山前帶聯(lián)合層析反演地震成像

王延光 尚新民 趙勝天 滕厚華 閆 妍 朱憲懷*

(①中國石化勝利油田分公司，山東東營 257022；②Forland Geophysical Services，美國休斯頓 77079)

0 引言

山前帶構(gòu)造具有良好的圈閉條件，常常是油氣資源富集的重要場所。近年來，中國正在加強(qiáng)包括塔里木盆地、四川盆地和準(zhǔn)噶爾盆地在內(nèi)的山前帶地震勘探。但由于地表地形和地下地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，山前高陡構(gòu)造成像一直是地震勘探的難題。山前帶地震成像的主要難題是：①近地表速度估算和靜校正；②去噪；③速度建模；④從真地表出發(fā)的各向異性疊前深度偏移。

像中國的準(zhǔn)噶爾盆地南緣、塔里木盆地庫車、四川盆地鎮(zhèn)巴和南美洲的安第斯山脈，地表條件極其復(fù)雜，實施地震勘探十分困難[1-3]。在這些地區(qū)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集，檢波器線距往往比期望布置的稀疏，炮線也很難按施工設(shè)計實施。在堅硬的山地巖石上埋置檢波器也是個問題，有時只能埋置在遠(yuǎn)離設(shè)計檢波點的位置。由于地表采樣間隔過大，地震道低速噪聲假頻嚴(yán)重，很難用常規(guī)去噪方法壓制[3]。另外，山前帶的近地表問題已經(jīng)不再是簡單的靜校正問題，而是需要從真地表出發(fā)用疊前深度偏移加以解決。

本文通過對相關(guān)方法的理論分析，結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前帶米泉三維地震成像的綜合應(yīng)用研究，展示了CWT抗假頻去噪和聯(lián)合層析速度反演在復(fù)雜山前帶地震成像中的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。并期望對其他盆地復(fù)雜地表地區(qū)的油氣勘探也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工區(qū)背景和地震數(shù)據(jù)特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣米泉區(qū)塊位于烏魯木齊市東北部(圖1)博格達(dá)山西北緣。工區(qū)整體地形呈西北低、東南高的走勢，海拔高程為500～3500m。地表起伏大，巖性變化也大，包括四類不同的表層地震地質(zhì)條件[4]：①北部農(nóng)田戈壁區(qū)，地形相對平緩，地表主要分布黃土和粒徑為1～5cm的礫巖；②中北部低山區(qū)，海拔相對較高，地表為黃土和粒徑為2～10cm的礫巖；③中南部山區(qū)，海拔較高，地表覆蓋有1～25m厚的黃土和礫巖，礫巖的直徑在4～20cm，個別達(dá)到1m左右；④南部高山區(qū)，不僅海拔高，而且高差變化大，山勢陡峭，表層為1～5m厚的黃土和礫巖，部分出露二疊系、石炭系的泥灰?guī)r、灰?guī)r，地層傾角達(dá)50°～70°，個別地方甚至近于直立，表層風(fēng)化較嚴(yán)重。

圖1 工區(qū)構(gòu)造位置圖

圖2是工區(qū)典型的炮記錄，可以清楚地看到近地表劇烈變化引起的靜校正和噪聲干擾。除了存在幾套不同速度的面波干擾外，近炮檢距道的鳴震(M)異常振幅嚴(yán)重，低速線性噪聲假頻(A)嚴(yán)重，給信號處理帶來了很大的困難。

圖2 工區(qū)典型地震單炮記錄

米泉山前帶地下構(gòu)造屬于典型的雙復(fù)雜構(gòu)造[4-5]，淺表層和深層都很復(fù)雜：構(gòu)造上處于盆地結(jié)合部位，存在多處沖斷，變形嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)發(fā)育3～4套推覆構(gòu)造，變形強(qiáng)烈，地震成像難度很大[6]。

針對米泉地區(qū)近地表和地下構(gòu)造的特征以及地震波場的復(fù)雜性，下面重點分析處理中應(yīng)用的兩項關(guān)鍵技術(shù)：①CWT抗假頻去噪；②聯(lián)合層析速度反演和各向異性疊前深度偏移。

