寬頻地震處理在中深層成像中的應(yīng)用

趙 明，關(guān)偉龍，史文英

(中海油服物探事業(yè)部 特普公司，廣東 湛江 524057)

1 引 言

近年來，隨著深水勘探開發(fā)的不斷深入，深水油氣田的重大發(fā)現(xiàn)促使其成為全球勘探的熱點(diǎn)[1]。受到崎嶇海底高陡傾角或淺層異常地質(zhì)體，譬如水道發(fā)育、重力塌陷、含氣水合物等的影響，常規(guī)地震中深層反射信號(hào)弱，信噪比低?；诖私⒌某上袼俣饶Ｐ途纫膊桓?，中深層成像無法更準(zhǔn)確地還原地下真實(shí)構(gòu)造形態(tài)，制約了后續(xù)潛力圈閉的落實(shí)和評(píng)價(jià)。寬頻處理技術(shù)的發(fā)展從根本上挖潛了更多的地震信息，不僅可以具有較高的數(shù)據(jù)分辨能力，同時(shí)拓寬了數(shù)據(jù)頻帶[2]，反演結(jié)果也更穩(wěn)定。目前主要通過采集和處理兩個(gè)途徑獲得寬頻數(shù)據(jù)，采集主要有斜纜采集[3]和上下纜采集[4，5]，同時(shí)結(jié)合針對(duì)技術(shù)鏡像偏移和聯(lián)合反褶積等獲得寬頻數(shù)據(jù)。處理上主要通過對(duì)常規(guī)拖纜采集數(shù)據(jù)鬼波壓制及振幅和相位補(bǔ)償獲得寬頻數(shù)據(jù)。從經(jīng)濟(jì)成本和適用性上來說，后者具有更廣泛的推廣意義。文章針對(duì)中深層成像問題采用寬頻速度建模，在拓寬地震頻帶的基礎(chǔ)上建立更精細(xì)的速度模型，改善中深層成像。

2 原理和方法

2.1 寬頻數(shù)據(jù)獲得

地震速度的精確程度往往依賴于地震本身低頻信號(hào)的豐富程度。海上常規(guī)采集，受采集方式和海平面強(qiáng)阻抗界面的影響，鬼波的產(chǎn)生是不可避免的。其中源鬼波是由于震源激發(fā)信號(hào)向上傳播通過海面反射再被檢波器接收的信號(hào)，纜鬼波是反射信號(hào)向上傳播通過海面反射再被檢波器接收的信號(hào)。受到槍纜鬼波陷波效應(yīng)的影響，地震接收信號(hào)頻帶變窄。因此常規(guī)海上拖纜采集(圖1、圖2)，往往缺失低頻。為了獲得豐富的低頻信號(hào)，處理中首先對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行鬼波壓制獲得寬頻數(shù)據(jù)。

圖1 鬼波陷波影響地震子波頻帶Fig.1 Seismic wavelet frequency band affected by ghost notch wave

由于脈沖信號(hào)和鬼波信號(hào)接收時(shí)間相差非常小，因此在t-x域難以分離，而在τ-p域脈沖與鬼波之間速度和時(shí)間的差異更大些，二者更容易分離[6](圖3)。

圖2 原始炮集記錄分別在t-x和τ-p域Fig.2 Original shot set record in t-x and τ-p domain

圖3 模擬單炮τ-p域鬼波壓制Fig.3 Ghost wave suppression of simulated shot in τ-p domain

有效波和鬼波的傳播路徑不同，根據(jù)兩者被檢波器接收的不同時(shí)間幾何關(guān)系,在時(shí)間域有，

(1)

(2)

其中，h為水深,單位為m；d為檢波器沉放深度,單位為m；off偏移距離,單位為m；Vw為水速,單位為m/s；t1為有效波傳播時(shí)間,單位為s；t2為鬼波傳播時(shí)間,單位為s；有效波和鬼波之間的時(shí)間延遲Δt為：

Δt=t2-t1

(3)

于是在τ-p域有

(4)

(5)

其中，θ為入射角,單位為rad；v為該點(diǎn)的視速度,單位為m/s；鬼波和有效波的時(shí)差則為

(6)

(7)

(8)

(9)

從模擬單炮采用τ-p域鬼波壓制，有效地衰減了震源和電纜鬼波。

τ-p變換鬼波壓制更具優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在[7]：

1)從公式(3)可以看到，這種方法對(duì)壓制由于入射角差異而引起的鬼波時(shí)差復(fù)雜性，采用同一p值單一的算子即可壓制且效率高；

2)通過局部τ-p變換避免了噪音的產(chǎn)生。

鬼波壓制后，從圖4可以看到鬼波壓制后相位單一，高低頻更豐富。頻帶寬，分辨率提高。由于鬼波的衰減(圖5)，鬼波的干涉作用變?nèi)?，速度能量更聚焦，分辨率提高。在此基礎(chǔ)上更有利于精細(xì)速度模型的建立。

圖4 原始單炮及頻譜與寬頻處理后單炮與頻譜對(duì)比Fig.4 Comparison of single shot image and spectrum between original and broadband processing shot spectrum

圖5 常規(guī)道集與寬頻道集速度譜對(duì)比Fig.5 Comparison of velocity spectrum between conventional gather and wide-band gather

