零偏移距共反射面疊加原理及其在工程地震勘探中的應(yīng)用

劉國(guó)華,李慶春,唐小平,肖 梅

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西西安710054;2.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院,陜西西安710064)

0 引言

以高信噪比為前提的高分辨率地震勘探成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì),提高地震資料信噪比是目前重要的課題[1]。疊加技術(shù)是提高信噪比以及從疊前三維多次覆蓋反射地震數(shù)據(jù)體得到模擬零偏移距(ZO)疊加剖面的一個(gè)重要途徑。模擬零偏移距剖面的常規(guī)動(dòng)校正與傾角校正疊加以及疊前偏移方法都需要精確的宏速度模型,當(dāng)?shù)叵碌刭|(zhì)條件未知時(shí),這些方法不能對(duì)地下反射界面產(chǎn)生最佳照明。德國(guó)學(xué)者Hubral于-20世紀(jì)-90年代末提出的共反射面(CRS)疊加方法僅需要近地表速度信息,是一種完全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的、與宏速度模型無關(guān)的成像方法,比較適合用于界面曲率連續(xù)變化的彎曲界面疊加成像,能夠產(chǎn)生對(duì)地下反射界面最佳照明的模擬零偏移距剖面[2]。共反射面疊加方法假定中心射線是法向射線,因此這種技術(shù)被稱為零偏移距共反射面疊加[2-3]。共反射面疊加通過合并相鄰共中心點(diǎn)(CMP)道集形成共反射面超道集,有效利用了第一菲涅耳帶內(nèi)的全部疊前多次覆蓋數(shù)據(jù)反射信息,可提高數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)和信噪比,增強(qiáng)反射同相軸連續(xù)性,還可提供一系列的運(yùn)動(dòng)學(xué)波場(chǎng)屬性參數(shù)剖面,是地震資料處理方法的重要發(fā)展方向。

工程地震勘探數(shù)據(jù)采集覆蓋次數(shù)較低,如何提高信噪比依然是一個(gè)難題[4-8]。共反射面疊加技術(shù)可通過增加數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)來提高信噪比,但該技術(shù)還未在國(guó)內(nèi)工程地震勘探中進(jìn)行應(yīng)用[9]。鑒于此,筆者將其引入工程地震勘探以期解決提高信噪比的難題。

1 二維零偏移距共反射面疊加原理

利用法向波和法向入射點(diǎn)波可得到適用于非均勻介質(zhì)的共反射面時(shí)距關(guān)系,將其進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開并保留至二階項(xiàng)可得到用3個(gè)波場(chǎng)屬性參數(shù)表達(dá)的二維零偏移距共反射面疊加計(jì)算公式[3-4,10-11]

式中:thyp為雙曲線共反射面雙程走時(shí);t0為中心射線雙程走時(shí);Δxm=xm-x0為相對(duì)中心點(diǎn)位移,xm與x0分別為旁軸射線與中心射線對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)-x坐標(biāo);h為半偏移距;v0為近地表速度;RNIP、RN分別為圖1所示的假想法向波和法向入射點(diǎn)波的波前曲率半徑;α為兩種波的共同出射角。法向入射點(diǎn)波波前在地面ξ0處向下傳播并在法向入射點(diǎn)處聚焦,然后回到觀測(cè)面上ξ0處與初始波前重合;法向波波前在觀測(cè)點(diǎn)ξ0處向下傳播并同時(shí)到達(dá)法向入射點(diǎn)所在的第二個(gè)反射界面上的所有點(diǎn),然后反射回來以相同的波前出現(xiàn)在地面上(圖1)[2-3,12]。

圖1 法向波與法向入射點(diǎn)波Fig.1 NIP Wave and Normal Wave

對(duì)于零偏移距剖面中每個(gè)樣點(diǎn),通過相干分析方法自動(dòng)計(jì)算3個(gè)波場(chǎng)屬性參數(shù),然后沿式(1)所確定的疊加曲面進(jìn)行疊加并將結(jié)果放到相應(yīng)的樣點(diǎn)上就可得到最終的零偏移距共反射面疊加剖面。

2 二維零偏移距共反射面疊加實(shí)現(xiàn)步驟

式(1)在共中心點(diǎn)道集(Δxm=xm-x0=0)中簡(jiǎn)化為熟知的共中心點(diǎn)雙曲線[3-4,11]

在零偏移距剖面(h=0)中簡(jiǎn)化為漂移雙曲線[3-4,11]