2 復(fù)數(shù)域小波變換(CWT)去噪

在信號處理中，將數(shù)據(jù)從一個域變換到另一個域，可使噪聲和信號更容易分開，從而達(dá)到有效壓制噪聲的目的。本文采用復(fù)數(shù)域小波變換(Complex Wavelet Transform，CWT)，將時間—空間函數(shù)變換成復(fù)數(shù)域小波基函數(shù)，先在復(fù)數(shù)域壓制識別出的噪聲，然后再變換回時間—空間域。該方法的最大優(yōu)點是抗假頻、保真，在壓制噪聲的同時能保留有效信號，尤其是低頻信號。CWT去噪理論在Yu等[7]的文章中有詳細(xì)介紹，這里就不贅述。不同之處是，為了同時壓制近炮檢距高能量鳴震和全炮檢距頻散線性噪聲，本文綜合采用了一維和二維復(fù)數(shù)域小波變換。一維復(fù)數(shù)域小波變換旨在保持有效信號的同時消除強(qiáng)振幅野值。在實際應(yīng)用過程中，增加了對實際資料進(jìn)行尺度和方位的人機(jī)連作實時分析，這樣更有利于參數(shù)的選擇。

圖3是二維復(fù)數(shù)小波變換在地震處理中的應(yīng)用流程。它既可以應(yīng)用于疊前炮集去噪，也可以對疊前時間偏移的共反射點(CRP)道集或疊前深度偏移的共成像點(CIG)道集去噪，甚至可以對疊加數(shù)據(jù)體或共炮檢距剖面去噪，可以根據(jù)需要重復(fù)應(yīng)用。但應(yīng)用于炮集數(shù)據(jù)時，應(yīng)該注意保留具有一定斜率的斷面波和繞射波，以免影響偏移歸位。

圖3 二維復(fù)數(shù)域小波變換在地震處理中的應(yīng)用流程

為了方便理解，用一個合成地震炮集記錄描述二維小波變換的過程。圖4展示的是一個二維合成地震炮集數(shù)據(jù)(圖4a)，通過小波變換分解為六個傾角數(shù)據(jù)(圖4b從左向右分別為-75°, -45°, -15°, 15°, 45°, 75°)。對每個傾角的地震響應(yīng)(例如-15°,15°)又通過復(fù)數(shù)域小波變換分解為1～7七個尺度數(shù)據(jù)(圖5)，尺度0是分解前的數(shù)據(jù)。尺度越大，視頻率(時間方向的頻率或空間頻率(波數(shù)))越低。其他傾角可以做同樣的分解。具體應(yīng)用中可以選擇不同的傾角和尺度，目標(biāo)是保留信號、壓制噪聲。在三維情況下，傾角是一個傾斜面，包括方位和斷面傾角。與其他方法(例如FK變換、拉冬變換等)相比，二維小波復(fù)數(shù)域變換具有以下優(yōu)點[7-9]：①保真；②可逆；③局部化；④抗假頻；⑤便于自動化。

圖4 二維復(fù)數(shù)小波變換把二維地震炮集數(shù)據(jù)(a)分解為 -75°，-45°，-15°，15°，45°，75°六個傾角數(shù)據(jù)(b)

圖5 二維復(fù)數(shù)小波變換把二維傾角炮集數(shù)據(jù)再分解為不同尺度的數(shù)據(jù)

地震信號處理的難點在于，壓制噪聲的同時既要保留有效信號又能抗假頻。二維復(fù)數(shù)域小波變換具有這個能力。圖6和圖7是去噪前、后一個實際炮記錄的對比。從炮記錄和相應(yīng)的振幅譜可以看出，復(fù)數(shù)域小波變換濾波不僅可以有效地壓制含假頻的低速噪聲，而且有效信號得以保留，尤其是低頻信號(圖7)，而低頻信號對油氣藏分析十分重要。

圖6 實際原始炮點記錄(左)和相應(yīng)的振幅譜(右)

圖7 經(jīng)過復(fù)數(shù)域小波變換濾波后的炮記錄(左)和相應(yīng)的振幅譜(右)

圖8是復(fù)數(shù)域小波變換去噪前、后數(shù)據(jù)疊加剖面對比?？梢娙ピ牒笃拭娴男旁氡鹊玫矫黠@改善，尤其是低頻信號得到加強(qiáng)。這進(jìn)一步證明了二維復(fù)數(shù)域小波變換在山前帶壓制噪聲的有效性。

