寬方位地震OVT域方位各向異性校正技術(shù)

李 昂 張麗艷* 楊建國 李 娜 李士超 姚玉來

(①中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽 110000； ②中國石油大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

0 引言

油氣勘探的深入對(duì)地震勘探技術(shù)的要求越來越高，同時(shí)也促進(jìn)了地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，如從二維地震發(fā)展到三維地震，從窄方位地震發(fā)展到寬方位地震[1]。相對(duì)于窄方位地震而言，寬方位地震在提高資料成像精度、振幅保真及裂縫預(yù)測(cè)等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此逐漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。相應(yīng)的寬方位地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，OVT域處理即是針對(duì)寬方位地震數(shù)據(jù)的主流處理技術(shù)，具有效果好、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。更重要的是通過OVT域處理后的數(shù)據(jù)是同時(shí)保留了炮檢距和方位角等特征的“五維”數(shù)據(jù)體[5]，可以為后續(xù)的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及流體識(shí)別提供更充分、有效的信息，這也體現(xiàn)了寬方位地震數(shù)據(jù)處理與常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)處理相比存在的差異及具有的優(yōu)勢(shì)[6-7]。

地下介質(zhì)普遍存在各向異性，它顯然會(huì)影響地震成像的精度[8-9]。早期的常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理，是基于各向同性理論進(jìn)行的，未考慮各向異性影響。后來認(rèn)識(shí)到大炮檢距數(shù)據(jù)的各向異性影響不能忽略，遂將基于各向同性的處理擴(kuò)展到弱各向異性介質(zhì)的處理，即考慮了VTI介質(zhì)的各向異性。但受地震數(shù)據(jù)采集的限制，沒有考慮方位各向異性影響，原因是窄方位采集的地震道在不同方位角內(nèi)分布不均勻，方位各向異性處理不能充分展開。

隨著寬方位地震勘探日漸普及而發(fā)展起來的方位各向異性處理技術(shù)，是指利用方位各向異性信息做方位各向異性校正，以提高分辨率或開展應(yīng)力場分析及裂縫預(yù)測(cè)等。眾多學(xué)者在探究利用寬方位資料進(jìn)行方位各向異性校正處理的方法，如分方位處理[10-12]是一種人為干預(yù)性很強(qiáng)的處理技術(shù)，即處理員憑經(jīng)驗(yàn)將數(shù)據(jù)體分為若干方位角，并在各方位角內(nèi)進(jìn)行處理，但無論怎樣精細(xì)劃分都存在方位角分布不均衡現(xiàn)象，有的方位角內(nèi)地震道多，有的方位角內(nèi)地震道少； 還會(huì)導(dǎo)致各方位角內(nèi)覆蓋次數(shù)呈現(xiàn)很強(qiáng)不均衡性。另外，分方位處理尤其在速度分析時(shí)需耗費(fèi)大量人力和處理機(jī)時(shí)，也會(huì)嚴(yán)重拉長數(shù)據(jù)處理周期[13]。Al-Dajani等[14]和Grechka等[15]根據(jù)非雙曲時(shí)距方程4次項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式，利用寬方位數(shù)據(jù)重構(gòu)NMO速度橢圓，獲得與方位有關(guān)的NMO速度，進(jìn)行方位各向異性校正。該做法相對(duì)合理，但對(duì)資料品質(zhì)的要求很高，且縱橫向速度分析點(diǎn)都要進(jìn)行方位速度分析和拾取，實(shí)際中很難操作和實(shí)現(xiàn)。還有一種方位各向異性校正方法的思路是基于模型道的方位時(shí)差，即在成像后的方位各向異性道集上采用模型道相關(guān)法逐層剝離進(jìn)行校正，該方法能較好地解決標(biāo)準(zhǔn)層時(shí)差校正問題，但層間時(shí)差難以徹底解決，且可能出現(xiàn)變差情形[16-17]。

