庫(kù)車復(fù)雜山地層析反演靜校正技術(shù)應(yīng)用探索

呂景峰，李 平，劉新文，閆智慧，李亞昕.

(中國(guó)石油東方地球物理公司，河北涿州 072751)

塔里木盆地庫(kù)車山地山前帶蘊(yùn)含著豐富的油氣資源，勘探前景廣闊，不僅是我國(guó)“西氣東輸”工程的主要產(chǎn)氣源地，還是“十二五”計(jì)劃塔里木油田公司天然氣勘探的重大突破區(qū)。庫(kù)車前陸盆地具備我國(guó)西部復(fù)雜山地、山前帶的典型近地表特征：地表類型種類多樣，包括山體、山前巨厚沖積扇、戈壁灘、農(nóng)田村莊以及沖溝、河流等多種地表類型；表層巖性復(fù)雜、多變，近地表速度、厚度在縱、橫向上變化劇烈；新近系和古近系的砂泥巖山體、西域組礫石山體及第四系的礫石堆積遍布[1-4]。復(fù)雜的淺層地質(zhì)條件導(dǎo)致靜校正問題突出，已經(jīng)成為影響該區(qū)地震勘探效果的關(guān)鍵因素之一。C. H. Dix教授曾說過：“解決好靜校正就等于解決了地震勘探中幾乎一半的問題。”[5]

復(fù)雜近地表區(qū)，單純根據(jù)微測(cè)井或者小折射調(diào)查結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插進(jìn)而獲得風(fēng)化層厚度和速度的表層模型靜校正方法，在國(guó)內(nèi)、外靜校正中已經(jīng)很少使用。對(duì)于工區(qū)內(nèi)具有穩(wěn)定的折射層且已知風(fēng)化層速度/厚度，同時(shí)表層厚度和速度在縱、橫向上變化不太劇烈的前提下，折射波靜校正方法可以得到較高精度的短波長(zhǎng)靜校正量；但在復(fù)雜近地表區(qū)，折射波靜校正方法的假設(shè)條件一般很難保證，若是給定的風(fēng)化層速度/厚度存在誤差或者追蹤的折射界面不穩(wěn)定，經(jīng)常會(huì)帶來長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問題，致使構(gòu)造發(fā)生畸變[6-8]。地震波走時(shí)層析成像反演靜校正技術(shù)考慮了地震波在近地表介質(zhì)中傳播的各種現(xiàn)象，能夠較好地詮釋復(fù)雜淺層地質(zhì)條件下地震波速度在各個(gè)方向的變化，同時(shí)因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)無須考慮地下結(jié)構(gòu)的介質(zhì)分層情況，所以適用于地形起伏較為劇烈、近地表結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、速度在不同方向上變化劇烈的復(fù)雜近地表區(qū)[9-12]，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，逐漸成為主流靜校正技術(shù)。影響層析反演效果的因素主要是用于約束層析反演的微測(cè)井?dāng)?shù)量和大炮初至的精度，本文針對(duì)這兩個(gè)方面的因素進(jìn)行了分析和應(yīng)用探索，并在2017年度庫(kù)車地區(qū)KS三維地震勘探中取得了較好的效果。

1 層析反演原理

層析反演將地下地質(zhì)體進(jìn)行高密度速度單元?jiǎng)澐郑瑢⒌卣鸩ǖ淖邥r(shí)描述為對(duì)介質(zhì)慢度函數(shù)沿射線路徑的積分：

(1)

式中S(x,z)——地下介質(zhì)的慢度函數(shù)；

dl——射線路徑的微分；

T——地震波從源點(diǎn)s到接收點(diǎn)r的旅行時(shí)，s。

層析反演就是根據(jù)已知波的走時(shí)矩陣T反演慢度函數(shù)S(x,z)的方法[13-16]。在初至波層析中，走時(shí)矩陣T為拾取的初至波時(shí)間，反演出的慢度模型S(x,z)是近地表速度場(chǎng)，可以用來計(jì)算層析靜校正。在反射波旅行時(shí)層析反演中，可從地震數(shù)據(jù)中拾取反射波旅行時(shí)矩陣T，反演出地層速度模型S，用于偏移成像。