2.2 寬頻速度建模

疊前深度偏移(Pre-stack Depth Migration,PSDM)成像的核心為速度建模，高信噪比道集是前提，速度規(guī)律是關(guān)鍵，速度建模和更新方法則是速度場(chǎng)準(zhǔn)確與穩(wěn)定的保障。速度場(chǎng)建模主要采用地質(zhì)約束下全局尋優(yōu)的高分辨網(wǎng)格層析成像速度反演技術(shù)[8]

Ax=b

(10)

其中，A為射線矩陣；b為剩余時(shí)差；x為慢度校正量；一般采用共軛梯度迭代方法求解

(11)

其中,L代表關(guān)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的預(yù)條件算子，R為加速收斂算子；D代表正則化算子(1、常規(guī)基于差分的正則化算子；2、基于地層構(gòu)造特征的正則化算子)，λ代表正則化算子權(quán)重。有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1)全局自動(dòng)剩余時(shí)差拾取，充分利用所采集的地震資料，通過反演的方法，完成全局面元自動(dòng)拾取的優(yōu)化。具有較強(qiáng)的抗噪音干擾能力，在保證全局最優(yōu)的情況下，實(shí)現(xiàn)高分辨率自動(dòng)剩余時(shí)差拾取。

2)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)約束，利用地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)約束反演，所產(chǎn)生的速度分布合理、準(zhǔn)確，速度變化與地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)變化一致，反演更穩(wěn)定，降低反演結(jié)果的多解性。

3)高分辨率層析反演，基于高密度、高分辨率的剩余時(shí)差上的層析反演得到高分辨率的速度，從而滿足高精度地震成像要求。

在寬頻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度偏移速度模型的建立[9,10]，主要步驟為(圖6)：建立水速模型、根據(jù)測(cè)井、地質(zhì)規(guī)律建立初始模型，為了得到準(zhǔn)確及合理的速度場(chǎng)，通過中長(zhǎng)尺度網(wǎng)格層析建立穩(wěn)定，最優(yōu)化背景速度，待速度穩(wěn)定合理后，引入寬頻數(shù)據(jù)更豐富的低頻信號(hào)，小網(wǎng)格層析成像，獲得更高分辨率速度[11]。

圖6 寬頻數(shù)據(jù)深度成像速度建模流程Fig.6 The flow of depth imaging velocity modeling on broadband seismic data

3 應(yīng)用實(shí)例分析

海外某深水區(qū)塊海底崎嶇變化，淺層氣發(fā)育對(duì)下覆地層成像影響嚴(yán)重。下伏地層有效反射較弱，下伏地層構(gòu)造成像不清楚。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行寬頻處理(圖 7和圖8)，寬頻處理后可以看到低頻信號(hào)豐富，分辨率提高。

圖7 常規(guī)處理及寬頻處理后疊加對(duì)比Fig.7 Comparison of imaging between conventional processing and broad-band processing

圖8 常規(guī)處理及寬頻處理后疊加頻譜對(duì)比Fig.8 Comparison of stack spectrum between conventional processing and broad-band processing

基于寬頻數(shù)據(jù)共進(jìn)行了七次速度迭代，先進(jìn)行四次中長(zhǎng)尺度的速度層析更新，利用寬頻處理信號(hào)的豐富低頻，進(jìn)行三次高精度網(wǎng)格層析。網(wǎng)格層析的中長(zhǎng)尺度網(wǎng)格為1 km×1 km和0.5 km×0.5 km。高精度網(wǎng)格層析的最小網(wǎng)格更新精度為100 m×100 m×50 m。對(duì)比常規(guī)數(shù)據(jù)速度建模和寬頻數(shù)據(jù)速度模型建?？梢钥闯?圖9)，寬頻建模得到的速度場(chǎng)更精細(xì)，不僅準(zhǔn)確地反應(yīng)出大套地層速度變化，同時(shí)淺層低速異常、含流體濁積朵體，疑似氣水化合物等低速異常速度刻畫更精細(xì)。通過成像對(duì)比(圖10)可以看到，河道邊界更清晰；通過對(duì)比(圖11)可以看到，中深層地質(zhì)現(xiàn)象更明確，淺層低速異常引起的深層信號(hào)模糊區(qū)得到改善，后續(xù)解釋工作開展更有利。

圖9 基于常規(guī)數(shù)據(jù)和寬頻數(shù)據(jù)建立速度模型對(duì)比Fig.9 Comparison of velocity models based on conventionaland broad band

圖10 基于常規(guī)數(shù)據(jù)和寬頻數(shù)據(jù)成像對(duì)比Fig.10 Imaging comparison based on conventional data and broadband data

圖11 基于常規(guī)數(shù)據(jù)和寬頻數(shù)據(jù)成像對(duì)比Fig.11 Imaging comparison based on conventional data and broadband data

4 結(jié) 論

針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊面臨問題采用寬頻地震速度建模思路，通過寬頻處理拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度偏移高精度速度建模，提高速度精度及成像質(zhì)量，通過實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，可歸納以下結(jié)論：

1)通過寬頻處理的數(shù)據(jù)，其頻帶更寬，低頻更豐富，同時(shí)速度的分辨率提高，有利于速度反演精度的提高；

2)在寬頻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用地質(zhì)約束全局尋優(yōu)的高分辨網(wǎng)格層析反演得到了更精細(xì)的速度，刻畫出淺層濁積朵體低速異常，減弱了其對(duì)中深層構(gòu)造成像的影響。中深層河道等地質(zhì)特征更清晰，接觸關(guān)系更明顯，有利于地震解釋。