高效高精度初至波層析靜校正方法及應(yīng)用

李錄明，賀玉山，羅省賢

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.大慶鉆探工程公司 物探一公司，黑龍江 大慶163357）

目前，適應(yīng)任意介質(zhì)的層析靜校正已是解決復(fù)雜表層靜校正問題的主要方法，并廣泛應(yīng)用于二維、三維地震資料處理之中［1，2］。隨著三維勘探面積擴(kuò)大及采集道數(shù)的增加，反演的三維表層模型體積增大，網(wǎng)格點(diǎn)增多，適應(yīng)任意介質(zhì)的層析靜校正處理的工作量激增（其中包括初至拾取的工作量和層析反演的工作量），占用人力資源及設(shè)備資源也越來越多（如多計(jì)算節(jié)點(diǎn)、多CPU等）。通常在處理大面積三維資料時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間和設(shè)備資源，采用加大深度方向網(wǎng)格間距，減少網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的方法；但增大深度方向網(wǎng)格間距會(huì)降低反演模型的精度，影響層位分辨率。在處理靜校正問題中，由于各區(qū)域地表的差異及多樣性，對(duì)于一些特復(fù)雜地區(qū)，地表速度縱、橫向變化無規(guī)律，適應(yīng)層狀介質(zhì)的折射層析方法得不到好結(jié)果，因此用適應(yīng)任意介質(zhì)的層析靜校正的處理代價(jià)換取處理效果是有必要的。但在一些表層相對(duì)簡單地區(qū)，若仍使用適應(yīng)任意介質(zhì)的層析靜校正則代價(jià)太大，當(dāng)深度方向網(wǎng)格間距取得較大時(shí)多層分層精度也受影響，這時(shí)應(yīng)考慮采用多層層狀介質(zhì)模擬，研究一種高效、高精度的初至波靜校正方法。針對(duì)以上問題，作者在研究適應(yīng)任意介質(zhì)的層析靜校正方法的基礎(chǔ)上［1，2］，研究了一套包括快速初至?xí)r間拾取、快速表層模型折射反演、快速計(jì)算低頻校正量及高頻校正量、快速地表一致性和地表非一致性時(shí)差校正方法的高效、高精度快速初至波靜校正方法軟件。

1 基本方法及流程

高效、高精度快速初至波靜校正的基本方法及流程如下：①用交互及自動(dòng)初至拾取相結(jié)合的方法快速拾取初至?xí)r間；②對(duì)拾取初至?xí)r間進(jìn)行折射時(shí)距曲線模擬，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)折射波分層，再進(jìn)行折射層參數(shù)反演，可反演不受深度方向網(wǎng)格間距影響的表層層狀模型；③基于反演的表層模型，用直射線法計(jì)算靜校正量的低頻分量；④用計(jì)算的低頻分量對(duì)初至?xí)r間進(jìn)行靜校正；⑤用低頻分量校正后的初至?xí)r間再次進(jìn)行折射時(shí)距曲線擬合、自動(dòng)分層，統(tǒng)計(jì)地表一致性靜校正量的高頻分量；⑥將低頻分量與高頻分量合并，完成地表一致性靜校正，或由反演模型通過波場延拓實(shí)現(xiàn)地表非一致性靜校正。

1.1 快速初至拾取方法

在初至波表層模型層析反演中，初至?xí)r間拾取正確與否決定著表層模型反演質(zhì)量，因此初至拾取是非常重要的基礎(chǔ)工作，需要正確和細(xì)致。同時(shí)，初至?xí)r間拾取又是非常耗費(fèi)時(shí)間的過程，既占用大量人力，又影響處理周期，因此需要有快速的拾取方法。本文采用以下快速方法。

1.1.1 炮集記錄重排序

將未按地理位置順序排列的炮集記錄重排為按地理位置順序排列的炮集記錄，利用相鄰炮的相似性提高初至自動(dòng)拾取的效率。

1.1.2 自動(dòng)初至拾取方法

將前一CSP炮集已拾取的初至作為參考，對(duì)當(dāng)前CSP炮集進(jìn)行自動(dòng)初至拾取?；痉椒ㄊ抢贸踔敛ǖ哪芰刻卣?、波形特征、時(shí)距曲線特征和道間相關(guān)性進(jìn)行自動(dòng)檢測，步驟如下。

a.截去每道負(fù)半周信號(hào)（如果初至波為負(fù)極性，可先將記錄反轉(zhuǎn)極性）。

b.計(jì)算各道平均能量。c.按噪聲百分比去噪聲。d.在前一炮的參考時(shí)窗內(nèi)，檢測各道最大極值點(diǎn)前所有的波形峰值點(diǎn)。

e.統(tǒng)計(jì)各道最大極值點(diǎn)處波形的平均寬度，作為信號(hào)的平均視周期。

f.根據(jù)平均視周期，由最大極值點(diǎn)處的波峰向小時(shí)間方向搜索初至起跳點(diǎn)。

g.線性擬合初至?xí)r間，控制偏差量。

在實(shí)際資料處理中，可根據(jù)需要按上述過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡幚怼?/p>

