一种海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法与流程

本发明涉及一种海上地震勘探方法，尤其涉及一种海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法。

背景技术：

深水勘探是海上地震勘探的重要方向之一，但由于深水海底崎岖以及中深层地质条件复杂等诸多因素，造成了中深层地震资料采集的低信噪比和低分辨率。要解决这个问题，除了在地震资料处理中采用特定的技术提高信噪比和分辨率以外，在地震资料采集中获得高信噪比和高分辨率的原始地震数据更加重要。海洋高分辨率三维地震采集数据质量的好坏受诸多因素的影响，但最为关键的是震源系统和接收系统，震源组合及其沉放深度决定了地震子波的频带，接收系统决定了记录地震信号的有效频带和振幅、相位特征以及反射目的层覆盖的范围，而且震源系统和接收系统是相互联系和相互制约的。

目前，海上地震勘探中应用最广泛的震源系统是气枪阵列，它具有成本低、清洁环保、性能稳定、高度可控性、可重复等优点；但是，海面虚反射作用使得气枪阵列子波的频谱存在陷波，在陷波点上能量低，导致震源沉放深度越浅，激发的子波高频成分丰富，但低频成分受到限制，而震源沉放深度越深，激发的子波低频成分丰富，但高频成分受到限制。

目前，海上接收系统通常采用单船窄方位单拖缆或多拖缆作业，拖缆是等深度沉放，受海水面虚反射的影响，存在陷波特性，使得地震记录的频带变窄，降低了地震剖面的分辨率；而且拖缆沉放深度不同，其陷波作用也不同，不同深度的拖缆有不同的频率信息，深度较浅的拖缆接收到的高频信息较丰富，低频信息不足，深度较大的拖缆接收到的高频信息不足，低频信息较丰富。而且由于是单震源作业，尽管是多缆接收，海上三维地震勘探仍然类似于陆上宽线二维地震，采集的方位角很窄，其横纵比较小，采集的资料无法反映地下各向异性所需的宽方位信息，也不利于复杂构造成像和裂隙储层描述。

因此，有必要提出一套既能实现低频和高频激发又能使得拖缆能同时接收到低频和高频信息，而且能采集到地下各向异性所需的宽方位信息的海上地震勘探方法，针对性解决目前海上地震勘探方法频带窄、观测系统横纵比小的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多点位变深度激发、立体曲面多缆接收的海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法，实现宽频带激发、宽频带宽方位接收，真正获得宽频宽方位地震记录，提高复杂裂隙介质的偏移成像质量，实现地震资料的空间和时间分辨率提升。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法，包括以下步骤：

1)基于前期海上地震勘探目标靶区的地质层位及岩石速度和密度数据，通过内插和外推方法将已知地层面、断层面上的深度数据进行空间插值和外推，并基于网格剖分技术来进行网格化，在此基础上填充速度体和密度体，建立适合目标靶区地层结构的三维地震地质模型，该地质模型包括目的层在内的若干地质层位；

2)根据目标靶区的三维地震地质模型，以宽方位观测系统各属性参数的均衡性以及采集脚印的情况为判断标准，对宽方位观测系统的类型和拖缆横纵比进行优化设计，得到适合目标靶区的宽方位观测系统类型和拖缆横纵比；其中，宽方位观测系统类型是指炮点数和接收线数或拖缆数及其相对位置关系；拖缆横纵比是指横向方向的最大炮检距与纵向方向的最大炮检距之比；

3)利用拖缆船布设多条带有水听器的拖缆,多条拖缆上的水听器沉放深度按照立体曲面形态布设,每条拖缆上的水听器沉放深度按照曲线形态布设，进行立体曲面拖缆参数优化设计，得到优选的立体曲面缆形和拖缆参数；

4)宽方位观测系统包括相隔一段距离平行布置的多条震源船以及拖缆船上的震源，每条船上配备多套气枪阵列震源，每套气枪阵列震源的空间位置不同，组成多点位变深度震源；进行多点位变深度随机延时激发参数的优化设计，优选出每一次激发时多个震源各自激发的延迟时间，得到不同激发点激发时对应各同步源激发延迟时间序列分布；

5)基于步骤2)优选出的宽方位观测系统和拖缆横纵比，步骤3)优选出的立体曲面缆形及其参数，以及步骤4)优选出的多点位同步源激发延迟时间，在目标靶区进行多点位变深度随机延时激发立体曲面缆接收的实际海上拖缆宽频宽方位地震采集，每激发一次，获得多点位变深度随机延时激发的实际采集混合源炮集记录；在规定的炮数激发完后，获得一系列混合源炮集记录。

