全方位偏移成像技術(shù)在南馬莊潛山構(gòu)造帶的應(yīng)用

張紅文，劉喜恒，周興海，李六五，杜喜善，王成泉

(中國(guó)石油華北油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

0 引言

潛山油氣藏勘探[1-2]是華北油田的主要勘探領(lǐng)域之一，現(xiàn)已進(jìn)入二次勘探階段，隱蔽型潛山是重要的攻關(guān)目標(biāo)，受到高陡斷層成像等地震處理技術(shù)的限制，現(xiàn)有地震成果資料不能完全滿足落實(shí)潛山目標(biāo)、提供鉆探井位的需要。

南馬莊潛山內(nèi)幕構(gòu)造復(fù)雜，資料信噪比低，速度橫向變化劇烈，地層介質(zhì)的方向各向異性明顯，常規(guī)的偏移方法[3-8]無(wú)法利用方位與角度信息，并且難以對(duì)潛山內(nèi)幕復(fù)雜構(gòu)造進(jìn)行精確的成像，嚴(yán)重制約著勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度。逆時(shí)偏移技術(shù)[9-11]雖然能夠較好地解決復(fù)雜構(gòu)造問(wèn)題，但其仍然是無(wú)法利用方位與角度的信息，而近年來(lái)針對(duì)方位與角度域的成像方法備受專家學(xué)者們的青睞，將常規(guī)的地面成像轉(zhuǎn)移到地下成像分析，在角度與回復(fù)地震成像深度點(diǎn)的反射率，采用局部角度域分解和成像技術(shù)[12-13]。前人們對(duì)此做了一些研究，段鵬飛等開(kāi)展了針對(duì)目標(biāo)的局部角度域成像方法研究，將高斯束引入到局部角度域成像中[14-15]；方勇等[16]研究了基于多方位的網(wǎng)格層析成像技術(shù)；劉喜武等[17]基于全方位角度域開(kāi)展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層各向異性研究；曹彤等[18]開(kāi)展基于全方位疊前反演裂縫預(yù)測(cè)研究工作。

在前人的理論研究基礎(chǔ)上，本文從實(shí)踐角度出發(fā)，將全方位偏移成像技術(shù)應(yīng)用于南馬莊潛山構(gòu)造帶做成像研究，獲取常規(guī)偏移成像技術(shù)無(wú)法提供的各向異性特性，用來(lái)改善現(xiàn)有地震資料的品質(zhì)，提高成像精度，搞清本區(qū)內(nèi)幕構(gòu)造特征，落實(shí)斷裂系統(tǒng)，為后續(xù)的地震解釋、地質(zhì)構(gòu)造綜合研究以及裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)。

1 方法原理

全方位地下角度域波場(chǎng)分解與成像方法遵循各向同性/異性局部角度域成像基本原理。全方位地下角度域分解算法是將地震數(shù)據(jù)映射到地下成像點(diǎn)的局部角度域(圖1)，從成像點(diǎn)向地面進(jìn)行射線追蹤，全部的射線均參與到成像，保證了最終以真振幅進(jìn)行成像。

圖1 地下與地面之間射線的空間映射

地震數(shù)據(jù)映射到地下局部角度域可用如下公式表示5：

U(S,R,t)→I(M,ν1,ν2,μ1,μ2) ，

(1)

其中，M是地下反射點(diǎn)，S={Sx,Sy},R={Rx,Ry}是炮檢點(diǎn)坐標(biāo)。ν1、ν2是成像點(diǎn)M的射線對(duì)法線傾角和方位角，即地層傾角和方位角，μ1,μ2是射線對(duì)反射面的開(kāi)角和方位角。

對(duì)反射點(diǎn)M的所有開(kāi)角及其方位角進(jìn)行積分，得到全方位方向角道集，又稱全方位傾角道集，可以用加權(quán)和的形式來(lái)表示[19]，公式如下：

(2)

對(duì)反射點(diǎn)M的所有傾角及其方位角進(jìn)行積分，可以得到全方位共反射角道集，公式如下：

(3)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

南馬莊潛山位于饒陽(yáng)凹陷東北部馬西斷層上升盤(pán)，呈近SN向條帶展布，潛山面由山脊向EW兩側(cè)下傾，形成屋脊?fàn)顫撋綐?gòu)造，潛山帶主體勘探面積約150 km2，潛山直接與生油凹陷相接，是油氣聚集的有利方向(圖2)。