2 方法實(shí)現(xiàn)思路

初至層析反演問題是一個(gè)多解性問題，因此在反演過程中需要加入已知信息作為約束條件，用于構(gòu)建層析反演的初始模型和控制反演過程中地層的速度分布范圍，以減少層析反演的多解性并提高速度反演的穩(wěn)定性與精度[17-20]，同時(shí)反演的速度模型與實(shí)際近地表結(jié)構(gòu)分布的一致性更高[21]。所以，如果約束條件是真實(shí)速度(或盡可能接近真實(shí)速度)且大炮初至具有較高的精度，層析反演將會(huì)獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.1 微測(cè)井?dāng)?shù)量的合理確定

復(fù)雜近地表區(qū)，微測(cè)井的布設(shè)以能夠控制近地表結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為宗旨，一般遵循以下原則：①在任意最大炮檢距范圍內(nèi)不少于3口微測(cè)井；②三維工區(qū)邊界(二維測(cè)線端點(diǎn))以及巖性變化分界線附近需布設(shè)一定數(shù)量的微測(cè)井；③風(fēng)化層速度或厚度變化劇烈區(qū)域(地段)需針對(duì)性地加密微測(cè)井。

在實(shí)際操作過程中，可對(duì)工區(qū)內(nèi)3～5束線的老資料，以不同密度的微測(cè)井進(jìn)行約束層析反演對(duì)比。首先將InLine方向密度為1口/(350～1 050) m的全部微測(cè)井(圖1a)，密度分別抽稀成1口/(500～1 600) m、1口/(700～1 800) m和1口/(1 200～2 500) m，也就是全部微測(cè)井的2/3、1/2和1/3(圖1b、1c)；然后以不同微測(cè)井密度為約束條件開展層析反演；最后以全部微測(cè)井為約束條件的層析反演結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，從高速頂界面高程及靜校正量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。從表1中可以看出，所有微測(cè)井約束與無微測(cè)井約束間差別最大：深度差最大為58.7 m，時(shí)間差最大為45.1 ms；采用微測(cè)井約束情況下，礫石山區(qū)差別最大：深度差最大為5.4 m，時(shí)間差最大為4.2 ms。在戈壁區(qū)和砂泥巖山區(qū)，不同約束條件下，層析反演誤差總體較小。

表1 不同約束條件與全約束高速頂界面高程深度差及時(shí)間差Table 1 Different constraints vs full-constrained high-velocity top interface elevation depth difference and time difference

還可以選擇工區(qū)內(nèi)有代表性的近地表結(jié)構(gòu)建立理論模型，模型正演后獲得正演單炮記錄并拾取初至。根據(jù)實(shí)際需要，分別以1口/300 m、1口/500 m、1口/700 m等不同密度的微測(cè)井為約束條件，開展層析反演后，根據(jù)反演結(jié)果與理論模型的誤差，最終確定微測(cè)井的密度。

2.2 初至的拾取及質(zhì)控

初至波拾取的質(zhì)量直接影響層析反演速度模型的質(zhì)量和靜校正的效果。目前初至拾取工作一般由采集單位承擔(dān)：首先，在原始單炮上應(yīng)用表層模型靜校正量，若是應(yīng)用靜校正量后單炮初至仍然參差不齊，可考慮按照一定的間距(距離小于最大炮檢距)拾取若干單炮的初至，對(duì)這些單炮的初至進(jìn)行擬合處理，將擬合差作為剩余靜校正量應(yīng)用于單炮，以盡可能保證初至的光滑性和連續(xù)性[22]；其次，按照不同的巖性分區(qū)，設(shè)置每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)炮初至拾取時(shí)窗的范圍；再次，自動(dòng)批量拾取初至后在不同域內(nèi)采用統(tǒng)計(jì)的方法開展初至質(zhì)控，剔除誤差大的異常初至，并對(duì)誤差較大的地方進(jìn)行重新拾??；最后，輸出初至文本文件并上交用戶。在初至的拾取過程中，可通過濾波、自動(dòng)增益等處理手段來提高初至的識(shí)別能力[23]。

