細分表層速度場約束層析靜校正技術在西昆侖山黃土區(qū)的應用

周　翼，劉衍貴，劉依謀，王彥峰，萬　軍

(1.塔里木油田公司，新疆庫爾勒　841000；2.東方地球物理公司塔里木物探處，新疆庫爾勒　841000)

塔里木盆地西南部的昆侖山前由于受綿延高大的西昆侖山體的遮擋，來自盆地東北方向的低空氣流的風速逐漸變小并最終完全停滯，使塔西南地區(qū)成為整個塔里木盆地的塵降中心。尤其是最鄰近昆侖山前的柯克亞、柯東周緣地區(qū)，更是具有較低質(zhì)量的塵土塵埃的集中沉積區(qū)。通過長期的積累，逐漸在該地區(qū)形成了巨厚的黃土覆蓋區(qū)，同時由于常年缺少雨水，黃土層結(jié)構(gòu)松散，速度很低，對地震波吸收衰減非常大，導致地震資料的品質(zhì)非常差，很多區(qū)域基本都是資料空白區(qū)。但從油氣勘探前景來看，該區(qū)油氣資源豐富，20世紀70年代末就發(fā)現(xiàn)了柯克亞凝析氣田，并于80年代投產(chǎn)開發(fā)至今，同時周邊地表油苗顯示活躍，展示了該區(qū)良好的油氣勘探潛力。

塔西南昆侖山前地區(qū)是塔里木盆地尋找油氣田的現(xiàn)實有利區(qū)，經(jīng)過幾代物探人“立足塔西南、堅持找油、找氣的信心不動搖”，通過多年的采集技術研究攻關，地震資料品質(zhì)有了一定的提高，在柯克亞油礦區(qū)周緣發(fā)現(xiàn)了柯西、甫沙、柯東等一系列有利構(gòu)造，但還不能滿足精細刻畫構(gòu)造解釋的需要，不能滿足對油氣資源儲層評價的要求，主要原因是該區(qū)巨厚的黃土地區(qū)資料信噪比極低，長期以來是物探人“勘探不息、攻關不止”的戰(zhàn)斗基地，一直開展對該區(qū)巨厚黃土區(qū)采集技術進行研究，努力提高巨厚黃土區(qū)地震資料的信噪比。

目前昆侖山前巨厚黃土區(qū)主要存在以下4個方面的勘探難點：①巨厚的黃土干燥、疏松對地震能量吸收衰減嚴重，單炮資料信噪比極低，采取怎樣的激發(fā)方式才能使能量下傳，提高單炮資料的品質(zhì)；②黃土地區(qū)各種干擾尤其嚴重(如線性干擾、側(cè)面、散射等)，采用什么樣的檢波接收方式才能壓制噪音，改善資料的品質(zhì)；③黃土區(qū)資料信噪比極低的情況下，采用什么樣的觀測方法來提高資料信噪比；④巨厚的黃土區(qū)存在嚴重的靜校正問題，一直是制約資料成像的瓶頸問題，采用什么靜校正方法才能更好地提高該區(qū)資料成像效果。

所以本文闡述的主要是巨厚黃區(qū)靜校正問題的解決方法，通過應用靜校正新方法、新技術，對資料成像效果改善較大。

1　問題提出

塔里木盆地西昆侖山前為巨厚黃土覆蓋，地震資料信噪比差，靜校正問題尤其突出。該區(qū)多年來一直在進行靜校正技術攻關，曾在2001年采用過550 m的超深微測井、淺層地震反射[1]、非地震等聯(lián)合表層調(diào)查攻關。通過聯(lián)合表層調(diào)查攻關很好地解剖了巨厚黃土覆蓋的表層規(guī)律，黃土覆蓋區(qū)主要為3種結(jié)構(gòu)(圖1)，即表層為速度較低且干燥的亞沙土，下層為巨厚速度呈連續(xù)變化的亞黏土，高速層頂界面為一膠結(jié)較好的礫石層。通過攻關掌握了西昆侖山前黃土區(qū)的表層結(jié)構(gòu)特點，黃土層具有連續(xù)介質(zhì)的特性，最大厚度達到500 m以上。該區(qū)曾開展過不同初至波靜校正方法的研究，有絕對初至折射法、延遲時法、黃土曲線約束初至折射法、常速掃描約束初至折射法[2]及層析法[3-6]等初至波靜校正方法，這些傳統(tǒng)的初至波靜校正方法對資料成像的效果有一定提高，但提高不是很明顯，這是因為傳統(tǒng)初至波建模法存在著自身局限性問題。

