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2018 , Vol. 37 >Issue 2: 100 - 104

DOI: https://doi.org/10.11978/2017063

Orginal Article

Research on ghost suppression and notch compensation of dual-sensor ocean bottom cable data

  • LI Jiguang ,
  • WANG Dongkai
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  • Shengli Geophysical Research Institute of China Petroleum & Chemical Corporation, Dongying 257000, China
Corresponding author: WANG Dongkai, E-mail:

Received date: 2017-05-26

  Request revised date: 2017-07-04

  Online published: 2018-04-11

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Foundation item: National Science and Technology Major Project (2011ZX05006-002)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

Because of the influence of strong reflection interfaces such as free surface, seabed, etc., the ghost produces obvious notches in ocean bottom cable (OBC) spectra. It degrades the quality of sections, and increases the difficulty of processing and interpretation. According to different responses of hydrophone and geophone to down-going wave field, we present a new dual-sensor summation method based on pseudo-multichannel matching filter. Compared with traditional methods, the proposed method is totally data driven, so it does not depend on the reflection coefficient. In practical applications, the method can effectively suppress ghosts, remove notches and expand spectral bandwidth. The good results reveal the effectiveness of this method.

Key words： ocean bottom cable; notch; ghost; dual-sensor summation; pseudo-multichannel

Cite this article

LI Jiguang , WANG Dongkai . Research on ghost suppression and notch compensation of dual-sensor ocean bottom cable data[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(2) : 100 -104 . DOI: 10.11978/2017063

海底电缆(ocean bottom cable, OBC)双检(速度检波器和压电检波器)接收技术出现于20世纪80年代末, 是在滩浅海等传统地震拖缆无法有效施工作业的地区获得高品质地震资料的主要手段。区别于传统的海洋拖缆, 海底电缆具有特有的压制鬼波的优势技术, 即根据水、陆检波器对下行波场(包含鬼波)的相反极性响应, 对双检记录进行匹配求和来消除鬼波, 通常把这一技术称为双检合成。
双检合成作为海底电缆的配套技术最早出现于国外, Loewenthal等(1985)提出利用压电检波器(水检)和速度检波器(陆检)的不同物理特性对采集数据进行上、下行波场分离的可能性; Barr等(1989)首次较为完整地论述了双检合成消除鬼波的具体理论方法, 确定了合成匹配因子(1+R0)/(1-R0), 其中R0为海底反射系数; 之后, Barr(1997)进一步对海底电缆双检技术进行了总结, 系统论述了双检合成对频谱的补偿作用及其他技术优势。近年来, 改进的双检匹配合成算法陆续被提出, 但大部分都是以传统的求取海底反射系数方法为基础。但在实际的资料处理中, 尤其在复杂地形的海底工区, 求取的海底反射系数难言准确, 鬼波压制效果往往并不理想, 甚至存在合成后信噪比更低的可能。
在深入研究海底电缆双检合成的基础上, 本文提出了伪多道双检合成方法, 无须确定由海底反射系数构成的传统匹配因子, 而是在二范数意义下求解最佳的伪多道匹配滤波器(Monk, 1993; Wang et al, 2015a), 计算过程完全数据驱动, 具有更广的适用性和更好的应用效果。

1 双检合成基本原理

根据压电检波器和速度检波器的物理特性(吕公河, 2009; 单刚义 等, 2009), 双检检波器对经海底或以下地层反射并向上传播的上行波场的极性响应是相同的, 而对经自由表面反射并向下传播的下行波场的极性响应是相反的。这里所说的上行波场主要包括一次波和层间多次波, 下行波场主要包括鬼波和直达波。正是由于双检检波器对下行波场的相反极性响应, 可以对匹配后的双检记录进行求和来减弱甚至消除鬼波干扰(图1)。
Fig. 1 Schematic diagram of dual-sensor OBC processing technology. a) Hydrophone and geophone data simulated by Ricker wavelet, the resulting dual-sensor data; b) amplitude spectra corresponding to records in panel a