為了避免因單炮數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)數(shù)據(jù)交接環(huán)節(jié)或者SPS數(shù)據(jù)整理過程中出現(xiàn)紕漏而導(dǎo)致的單炮初至漏拾問題以及單炮拾取道數(shù)不足現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)對(duì)仍然存在的、誤差較大的初至數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步切除，以保證初至數(shù)據(jù)的完整性和精度，可對(duì)初至文本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析：以炮點(diǎn)樁號(hào)的線號(hào)為橫坐標(biāo)、點(diǎn)號(hào)為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，在樁號(hào)位置處通過色差的方式統(tǒng)計(jì)單炮拾取的道數(shù)。這樣可以非常直觀地反映初至拾取數(shù)據(jù)密度的整體情況。如圖2a中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置處的單炮顏色為藍(lán)色，表示單炮拾取的道數(shù)在2 000道以內(nèi)。但是周邊單炮拾取的道數(shù)卻都在12 000道以上，可見，這幾炮的單炮拾取道數(shù)不足。同樣，圖2a中①、②、③存在空白區(qū)域，表示這些區(qū)域內(nèi)沒有單炮或者未拾取單炮初至。通過查證，①和②區(qū)域?yàn)楹恿?，施工過程中未布設(shè)單炮，而③位置處為初至漏拾的單炮，需要重新拾取。同時(shí)，能夠在圖2a中任意平面位置處選擇一炮或者該炮附近的若干炮，將其初至按照炮檢距的方式進(jìn)行顯示(圖2b)，根據(jù)初至的收斂性對(duì)初至精度進(jìn)行初步判斷，并對(duì)異常初至進(jìn)行剔除。通過這種方法質(zhì)控后，不僅能夠避免單炮的初至拾取數(shù)據(jù)密度不足(包括漏拾)的現(xiàn)象，還能有效提高單炮初至的精度。

2.3 約束層析反演

高質(zhì)量的初至以及盡可能接近真實(shí)速度的約束條件為約束層析反演奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為了最終得到較為理想的反演結(jié)果，還需注意以下幾個(gè)方面。

2.3.1 模型底界的確定

模型底界決定著模型縱向的大小。如果模型縱向深度不夠，會(huì)使部分射線在模型底界附近傳播，追蹤的射線路徑不合理，影響層析反演的效果和精度；若是模型縱向深度過大，將導(dǎo)致大量的網(wǎng)格無射線穿過，一定程度上影響層析反演的精度和效率[23]。實(shí)際操作過程中，可先做一次迭代反演，根據(jù)射線密度分布找到射線的最大追蹤深度，模型底界只需位于射線最大追蹤深度以下即可。

2.3.2 網(wǎng)格面元尺寸的選取

層析反演網(wǎng)格面元尺寸的選取直接關(guān)系到射線密度和反演效率，是反演過程中較為重要的參數(shù)之一。如果工區(qū)淺層地質(zhì)條件相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以考慮選擇稍大的網(wǎng)格面元尺寸；反之，若是工區(qū)近地表結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、在不同方向上變化較為劇烈的情況下，可以考慮選擇較小的網(wǎng)格面元尺寸。較大的網(wǎng)格面元尺寸雖然能夠提高計(jì)算效率，但是由于經(jīng)過每個(gè)網(wǎng)格面元內(nèi)的射線條數(shù)較多，往往會(huì)降低反演結(jié)果的精度。較小的網(wǎng)格面元尺寸盡管在一定程度上能夠提高反演結(jié)果的精度，但是運(yùn)算效率一般較低，更加耗時(shí)；而且面元尺寸過小時(shí)，穿過每個(gè)網(wǎng)格面元內(nèi)的射線條數(shù)也相對(duì)較少，容易造成最終反演的不收斂。可見，應(yīng)該在保證迭代收斂的前提下、時(shí)效允許的范圍內(nèi)，盡可能縮小網(wǎng)格面元尺寸[24]。多年攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，二維網(wǎng)格面元尺寸選擇0.5～2倍道距、三維網(wǎng)格面元尺寸采用0.5～2倍線距能夠獲得精度較高的層析反演結(jié)果。

