雙方位地震資料聯(lián)合成像處理技術(shù)在深水崎嶇海底區(qū)的應用

鄧 盾 鄧 勇 馬光克 隋 波 李瀟瀟 歐陽敏

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057)

0 引言

隨著海上油氣勘探的重點領域逐漸轉(zhuǎn)向深水區(qū)、復雜構(gòu)造油氣藏和巖性油氣藏，窄方位角勘探已滿足不了勘探需求。多/寬方位角勘探具有很多優(yōu)勢[1-4]： 提高采集照明度，獲得較完整的地震波場； 有利于識別斷層、裂縫和地層巖性變化，具有較高的振幅保真度； 有利于提高復雜構(gòu)造地區(qū)地震資料信噪比，改善成像效果。但是受采集成本與處理技術(shù)的約束，寬方位采集在中國海上勘探中應用較少。在當前低油價的新常態(tài)下，多方位采集既能彌補窄方位采集的不足，同時兼具寬方位采集的部分優(yōu)勢，是一種既有效又低成本的勘探方式，日漸受到人們的關(guān)注。

然而，隨著觀測方位的不同，速度隨方位角的變化、與方位角相關(guān)的旅行時差、與方位相關(guān)的各向異性等問題隨之產(chǎn)生。張保慶等[1]研究了寬方位地震資料處理技術(shù)并在陸地三維資料進行了應用，陳禮等[5]、朱江梅等[6]探討了海上多方位地震資料處理關(guān)鍵技術(shù)，夏常亮等[7]探索了滿足檢測裂縫要求的寬方位角地震資料處理流程；Tsvankin[8]、Gerchka等[9]、Xie等[10]針對多方位及寬方位處理中方位各向異性問題開展了一系列研究；賈福宗等[11]分析了HTI裂縫介質(zhì)的方位各向異性特點以及方位各向異性校正處理技術(shù)在陸地寬方位資料中的應用。

目前中國有關(guān)海上多方位地震資料常規(guī)處理仍是分方位獨立處理，聯(lián)合成像研究較少。本文針對南海北部深水崎嶇海底區(qū)采集的雙方位三維地震資料，分析了不同采集方位角地震資料的差異，采用雙方位聯(lián)合速度建模以及雙方位各向異性深度偏移聯(lián)合成像，實現(xiàn)了雙方位三維地震資料融合處理，有效改善了崎嶇海底下伏地層的成像效果。

1 不同方位角地震資料差異分析

南海北部深水區(qū)是當前油氣勘探的熱點和難點，陸架坡折區(qū)崎嶇海底發(fā)育，水深變化劇烈，中深層地質(zhì)條件復雜，常規(guī)窄方位三維地震采集難以滿足地震成像和目標評價的需要[12]。針對深水崎嶇海底坡折帶目標勘探，瓊東南寶島凹陷在同一年度、采用相同參數(shù)沿不同方位采集了兩套三維地震資料，其中一套是北西至南東方向垂直陸坡采集，另一套是南西至北東方向平行陸坡采集(圖1)。

窄方位資料的觀測方位角集中在有限的范圍內(nèi)，其速度隨方位變化不大，通?？梢院雎?；而多方位資料的觀測方位差異大，其速度隨方位變化較大，不容忽視[1]。圖2與圖3分別為寶島凹陷三維資料海脊和海溝處不同采集方向速度差異分析結(jié)果。從圖2可以看出，海脊處平行采集較垂直采集疊前時間偏移(PSTM)成像速度偏低；從圖3可以看出，海溝處平行采集較垂直采集成像速度偏高，且成像速度隨方位的變化量最大超過400m/s。

圖1 雙方位地震采集示意圖

圖4和圖5分別為不同采集方位的PSTM速度剖面與成像剖面。由于不同采集方位偏移速度的差異，導致成像剖面中崎嶇海底下伏地層成像差異巨大。

通過對兩套資料進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)采集方位對偏移速度以及斷面、地層成像都有很大影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)深水崎嶇海底區(qū)平行陸坡采集和垂直陸坡采集PSTM成像速度差異較大，在海脊和海溝處速度趨勢正好相反；

(2)單個方位PSTM成像速度不適用于雙方位PSTM成像處理，兩個方位的時間偏移需建立不同的偏移速度體，但各自應用不同方位成像速度會造成崎嶇海底下伏地層成像的差異。

雙方位采集受崎嶇海底及方位各向異性的影響，導致不同采集方位速度差異較大，傳統(tǒng)速度分析技術(shù)很難精確刻畫陸坡區(qū)的速度變化，速度場建立存在一定難度。因此，雙方位地震資料聯(lián)合成像的難點在于如何求取一個更穩(wěn)定、更具有物理和地質(zhì)意義的“統(tǒng)一速度場”。

圖2 海脊處垂直(a)和平行(b)陸坡采集速度及道集對比

圖3 海溝處垂直(a)和平行(b)陸坡采集速度及道集對比

圖4 垂直(a)和平行(b)陸坡采集偏移速度剖面對比

圖5 垂直(a)和平行(b)陸坡采集PSTM剖面對比

2 雙方位地震資料聯(lián)合成像技術(shù)

