

式（2）中：＊表示沿时间方向的1D卷积运算；f（d（t，x），α）是时空变鬼波算子；d（t，x）是时空变鬼波时延；α是海面的反射系数，一般取-1或略大的值。其中，时空变鬼波算子模型为

式（3）中：δ（t）是尖脉冲函数。

为了从观测地震信号y（t，x）中分离出有效信号s（t，x）和鬼波g（t，x），可以将鬼波压制问题表示为一个时空变盲信号分离问题。由于地震信号是超高斯分布的，采用如下优化目标进行求解：

式（4）中：Lap（d（t，x））表示对d（t，x）进行 Laplace滤波。式（4a）中优化目标中前2项是最大化分离后信号的超高斯性，第3项是最大化时延参数的光滑性，也就是假设时延参数在时空域上是慢变的。

通过求解式（4）给出的优化问题，可以得到时延d（t，x）、有效信号s（t，x）和鬼波g（t，x）的估计，实现鬼波的压制。由于式（4）是一个非线性优化问题，一般情况下也是一个非凸问题，存在局部极小点的问题。为了求取一个合理的时延d（t，x）估计，可以根据检波器沉放深度dr、海水速度v、海水深度dw及某一地震道的偏移距x确定时延d（t，x）的取值范围为

海面反射系数范围设为［αmin，αmax］，给定一个时延扫描步长（如1 ms）和一个反射系数扫描步长（如0.1），利用不同的鬼波参数进行鬼波压制，然后在时空域上选择非高斯性最大的结果进行融合，得到最终的鬼波压制结果。

基于超高斯的时空变鬼波压制方法对海上拖缆采集的电缆沉放形状没有限制，压制海上鬼波最难确定的2个系数，即鬼波时延和反射系数都要进行扫描，最后确定最优的参数进行鬼波压制，因此该方法理论上适应性较广，任意拖缆采集方式均可采用该方法进行电缆鬼波的压制。若利用源检互换原理，即把炮集重排列为共检波点域，采用该方法也可进行震源鬼波的压制。

由电缆鬼波压制前后的道集（图5b、c）、频谱（图5e、f）和部分道集上的道自相关对比（图5h、i）可看出，由于电缆鬼波得到压制，相关图上的能量极值仅剩下一次波。由电缆鬼波压制前后的单偏移距体（图6b、c）及其频谱对比（图6e、f），以及电缆鬼波压制前后的叠加剖面（图7b、c）及其频谱对比（图7e、f）也可看出电缆鬼波压制效果。震源及电缆鬼波压制后，无论在道集还是在单偏移距体上，海底和基底由4个同相轴变为1个同相轴，频带也大幅拓宽。

3 宽频处理流程及效果分析

通过模型数据及实际数据的处理测试，建立了南海荔湾深水区倾斜电缆地震资料宽频处理流程（图8），该流程也适合其他形状的变深度缆或水平拖缆地震资料的宽频处理。

图9为荔湾深水区平缆常规处理与倾斜电缆宽频处理的叠加体和频谱对比。以-10 dB为限，常规平缆处理剖面的有效频宽为10～75 Hz，而倾斜电缆宽频处理剖面的有效频宽则达2.5～140 Hz。与平缆地震资料相比，倾斜电缆地震资料在成像质量上首先是低频成分的增多对基底和断面的成像有益处，其次是宽频处理使得地震资料的分辨率得到提高；在地质认识方面，倾斜电缆地震资料不整合接触关系更加清晰，边界断层可靠，洼陷形态更加清楚，构造形态及其内部结构清晰，中深层地层产状特征明显。另外，由于倾斜电缆地震资料低频成分的充足，在反演上弥补了测井和常规资料在5～10 Hz频带的缺失，更加有利于提高反演的稳定性和精度［23］。

图10显示了荔湾深水区平缆采集地震资料常规处理与宽频处理的叠加体和频谱的对比结果，可以看出，平缆地震资料通过宽频处理压缩了地震子波，使得子波更加尖锐，频带更宽，有利于基底、断面成像，而且宽频资料波组特征明显，地层超覆面清晰，超覆点位置准确，在识别岩性变化方面也优于常规处理资料。

图8 海上拖缆采集地震资料宽频处理流程Fig.8 Broadband processing flow chart of seismic data of offshore towed-streamer acquisition

图9 荔湾深水区平缆地震资料（左）与倾斜电缆地震资料（右）的叠加体和频谱对比Fig.9 Stack and spectrum comparison between flat streamer seismic data（left）and slant streamer seismic data（right）in Liwan deep water area

图10 荔湾深水区平缆常规处理（左）与平缆宽频处理（右）的叠加体和频谱对比Fig.10 Stack and spectrum comparison between flat streamer seismic data by conventional processing（left）and broadband processing（right）in Liwan deep water area

4 结论与建议

1）倾斜电缆采集为宽频地震资料提供了先天的优势，但合理有效的处理技术和手段是把这种优势转换为成果的关键所在。其中，倾斜电缆采集地震处理首先要进行波场延拓，这是后续多次波衰减、反褶积和偏移成像等处理的重要基础；而电缆鬼波与震源鬼波同时得到有效压制，才能实现真正的倾斜电缆地震资料宽频处理。

2）本文所建立的倾斜电缆地震资料宽频处理技术流程同样适合常规平缆采集地震资料的宽频处理。建议今后倾斜电缆采集要对倾斜部分和水平部分的配置比例进行优化论证，倾斜电缆处理要对鬼波压制后的残留旁瓣进行进一步压制。需要注意的是，由于宽频地震资料的低频能量较强，导致地层内部阻抗差异小的地震反射成层性差，尤其是陆相沉积层的内幕反射结构，不利于沉积微相的解释和储层描述，因此宽频地震资料的使用需要继续研究和认识，如分频使用宽频地震资料。

［1］庞雄，施和生，朱明，等 .再论白云深水区油气勘探前景［J］.中国海上油气，2014，26（3）：23-29.Pang Xiong，Shi Hesheng，Zhu Ming，et al.A further discussion on the hydrocarbon exploration potential in Baiyun deep water area［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（3）：23-29.

