第 1 章 绪 论
1.1 研究的目的及意义
中国陆上石油经过 40 多年的勘探开发, 主要含油气盆地的勘探程度日益提高,勘探难度日趋加大，稳产和增产越来越难[1]。但国民经济的发展对石油和天然气的需求却越来越大，据中石油发布的《国内外油气行业发展报告》显示 2015 年中国石油对外依存度已达到 60.6%，因此中国石油急需新的勘探领域和新的勘探技术来保证和推动中国石油天然气的储量升级和产能建设。海洋油气就是一个非常具有现实意义的接替勘探领域。根据我国第三次石油资源评测结果，我国目前石油资源量为 1072.7 亿吨，其中海洋石油 246 亿吨，占总量的 23%；海洋天然气 16 万亿立方米，占总量的 30%。目前我国海洋勘探还处于早、中期阶段，我国海洋油气探明率仅为 12.1%，远低于 73%的世界平均值和 75%的美国探明率[2]。造成这一局面的主要原因在于我国海洋油气勘探技术的落后，尤其是海洋深水油气勘探、开发技术的不足和严重滞后[3]。海洋地震勘探常用的采集技术主要有拖缆采集，海底电缆（Ocean BottomCable），海底节点（Ocean Bottom Node）和海底地震仪（Ocean Bottom Seismogragh）采集等。目前国际上比较常用的采集方法是进行拖缆采集。但拖缆采集存在着洋流、海浪等的影响，检波点点位漂移比较大，对地下构造的成像位置不准，影响了勘探的精度[4]；海水层的鸣震难以去除，降低了地震数据的频带宽度和分辨率，与有效反射混叠在一起造成地下的地质构造难以识别，甚至是误导，对油气勘探的影响非常严重，需要针对性的技术来克服[5]；海上油气勘探开发成本远比陆上要高[6]，为了提高勘探开发的成功率，需对油藏的赋存状态进行实时有效的监控[7]，需要综合利用各种波场的信息[8]。为了适应海上勘探的技术需求，二十世纪八十年代海上勘探出现了海底电缆采集新技术，随后又出现了更为灵活的海底节点采集技术。其中，海底电缆双检采集技术于 20 世纪 90 年代末引入我国[9]。相对于常规的海上拖缆地震采集技术而言，海底地震采集技术具有如下优势：①不受海上障碍区的影响，能够跨障碍作业，能够避免拖缆在此区域采集存在的数据空洞问题；②检波点布设在海底，受海水流动的影响小，检波点点位准确，适宜于时延地震勘探；③利用海底电缆中的压力检波器和速度检波器对海水层的鸣震响应极性的不同，通过压力检波器和速度检波器接收数据的合成处理可消除海水层的鬼波和鸣震；④便于开展海上多方位、宽方位和全方位地震观测；⑤可采集多分量地震数据，记录纵波信息的同时，可以接收到转换波信息，可联合应用纵横波的信息提高地震勘探的成功率等优势[10-12]而得到了业界的广泛应用。
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1.2 国内外研究现状
检波器的性能决定了所接收信号的质量，而检波器的性能又很大程度上由检波器的响应特性所决定，因此国内外地球物理工作者对各种类型检波器的响应特性和性能进行了深入的研究。孙传友(1986)[16]从压电晶体传感器和压电检波器的等效电路入手，导出了压电式海上检波器的电路方程、传输函数以及自然频率、阻尼系数、灵敏度、源阻抗等参数的计算公式；顾培城(1988)[17]分析了涡流式、压电式和动圈式三类检波器接收地震信号的特点和相互转化方法；孙传友(1988)[18]给出了机电类比法分析检波器响应特性的理论依据和分析步骤；Krohn和Chen(1992)[19]分析了陆检和水检检波器灵敏度对接收信号的影响和校正方法；Faber和Maxwell(1996)[20]分析了检波器假频产生的机理和对地震数据的影响；王增明(2003)[21]认为检波器自然频率方面的差别，在单炮记录上表现为对低、高频信息压制情况有所不同；刘怀山等(2003)[22]研究了检波器检测地震信号的机理；宋玉龙(2004)[23]，李国栋和汉泽西(2009)[30]，朱德兵等(2011)[31]研究了检波器的频率响应特性；梁运基和李桂林(2005)[22]从检波器的振动方程出发，对高分辨率地震检波器的关键参数以及检波器组合的连接方式对地震数据的影响进行了分析；罗福龙等(2005)[25]，陈金鹰等(2007)[27]分析了电磁感应式检波器、涡流检波器、超级检波器和数字检波器的工作原理和参数指标；丁伟和张家田(2006)[26]对检波器的分类、结构、原理、性能等进行了系统的总结；吕公河(2009)[28]从检波器的振动力学原理入手，分析了位移,速度和加速度三种类型检波器的幅频响应特性和相频响应特性，并论述了三种类型检波器的响应特性对地震数据的影响；单刚义等(2009)[29]从传统动圈式电磁感应检波器和压电式加速度检波器基本构造和工作机理出发，详细分析了两种检波器对地震信号的响应特征；魏继东(2013)[32]系统分析了模拟检波器和数字检波器的各项物理参数性能如何影响地球物理勘探所接收的地震信号，阐述了这些物理参数与所接收地震信号间的关系；任立刚(2015)[33]等通过对地震单炮纪录的初至及波形对比、振动真值曲线对比、拟合振动方程等的对比给出了两种检波器间相位差存在的证据、剖析了两种检波器产生相位差异的原因，给出了针对不同地表环境如何使用两种检波器的建议；Parrish等(2015)[34]认为水检和陆检间存在着随频率变化的振幅和相位差异，建议采用二阶数字均衡滤波器校正水检与陆检间的振幅和相位差异。