2.3.3 反演結(jié)果質(zhì)控

層析反演結(jié)束后，通過速度模型、射線密度以及迭代收斂曲線能夠?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行質(zhì)控：反演的速度模型縱、橫向變化應(yīng)符合實(shí)際的近地表模型的空間變化規(guī)律；模型的淺層及中、深層要有足夠數(shù)量的射線且分布均勻；迭代收斂曲線呈平穩(wěn)狀態(tài)收斂。若不能滿足上述條件，需修改層析反演參數(shù)重新反演。

3 實(shí)例分析

2017年度在塔里木庫(kù)車前陸盆地某復(fù)雜近地表區(qū)實(shí)施了KS山地山前帶三維地震勘探采集，主要地表類型由北到南依次為砂泥巖山體區(qū)、礫石山體區(qū)、農(nóng)田戈壁區(qū)，南北向一條河流貫通山體區(qū)。地表高差相對(duì)較大，近地表結(jié)構(gòu)在縱、橫向上變化劇烈：風(fēng)化層厚度在2～230 m之間分布，速度為380～1 590 m/s，高速在1 950～3 800 m/s區(qū)間內(nèi)變化。老資料表明，該區(qū)地下構(gòu)造復(fù)雜、斷裂發(fā)育，剖面信噪比較低，成像精度有待提高，靜校正問題突出。

為了改善剖面的成像效果、提高原始資料品質(zhì)，施工中采用寬頻可控震源與井炮聯(lián)合激發(fā)技術(shù)，同時(shí)采用了較寬方位(橫縱比0.5)、較高覆蓋(1 700次)的觀測(cè)系統(tǒng)，共計(jì)采集25 400炮，單炮最大接收道數(shù)32 000道。

第一，根據(jù)鄰區(qū)內(nèi)已有的微測(cè)井及大炮初至資料，通過抽稀微測(cè)井的方法進(jìn)行不同微測(cè)井密度約束層析反演對(duì)比，確定了不同地表類型的微測(cè)井密度：農(nóng)田戈壁區(qū)和砂泥巖山區(qū)為1口/(1～2) km，礫石山區(qū)為1口/(0.5～1) km(圖3)。

第二，在人機(jī)交互初至拾取后，通過初至質(zhì)控方法保證了初至數(shù)據(jù)的完整性和質(zhì)量。

第三，以試驗(yàn)的方法確定了模型底界為最低地表高程向下600 m、網(wǎng)格面元為180 m(1倍線距)、10次迭代次數(shù)開展微測(cè)井約束層析反演。

第四，將靜校正量應(yīng)用到時(shí)間初疊剖面上對(duì)比靜校正效果。

通過時(shí)間初疊剖面上不同靜校正方法的對(duì)比可知：與表層模型靜校正方法(圖4a)相比，層析反演靜校正方法(圖4b、4c)虛線框內(nèi)有效地震反射成像效果明顯提高；微測(cè)井約束層析反演(圖4c)與無約束層析反演(圖4b)相比，在實(shí)線框內(nèi)有效地震反射同相軸更加連續(xù)，靜校正精度更高。

4 結(jié)論

(1)約束層析反演靜校正在復(fù)雜山地山前帶能夠提供較為合理的近地表速度場(chǎng)和精度較高的靜校正量。

(2)根據(jù)實(shí)際資料或者正演數(shù)據(jù)合理布設(shè)微測(cè)井，能夠在滿足約束層析反演精度的基礎(chǔ)上降低野外工作量。

(3)初至質(zhì)量是層析反演精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，交互初至拾取后需通過質(zhì)控手段以保證其精度。