圖2 饒陽(yáng)凹陷南馬莊潛山發(fā)育模式

南馬莊潛山緊鄰馬西富油洼槽，發(fā)育沙一下、沙三兩套優(yōu)質(zhì)烴源巖，母質(zhì)類(lèi)型好、豐度高、厚度大、面積廣，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)油藏和4套潛山含油層系，說(shuō)明該區(qū)有很大的勘探潛力。但其勘探不理想，通過(guò)分析該區(qū)老的地震資料(圖3)，發(fā)現(xiàn)潛山中部偏移不歸位(圖3a中的藍(lán)色虛線范圍內(nèi))、內(nèi)幕斷層斷點(diǎn)不清晰(圖3b中藍(lán)色實(shí)線所示斷層)；內(nèi)幕信噪比低，同相軸連續(xù)性差；潛山淺層地層與上覆地層接觸關(guān)系不清楚，波組特征不明顯。為了進(jìn)一步深化研究潛山及其內(nèi)幕特征，進(jìn)行全方位偏移處理。

a—疊前時(shí)間偏移剖面;b—疊前深度偏移剖面(時(shí)間域)

2.2 疊前道集處理

2.2.1 噪聲處理

通過(guò)原始資料品質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)工區(qū)干擾波(圖4)發(fā)育嚴(yán)重，如高能噪音、面波、工業(yè)干擾(50 Hz)、淺層折射等。常規(guī)去除面波方法，利用面波低頻特征，采用區(qū)域?yàn)V波手段去除面波，該方法簡(jiǎn)便，但是容易損傷低頻有效信號(hào)。

本文采用LIFT去噪的思路(圖5)，首先重構(gòu)有效信號(hào)(高信噪比)，然后從原始信號(hào)中抽出低信噪比的信號(hào)(包括主要的噪聲+部分的有效信號(hào))，然后針對(duì)不同噪聲采用不同的去噪方法，去除主要的噪聲，生成新的信號(hào)(部分有效信號(hào))，最后將部分有效信號(hào)+有效信號(hào)，獲取最終的去噪后信號(hào)。該去噪思路既達(dá)到提高資料信噪比的目的，又能保證地震資料有效信號(hào)不被破壞。

2.2.2 振幅、頻率及相位處理

通過(guò)原始資料的品質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)工區(qū)內(nèi)的振幅、頻率及相位存在著較大差別，嚴(yán)重影響最后的偏移成像質(zhì)量，因此必須進(jìn)行資料的一致性處理，保持振幅、頻率及相位的相對(duì)一致。

圖4 研究區(qū)干擾波

圖5 LIFT去噪

1) 振幅的處理可以通過(guò)球面擴(kuò)散補(bǔ)償(即T補(bǔ)償)與地表一致性振幅補(bǔ)償相結(jié)合得到解決。球面擴(kuò)散補(bǔ)償技術(shù)恢復(fù)地表吸收衰減導(dǎo)致的能量損失，地表一致性振幅補(bǔ)償技術(shù)消除橫向變化劇烈造成的能量差異，使得能量在時(shí)間與空間上更加均衡。

2) 頻率和相位的處理可以通過(guò)地表一致性反褶積與預(yù)測(cè)反褶積的組合得到解決。如圖6所示，反褶積后剖面分辨率明顯提高，子波得到壓縮，自相關(guān)函數(shù)在零延遲處有尖脈沖，而無(wú)旁瓣，一致性得到很好的改善，由頻譜曲線可知，主頻得到提高，頻帶變寬。

a—反褶積前剖面及自相關(guān)函數(shù);b—反褶積后剖面及自相關(guān)函數(shù);c—反褶積前頻譜曲線;d—反褶積后頻譜曲線

2.2.3 剩余靜校正處理

由于低速帶的速度和厚度測(cè)量或者計(jì)算不準(zhǔn)確,使得野外靜校正(也稱基準(zhǔn)面靜校正)后仍殘留著低速帶的影響，特別是研究區(qū)地表地質(zhì)條件變化劇烈的區(qū)域，另一方面由于低速帶速度和厚度的橫向變化，也使得炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的靜校正量還殘留著誤差，這種由于表層因素造成的靜校正的誤差叫做剩余靜校正量。

