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海洋地震資料多次波壓制技術及應用
摘要： 近些年來，隨著陸上油氣資源的日益枯竭，為擴大資源的開采，地震勘探的發展由陸地逐漸向海洋，因此對于海洋地震資料處理技術的研究就變得更有意義和價值。海上地震數據當中最主要的干擾是多次波，因此如何有效壓制多次波，是目前海洋地震資料處理的主要課題之一。文章對多次波的成因及分類，多次波的特征及識別、多次波壓制方法進行歸納總結。
關鍵詞： 海洋地震資料;多次波壓制技術;多次波類型
1、題目意義
隨著生產與消費的迅速擴展，世界經濟的高速發展將越來越強調對能源供應的依賴與需求，但是隨著傳統陸上油氣資源開采難度的不斷加大、開采成本的逐漸提高以及可預期可采資源量的日益減少，業內越來越將勘探開發的目光投向海洋，可以說由陸地轉向海洋將是未來獲取更多量油氣資源的必然選擇和發展趨勢。而在海洋油氣資源勘查勘探的過程中通過激發人工地震采集地震數據然后進行數據處理、地質解釋的方法始終是確定海底地質構造進而尋油找氣的主要技術方法之一。
而在地震數據資料的采集過程中因為地表或地下某些反射系數較大的反射界面使一次反射波重新折回地下產生了多次反射波。反射系數強的的反射界面如水氣交界面面、基巖面、不整和面、火成巖(如玄武巖)和其它強反射界面(如石膏層，巖鹽，石灰巖等)都容易發生多次反射波。多次波的存在會極大程度上影響地震數據的處理，進而影響地震資料的解釋。這是因為多次波的存在會導致有效波的頻率、振幅，還有相位方面會造成一定的影響。所以，這些都是地震成像不可靠、不真實的重要原因。因此，關于多次波如何有效壓制，一直都是地震資料處理過程中的關鍵問題。
2、多次波壓制方法
2.1 多次波壓制方法的主要分類 目前出現了多種多次波壓制技術，它們都是基于不同標準的，大致分為兩大類[1]：
第一種基于波動理論(表1)，首先利用反演或模擬的方法，從原始數據中預測出多次波，然后把預測出的多次波從原始數據中減掉。根據這個原理形成的方法被稱為波動方程預測減去法，它包括有反散射級數法、反饋環法、波動方程外推法等。
第二種基于有效波及多次波之間的差異進行濾波，如(表2)，其中包括利用多次波的重復性特征以及統計特性特征進行多次波壓制，例如均值濾波法、預測反褶積、中值濾波法等;還包括基于一次波及多次波正常時差的差異進行多次波壓制的，其中包括有局部相干濾波、二維濾波法、聚束濾波法、Radon變換法等。這兩種壓制多次波方法就是濾波方法，簡稱濾波法。
2.2 多次波壓制方法存在的問題 在進行濾波方法的應用過程中，要注意以下幾項問題：①二維及三維地震數據中的多次波，不能用一維的方法來壓制，應該在多維波動理論基礎的上進行多維空間多次波的壓制;②當介質的速度變化比較小或者發生反轉時，如果地震數據的偏移距比較小，那么就會在多次波和有效波之間存在比較小的時差。如果此時利用濾波法，那么有效波就會被嚴重損傷到[1]。若介質復雜，波場的響應就不會滿足雙曲線及拋物線的特征，因而預測反褶積的結果就不會特別理想。除此之外，若多次波的周期較長，如果此時加大預測濾波算子，則有可能會影響有效反射波的成像。綜上所述，這些都是濾波方法存在的問題。
為了避免了使用非波動法的局限性，在運用波動方程理論進行多次波壓制時，結合了多次波傳播過程中的動力學及運動學特征。近年來，因為波動法基本不要求有先驗信息，而且其具有理想的壓制效果，已經成為多次波壓制研究方向的重點。
