一種優(yōu)化數(shù)據(jù)量以提高地震速度分析精度的方法

郭樹祥

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院，山東東營 257022）

速度分析、動／靜校正、疊加成像和偏移歸位是地震資料處理的4大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中速度分析占居首位且影響到其它3個環(huán)節(jié)［1］。速度的誤差會造成近地表校正誤差、動校正誤差，以及剩余靜校正量的計算誤差，繼而影響疊加成像的質(zhì)量以及偏移的精確歸位［2］。隨著地震勘探的不斷深入，對地震成像的精度要求越來越高，自然對速度分析精度的要求也越來越高［3］。

常用的速度分析方法多采用基于疊加能量的最小誤差能量判別準則。從速度分析方法本身到所采用的判別準則都與參與速度分析的數(shù)據(jù)量有關(guān)。目前多數(shù)地震資料的覆蓋次數(shù)還是比較低的；而在地表和地下地質(zhì)條件復雜的地區(qū)，地震資料的信噪比也較低。對于覆蓋次數(shù)和信噪比較低的地震資料，地震速度譜上的能量團發(fā)散，速度分析精度較低，尤其是中深層的精度會更低。前人采用四次項速度分析方法來增強地震疊加成像質(zhì)量［4］，但這種方法僅提高了中淺層的速度分析質(zhì)量，還不能解決中深層速度能量發(fā)散問題。

針對中深層速度譜能量團不聚焦、速度分析精度低的問題，人們常采用多面元組合的方式來增加參與速度分析的數(shù)據(jù)量。為了進一步提高速度分析的精度，基于對速度分析數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)面元大小的影響分析，通過實際地震資料的反復測試研究，筆者提出采用橢圓形面元組合方式約束遠離速度分析中心點數(shù)據(jù)的方法，優(yōu)化參與速度分析的數(shù)據(jù)量，以增強速度譜的能量聚焦性，提高中深層速度分析的精度。

1 速度分析精度的影響因素分析

影響地震速度分析精度的因素很多［5－8］。針對地震資料處理中如何進一步提高速度分析精度的問題，我們在這里重點分析參與速度分析的數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)面元大小對速度分析精度的影響。

1.1 數(shù)據(jù)量對速度分析精度的影響

地震資料處理中多采用制作速度譜的方法來得到地震疊加速度。速度譜分析通常采用的最小能量誤差判別準則如下：

式中：M為記錄道數(shù)；N為計算時窗長度；ki為第i道反射信號到達時間的采樣點序號；fi，l＋ki為第i記錄道的第l＋ki個采樣點處的振幅值；Emin為最小能量誤差。

當有干擾背景存在時，最小能量誤差往往不明顯，因此用尋找極大的等價方法來進行判別，由此衍生了平均能量、相似性系數(shù)和互相關(guān)系數(shù)等判別準則［3－4］。

平均振幅判別準則如下：

式中：括號內(nèi)多項式表示對各道信號求平均，它的平方表示求平均后信號的振幅能量，對它求和表示沿反射信號時窗求總能量的和。

相似性系數(shù)判別準則如下：

互相關(guān)系數(shù)判別準則如下：

式中：i′為第i道序號加1；R為互相關(guān)系數(shù)；這里是取兩個不同道的信號按括號內(nèi)計算方式做互相關(guān)運算，得到相關(guān)系數(shù)后再求和。當相關(guān)系數(shù)達到最大時，就得到準確的速度值。

從上述3種實用速度判別準則來看，無論哪種判別方法都與地震道數(shù)量有關(guān)，這說明參與速度分析與判別的地震數(shù)據(jù)量（道數(shù)）起著重要作用。

1.2 常規(guī)的數(shù)據(jù)面元組合方式應用效果分析

覆蓋次數(shù)較低時采集的單位面元內(nèi)地震道數(shù)較少，速度分析的精度也就比較低。但目前高覆蓋次數(shù)（大于80次）的地震采集相對較少，大多數(shù)的覆蓋次數(shù)在80次以內(nèi)，且多數(shù)老資料覆蓋次數(shù)在30～60次之間。對于較低覆蓋次數(shù)資料的速度分析，通常采用的方法是加大速度分析點的參與分析數(shù)據(jù)量［9］。

針對地震數(shù)據(jù)信噪比較低和面元內(nèi)覆蓋次數(shù)較少時速度譜能量團發(fā)散的問題，加大參與速度分析數(shù)據(jù)量的一般做法是采取多面元組合方式來擴大速度分析的數(shù)據(jù)面元。通常選用矩形或正方形的面元組合方式，這對于提高單點速度分析的質(zhì)量起到了很好的作用。這里以一深層構(gòu)造較復雜且信噪比不高的實際地震資料（60 次覆蓋、25m×25m 面元）為例，分析采用不同組合方式擴大速度分析數(shù)據(jù)面元的實際效果。圖1是3個面元3×1矩形組合（縱向3個面元，橫向1排面元）和6個面元3×2矩形組合（縱向3個面元，橫向2排面元）分析計算的速度譜。由圖1可以明顯看出，擴大速度分析數(shù)據(jù)面元后，速度譜的能量聚焦得到加強，速度分析精度得到提高。

