塔里木盆地沙漠區(qū)深層地震剖面拼接和深層成像技術(shù)

孫智超，袁燎，苗苗青，程明華，白忠凱，成劍冰，韓淼，高永進，郭文生

1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院庫爾勒分院，新疆庫爾勒 841000

0 引言

塔里木盆地位于我國西北部，面積約40多萬平方千米，是我國陸上最大的含油氣盆地[1, 2]。塔里木盆地4500 m以深地層石油資源量為111.16億噸，天然氣資源量為12.83萬億立方米，探明率分別為20.08%、12.28%，是未來勘探的重點領(lǐng)域之一[3-5]。

一直以來，由于缺乏新資料拼接的盆地級大剖面，制約了盆地深層整體研究和評價。為摸清塔里木盆地深層資源潛力，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心聯(lián)合東方地球物理公司，以塔里木盆地寒武系、震旦系為重點目的層，開展盆地級地震剖面拼接攻關(guān)處理。針對盆地沙漠區(qū)深層二維地震資料信噪比低、靜校正復(fù)雜等問題，通過研究試驗，形成了一套以擬三維連片層析、“六分法”去噪、一致性拼接處理、深層信號增強為特色的處理手段[6, 7]，完成了塔里木盆地骨干線的成像處理，為后續(xù)開展塔里木盆地整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，尤其是深層資源潛力評價提供了扎實的地球物理資料。

1 拼接處理技術(shù)

通過分析原始地震資料發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地沙漠區(qū)地表起伏大，采集的二維地震資料側(cè)面波、面波和折射波等線性干擾十分發(fā)育，導(dǎo)致深層資料信噪比極低；同時因為地震資料采集時間跨度大，受偏移、基準(zhǔn)面、子波及噪聲等干擾影響，未經(jīng)拼接處理的二維地震剖面會產(chǎn)生不同程度的閉合差。因此，為保證深層成像質(zhì)量，需要先解決好靜校正、一致性和信噪分離等問題。

靜校正是一切后續(xù)處理的基礎(chǔ)，目前最精確的方法是初至波層析法，其精度相比折射靜校正要高，同時采用野外表層調(diào)查資料進行約束后效果更好；其次要消除表層因素的影響，解決一致性問題(包括振幅、頻率、子波、拼接點交點速度等四個一致性)；同時采用針對性保真去噪手段，合理壓制噪聲，提高深層信噪比，也是要做的重要工作之一[8]。

1.1 微測井約束層析靜校正

微測井約束層析反演是一種非線性立體模型反演技術(shù)，通過利用微測井得到的表層速度及初至波射線的走時和路徑，反演全區(qū)表層立體介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)，三維或二維連片都可以用這種方法來計算。該算法不受地表及近地表結(jié)構(gòu)縱橫向變化的約束，根據(jù)正演初至?xí)r間與實際初至?xí)r間的誤差，修正不同方位射線速度模型，經(jīng)反復(fù)迭代，最終達(dá)到要求的誤差精度，如圖1，當(dāng)反演直達(dá)波(綠線)與正演初至波(紅線)重合時，表示層析反演達(dá)到收斂。

圖1 正演速度迭代示意圖Fig.1 Schematic diagram of forward velocity iteration

微測井約束層析靜校正需要做好幾項重要工作，首先需要精細(xì)的小偏移距初至拾取以保證有足夠多的射線穿過網(wǎng)格面元，這樣初至波層析就能夠詳細(xì)反應(yīng)每一觀測點上的速度信息[9]；其次要與野外表層調(diào)查資料相結(jié)合，如采用微測井、小折射等對低降速帶厚度、速度進行約束，這樣可以得到更精確的初始模型，保證迭代準(zhǔn)確收斂；最后應(yīng)當(dāng)注意在層析算法優(yōu)化過程中，替換速度的選取及網(wǎng)格面元劃分都很重要，尤其是網(wǎng)格大小，大網(wǎng)格保證閉合，小網(wǎng)格保證成像精度，網(wǎng)格的選擇要兼顧兩者。如圖2，可以明顯看出微測井約束層析靜校正后的疊加剖面，無論是在成像，還是在閉合效果方面明顯要優(yōu)于野外靜校正，為深層成像奠定基礎(chǔ)。

