復雜地表淺層速度建模技術研究及應用

戴海濤，成劍冰，王紅博，劉懷山，劉志兵

（1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島266100；2.中國石油東方地球物理公司研究院，河北涿州072750）

1 真地表疊前深度偏移技術存在的問題

1.1 近地表圓滑偏移面分析

中國西部地區(qū)地表起伏劇烈，低降速帶巨厚，高速地層和低速覆蓋層分布無規(guī)律，地震波射線的入射角和出射角變化范圍大，靜校正會造成地震波射線在走時計算時出現(xiàn)誤差，進而造成波場失真[1-2]。

常規(guī)時間域疊前道集的靜校正處理是將靜校正和剩余靜校正的總量在CMP道集域進行高頻、低頻分離，分離出的低頻分量是以CMP為單元統(tǒng)計出的時間域地形平均面，即CMP參考面。早期的疊前深度偏移處理通常通過替換速度將時間域的CMP參考面換算到深度域，作為深度偏移基準面。復雜山地地表高程變化大，造成基于真實地表與CMP參考面計算得到的深度偏移基準面差異大，因而射線路徑的走時誤差大，波場畸變嚴重。為了解決波場畸變問題，目前深度偏移成像時通常采用對地表高程進行小尺度平滑，選取地表圓滑面作為深度域偏移基準面的處理方法。地表圓滑面反映地表高程的變化形態(tài)，應盡可能減少其與地表的高差。該處理思路是為了消除地表圓滑面與CMP參考面之間的低頻時差，將激發(fā)點和接收點的真實位置垂直校正到地表圓滑面上，對偏移前的道集數(shù)據(jù)應用高頻靜校正，以減小真實激發(fā)點、接收點與地表圓滑面之間的射線旅行時誤差。

以上方法技術雖然削弱了道集時差對偏移成像的影響，但仍然存在以下問題：①雖然地震數(shù)據(jù)中引入了高頻靜校時差，但道集時差對地震波場走時的影響并未完全消除；②深度偏移基準面是根據(jù)時間域基準面靜校正量求得的，它與后續(xù)建立的深度域近地表速度模型不一定匹配。

1.2 淺層速度建模問題分析

疊前深度偏移的核心是獲得準確的速度模型。中、深層速度模型的準確程度不僅取決于道集數(shù)據(jù)信噪比，還依賴于淺表層速度模型的精度。淺層速度誤差會傳遞至下伏地層，進而影響深層速度模型的精度，因此建立準確的淺層速度模型對深度偏移成像至關重要。利用反射波進行速度層析反演，要求反射波具有高信噪比、大排列長度、可準確拾取共反射點（common reflection point，CRP）道 集 的 剩 余 延 遲（residual moveout，RMO）。但因三維地震淺層資料存在覆蓋道數(shù)少、信噪比低的缺點，使得共成像點道集淺層的反射波同相軸很難被識別，剩余延遲拾取不準確。因此用于評價偏移速度正確與否的判別準則（同相軸校平）失去其依據(jù)，利用反射波層析成像速度優(yōu)化方法無法求取準確的近地表及淺層地層速度。圖1 是我國西部某復雜山地的三維地震速度譜及CRP道集，可以看出中深層的反射信號具有較高信噪比以及較大排列長度，淺層地震資料信噪比低、覆蓋道數(shù)少，難以識別有效反射信息，因此利用反射波層析建立準確的淺層速度模型存在困難。

圖1 西部地區(qū)某復雜山地三維地震速度譜（a）及CRP道集（b）

2 真地表淺層速度建模技術

2.1 思路及策略

利用初至波層析反演出高精度的淺表層速度模型，并與偏移基準面配套應用，可建立合理的深度偏移淺層速度模型，實現(xiàn)真地表疊前深度偏移。本文研究并提出了面向復雜山地低信噪比的真地表淺層速度建模技術，核心技術思路包括如下內容：

1）在微測井[3]、鉆測井等速度信息約束的基礎上，利用回折波層析反演[4-7]方法建立近地表及淺層速度模型，以提高淺層速度模型的精度。

2）靜校正直接面向深度域成像，即將時間域大炮初至數(shù)據(jù)的回折波反演得到的近地表模型直接作為深度域淺層速度模型，將時間域靜校正僅作為疊前去噪等處理方法的輔助手段，因此需要在疊前深度偏移前對應用了基準面靜校正量的地震數(shù)據(jù)進行靜校正“反應用”，時間域靜校正引起的時差問題可采用真地表偏移面＋淺層建模＋深度偏移的處理方法解決，根據(jù)深度偏移成像質量決定靜校正方法及優(yōu)選參數(shù)。

