复杂近地表多次波分析及压制方法探讨——准噶尔盆地腹部地震资料处理实例

林 娟 蒋 立 潘 龙 冷雪梅 张欣吉 游 伟

(中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院地球物理研究所，新疆乌鲁木齐 830013)

1 研究背景

中国新疆准噶尔盆地腹部前哨地区的地震剖面存在公益林区与沙漠区波组差异大的特征(图1)，通过原始单炮初至的频谱分析，可看出该区频谱普遍存在“陷波”特征。针对此现象，从原始单炮对应的不同地表条件的激发及接收因素、表层结构、正演子波模型分析等多角度进行分析，发现此“陷波”现象是由近地表多次波引起，当多次波与有效反射波重叠时，地震资料频谱就会出现明显的“两凸一凹”，即“陷波”现象。

图1 公益林及沙漠区初叠剖面

多次波压制是地震数据处理的一个难题，现今主要应用抛物线拉东变换、SRME等多次波去噪方法[4-6]，同时由于多次波在时间上呈现一定规律性，因此人们就利用预测反褶积去除多次波。预测反褶积步长可通过自相关得到，同时运行速度快，目前已经成为压制多次波的一种常用方法[7]。

针对近地表多次波引起的“陷波”，结合子波模型正演模拟分析，本文研究了基于旅行时的空变预测步长反褶积方法对近地表引起的多次波进行压制；结合压制后剖面自相关分析结果，串联应用自相关第一波谷时间空变步长反褶积，更彻底地压制残存的近地表多次波[7]，消除或改善了“陷波”特征及剖面上“阴阳脸”现象，提升了资料品质。

2 方法原理

2.1 近地表多次波产生机理

2.1.1 不同震源类型分析

准噶尔盆地腹部前哨1井三维及相邻的前哨2井三维地震均使用可控震源激发，其单炮记录频谱均存在“两凸一凹”的“陷波”特征。为了进一步分析此现象与震源类型是否相关，在该区相同位置分别选取一条2007年井炮采集的二维测线及2017年可控震源采集的二维测线。从单炮的相同初至范围的频谱分析(图2)可见，井炮激发记录中看不出明显的“陷波”特征。究其原因是井炮的激发点处于高速层以下，地震波在传播过程中打穿高速层，因此即使存在近地表多次波也不明显。

图2 井炮(蓝色)和可控震源(红色)激发单炮的频谱

2.1.2 激发、接收因素分析

由于该区主要为公益林和沙漠两种类型的地表，因此选取激发位置分别在沙漠、公益林和过渡带等三类典型地区的多个单炮记录，进而结合接收位置分别处于公益林和沙漠区的初至波频谱分析，发现所有位置均存在“陷波”特征(图3～图5)。由此可知：无论激发位置和接收位置处于公益林或沙漠区，均存在“陷波”现象；对频谱细致对比可看出，公益林区的“陷波”特征较沙漠区更加明显。

图3 公益林区激发典型单炮及不同位置点(红框)的频谱

图4 沙漠区激发典型单炮及不同位置点(红框)的频谱

图5 过渡区激发典型单炮及不同位置点(红框)的频谱

结合本区Inline方向(图6a)表层模型(图6b)和不同位置微测井时距曲线分析(图7)，可见目标区自公益林区向沙漠区(从西向东)方向表层厚度逐渐增厚，公益林区表层厚度约6～8m，沙漠区表层厚度近40m。根据沙层吸收衰减一般规律，随着沙漠区表层厚度增大，吸收作用增强，这也是沙漠区接收的波场“陷波”现象较公益林区弱的原因之一。

图6 目标区卫星图(a)及表层模型(b)

图7 公益林区(a)、过渡区(b)及沙漠区(c)三种典型地表的微测井时距曲线下标“0”代表低速层，下标“1、2、3”对应不同降速层；速度超过1800m/s即认为是高速层；Va、H表分别为地表层的平均速度和总厚度

2.2 理论子波模型分析

为了进一步分析“陷波”产生的原因及具体位置，首先设计了7个不同反射系数模型[8-10]，有效波子波振幅为1.0，多次波反射系数分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，时间间隔为20ms，从这7个反射系数模型的频谱(图8)可知：多次波反射系数越大，其“陷波”作用越强。又针对0.5反射系数分别采用10、20和30ms间隔构建三个反射系数模型，从该三模型频谱(图9)可见，时间间隔越小，“陷波”频带越宽。

图8 不同反射系数滤波频谱

图9 10ms(a)、20ms(b)、30ms(c)旅行时对应的子波频谱

图10a是用30Hz雷克子波与时间间隔为30ms的反射系数模型褶积产生的合成记录，该模型上、下层反射系数分别是1.0和-0.5，并得到相应的频谱分析结果(图10c)；图10b是对该合成记录应用30ms时间步长的预测反褶积处理后记录，可见多次波旁瓣得到较好的压制，同时从其频谱分析图(图10d)中也可看出“陷波”现象基本消除。

