水平地表?xiàng)l件下近地表影響的正演模擬

曹曉莉

(中國石化勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營 257015)

地球表面覆蓋著一層未固結(jié)、質(zhì)地疏松的沉積層，在地震勘探上稱之為風(fēng)化層，也是通常所指的低速層，有時(shí)在低速層與穩(wěn)定的高速基巖間還存在一層速度略高的降速層[1]。這些存在于近地表的低降速帶，會(huì)引起地震波旅行時(shí)的增大，產(chǎn)生較大的時(shí)間延遲，并且由于沉積環(huán)境變化的影響，低降速帶的厚度和波速也會(huì)產(chǎn)生橫向變化，使旅行時(shí)延遲量發(fā)生顯著的差異，造成接收波場復(fù)雜，對(duì)地下成像產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)低降速帶比較疏松，吸收衰減效應(yīng)嚴(yán)重，也會(huì)影響波場的振幅，導(dǎo)致深層成像變差，且成像振幅橫向關(guān)系畸變，嚴(yán)重影響對(duì)地震資料的精細(xì)解釋[2]。通過對(duì)近地表模型的正演模擬與分析，可以弄清近地表影響下的波場特征，具有重要的指導(dǎo)意義[3]。目前研究最多的是對(duì)起伏地表的正演模擬與分析，而東部探區(qū)近乎水平地表，由于沉積環(huán)境的變化，其低降速帶也存在橫向變化，同時(shí)還存在嚴(yán)重的吸收衰減效應(yīng)。目前東部探區(qū)的絕大部分油田都進(jìn)入了勘探開發(fā)的中后期，對(duì)精細(xì)勘探提出了更高的要求，這種情況下對(duì)水平地表的近地表影響進(jìn)行研究分析，也是非常必要的[4]。

筆者從速度和吸收衰減兩個(gè)方面入手，基于一階速度-應(yīng)力波動(dòng)方程[5-7]，對(duì)水平地表的近地表模型進(jìn)行正演模擬，并對(duì)垂直分量接收波場、成像振幅、成像位置等進(jìn)行系統(tǒng)深入考察分析。

1 正演模擬基本原理

基于廣義標(biāo)準(zhǔn)線性固體的黏聲波動(dòng)方程為

(1)

式中，p為聲壓波場，Pa;υ為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，m/s;t為時(shí)間，s;ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;Ku為未松弛體積模量，Pa;KR為松弛體積模量，Pa;E為記憶變量，L/s;τεl和τσl為松弛時(shí)間，s。當(dāng)記憶變量E為0時(shí)，上述方程退化為聲波方程[8]。

在求取離散波動(dòng)方程前，先進(jìn)行定義

(2)

式中，c為差分系數(shù)，可由泰勒展開得到。由式(2)可得到采用交錯(cuò)網(wǎng)格時(shí)間二階，空間高階的有限差分格式的離散波動(dòng)方程：

(3)

根據(jù)式(3)即可進(jìn)行相應(yīng)的正演模擬計(jì)算。

2 近地表速度的影響

速度是貫穿地震資料處理各個(gè)環(huán)節(jié)的核心要素，速度的影響至關(guān)重要。通過建立近地表模型，從接收波場、成像振幅及成像位置3個(gè)方面分析速度這一因素的影響。

2.1 速度對(duì)接收波場的影響

對(duì)簡單模型進(jìn)行正演，分別正演有無近地表的情況。反射信號(hào)經(jīng)過近地表低速時(shí)，透射系數(shù)大于1，有放大效應(yīng)，且射線向垂直地表偏折，有利于Z分量采集，此時(shí)近地表起了一定的積極作用。圖1是含近地表的速度模型和正演炮集。

圖1 含近地表的速度模型和相應(yīng)的正演炮集

圖2是有近地表和無近地表的聲壓波場放大顯示，可以看出對(duì)于近偏移距聲壓波場，有近地表時(shí)反射信號(hào)存在放大效應(yīng)，這是由于反射信號(hào)經(jīng)過近地表時(shí)透射系數(shù)大于1(波長變短)。當(dāng)近地表較復(fù)雜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的散射波等次生干擾，嚴(yán)重影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，此時(shí)近地表起負(fù)面作用。

圖2 近地表存在前后的聲壓波場對(duì)比(放大顯示)

2.2 速度對(duì)成像振幅的影響

以地下單界面簡單模型為基礎(chǔ)，分別對(duì)無近地表、水平層狀近地表和橫向變速近地表模型進(jìn)行正演和偏移，來分析近地表對(duì)地下成像的影響。當(dāng)偏移速度準(zhǔn)確時(shí)的結(jié)果如圖3所示，其中藍(lán)色曲線為同相軸的振幅曲線。

圖3 速度準(zhǔn)確時(shí)近地表對(duì)偏移剖面和偏移道集的影響

由圖3可以看出，當(dāng)偏移速度準(zhǔn)確時(shí)，都能夠正確成像，與沒有近地表相比，近地表對(duì)偏移剖面和偏移道集的振幅有一定影響，但影響不大。

仍以地下單界面簡單模型為基礎(chǔ)，考察偏移速度不準(zhǔn)確時(shí)，近地表對(duì)地下成像的影響。分別對(duì)無近地表、水平層狀近地表和橫向變速近地表模型進(jìn)行正演和偏移，結(jié)果如圖4所示。