通過(guò)地表一致性剩余靜校正與速度分析的多次迭代，逐步提高剩靜校正精度，實(shí)現(xiàn)資料同相疊加，提高資料信噪比，改善成像效果，如圖7所示，紅色虛線橢圓形范圍內(nèi)的地震子波同向軸連續(xù)性增強(qiáng)。

2.3 全方位偏移成像技術(shù)

經(jīng)過(guò)上述偏移前的道集處理最終得到高質(zhì)量的疊前CMP(共中心點(diǎn))道集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全方位偏移成像研究。偏移成像的關(guān)鍵在于速度場(chǎng)的準(zhǔn)確建立，特別是在速度變化劇烈的情況時(shí)，速度模型的準(zhǔn)確與否嚴(yán)重影響著成像的質(zhì)量。

針對(duì)南馬莊潛山構(gòu)造帶的資料特點(diǎn)，制定如下全方位偏移成像處理流程：

1)Kirchhoff疊前時(shí)間偏移：將疊前道集處理中剩余靜校正后的疊加速度作為初始時(shí)間域偏移速度場(chǎng)做時(shí)間偏移，通過(guò)針對(duì)目標(biāo)線的疊前時(shí)間偏移與偏移速度的多次迭代，不斷優(yōu)化時(shí)間域偏移速度，為后續(xù)的疊前深度偏移提供可靠的深度域初始速度模型。

2)Kirchhoff疊前深度偏移：利用Dix公式將時(shí)間偏移得到的最終時(shí)間域速度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為深度域初始速度模型，進(jìn)行網(wǎng)格層析成像，網(wǎng)格層析有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，第一步是利用偏移剖面，拾取連續(xù)性屬性，結(jié)合射線追蹤及反演算法，定義修改速度的深度點(diǎn)，第二步是拾取CIP(共成像點(diǎn))道集中對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)的剩余量(圖8)，對(duì)速度模型進(jìn)行更新迭代，得到最終深度域速度模型和深度偏移剖面，為后續(xù)的全方位偏移提供深度域速度模型。

a—CIP道集;b—剩余量

為了形成與全方位偏移成像的對(duì)比，在完成Kirchhoff疊前深度偏移后，進(jìn)行逆時(shí)偏移(RTM)成像，它的實(shí)現(xiàn)由波動(dòng)方程延拓和成像兩部分構(gòu)成，采用全聲波方程延拓震源和檢波點(diǎn)波場(chǎng)，然后兩種波場(chǎng)進(jìn)行互相關(guān)，最終成像。RTM的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)為炮集數(shù)據(jù)，首先對(duì)上述的疊前CMP道集進(jìn)行抽道集處理，得到炮集數(shù)據(jù)，然后以Kirchhoff疊前深度偏移建立的深度域速度模型為速度輸入，完成逆時(shí)偏移處理，流程如圖9、10所示，偏移成像結(jié)果如圖11a。

圖9 Kirchhoff疊前深度偏移流程

圖10 RTM(逆時(shí)偏移)流程

圖11 鏡像加權(quán)疊加前(a)后(b)剖面對(duì)比

3)全方位偏移：以疊前深度偏移建立的速度模型為初始速度，通過(guò)全方位網(wǎng)格層析技術(shù)完成速度模型的迭代及全方位偏移。具體步驟如下：

a)偏移成像：基于Kirchhoff疊前深度偏移建立的速度模型，進(jìn)行初次的全方位偏移成像，得到其獨(dú)有的兩個(gè)全方位道集：全方位方向角道集和全方位共反射角道集，進(jìn)而可以獲得地層的傾角與方位角信息。全方位方向角道集能夠進(jìn)行鏡像加權(quán)疊加(圖11)，改善成像精度，提高剖面信噪比。

b)全方位網(wǎng)格層析：同Kirchhoff疊前深度偏移過(guò)程中的網(wǎng)格層析一樣，第一步是定義修改速度的深度點(diǎn)，此次利用全方位偏移得到的地層傾角和方位角等屬性對(duì)于深度點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，使得深度點(diǎn)更加準(zhǔn)確、真實(shí)。第二步是利用全方位共反射角道集拾取用于更新速度模型的剩余延遲，其相對(duì)于共偏移距道集有兩大優(yōu)點(diǎn)： 一是全方位共反射角道集可以獲取多方位射線的剩余延遲；二是全方位共反射角道集信噪比高于共偏移距道集，拾取的剩余延遲更加準(zhǔn)確，如圖12所示。

a—共偏移距道集剩余譜;b—共反射角道集剩余譜

c)模型更新：通過(guò)質(zhì)量控制編輯速度模型，進(jìn)行下一輪的偏移成像或最終的全方位偏移。

2.4 應(yīng)用效果

結(jié)合研究區(qū)地震資料的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷的參數(shù)測(cè)試以及精細(xì)的處理，應(yīng)用全方位偏移成像技術(shù)得到良好效果。