图10 10ms(a)、20ms(b)、30ms(c)旅行时对应的子波频谱预测反褶积前、后的子波(a、b)及频谱(c、d)

2.3 近地表多次波压制方法

前已述及，旅行时及反射系数对“陷波”位置均存在影响。因此，本文提出两种方法求取每个炮检点的预测步长Δti，j。第一种是通过一次波及多次波在近地表传输过程中旅行时时差求取预测步长，第二种是通过炮检点自相关函数，结合一次波与多次波的时间差确定每个炮检点的预测步长，然后基于最小平方理论做预测反褶积处理[11-13]

式中：x(t)为地震信号；h(τ)为反褶积算子；Δt为预测步长；ε为误差；L表示窗口内样点(τ)总数。

2.3.1 基于旅行时时差的变步长求取方法

根据一次波(图11a)、多次波(图11b)在地下介质的传播射线路径，假设存在近地表多次波，那么炮点在地表激发后，接收点既能接收到一次波能量，也能接收到多次波能量，此处仅考虑能量最大的一阶多次波影响[9-10]，较复杂的高阶多次波暂不讨论。

图11 一次波(a)和多次波(b)的传播路径(过程)示意图

设定地表激发能量是1.0，地表与高速层顶界之间传播的一阶多次波传播时间为双程低速带旅行时，假设高速层底界反射系数为0.5，地表反射系数为-1.0，正极性的一阶多次波经过高速层底界反射回0.5倍能量，再经过地表反射转换为负极性。另外，在水平层状介质假设下，零炮检距处有效波与一阶多次波的时差为低速带时深的两倍，这也是预测反褶积应选取的预测步长。

2.3.2 基于自相关剖面的步长求取方法

与旅行时求取步长方法类似，根据波传播规律进行模拟，当存在近地表多次波时，从单道自相关剖面示意图(图12)可看出，地震波向下传播过程中，设定反射系数为1.0的波峰对应的是一次波，而反射系数为-0.5位置对应的即是多次波。依据该结果，结合前文试验的预测步长与反射系数时差的关系，本文将一次波到多次波的时间差作为预测步长，故此次从自相关剖面中提取第一波谷的时间T1作为预测步长进行反褶积处理，进而消除目标区近地表多次波的影响[14-15]。

图12 单道自相关剖面示意图

3 实际数据应用

按照上述两种变步长求取方法分别得到每一个炮检点对应的预测步长，针对前哨2井区三维实际资料进行两种方法结合的变步长预测反褶积处理，对比处理前、后的单炮(图13)及频谱(图14)可知，近地表引起的多次波得到较好压制，频谱图上能看出“陷波”现象也得到较好改善，同时结合变步长预测反褶积前、后自相关剖面(图15)可见旁瓣压制效果较好。

图13 变步长反褶积前(a)、后(b)单炮

图14 变步长反褶积前(a)、后(b)频谱分析图

图15 变步长反褶积前(a)、后(b)的自相关

图16是经过两次变预测步长反褶积消除近地表多次波前后，应用相同切除、速度和静校正条件下的叠加剖面。从处理后的结果来看，剖面上公益林区与沙漠区近地表多次波引起的波组差异大的现象大体上被消除，剖面整体的一致性趋好，公益林区频谱中的“陷波”现象也得到明显改善(图17)。

图16 变步长反褶积前(a)、后(b)叠加剖面对比

图17 变步长反褶积前、后不同地表区对应频谱(a)反褶积前公益林区；(b)反褶积前沙漠区；(c)反褶积后公益林区；(d)反褶积后沙漠区

4 结论与认识

准噶尔盆地腹部前哨地区地震剖面上公益林区与沙漠区波组特征差异大的现象一直普遍存在。本文首先系统分析了波组特征不一致现象的产生原因，认为主要缘于近地表结构中高速层顶界面是一较强的波阻抗界面，且该界面产生近地表多次波；进而结合理论模型试验，提出基于旅行时及自相关求取步长的变预测步长反褶积方法，压制该近地表多次波；通过理论与实际地震资料的处理，结果表明所提方法能有效压制这种由近地表引起的多次波，使地震剖面的一致性明显改善。

通过上述研究，笔者初步认为准噶尔盆地除了前哨地区，在其他地区(尤其是地表存在稳定的高速层顶界面且下伏地层的速度是上覆地层的2倍以上)也有可能产生近地表多次波，只是有些地区这种现象明显，有些地区不明显，这与低降速层的厚度、速度、反射系数有关。