图1 双检合成原理示意图
a. 雷克子波模拟双检合成过程; b. 与a相对应的频谱

图1a由上至下分别为雷克子波、利用雷克子波与某一固定脉冲响应褶积得到模拟水检信号、模拟陆检信号以及双检合成后的结果, 与它们一一对应的振幅谱如图1b所示。对比双检合成前后的振幅谱可以明显看出, 受鬼波影响带来的水、陆检振幅谱上的陷频现象在双检合成之后被消除了。也就是说, 速度检波器和压电检波器的频域振幅谱是互补的(Wang et al, 2015b), 双检合成可以对二者的频率缺失进行补偿, 在时间域表现为压制鬼波干扰。
上述是简单的一维情况, 双检无须匹配直接求和。针对本文提出的伪多道双检合成方法, 由于实际情况中水检资料往往比陆检资料频带更宽, 信噪比更高, 多采用陆检向水检匹配的办法, 本文也以此为例。
首先, 需要把双检合成的“求和”转化为二范数意义下的“求差”, 对陆检记录进行极性反转的操作。然后, 分别求出陆检记录道dl对应的导数道dl, Hilbert变换道dlH以及Hilbert变换导数道dlH。所谓“伪多道”, 就是由原始记录道与衍生的三个变换道组成, 在匹配时将“伪多道”与二范数意义下求出的自适应滤波器进行褶积运算。最后, 将水检记录道dS与匹配后的“伪多道”陆检记录求差就得到了伪多道双检合成的去噪结果。整个过程可表示如下:
$d_{0}=d_{S}-(S_{1}d_{l}+ S_{2}\dot{d}_{l} +S_{3}d^{H}_{l} + S_{4}\dot{d}^{H}_{l})$
其中, d0为双检合成后的记录道, dS为水检记录道, S1, S2, S3, S4为对应陆检“伪多道”的4个自适应滤波器。
适用于伪多道双检合成方法的自适应滤波器是根据合成后的能量残差来设计的, 是一种最小二乘自适应滤波器, 即在二范数意义下, 令合成后残差的能量最小, 可表示为:
$S: min \parallel d_{S}-(S_{1}d_{l}+ S_{2}\dot{d}_{l} +S_{3}d^{H}_{l} + S_{4}\dot{d}^{H}_{l})\parallel_2$
其中S=[S1S2S3S4], 上式分别对S1、S2、S3、S4求偏导, 并令其等于零, 则对上式的最小二乘求解可转化为解如下的线性方程组,
$\begin{bmatrix} d^{T}_{l}d_{l} & d^{T}_{l}\dot{d}_{l} & d^{T}_{l}d^{H}_{l} & d^{T}_{l}\cdot{d}^{H}_{l}\\ \dot{d}^{T}_{l}d_{l} & \dot{d}^{T}_{l}\dot{d}_{l} & \dot{d}^{T}_{l}\dot{d}^{H}_{l} & \dot{d}^{T}_{l}\cdot{d}^{H}_{l}\\ d^{H^T}_{l}d_{l} & d^{H^T}_{l}\dot{d}_{l} & d^{H^T}_{l}d^{H}_{l} & d^{H^T}_{l}\cdot{d}_{l}\\ \dot{d}^{H^T}_{l}d_{l} & \dot{d}^{H^T}_{l}\dot{d}_{l} & \dot{d}^{H^T}_{l}d^{H}_{l} & \dot{d}^{H^T}_{l}\cdot{d}^{H}_{l} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} S_1 \\ S_2 \\S_3 \\ S_4\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} d^{T}_{l}d_{l} \\ \dot{d}^{T}_{l}d_{S} \\ d^{H^T}_{l}d_{S} \\ \dot{d}^{H^T}_{l}d_{S} \end{bmatrix} $
其中$d^{T}_{l}$,$\dot{d}^{T}_{l}$,$d^{H^T}_{l}$, $\dot{d}^{H^T}_{l}$,分别为$d_{l}$,$\dot{d}_{l}$,$d^{H}_{l}$, $\dot{d}^{H}_{l}$的转置。
由于产生“伪多道”的基本原理(求导、Hilbert变换)本身带入了相位旋转的因素, 所以陆检记录按照上述公式进行伪多道匹配后的结果在相位方面会与水检记录保持一致, 合成后并不能达到消除鬼波的效果。为此, 在式(1)的基础上进行修改, 给陆检的“伪多道”记录在计算过程中加一个相位固定矩阵φ(王东凯, 2014), 用以记录和保持匹配前后陆检记录的相位关系不变。最终, 可以得到伪多道双检合成公式如下:
$d_0=d_{S}-\varphi(S_{1}d_{l}+S_{2}\dot{d}_{l}+S_{3}d^{H}_{l}+S_{4}\dot{d}^H_{l})$
在二范数意义下求解式(3)得到的S=[S1 S2 S3 S4]即为伪多道双检合成的匹配因子, 代入式(4)中即可得到最终的伪多道双检合成压制鬼波后的结果, 整个计算过程中输入仅为原始双检数据, 无需考虑海底反射系数。
利用二范数最小求解的匹配滤波方法都存在要满足数据正交性(Hoffe et al, 2000)的问题, 区别于传统的单道Weiner滤波, 伪多道匹配滤波过程中的相位旋转因素可以在一定程度上改善匹配精度对数据正交性的要求, 在不伤害一次波的前提下, 使伪多道双检合成后的鬼波成分得到最大程度的压制。