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第 2 章 检波器响应对海底双检数据的影响分析及校正方法研究
海底双检地震数据勘探技术是将速度检波器(陆检)和压电检波器（水检）共同布设在海底接收地下地震信息的技术。该技术以期利用速度检波器和压电检波器所接收的海水层鸣震信号具有不同的响应极性，通过水、陆检数据的合成处理来消除海水层的鸣震。但两种检波器的物理机制及特性存在着很大的差异，因而对海底水、陆检数据的质量品质影响很大，严重影响了水、陆检数据的合成效果。本章主要从水、陆检检波器的物理机理入手，分析两种检波器响应在相频、幅频和与海底的耦合效应等方面的差异对水、陆检地震数据的影响，在此基础上给出水陆检数据间的相位、能量、频率、耦合效应、噪声去除等方面的校正方法，提高水、陆检地震数据间的能量、频率、相位、信噪比的一致性关系，为水、陆检地震数据的合成处理和上、下行波场的分离打下坚实的基础。
2.1 检波器响应差异对海底双检地震数据的影响分析
垂直速度检波器是将接收到的反映地面机械振动的振动信号转化为该信号对应的电压信号的装置[26-27]，其组成结构如图 2.1 所示[25]。一般情况下，速度检波器由磁钢（也称作永久磁铁）、线圈、阻尼器、弹簧片和壳体等部分组成[29]。其中线圈缠绕在线圈支架上并通过弹簧片与外部塑料盖相连，线圈套在永久磁铁上，通过外壳与大地保持良好耦合。当震源激发地震波，引起地面振动时，检波器会感应到该振动，此时检波器开始震动，由于惯性的作用，线圈和永久磁铁间将会产生相对运动，而线圈在永久磁铁磁场中的运动会产生感应电动势，其电压的大小由线圈和磁铁的相对运动快慢所决定[22]。压电检波器的组成结构图如图 2.2 所示[23]，其由底座、压电元件和质量体三部分构成。其中压电元件一般由锆钛酸铅陶瓷、钛酸钡陶瓷、酒石酸钾钠晶体等所制成的压电陶瓷所组成。内部的检波器底座和质量体通过压电元件联系在一起。当气枪激发地震波后会引起水体压力的变化，该压力的变化会造成底座和质量体的一起运动，但由于底座的质量要比质量体的质量要大，惯性也大，在惯性力的作用下会产生一个与加速度方向相反的力作用于压电元件上。此时，压电元件通过压电效应会感应到水体压力的变化，并将其转化为对应的电信号[23]。压电元件所产生电压的大小与地震波震动所引起的水体运动加速度成正比，因此，又通常把其称作加速度检波器[25,27]。
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2.2 检波器响应差异对双检地震数据影响的校正方法
根据水检检波器和陆检检波器的相位-频率响应特性可知，水检数据和陆检数据在理论上存在着 900的相位差，因此需要对水检数据和陆检数据进行相位调整，消除两种数据间的相位差异。水、陆检数据的相位调整过程就是对其中的一种数据进行常相位校正的过程，但野外数据受各种因素的影响，其实际相位差往往并不等于理论上的 900，其相位差需要由地震数据来求取[33]。水、陆检数据的相位差异校正可由以下两步来完成：由于陆检是速度检波器，其接收的是速度型信号，水检是加速度检波器，其接收的是加速度型信号，根据傅里叶变换的时域微分性可知水检具有升频功能，因此水检数据的有效频带宽度要比陆检的宽，水检数据的视主频也要比陆检的高，为了使水陆检地震数据的有效频带宽度和主频都保持一致，需要对其进行频率一致性处理。为了使水、陆检数据的有效频率范围和主频能够达到一致，同时又不损失水检数据的高频有效信号，可采用频谱最佳调制技术来实现水检和陆检记录的频率一致性处理。频谱最佳调制技术是一种在不改变信号相位谱的情况下，以期望数据的振幅谱为约束条件来调制被调整的信号的振幅谱的技术[142]。
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第 3 章 海况对海底双检地震数据的影响分析及校正方法研究.... 49
3.1 海况对海底双检地震数据的影响分析 ......... 49
3.1.1 潮汐对海底双检地震数据的影响分析 ........ 49
3.1.2 海水层速度变化对海底双检地震数据的影响分析 .... 52
3.1.3 海水深度和海底地形对海底双检地震数据的影响分析 .... 57
