Marine Geophysics

Single-source, single-cable, long-array, seismic data processing in complex sea conditions of Dongsha sea area

  • XING Tao , 1, 2, 3, 4 ,
  • ZHAN Wenhuan , 1, 3, 4 ,
  • LI Fuyuan 2, 3 ,
  • CHEN Xi 2, 3
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  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Guangzhou Marine Geological Survey, China Geology Survey, Guangzhou 510760, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
ZHAN Wenhuan. E-mail:

Received date: 2019-09-26

  Request revised date: 2019-12-17

  Online published: 2020-07-27

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Foundation item: National Natural Science Foundation of China(41606030)

China Geological Survey Projects(DD20190216)

China Geological Survey Projects(DD20190212)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou)(GML2019ZD0207)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou)(GML2019ZD0208)

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

Abstract

Aim

ing at the characteristics of seismic data collected by single-source, single-cable, long-array under complex sea conditions of the Dongsha sea area for the first time, we propose an optimal technical solution for processing this kind of data. We have achieved good results in removing various noise interferences and different types of multiple-wave interferences, especially the severe interference of marine turbulence in the survey area. Under the premise of amplitude-preserving treatment, the bubble is suppressed, the wavelet is compressed, and the resolution of the seismic data is improved. Using high-density velocity analysis, we performed anisotropic bi-spectral non-hyperbolic move-out correction, making the wave group features and amplitude characteristics more obvious. Through reasonable regularization of bins, the coverage folds are uniform and the lateral resolution is improved. For the densely-distributed 2D seismic data, a 3D pre-stack time migration processing method is adopted. In this study, the single-source, single-cable, long-streamer, seismic data with severe noise interference are processed in the way of 3D seismic data processing. The processing highlights the effective information from the shallow to deep, especially the imaging quality improvement for the Mesozoic. More obviously, a set of effective processing procedures has been formed, which provides a technical basis for exploration and data processing in the adjacent areas in the future, and also provides a scientific basis for oil and gas exploration and evaluation of the Dongsha sea area.

Cite this article

XING Tao , ZHAN Wenhuan , LI Fuyuan , CHEN Xi . Single-source, single-cable, long-array, seismic data processing in complex sea conditions of Dongsha sea area[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2020 , 39(4) : 91 -99 . DOI: 10.11978/2019097

南海北部海域是中国海上油气勘探的重点区, 自上世纪80年代证实中生界地层存在后, 南海北部中生界一直是众多科学家关注的重要科学问题(姚伯初 等, 1995; 夏戡原 等, 2000; 郝沪军 等, 2001; 吴世虎, 2014; 周庆杰, 2015)。近年来的勘探研究已证实南海北部中生界广泛存在, 在台西南盆地中生界还获得油气显示(张莉, 2010; 张浩 等, 2015; 熊忠 等, 2016)。特别在东沙海域盆地, 多数学者认为其具有较为完整的中生代地层, 烃源岩指标良好, 大型构造发育, 是我国重要的油气勘探有利区带和优选目标(王国纯, 1994; 杨少坤 等, 2002; 周蒂 等, 2005; 郝沪军 等, 2009; 丘学林 等, 2012)。
目前南海北部东沙海域的勘探尚处于普查阶段, 地震测网密度较低、钻井资料匮乏, 导致对目标层位缺乏系统的综合解释, 是造成目前该区域油气勘探难以突破的瓶颈(胡卫剑 等, 2011; 丘学林 等, 2012; 周洋 等, 2016; 赵旭 等, 2016)。2016年开始, 广州海洋地质调查局在东沙海域开展单源单缆长排列地震调查, 采用二维地震采集结合三维地震处理技术(徐华宁 等, 2009; 邢涛 等, 2015; 邓桂林 等, 2019), 重点目标是为了查明东沙海域中生界油气资源分布状况, 评价有利目标区带的资源潜力, 争取获得该海域中生界油气资源突破。基于成本与作业风险的综合考虑, 采用密集二维线来构成三维地震勘探以应对该海区海况复杂、海洋湍流活跃等问题(阎贫 等, 2011; 黄妍丹 等, 2018)。
本文在对东沙海域复杂海况下单源单缆长排列地震资料进行充分研究的基础上, 分析了原始资料的特征和存在的问题, 采取了针对性的处理技术和方法, 结合目标层位的地质特点, 对数据完成了三维叠前时间偏移处理, 获得了中生界地层的清晰成像。通过综合分析和解释, 可为南海北部东沙海域中生界的油气勘探与评价提供科学依据。

