塔西南厚黃土戈壁區(qū)地震資料靜校正處理技術(shù)及應(yīng)用

郭念民,雷剛林,崔永福,徐凱馳,裴廣平,鄧建峰

(中國石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，庫爾勒 841000)

0 引言

復(fù)雜地表條件所引起的靜校正問題是地震勘探取得突破的技術(shù)瓶頸，一直制約著地震剖面成像質(zhì)量的改善[1]。近年來針對復(fù)雜地表條件的靜校正技術(shù)的研究表明，基于初至信息的非線性層析反演靜校正方法,對地表高程變化和地下速度規(guī)律無需特別的假設(shè)或限制，適用于各種復(fù)雜近地表條件下求取準(zhǔn)確的靜校正量，該方法已成為改善地震資料成像品質(zhì)的有效手段[2-14]。

塔里木盆地西南部山地山前帶地區(qū)(塔西南地區(qū))是油氣勘探的重點區(qū)域，但是地表條件復(fù)雜，勘探開發(fā)難度大，如普東地區(qū)地表條件復(fù)雜多樣，普東工區(qū)整體地勢呈南高北低，海拔在1 700 m～3 000 m之間，南部為黃土山，黃土厚度大，地形起伏較大；北部主要為戈壁，局部分布少量農(nóng)田村莊，地形相對平坦(圖1)。該地區(qū)近地表條件特點：①地表高程起伏變化劇烈，由西南向東北高程差可達(dá)一千多米；②地表及近地表巖性橫向變化較大；③黃土戈壁區(qū)風(fēng)化層速度和厚度橫向變化劇烈。圖2為工區(qū)典型位置(厚黃土區(qū)、地表高速出露區(qū)和戈壁區(qū))的單炮，可見厚黃土區(qū)靜校正問題尤為突出，近偏移距道集信息顯示黃土速度較低，初至波抖動劇烈；近地表速度的橫向變化加劇了靜校正問題的復(fù)雜性。黃土戈壁區(qū)的復(fù)雜地表條件，給靜校正問題的解決帶來極大困難。

圖1 工區(qū)地表條件變化示意圖Fig.1 Sketch map of surface condition change

圖2 不同地表位置處的單炮記錄Fig.2 Shot records of different surface conditions

目前解決近地表靜校正的方法主要有三類：①模型法;②折射靜校正法;③層析靜校正法[15]。模型法是一種基于線性內(nèi)插的數(shù)學(xué)計算方法，在地表條件相對簡單的地區(qū)效果較好。折射靜校正法在地表起伏較小、表層速度橫向均勻性較好且存在明顯折射面的地區(qū)使用效果較好，計算結(jié)果穩(wěn)定、計算效率高。但是折射靜校正法基于水平層狀介質(zhì)模型假設(shè)，在地表起伏劇烈、高速層出露的地區(qū)應(yīng)用效果不佳。層析靜校正法可以利用初至波的全部信息，不需要區(qū)分初至波的類型，符合低速帶并非嚴(yán)格成層的實際情況，能夠可靠地反演近地表速度模型，適用于各種復(fù)雜地表條件下速度反演和靜校正量的計算。該方法對中長波長靜校正問題突出的地區(qū)，如低降速帶巨厚的黃土區(qū)、地表起伏的復(fù)雜山地區(qū)、戈壁礫石區(qū)等應(yīng)用效果較好。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合塔西南地區(qū)地震勘探實例，開展了復(fù)雜地表條件靜校正問題解決策略研究，提出了一套改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)，并取得了較好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)方法

為了解決好普東地區(qū)的靜校正問題，筆者提出了改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)工作流程，首先采用一種新的策略來精確拾取初至，根據(jù)初至可得到初始近地表層狀模型，然后利用回轉(zhuǎn)波層析成像技術(shù)進(jìn)行不同偏移距范圍的迭代反演，逐漸得到精細(xì)的近地表網(wǎng)格模型，并拾取等速面作為靜校正量計算面，然后根據(jù)最終模型拾取等速面來計算靜校正量，實際資料得到了較好的應(yīng)用效果。

