海洋地震资料多次波压制技术及应用
摘要： 近些年来，随着陆上油气资源的日益枯竭，为扩大资源的开采，地震勘探的发展由陆地逐渐向海洋，因此对于海洋地震资料处理技术的研究就变得更有意义和价值。海上地震数据当中最主要的干扰是多次波，因此如何有效压制多次波，是目前海洋地震资料处理的主要课题之一。文章对多次波的成因及分类，多次波的特征及识别、多次波压制方法进行归纳总结。
关键词： 海洋地震资料;多次波压制技术;多次波类型
1、题目意义
随着生产与消费的迅速扩展，世界经济的高速发展将越来越强调对能源供应的依赖与需求，但是随着传统陆上油气资源开采难度的不断加大、开采成本的逐渐提高以及可预期可采资源量的日益减少，业内越来越将勘探开发的目光投向海洋，可以说由陆地转向海洋将是未来获取更多量油气资源的必然选择和发展趋势。而在海洋油气资源勘查勘探的过程中通过激发人工地震采集地震数据然后进行数据处理、地质解释的方法始终是确定海底地质构造进而寻油找气的主要技术方法之一。
而在地震数据资料的采集过程中因为地表或地下某些反射系数较大的反射界面使一次反射波重新折回地下产生了多次反射波。反射系数强的的反射界面如水气交界面面、基岩面、不整和面、火成岩(如玄武岩)和其它强反射界面(如石膏层，岩盐，石灰岩等)都容易发生多次反射波。多次波的存在会极大程度上影响地震数据的处理，进而影响地震资料的解释。这是因为多次波的存在会导致有效波的频率、振幅，还有相位方面会造成一定的影响。所以，这些都是地震成像不可靠、不真实的重要原因。因此，关于多次波如何有效压制，一直都是地震资料处理过程中的关键问题。
2、多次波压制方法
2.1 多次波压制方法的主要分类 目前出现了多种多次波压制技术，它们都是基于不同标准的，大致分为两大类[1]：
第一种基于波动理论(表1)，首先利用反演或模拟的方法，从原始数据中预测出多次波，然后把预测出的多次波从原始数据中减掉。根据这个原理形成的方法被称为波动方程预测减去法，它包括有反散射级数法、反馈环法、波动方程外推法等。
第二种基于有效波及多次波之间的差异进行滤波，如(表2)，其中包括利用多次波的重复性特征以及统计特性特征进行多次波压制，例如均值滤波法、预测反褶积、中值滤波法等;还包括基于一次波及多次波正常时差的差异进行多次波压制的，其中包括有局部相干滤波、二维滤波法、聚束滤波法、Radon变换法等。这两种压制多次波方法就是滤波方法，简称滤波法。
2.2 多次波压制方法存在的问题 在进行滤波方法的应用过程中，要注意以下几项问题：①二维及三维地震数据中的多次波，不能用一维的方法来压制，应该在多维波动理论基础的上进行多维空间多次波的压制;②当介质的速度变化比较小或者发生反转时，如果地震数据的偏移距比较小，那么就会在多次波和有效波之间存在比较小的时差。如果此时利用滤波法，那么有效波就会被严重损伤到[1]。若介质复杂，波场的响应就不会满足双曲线及抛物线的特征，因而预测反褶积的结果就不会特别理想。除此之外，若多次波的周期较长，如果此时加大预测滤波算子，则有可能会影响有效反射波的成像。综上所述，这些都是滤波方法存在的问题。
为了避免了使用非波动法的局限性，在运用波动方程理论进行多次波压制时，结合了多次波传播过程中的动力学及运动学特征。近年来，因为波动法基本不要求有先验信息，而且其具有理想的压制效果，已经成为多次波压制研究方向的重点。
由此可知，压制多次波的方法有很多种，但其各有优劣点。如果能够满足波的传播运动学规律，而且多次波压制的效果比较理想，则首先选用滤波法。这是因为运用滤波法耗费的时间少、花费低，而且容易实现。目前，针对全程多次波，如果能将不同的处理模块进行优化组合，做到在保证有效波特征的前提下，提高多次波压制的效果，是非常有效的方法。
2.3 自由界面多次波压制(SRME) SRME预测多次波的原理是通过对地震数据本身进行时空褶积，又被称为自由界面多次波压制。它的多次波形成原因是：地震波在向上传播的过程中，遇到了自由界面，被反射之后又继续向下传播，经过多次反射和多次透射，多次波能量被衰减，最终被检波器以多次波的方式记录下来。地震数据中自由表面多次波的任何一个子反射都会在地震记录上以反射轴的形式体现。这是因为每个多次波都是由若干个初至反射波合成得到的。通过将具有多次波及有效波的原始数据做时空域褶积，就可以得到所有的自由界面多次波。
因为一阶多次波与自由界面从形态上看极为相近，所以如果运用自由界面多次波压制方法，则最终能取得理想的压制效果。对于高阶多次波，因为其传播路径可能会发生改变，只有在近道路径，其形态才会和和自由界面比较相近，因此SRME只能将其近道的多次波进行很有效的压制。