OVT域方位各向異性校正的主要方法有速度模型迭代和相干譜拾取兩種。其中速度模型迭代法主要通過互相關(guān)在道集上拾取“螺旋形”時(shí)差，對(duì)旅行時(shí)差進(jìn)行反演，利用最小平方根算法求取道集的快慢波速度和快波方位角，進(jìn)而對(duì)道集進(jìn)行方位各向異性校正，該方法需將偏移后道集疊加作為引導(dǎo)，只適用于共炮檢距和共角度道集，對(duì)方位角覆蓋密度要求較高。相干譜拾取法是以笛卡爾坐標(biāo)系表述各向異性特征，對(duì)偏移后的OVG(offset vector gather)矢量道集(也稱作“蝸?！钡兰?進(jìn)行反演，得到方位各向異性的方位角和各向異性強(qiáng)度，再做方位各向異性校正。本文基于寬方位地震數(shù)據(jù)，采用OVT域處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)偏移前數(shù)據(jù)分方位均勻抽取，進(jìn)行偏移得到OVG道集； 對(duì)比分析常規(guī)偏移CRP(共反射點(diǎn))道集與OVT域偏移后OVG道集二者的特征及差異； 通過相干譜拾取法進(jìn)行參數(shù)反演，得到表征各向異性傳播的三個(gè)參數(shù)，進(jìn)而求出快慢波速度和方位角，進(jìn)行時(shí)差校正； 最后通過理論模型和實(shí)際OVG道集驗(yàn)證了基于相干譜拾取方法對(duì)方位各向異性時(shí)差校正的有效性。

1 OVT域方位各向異性特征分析

OVT技術(shù)更新了疊前數(shù)據(jù)的排列方式，在OVT域針對(duì)寬方位地震數(shù)據(jù)能有效地改善處理效果，提高成像質(zhì)量。OVT的概念首先由Vermeer[18]提出，爾后Cary[19]和Starr[20]相繼開展了相關(guān)研究，如OVT道集的生成及方位屬性具有的優(yōu)勢(shì)等。OVT處理技術(shù)流程大致分為三步： ①資料預(yù)處理，與常規(guī)三維資料預(yù)處理類似，主要是前期的去噪、靜校正及反褶積等，因OVT疊前道集信噪比通常低于常規(guī)CRP道集，故在此環(huán)節(jié)應(yīng)注重提高信噪比處理； ②抽取OVT道集并做偏移處理，得到具有方位角特征的矢量OVG道集，即可在OVG道集上定性地預(yù)測(cè)地下方位各向異性的方向和強(qiáng)度[21-23]； ③對(duì)偏移后的OVG道集進(jìn)行反演，可定量地得到各向異性的方位角和各向異性速度場信息，利用這些信息進(jìn)行方位各向異性校正，提高成像質(zhì)量。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 方位各向異性分析及校正處理流程

常規(guī)地震偏移是在炮檢距組內(nèi)進(jìn)行的，偏移后為CRP道集；寬方位地震偏移一般在OVT域進(jìn)行，得到不同于CRP的OVG道集。圖2是M工區(qū)常規(guī)偏移的CRP道集(圖2a)與OVT域偏移后的OVG道集(圖2b)對(duì)比，可看出二者的主要差別體現(xiàn)在：

(1)常規(guī)偏移的CRP道集上橫坐標(biāo)只有炮檢距信息，偏移后不存在方位角信息；而OVT域偏移的方位各向異性道集橫向上不僅包含炮檢距信息，同時(shí)包含方位角信息，且方位道集隨方位角呈周期性變化(圖2b，紅色曲線，范圍是0°～360°)。

(2)常規(guī)CRP道集偏移時(shí)采用人為炮檢距分組，所以最終CRP道集上每個(gè)炮檢距只有一道，而方位各向異性道集不存在人為分組情況，每個(gè)炮檢距有多個(gè)地震道，且這些地震道來自不同方位。

