逆時(shí)偏移對(duì)復(fù)雜構(gòu)造成像影響因素分析

張明強(qiáng)，程 耀，謝 濤，朱金強(qiáng) ，王 煒，焦敘明，公緒飛

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 物探研究院, 天津 300451；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 引 言

逆時(shí)偏移最早由多位學(xué)者[1-3]于20世紀(jì)80年代提出，最初是一項(xiàng)基于爆炸反射面原理的疊后偏移技術(shù)。隨后，Chang等[4]利用激發(fā)時(shí)間成像條件將該技術(shù)從疊后推廣到疊前。逆時(shí)偏移直接求解雙程波動(dòng)方程，可以自然地產(chǎn)生反射波、透射波、回轉(zhuǎn)波、棱柱波等復(fù)雜的波現(xiàn)象，從而具備了強(qiáng)大的復(fù)雜構(gòu)造成像能力。在20世紀(jì)末，鑒于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平和地震資料處理市場(chǎng)的實(shí)際需求，相對(duì)于柯希霍夫與單程波偏移方法，逆時(shí)偏移并未得到廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)集群、GPU(Graphic Processing Unit)通用計(jì)算等計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)迅速發(fā)展[5-8]；邊界重構(gòu)、檢查點(diǎn)及隨機(jī)邊界等逆時(shí)偏移優(yōu)化算法相繼提出[9-11]，同時(shí)深海探區(qū)等復(fù)雜構(gòu)造勘探成像需求提升[12-15]，逆時(shí)偏移在理論研究[16-18]和生產(chǎn)應(yīng)用方面均取得了巨大進(jìn)展[19-21]，極大地提高了地震資料處理的質(zhì)量和效果，是目前最先進(jìn)的疊前深度偏移方法之一。

近些年，逆時(shí)偏移已成為墨西哥灣、西非、英國(guó)北海以及巴西等海域復(fù)雜鹽下勘探的必備成像技術(shù)[22]。同時(shí)，該技術(shù)近些年在國(guó)內(nèi)西部探區(qū)逆掩推覆構(gòu)造及碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)集體成像方面也發(fā)揮了重要作用[23]。目前，我國(guó)海域勘探重點(diǎn)正逐步由中淺層轉(zhuǎn)向中深層復(fù)雜構(gòu)造，這給逆時(shí)偏移的推廣和應(yīng)用提供了可能。其主要原因有兩點(diǎn)：第一，柯?；舴虔B前深度偏移方法基于高頻漸近假設(shè)，對(duì)復(fù)雜構(gòu)造的強(qiáng)橫向變速情況適應(yīng)性差，同時(shí)該方法不能有效地對(duì)棱柱波等特殊波型正確成像，難以滿足深部高陡構(gòu)造的成像要求；第二，受吸收衰減等因素影響，中深層成像有效頻帶通常不超過(guò)30～40 Hz，所涉及的計(jì)算需求在目前的硬件配置和算法優(yōu)化水平下能夠滿足，逆時(shí)偏移的規(guī)?；瘧?yīng)用在技術(shù)上可行。

為此，本文結(jié)合某工區(qū)實(shí)際資料，通過(guò)與射線類偏移方法成像效果進(jìn)行對(duì)比，探討了逆時(shí)偏移對(duì)復(fù)雜構(gòu)造成像的影響因素。首先，分析了逆時(shí)偏移在利用棱柱波對(duì)高陡構(gòu)造進(jìn)行成像方面的優(yōu)勢(shì)；然后，基于實(shí)際處理，展示了配合高精度速度模型，逆時(shí)偏移對(duì)強(qiáng)橫向變速現(xiàn)象發(fā)育的氣云區(qū)下伏地層成像的優(yōu)勢(shì)；最后，以在噪聲和多次波壓制環(huán)節(jié)有效保護(hù)棱柱波并配合高精度速度模型為前提，分析和展望了利用逆時(shí)偏移解決國(guó)內(nèi)海域中深層勘探成像難題的前景。

2 逆時(shí)偏移成像影響因素分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模型分析

為了對(duì)比研究逆時(shí)偏移和克?；舴虔B前深度偏移，對(duì)BP2004國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)模型[24]數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖1(a)和圖1(b)分別展示了柯?；舴虔B前深度偏移和逆時(shí)偏移成像結(jié)果。

在剖面的淺部(約2 000 m以上)和剖面右側(cè)(CDP4 900右側(cè))區(qū)域，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，柯?；舴蛏疃绕坪湍鏁r(shí)偏移的成像效果基本一致。在剖面中部區(qū)域，鹽丘側(cè)翼傾角大，棱柱波等復(fù)雜波現(xiàn)象廣泛發(fā)育，并且是這些構(gòu)造的重要照明方式?？孪；舴蚱茻o(wú)法對(duì)該類波正確歸位，因此鹽丘側(cè)翼成像效果較差，難以從成像剖面上進(jìn)行有效的識(shí)別。在剖面左側(cè)鹽體區(qū)域，鹽丘頂?shù)灼閸纾纬闪藦?qiáng)橫向變速，導(dǎo)致柯?；舴蚱瞥上裥Ч^差。不僅如此，在崎嶇鹽頂?shù)椎母蓴_下，鹽下也無(wú)法有效成像。而逆時(shí)偏移在上述區(qū)域均能夠有效成像。