圖1 3個面元3×1矩形組合（a）和6個面元3×2矩形組合（b）分析計算的速度譜

一般來講，參與速度分析的數(shù)據(jù)量越多，速度分析的質(zhì)量會越高。但是，當參與分析的數(shù)據(jù)量達到一定程度后，速度分析的質(zhì)量不但不能提高，而且還會變差。分析認為，由于實際地層速度在空間上是變化的，使用過大范圍的數(shù)據(jù)會使分析的速度平均化，不能反映真實的地下地層速度［7］。再說，速度分析的數(shù)據(jù)面元過大也會增加計算工作量。

速度分析的網(wǎng)格密度也與參與分析的面元數(shù)量有關(guān)。目前多數(shù)地震資料采集的面元網(wǎng)格為25m×25m，速度分析網(wǎng)格密度為250m×250m，有的速度分析網(wǎng)格密度會更小。當速度分析網(wǎng)格密度為250m×250m 時，兩個速度分析點之間的距離為250m，即一個點的速度分析使用的數(shù)據(jù)距離跨度不能超過250m。也就是說，對于采集面元為25m×25m 的地震資料，速度分析點距離不能超過10個面元。

基于上述兩個方面的分析，設(shè)計了幾種數(shù)據(jù)組合進行測試。圖2是分別采用3×3，5×3，7×3和7×5個面元的矩形組合分析計算的速度譜。由于參與速度分析的面元數(shù)量不同，圖2中4個速度譜上能量團的聚焦程度差異很大：圖2b的速度精度比圖2a高；圖2c的速度精度比圖2b又有提高，能夠達到成像對速度精度的需求；而圖2d的速度精度則沒有提高，且下部的能量聚焦出現(xiàn)了偏差，影響了深部速度的準確性。由此可見，速度分析的數(shù)據(jù)面元并非越大越好。

圖2 3×3（a），5×3（b），7×3（c）和7×5（d）個面元矩形組合分析計算的速度譜

2 速度分析面元組合方式的優(yōu)化

2.1 橢圓形速度分析面元組合方式

常規(guī)速度分析擴大數(shù)據(jù)面元的做法一般是采用矩形或正方形的面元組合方式。由于地下介質(zhì)速度不是一個均勻速度場，而是一個空間變化的速度場，速度分析時擴大了數(shù)據(jù)面元，使遠離速度分析中心點的數(shù)據(jù)共同參與分析，這些數(shù)據(jù)存在較大的各向異性，引起速度的聚焦性變差［10－12］。為此，基于約束遠離速度分析點地震數(shù)據(jù)的考慮，通過實際地震資料的反復測試研究，筆者提出了一種優(yōu)化速度分析數(shù)據(jù)量的方法——采用橢圓形速度分析面元組合方式（圖3）。

橢圓形速度分析面元組合方式既能保證參與速度分析的數(shù)據(jù)量，又約束了距離速度分析中心點較遠的數(shù)據(jù)，從速度分辨率和能量聚焦性兩個方面分析都比正方形或矩形的組合方式優(yōu)越。圖4是相同面元個數(shù)不同組合方式分析計算的速度譜。由圖4可見，橢圓形組合比正方形和矩形組合分析的速度精度高，淺層的速度能量聚焦性好，深部符合速度變化趨勢，能量相對集中，速度易于確定。

圖3 矩形和橢圓形速度分析面元組合方式圖解

2.2 橢圓形組合方式的面元數(shù)量分析

針對橢圓形組合方式縱、橫向（橢圓長、短軸方向）參與速度分析面元數(shù)量的選擇問題，圖5給出了橢圓組合方式縱向1，3，5，7個面元分別參與分析計算的速度譜?？梢钥闯觯S著面元個數(shù)的增加，速度精度逐步提高，但到7個面元時效果變化不大，說明在縱向上參與速度分析的面元數(shù)已經(jīng)到了極限。圖6是橢圓組合方式橫向1，3，5個面元分別參與分析計算的速度譜，可以看出，橫向采用5個面元時，速度精度與采用3個面元相當，且深部有些速度點反而變得模糊了，說明橫向上參與速度分析的面元數(shù)采用3個比較合適。也就是說，縱向采用5個面元，橫向采用3個面元，即采用15個面元的橢圓形組合方式能夠提高速度分析的精度。