(3)CRP道集的最終覆蓋次數(shù)決定于炮檢距分組，還存在分組不均勻情況，即在CRP道集常見的中等炮檢距組能量強(qiáng)、近炮檢距組和遠(yuǎn)炮檢距組能量弱等現(xiàn)象(圖2a)；方位各向異性道集的覆蓋次數(shù)均勻，與整個(gè)工區(qū)覆蓋次數(shù)基本相同。

(4)由于CRP道集未考慮方位角影響，在道集上表現(xiàn)出同相軸不平，方位道集同相軸隨方位角呈周期性變化(圖2b紫框(1600～2000ms)范圍)，即波浪形曲線特征，可根據(jù)該特征定性確定地下裂縫發(fā)育方位，波浪形曲線的峰值通常指示裂縫發(fā)育主方向，峰值大小表征裂縫發(fā)育強(qiáng)度。

圖2 常規(guī)偏移的CRP道集(a)和OVT域偏移的方位各向異性道集(b)

2 OVT域方位各向異性校正處理

2.1 相干譜拾取法方位各向異性校正原理

地震波在裂縫介質(zhì)或HTI介質(zhì)中傳播滿足橢圓方程(圖3)，選擇一種坐標(biāo)系表征各向同性與各向異性特征之間的關(guān)系。如選取笛卡爾坐標(biāo)系對(duì)方位道集做三維曲面分析，對(duì)應(yīng)地用Q、R、S三個(gè)時(shí)差校正參變量描述。其中Q表示振幅隨炮檢距的變化率，表征各向同性部分，當(dāng)不存在方位各向異性變化時(shí)，曲面呈各向同性橢球體； 當(dāng)存在各向異性時(shí)，R、S分別表示Inline和Crossline方向橢球的不規(guī)則曲率。

圖3 快、慢波傳播橢圓示意圖

曲面上拾取的剩余時(shí)差Δt表示為

Δt=Q(x2+y2)+R(x2-y2)+S(2xy)

(1)

式中x和y分別是橫向和縱向炮檢距。

Δt已知，Q、R、S是待求參數(shù)。假設(shè)分析的CIG道集內(nèi)有N道，那么式(1)可通過N道記錄組成線性方程組

AX=b

(2)

其中

通過最小二乘法可求出Q、R、S。其中Q可分解為快波方向和慢波方向的參變量，利用Rüger[24]提出的HTI介質(zhì)縱波反射系數(shù)公式，并通過快慢波矢量分解，可定義

(3)

(4)

(5)

式中α為方位角，且有

α=0.5arctan(S/R)

(6)

這樣，由式(3)～式(5)可推導(dǎo)出

(7)

進(jìn)而得到

(8)

(9)

則快、慢波速度與快、慢波參變量之間存在關(guān)系

(10)

(11)

式中：τ是時(shí)間；Viso(τ)是τ時(shí)刻各向同性速度。

進(jìn)而可求出某一CDP點(diǎn)的動(dòng)校正速度

(12)

式中φ為炮—檢方向與Inline方向的夾角。

總之，將疊加剖面中相干性較好部分作為骨架，參考偏移后具有方位特性的OVG道集，可反演出Q、R、S，并求取方位各向異性的方位角和快、慢波速度及動(dòng)校正速度，以便開展方位各向異性校正。

2.2 理論模型驗(yàn)證

設(shè)計(jì)一個(gè)各向異性介質(zhì)模型(圖4)，各參數(shù)如表1所示，其中第二層含一組裂縫。采用2.5D數(shù)據(jù)進(jìn)行裂縫介質(zhì)正演模擬，從0°～360°，每隔30°的方位角做正演模擬，總共12條測(cè)線，這樣除了能觀測(cè)到波場傳播特征外，還能從不同方位上觀測(cè)裂縫介質(zhì)傳播特征。正演模擬采用雷克子波，頻率為80Hz，震源位于模型中間，沿x和z方向的采樣間隔均為1m，時(shí)間采樣間隔為1ms。

