共聚焦點(diǎn)速度建模方法述評(píng)

王璽凱， 赫云蘭

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，石油勘探與開(kāi)發(fā)的程度不斷深入，地震勘探的要求也越來(lái)越高，疊前深度偏移在這樣的背景與挑戰(zhàn)下應(yīng)運(yùn)而生、且起到了舉足輕重的作用。疊前深度偏移是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地下構(gòu)造成像的有效方法，能夠適應(yīng)速度縱橫向的劇烈變化，因此疊前深度偏移技術(shù)普遍應(yīng)用到解決橫向變速?gòu)?fù)雜構(gòu)造成像問(wèn)題中。疊前深度偏移對(duì)地下速度場(chǎng)有很強(qiáng)的依賴性，速度模型的正確性和精度都會(huì)對(duì)成像結(jié)果產(chǎn)生很大影響，因此速度建模是實(shí)現(xiàn)疊前深度偏移的關(guān)鍵。針對(duì)偏移成像的缺點(diǎn)，Berkhout(1992)在首創(chuàng)面炮理論后[1]，提出了共聚焦點(diǎn)(Common Focus Point, CFP)成像技術(shù)[2-3]，其博士生Thorbecke用實(shí)際數(shù)據(jù)資料驗(yàn)證了這一方法各方面的先進(jìn)性[4]。CFP技術(shù)是通過(guò)激發(fā)聚焦和檢波聚焦兩個(gè)獨(dú)立且連續(xù)的聚焦步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)疊前深度偏移的地震成像方法，有共聚焦和雙聚焦兩種形式[5]。CFP技術(shù)在國(guó)內(nèi)也迅速發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年研究，共聚焦點(diǎn)技術(shù)在理論研究與模型試算上多發(fā)展的越來(lái)越完善[5-6]，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛[2-3,7-8]。近幾年來(lái)，CFP技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)停滯，主要原因概括如下：①拾取的地震資料信噪比偏低，使地震數(shù)據(jù)不滿足偏移方法對(duì)地震數(shù)據(jù)的要求；②速度建模方法的抗噪能力有限；③恢復(fù)全頻速度場(chǎng)的不可能性；④CFP建模未實(shí)現(xiàn)體系化、實(shí)用化；⑤速度分析的非唯一性。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能技術(shù)的日益普及，CFP技術(shù)突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展指日可待。

1 基本原理

1.1 CFP技術(shù)的基本原理

CFP技術(shù)是為適應(yīng)疊前深度偏移對(duì)速度的強(qiáng)依賴性產(chǎn)生的一種新的偏移技術(shù)，基于等時(shí)原理和差異時(shí)移(DTS)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)共聚焦點(diǎn)道集的速度建模。對(duì)于CFP的基本原理，前人已有詳細(xì)論述，在這里只做簡(jiǎn)要介紹[9-12]。

為實(shí)現(xiàn)CFP偏移，應(yīng)用如下的WRW模型[2-3]

(1)

獲取面炮組合(受控激發(fā))

sl(z0)=S(z0)τl(z0)

(2)

和面檢波組合(受控檢波)

dk+(z0)=τk+(z0)D(z0)

(3)

然后進(jìn)行雙聚焦(激發(fā)聚焦和檢波聚焦)，依據(jù)等時(shí)原理獲得共聚型CFP偏移成像結(jié)果和等截距走時(shí)原理獲得雙聚型CFP偏移成像結(jié)果。

1.2 CFP技術(shù)處理流程

CFP技術(shù)的應(yīng)用主要分為以下四步：①聚焦算子的計(jì)算；②檢波聚焦；③激發(fā)聚焦；④應(yīng)用成像原理。具體步驟如圖1所示。