1.1.3 交互拾取與自動(dòng)拾取相結(jié)合

采用交互拾取方法，大間隔人工（半自動(dòng)）拾取若干炮作為控制點(diǎn)，再自動(dòng)拾取其他炮，經(jīng)交互檢查，并對(duì)上述過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡?，可極大地提高初至拾取效率及精度。圖1為對(duì)某炮自動(dòng)拾取的部分初至。

1.2 快速折射層析反演方法

在低速的表層層狀介質(zhì)中容易產(chǎn)生折射。按照折射波理論，折射波時(shí)距曲線為直線，多層折射波時(shí)距線為折線段。折射波反演的關(guān)鍵是檢測或識(shí)別各層的時(shí)距線段，然后再根據(jù)折射波時(shí)距方程反演地表地層的速度和厚度。

1.2.1 折射波線性擬合及二分法自動(dòng)分層方法

在精確拾取的初至?xí)r間基礎(chǔ)上，自動(dòng)追尋各層折射波時(shí)距線的拐點(diǎn)是自動(dòng)分層的關(guān)鍵。由于折射波時(shí)距線是直線或近似為直線，不同速度地層的折射波時(shí)距線段斜率不同，兩層折射波時(shí)距線段之間必存在一拐點(diǎn)，因此，拐點(diǎn)成為由折射波時(shí)距線的斜率變化來分層的依據(jù)。本文采用二分法自動(dòng)完成追尋各層折射波時(shí)距線的拐點(diǎn)，其方法如下：將三維CSP各道按炮點(diǎn)左右（x方向）分為兩部分，對(duì)每一部分再按炮檢距大小將初至排列為二維時(shí)距曲線，先將時(shí)距曲線一分為二，對(duì)每一段再一分為二，分隔點(diǎn)在段內(nèi)采用逐點(diǎn)變化，可得多個(gè)分段，對(duì)每個(gè)分段均采用線性擬合的方法，判別各段的擬合誤差，應(yīng)用極大優(yōu)化估計(jì)理論，即可自動(dòng)找到第一分段中的最大拐點(diǎn)。由2個(gè)第一分段中的最大拐點(diǎn)可將時(shí)距曲線分為3段，以最大拐點(diǎn)為界，再在每一段中用上述二分法尋找是否還有拐點(diǎn)，若有拐點(diǎn)，記錄拐點(diǎn)，再次二分；依此類推，從而達(dá)到自動(dòng)分層，同時(shí)可得各層直線的斜率和截距，為反演奠定基礎(chǔ)。這種方法不需要初始條件，如層數(shù)、速度、厚度等，完全自動(dòng)分層。圖2為初至?xí)r間自動(dòng)擬合分層結(jié)果，圖中的點(diǎn)描述了初至?xí)r間，實(shí)線為分段結(jié)果。圖中以x＝0為界，兩邊各有4個(gè)折線段。

圖1 自動(dòng)拾取的某炮集的部分初至?xí)r間Fig.1 The automatically－picked up partial first arrival time of one shot

圖2 初至?xí)r間擬合自動(dòng)分層結(jié)果Fig.2 The automatically layered－built result by first arrival time fitting

1.2.2 反演各層速度及厚度

已知各層折射波時(shí)距線段的斜率和截距，即可知各層的速度vi和t0i，然后用下式逐層計(jì)算層厚度：

式中：di為層厚度；αi為入射角或臨界角。

對(duì)每個(gè)炮點(diǎn)分別求所在位置的速度模型，將其分布在排列所在的平面，再按同坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)疊加并取均值，即為反演的速度模型。

1.3 快速計(jì)算低頻校正量及高頻校正量

靜校正量分為低頻及高頻兩部分，低頻量一般與表層模型有關(guān)，而高頻量具有隨機(jī)性和統(tǒng)計(jì)性。

1.3.1 低頻靜校正量計(jì)算

根據(jù)反演所得的二維、三維速度模型，用射線法計(jì)算炮點(diǎn)、接收點(diǎn)的靜校正量，并顯示地形高程、靜校正量平面圖。

1.3.2 初至波高頻靜校正量計(jì)算

反演模型計(jì)算的靜校正量主要以低頻分量為主。在對(duì)炮集初至進(jìn)行低頻分量校正的基礎(chǔ)上，通過初至分段線性擬合，求取各道時(shí)間與擬合線的差值即為高頻時(shí)差分量。再對(duì)同一炮點(diǎn)及接收點(diǎn)進(jìn)行時(shí)差統(tǒng)計(jì)分離，可求得各炮點(diǎn)及接收點(diǎn)的高頻靜校正量。