3）在表層速度準確的情況下，選取包含高精度旅行時算法的層析成像和偏移方法，完成整體速度模型的建立以實現(xiàn)真地表疊前深度偏移。

2.2 微測井約束回折波分層層析反演

復雜山地采集的淺層地震資料信噪比低、覆蓋次數(shù)少、缺乏遠炮檢距波場信息，反射波層析成像無法有效求取準確的近地表速度，因此大炮初至數(shù)據(jù)的回折波層析反演技術[8-11]成為時間域靜校正處理和深度偏移近地表速度建模的有效技術手段。

回折波層析反演考慮了地震波在近地表介質中傳播的各種現(xiàn)象，對回折波或連續(xù)折射直達波通過高精度的交互反演得到近地表介質速度變化情況，從而建立復雜的近地表模型。但受采集資料的限制，當最小炮檢距、低降速層厚度較小時，利用初至波信息無法準確刻畫表層極低速度的信息，需要聯(lián)合微測井和近炮檢距初至波信息反演低速層速度，再以反演速度為約束，聯(lián)合微測井和中、遠炮檢距初至波信息反演高精度的降速層速度，從而建立精確的近地表速度模型。

大炮初至數(shù)據(jù)的回折波層析反演技術對近地表結構進行高密度速度單元劃分，將回折波的走時描述為對介質慢度函數(shù)沿射線路徑的線積分，回折波射線追蹤利用初始速度模型和炮檢點位置計算旅行時，初至時間與正演旅行時之差可被反演成射線經(jīng)過的每個速度單元慢度的擾動。

為了使反演結果與實際模型更吻合并使反演結果穩(wěn)定合理，本文采用了微測井約束回折波層析反演方法。該方法的目標函數(shù)包含了速度約束項，先將微測井解釋的近地表模型作為約束條件[11]，再與旅行時殘差共同構成目標函數(shù)，最后求解拉格朗日約束條件下的目標函數(shù)最小二乘解。在層析反演中，由M條射線和N個未知數(shù)建立的層析矩陣方程為[12-15]：

式中：A為射線路徑集合的Jacobi矩陣；ΔS為慢度修正向量；ΔT為旅行時殘差矩陣?？煞謩e表示為：

假設通過微測井獲得了L個準確的速度信息，即方程（1）中的N個速度單元中有L個已知量，用L維方程可表示為：

式中：C為已知的L個約束條件的Jacobi矩陣；F為約束旅行時殘差矩陣。

其中，

在初至波層析中，假如[～S1，～S2，…，～SL]T為采用微測井或其它方法獲得的部分已知近似速度，那么（4）式C和F的矩陣元素分別為：

1）利用微測井約束回折波分層層析反演求取高精度近地表速度模型。

2）中深層的速度模型的建立：①利用時間域均方根速度場，通過約束速度反演得到時間域層速度；②在構造模型約束條件下，通過時深轉換獲取深度域層速度；③利用VSP等鉆、測井資料對速度場進行修正得到中、深層速度模型。

3）在近地表速度模型中選取一個平滑的高速層頂界面作為速度融合界面，在設定的時窗內將近地表速度鑲嵌到中、深層速度模型中，從而獲得用于深度偏移的初始速度模型，在后續(xù)速度模型迭代修正過程中，保持近地表速度模型不變，僅對高速層頂界面以下的地層進行速度迭代更新。

解決起伏地表的波場畸變問題，不僅需要高精度的近地表速度模型，還必須將偏移基準面選為真實地表面，從而實現(xiàn)真地表疊前深度偏移。為此需要正確處理時間域靜校正與偏移基準面的關系。既然深度域淺層速度模型與時間域靜校正是一致的，即已經(jīng)在深度域利用近地表速度解決了時間域靜校正問題，那么應用了靜校正的時間域偏移前道集數(shù)據(jù)應該在深度域偏移前對應用的靜校正展開“反應用”，使深度偏移前的數(shù)據(jù)無需進行基準面靜校正。

圖3 采用不同迭代次數(shù)得到的淺層速度模型及對應的疊前深度偏移剖面

對柴達木盆地西部某工區(qū)回折波進行層析反演迭代，得到的淺層速度模型及疊前深度偏移剖面如圖3所示，本工區(qū)共進行了4輪迭代，可以看出隨著迭代次數(shù)的增加，速度場細節(jié)逐漸清晰，最終得到了精確的淺層速度模型，疊前深度偏移剖面成像質量也得到了大幅改善。對該工區(qū)應用微測井等資料約束前、后的回折波層析反演結果如圖4 所示，圖4c和圖4d中藍線代表VSP測井速度，紅線代表層析成像反演的層速度。可以看出，經(jīng)微測井資料約束后，回折波層析反演的表層速度橫向刻畫更精細，整體速度與VSP測井速度在淺、中層一致性更好，淺、中層速度很好地反映出逆沖斷層速度上沖的趨勢，符合目前的地質認識，疊前深度偏移剖面上反射波同相軸連續(xù)性明顯增強，斷面波特征更清楚，斷層下部成像質量也得到明顯改善。