根據(jù)式(2)、(3)可以將零偏移距共反射面疊加實(shí)現(xiàn)過程分解為3個(gè)步驟,并利用MATLAB與VC++混合編程實(shí)現(xiàn)[13]。

2.1 約束自動(dòng)共中心點(diǎn)疊加

在共中心點(diǎn)道集中根據(jù)式(2)通過相干分析方法自動(dòng)計(jì)算疊加參數(shù),并加以共中心點(diǎn)疊加孔徑約束后進(jìn)行疊加。令中間變量-q=cos2α/RNIP,則式(2)變?yōu)閇3-4,11]

式中:vnmo為動(dòng)校正速度。式(5)說明這一步可用常規(guī)速度分析與共中心點(diǎn)疊加來代替,只是此處-vnmo不通過人機(jī)交互速度分析來確定,而是通過相干分析完全自動(dòng)實(shí)現(xiàn),不需要進(jìn)行可視化識(shí)別與拾取速度峰值。共中心點(diǎn)疊加孔徑主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行修正,一般是在時(shí)間(t)—半偏移距(h)平面內(nèi)給定的2個(gè)點(diǎn)(t1,h1)和(t2,h2)之間對(duì)共中心點(diǎn)孔徑進(jìn)行線性插值(t1、t2分別為上述兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間;h1、h2分別為上述兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半偏移距)。由于與熟知的共中心點(diǎn)疊加方法類似并加以孔徑約束,這一步稱為約束自動(dòng)共中心點(diǎn)疊加,可得到3個(gè)剖面:自動(dòng)共中心點(diǎn)疊加剖面,相干剖面及q或vnmo剖面。

2.2 零偏移距疊加

漂移雙曲線式(3)在零偏移距剖面中依賴于兩個(gè)波場(chǎng)屬性參數(shù):α與RN。由于技術(shù)原因無法采集到零偏移距剖面,但在上一步中得到的約束自動(dòng)共中心點(diǎn)疊加結(jié)果是一個(gè)模擬零偏移距剖面,具有較高的信噪比,可代替零偏移距剖面用于搜索α與RN。對(duì)于模擬零偏移距剖面中每個(gè)時(shí)間樣點(diǎn),沿式(3)執(zhí)行一次二維搜索或執(zhí)行兩次一維搜索來確定α與RN并進(jìn)行疊加。在對(duì)-RN進(jìn)行搜索時(shí)可引入黎曼球半徑以避免出現(xiàn)數(shù)值問題,利用α與上一步得到的q或vnmo可計(jì)算-RNIP或在共炮點(diǎn)和共接收點(diǎn)道集中使用疊前數(shù)據(jù)子集的共反射面疊加計(jì)算公式對(duì)RNIP進(jìn)行搜索。由于只涉及零偏移距剖面中定義的走時(shí)曲線,這一步稱為零偏移距疊加,可得到5個(gè)剖面:零偏移距疊加剖面、最大相干剖面、α初始值剖面、RN初始值剖面與RNIP初始值剖面。

2.3 零偏移距共反射面疊加

最后一步利用式(1)給出的雙曲線走時(shí)近似,將零偏移距疊加中得到的3個(gè)波場(chǎng)屬性參數(shù)(α、RN、RNIP)作為優(yōu)化算法的初值點(diǎn)應(yīng)用到原始多次覆蓋數(shù)據(jù)集中。利用(xm-h-t)空間內(nèi)全部共反射面疊加可得到5個(gè)剖面:最終共反射面疊加剖面、最大相干剖面、最優(yōu)α剖面、最優(yōu)RNIP剖面和最優(yōu)RN剖面。

3 在工程地震勘探中的應(yīng)用

3.1 理論模型試算

使用一個(gè)由二層均勻介質(zhì)組成的斷層模型(圖2)對(duì)零偏移距共反射面疊加進(jìn)行試算處理,模型采用射線追蹤方法生成,地震信號(hào)使用主頻為40 Hz的零相位雷克子波,并在生成的原始多次覆蓋炮集記錄中添加隨機(jī)噪音。

從圖3中可以看出,常規(guī)共中心點(diǎn)疊加剖面同相軸比較模糊,斷層斷點(diǎn)不清晰,而零偏移距共反射面疊加剖面信噪比明顯得到了改善,同相軸連續(xù)性得到了加強(qiáng),斷層斷點(diǎn)更加清晰。理論模型試算結(jié)果表明:零偏移距共反射面疊加與常規(guī)疊加相比可以更加有效地壓制噪音,增強(qiáng)反射同相軸連續(xù)性與信噪比,改善疊加剖面質(zhì)量,得到的模擬零偏移距剖面與地質(zhì)模型吻合得更好,證明了零偏移距共反射面疊加實(shí)現(xiàn)流程的正確性與有效性。