由此可知，壓制多次波的方法有很多種，但其各有優劣點。如果能夠滿足波的傳播運動學規律，而且多次波壓制的效果比較理想，則首先選用濾波法。這是因為運用濾波法耗費的時間少、花費低，而且容易實現。目前，針對全程多次波，如果能將不同的處理模塊進行優化組合，做到在保證有效波特征的前提下，提高多次波壓制的效果，是非常有效的方法。
2.3 自由界面多次波壓制(SRME) SRME預測多次波的原理是通過對地震數據本身進行時空褶積，又被稱為自由界面多次波壓制。它的多次波形成原因是：地震波在向上傳播的過程中，遇到了自由界面，被反射之后又繼續向下傳播，經過多次反射和多次透射，多次波能量被衰減，最終被檢波器以多次波的方式記錄下來。地震數據中自由表面多次波的任何一個子反射都會在地震記錄上以反射軸的形式體現。這是因為每個多次波都是由若干個初至反射波合成得到的。通過將具有多次波及有效波的原始數據做時空域褶積，就可以得到所有的自由界面多次波。
因為一階多次波與自由界面從形態上看極為相近，所以如果運用自由界面多次波壓制方法，則最終能取得理想的壓制效果。對于高階多次波，因為其傳播路徑可能會發生改變，只有在近道路徑，其形態才會和和自由界面比較相近，因此SRME只能將其近道的多次波進行很有效的壓制。
如圖1，從左到右依次為：去多次波前的共偏移距剖面，預測出的多次波模型，去多次波后的近偏移距剖面。從圖中可以看出，近偏移距處的多次波得到了很好的壓制，而且預測出的多次波模型在位置、能量及形態上都很接近輸入的剖面。
2.3.1 自由界面多次波壓制的原理 所有的可以預測出的自由界面多次波，不考慮其射線路徑的復雜性，都可以分解為多個一次波，如圖2所示，多次波abc，是根據一次波ab、bc預測出來的。
SRME是將地震數據中的一次波進行組合，從而預測出多次波，然后運用這個預測去消除真正的自由界面多次波。其方法原理是，找出a為炮點，b為檢波點的一次波ab，再找出b為炮點，c為檢波點的一次波bc，然后將ab與bc進行褶積，在將其結果乘以自由界面的反射系數-1。
綜上可知，通過有效的一次波的空間褶積能夠預測出自由界面多次波。因此要想得到所有的自由界面多次波，就要對地震記錄中所有的反射做褶積。相對于其他方法而言，此種多次波壓制的方法具有一個突出的優點就是，不需要對地下介質做任何假設，而且對反射系數及多次波的反射層位沒有任何要求。
SRME 方法分為多次波預測及多次波衰減兩步，是一種自適應的壓制多次波的方法，將原始地震數據作為預測算子，在處理過程中基本沒有人工干涉，也不需要任何的地下先驗信息，適應能力極強。當多次波和一次波的速度不能很好的區別開來時，針對近偏移距處的多次波進行壓制，該方法的效果優于Radon變換，效果相當理想。
�、俣啻尾A測。通過對原始疊前數據及自身沿著自由表面做時空域褶積就可以預測出自由界面多次波。主要是運用共檢波點與共炮集在時空間域進行褶積。
M為自由表面相關的多次波，D為實際地震記錄，P為一次波，這三者之間的關系可用如下公式表示：
M=-S-1*D?茚P (1)
式(1)中， 震源子波表示為S，它是種包含2D 疊前褶積和多種相關的算法， 則一次波的估算可表示為：
P=D+S-1*D?茚P (2)
最初，震源子波及一次波都是未知條件，所以實際的迭代過程大概分為模型和分離兩步。在迭代開始初期，用實際記錄代替一次波，用最小化能量的假定統計估算出反子波，將子波項忽略后，可以得到實際的迭代過程為：
P0=D (3)
Mn=-D?茚Pn-1 (4)
Pn=D-fn*Mn (5)
式中，n表示第n次迭代;f為自適應濾波反褶積。