3.2 海况对海底双检地震数据影响的校正方法 ......... 64
3.3 本章小结 ......... 81
第 4 章 海底双检地震数据的合成处理方法研究.... 83
4.1 海底双检地震数据压制鸣震的理论基础 ..... 83
4.2 鬼波和鸣震在海底双检数据上的表现特征分析 ......... 86
4.3 海底双检地震数据合成方法 ......... 90
4.4 模型试验 ......... 93
4.5 实际数据应用 ......... 99
4.6 本章小结 ....... 103
第 5 章 海底双检地震数据上下行波场联合最小平方逆时偏移.......... 104
5.1 常规偏移技术对海底双检地震数据成像存在的不足 ....... 104
5.2 海底双检地震数据上下行波场联合最小平方逆时偏移方法原理 ... 105
5.3 本章小结和讨论 ........... 121
第 5 章 海底双检地震数据上下行波场联合最小平方逆时偏移
5.1 常规偏移技术对海底双检地震数据成像存在的不足
为了提高施工效率和减少装备的投入，海上地震勘探观测系统通常采用少道多炮的观测系统，这样容易造成检波点对地震数据采样的不足，容易产生采集脚印现象[134]。图 5.1 上图为一排列间距为 600 米，检波点间距为 50m，炮点间距为25m，炮线间距为 50m 的海底电缆采集所采用的 2 线 11 炮观测系统，图 5.1 下图为该观测系统采集的地震数据的叠加剖面，从该叠加剖面可看出海上的少道多炮观测系统很容易造成浅层资料覆盖次数低且不均匀，甚至是资料的缺失，给地震数据带来明显的采集脚印，容易引起偏移的划弧现象，影响中、浅层的成像。同时海底地震勘探是把检波器布设在海底来接收地震数据，因此对于海底已没有一次反射波能够对其照明。对于地下反射界面相同的反射点，海底观测比在海面观测需要更大的入射角，对海底和浅层的界面，海底观测没有照明的地段将更大（如图 5.2 所示）。尤其是海底节点勘探，检波器间距多达几百米，检波点对地下地震数据的采样更是稀疏，对浅层的照明更是不足。因此对于海底数据，常规的偏移方法对海底很难成像，同时由于浅层的数据覆盖次数低且分布不均很容易造成偏移的划弧现象，产生偏移假象，影响地下地质构造的落实。而基于反演的最小二乘偏移可以有效地减弱由于不规则观测系统、稀疏采样、有限采集和有限偏移孔径产生的偏移假象，可以减轻偏移噪声，提高偏移数据的信噪比和成像质量[102-104]。
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结论
本论文以海底双检地震数据为研究对象，对影响海底双检地震数据质量品质的影响因素和关键处理技术开展了针对性研究。论文从水、陆检检波器响应和水、陆检-海底耦合系统传输函数对水、陆检地震数据质量品质的影响，到海况、水深、海水速度变化及海底地形对水、陆检地震数据品质的影响，到水、陆检地震数据的合成处理，到双检地震数据的成像，最后落脚到如何消除影响海底双检地震数据质量品质的影响因素，从而达到提高海底双检地震数据的质量品质，提高海底双检地震数据最终处理效果的目的。本论文从振动系统力学原理出发，从理论上研究了水检和陆检检波器的幅频响应、相频响应特性以及水、陆检与海底的耦合响应特性，分析了水检、陆检检波器的幅频响应、相频响应以及水、陆检与海底的耦合响应差异对海底双检地震数据质量品质的影响，并在此基础上给出了这些影响因素的针对性的校正方法，得出如下结论和认识：
（1）就检波器的幅频响应而言，速度检波器动态放大系数随阻尼比的增大而减小，振幅比随着阻尼比的增大而减小，灵敏度随着阻尼比的增大而变差；当频率比为 1 时，动态放大系数达到最大值；当频率比小于 1 时，动态放大系数随频率比的增大而增大；当频率比大于 1 时，动态放大系数随频率比的增大而减小。阻尼比小于 1 的加速度检波器（地震勘探中使用的水检检波器），当频率比小于 1时，动态放大系数基本保持不变；当频率比趋向于 1 时，动态放大系数达到最大值，然后动态放大系数迅速下降；
（2）就检波器的相频响应而言，速度检波器和压电检波器的相频响应具有相同的函数形式，区别在于相位上相互之间差了 90 度，速度检波器比加速度检波器在相位上提前了 90 度；
（3）就检波器与海底所构成的耦合系统的传输函数而言，陆检-海底耦合系统传输函数有两个突变点，一个位于检波器的自然频率处，另一个位于耦合系统的自然频率处，并且在地震数据的有效频段内，陆检-海底耦合系统传输函数的振幅响应不为 1 且随频率而变，相位响应不为 0 也随频率而变；水检-海底耦合系统传输函数在信号的频率大于自然频率后，水检-海底耦合系统传输函数的振幅响应恒为 1，相位响应趋近于 0.
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参考文献（略）