1.3 CFP道集速度建模原理

CFP道集速度建模是基于差異時(shí)移(DTS)分析， 零DTS是建立正確速度模型的基礎(chǔ)。若其不為零，可把這種時(shí)間誤差通過(guò)攝動(dòng)法轉(zhuǎn)化為更新后的模型參數(shù)。每次模型更新后得到一套新的聚焦算子，進(jìn)而生成新的CFP道集，CFP的道集對(duì)應(yīng)的逆時(shí)聚焦算子做互相關(guān)給出新的DTS。分析新的DTS圖，建立偏移速度模型(圖2)。

2 CFP速度建模

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及研究的不斷深入，自CFP技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，基于上述基本原理，共演化出以下四種基于共聚焦點(diǎn)技術(shù)的速度建模方法。

2.1 層速度掃描方法

1998年李錄明[13]等提出了在CDP道集上利用互換原理組成偽炮集建立層速度模型的方法。劉超穎[8]等于2003年提出了一種層速度掃描建模方法，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)證明了其實(shí)用性和科學(xué)性。該方法避免了常規(guī)方法中的小炮檢距和小傾角假設(shè)的局限性，更適用于復(fù)雜地層的研究，該方法以層剝離法前提條件，主要有三個(gè)實(shí)現(xiàn)步驟，其中最重要的是對(duì)層位反偏移[14]以及時(shí)深轉(zhuǎn)換技術(shù)方法的應(yīng)用，其建模過(guò)程如圖3所示。2005年張凱[15]等基于速度掃描和相關(guān)能量準(zhǔn)則通過(guò)對(duì)WRW模型的試算證明了速度掃描方法的有效性。2007年勾麗敏[16]等在使用相干反演法建立速度模型的基礎(chǔ)上，基于地震信號(hào)一致性的前提下對(duì)疊前深度偏移中噪音對(duì)層速度的影響進(jìn)行了理論與定量分析并得出了相關(guān)結(jié)論，同時(shí)研究了非理想條件下靜校時(shí)差對(duì)界限信噪比的影響，在此研究基礎(chǔ)上得出了提高疊前深度偏移層速度精度的條件：地震信號(hào)一致性處理、疊前噪聲衰減、減小校正時(shí)差。

圖1 CFP技術(shù)處理流程Figure 1 Confocal point technology processing flow

圖2 DTS面板合成示意圖Figure 2 Schematic diagram of DTS panel composition

圖3 層速度掃描方法速度建模流程Figure 3 Horizon velocity scanning method velocity modeling flow

圖4 層析速度分析方法速度建模流程Figure 4 Tomographic velocity analysis method velocitymodeling flow

2.2 層析速度分析方法

Berkhout[3]、Cox[17]等提出射線層析也可以基于CFP道集實(shí)現(xiàn) ；在前人的理論基礎(chǔ)上李振春[7,18]、劉超穎[8]對(duì)CFP道集層析速度分析進(jìn)行了嘗試，對(duì)合成理論數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。2004年辛可鋒[19-20]等提出了基于CFP道集的層析速度反演方法，闡明該方法是基于向量參數(shù)化和攝動(dòng)法等技術(shù)來(lái)進(jìn)行速度建模，并利用SeisVel模型對(duì)實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)進(jìn)而驗(yàn)證了該方法的有效性，其建模過(guò)程如圖4所示。近年來(lái)，層析速度分析方法在疊前深度偏移的其他方法中有了不同程度的發(fā)展。2012年曾同生[21]進(jìn)行了基于角道集的層析速度反演方法的研究，該方法避免了角道集速度分析方法與層析速度分析方法的缺點(diǎn)，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，提高了速度反演的精度。2013年潘興祥[22]在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基于角道集的高精度層析速度建模方法；玄長(zhǎng)虹[23]分析了在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)特殊層位約束建模方法的可行性和高效性。2014年馬彥彥[24]對(duì)基于層位的層析反演方法和基于網(wǎng)絡(luò)的層析反演方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，得出了兩者各自的適用條件，并提出綜合利用兩者優(yōu)勢(shì)來(lái)提高建模精度和成像質(zhì)量的思想。2015年薛花等[25]對(duì)上述兩種層析反演方法進(jìn)行了實(shí)用性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高信噪比條件下，層位層析反演精度更高。