用計(jì)算的高、低頻校正量進(jìn)行常規(guī)時(shí)差靜校正，即為地表一致性靜校正，這是靜校正量應(yīng)用方法之一。

1.4 地表非一致性時(shí)差校正

地表一致性靜校正方法建立于反射波射線在表層垂直傳播的基礎(chǔ)之上。實(shí)際中，由于炮檢距、反射深度以及表層速度結(jié)構(gòu)的不同，很難保證反射波射線在表層垂直傳播。因此，地表一致性很難保證，故靜校正量在大多數(shù)情況下具有地表非一致性。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)地表非一致性時(shí)差校正，本文的思路及方法如下：根據(jù)波動(dòng)理論，地震波無論在深層或淺層的傳播規(guī)律均滿足波動(dòng)方程。如果已知表層速度模型，通過求解波動(dòng)方程延拓地震波場，則可再現(xiàn)波在表層的傳播過程［3］。因此，用波場延拓的方法將非規(guī)則地表激發(fā)和接收的地震波延拓到某一穩(wěn)定高速層界面上，作為該高速層界面上激發(fā)和接收的地震波場，然后再用替換速度延拓到基準(zhǔn)面，即可消除表層速度變化對(duì)地震波的影響；而且這種消除時(shí)差的處理以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，能自適應(yīng)各種復(fù)雜的速度模型和波的傳播路徑，從而可解決表層曲射線傳播和變時(shí)差校正的難題。該方法即可稱為地表非一致性時(shí)差校正。

在波場延拓變時(shí)差校正過程中，低頻校正可直接用表層模型通過波場延拓實(shí)現(xiàn)，而高頻量是直接對(duì)道集校正。本文采用了并行計(jì)算［4］快速實(shí)現(xiàn)波動(dòng)方程波場延拓變時(shí)差校正。

2 應(yīng)用實(shí)例

用以上方法處理了二維及三維地震資料，圖3為二維地震資料層析靜校正結(jié)果對(duì)比圖，其中圖3－A為本文反演的二維表層模型，圖3－B為利用微測井加靜校正商業(yè)軟件計(jì)算校正量得到的疊加剖面，圖3－C是由本文反演模型的高、低頻校正量處理的疊加剖面。

圖3 二維地震資料層析靜校正結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the tomographic static correction results of 2－D seismic data

圖4為三維地震資料層析靜校正結(jié)果對(duì)比圖，其中圖4－A為本文反演的三維表層模型，圖4－B為利用微測井加靜校正商業(yè)軟件計(jì)算校正量得到的疊加剖面，圖4－C是由本文反演模型的高、低頻校正量處理的疊加剖面。圖5為反演的三維表層模型常規(guī)靜校正與波場延拓變時(shí)差校正結(jié)果對(duì)比圖，其中圖5－A為反演的三維表層模型常規(guī)靜校正疊加剖面（地表一致性），圖5－B為反演的三維表層模型波場延拓變時(shí)差校正疊加剖面（地表非一致性）。由處理結(jié)果可見，本文反演模型靜校正效果優(yōu)于微測井加靜校正商業(yè)軟件計(jì)算校正量效果，波場延拓變時(shí)差校正（地表非一致性）效果優(yōu)于常規(guī)靜校正（地表一致性）效果。

3 結(jié)束語

質(zhì)量好且效率高的處理方法是地震資料處理中追求的目標(biāo)，因此對(duì)地表不十分復(fù)雜、但靜校正問題仍然很嚴(yán)重的地區(qū)，采用快速高精度初至波靜校正的處理是很有必要的。本文方法可同時(shí)計(jì)算低頻及高頻校正量，不但可校正構(gòu)造形態(tài)，而且可提高成像效果，還可通過波場延拓進(jìn)行變時(shí)差校正，實(shí)現(xiàn)地表非一致性時(shí)差校正。實(shí)際資料處理表明，該方法的處理效率是同規(guī)模網(wǎng)格層析反演的上千倍（例如，在單CPU上反演40km的二維模型僅需幾秒），在保證高精度的同時(shí)顯著提高了處理效率。

圖4 三維地震資料層析靜校正結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the tomographic static correction results of 3－D seismic data

圖5 三維表層模型常規(guī)靜校正與波場延拓變時(shí)差校正結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison for normal static correction and variable time correction of wave－filed continuation based on 3－D surface model

［1］李錄明，羅省賢，趙波.初至波表層模型層析反演［J］.石油地球物理勘探，2000，35（5）：559－564.Li L M，Luo S X，Zhao B.Tomographic inversion of first break in surface model［J］.Oil Geophysical Prospecting，2000，35（5）：559－564.（In Chinese）

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［4］羅省賢，李錄明.三維表層模型層析反演并行化程序設(shè)計(jì)與研究［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，31（1）：77－80.Luo S X，Li L M.Parallel study and realization for tomographic inversion of 3Dsurface velocity model［J］.Journal of Chengdu University of Technology（Science ＆ Technology Edition），2004，31（1）：77－80.（In Chinese）

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［6］羅省賢，李錄明.交互三維速度模型建立方法及軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，26（1）：42－47.Luo S X，Li L M.An interactive method of building 3Dvelocity model and the realization of the system［J］.Journal of Chengdu University of Technology，1999，26（1）：42－47.（In Chinese）

［7］羅省賢，何大可.基于MPI的網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算環(huán)境及應(yīng)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.Luo S X，He D K.Network Parallel Computing Environment and Application Based on MPI［M］.Chengdu：Publisher of Southwest Jiaotong University，2001.（In Chinese）