基于高斯射線束的疊前深度偏移在斷裂帶成像中的應(yīng)用——以渤海海域遼東灣地區(qū)為例

張志軍

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

0 引言

地震偏移最初的建立是以射線理論為基礎(chǔ)的[1-2]，形成了繞射掃描迭加方法，但并沒(méi)有考慮地震波的動(dòng)力學(xué)特征，因此其成像精度受到了很大限制。隨著地震波動(dòng)理論引入地震波場(chǎng)偏移成像中[3-4]，地震成像精度和成像質(zhì)量都有了很大提高。

高斯射線束偏移方法是彈性波方程集中在射線附近的高頻漸進(jìn)時(shí)間調(diào)和解，采用高斯射線束法計(jì)算出的地震波場(chǎng)同時(shí)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征?；诟咚股渚€束的疊前深度偏移不但可以克服諸如焦散區(qū)等射線法失效區(qū)域的奇異性問(wèn)題，而且避開(kāi)了標(biāo)準(zhǔn)射線方法的多路徑問(wèn)題。高斯射線束偏移利用射線束疊加保留了大部分波至?xí)r間，從而克服了標(biāo)準(zhǔn)射線方法在焦散面附近振幅急劇、不固定變化的缺陷，在構(gòu)造復(fù)雜的地方也能獲得較好的成像效果。

在 20世紀(jì) 80年代，Cerveny等[8]將電磁學(xué)領(lǐng)域的高斯射線束方法引入地球物理領(lǐng)域，并將其成功用于波場(chǎng)正演中。自Raz[9]提出束疊加方法后，高斯束開(kāi)始在地震偏移成像中得到了進(jìn)一步研究和應(yīng)用。Hill[10]提出了適用于共偏移距、共方位角道集的疊前高斯束偏移方法。由于該方法對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性不足，Nowack等[11]針對(duì)該方法提出了共炮域的高斯束疊前偏移方法，該方法首先根據(jù)接收點(diǎn)射線參數(shù)對(duì)共炮數(shù)據(jù)進(jìn)行局部?jī)A斜疊加，然后根據(jù)炮點(diǎn)射線參數(shù)進(jìn)行地下點(diǎn)的成像。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也在高斯束疊前偏移方面進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用。王志亮等將高斯束偏移方法運(yùn)用到渤海LD16-17區(qū)[12]，通過(guò)實(shí)際資料的應(yīng)用對(duì)比得出高斯束偏移的信噪比更高、斷層更加清晰、中深層成像能量更強(qiáng)。蔡杰雄等[13]從射線中心坐標(biāo)系得到高斯束公式出發(fā)，按照運(yùn)動(dòng)學(xué)射線追蹤、動(dòng)力學(xué)射線追蹤及高斯束偏移三部分系統(tǒng)介紹了高斯束偏移方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。謝飛等[14]推導(dǎo)了疊前偏移的頻率域計(jì)算公式，并給出了時(shí)間域的實(shí)現(xiàn)方法和角度域共成像點(diǎn)道集的計(jì)算方法。

本文針對(duì)遼東灣地區(qū)遼東凸起中北段高陡復(fù)雜斷裂帶內(nèi)地層傾角大且產(chǎn)狀多變、斷層成像不準(zhǔn)確、斷層組合關(guān)系不清楚等問(wèn)題，利用高斯射線束疊前深度偏移方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行了地震資料偏移成像，獲得了滿意的效果，該結(jié)果對(duì)指導(dǎo)該區(qū)下一步油氣勘探將有重要意義，且對(duì)渤海油田相似構(gòu)造帶的研究具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本次研究的靶區(qū)位于渤海油田的遼東灣探區(qū)。隨著渤海油田勘探進(jìn)程的進(jìn)一步加快，遼東灣探區(qū)的勘探工作已經(jīng)逐步深入到高陡復(fù)雜斷裂帶地區(qū)，主要包括遼西凹陷東陡坡帶、遼中凹陷中央走滑反轉(zhuǎn)帶及遼中凹陷東陡坡帶，并在這些區(qū)域快速找到了一大批油氣田及含油氣構(gòu)造。從規(guī)模上來(lái)看，該類型構(gòu)造的油氣田及含油氣構(gòu)造數(shù)量已經(jīng)占本探區(qū)的一半以上。