2.3 約束參數(shù)反演法

2000年M.M.Nurul Kabir[26]等提出了一種擬線性的基于CFP理論的速度建模方法——約束參數(shù)反演法，該方法在巖性一致的前提下基于平均速度和垂直速度梯度這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行層速度的確定，用剝層法進(jìn)行速度模型的建立(圖5)，并在鹽丘地區(qū)進(jìn)行了建模分析，取得了良好效果。2002年李振春[18]等提出了CFP道集基于等時(shí)原理和DTS分析的適用于強(qiáng)橫向變速的約束參數(shù)迭代反演方法，應(yīng)用了高階差分正演模擬方法，保證了速度反演的精度和穩(wěn)定性。2005年周建宇[27]對(duì)該方法進(jìn)行了模型試算，并得出該方法具有良好的收斂性、相對(duì)誤差小等優(yōu)點(diǎn)的相關(guān)結(jié)論，提出獲取更高精度模型的要求。

2.4 交互速度分析方法

2004年辛可鋒[19，28]等在CMP道集交互速度分析法[29-30]的基礎(chǔ)上提出CFP道集基于譜分析的交互速度分析方法，闡明CFP響應(yīng)曲線和時(shí)移曲線的重要性，提出了該方法軟件實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)指導(dǎo)思想，并在2005年進(jìn)行了模型試算。在其他方面交互速度分析方法也有不同程度的發(fā)展。1999年羅省賢[31]等提出了交互三維速度模型方法的建立，并進(jìn)行了模型試算與軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。2010年徐磊[32]等對(duì)地震轉(zhuǎn)換波完成了速度交互分析軟件的研究與實(shí)現(xiàn)?；趯?duì)以上四種建模方法的研究，得出了各個(gè)方法的不同點(diǎn)(表1)。

圖5 用剝層法進(jìn)行宏觀模型估算的迭代更新算法Figure 5 An iterative updating algorithm for macroscopic model estimation through peeling method

表1 四種建模方法的對(duì)比

表1主要從適用條件、基本原理以及計(jì)算結(jié)果和計(jì)算量三個(gè)方面對(duì)四種建模方法進(jìn)行了比較：①這四種建模方法都避免了小傾角和小炮檢距假設(shè)；②約束參數(shù)反演方法需要在巖性一致的條件下進(jìn)行，其余三種方法的更加適用于復(fù)雜地下介質(zhì)條件；③層析速度分析方法和約束參數(shù)反演法是基于射線理論，交互速度分析法在波動(dòng)方程理論的支撐下可實(shí)現(xiàn)，層速度掃描法在兩種理論條件下均適用；④四種方法的計(jì)算精度均較高，計(jì)算量稍有差距，但相比其他建模方法，計(jì)算量都較少。

3 結(jié)論與展望

CFP技術(shù)的產(chǎn)生為實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的疊前深度偏移分析提供了條件，在初期，該技術(shù)有較大的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了基于該理論的四種建模方法，實(shí)現(xiàn)了在不同條件下的速度分析與建模；從而可以根據(jù)實(shí)際資料和生產(chǎn)需求，采用不同的建模方法。但是，該技術(shù)對(duì)宏觀速度模型有強(qiáng)依賴性，而根據(jù)原始資料建立完全正確的速度模型還未實(shí)現(xiàn)，因此零DTS的基礎(chǔ)條件難以保證，使基于該技術(shù)的建模方法沒(méi)有大的突破與進(jìn)展；此外，CFP技術(shù)的體系化和系統(tǒng)化急需解決，這些問(wèn)題都制約著CFP技術(shù)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在各領(lǐng)域迅速普及，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地學(xué)方面的不斷應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演技術(shù)以及約束稀疏脈沖反演技術(shù)將成為CFP技術(shù)突破發(fā)展瓶頸的有力武器。