2 模型正演记录应用效果分析

为验证上述理论方法的有效性和适用性, 分别进行了模型正演记录和实际资料的应用效果分析。
首先, 建立如图2所示的浅水水平层状均匀介质模型。其中海底深H0为50m, 海水速度V0为1500m·s-1; 海底之下第一层厚H1为200m, 层速度V1为2000m·s-1; 第二层厚H2为600m, 层速度V2为2200m·s-1; 第三层厚H3为1000m, 层速度V3为3000m·s-1; 炮点投影在测线的中点, 接收道数60, 道间距100m, 采样率0.2ms。
基于图2所示的正演模型, 利用声波方程模拟水、陆检记录如图3a、b所示。图3c、d、e是分别应用3种双检合成方法后得到的鬼波压制的结果, 对应的三种方法依次分别为反射系数法、单道Weiner滤波法和本文提出的伪多道双检合成法。
Fig. 2 Geological model for dual-sensor data forward modeling

图2 海底电缆双检数据正演模型

图3e中箭头所指从上往下依次为海底以下第一层反射界面形成的一次反射波及该一次反射对应的一阶上行多次波、第二层反射界面形成的一次反射及该一次反射对应的一阶上行多次波。从图3中可以明显看出, 对模型资料应用的三种双检合成方法均不同程度地起到压制鬼波的作用, 但对比鬼波的残余量和合成后的信噪比, 以伪多道双检合成方法的压噪效果最佳。由于反射系数的求取误差, 图3c中合成后的残余鬼波同相轴还清晰可见; 而受限于最小二乘方法对匹配数据正交性的要求, 在正交性条件不满足时, 求解得到的匹配滤波器存在误差, 以致图3d中展示的合成效果也不能令人满意; 本文介绍的伪多道匹配虽然也属于最小二乘匹配方法, 但从原理上引入了相位旋转的概念, 改善了匹配精度对数据正交性的要求, 可以更大程度地满足双检合成后鬼波能量最小的要求。图3e中可以明显看到, 伪多道双检合成后的记录中鬼波干扰的同相轴均被压制, 真正达到了加强有效(图3中箭头处), 压制干扰的效果。
关于双检合成对频谱中陷频现象的改善效果, 可以通过图4作进一步说明。图4中红色、绿色、蓝色曲线为水检合成记录、陆检合成记录、双检合成记录的频谱曲线, 分别对应图3a、b、e中所示的炮集记录。由于模型记录不存在其他噪音的干扰, 图4中水检和陆检频谱曲线互补特性表现得十分明显, 即水检频谱的波峰对应陆检频谱的波谷, 水检频谱的波谷对应陆检频谱的波峰。伪多道双检合成后, 水、陆检频谱曲线中的陷频得到补偿, 优势频带中低频端和高频端均向外扩展, 能较好地去除陷频、拓宽频带。
Fig. 3 Synthetic OBC seismic data computed from the model in Fig. 2. a) Synthetic hydrophone data; b) synthetic geophone data; c) result of dual-sensor summation based on “reflection coefficient method”; d) result of dual-sensor summation based on Weiner adaptive matched filtering method; and e) result of dual-sensor summation based on pseudo-multichannel adaptive matching filter; arrows point to primary waves