圖2 應(yīng)用不同靜校正的疊加剖面及閉合效果對比Fig.2 Comparison of stack section and closure effect with different static corrections

1.2 一致性處理技術(shù)

一致性處理技術(shù)包括振幅、頻率、子波和速度分析一致性等技術(shù)。塔里木盆地的深層大都以白云巖、石灰?guī)r、泥巖沉積為主，地層巖性和厚度橫向變化較大，地層吸收機制復(fù)雜，地震子波高頻衰減快，地震信號頻帶范圍窄[10]，同時由于在采集過程中，激發(fā)、傳播、接收因素的不一致，致使地震記錄的各道間振幅、頻率、子波存在較大的一致性差異，對動靜校正、同相疊加等多個處理環(huán)節(jié)影響較大。

為了解決這一問題，首先通過應(yīng)用地表一致性反褶積統(tǒng)一計算分解可以消除部分頻率差異，然后再采用全局匹配濾波、子波匹配技術(shù)等實現(xiàn)地震子波的一致性，同時為保證疊加剖面閉合，還要注意交點和拼接點處速度的一致性。如圖3為子波匹配前后水平疊加剖面的效果對比，子波匹配后疊加剖面在相位、頻率方面一致，連續(xù)性也明顯變好。

圖3 子波匹配前后的水平疊加剖面效果對比Fig.3 Comparison of horizontal stack section effect before and after wavelet matching

1.3 “六分法”去噪

目前塔里木盆地大多數(shù)為復(fù)雜區(qū)，原始資料深層有效信號淹沒在散射、面波、折射等線性干擾中，不同地表產(chǎn)生的線性干擾波在速度、強度和空間分布等方面存在橫向和縱向差異，其中面波對資料品質(zhì)影響最大，具有頻率低、能量強、分布廣的特點；異常振幅干擾比如電網(wǎng)干擾、人畜活動、車輛行駛、工程施工等也普遍存在，這些異常干擾在振幅、頻率與有效波存在一定差異。鑒于以上資料深層特點，疊前壓制噪聲是獲得高信噪比深層地震資料的基礎(chǔ)。

通過近幾年對塔里木盆地不同地區(qū)地震資料的處理工作，以“六分法”去噪技術(shù)在塔里木盆地資料處理方面較為可行，它主要是針對塔里木盆地噪音機理提出的一種去噪思路，共分六步：一是“分類去噪”，主要對噪聲面波、折射、異常振幅、工業(yè)電、多次波等進行分類，再采用不同手段去除；二是“分時去噪”，針對淺、中、深層分目標(biāo)壓制不同噪聲；三是“分頻去噪”，在不同頻率端壓制不同噪聲；四是“分域去噪”，在不同域調(diào)查噪聲分布情況，在不同域予以去除，如共炮點、檢波點、τ-p、CMP、OFFSET；五是“分步去噪”，在噪聲衰減的順序上，先低頻后高頻、先規(guī)則后非規(guī)則、先普遍后特殊的疊前衰減原則[11]；六是“分區(qū)去噪”，按噪聲強度及分布劃分區(qū)段予以去除?？傮w上要注意保護低頻，保護深層反射信號。

圖4為“六分法”壓制噪聲前后的疊加剖面效果，剖面的信噪比提高。

圖4 六分法去噪前后的疊加剖面Fig.4 Stack sections before and after “six-division” pre-stack noise suppression

2 深層成像技術(shù)

2.1 深層多次波壓制

消除多次波首先要識別多次波，多次波一般產(chǎn)生在強反射界面上[12]。多次波在CMP道集上很容易識別，用一次波速度動校正后的CMP道集上，多次波欠校正，出現(xiàn)下彎現(xiàn)象；在速度譜上表現(xiàn)為低速能量團，隨著炮檢距增大，下彎現(xiàn)象愈厲害；剖面上識別多次波，主要是根據(jù)多次波具有與上覆強層相似的形態(tài)特征，并在時間上表現(xiàn)出周期性特征。因此識別多次波需要結(jié)合道集、速度譜和疊加剖面進行綜合分析和判斷。