�、诙啻尾ㄋp。采用自適應相減技術，從原始地震數據中把預測得到的多次波減掉，就可以得到消除多次波之后所形成的地震數據。其主要是應用自適應最小平方減去法，來實現最小能量準則以減掉預測多次波，通常分為兩步進行實現：
1)計算自適應因子f(采用最小二乘平方算法)
P0=D f=min(||d-f*m||)2 (6)
2)應用自適應因子， 然后相減
m′=f*m (7)
d′=d-m′ (8)
其中， d――實際數據;m――多次波;d′――消除多次波后的數據。
2.3.2 自由界面多次波壓制的步驟
①建立多次波模型。這種多次波壓制方法完全不需要任何地下介質信息。只有完全保證所有的子反射都存在記錄或估計，才能正確地預測出多次波。如果在地震記錄中缺失某些或者有些子反射存在誤差，則不能正確有效地預測出包括有這些子反射的自由界面多次波。在實際的地震資料處理過程中，不僅要補齊短缺的偏移距，還要進行負偏移距的外推，使得偏移距信息更完整，進而可以得到更準確的預測多次波模型。
�、诙啻尾▔褐�。根據建立多次波模型的原理，將多次波預測出來后，然后從原始數據中減去，就可以得到消除多次波之后的地震數據。這種方法在實現過程中，首先要求多次波模型與原始地震記錄的能量能夠匹配且一致，達到此要求，方能進行相減。對選擇的窗口進行多次試驗，合理選擇，就有可能達到理想的壓制效果。
2.4 Radon變換去多次波 Radon變換是一項應用很廣的實用技術，自從拉冬在1917年提出之后，這種方法已經在天文界、物理界、醫學界等領域得到了很廣泛的應用。
2.4.1 Radon變換的原理 Radon變換是通過線積分，將數據從(x，t)域變換到(τ，p)域。具體包括線性拉冬變換，拋物拉冬變換、雙曲拉冬變換三種方式[2]：
u(p，τ)=■dxu(x，τ+px) (9)
其中：線性拉冬變換中：t=px+τ
拋物拉冬變換中：t=px2+τ
雙曲拉冬變換中：t=■
τ――截距時間，t――偏移距x的時間，p――在拋物Radon變換中是指慢度，在雙曲Radon變化曲線中是慢度與距離相除的結果。
拉冬變換根據其原理又可以稱為投影或傾斜疊加，其根本就是沿著特定的路徑對介質某方面的特征進行線積分。選定CMP道集或炮集作為疊前的道集記錄，用一次波速度對其進行動校正。如果動校正之后，有效波的同相軸被拉平，然而多次波的同相軸則會因為校正量不足而向下彎曲，形態近似于拋物線(如圖3)若對該道集做拋物線拉冬變換，即沿著拋物線軌跡進行求和，則可以在τ-p域中得到與多次波及一次波分別對應的能量團;然后在τ-p域中對數據進行處理，其實質就是進行切除，即把多次波的能量團切掉，然后再進行拋物線拉冬反變換，就可以得到壓制之后的道集記錄;在此過程中一定要保證一次波不被當作多次波而壓制掉，就必須限制被看作為多次波的同相軸的彎曲程度，Δtmin是指經過動校之后的CMP道集內同相軸的彎曲程度的最小時差值;其實質是指在CMP道集中，位于最大偏移距處及最小偏移距處同一t0同相軸的時差，根據這一原理，如果t0同相軸的時差大于Δtmin，則都被看作是多次波，應該進行壓制，如果t0同相軸的時差小于Δtmin，這樣的同相軸都應該予以保留[3]。
2.4.2 Radon變換的步驟 由于道集經過動校正之后，一次波被拉平，而多次波則會由于校正速度過大而變成拋物線，所以我們可以根據這一特點，有效地區別有效波及多次波。然后根據拉冬域一次波與多次波P值的差異，進行二者的區別，并進行多次波壓制，最終將有效波進行拉冬反變換。從CMP道集上可以看出，在中遠偏移距處，多次波和一次波存在較大的時差。所以，此方法對壓制中遠偏移距處的多次波有特別理想的效果。而在近偏移距處時，則會引入假象以致得不到理想的效果，這就是該方法所存在的弊端。