圖1　黃土山550的微測井時距圖Fig.1　Uphole hodograph with a 550 m loess layer

1.1　基于初至折射波的常速掃描約束建模法

該方法是根據(jù)炮檢點旅行時，利用折射波方程求解每個炮檢點的延遲時，賦予表層低降速度值計算表層厚度來建立表層模型。通常用大炮初至折射波反演即可得到炮點和檢波點的延遲時TD和高速層速度VR，厚度H0計算公式如下：

根據(jù)以上厚度計算公式，知道黃土層低降速度V0就可以得到厚度H0由于黃土表層巨厚，低降速度V0很難確定，針對西昆侖山黃土區(qū)某三維的5831線，給出多組V0=600 m/s、800 m/s、900 m/s、1000 m/s、1200 m/s進行掃描得到高速頂模型圖2從圖2中可以看出用不同的V0掃描厚度差異較大，說明模型約束初至折射法受V0影響較大，該方法存在模型多解性。要做速度掃描試驗，通過處理手段在共炮點、共接收點、共炮檢距、初疊剖面上進行不同處理效果比較，確定合適的速度V0來約束模型。

圖2　5831線用不同的V0掃描得到不同模型Fig.2　Different models derived with different V0 for line No. 5831

1.2　基于射線追蹤的傳統(tǒng)層析建模法

該方法通過建立初始速度梯度理論模型、利用射線追蹤[3-10]求旅行時間同初至時間進行比較求取剩余時差，把時差分配到每個速度網(wǎng)格上，進行速度反演(修改速度模型)，進一步求射線追蹤旅行時間并跟初至時間比較，再進行速度反演，這樣多次迭代，反演直到射線路徑清晰、反演界面穩(wěn)定、射線收斂較好，可以進行模型解釋，即計算結(jié)束。此方法受地表起始速度和速度變化梯度等因素的影響，還受網(wǎng)格大小及Inline方向、Crossline方向、垂向方向的網(wǎng)格長度等因素的影響，網(wǎng)格不同，射線數(shù)不同，收斂程度不同，多因素影響導致反演的速度模型結(jié)果差異較大(圖3)，尤其在中部差別較大，模型解釋困難。

2　細分表層速度場約束層析反演法

該方法是基于波動方程的走時層析法[11-13]，充分利用地震采集資料的大炮初至時間數(shù)據(jù)，進行橫、縱向細分表層速度場，建立精度較高的初始速度模型來約束層析反演，從而提高近地表模型反演的準確度和可靠性，使得反演的地表模型更符合真實的表層結(jié)構(gòu)。具體方法流程如下。

2.1　初至時間橫向分區(qū)方法

初至時間的橫向分區(qū)方法是根據(jù)地表厚度不同、巖性不同、高程差異等因素以致大炮初至時間不同，把初至時間數(shù)據(jù)體沿測線方向根據(jù)不同地表類型或時間差異分成多個區(qū)域。圖4a藍色試驗線可分為巨厚黃土山、厚黃土山、薄黃土山、較厚礫石、較薄礫石5個區(qū)域，不同區(qū)域?qū)某踔恋竭_時間也不一樣(圖4b)，這樣把大炮初至時間數(shù)據(jù)體細分成5區(qū)域來進行低降速度分層，更符合地表橫向?qū)嶋H變化差異的特點。而傳統(tǒng)延遲時層析法的大炮初至時間數(shù)據(jù)體的橫向不能按照地表類型或厚度差異細分成多個區(qū)域，不能反映出不同地表初至時間的變化情況。

圖3　不同初始速度反演的速度模型對比Fig.3　Inverted velocity fields with different initial velocity models

圖4　初至時間橫向分區(qū)Fig.4　Lateral divisions of first-arrival datasets

2.2　初至時間縱向分層方法

初至時間的縱向分層方法是在橫向分區(qū)域的初至時間數(shù)據(jù)體進行低降速度分層，根據(jù)厚黃土區(qū)大炮初至時間-距離在縱向呈連續(xù)介質(zhì)變化的特點，把不同的初至時間數(shù)據(jù)體分成多個低降速度層。圖5a在厚黃土區(qū)根據(jù)連續(xù)介質(zhì)的特點把初至時間數(shù)據(jù)體細分成5層，即V0=524 m/s、V1=699 m/s、V2=979 m/s、V3=1539 m/s、V4=3642 m/s，把低降速度分為連續(xù)變化的4組速度，這樣細分表層更符合西昆山厚黃土覆蓋層呈連續(xù)介質(zhì)變化的特征。而傳統(tǒng)延遲時層析法的大炮初至時間的數(shù)據(jù)體只能被簡單地分成低降速和高速兩層(圖5b)，即V0=1186 m/s和V1=3446 m/s，這樣粗略的分層沒有反應出厚黃土層速度真實變化的特征。