該區(qū)構(gòu)造具有以下特點(diǎn)：1）主要位于凹陷的陡坡帶或走滑斷裂兩側(cè)，地層傾角較大；2）斷層比較發(fā)育，斷面角度一般都比較大；3）圈閉一般都靠大斷裂遮擋，閉合幅度較大，構(gòu)造最高點(diǎn)一般離邊界大斷裂較近；4）大斷層兩盤(pán)地層年代差別比較大，從而造成兩盤(pán)地層速度橫向差別比較大。

基于這些特征，鉆探該類型構(gòu)造對(duì)井位設(shè)計(jì)提出了很高要求——既要考慮盡量鉆探到構(gòu)造高部位，又要與邊界大斷層保持一定的距離，避免直接鉆入潛山。因此，在地震解釋中合理把握地層產(chǎn)狀以及準(zhǔn)確定位斷層尤為重要，而對(duì)地震解釋來(lái)講地震資料的正確成像是關(guān)鍵。

LD構(gòu)造區(qū)位于渤海遼東灣海域遼東凸起南端，東面和南面緊鄰遼中生油凹陷，郯廬走滑斷裂貫穿該區(qū)，石油地質(zhì)條件優(yōu)越，油氣資源豐富，勘探前景十分看好。盡管近年來(lái)LD構(gòu)造區(qū)發(fā)現(xiàn)了一些含油氣構(gòu)造，由于該區(qū)地震資料品質(zhì)較差，致使仍沒(méi)有獲得令人滿意的油氣勘探及評(píng)價(jià)效果。其主要原因在于，該區(qū)地下地層地質(zhì)情況復(fù)雜及成巖成層差等多因素導(dǎo)致地震資料成像品質(zhì)總體較差，較大地影響了構(gòu)造的落實(shí)和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度，對(duì)評(píng)價(jià)井位的部署、油氣藏評(píng)價(jià)工作開(kāi)展均有所羈絆。

國(guó)際預(yù)科證書(shū)課程（International Baccalaureate Diploma Program，簡(jiǎn)稱IB課程），是由國(guó)際文憑組織為高中生設(shè)計(jì)的為期兩年的課程，現(xiàn)在在國(guó)際上非常有影響力。那么，在當(dāng)前中國(guó)課程改革與教育改革的背景下，IB課程能夠?qū)嵤┫氯?？課程改革會(huì)有怎樣的走向？我們拭目以待。

2 高斯射線束及其性質(zhì)

從理論上講，如果波動(dòng)方程疊前深度偏移沒(méi)有高頻近似，則保幅程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造和高陡傾斷層的高精度成像。在過(guò)去的10 a里，基于標(biāo)準(zhǔn)射線法的Kirchhoff積分偏移一直是工業(yè)界疊前深度偏移的主要方法，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)速度橫向變化劇烈時(shí)，在焦散面附近該方法將導(dǎo)致振幅無(wú)限制的迅速變化。單程波方程的有限差分偏移具有傾角限制，采用雙程波方程的逆時(shí)偏移可以使復(fù)雜構(gòu)造的陡傾角成像，但是它可能產(chǎn)生來(lái)自速度模型的冗余反射，且計(jì)算量較大。

為了克服標(biāo)準(zhǔn)射線方法和波動(dòng)方程方法的某些局限性，Cerveny等人研究提出了一種將波動(dòng)方程和射線理論相結(jié)合的方法——高斯射線束法。該方法計(jì)算出的地震波場(chǎng)同時(shí)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，不但可以克服諸如焦散區(qū)等射線法失效區(qū)域的奇異性問(wèn)題，而且避開(kāi)了標(biāo)準(zhǔn)射線方法的多路徑問(wèn)題，它不像最短時(shí)間旅行時(shí)法和最大能量旅行時(shí)法只取一個(gè)旅行時(shí)，高斯射線束偏移通過(guò)對(duì)射線束疊加保留了大部分波至?xí)r間，從而克服了標(biāo)準(zhǔn)射線方法在焦散面附近振幅急劇、不固定變化的缺陷，在構(gòu)造復(fù)雜的地方也能保證正常成像[15-18]。高斯射線束偏移方法是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)射線偏移方法的改進(jìn)，是波動(dòng)方程集中于射線附近的高頻漸進(jìn)時(shí)間調(diào)和解。

3 高斯射線束疊前深度偏移

針對(duì)渤海海域遼東灣LD地區(qū)的地質(zhì)特征和地震資料的特點(diǎn)，對(duì)該資料進(jìn)行了高斯射線束疊前深度偏移處理，處理流程見(jiàn)圖 1[19-30]。