所述步骤2)中宽方位观测系统类型和拖缆横纵比的优化设计，具体包括以下步骤：

①根据目标靶区三维地震地质模型的特点和勘探目的，通过改变炮点数和拖缆数及其相对位置关系，得到不同类型的宽方位观测系统；分别计算不同类型宽方位观测系统的属性参数，分析各属性参数的均衡性，从中筛选出各属性参数均衡性好的若干个宽方位观测系统；同时设定若干个不同的拖缆横纵比；

②针对目标靶区的三维地震地质模型，采用地震射线追踪照明方法，分别计算由步骤①初步设计出的若干种宽方位观测系统类型和不同拖缆横纵比组合下的目的层上的打击次数、面元炮检距、面元方位角、炮检点的属性分布图；

③针对目标靶区的三维地震地质模型，采用地震波动方程照明方法，分别计算由步骤①初步设计出的若干种宽方位观测系统类型和不同拖缆横纵比组合下的目的层上的照明能量分布图；

④根据步骤②获得的各属性分布图和步骤③获得的照明能量分布图，分析各属性参数的均衡性、照明能量强弱、采集脚印情况，优选适用于目标靶区的宽方位观测系统类型以及拖缆横纵比，获得具有较好均衡性的覆盖次数、排列长度、道间距、面元尺寸和其他属性参数的宽方位观测系统类型和拖缆横纵比。

宽方位观测系统各属性参数的均衡性是指不同面元位置处同一属性参数的相似程度，相似程度高即均衡性好；采集脚印是指炮检点分布的差异带来的不同面元位置处的地震波能量差异。

宽方位观测系统的属性参数包括航行方向、面元片数、面元尺寸、相邻片之间的间隔、排列长度、道间距、覆盖次数、偏移孔径、偏移距分布以及方位角分布。

所述步骤3)中立体曲面拖缆参数的优化设计方法为：首先，根据目标靶区的三维地震地质模型和由步骤2)优选的宽方位观测系统，初步给出若干个不同的立体曲面拖缆形态，包括水听器沉放深度、波动式起伏的幅度和波长；然后，在由步骤2)优选的宽方位观测系统及给定的某一立体曲面拖缆情形下计算目的层上的三维脉冲响应的理论叠加平均振幅谱和基于三维波动方程正演模拟技术计算得到的炮集记录的叠加平均振幅谱；最后，根据这些振幅谱曲线的形态、光滑程度以及高、低频能量大小来评价同一宽方位观测系统而不同的立体曲面缆下接收到的地震记录的宽频特征，振幅谱曲线的形态越宽、光滑程度越高、高低频能量都强，对应振幅谱的频带越就宽，宽频特征越好；从中优选出宽频特征最好的振幅谱对应的立体曲面缆形参数。

其中，脉冲响应的理论叠加平均振幅谱的计算公式为：

$G_n\left(f\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|G({\stackrel{\→}{X}}_j,f)\right|$

正演模拟的炮集记录的叠加平均振幅谱的计算公式为：

$A_n\left(f\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|A({\stackrel{\→}{X}}_j,f)\right|$

式中，n为每炮接收的总道数，G_n(f)为脉冲响应叠加平均频谱，A_n(f)为正演模拟结果叠加平均频谱，为接收点位置为处的鬼波滤波算子的脉冲响应频谱，为接收点位置为处的地震记录频谱，f为频率。

所述步骤4)具体包括以下步骤：

I、基于多震源同步源激发延迟时间必须随机且大于一倍子波延续度的准则，随机产生若干组延迟时间，每组均给定了与多点位数相等的震源各自激发的延迟时间；

II、针对目标靶区的三维地震地质模型，采用步骤2)优选出的宽方位观测系统类型以及步骤3)优选出的立体曲面缆形和拖缆参数，采用波动方程有限差分法正演模拟技术，分别模拟多组多点位震源按照步骤I给定的各自激发的延迟时间激发下的混合源炮集记录；同时，模拟出多点位震源单独零延迟激发得到的炮集记录，作为混合源炮集记录分离效果对比的参照；

III、采用混合源炮集记录分离技术获得多组多个不同点位激发的炮集记录，计算各点位处分离的炮集记录与步骤II产生的各点位震源单独零延迟激发得到的炮集记录之间的均方差，均方差越小，说明分离效果越好，选择均方差最小的那组所对应的多点位同步源激发延迟时间。