如图1，从左到右依次为：去多次波前的共偏移距剖面，预测出的多次波模型，去多次波后的近偏移距剖面。从图中可以看出，近偏移距处的多次波得到了很好的压制，而且预测出的多次波模型在位置、能量及形态上都很接近输入的剖面。
2.3.1 自由界面多次波压制的原理 所有的可以预测出的自由界面多次波，不考虑其射线路径的复杂性，都可以分解为多个一次波，如图2所示，多次波abc，是根据一次波ab、bc预测出来的。
SRME是将地震数据中的一次波进行组合，从而预测出多次波，然后运用这个预测去消除真正的自由界面多次波。其方法原理是，找出a为炮点，b为检波点的一次波ab，再找出b为炮点，c为检波点的一次波bc，然后将ab与bc进行褶积，在将其结果乘以自由界面的反射系数-1。
综上可知，通过有效的一次波的空间褶积能够预测出自由界面多次波。因此要想得到所有的自由界面多次波，就要对地震记录中所有的反射做褶积。相对于其他方法而言，此种多次波压制的方法具有一个突出的优点就是，不需要对地下介质做任何假设，而且对反射系数及多次波的反射层位没有任何要求。
SRME 方法分为多次波预测及多次波衰减两步，是一种自适应的压制多次波的方法，将原始地震数据作为预测算子，在处理过程中基本没有人工干涉，也不需要任何的地下先验信息，适应能力极强。当多次波和一次波的速度不能很好的区别开来时，针对近偏移距处的多次波进行压制，该方法的效果优于Radon变换，效果相当理想。
①多次波预测。通过对原始叠前数据及自身沿着自由表面做时空域褶积就可以预测出自由界面多次波。主要是运用共检波点与共炮集在时空间域进行褶积。
M为自由表面相关的多次波，D为实际地震记录，P为一次波，这三者之间的关系可用如下公式表示：
M=-S-1*D?茚P (1)
式(1)中， 震源子波表示为S，它是种包含2D 叠前褶积和多种相关的算法， 则一次波的估算可表示为：
P=D+S-1*D?茚P (2)
最初，震源子波及一次波都是未知条件，所以实际的迭代过程大概分为模型和分离两步。在迭代开始初期，用实际记录代替一次波，用最小化能量的假定统计估算出反子波，将子波项忽略后，可以得到实际的迭代过程为：
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为自适应滤波反褶积。
②多次波衰减。采用自适应相减技术，从原始地震数据中把预测得到的多次波减掉，就可以得到消除多次波之后所形成的地震数据。其主要是应用自适应最小平方减去法，来实现最小能量准则以减掉预测多次波，通常分为两步进行实现：
1)计算自适应因子f(采用最小二乘平方算法)
P0=D f=min(||d-f*m||)2 (6)
2)应用自适应因子， 然后相减
m′=f*m (7)
d′=d-m′ (8)
其中， d――实际数据;m――多次波;d′――消除多次波后的数据。
2.3.2 自由界面多次波压制的步骤
①建立多次波模型。这种多次波压制方法完全不需要任何地下介质信息。只有完全保证所有的子反射都存在记录或估计，才能正确地预测出多次波。如果在地震记录中缺失某些或者有些子反射存在误差，则不能正确有效地预测出包括有这些子反射的自由界面多次波。在实际的地震资料处理过程中，不仅要补齐短缺的偏移距，还要进行负偏移距的外推，使得偏移距信息更完整，进而可以得到更准确的预测多次波模型。
②多次波压制。根据建立多次波模型的原理，将多次波预测出来后，然后从原始数据中减去，就可以得到消除多次波之后的地震数据。这种方法在实现过程中，首先要求多次波模型与原始地震记录的能量能够匹配且一致，达到此要求，方能进行相减。对选择的窗口进行多次试验，合理选择，就有可能达到理想的压制效果。
2.4 Radon变换去多次波 Radon变换是一项应用很广的实用技术，自从拉冬在1917年提出之后，这种方法已经在天文界、物理界、医学界等领域得到了很广泛的应用。
2.4.1 Radon变换的原理 Radon变换是通过线积分，将数据从(x，t)域变换到(τ，p)域。具体包括线性拉冬变换，抛物拉冬变换、双曲拉冬变换三种方式[2]：
u(p，τ)=■dxu(x，τ+px) (9)
其中：线性拉冬变换中：t=px+τ
抛物拉冬变换中：t=px2+τ
双曲拉冬变换中：t=■
τ――截距时间，t――偏移距x的时间，p――在抛物Radon变换中是指慢度，在双曲Radon变化曲线中是慢度与距离相除的结果。