圖3 低信噪比資料初至拾取流程圖Fig.3 Flow of first break pick-up for low SNR

1.1 高效高精度初至拾取技術(shù)

研究區(qū)為塔西南地區(qū)復(fù)雜山地黃土塬區(qū)，地震數(shù)據(jù)質(zhì)量差別大，一致性差，很難找到一種適合所有單炮數(shù)據(jù)的拾取方法。這里采用了一種自動拾取和人工校正相結(jié)合的方法(圖3)。

在拾取初至之前，先對炮集數(shù)據(jù)施加野外靜校正量，再采用隨空間和炮檢距變化的速度進(jìn)行線性校正，使炮集初至信息更加平緩，從而有利于自動拾取和人工判別修改校正；如果炮集初至信噪比低、發(fā)育旁瓣，則進(jìn)行基于俞氏子波的初至優(yōu)化與整形。目前普遍使用的且有效的初至拾取方法，可以分為兩類：①基于單道振幅突變的方法(如閥值法、能量比法和邊緣檢測法等)；②基于相鄰道波形相似的互相關(guān)方法，前者適合信噪比較高的數(shù)據(jù)，一般采用全自動的實現(xiàn)方法，后者適合信噪比較低的數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互的實現(xiàn)方法。不管是哪類方法，都要求初至數(shù)據(jù)有一定的信噪比。對于信噪比低的數(shù)據(jù)，如果旁瓣發(fā)育，容易導(dǎo)致拾取串層，從而引入錯誤的初至?xí)r間，俞氏子波的主頻高，旁瓣小，這一點對于初至整形尤其重要，采用基于俞氏子波的初至子波優(yōu)化整形技術(shù),可以提高初至波信息自動拾取精度和拾取效率。從圖4可以看出，經(jīng)過俞氏濾波進(jìn)行優(yōu)化和整形后的數(shù)據(jù)信噪比高，更容易進(jìn)行自動拾取，而對于拾取精度仍不高的道集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行人工復(fù)查修改校正。

拾取初至是層析反演靜校正的基礎(chǔ)工作，也是成功的關(guān)鍵。在初至拾取策略上，先拾取信噪比相對較高的偏移距內(nèi)初至，利用該偏移距內(nèi)的初至信息計算初始層析靜校正量，應(yīng)用初始層析靜校正量于原始單炮后，再拾取所有偏移距初至，這樣得到所有偏移距初至后再去掉初始層析靜校正量。在技術(shù)上，采用基于俞氏子波的初至子波優(yōu)化整形技術(shù)和相鄰道波形相似的互相關(guān)方法的初至拾取技術(shù)。通過初至拾取策略和拾取技術(shù)的綜合應(yīng)用，能夠高效、準(zhǔn)確地拾取初至信息，為層析反演奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有利于提高靜校正處理的精度和可靠性。

圖4 某單炮經(jīng)過線性校正后的數(shù)據(jù)與俞氏濾波后的數(shù)據(jù)Fig.4 Data after linear correction and YU filtering of shot(a)線性校正后數(shù)據(jù);(b)俞氏濾波后數(shù)據(jù)

1.2 基于回轉(zhuǎn)波的層析反演方法

回轉(zhuǎn)波層析反演技術(shù)無需對地表高差、低降速帶速度以及折射界面做特定的假設(shè)限制，它是一種將地表模型作為任意介質(zhì)處理的彎曲射線回轉(zhuǎn)波初至反演方法，能夠適應(yīng)地表結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的地區(qū)計算準(zhǔn)確的校正量?；剞D(zhuǎn)波層析反演的基本原理,首先建立近地表反演的地震走時方程：

(1)