1 数据概况

1.1 野外采集概况

本文所使用的数据资料来源于广州海洋地质调查局最新的油气资源调查项目, 于2016年在东沙采集。调查区位于东沙岛的东北面区块, 本文的目标数据为图1中红色区域所示的加密区数据。
广州海洋地质调查局在东沙海域进行过大量的地震调查, 遇到的最大困难和风险就是湍流的影响。湍流多见于东沙岛周围海域, 发生次数频繁。在本次地震调查期间, 强的湍流事件发生频率有时高达半个小时1次, 这意味着在科考船6170m长的电缆上会同时受到多达2个甚至3个湍流的干扰。频发的湍流事件对调查期间的船舶与水下拖带设备以及资料采集都带来严重的威胁和干扰。在强湍流的影响下, 电缆及尾标可能会被卷入水下100多米, 导致采集资料作废, 甚至造成尾标损坏。
图1 广州海洋地质调查局2016年东沙海域地震调查测线位置图

红色区为本文分析的加密测线区; 蓝色数字为水深(单位: m)

Fig. 1 Seismic surveys conducted by the Guangzhou Marine Geological Survey around Dongsha area in 2016. The red area indicates the lines analyzed in this study

1.2 原始资料特征分析

本次资料的主要噪音为湍流干扰, 海流直接对地震作业中的电缆形态和电缆羽角产生影响, 对地震数据采集干扰严重。其他噪音还包括涌浪干扰、挂异物、他船干扰, 另外在浅水区有多期次的多次波干扰(图2)。
图2 原始地震资料中的各种噪音干扰

a. 炮集上电缆部分下沉导致接收道关闭; b. 炮集上电缆上浮至水面产生的噪音; c. 炮集上的多次波干扰

Fig. 2 Various noise disturbances in the original seismic data:

(a) the receive channel is closed when the cable section on the shot gathers sinks; (b) severe noise when the cable on the shot gathers up to the sea surface; (c) the multiple-wave interference on the shot gathers

针对调查期间复杂海况对资料采集的干扰, 采用单源单缆长排列的地震采集方式, 对目标区采取加密调查来满足三维数据体处理的需求。总共布设测线115条(线距为100m), 有效满覆盖工作量共4158.8km。地震采集参数见表1
表1 广州海洋地质调查局2016年东沙海域地震采集参数表

Tab. 1 Seismicacquisition parameter in the seismic survey conducted by the Guangzhou Marine Geological Survey around Dongsha area in 2016

地震采集参数 参数值
接收道数/道 480
道间距/m 12.5
覆盖次数/次 120
炮间距/m 25
采样率/ms 2
记录长度/s 8
震源容量/cu.in. 5080
工作压力/psi. 2000
最小偏移距/m 175
原始面元大小 25m(纵向)×100m(横向)

2 处理目标和流程设计

本次数据处理的目标是查明南海北部东沙海域深水区及海域中生界油气资源分布情况。结合调查区地质环境和采集资料的特点, 确立地震数据处理的重点是: 在保幅处理的前提下, 压制噪音及多次波干扰, 有效利用单源单缆长排列资料的数据特点, 做好精细速度分析, 提高中深层目标层位的资料分辨率, 提高整个三维数据体的叠前偏移剖面成像质量。
数据处理主要针对以下几个方面: 1) 压制各种噪音。湍流干扰、涌浪等严重影响了采集数据的质量, 使用保幅处理, 有效压制各种干扰而不损害有效波是数据处理的重点。2) 消除复杂多次波干扰。研究区的多次波以海底多次波为主, 崎岖地形造成的绕射多次波和强振幅高速界面造成的强多次波是数据处理的主要难点。3) 获取准确的速度场。速度是叠加和偏移效果的关键因素, 在常规速度分析基础上, 采用高密度速度分析, 进一步改善速度精度和成像质量。4) 合理的面元规则化处理。面元规则化处理的合适与否对数据成像分辨率和横向特征跳跃造成成像空白影响很大, 这同样是数据处理的重要环节。
根据本次资料处理的重点和难点, 设计了如图3所示的处理流程。
图3 单源单缆长排列地震资料处理流程图