3.1 高質(zhì)量疊前深度偏移道集的準(zhǔn)備

高質(zhì)量的輸入地震數(shù)據(jù)是做好三維建模和深度偏移的前提。預(yù)處理流程的設(shè)計(jì)以得到高信噪比的道集為原則，在進(jìn)行預(yù)處理時(shí)要求盡量保留地震波的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

圖1 高斯射線束疊前深度偏移處理流程

由于疊前成像方法要求原始地震資料的信噪比較高，針對(duì)本區(qū)淺海區(qū)數(shù)據(jù)中多次波嚴(yán)重的問(wèn)題，采用了一套完整的去多次波技術(shù)以較好地去除多次波。對(duì)大部分與海底相關(guān)的短周期多次波，采用淺水去多次波技術(shù)（SWD）來(lái)去除；剩余的水面相關(guān)的長(zhǎng)周期多次波采用二維SRME進(jìn)行去除；剩余的鳴震采用τ-p域的反褶積處理去除。三維面元均化和區(qū)塊拼接后進(jìn)行Radon域去多次波處理。

同時(shí)還對(duì)地震資料進(jìn)行了如下疊前預(yù)處理：零相位化處理，測(cè)線內(nèi)接收器振幅校正，相鄰道混道處理，地表一致性振幅校正，剩余靜校正處理等，最終得到了高質(zhì)量的預(yù)處理資料。這就為深度-速度模型的建立奠定了良好的資料基礎(chǔ)。

3.2 精細(xì)的深度-速度模型的建立

三維疊前深度偏移的關(guān)鍵是建立高精度的速度模型，成像質(zhì)量直接依賴于地下宏觀層速度模型的精度?？紤]到對(duì)目的層成像時(shí)疊前深度偏移對(duì)深度-速度模型的敏感性，本次深度偏移速度模型建立時(shí)充分結(jié)合地質(zhì)信息，在建立初始速度模型后用多種方法對(duì)該模型進(jìn)行修正優(yōu)化（見(jiàn)圖2）。

3.2.1 初始速度模型的建立

初始速度模型由最終疊前時(shí)間偏移速度轉(zhuǎn)換而來(lái)。層速度作為重要的地層參數(shù)之一，反映了地層沉積、構(gòu)造、巖性等多方面的信息。本次層速度的求取，首先利用疊前時(shí)間偏移的均方根速度轉(zhuǎn)換獲得層速度，然后對(duì)層速度進(jìn)行一定的平滑處理，最后該層速度轉(zhuǎn)換到深度域作為深度域初始速度模型（見(jiàn)圖3）。

圖2 深度-速度模型更新示意

3.2.2 各向同性層析速度反演

建立深度-速度初始模型后，利用共成像點(diǎn)道集內(nèi)剩余曲率進(jìn)行速度場(chǎng)反演。為了提高反演的精度，使用分層反演，由淺至深逐層反演。第1次速度模型更新范圍是從海底到層位Ⅰ，第2次速度模型更新范圍是從海底到層位Ⅱ，第3次速度模型更新范圍是從海底到層位Ⅲ，最終得到各向同性速度場(chǎng)（見(jiàn)圖4）。

圖3 初始速度場(chǎng)

圖4 各向同性速度場(chǎng)層析成像反演流程

3.2.3 各向異性速度場(chǎng)的估計(jì)

由于普通的沉積層道集基本是水平的，而高傾角基底道集向上彎曲，從射線路徑上看，是因?yàn)樗剿俣却笥诖怪彼俣龋员仨氁敫飨虍愋运俣葓?chǎng)，這樣可使垂直速度與數(shù)據(jù)疊加匹配效果更好。引入各向異性速度后，拾取道集內(nèi)剩余曲率和剖面上構(gòu)造傾角進(jìn)行射線追蹤，然后以反演更新的速度場(chǎng)使剩余曲率最小為原則，建立新的速度模型。引入各向異性速度場(chǎng)后陡傾角地層（潛山頂面）的成像質(zhì)量得到改善（見(jiàn)圖5），同相軸連續(xù)性明顯變好。

3.2.4 偏移速度百分比掃描

速度分析的精度直接影響著疊前深度偏移結(jié)果的優(yōu)劣，經(jīng)過(guò)以上速度分析數(shù)次迭代后，速度誤差盡管很小，但對(duì)于速度變化過(guò)于劇烈、信噪比低的資料（基底以下噪聲多，同相軸不清楚），難以進(jìn)行道集內(nèi)剩余曲率準(zhǔn)確拾取，所以采用不同的百分比速度進(jìn)行掃描以確定最終要使用的偏移速度。