圖2 理論模型速度場(chǎng)及部分炮集記錄Fig.2 Velocity Field of Synthetic Model and Part Records of Shot Seismogram

圖3 理論模型常規(guī)共中心點(diǎn)疊加結(jié)果及零偏移距共反射面疊加結(jié)果Fig.3 Conventional CMP Stack Section and ZO CRS Stack Section for Synthetic Data

3.2 實(shí)例分析結(jié)果

圖4 實(shí)際資料常規(guī)共中心點(diǎn)疊加結(jié)果及零偏移距共反射面疊加結(jié)果Fig.4 Conventional CMP Stack Section and ZO CRS Stack Section for Real Data

實(shí)際資料來自西部某高速公路段附近一條二維測(cè)線,該測(cè)線主要為上覆黃土。從圖4中可以看出,零偏移距共反射面疊加明顯增強(qiáng)了淺層反射同相軸連續(xù)性,改善了疊加剖面質(zhì)量與信噪比,這得益于共反射面疊加對(duì)數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)的提高。實(shí)際資料試算結(jié)果驗(yàn)證了零偏移距共反射面疊加在工程地震勘探實(shí)際資料處理中的實(shí)用性與有效性,可達(dá)到提高地震資料處理成像質(zhì)量的預(yù)期目的,證明零偏移距共反射面疊加是一種非常有發(fā)展前景的地震成像方法。

4 結(jié)語

(1)零偏移距共反射面疊加是一種完全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)且與宏速度模型無關(guān)的方法,是對(duì)用于橫向不均勻介質(zhì)共中心點(diǎn)疊加技術(shù)的擴(kuò)展。

(2)零偏移距共反射面疊加能夠適用于工程地震勘探資料數(shù)據(jù)處理,可提高地震數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)與信噪比,顯著改善模擬零偏移距剖面的成像質(zhì)量,共反射面疊加孔徑的選擇是取得良好效果的關(guān)鍵。

(3)理論模型與工程地震實(shí)際資料試算結(jié)果表明零偏移距共反射面疊加在工程地震成像數(shù)據(jù)處理中非常有發(fā)展前景。

[1] 李慶忠.走向精確勘探的道路[M].北京:石油工業(yè)出版社, 1993.

[2] Hubral P,H?cht G,J?ger R.Seismic Illumination[J].The Leading Edge,1999,18(11):1268-1271.

[3] J?ger R.The Common-reflection-surface Stack Theory and Application[D].Karlsruhe:Karlsruhe University,1999.

[4] Mann J.Extensions and Applications of the Common-reflection-surface Stack Method[D].Karlsruhe:Karlsruhe University, 2002.

[5] 孟慶生,楚賢峰,郭秀軍,等.高分辨率數(shù)據(jù)處理技術(shù)在近海工程地震勘探中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(3): 1006-1010.

[6] 王者江,何樵登,田 鋼,等.工程反射地震非常規(guī)方法野外施工的探討[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2005,35(6):796-800.

[7] 王躍飛,龔道平,蔡大江.復(fù)雜山地條件、特長(zhǎng)、大埋深公路隧道工程地震勘探技術(shù)方法[J].物探與化探,2007,31(1): 81-85.

[8] 侯衛(wèi)生,劉江平.工程地震勘探新進(jìn)展[J].勘探地球物理進(jìn)展,2002,25(6):59-64.

[9] 張鐵強(qiáng),王兆湖,牛濱華.CRS疊加技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2008,27(2):128-131.

[10] Heilmann Z.CRS-stack-based Seismic Reflection Imaging for Land Data in Time and Depth Domains[D].Karlsruhe: Karlsruhe University,2007.

[11] Liu G H,Li Q C,Tang X P.2D Zero-offset Common Reflection Surface Stack and Its Application in Engineering Seismic Prospecting[C]∥Huang R Q,Wang X B.The 4th International Conference on Environmental and Engineering Geophysics. North Brunswick:Science Press USA,2010:250-254.

[12] Vieth K U.Kinematic Wavefield Attributes in Seismic Imaging[D].Karlsruhe:Karlsruhe University,2001.

[13] 劉國(guó)華,肖 梅,李慶春.地震資料極化分析及MATLAB與VC++混合編程技術(shù)[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2008, 30(3):305-310.

[14] Hertweck T,Schleicher J,Mann J.Data Stacking Beyond CMP[J].The Leading Edge,2007,26(7):818-827.