SRME: Surface-related Multiple Elimination, 自由表面相关多次波压制

Fig. 3 Data processing schematic of single-source, single- cable, long-streamer, seismic data

SRME: Surface-related Multiple Elimination, 自由表面相关多次波压制

3 地震资料处理

3.1 气泡压制

气泡效应是指伴随气枪震源激发产生的旁瓣, 这种旁瓣会随时间衰减。为了去除气泡效应, 本文利用气泡压制方法来处理。气泡压制并不依赖地震反射信息, 因此在第一步应用能够尽可能地保留有效信息(邓桂林, 2014; 丁龙翔 等, 2016)。从图4中的去除气泡效应前后对比可以看出, 气泡压制起到了去除假轴和提高数据分辨率的作用。
图4 气泡压制效果图

a. 气泡压制前炮集; b. 气泡压制后炮集

Fig. 4 Bubble removal effect. Shot gather before (a) and after (b) bubble suppression

3.2 噪音压制

去噪处理首先采取高通滤波的方法, 在不损害有效波的前提下尽量消除强振幅的低频涌浪噪音。经过去涌浪噪音处理后, 采用组合法去噪, 去除外源干扰双曲线型的高频、强能量部分以及剩余噪音。从图5中可以看出, 处理后噪声衰减效果非常理想。
图5 组合去噪叠加剖面效果图

a. 组合去噪前叠加剖面; b. 组合去噪后叠加剖面

Fig. 5 Denoising effects. Stack profile before (a) and after (b) denoising in joint ways

3.3 多次波压制

由于中生界地层与上覆地层之间存在一个强反射界面, 加上界面比较崎岖, 在本次数据中不仅存在海底引起的多次波, 还存在其他界面引起的多次波以及较多的绕射多次波。复杂的多次波影响了中生界地层的成像。为了有效衰减多次波能量, 保护有效反射, 结合野外资料多次波的类型特点, 本次采用多步串联综合压制多次波技术来逐步衰减多次波能量, 具体为自由表面相关多次波去除、拉冬变换和分频去噪相结合的方法。自由表面相关多次波去除是通过建立多次波模型来衰减多次波, 主要压制近偏移距道常规多次波; 高精度拉冬变换是进一步处理自由表面相关多次波去除后剩余的中远偏移距道多次波; 分频去噪是消除残留的高频、强振幅绕射多次波(郭梦秋 等, 2012; 郑红波 等, 2014; 施剑 等, 2017; 张连群 等, 2018)。
图67是组合法对多次波处理前后的炮集和叠加剖面效果对比。从剖面上可以看出, 不同的方法有不同的局限性, 压制不同类型多次波的效果也不同。在经过叠前自由表面相关多次波去除、高精度拉冬变换、分频去噪等手段处理后, 各种多次波基本消除干净。
图6 组合法去多次波炮集效果图

a. 原始数据; b. 自由表面相关多次波去除后; c. 组合法去多次波后

Fig. 6 The combination method to attenuate multiple waves: (a) raw shot gathers, (b) shot gathers after free surface multiples elimination, and (c) shot gathers after the joint application of methods

图7 组合法去多次波叠加剖面效果图

a. 原始数据; b. 自由表面相关多次波去除后; c. 组合法去多次波后

Fig. 7 The combination method to attenuate multiple waves:

(a) raw data, (b) after free surface correlation multiples suppression, and (c) after combining multiples suppression process

3.4 面元规则化

面元规则化可以使数据覆盖次数均匀, 避免横向特征跳跃造成的成像空白, 同时保证叠后数据在相同的能量水平。理论上讲, 面元网格越大, 覆盖次数越高, 面元网格越小, 覆盖次数越低, 但是增大面元将造成成像分辨率降低。
根据资料采集参数综合考虑实际处理情况, 处理时选择初始面元大小为25m×12.5m。图8是面元规则化前后的覆盖次数对比。由于资料野外采集的线距为100m, 存在较多低覆盖区域(覆盖次数小于5次), 甚至存在覆盖空白区, 只有少部分区域的覆盖次数达到120次以上。规则化后使每个面元内覆盖次数均匀, 整个工区(除了边缘位置)的覆盖次数均达到了120次, 为接下来的三维体数据处理提供了质量保障。
图8 工区面元规则化处理效果图

a. 规则化前工区覆盖次数分布; b. 规则化后工区覆盖次数分布

Fig. 8 Data regularization effect. The target area coverage before (a) and after (b) regularization