通過試驗線的初至時間數(shù)據(jù)體在橫向細分成5個區(qū)域，對每個區(qū)域的數(shù)據(jù)體在縱向細分成5個速度層，建立五層初始速度模型(圖6a，簡稱細分表層速度場初始模型)；而傳統(tǒng)層析法橫向不分區(qū)域，縱向分為兩個速度層，建立兩層初始速度模型(圖6b，簡稱傳統(tǒng)速度場初始模型)。從兩種速度場初始模型來看，細分表層速度場初始模型更接近地表的真實情況。

圖5　縱向不同分層Fig.5　Vertically layered divisions

圖6　不同速度場初始模型Fig.6　Different initial velocity models

2.3　不同約束層析反演模型分析方法

通過傳統(tǒng)速度場初始模型和細分表層速度場初始模型分別約束層析反演后的模型來看，圖7b傳統(tǒng)速度場初始模型約束層析反演的表層模型精度較低，尤其在測線中部薄黃土區(qū)和山前礫石地段，厚度、速度差異較大；圖7a細分表層速度場初始模型約束層析反演的表層模型精度較高，模型整體上低降速度齊全、表層信息豐富，模型底界跟初始模型形態(tài)吻合,反演的近地表模型更接近表層結(jié)構(gòu)的真實情況。

圖7　不同速度場初始模型約束層析反演結(jié)果對比Fig.7　Tomographic inverted results with different initial velocity models

通過上述方法和技術的實施，利用細分表層速度場約束層析反演靜校正技術得到了較準確的近地表模型，查清了巨厚黃土區(qū)低降速帶厚度的分布規(guī)律。

3　應用效果分析

通過細分表層速度場約束層析反演(簡稱細分表層層析法)靜校正技術研究，在西昆侖山前巨厚黃土地區(qū)野外得到廣泛應用，現(xiàn)場處理資料成像效果明顯提高。

實例1：在西昆侖山某三維工區(qū)，地形以厚黃土山為主，山體近南北向條帶狀展布，山間為河道和沖積扇，南部有少量老地層出露山體區(qū)，地勢整體為南高北低。表層能調(diào)查出高速層的點主要分布在北部戈壁區(qū)、中部沖溝和南部老山體區(qū)(圖8中的紅色點)，厚黃土區(qū)常規(guī)微測井難以調(diào)查出高速層(圖8中的黑色點)，尤其在工區(qū)東西兩側(cè)的黃土山厚度達到500多米(圖8)。

圖8 某三維調(diào)查點及層析反演厚度圖Fig.8　A certain investigation point and its thickness map by tomographic inversion

在工區(qū)東部巨厚黃土區(qū)的58-71束線，根據(jù)黃土山地形與黃土厚度的變化情況有一定相似性的特點，把拾取的大炮初至時間數(shù)據(jù)體在橫向上分成5×3=15個數(shù)據(jù)區(qū)域，每個區(qū)域的初至時間數(shù)據(jù)體在縱向上按照時間-厚度變化的特點分成3～5層，建立細分表層速度場初始模型來約束層析反演。圖9、圖10分別為三維58-71束2901線表層調(diào)查模型和層析反演模型，表層調(diào)查模型調(diào)查到最厚為212 m，調(diào)查到速度界面為1320 m/s；而細分表層層析反演模型最厚的地方達到513 m，高速底界速度層為2500 m/s。兩種模型的厚度相差近300 m，層析法揭開了巨厚黃土層底界面，提高了后續(xù)靜校正量的計算精度。

圖9　SW-2901線表層調(diào)查模型Fig.9　Near-surface model of line SW-2901

圖10　SW-2901線細分表層速度場約束層析法反演表層模型Fig.10　The near-surface model derived by sub-divided near-surface velocity field constrained tomographic inversion of line SW-2901

從不同的靜校正方法處理資料(圖11)來看，加模型法校正的剖面幾乎看不到同相軸；加傳統(tǒng)層析校正的剖面在淺層和中層都能見到同相軸，但連續(xù)性較差；加細分表層層析法校正處理的剖面淺、中、深層都能見到同相軸，尤其中層目的層的同相軸清楚可見，連續(xù)性較好，整體成像效果比其他校正方法好。

實例2：在西昆侖山某二維工區(qū)，地形以黃土山為主，地勢大體上呈南高北低趨勢，地表包含巨厚黃土、浮土小沙、沖溝，山體近南北向條帶狀展布，山間為河道和沖積扇。藍色彎線W南部為高大的厚黃土山(圖12)，北部為薄黃土覆蓋，中部為河道沖溝，表層能調(diào)查出高速層的調(diào)查點主要分布在中部沖溝和北端農(nóng)田地(圖12紅點)，測線南北部黃土覆蓋區(qū)常規(guī)微測井調(diào)查不出高速層(圖12黃點)。