拉冬变换根据其原理又可以称为投影或倾斜叠加，其根本就是沿着特定的路径对介质某方面的特征进行线积分。选定CMP道集或炮集作为叠前的道集记录，用一次波速度对其进行动校正。如果动校正之后，有效波的同相轴被拉平，然而多次波的同相轴则会因为校正量不足而向下弯曲，形态近似于抛物线(如图3)若对该道集做抛物线拉冬变换，即沿着抛物线轨迹进行求和，则可以在τ-p域中得到与多次波及一次波分别对应的能量团;然后在τ-p域中对数据进行处理，其实质就是进行切除，即把多次波的能量团切掉，然后再进行抛物线拉冬反变换，就可以得到压制之后的道集记录;在此过程中一定要保证一次波不被当作多次波而压制掉，就必须限制被看作为多次波的同相轴的弯曲程度，Δtmin是指经过动校之后的CMP道集内同相轴的弯曲程度的最小时差值;其实质是指在CMP道集中，位于最大偏移距处及最小偏移距处同一t0同相轴的时差，根据这一原理，如果t0同相轴的时差大于Δtmin，则都被看作是多次波，应该进行压制，如果t0同相轴的时差小于Δtmin，这样的同相轴都应该予以保留[3]。
2.4.2 Radon变换的步骤 由于道集经过动校正之后，一次波被拉平，而多次波则会由于校正速度过大而变成抛物线，所以我们可以根据这一特点，有效地区别有效波及多次波。然后根据拉冬域一次波与多次波P值的差异，进行二者的区别，并进行多次波压制，最终将有效波进行拉冬反变换。从CMP道集上可以看出，在中远偏移距处，多次波和一次波存在较大的时差。所以，此方法对压制中远偏移距处的多次波有特别理想的效果。而在近偏移距处时，则会引入假象以致得不到理想的效果，这就是该方法所存在的弊端。
在实际的地震数据处理过程中主要包括两步：一是，要尽量求准一次波的速度。尤其是在有效波及多次波的速度特别接近时，只有一次波的速度准确了，才有可能达到理想的效果。二是，多次试验一次波与多次波在最大偏移距处的时差。然后根据时差求出两者的P值差，这样在多次波压制的过程中，才有可能不损伤到有效波。
2.5 预测反褶积 预测反褶积是典型的基于多次波周期性特征来压制多次波的方法目前预测反褶积法已经在地震数据处理中取得了广泛的应用。
在实际运用预测反褶积法时，主要包括三个参数，它们分别是算子长度、预测步长及白噪系数。在运用这种方法时，必须满足三条假设，分别是子波要满足最小相位，介质为水平层状，数据为零偏移距数据，且同时不存在转换纵横波。
如果这几条中有任何一条不能满足，该方法在运用过程中有问题，因而无法得到满意的结果。
这种方法主要存在的缺点为：一是，除了有限的时间间隔，反射系数序列不可能完全不相关;二是，只有在水平成层状的介质的零偏移距处才会有理想的效果;三是，如果无法满足假设的条件，那么在压制多次波的过程中，只能消除部分多次波，且一次波有可能受到损伤，进而压制剖面得不到理想的效果[2]。
2.6 聚束滤波法多次波衰减 聚束滤波法与拉冬变换比较相似，也是一种模型拟合的处理方法，不仅包含了有效信号，而且还存在相关噪音。
关于数字化假变换问题，在这种方法中是不存在的，例如，在变换域中的截断问题和采样转化为模型拟合问题的过程中，是根据数据对模型进行调整的，所以这种方法不仅可以考虑到在大偏移距处由于要对折射波和直达波进行切除，而对一次波造成损伤;还可以考虑到相位和振幅随偏移距的改变，此方法能够对波组抗剖面、AVO做更深的分析，进而获得有效波在叠前方面的信息，同时在畸变消除方面也有很大的提高[2]。
通过多种试验可知，此种方法在压制多次波的过程中尽可能完全保留有效波，这是因为它不仅综合了地震波的动力学机制，而且还综合了地震波的运动学特性。
此方法在设计过程中的基本准则是不仅要满足最小方差，还要满足无偏，即必须满足两方面的要求：一是，信号必须没有畸变的情况;二是，输出来的噪音的能量必须为最小。聚束滤波方法在消除相关噪音过程中所受的限制条件也包括两方面的内容：一是，必须控制随机噪音的不断增大;二是，相关噪音最小的响应或零响应。如图5，从左到右依次为：输入的数据，被压制掉的多次波，估计出来的随机噪音。
3、结论
通过认识和对比各种压制海洋地震资料多次反射波的技术和方法，在遇到多次波强烈发育的地震资料的时候，我们首先分析和判别多次波的成因和类型，然后根据多次波的不同特征以及地质环境条件选择不同的技术方法进行消除和压制，针对一块勘查区域内的地震资料，通常会制定一套多次波组合压制技术方法，将各种多次波压制技术进行综合运用，只有这样才能达到有效去除多次波干扰，实现准确真实地震成像的最终目的。
参考文献：
[1]徐文君，於文辉，爱飞.地震资料多次波处理[J].工程地球物理学报，2005，2(6)：418-424.
[2]刘建辉.基于波动理论压制多次波方法研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2010.
[3]张兴岩，朱江梅，杨薇，等.海洋资料多次波组合衰减技术及应用[J].物探与化探，2011，35(4)：512-515.
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