其中，多点位震源激发的波动方程如下：

$\frac{1}{V^2\left(\stackrel{\→}{X}\right)}\frac{{\∂}^{2}u\left(\stackrel{\→}{X}\right)}{\∂t^2}={\▿}^{2}u\left(\stackrel{\→}{X}\right)+S(t,{\stackrel{\→}{X}}_0)\stackrel{\→}{\mathrm{\Γ}}\left({\stackrel{\→}{X}}_0\right)$

式中，为三维介质速度；为地震波场；为激发点处的震源子波；为多震源混合矩阵算子；为第K个震源在位置处的延迟激发时间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过多点位变深度激发方法，能同时增加激发子波的低频和高频成分，拓展激发子波的频带宽度，提高了地震资料的分辨率。2、本发明通过按立体曲面布设多条拖缆上的水听器沉放深度，使得在一个炮集中既有低频成分丰富的记录道,又有高频成分丰富的记录道,而且各记录道的陷波频率具有多样性，有利于通过专门的处理算法有效压制鬼波，拓宽了地震记录频带。3、本发明通过多点位激发、多缆长排列多航次接收，扩大了采集的方位角，提高了横纵比，从而能够更全面的反映地下构造，更有利于压制噪声、衰减多次波、建立各向异性速度模型和分析裂缝形态，克服了常规窄方位采集记录的横向覆盖次数低、方位角窄的缺陷。4、本发明能够一次性根本解决海上地震勘探频带窄和观测系统横纵比小的问题，可以广泛应用于深水海底崎岖以及中深层复杂地质条件区域的海上地震勘探。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是多点位激发宽方位采集航行方式示意图；

图3是多点位激发宽方位采集拖缆排列平面示意图；

图4是多点位变深度激发宽方位立体曲面缆(起伏曲面)接收三维空间立体示意图；

图5是多点位变深度激发宽方位立体曲面缆(弧形曲面)接收三维空间立体示意图；

图6是多点位变深度激发立体曲面缆接收单次航行平面示意图；

图7是多点位变深度激发立体曲面缆接收单次航行三维空间立体示意图；

图8是多点位变深度随机延时激发宽频宽方位采集的炮集记录示意图；

图9是多点位激发的随机延迟时间序列分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的一种海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法，包括以下步骤：

1)基于前期海上地震勘探目标靶区的地质层位及岩石速度和密度数据，通过内插和外推方法将已知地层面、断层面上的深度数据进行空间插值和外推，并基于网格剖分技术来进行网格化，在此基础上填充速度体和密度体，从而建立适合目标靶区地层结构的三维地震地质模型，该地质模型包括目的层在内的若干地质层位。

2)根据目标靶区的三维地震地质模型，以宽方位观测系统各属性参数的均衡性以及采集脚印的情况为判断标准，对宽方位观测系统的类型和拖缆横纵比进行优化设计，得到适合目标靶区的宽方位观测系统类型和拖缆横纵比。其中，宽方位观测系统各属性参数的均衡性是指不同面元位置处同一属性参数的相似程度；采集脚印是指炮检点分布的差异带来的不同面元位置处的地震波能量差异；宽方位观测系统类型是指炮点数和接收线数或拖缆数及其相对位置关系；拖缆横纵比是指横向方向的最大炮检距与纵向方向的最大炮检距之比。

宽方位观测系统类型和拖缆横纵比的优化设计，具体包括以下步骤：

①根据目标靶区三维地震地质模型的特点和勘探目的，初步设计出若干种宽方位观测系统类型和若干个不同的拖缆横纵比：通过改变炮点数和接收线数(也称拖缆数)及其相对位置关系，得到不同类型的宽方位观测系统；分别计算不同类型宽方位观测系统的属性参数，分析各属性参数的均衡性，从中筛选出各属性参数均衡性较好的若干个宽方位观测系统。同时也设定若干个不同的拖缆横纵比。宽方位观测系统的属性参数包括：航行方向、面元片数、面元尺寸、相邻片之间的间隔、排列长度、道间距、覆盖次数、偏移孔径、偏移距分布、方位角分布等。

②针对目标靶区的三维地震地质模型，采用地震射线追踪照明方法，分别计算由步骤①初步设计出的若干种宽方位观测系统类型和不同拖缆横纵比组合下的目的层上的打击次数、面元炮检距、面元方位角、炮检点等属性分布图。