在時間域，由于雙方位資料速度差異極大，導致不同方位構(gòu)造成像存在差異。這種方位速度差異不僅是由方位各向異性引起的，更多是由崎嶇海底在時間域引起的速度畸變造成的，且隨著采集方位的不一致速度畸變的程度也不同，必須在深度域進行各向異性偏移才能在一定程度上消除這種差異[13-16]。

通過綜合分析認為，雙方位處理面臨的最大挑戰(zhàn)為：不同方位資料傳播路徑差異帶來的速度估計問題及各向異性表征問題。因此，本文針對性地研究了雙方位聯(lián)合速度建模技術(shù)以及雙方位各向異性深度偏移聯(lián)合成像技術(shù)。

2.1 各向同性聯(lián)合速度建模

建立準確的速度模型是提高地震成像品質(zhì)的關(guān)鍵，基于常規(guī)的層析成像速度反演得出的速度模型有可能不是唯一的，特別是在地質(zhì)條件復雜區(qū)。若是采用單方位疊前深度偏移(PSDM)處理思路(圖6)分別對不同方位資料進行初始速度建模及迭代更新，最終將難以得到一個統(tǒng)一的速度場，進而導致不同方位資料中同一套地層存在兩個不同的地震深度，此外，不同方位資料還可能存在構(gòu)造成像差異。

分析認為，針對雙方位地震資料求取準確速度模型的關(guān)鍵是建立合理的初始速度模型及利用雙方位地震資料聯(lián)合反演速度，即雙方位聯(lián)合速度建模方法(圖7)，主要包括以下步驟：①將多方位數(shù)據(jù)按方位角劃分成多個扇區(qū)，對每個扇區(qū)的數(shù)據(jù)用同一初始速度模型進行PSDM；②對生成的各個方位的共成像點(CIP)道集分別拾取剩余時差(RMO)；③根據(jù)每個方位的剩余時差各自進行射線追蹤建立層析方程組；④將所有方位的方程組聯(lián)立在一起進行聯(lián)合層析反演，得到速度模型的更新量，進入下一輪的偏移和速度反演；⑤經(jīng)多次迭代更新，獲得適用于多方位資料的各向同性深度域速度模型。

常規(guī)建模方法不能利用方位角信息，本文通過聯(lián)合速度建模將方位信息用于速度反演過程，從數(shù)學上減少了速度模型求取的多解性，能夠得到常規(guī)建模方法不能反演出的小尺度中高頻速度細節(jié)，得到更高分辨率、更加穩(wěn)定的層析更新結(jié)果(圖8)，使最終得到的各向同性深度域速度模型更加合理。

圖6 單方位PSDM速度建模流程

圖7 雙方位聯(lián)合PSDM速度建模流程

圖9為PSDM聯(lián)合建模后不同采集方位資料的成像結(jié)果。在PSTM剖面上，不同方位資料的構(gòu)造成像存在較大差異，而通過聯(lián)合速度建模得到的統(tǒng)一的各向同性速度模型一方面消除了崎嶇海底引起的速度畸變，另一方面通過聯(lián)合反演提高了速度精度，因此不同方位資料的PSDM成像剖面中構(gòu)造形態(tài)基本一致，但還需解決不同方位的各向異性差異進一步改善成像效果。此外，由于利用雙方位聯(lián)合層析提高速度反演的穩(wěn)定性，因此降低了后續(xù)各向異性參數(shù)估計的多解性。

圖8 單方位(a)與雙方位(b)層析剩余速度剖面對比

2.2 雙TI介質(zhì)各向異性PSDM融合成像

在多方位地震資料中，隨著觀測方位角的不同，與方位相關(guān)的各向異性、與方位角相關(guān)的旅行時差等問題隨之產(chǎn)生。由于地下介質(zhì)的方位各向異性性質(zhì)，造成地震波在地下沿不同方向傳播速度不同。因此，對多方位資料進行聯(lián)合成像，還需分析方位各向異性導致的差異。

地殼介質(zhì)的地震各向異性主要是由地下周期性的薄互層和定向裂隙引起的。常見的各向異性介質(zhì)主要為橫向各向同性介質(zhì)和正交各向異性介質(zhì)，在理論上可分別用TI介質(zhì)(包括VTI介質(zhì)、HTI介質(zhì)和TTI介質(zhì))和OA介質(zhì)描述[17]。VTI介質(zhì)一般認為由周期性薄互層形成，HTI介質(zhì)一般認為是由平行排列的垂直裂隙產(chǎn)生。當薄互層中發(fā)育有垂向裂隙或同一地層中發(fā)育了兩套相互正交的裂隙系統(tǒng)時，通常將這種地層視為正交各向異性(OA)介質(zhì)。因此，VTI介質(zhì)模型和HTI介質(zhì)模型都可看作是OA介質(zhì)模型的特例。對于包含有垂向裂隙的薄互層或包含有多組正交裂隙系統(tǒng)的各向同性地層，正交各向異性介質(zhì)模型更具有一般性，它是與實際地層相符的最簡單的各向異性模型[18-19]。