圖4 近地表速度不準(zhǔn)確時(shí)對(duì)偏移剖面和偏移道集的影響

由圖4可以看出，由于近地表厚度較小，近地表速度不準(zhǔn)確對(duì)成像形態(tài)影響不大，水平層狀近地表模型仍能較好地保持相對(duì)振幅關(guān)系，但橫向變速近地表模型的振幅關(guān)系嚴(yán)重失真，說明當(dāng)近地表速度不準(zhǔn)確且存在橫向變速時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響偏移剖面和偏移道集的振幅關(guān)系，擾亂AVO特征。

2.3 速度對(duì)成像位置的影響

建立如圖5所示復(fù)雜模型，考察近地表對(duì)地下成像的影響，結(jié)果如圖6所示。可以看出偏移速度不考慮近地表時(shí)，其成像質(zhì)量下降，同相軸出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，不能正確聚焦歸位，產(chǎn)生誤差。而且偏移道集扭曲錯(cuò)動(dòng)，不利于層析反演，造成疊前深度偏移建模困難。圖7是不同偏移道集的對(duì)比，可以看出，偏移速度不考慮近地表時(shí)，偏移道集扭曲，與近地表異常體相對(duì)應(yīng)。靜校正能夠改善這一問題，但因?yàn)槭且痪S算法，無法完全解決，尤其是中淺層道集無法校平。

圖5 包含近地表的復(fù)雜速度模型

圖6 不考慮近地表時(shí)對(duì)地下成像的影響

圖7 不同情況的偏移道集對(duì)比

3 近地表吸收衰減的影響

野外采集得到的地震記錄實(shí)際上是經(jīng)過了濾波后的結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行濾波的是地下傳播介質(zhì)。因?yàn)閷?shí)際地層并非理想的完全彈性介質(zhì)，地震波在傳播過程中受非完全彈性介質(zhì)的吸收而產(chǎn)生消耗。特別是近地表具有介質(zhì)疏松、風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重的特點(diǎn)，它對(duì)地震波的吸收衰減作用更加明顯，這種衰減作用會(huì)大大影響后續(xù)地震資料的分辨率[9-10]。

為了研究近地表吸收衰減的影響，同樣從接收波場、偏移剖面及偏移道集3個(gè)角度進(jìn)行分析對(duì)比。

3.1 對(duì)接收波場的影響

采用圖5所示的包含近地表的復(fù)雜模型進(jìn)行黏聲正演模擬，對(duì)正演結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：計(jì)算波場由于受到近地表吸收衰減的嚴(yán)重影響，遠(yuǎn)偏移距和深層信號(hào)振幅出現(xiàn)衰減嚴(yán)重的現(xiàn)象，而近地表的非均勻性會(huì)造成同相軸的橫向不連續(xù)性和不一致性(圖8)。

圖8 近地表吸收衰減前后的單炮對(duì)比

3.2 對(duì)偏移剖面的影響

目前確定反射界面真正空間位置采用的最常用的方法就是地震偏移處理[11]，地震偏移處理應(yīng)用的就是處理后的地震記錄，因此偏移結(jié)果也會(huì)受到近地表吸收衰減的影響。將前述正演模擬得到的地震記錄進(jìn)行偏移，并與未受近地表吸收衰減影響的地震記錄的偏移結(jié)果進(jìn)行比較，來分析近地表吸收衰減的影響。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，近地表吸收衰減后的偏移剖面呈現(xiàn)振幅衰減，分辨率降低的特征，而深層受到的影響相對(duì)更嚴(yán)重。同時(shí)由于近地表異常體的存在，偏移同相軸存在橫向不連續(xù)和不一致的現(xiàn)象(圖9)，可能會(huì)造成解釋陷阱。

圖9 近地表吸收衰減前后的偏移剖面對(duì)比

3.3 對(duì)偏移道集的影響

偏移道集在反演環(huán)節(jié)中應(yīng)用較多，偏移道集的準(zhǔn)確程度會(huì)影響反演過程中的屬性分析等結(jié)果，因此研究近地表吸收衰減對(duì)偏移道集的影響程度也是非常重要的。圖10是受近地表吸收衰減影響前后的偏移道集的對(duì)比，可以看出，偏移道集與接收波場及偏移剖面一樣，同樣因受到近地表吸收衰減的影響而導(dǎo)致深層能量變?nèi)?、分辨率降低。而且由于近地表不同異常體對(duì)不同偏移距的影響，道集質(zhì)量嚴(yán)重降低，形成錯(cuò)誤的AVO特征，降低反演結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖10 近地表吸收衰減前后的偏移道集對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)近地表低速層對(duì)反射信號(hào)有放大效應(yīng)，且使接收波場的射線向垂直地表方向偏折，有利于目前的單分量采集，起到一定的積極作用，但是近地表異常體的存在產(chǎn)生散射噪音，不利于有效信號(hào)接收。

(2)當(dāng)近地表橫向變速時(shí)，若偏移不考慮近地表速度，會(huì)對(duì)成像位置和成像振幅都產(chǎn)生嚴(yán)重影響，破壞振幅相對(duì)關(guān)系，反射波不能正確聚焦歸位，影響成像質(zhì)量及后續(xù)應(yīng)用。

(3)近地表的吸收衰減會(huì)使有效信號(hào)振幅減弱，分辨率降低，破壞成像的橫向連續(xù)性和一致性，造成解釋陷阱。

(4)對(duì)于精細(xì)勘探而言，很有必要在成像時(shí)考慮近地表的速度和吸收衰減問題。