圖8 應(yīng)用復(fù)數(shù)小波變換去噪前后的疊加剖面對比

3 聯(lián)合層析速度建模和各向異性疊前深度偏移

復(fù)雜山前帶地震成像的另一項關(guān)鍵技術(shù)是速度建模，包括近地表速度建模和淺、中、深層的聯(lián)合速度建模[1-2]。

回轉(zhuǎn)波層析反演(Turning-ray tomography),又稱潛水波層析反演(Diving-wave tomography，DWT)，最早由Zhu等[10]、Stefani[11]、Zhang等[12]提出，是一種行之有效的近地表速度建模方法。但該方法的可靠反演深度一般為最大排列長度的1/8 ～1/4(取決于地下速度的梯度大小和是否存在速度反轉(zhuǎn)[2,10])，這顯然不能滿足目的層的勘探要求。另一方面，反射波層析反演可以在深度偏移后通過反射波的剩余時差來更新較深的速度模型，但對淺層卻無能為力，因為在淺層缺少同相軸或者道數(shù)太少(圖9左)。針對這種情況，Zhu等[13]提出了早期的聯(lián)合層析反演思路，即綜合考慮折射波(回轉(zhuǎn)波或潛水波)層析和反射波層析各自的優(yōu)點，互相補(bǔ)充(圖9)。首先通過回轉(zhuǎn)波初至層析反演得到比較可靠的淺層速度模型，與已知的深層速度模型(例如以往的深度偏移速度模型或者從疊前時間偏移的均方根速度轉(zhuǎn)換成層速度模型)進(jìn)行融合，作為反射波層析反演的初始速度模型，然后進(jìn)行反射波層析反演。在反射波層析反演的前幾次迭代過程中，淺層速度約束不變；最后幾次迭代時，放棄淺層速度約束，僅根據(jù)反射層析經(jīng)過的射線路徑進(jìn)行更新，這是因為初至走時反演得到的淺層速度可能不夠精確，它一方面受到初至拾取誤差的影響，另一方面受到各向異性介質(zhì)的影響。通過各向異性(TTI)反射波層析反演，可以適當(dāng)減小淺層速度模型的誤差[1-2]。工業(yè)界多年的實踐證明，上述的兩步法是行之有效的[1-2](圖10)。

圖9 早期的聯(lián)合層析反演思路 [13-14]

聯(lián)合層析速度建模的起始速度是把淺層層析速度體與深層平滑速度體合并(圖10)。首先，兩者合并時需要設(shè)計一個過渡帶，使得合并后沒有痕跡。其次，隨著深度的增加，射線角度變窄，使得回轉(zhuǎn)波層析反演結(jié)果邊界效應(yīng)隨著深度的增加而加大。因此，淺層層析反演速度往往需要進(jìn)行編輯、平滑、擴(kuò)展等一系列處理，然后再進(jìn)行融合(圖11)。同時，由于淺層各向異性等因素，層析反演得到的淺層速度往往偏高，因此還需對層析成像的淺層速度模型進(jìn)行修改，包括掃描更新和VSP標(biāo)定，最終以疊前深度偏移后的成像點道集是否拉平為原則進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

圖10 實現(xiàn)聯(lián)合層析反演起始速度融合示意圖?？煽可疃仁侵笢\層層析反演的可靠深度，一般與排列長度有關(guān)

圖11 聯(lián)合層析速度模型起始速度模型與PSDM疊加融合顯示

為了加快速度更新和提高反演的穩(wěn)定性，聯(lián)合層析反演可以在各向同性疊前深度偏移基礎(chǔ)上，先近炮檢距進(jìn)行各向同性反演。 在近炮檢距反射同相軸拉平后，通過測井資料與解釋層位進(jìn)行井震標(biāo)定，然后加大炮檢距進(jìn)行各向異性參數(shù)選擇和各向異性疊前深度偏移，提高地震成像的精度。

需考慮的一個實際問題是，當(dāng)檢波點距比較大時，折射波和反射波層析之間的“過渡帶”地震道數(shù)太少(圖12)，不利于聯(lián)合層析反演。經(jīng)過五維插值(圖12a)，覆蓋次數(shù)得到增加，從而增加了淺、中層之間“過渡帶”的近炮檢距道數(shù)，聯(lián)合層析反演的可靠性得到改善。

圖12 用五維插值增加覆蓋次數(shù)，增加淺、中層之間“過渡帶”(橢圓框內(nèi))的近炮檢距道數(shù)