③针对目标靶区的三维地震地质模型，采用地震波动方程照明方法，分别计算由步骤①初步设计出的若干种宽方位观测系统类型和不同拖缆横纵比组合下的目的层上的照明能量分布图。

④根据步骤②获得的各属性分布图和步骤③获得的照明能量分布图，分析各属性参数的均衡性、照明能量强弱、采集脚印情况，优选适用于目标靶区的宽方位观测系统类型以及拖缆横纵比，获得具有较好均衡性的覆盖次数、排列长度、道间距、面元尺寸等属性参数的宽方位观测系统类型和拖缆横纵比。

3)进行立体曲面拖缆参数优化设计，得到优选的立体曲面缆形和拖缆参数。利用拖缆船布设多条带有水听器的拖缆(接收线),多条拖缆上的水听器沉放深度按照立体曲面形态布设,每条拖缆上的水听器沉放深度按照曲线形态布设。

立体曲面拖缆参数的优化设计包括以下步骤：首先，根据目标靶区的三维地震地质模型和由步骤2)优选的宽方位观测系统，初步给出若干个(不妨设m个)不同的立体曲面拖缆形态，包括水听器沉放深度、波动式起伏的幅度和波长；其次，在由步骤2)优选的宽方位观测系统及给定的某一立体曲面拖缆情形下，计算目的层上三维脉冲响应的理论叠加平均振幅谱和基于三维波动方程正演模拟技术计算得到的炮集记录的叠加平均振幅谱，m个立体曲面拖缆形态就有对应2m个叠加平均振幅谱，根据这些振幅谱曲线的形态、光滑程度以及高、低频能量大小等指标来评价同一宽方位观测系统而不同的立体曲面缆下接收到的地震记录的宽频特征，宽频特征好的振幅谱指其曲线形态宽、光滑程度高、高低频能量都强，对应的振幅谱的频带也就宽，从而可以选择宽频特征较好的振幅谱对应的立体曲面缆形参数。其中，振幅谱的频带是指地震波有效信号能量对应的最高频率与最低频率之差。

其中，脉冲响应的理论叠加平均振幅谱的计算公式为：

$G_n\left(f\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|G({\stackrel{\→}{X}}_j,f)\right|---\left(1\right)$

正演模拟的炮集记录的叠加平均振幅谱的计算公式为：

$A_n\left(f\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|A({\stackrel{\→}{X}}_j,f)\right|---\left(2\right)$

式中，n为每炮接收的总道数，G_n(f)为脉冲响应叠加平均频谱，A_n(f)为正演模拟结果叠加平均频谱，为接收点位置为处的鬼波滤波算子的脉冲响应频谱，为接收点位置为处的地震记录频谱，f为频率。

4)多点位变深度随机延时激发参数的优化设计：多点位变深度随机延时激发技术用来为海上拖缆宽频宽方位地震采集提供震源，宽方位观测系统包括相隔一段距离平行布置的多条震源船以及拖缆船上的震源，每条船上配备多套气枪阵列震源，通常两套；每套气枪阵列震源的空间位置不同，也即水平位置和沉放深度不同，由此组成多点位变深度震源。每个点位处的震源按照不同的延迟时间进行激发，每激发一次，所有拖缆进行采集，得到一个混合源炮集记录。多点位变深度随机延时激发参数优化设计就是优选出每一次激发时多个震源各自激发的延迟时间，得到不同激发点激发时对应各同步源激发延迟时间序列分布。具体包括以下步骤：

I、基于多震源同步源激发延迟时间必须随机且大于一倍子波延续度的准则，随机产生若干组(不妨设L组)延迟时间，每组均给定了与多点位数(也即震源数，不妨设K个)相等的震源各自激发的延迟时间，如果目标靶区需要激发M炮，则需要设L×K×M个延迟时间。

II、针对目标靶区的三维地震地质模型，采用步骤2)优选出的宽方位观测系统类型以及步骤3)优选出的立体曲面缆形和拖缆参数，采用波动方程有限差分法正演模拟技术，分别模拟多组(L组)多点位震源按照步骤I给定的各自激发的延迟时间激发下的混合源炮集记录，对一个目标靶区就有L×M个混合源炮集记录。同时，也模拟出多点位震源单独零延迟激发得到的炮集记录(K×M个)，为下一步提供混合源炮集记录分离效果对比的炮集记录。其中，多点位震源激发的波动方程如下：