通過(guò)在剖面內(nèi)拾取不同百分比的速度，反演新的基底速度以使同相軸能量達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)獲得的深度-速度模型，即為在偏移時(shí)要使用的速度模型。

3.3 確定合適的偏移參數(shù)

陡傾角成像主要由偏移孔徑和最大采集時(shí)間決定，通過(guò)對(duì)偏移算法中的關(guān)鍵參數(shù)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，選取合適的參數(shù)，以確保盡可能多的可靠信息參與偏移（見(jiàn)圖6）。最終確定主要偏移參數(shù)：偏移孔徑為6 km，最大角度為90°，為防假頻將步長(zhǎng)設(shè)為12.5 m×25.0 m。

圖5 引入各向異性速度場(chǎng)前后疊加剖面

圖6 深度域疊加剖面和陡傾角面的射線追蹤示意

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)上述流程及試驗(yàn)確定的偏移參數(shù)，對(duì)遼東灣LD地區(qū)的2塊三維地震資料進(jìn)行了高斯射線束疊前深度偏移處理。圖7為高斯射線束疊前深度偏移剖面與Kirchhoff疊前時(shí)間偏移剖面的對(duì)比。

圖7 LD地區(qū)測(cè)線A的聯(lián)絡(luò)線疊前深度偏移純波剖面

由圖7對(duì)比分析可以看出，高斯射線束疊前深度偏移剖面質(zhì)量明顯優(yōu)于Kirchhoff疊前時(shí)間偏移成像質(zhì)量。疊前時(shí)間偏移成果的陡傾角邊界大斷層成像模糊，并且伴有邊界斷層下降盤(pán)地層向潛山內(nèi)“沖入”的現(xiàn)象，給該區(qū)的斷裂模式及構(gòu)造形態(tài)的認(rèn)識(shí)上帶來(lái)了很大的困難。而在疊前深度偏移剖面上，中淺層斷點(diǎn)清晰，斷面形態(tài)清楚，波組關(guān)系合理；深層歸位準(zhǔn)確，特別是高陡傾角的遼中一號(hào)走滑斷層及其下降盤(pán)的構(gòu)造成像質(zhì)量得到了較大的提高；同時(shí)潛山形態(tài)清晰，潛山及其內(nèi)幕清楚，層間信息豐富，消除了構(gòu)造假象，較好地解決了速度橫向變化引起的陡傾角地層偏移歸位不準(zhǔn)的問(wèn)題。

同時(shí)，為了便于研究Kirchhoff法疊前深度偏移與高斯射線束疊前深度偏移效果對(duì)比，用同一速度模型對(duì)相同輸入的疊前地震數(shù)據(jù)分別做了Kirchhoff疊前深度偏移和高斯射線束疊前深度偏移處理（見(jiàn)圖8）。

由圖8可以清楚地看出，高斯射線束疊前深度偏移的陡傾角斷面波成像效果較Kirchhoff偏移更好，各層資料反射豐富，波形活躍，波組特征清楚，特別是中深層同相軸成像更加清晰，信噪比更高，同時(shí)構(gòu)造細(xì)節(jié)及接觸關(guān)系清楚，能夠反映淺、中、深層的構(gòu)造形態(tài)及斷裂展布情況。

5 結(jié)論

1）高斯射線束疊前深度偏移技術(shù)是解決高陡復(fù)雜構(gòu)造成像的一種有效手段，能夠滿足像遼東灣LD區(qū)這樣復(fù)雜地區(qū)的構(gòu)造成像需要，提供更為準(zhǔn)確的構(gòu)造信息，提高井位部署的成功率，是一項(xiàng)應(yīng)用前景非常廣闊的技術(shù)。

2）與常規(guī)疊前時(shí)間偏移相比，高斯射線束疊前深度偏移成像精度更高，獲得的地震波動(dòng)力學(xué)信息更加豐富，資料保幅性較好，為后續(xù)的巖性勘探及地震反演來(lái)研究?jī)?chǔ)層奠定了良好的基礎(chǔ)。

3）在高斯射線束疊前深度偏移中速度模型的精度至關(guān)重要，因此精細(xì)的速度分析和正確的地質(zhì)層位解釋是取得良好成像的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4）高斯射線束疊前深度偏移是一項(xiàng)與地震資料處理、解釋密切相關(guān)的工作，在此過(guò)程中需要處理、解釋人員密切配合，才能得到滿意的結(jié)果。

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