4 應(yīng)用效果

米泉三維地震采集的最大排列長度為7000m，部分炮檢距達(dá)10000m(圖13a)。通過152口微測井(圖13b)約束，初至層析反演的速度如圖13c所示。根據(jù)射線密度的底界(圖13d), 可靠深度(從地表往下)達(dá)1500m左右，給聯(lián)合層析反演提供了很好的淺層初始速度模型。用微測井?dāng)?shù)據(jù)約束層析反演和方位加權(quán)插值得到一個比較精細(xì)的三維表層(0～50m)速度體[15]，進(jìn)一步提高初至波層析反演的精度。但是，如果微測井?dāng)?shù)據(jù)使用不當(dāng)，經(jīng)過約束反演后反而會產(chǎn)生所謂的“牛眼”現(xiàn)象。為此先把微測井速度通過空間內(nèi)插得到一個三維表層速度體，這樣可以提高約束反演的穩(wěn)定性。如果微測井的深度大部分只有10～20m，則用它進(jìn)行約束反演的意義不大，因為淺層層析反演網(wǎng)格的垂向增量一般為10m。

圖13 淺層回轉(zhuǎn)波約束層析反演

圖14是某一縱測線的TTI各向異性參數(shù)模型，其中速度是垂直于地層的層速度。各向異性參數(shù)δ和ε分別控制地震成像在垂向和橫向上的校正量。在沒有橫波信息的情況下，δ通過鉆井資料、層位劃分和井震對比來估算；ε通過遠(yuǎn)炮檢距地震數(shù)據(jù)估算。傾角和方位角參數(shù)模型由反射波層析反演自動計算得到，對各向異性疊前深度偏移和提高傾斜層的成像精度起到非常重要的作用。

圖14 聯(lián)合建模更新后的各向異性參數(shù)

圖15是分別用初始速度模型和經(jīng)聯(lián)合層析反演更新得到的速度模型進(jìn)行疊前深度偏移的共成像點道集。雖然工區(qū)三維地表條件和地下構(gòu)造復(fù)雜，噪聲嚴(yán)重，但通過CWT去噪、聯(lián)合層析反演和TTI各向異性疊前深度偏移，共成像點道集基本得到拉平(圖15右)。評價CWT去噪、聯(lián)合層析反演和TTI各向異性疊前深度偏移的效果還要看最終疊加剖面。圖16是重新處理(左)與以往處理的疊前深度偏移疊加剖面(右)的對比。重新處理包括CWT去噪、聯(lián)合層析速度建模和從真地表出發(fā)的TTI各向異性疊前深度偏移。顯然，通過重新處理，低頻信號得到加強(qiáng)，構(gòu)造形態(tài)和斷裂分布更加清晰，有利于后續(xù)的解釋工作。

圖15 采用初始速度模型(左)與聯(lián)合層析速度更新后模型(右)的疊前深度偏移道集

圖16 疊前深度偏移(轉(zhuǎn)換為時間)剖面對比

5 認(rèn)識及展望

通過CWT去噪和聯(lián)合層析速度建模在米泉山前帶地震成像中的成功應(yīng)用，得到以下認(rèn)識：

(1)三維復(fù)數(shù)域小波變換可以壓制層間多次波。利用復(fù)數(shù)域小波變換抗假頻和高保真的優(yōu)點，并考慮到多次波的傳播路徑在二維和三維空間上的不同，再結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造在不同炮檢距剖面上應(yīng)該一致的假設(shè)條件，可以有效地壓制層間多次波。

(2)目前陸地的全波形反演(FWI)還不成熟，主要問題在于表層0～30m內(nèi)巖性極其不均勻和地震波散射，引起地震子波極其不穩(wěn)定和嚴(yán)重噪聲干擾。需要通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，改進(jìn)子波的穩(wěn)定性和壓制噪聲，用FWI提高淺層速度的精度。

(3)目前聯(lián)合層析反演一般分成兩步或多步，在連接上往往需要處理員有一定的經(jīng)驗才能滿足生產(chǎn)的要求。期望在不久的將來，折射和反射聯(lián)合層析反演能夠一步實現(xiàn)。

在本課題的研究中，焦俊如和楊斌做了大量的CWT去噪方法研究和試驗，George McMechan和Sam Gray為聯(lián)合層析反演提供了很好的建議，Allen Bertagne為速度建模提供了構(gòu)造解釋，Ellen Chen參加了時間域重新處理，許琨和馬青提供了軟件開發(fā)和技術(shù)支持，對此表示感謝。