在準(zhǔn)確地識別多次波之后，根據(jù)多次波自身特點，選擇最優(yōu)的壓制方法。在塔里木盆地對待遠(yuǎn)炮檢距，經(jīng)常采用高精度拉東變換或聚束濾波來去除，它主要利用一次波與多次波之間存在的動校正時差，并在拉東變換時應(yīng)用時變加權(quán)項，增加一次波與多次波的模型分離度，提高速度差異的分辨能力，在τ-p域數(shù)據(jù)中精確分離出多次波，然后反拉東變換到t-x域，達(dá)到壓制多次波的目的。

如圖5、6為去除多次波前后的道集速度譜、剖面的對比效果?？梢钥吹?，去除多次波后，去偽存真，深部真實反射層位得到了凸顯，避免了對地質(zhì)認(rèn)識的誤導(dǎo)。

圖5 高精度拉東變換去除多次波前后的速度譜和道集Fig.5 Velocity spectra and gathers before and after high-precision Radon transform removing multiples

圖6 高精度拉東變換去除多次波前后的剖面Fig.6 Sections before and after high-precision Radon transform removing multiples

2.2 深層信號增強技術(shù)

深層資料處理中，如何分理出深層有效信號并予以突出，是信號增強的關(guān)鍵。利用有效信號的相干性、不同域空間展布或引入束照射增加覆蓋次數(shù)可以更好地增強有效信號。

2.2.1 共反射面元疊加成像

共反射面元(CRS)疊加技術(shù)的理論基礎(chǔ)是幾何地震學(xué)，考慮了反射層的局部特征和第一菲涅爾帶內(nèi)的全部反射，從而更有效地利用了多次覆蓋反射數(shù)據(jù)的全部信息。針對深部目的層信噪比偏低、成像質(zhì)量不高等特點，可以很好地改善成像質(zhì)量。它的主要特點是用解析式表述了非均勻介質(zhì)彎曲界面的運動學(xué)反射響應(yīng)，CRS旅行時公式如下：

(1)

其中，v0是近地表速度，α是ZO射線在地表的出射角，RNIP是法向入射點對應(yīng)于點源產(chǎn)生的波前曲率半徑，RN是對應(yīng)于爆炸反射面法向波前曲率半徑。它是通過地震三參數(shù)(α，RNIP，RN)的優(yōu)化實現(xiàn)地震成像[13]。CRS方法假定地下以其位置、傾角、曲率描述的局部反射面(段)，相應(yīng)的反射時間曲面與雙曲面相似，并且地震波反射來自反射界面上的某一區(qū)域，而不是一點，這一區(qū)域由菲涅爾帶來定義。CRS疊加的最大優(yōu)點是充分利用了多次覆蓋反射數(shù)據(jù)的信息，大大壓制了隨機噪聲，如圖7通過共反射面元疊加技術(shù)，深層信噪比得到了顯著提高。

圖7 共反射面元疊加前后的剖面對比Fig.7 Section comparison before and after common reflection surface stacking

2.2.2τ-p信號增強技術(shù)

τ-p變換是實現(xiàn)射線參數(shù)測量的一種經(jīng)典方法，又稱傾斜疊加[14]，是在共炮點道集或CMP道集上沿著不同斜率Δt/Δx的直線軌跡將數(shù)據(jù)疊加，從而把數(shù)據(jù)從t-x域轉(zhuǎn)換到τ-p域。τ稱作截距時間，等于零炮檢距上的反射波旅行時，從物理角度可解釋為垂直波慢度，從幾何角度可看做在時間軸的截距。p稱作射線參數(shù)，從物理角度可解釋為水平波慢度，從幾何角度可看做反射波同相軸上各點的斜率。正變換公式為

(2)

反變換公式為

(3)