［2］刘再生，施和生，杨少坤，等.南海东部海域自营勘探与实践［J］.中国海上油气，2014，26（3）：1-10.Liu Zaisheng，Shi Hesheng，Yang Shaokun，et al.The practice of self-operated exploration and its achievements in the eastern South China Sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（3）：1-10.

［3］王振峰，李绪深，孙志鹏，等.琼东南盆地深水区油气成藏条件和勘探潜力［J］.中国海上油气，2011，23（1）：7-13.Wang Zhenfeng，Li Xushen，Sun Zhipeng，et al.Hydrocarbon accumulation conditions and exploration potential in the deepwater region，Qiongdongnan basin［J］.China Offshore Oil and Gas，2011，23（1）：7-13.

［4］王守君.海底电缆地震技术优势及在中国近海的应用效果［J］.中国海上油气，2012，24（2）：9-12.Wang Shoujun.Technical advantages of OBC seismic survey and its application effects offshore China［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（2）：9-12.

［5］FRED J B.Dual sensor OBC technology［J］.The Leading Edge，1997，16（1）：45-51.

［6］HILL D，COMBED L，BACON J.Over／under acquisition and data processing：the next quantum leap in seismic technology？［J］.First Break，2006，24（6）：81-95.

［7］MOLDOVEANU N，COMBEE L，EGAN M，et al.Over／under towed-streamer acquisition：A method to extend seismic bandwidth to both higher and lower frequencies［J］.The Leading Edge，2007，26（1）：41-58.

［8］TENGHAMN R，VAAGE S，BORRESEN C.A dual-sensor，towed marine streamer：its viable implementation and initial results［J］.SEG Expanded Abstracts，2007（1）：989.

［9］刘春成，刘志斌，顾汉明.利用上／下缆合并算子确定海上上／下缆采集的最优沉放深度组合［J］.石油物探，2013，52（6）：623-629.Liu Chuncheng，Liu Zhibin，Gu Hanming.The determination of optimal sinking depths of over／under streamers in offshorre survey by merge operator［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2013，52（6）：623-629.

［10］ÖZDEMIR A K，CAPRIOLI P，ÖZBEK A，et al.Optimized deghosting of over／under towed-streamer data in the presence of noise［J］.The Leading Edge，2008，27（2）：190-199.

［11］赵仁永，张振波，轩义华.上下源、上下缆地震采集技术在珠江口盆地的应用［J］.石油地球物理勘探，2011，46（4）：517-521.Zhao Renyong，Zhang Zhenbo，Xuan Yihua.Application of over／under streamer and over／under source seismic acquisition in the Pearl River Mouth Basin［J］.Oil Geophysical Prospecting，2011，46（4）：517-521.

［12］谢玉洪，李列，袁全社.上下源、海上宽频地震勘探技术在琼东南盆地深水区的应用［J］.石油地球物理勘探，2012，47（3）：430-435.Xie Yuhong，Li Lie，Yuan Quanshe.Broadband marine seismic exploration in Qiongdongnan Basin deepwater areas［J］.Oil Geophysical Prospecting，2012，47（3）：430-435.

［13］CARLSON D H，LONG A，SÖLLNER W，et al.Increased resolution and penetration from a towed dual-sensor streamer［J］.First Break，2007，25（12）：71-77.

［14］SOUBARAS R，DOWLE R.Variable-depth streamer：a broadband marine solution［J］.First Break，2010，28（9）：89-96.

［15］SOUBARAS R.Deghosting by joint deconvolution of a migra-tion and a mirror migration［C］.SEG Annual Meeting，2010.

［16］SABLON R，RUSSIER D.Multiple attenuation for variabledepth streamer data：from deep to shallow water［C］.SEG Annual Meeting，2011.

［17］LIN D，SABLON R，GAO Y，et al.Optimizing the processing flow for variable-depth streamer data［J］.First Break，2011，29（9）：89-95.

［18］SOUBARAS R.Pre-stack deghosting for variable-depth streamer data［C］.SEG Annual Meeting，2012.

［19］RESHEF M.Depth migration from irregular surfaces with depth extrapolation methods［J］.Geophysics，1991，56（1）：119-122.

［20］李绪宣，王建花，杨 凯，等.海上深水区气枪震源阵列优化组合研究与应用［J］.中国海上油气，2012，24（3）：1-6.Li Xuxuan，Wang Jianhua，Yang Kai，et al.A study on optimization of seismic air-gun array source and its application in offshore deep water［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（3）：1-6.

［21］李绪宣，王建花，张金淼，等.南海深水区地震资料采集设计和处理关键技术及其野外试验效果［J］.中国海上油气，2013，25（6）：8-14.Li Xuxuan，Wang Jianhua，Zhang Jinmiao，et al.Some seismic acquisition designs and key processing techniques and their testing effects in the deep water areas，South China Sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2013，25（6）：8-14.

［22］MO X，LU W K.Deghost based on maximization of non-gaussianity［R］.Beijing 2009 International Geophysical Conference and Exposition.

［23］KROODE F T，BERGLER S，CORSTEN C，et al.Broadband seismic data：The importance of low frequencies［J］.Digital Library Home，2013，78（2）：3-14.