式中：S(x,z)為地下介質(zhì)的速度模型；T為初至波的走時；dl為射線路徑的微分。

根據(jù)實際地震記錄所拾取的初至?xí)r間反演近地表速度模型。式(1)離散后，可表達(dá)為如下代數(shù)方程組的矩陣形式：

T=LS

(2)

其中:T為炮檢點旅行時矩陣;L為射線路徑矩陣;S為速度矩陣。通過建立速度矩陣的初始模型S′，能夠追蹤射線路徑矩陣L和炮檢點旅行時矩陣T′。對比正演旅行時T0和實際旅行時T′，能夠計算出旅行時差ΔT。速度矩陣修正量ΔS可表示為：

ΔT=LΔS

(3)

用ΔS對S′進(jìn)行修正，通過多次迭代即可得到真實的速度矩陣S。

實際求解過程中首先要建立一個初始模型，將地下分成網(wǎng)格單元，從激發(fā)點到接收點的射線通過地下網(wǎng)格單元，假設(shè)每個單元的速度是恒定的，使用射線追蹤法計算模擬的初至?xí)r間，然后通過不斷修改速度模型，使實際和計算的初至?xí)r差達(dá)到最小。通過將一個大規(guī)模的非線性最小二乘問題線性化并反復(fù)迭代求取近地表速度模型從而實現(xiàn)反演的優(yōu)化過程，層析反演的流程圖如圖5所示。

回轉(zhuǎn)波層析反演計算中,采取偏移距逐步增大精細(xì)層析反演迭代法可很好地約束淺層模型。分偏移距層析反演的起始偏移距和偏移距增量大小的選擇很重要，直接影響反演精度和反演效率。起始偏移距和偏移距增量大小的選擇,主要依據(jù)工區(qū)的近地表速度及速度的變化規(guī)律，如果表層速度較小、速度變化梯度較小，就需要選擇較小的起始偏移距和偏移距增量，反之需要選擇較大的起始偏移距和偏移距增量。

偏移距從小到大的初至大致反映從淺到深的淺層速度模型，從較小偏移距初至開始層析反演，在前一次層析反演最終模型收斂較好的基礎(chǔ)上，逐步增大較大偏移距進(jìn)行初至層析反演迭代，將前一次最終模型作為下一次層析反演的初始模型，能夠相對固定淺層速度，相當(dāng)于從淺到深逐步精細(xì)更新淺層速度模型，通過多次迭代即可得到真實的速度矩陣S。

在厚黃土復(fù)雜近地表條件下，表層縱、橫速度變化較大，采用傳統(tǒng)的等深面作為靜校正計算面會帶來一定的誤差，筆者采用拾取替換速度為2 500 m/s的等速面層位作為靜校正計算面，相比于從高程平滑面向下300 m的等深面來計算得到靜校正量更加精確。

圖5 層析反演流程圖Fig.5 Flow of tomographic inversion

圖6 初至拾取示意圖Fig.6 Sketch map of picking up first break(a)拾取3 500 m偏移距內(nèi)初至;(b)計算應(yīng)用初始靜校正后拾取所有初至;(c)去掉初始靜校正量得到真正初至

2 實例研究及效果

普東工區(qū)復(fù)雜地表(南部黃土山、中間山前帶、北部戈壁灘)帶來了初至拾取難度大的問題，采用高效高精度初至拾取技術(shù)，可以較好地解決復(fù)雜地表的地震資料初至拾取問題，如圖6所示：①利用這里方法首先拾取3 500 m偏移距內(nèi)初至信息；②利用3 500 m偏移距內(nèi)的初至計算初始層析靜校正量；③應(yīng)用初始層析靜校正量于原始單炮，再拾取所有偏移距初至；④得到的所有偏移距初至并去掉初始層析靜校正量；⑤利用最終完整的全偏移距初至信息計算層析靜校正。