為了進一步說明這一問題，選擇了另一個地區(qū)地震資料進行了測試分析。圖7為采用信噪比較高的地震資料和橢圓形面元組合方式進行速度分析的結(jié)果，該地區(qū)資料采集的接收道距為25m，覆蓋次數(shù)68次，接收面元為25m×50m。圖7a為縱向3個面元、橫向3排面元；圖7b為縱向5個面元、橫向3排面元；圖7c為縱向7 個面元、橫向3排面元參與速度分析計算的速度譜?？梢钥闯觯簣D7a中部速度譜能量團清晰度差，深部幾個速度點沒有聚焦；圖7b中部速度譜能量團變得清晰，深部速度聚焦明顯；而圖7c中深部速度譜能量團變強，但是有些速度點的橫向分辨率有所下降。由此可見，對于信噪比較高的資料，在縱向上采用7個面元參與速度分析，其數(shù)據(jù)距離速度分析中心點的跨度顯得過大了。另外，從圖7也可以看到，由于資料的信噪比較高，深部的一個強反射層在3張速度譜上都得到了較強的速度顯示；從參與速度分析的數(shù)據(jù)量來看，對于覆蓋次數(shù)和信噪比較高的資料，適當減少參與速度分析的面元個數(shù)，有利于保持速度橫向分辨率。

上述2個測試例子所使用的實際地震資料在覆蓋次數(shù)、采集面元和信噪比上均有所不同，綜合分析其速度分析效果可以得到以下認識：①參與速度分析的數(shù)據(jù)距速度分析中心點的跨度不能過大，對于橢圓形面元組合優(yōu)化方式來說，一般以縱向在5個面元之內(nèi)、橫向在3排面元之內(nèi)為佳。②所用地震資料采集面元的縱、橫向尺寸相差較小或尺寸一樣（如：面元25 m×25m）時，參與速度分析的橫向面元個數(shù)影響小，面元的縱、橫向尺寸相差較大，或者說采集面元的橫向尺寸較大（如面元25 m×50m）時，參與速度分析的橫向面元個數(shù)影響大。這是由于橫向的數(shù)據(jù)距速度分析中心點的距離更遠，對速度分析的精度有更明顯的影響［13－14］。③當?shù)卣鹳Y料的覆蓋次數(shù)與信噪比較高時，可以適當減小速度分析的數(shù)據(jù)量，即減少參與速度分析的面元個數(shù)，盡可能地保持速度橫向分辨率［15］。

3 實際應用效果分析

在勝利油田濟陽坳陷的實際地震資料處理中，應用橢圓形面元組合方式優(yōu)化參與速度分析的數(shù)據(jù)量后見到了很好的效果。圖8和圖9分別是A區(qū)和B 區(qū)地震資料優(yōu)化數(shù)據(jù)量前、后計算的速度譜。A 區(qū)資料覆蓋次數(shù)為60次，面元網(wǎng)格25m×25m，資料深層信噪比較低；B 區(qū)資料覆蓋次數(shù)為96次，面元網(wǎng)格25m×50m，資料深層信噪比不高。圖8a 和圖9a 采用矩形面元組合，圖8b 和圖9b采用橢圓形面元組合，面元個數(shù)均為5×3（縱向5個面元、橫向3個面元）?？梢钥闯鰞?yōu)化后的速度分析精度明顯提高，速度點聚焦能量增強，速度趨勢走向合理，深部速度譜質(zhì)量明顯改善，速度易于確定。圖10和圖11是分別對應圖8，圖9的疊加成像剖面，與應用優(yōu)化方法前的剖面相比，應用優(yōu)化后速度的疊加剖面上淺層保持了相同的地質(zhì)特征，而中深層的構(gòu)造成像質(zhì)量得到了明顯提高，波組特征關(guān)系清晰，同相軸連續(xù)性增強。尤其是圖10b底部大斷面成像清楚，斷面下的潛山包絡面及內(nèi)幕地質(zhì)特征顯著增強，更利于后續(xù)合理的地質(zhì)解釋。

4 結(jié)束語

從優(yōu)化參與速度分析數(shù)據(jù)量的思路出發(fā)，采用橢圓形面元組合方式約束遠離速度分析中心點的數(shù)據(jù)，同時根據(jù)地震資料的覆蓋次數(shù)和信噪比等因素，兼顧中深層速度能量的聚焦性和橫向分辨率，合理地選擇參與橢圓形組合速度分析的縱、橫向面元數(shù)，能夠在一定程度上提高地震速度分析的精度，特別是中深層的速度分析精度，進而提高地震成像的質(zhì)量。

采用橢圓形面元組合方式優(yōu)化參與速度分析數(shù)據(jù)量的方法雖然是基于勝利油田濟陽坳陷陸上地震資料提出的，但從理論依據(jù)分析和實際應用效果來講，該方法對其它地區(qū)地震資料的速度分析同樣具有一定的參考和借鑒價值。

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