圖4 各向異性介質(zhì)模型

表1 對(duì)應(yīng)圖4模型的參數(shù)

從該模型抽取縱波方位各向異性道集(圖5a)，同樣可看出縱波在裂縫介質(zhì)中傳播時(shí)受裂縫影響導(dǎo)致方位道集呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征，沿裂縫方向傳播時(shí)速度相對(duì)較快、時(shí)間短，垂直裂縫方向傳播時(shí)速度相對(duì)較慢、時(shí)間長，這樣使方位道集表現(xiàn)出隨方位變化的“波浪”形曲線。圖5b為利用上述相干譜拾取法做方位各向異性校正處理后道集，可見“波浪”形曲線的時(shí)差特征消失，同相軸被校平，從上到下幾乎不存在同相軸上下振蕩現(xiàn)象，較好地解決了方位各向異性問題。

圖5 方位各向異性校正前(a)、后(b)道集

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

將本文方法應(yīng)用于M工區(qū)寬方位資料方位各向異性處理，以考察其成像精度。選取該區(qū)利用低頻可控震源采集的“兩寬一高”三維資料，可控震源掃描頻率為1.5～96.0Hz，采用單只檢波器寬方位接收，橫縱比為0.9，覆蓋次數(shù)為480，面元為5m×5m。將該寬方位資料抽取到OVT域，在OVT域做去噪、偏移等處理得到OVG道集，該道集包含炮檢距和方位角信息，且道集上呈現(xiàn)很明顯的方位各向異性特征，并隨方位呈周期性變化(圖6a)。

采用相干譜拾取法對(duì)方位各向異性道集進(jìn)行校正，在笛卡爾坐標(biāo)系下利用方位各向異性道集的方位角特性做橢圓擬合掃描。從相干譜拾取法反演得到的三個(gè)參數(shù)(圖7a～圖7c)及相干譜剖面(圖7d)可見，類似于地震剖面，縱向上每個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)都存在一定相干值，據(jù)此可求出隨方位變化的時(shí)差校正量，利用該時(shí)差校正量對(duì)圖6a方位各向異性道集做校正(圖6b)，通過對(duì)比校正前、后方位道集，可見消除了同相軸波浪形起伏，方位各向異性時(shí)差得到很好校正(尤其800～1400ms)，為后續(xù)高分辨率成像提供了保障。對(duì)方位各向異性校正前、后道集進(jìn)行疊加(圖8)，可見方位各向異性校正后的弱信號(hào)能量得到增強(qiáng)，成像效果更好(綠色箭頭指示處)，更利于后續(xù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和精細(xì)解釋。

圖6 方位各向異性校正前(a)、后(b)道集對(duì)比

圖7 相干譜拾取法反演的參數(shù)及相干譜(a)Q參數(shù)； (b)R參數(shù)； (c)S參數(shù)； (d)相干譜

圖8 方位各向異性校正前(a)、后(b)剖面對(duì)比

4 結(jié)論

(1)方位各向異性校正是寬方位地震資料處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是針對(duì)OVT域偏移后的方位道集進(jìn)行處理的一種方法，能消除不同方位間道集的時(shí)差，使道集能同相疊加，提高地震成像質(zhì)量。

(2)相干譜拾取法是OVT域一種有效的各向異性校正方法，是基于地震波在HTI介質(zhì)中傳播的橢圓原理進(jìn)行的。該方法以疊加剖面作為引導(dǎo)拾取相干譜，通過對(duì)OVG道集進(jìn)行反演得到方位各向異性的方位角和各向異性強(qiáng)度，從而進(jìn)行時(shí)差校正。

(3)利用相干譜拾取方法對(duì)理論模型和寬方位實(shí)際資料的OVG道集做方位各向異性校正，能較好地消除方位各向異性時(shí)差的影響，提高成像質(zhì)量和分辨率，有利于后續(xù)的疊前反演。

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