3.5 速度分析和三维叠前时间偏移

数据处理中的速度分析包括三维速度分析和高密度速度分析两部分。三维地震速度分析是从三维空间考虑速度的变化规律, 在速度分析中关注其整体变化趋势, 速度场在各个方向上都得到很好的控制。常规的速度分析方法既没有考虑大偏移距引起的高阶项, 也没有考虑各向异性, 对长排列大偏移距的地震数据的适应性较差。为此, 我们在常规速度分析基础上, 进一步进行大偏移距以及各向异性的双谱高密度速度分析。经过高密度速度分析校正之后, 道集远偏移距处的同相轴得以拉平, 从而使更多的有效信息可以参与叠加, 剖面上反射波同相轴也就更清晰和连续, 信噪比及分辨率有较明显的提高(邢涛 等, 2015; 张旭东 等, 2015)。
数据的偏移处理采用的是三维数据体的叠前时间偏移。由于整个数据体的数据量非常大, 偏移处理周期长, 合理的偏移方法和参数选择就尤为重要。综合考虑处理周期和成像效果等因素的限制后, 本文采用目前非常成熟的克希霍夫叠前时间偏移技术。偏移后, 断面波、绕射波得到有效收敛, 断层清晰, 倾斜地层合理归位。因此, 偏移后的数据在反映地层接触关系、信噪比方面都优于叠加数据。

4 处理结果分析

本次资料处理针对特殊海况下单源单缆长排列地震资料的数据特点, 并结合中生代地层的沉积特征, 采用了三维地震数据处理成像的方法, 通过多种处理技术相结合, 有效改善了目标层位的成像质量。
图9为旧方法的资料处理结果与本文密集测线长排列数据处理结果的对比图。通过对比可以看出, 本文的处理获得了中生界多个地层的清晰成像, 且波组特征明显。从剖面上可以看出, 中生界地层存在一个清晰的隆起构造, 可能是油气的有利区域。
图9 三维叠前时间偏移剖面与老资料处理结果的对比

a. 本次三维偏移成像效果; b. 以往二维资料成像效果

Fig. 9 Comparison of migration stack profile between 3D data (a) and previous 2D data (b)

图10显示了联络测线方向的最终成像结果, 可以看到, 中生界地层连续性较好。联络测线上较好的成像效果表明了三维处理的有效性和合理性, 其成像结果为后续的油气资源评价奠定了良好的基础。
图10 联络测线的三维叠前时间偏移剖面成像效果

Fig. 10 3D pre-stack time migration stack section (xline)

图11是本次处理的三维数据体的成像效果, 可以看出数据体在主测线和联络测线相交位置上的同相轴连续, 证明交点闭合好, 进一步说明了本次三维处理的合理性。
图11 三维叠前时间偏移数据体成像效果

Fig. 11 3D pre-stack time migration data

5 结语

本次数据处理在充分研究单源单缆长排列采集的地震数据基础上, 分析了原始地震资料的特征和存在的问题, 提出了有针对性的处理技术方案, 通过试验解决了资料数据中存在的主要问题, 在保幅保真的前提下, 实现了处理目标。
从信噪比来说, 各种随机干扰、线性干扰及不同类型的多次波干扰均得到了有效压制, 尤其是本工区比较严重的湍流干扰也得到了很好的压制; 针对单源单缆长排列的原始资料特点, 通过去气泡和高密度速度分析等处理技术, 使波组特征、振幅特征更为明显; 叠前时间偏移处理方法也适合本区地震数据的特点。通过这些处理后, 整个三维数据体的叠前偏移剖面成像质量较高, 有利于更好地服务于接下来的资料解释工作。
油气资源调查资料处理的目标地层为中深层地层, 在准确的速度分析加上多次波的有效衰减基础上, 如何采用多种处理方法相结合, 使得目标层的波组特征得到更为明显的体现, 是需要进一步开展的工作。本次资料受野外噪音干扰较严重, 在处理中合理运用并深层次地认识模块组合处理的优势, 取得更好的噪音压制效果, 是之后工作的重点之一。
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Outlines

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