由于OA介質(zhì)與VTI介質(zhì)模型具有相似的彈性系數(shù)矩陣，兩者的速度分析也存在許多類似之處[20-22]，Tsvankin[8]將Thomsen參數(shù)推廣到OA介質(zhì)(圖10)，對OA介質(zhì)三個對稱面內(nèi)的各向異性參數(shù)進行了定義。雖然正交各向異性更接近于實際介質(zhì)，但是P波成像就需要7個參數(shù)，而此次研究工區(qū)僅兩個方位信息無法確定7個參數(shù)。依據(jù)在正交各向異性介質(zhì)條件下，每個方位可用一個獨立的TI 各向異性等價近似[23]，本文采用雙TI介質(zhì)各向異性方法解決雙方位各向異性問題(圖11)，即建立一個統(tǒng)一的速度模型、兩套獨立的方位各向異性參數(shù)。具體實現(xiàn)步驟為： ①采用聯(lián)合反演得到的速度模型對不同方位數(shù)據(jù)分別進行各向同性偏移，然后基于偏移得到的多方位道集結(jié)合井資料分別估算每個方位的各向異性參數(shù)(δ和ε)； ②對不同方位的各向異性參數(shù)分別進行反演更新[24]； ③采用聯(lián)合反演速度場與更新后的各向異性參數(shù)對每個方位分別進行各向異性偏移； ④對不同方位偏移后道集進行與傾角和方位角相關(guān)的旅行時差校正[25]，將校正 后道集進行疊加成像。

圖10 正交各向異性介質(zhì)對稱平面的定義[8]

圖12為單方位PSDM成像與雙方位PSDM融合成像效果對比，通過聯(lián)合速度建模以及雙TI介質(zhì)各向異性PSDM處理，融合后的成像剖面綜合了不同采集方位的成像優(yōu)勢，其中崎嶇海底下伏地層成像更可靠(紅色箭頭所指處)，同時在斷面成像(藍色箭頭所指處)及中深層地層連續(xù)性(黑色箭頭所指處)上均有較大改善，與地下真實構(gòu)造更加吻合。

圖11 雙TI介質(zhì)各向異性示意圖

圖12 單方位PSDM成像與雙TI介質(zhì)各向異性PSDM融合成像對比(a)垂直陸坡采集單方位PSDM剖面； (b)平行陸坡采集單方位PSDM剖面； (c)雙TI介質(zhì)各向異性PSDM融合成像剖面

3 處理效果分析

雙方位地震觀測使各個方向的波場采樣充分，增加了復雜構(gòu)造區(qū)的采集照明度，有利于提高信噪比以及速度分析精度，從而得以改善地震成像效果。在崎嶇海底、高陡構(gòu)造和復雜斷塊成像等方面具有明顯優(yōu)勢并已得到實踐驗證。

針對瓊東南盆地寶島凹陷崎嶇海底區(qū)采集的雙方位地震資料，通過采用雙方位聯(lián)合層析建模技術(shù)以及雙TI介質(zhì)各向異性PSDM融合處理技術(shù)進行處理后，反射信息更加合理清晰(圖13)，中深層信噪比得到提高，同相軸更加連續(xù)、穩(wěn)定(圖14)，同時有效改善了陸坡下方模糊區(qū)的成像效果，地層連續(xù)性增強(圖15)。

通過融合處理，綜合了兩個方位的成像優(yōu)勢，使成像效果達到最優(yōu)，為后續(xù)構(gòu)造解釋及目標綜合研究提供了高品質(zhì)的地震資料。

圖13 單方位(左)與雙方位(右)成像效果對比(一)

圖14 單方位(左)與雙方位(右)成像效果對比(二)

圖15 單方位(左)與雙方位(右)成像效果對比(三)

4 結(jié)論

(1)南海北部陸坡區(qū)海底變化劇烈，地質(zhì)構(gòu)造復雜，受崎嶇海底及方位各向異性影響較大，傳統(tǒng)速度分析技術(shù)很難精確刻畫陸坡區(qū)的速度變化，需通過雙方位地震資料聯(lián)合成像求取一個更穩(wěn)定、更具有物理和地質(zhì)意義的“統(tǒng)一速度場”；

(2)雙方位采集不僅可以改善波場照明，更有利于速度估計的穩(wěn)定性。本文采用雙方位聯(lián)合層析速度建模+雙TI介質(zhì)各向異性PSDM融合處理的思路解決了雙方位聯(lián)合成像問題，提高了速度建模精度，實現(xiàn)了雙方位地震資料的融合處理，有效改善了崎嶇海底下伏地層成像效果，是一種有效、可行的技術(shù)方案。

通過本文研究，雙方位地震觀測在崎嶇海底、復雜構(gòu)造區(qū)成像等方面的優(yōu)勢得到了體現(xiàn)與驗證。對于已采集三維資料的地區(qū)，可根據(jù)實際地質(zhì)情況并結(jié)合經(jīng)濟能力，有針對性地開展多方位甚至寬方位地震數(shù)據(jù)采集與處理，有效改善有利目標區(qū)的成像質(zhì)量。