經(jīng)過高效高精度初至拾取和多次層析反演迭代，很好地解決了工區(qū)內(nèi)由于地形復(fù)雜、地表起伏較大、低降速帶厚度不均以及橫向速度變化較大帶來的靜校正問題?；剞D(zhuǎn)波層析成像技術(shù)能夠更好地擬合初至?xí)r間，從而更加充分地挖掘初至?xí)r間所隱含的地球物理信息；該技術(shù)在縱向上分層更加細(xì)化，同時能夠精確地反映出橫向速度的變化；該技術(shù)能夠有效解決地表復(fù)雜區(qū)的靜校正問題，同時通過反演求取精確的淺層速度模型，確保低幅度構(gòu)造的真實性，提高地震資料的成像質(zhì)量。本工區(qū)淺層黃土層厚度不均，速度的橫向變換較大，拾取替換速度2 500 m/s的等速面層位作為靜校正計算面比沿高程平滑面向下300 m的等深面更精確。

圖7為常規(guī)4 500 m偏移距常規(guī)層析反演和本文方法從300 m到4 500 m偏移距(起始偏移距為300 m，偏移距增量為300 m)15次迭代層析反演的最終模型對比，常規(guī)4 500 m偏移距層析反演結(jié)果中無法對淺層低速黃土層的速度精細(xì)刻畫，分偏移距15次迭代層析反演結(jié)果對淺層低速黃土層速度刻畫更加清晰。圖8為常規(guī)層析反演和本文分偏移距15次迭代層析反演結(jié)果的射線密度對比，本文方法在南部黃土山區(qū)射線密度分布更為合理。

圖9為層析靜校正前后單炮對比，可以看出初至得到很好改善，靜校正問題得到有效解決。由圖10可以看出，改進(jìn)的層析反演方法得到的最終靜校正量應(yīng)用后的疊加剖面在南部黃土山區(qū)淺層(方框區(qū)域)和普東構(gòu)造區(qū)(橢圓區(qū)域)疊加成像都得到了更好的結(jié)果。

圖7 常規(guī)方法和本文改進(jìn)方法的最終模型對比Fig.7 Final model comparison between conventional method and improved method in this paper(a) 常規(guī)方法;(b)本文改進(jìn)的方法

圖8 常規(guī)方法和本文改進(jìn)方法最終模型的射線密度對比Fig.8 Contrast of ray density of final model between conventional method and improved method in this paper(a)常規(guī)方法;(b)本文改進(jìn)的方法

圖9 本文改進(jìn)方法靜校正應(yīng)用前后的單炮記錄對比Fig.9 Shot records comparison before and after static correction application using this paper method(a)靜校正應(yīng)用前;(b)靜校正應(yīng)用后

圖10 常規(guī)層析反演方法和本文改進(jìn)方法靜校正應(yīng)用后的疊加剖面對比Fig.10 Stack section comparison after static correction application between conventional method and improved method in this paper(a)常規(guī)層析反演方法;(b)本文改進(jìn)方法

3 結(jié)論及認(rèn)識

準(zhǔn)確的初至拾取是山地區(qū)層析反演靜校正的基礎(chǔ)，筆者采用高效高精度初至拾取技術(shù)很好地解決了該問題；通過分偏移距多次迭代回轉(zhuǎn)波層析成像技術(shù)相比常規(guī)的層析反演靜校正技術(shù)，不僅能夠精細(xì)地反映橫向速度變化，而且縱向上的分層也更加精細(xì)；對于復(fù)雜山地區(qū)資料，拾取穩(wěn)定的等速面比高程平滑面向下延伸的等深面作為靜校正計算面更加精確，得到的成像質(zhì)量更好。塔西南厚黃土戈壁區(qū)普東三維資料實際應(yīng)用效果證明，本文改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)是非常有效的，該技術(shù)可以在其他復(fù)雜地表區(qū)的靜校正處理中進(jìn)行推廣應(yīng)用。