在實際的地震數據處理過程中主要包括兩步：一是，要盡量求準一次波的速度。尤其是在有效波及多次波的速度特別接近時，只有一次波的速度準確了，才有可能達到理想的效果。二是，多次試驗一次波與多次波在最大偏移距處的時差。然后根據時差求出兩者的P值差，這樣在多次波壓制的過程中，才有可能不損傷到有效波。
2.5 預測反褶積 預測反褶積是典型的基于多次波周期性特征來壓制多次波的方法目前預測反褶積法已經在地震數據處理中取得了廣泛的應用。
在實際運用預測反褶積法時，主要包括三個參數，它們分別是算子長度、預測步長及白噪系數。在運用這種方法時，必須滿足三條假設，分別是子波要滿足最小相位，介質為水平層狀，數據為零偏移距數據，且同時不存在轉換縱橫波。
如果這幾條中有任何一條不能滿足，該方法在運用過程中有問題，因而無法得到滿意的結果。
這種方法主要存在的缺點為：一是，除了有限的時間間隔，反射系數序列不可能完全不相關;二是，只有在水平成層狀的介質的零偏移距處才會有理想的效果;三是，如果無法滿足假設的條件，那么在壓制多次波的過程中，只能消除部分多次波，且一次波有可能受到損傷，進而壓制剖面得不到理想的效果[2]。
2.6 聚束濾波法多次波衰減 聚束濾波法與拉冬變換比較相似，也是一種模型擬合的處理方法，不僅包含了有效信號，而且還存在相關噪音。
關于數字化假變換問題，在這種方法中是不存在的，例如，在變換域中的截斷問題和采樣轉化為模型擬合問題的過程中，是根據數據對模型進行調整的，所以這種方法不僅可以考慮到在大偏移距處由于要對折射波和直達波進行切除，而對一次波造成損傷;還可以考慮到相位和振幅隨偏移距的改變，此方法能夠對波組抗剖面、AVO做更深的分析，進而獲得有效波在疊前方面的信息，同時在畸變消除方面也有很大的提高[2]。
通過多種試驗可知，此種方法在壓制多次波的過程中盡可能完全保留有效波，這是因為它不僅綜合了地震波的動力學機制，而且還綜合了地震波的運動學特性。
此方法在設計過程中的基本準則是不僅要滿足最小方差，還要滿足無偏，即必須滿足兩方面的要求：一是，信號必須沒有畸變的情況;二是，輸出來的噪音的能量必須為最小。聚束濾波方法在消除相關噪音過程中所受的限制條件也包括兩方面的內容：一是，必須控制隨機噪音的不斷增大;二是，相關噪音最小的響應或零響應。如圖5，從左到右依次為：輸入的數據，被壓制掉的多次波，估計出來的隨機噪音。
3、結論
通過認識和對比各種壓制海洋地震資料多次反射波的技術和方法，在遇到多次波強烈發育的地震資料的時候，我們首先分析和判別多次波的成因和類型，然后根據多次波的不同特征以及地質環境條件選擇不同的技術方法進行消除和壓制，針對一塊勘查區域內的地震資料，通常會制定一套多次波組合壓制技術方法，將各種多次波壓制技術進行綜合運用，只有這樣才能達到有效去除多次波干擾，實現準確真實地震成像的最終目的。
參考文獻：
[1]徐文君，於文輝，卞愛飛.地震資料多次波處理[J].工程地球物理學報，2005，2(6)：418-424.
[2]劉建輝.基于波動理論壓制多次波方法研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2010.
[3]張興巖，朱江梅，楊薇，等.海洋資料多次波組合衰減技術及應用[J].物探與化探，2011，35(4)：512-515.
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