$\frac{1}{V^2\left(\stackrel{\→}{X}\right)}\frac{{\∂}^{2}u\left(\stackrel{\→}{X}\right)}{\∂t^2}={\▿}^{2}u\left(\stackrel{\→}{X}\right)+S(t,{\stackrel{\→}{X}}_0)\stackrel{\→}{\mathrm{\Γ}}\left({\stackrel{\→}{X}}_0\right)---\left(3\right)$

式中，为三维介质速度；为地震波场；为激发点处的震源子波；为多震源混合矩阵算子；为第K个震源在位置处的延迟激发时间。

III、采用混合源炮集记录分离技术获得L组K个不同点位激发的炮集记录(共有L×K×M个)，通过比较不同组的炮集记录的分离效果，也即计算各点位处分离的炮集记录与步骤II产生的各点位震源单独零延迟激发得到的炮集记录之间的均方差，均方差越小，说明分离效果越好，选择均方差最小的那组所对应的多点位同步源激发延迟时间。

5)基于步骤2)优选出的宽方位观测系统和拖缆横纵比，步骤3)优选出的立体曲面缆形及其参数，以及步骤4)优选出的多点位同步源激发延迟时间，在目标靶区进行多点位变深度随机延时激发立体曲面缆接收的实际海上拖缆宽频宽方位地震采集，每激发一次，获得多点位变深度随机延时激发下的实际采集的混合源炮集记录；在规定的炮数激发完后，获得一系列混合源炮集记录。

下面以一个实施例，具体说明本发明的一种海上拖缆宽频宽方位地震勘探方法。

首先，基于对海上地震勘探目标靶区的前期研究成果，建立适合目标靶区地层结构的三维地震地质模型。

其次，如图2和图3所示，根据目标靶区的三维地震地质模型，初步设计观测系统包括相隔一段距离平行布置的两条激发船(A船和B船)以及一条拖缆船(C船)，每条船上配备两套气枪阵列震源，分别布置在各激发船的船尾两侧，并设定航行方向、采集拖缆(水听器)的排列方式、面元片数、面元尺寸、相邻片之间的间隔、排列长度、道距、覆盖次数、偏移孔径等采集参数，以及不同的拖缆横纵比。采用地震射线法照明，计算给定观测系统和不同拖缆横纵比下目的层的覆盖次数、面元炮检距分布、面元方位角分布图、炮检点分布等属性参数的分析图件。采用地震波动方程照明，计算指定观测系统下的目的层上的照明能量。基于宽方位观测系统的各属性参数的均衡性以及采集脚印的程度，优选适用于目标靶区的观测系统类型以及拖缆横纵比，获得具有较好均衡性的覆盖次数、排列长度、道距、面元尺寸等属性参数的宽方位观测系统类型和拖缆横纵比。

然后，如图4和图5所示，进行水听器沉放深度的立体曲面布设的缆形优化设计：根据目标靶区的三维地震地质模型和优选的宽方位观测系统，分别给定立体曲面缆形及其参数(水听器沉放深度的波动式起伏幅度和波长)，分别计算目的层上该观测系统和排列参数下的三维脉冲响应的理论叠加谱分析和基于三维波动方程正演模拟技术计算得到的炮集记录的叠加谱分析，通过不同缆形的宽频特征对比分析，优选立体曲面缆形及其参数。

再后，如图6和图7所示，每套气枪阵列震源的沉放深度不同，其中A船(震源船)的左源沉放深度最浅，通常为3m；A船的右源沉放深度深一点，通常为6m。B船(震源船)的左源沉放深度更深一点，通常为9m；B船的右源沉放深度最深，通常为12m。C船(拖缆船上也配备气枪阵列)的左源沉放深度深一点，通常为6m；C船的右源沉放深度更深一点，通常为9m。六个震源按照不同的延迟时间进行激发，每激发一次，所有拖缆进行采集，得到一个混合源炮集记录，如图8所示。多点位随机激发参数优化设计就是优选出每一次激发时六个震源各自激发的延迟时间，如图9所示，给出了6次激发36个激发延迟时间序列分布。

最后，基于优选出的宽方位观测系统和拖缆横纵比、立体曲面缆形及其参数，以及每一次激发时六个震源各自激发的延迟时间，在目标靶区进行多点位变深度随机延时激发立体曲面缆接收的宽频宽方位海上地震采集，不同深度的六个震源同时激发，每激发一次，获得包含六个激发深度和激发延迟时间下的实际采集的混合源炮集记录；在规定的炮数激发完后，获得一系列混合源炮集记录。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。