图3 双检合成记录及合成结果
a. 模拟水检记录; b. 模拟陆检记录; c. 反射系数法双检合成结果; d. 单道Weiner滤波法双检合成结果; e. 本文方法双检合成结果; 图中箭头指向有效波

Fig. 4 Spectra of synthetic dual-sensor data in Fig. 3

图4 对应图3中双检数据的频谱

3 实际资料应用效果分析

为验证本文提出的伪多道双检合成方法在实际资料处理中的应用效果, 采用胜利油田CDD工区采集的海底电缆双检资料进行处理分析。
图5是胜利油田某工区所采集的双检资料单炮和双检合成处理效果图。其中图5a、b、c分别为陆检记录、水检记录和伪多道双检合成后的记录。对比可见, 受自身物理特性和耦合情况等因素的影响, 陆检记录的低频干扰较多, 信噪比偏低, 而水检记录中同相轴更为清晰, 这也是我们在实际处理中保持水检资料不变, 由陆检向水检匹配的原因。对比图5b和5c可以看出, 双检合成后鬼波的同相轴得到了明显压制, 而以一次波为主的上行波(图5中箭头处)得到了加强。
Fig. 5 OBC data acquired from Shengli Oilfield. a) Real geophone data; b) real hydrophone data; c) result of dual-sensor summation based on pseudo-multichannel adaptive matching filter; arrows point to primary waves

图5 实际资料处理效果图
a. 实际陆检记录; b. 实际水检记录; c. 应用本文双检合成方法后的记录; 图中箭头指向有效波

从对应图5的频谱曲线中可以进一步看到伪多道双检合成在实际处理中对频谱的改善效果, 如图6所示, 无论在低、中、高频端, 伪多道双检合成后的频谱曲线(蓝色)均与原始水、陆检的优势频谱曲线具有更好的一致性, 同时消除了水、陆检记录中由于鬼波干扰而产生的陷频现象, 最大程度提升了资料信噪比, 保证了有效频带宽度。
Fig. 6 Spectra of dual-sensor OBC data in Fig. 5

图6 对应图5中实际双检资料的频谱

图7a、b是分别与图5b、c对应的叠加剖面, 其中图7a是水检记录的叠加剖面, 图7b是伪多道双检合成后的叠加剖面, 两图中相同位置的箭头所指为一次反射波叠加形成的地层信息。对比图7中箭头所指处可以看出, 双检合成后记录的叠加剖面中滞后于一次反射波的鬼波同相轴得到了明显的压制, 同时一次反射波同相轴连续性更好, 进一步提高了信噪比, 有利于后期处理、解释工作的开展。
Fig. 7 Comparison of stack from OBC seismic data in Fig. 5. a) stack from Fig. 5b; b) stack from Fig. 5c; arrows point to primary waves events

图7 合成前后叠加效果对比
a. 实际水检记录叠加剖面; b. 双检合成后叠加剖面; 图中箭头指向有效波同相轴

4 结语

双检合成是海底电缆地震资料处理的重要环节, 本文所提出的伪多道双检合成方法, 无需求取海底反射系数, 计算过程完全数据驱动, 同时改善了常规最小二乘匹配滤波方法对数据正交性的要求, 最大限度地提高了匹配精度, 使合成后的鬼波残差最小。模型测试和实际数据的应用证明, 该方法在压制鬼波干扰的同时, 具有良好的信号保真度, 合成后记录频谱的陷频现象得到了明显改善, 最大限度地保证了各个频率成分上的有效信息, 同时拓宽了有效频带。该方法在实际资料处理中取得了良好效果, 值得进一步深入研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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