2.4 真地表疊前深度偏移

目前制約復雜山地真地表疊前深度偏移實際應用的因素主要包括高精度淺表層速度建模和高精度偏移算法。提高旅行時計算精度，使旅行時計算結果能夠描述真實近地表地層速度橫向變化特點及規(guī)律，即讓深度偏移解決時間域的靜校正問題，有利于深度域高精度淺層速度模型建立。在建立淺層速度模型的基礎上，實現(xiàn)真地表疊前深度偏移還需要選取合適的層析成像和偏移方法，但無論如何，旅行時計算都是重要步驟之一，在條件允許的情況下，須盡可能采用波前構建法和頻率域波動方程數(shù)值解法進行旅行時計算。建立高精度的整體速度模型后，可采用波場外推的偏移方法實現(xiàn)真地表疊前深度偏移。

圖4 應用微測井等資料約束前、后的回折波層析反演結果

采用多方位各向異性層析成像或者更為先進的繞射層析成像方法可提高速度建模精度。通常采用由淺及深、逐步遞進的建模方法，在獲得高精度的淺層速度模型后，采用基于井控地質導向約束的TTI網(wǎng)格層析成像迭代技術完成整體速度建模。該技術是在數(shù)字化露頭、地層傾角測井、三維地震構造解釋模型等多信息的約束下，通過聯(lián)合反演減少層析解的不確定性，并確保速度模型在符合地質及構造認識規(guī)律的條件下迭代更新[18-19]。實際資料處理結果表明，網(wǎng)格尺度影響走時計算精度，進而對速度模型的細節(jié)刻畫造成影響，因此在層析反演過程中，可通過逐步細分層析反演的網(wǎng)格，提高反演結果的分辨率。

3 應用效果分析

圖5和圖6是西部某工區(qū)近地表圓滑面疊前深度偏移剖面和真地表疊前深度偏移剖面，該區(qū)開展過多輪次的處理攻關，以往速度建模都是在近地表圓滑面上開展的，存在斷層刻畫不清楚，構造細節(jié)未落實，部分地區(qū)井震深度誤差大的問題。此次采用了真地表疊前深度偏移技術，首先通過微測井約束初至回轉波分層層析反演建立深度0～1500 m 的速度模型，然后采用基于井控地質導向約束的多方位網(wǎng)格層析[20]成像及TTI網(wǎng)格層析成像建立并優(yōu)化深度大于1500 m 的速度模型，最后利用TTI真地表逆時疊前深度偏移實現(xiàn)高精度偏移成像。由圖5可見，真地表疊前深度偏移剖面上逆沖斷層下盤鹽內斷背斜構造形態(tài)清晰可靠，成像效果較近地表圓滑面的疊前深度偏移成果明顯改善，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）真地表疊前深度偏移剖面，反射波特征突出，波組特征清晰，偏移歸位準確，斷點、斷面位置更清楚，有利于精細構造解釋。

2）真地表疊前深度偏移較好地恢復了地下界面的真實形態(tài)。

如圖6所示，與以往疊前深度偏移的結果相比，真地表疊前深度偏移得到的剖面構造形態(tài)變化明顯，利用本工區(qū)已經(jīng)完鉆的兩口井資料驗證可知，真地表疊前深度偏移的結果與井吻合程度高，證明真地表疊前深度偏移的結果真實可靠。

圖5 西部某工區(qū)近地表圓滑面疊前深度偏移剖面（a）及真地表疊前深度偏移剖面（b）

圖6 西部某工區(qū)以往疊前深度偏移剖面（a）及真地表疊前深度偏移剖面（b）

4 結論與認識

總結真地表淺層速度建模的研究及其實際應用成果得出以下結論：

1）真地表疊前深度偏移淺層建模技術在很大程度上解決了近地表圓滑偏移面與時間域靜校正引起的波場畸變問題。

2）微測井約束回折波分層層析反演是一種可靠地建立高精度淺層速度模型的方法，在多種信息的約束下，只有在獲得高精度淺層速度模型的基礎上，才能夠建立準確的中、深層模型。

3）復雜山地的真地表疊前深度偏移成像精度受多種因素的影響，只有從旅行時算法、層析成像、偏移算法等多方面深入開展理論研究與實際資料試驗，提高其中每一個環(huán)節(jié)的計算精度，才能夠解決山前帶的復雜構造成像問題。