在Kirchhoff疊前深度偏移剖面(圖13a)上，可看出潛山頂界面形態(tài)成像較好，但由于其偏移算法限制，存在偏移畫(huà)弧現(xiàn)象，偏移歸位不準(zhǔn)，潛山內(nèi)幕波組特征不明顯，信噪比偏低，成像效果有待進(jìn)一步改善。分析逆時(shí)偏移剖面(圖13b)可知，其克服了潛山內(nèi)幕偏移畫(huà)弧現(xiàn)象，高陡構(gòu)造成像較好，但由于其本身的淺層低頻噪聲問(wèn)題，導(dǎo)致淺層成像較差。

與Kirchhoff疊前深度偏移和逆時(shí)偏移相比，全方位偏移剖面成像精度高，信噪比高，潛山內(nèi)幕構(gòu)造合理，能夠滿足地震解釋需求。圖13c顯示，潛山內(nèi)幕波組特征清晰，反射信息豐富，CDP在200～400與深度4.0～6.0 km之間，陡傾角構(gòu)造成像清晰，潛山邊界輪廊清晰；CDP在400～700與深度0.5～1.5 km之間，潛山地層和上覆地層接觸關(guān)系清楚，低頻信息豐富。

a—Kirchhoff疊前深度偏移;b—RTM逆時(shí)偏移;c—全方位偏移

為了進(jìn)一步說(shuō)明本文介紹的全方位偏移方法的應(yīng)用效果，將全方位偏移深度域資料轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，與以往疊前時(shí)間偏移處理的老資料進(jìn)行對(duì)比(圖14)，全方位偏移成像技術(shù)應(yīng)用于有效地改善了南馬莊潛山構(gòu)造帶區(qū)塊的資料品質(zhì)，提高了分辨率及信噪比，增強(qiáng)了剖面的連續(xù)性，解決了以往偏移成像精度低的問(wèn)題，為后續(xù)的地震解釋、地質(zhì)研究以及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了可靠的支撐。

圖14 新(a)老(b)剖面對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)南馬莊潛山構(gòu)造帶的全方位偏移成像技術(shù)的研究，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)針對(duì)疊前道集的噪音、能量、頻率、相位以及校正量的處理，有效地提高了地震資料的品質(zhì)，為進(jìn)行全方位偏移成像處理奠定了基礎(chǔ)。

2)全方位偏移成像速度模型的建立不是一蹴而就的，而是一個(gè)不斷探索反復(fù)迭代的漫長(zhǎng)過(guò)程。精準(zhǔn)的時(shí)間域速度場(chǎng)是深度域速度模型的基礎(chǔ)，需經(jīng)過(guò)多次的時(shí)間偏移迭代獲?。簧疃扔蛩俣饶Ｐ偷暮侠斫⑹怯绊懫菩Ч脡牡年P(guān)鍵，網(wǎng)格層析技術(shù)的應(yīng)用可為模型建立提供可靠的方法依據(jù)，網(wǎng)格層析技術(shù)的關(guān)鍵在于精確地定義修改速度模型的深度點(diǎn)以及拾取準(zhǔn)確的剩余延遲；全方位偏移成像得到的全方位道集能夠?yàn)榫W(wǎng)格層析提供有效的構(gòu)造屬性。

3)相比于Kirchhoff疊前深度偏移和逆時(shí)偏移，全方位偏移成像技術(shù)的效果更佳，適用性更強(qiáng)，提高了潛山內(nèi)幕成像精度，落實(shí)了研究區(qū)斷裂系統(tǒng)，斷面刻畫(huà)清晰，斷點(diǎn)歸為準(zhǔn)確，是解決潛山油氣藏成像的一個(gè)很好的方法。