其中，φ(x,t)表示通常t-x域的地震記錄，ψ(p,τ)表示在τ-p域中的地震記錄。

正變換公式的實現(xiàn)過程實際上是傾斜疊加的過程，反變換公式指的是將斜線上的數(shù)字相加，轉(zhuǎn)變回原來的t-x位置。τ-p變換可以使t-x域直達(dá)波、折射波、聲波、面波等相干干擾波及反射波特征發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和分布區(qū)域。如線性干擾聚集在一個遠(yuǎn)離中心點的點狀區(qū)域內(nèi)、反射波在中心點區(qū)呈橢圓等。這樣通過相關(guān)信號增強來提高橢圓區(qū)域信噪比，然后轉(zhuǎn)變回原來的t-x，這種方法比過去普遍采用的相干加強等信號增強方法好，它既能增強有效信號、提高信噪比，又不降低分辨率，在一定程度上保持了地震反射的相對能量關(guān)系及波組特征。如圖8，經(jīng)過τ-p濾波后，疊加剖面信噪比連續(xù)性都得到了較大改善。

圖8 τ-p濾波前后的疊加剖面Fig.8 Stack sections before and after τ-p filtering

2.3 深層低頻拓展技術(shù)

目前，低頻拓展技術(shù)已經(jīng)是很多石油公司的海洋處理項目的標(biāo)準(zhǔn)流程。一般來說，地震勘探中的地震波頻率范圍一般為0～80 Hz，由于大地的吸收及高速地層的影響，地震波在傳播過程中的高、低頻率成分衰減程度存在較大差異，通常地震波的高頻成分衰減嚴(yán)重，低頻信息保留相對完整[15]。研究表明，地震低頻信息比高頻信息具有更強穿透力，利用地震低頻信息能夠提高深層速度的精度和成像質(zhì)量。

目前處理過程中，低頻處理主要思路集中在兩個方面，首先是保護低頻信息，主要是在處理過程中注意頻率的監(jiān)控，防止在去噪、反褶積等處理過程中低頻受到損失；其次是拓展寬低頻信息，該方法主要是采用子波整形方式來實現(xiàn)，如圖9根據(jù)期望輸出求取一個低頻整形算子，然后將算子與子波求褶積來提高地震信號的低頻部分。如圖10，通過低頻拓展后，疊加剖面深層連續(xù)性變得更好，成像也獲得了很大改善。

圖9 低頻拓展流程Fig.9 Low frequency expansion process

3 實際資料的處理效果

通過以上針對深層成像的處理，較好地解決了靜校正、噪聲干擾及深層成像等問題。圖11是塔里木盆地臺盆區(qū)某區(qū)域大剖面，從整體上看，新處理的剖面明顯優(yōu)于用老剖面。處理效果主要表現(xiàn)在以下方面：①新剖面從淺到深反射同相軸豐富，內(nèi)幕清晰，層次感強，反射波組強弱分明，強反射界面間的地層沉積特征清楚；②寒武系基底成像清楚，反射能量強，內(nèi)部反射豐富、連續(xù)穩(wěn)定，易于追蹤對比。

圖11 拼接處理前后剖面對比圖Fig.11 Comparison of sections before and after splicing

4 結(jié)語

地震資料由于受地質(zhì)構(gòu)造、地震波傳播特性及噪聲等因素的影響，使得深層資料的有效反射信號能量及信噪比往往很低。從以上資料的處理方法研究來看，我們認(rèn)為要想得到較高品質(zhì)的深層資料，必須著重解決好以下幾個環(huán)節(jié)：

(1)初至波層析反演是目前解決靜校正問題的首選方法，通過微測井約束能很好地提高靜校正精度；

(2)做好一致性處理工作，最大限度地改善拼接大剖面深層有效信號的品質(zhì)；

(3)做好疊前針對性的去噪，注意保護深層有效反射信號的低頻能量；

(4)深層多次波去除、信號增強、低頻拓展等處理技術(shù)的使用，很好地改善了拼接大剖面的深層成像質(zhì)量。