根據(jù)黃土山地形表層的變化情況，把測線拾取的大炮初至時間數(shù)據(jù)體從南到北分成4個區(qū)域，每個區(qū)域的初至數(shù)據(jù)體根據(jù)黃土厚度的變化細分成2～4層，建立細分表層速度場初始模型來約束層析反演。圖13為彎線W的表層調(diào)查模型，從圖13可以看出南部厚黃土區(qū)表層調(diào)查到的厚度只有50 m，調(diào)查到的速度只有920 m/s，沒有調(diào)查到黃土底界；而細分表層層析法的反演模型(圖14)，其厚黃土區(qū)反演的厚度為250 m，高速界面為2500 m/s。因此，細分表層層析法反演速度模型能準確地揭示黃土山底界面，能提高靜校正的計算精度。

從不同靜校正方法的處理資料(圖15)來看，加模型法校正處理剖面的北部和南部黃土區(qū)淺層能見到同相軸，但同相軸連續(xù)性差，尤其南部厚黃土區(qū)淺層同相軸彎曲畸變，存在嚴重的靜校正問題；加細分表層層析法校正處理剖面的北部和南部黃土區(qū)，同相軸清楚可見，連續(xù)性較好，尤其南部厚黃土區(qū)，淺、中層同相軸連續(xù)性較好，同一層的同相軸能連續(xù)追蹤，剖面整體效果明顯比模型法好。

圖11　黃土區(qū)某三維SW58-71束線加不同靜校正方法處理剖面Fig.11　The imaged sections with different statics methods applied to swath SW58-71 of a 3D survey in a loess area

圖12　彎線W位置Fig.12　The map of the crooked line W

圖13　彎線W表層調(diào)查模型Fig.13　Near-surface model of the crooked line W

圖14　彎線W細分表層層析法反演模型Fig.14　The near-surface model derived by sub-divided near-surface velocity field constrained tomographic inversion of the crooked line W

4　結(jié)論

通過塔里木盆地西昆侖山前厚黃土區(qū)細分表層速度場約束層析反演靜校正技術的研究及應用，深化了對靜校正技術的認識，拓寬和提高了分析和解決靜校正問題的思路和水平，并初步形成了一套解決該區(qū)長期以來表層調(diào)查及靜校正問題難點的方案，為解決厚黃土區(qū)表層靜校正問題提供了一種新的靜校正技術手段。該項技術有3個關鍵點：

(1)初至時間橫向分區(qū)方法：要根據(jù)表層綜合因素對不同巖性不同厚度的初至時間數(shù)據(jù)體沿測線橫向上細分成多個區(qū)域，具體分多少個區(qū)域要結(jié)合實際工區(qū)地表的差異情況等因素。如試驗線有2種地表類型和黃土山大小差異分成5個區(qū)域，如實例2根據(jù)地表差異分成4個區(qū)域，即可滿足地表橫向差異變化的情況。

(2)初至時間縱向分層方法：要根據(jù)黃土覆蓋低降速度層具有連續(xù)介質(zhì)變化的特征，在縱向上細分成多個速度層，具體分多少個速度層要結(jié)合實際工區(qū)黃土厚度覆蓋的情況。如試驗線南部黃土山巨厚低降速層分成5層，即可符合黃土表層速度呈連續(xù)介質(zhì)變化的特點。

圖15　彎線W加不同靜校正方法處理剖面Fig.15　The imaged sections with different statics methods applied to the crooked line W

(3)細分表層速度場約束層析反演模型分析方法：反演后的模型整體上要跟初始模型的形態(tài)吻合，模型底界收斂清楚，表層低降速度齊全、信息豐富，接近真實表層情況，即可解釋模型、計算靜校正，否則就要重新對表層速度場進行分析，再約束反演。如實例2反演后的模型揭示了表層調(diào)查模型中黃土區(qū)調(diào)查不出的高速，以及山前沖溝調(diào)查出的高速的真實表層情況。只有通過細分表層速度場建立精細的符合表層變化規(guī)律的初始模型，才能約束反演出高精度的反映真實情況的近地表速度模型。

細分表層層析法比一般常規(guī)層析反演靜校正更能準確地反演出表層低速帶的速度模型，比野外模型法靜校正更適用于復雜地區(qū)。應用該方法后，靜校正精度更高，資料成像效果更好。此方法在塔里木盆地其他復雜地表區(qū)如巨厚風成沙丘區(qū)、巨厚沖積扇等地區(qū)有良好的應用前景，其他探區(qū)也可以推廣應用。