圖1 BP2004模型柯希霍夫疊前深度偏移和逆時(shí)偏移成像結(jié)果Fig.1 Kirchhoff PSDM and RTM results of BP2004 model

圖2 實(shí)際資料深度切片F(xiàn)ig.2 Depth slices of real data

2.2 實(shí)際資料分析

依據(jù)逆時(shí)偏移相對(duì)于射線類偏移方法對(duì)棱柱波成像和強(qiáng)橫向變速介質(zhì)適應(yīng)能力兩方面的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)海域選擇某高陡大斷裂發(fā)育及氣云屏蔽嚴(yán)重區(qū)塊對(duì)上述兩方面優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析論證。

由于淺層氣云發(fā)育且淺水的緣故，無(wú)法在偏移距域共成像點(diǎn)道集上拾取有效曲率進(jìn)行反射波層析反演，為此淺層采用折射波走時(shí)層析方法獲得較高分辨率的淺層速度模型。在此基礎(chǔ)上，中深層利用高精度反射波層析反演方法進(jìn)行速度迭代更新。由于數(shù)據(jù)信噪比相對(duì)較低，且本工區(qū)主要關(guān)注構(gòu)造成像，因此采用射線束偏移方法作為逆時(shí)偏移成像效果的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

射線束偏移輸入數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)規(guī)則化后的共偏移距道集，逆時(shí)偏移輸入數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)規(guī)則化前的共炮點(diǎn)道集。鑒于關(guān)注的目標(biāo)為深層高陡斷裂和氣云區(qū)下伏潛山面，根據(jù)優(yōu)勢(shì)頻帶分析，逆時(shí)偏移給定的有效偏移頻率為25 Hz，射線束偏移依舊保持輸入數(shù)據(jù)頻帶。由于淺層速度通常為1 500 m/s左右，而深層速度通常高達(dá)5 000 m/s左右，為了提高逆時(shí)偏移計(jì)算效率，進(jìn)一步引入變網(wǎng)格算法減少網(wǎng)格數(shù)量，從而降低存儲(chǔ)和計(jì)算量。由于目標(biāo)層最大深度為5 km左右，但高陡斷裂傾角接近80°，經(jīng)過(guò)孔徑參數(shù)掃描，最終射線束和逆時(shí)偏移孔徑均給定為6 km。由于逆時(shí)偏移為逐炮計(jì)算，為了兼顧計(jì)算效率和成像效果，采取每隔三炮計(jì)算一炮的策略進(jìn)行全工區(qū)的偏移。

圖2(a)和圖2(b)分別為控制射線束偏移和逆時(shí)偏移成像結(jié)果深度切片，圖2(c)和圖2(d)分別為其對(duì)應(yīng)局部放大。從圖2可以看到，逆時(shí)偏移對(duì)應(yīng)深度切片白圈所示位置斷裂成像更清楚。

圖3展示了某縱測(cè)線逆時(shí)偏移和控制射線束偏移的深度剖面。在淺部區(qū)域(約1.5 km以上)，構(gòu)造整體趨于平緩，兩種方法對(duì)構(gòu)造的成像效果并無(wú)顯著優(yōu)劣之分，這一點(diǎn)與BP 2004模型測(cè)試結(jié)果一致。逆時(shí)偏移成像由于做了頻帶限制，成像分辨率明顯不如射線束偏移結(jié)果。而在中深部區(qū)域，可以看到整體上逆時(shí)偏移對(duì)斷裂的成像效果相對(duì)更好，特別在圖中白圈所示的高陡斷裂處，逆時(shí)偏移顯著改善了成像效果。

圖3 實(shí)際資料深度剖面Fig.3 Depth sections of real data

圖4 地震記錄及射線路徑示意圖Fig.4 Seismic record and shot ray path diagram

為分析上述導(dǎo)致成像效果差異的原因，選取圖3所示的縱測(cè)線附近的地震記錄進(jìn)行分析。圖4(a)為高陡斷裂附近的地震記錄，圖4(b)為遠(yuǎn)離高陡斷裂的地震記錄。如圖4(a)圓圈所示，高陡斷裂附近地震記錄有明顯的棱柱波，而遠(yuǎn)離高陡斷裂的地震記錄(圖4b)則無(wú)棱柱波。圖4(c)為成像結(jié)果與速度模型疊合顯示及一次反射波(紫色線)與棱柱波(紅色線)射線路徑示意圖，相對(duì)于一次反射波，記錄棱柱波所需偏移距相對(duì)更短。由于該工區(qū)為海底電纜采集，最大偏移距僅為4 km，因此相對(duì)于控制射線束偏移，逆時(shí)偏移綜合利用棱柱波和一次反射波信息，從而實(shí)現(xiàn)了高陡斷裂更清晰的成像。

鑒于逆時(shí)偏移對(duì)強(qiáng)橫向變速介質(zhì)的適應(yīng)性，該技術(shù)應(yīng)該是基于高精度速度建模的氣云發(fā)育區(qū)成像技術(shù)體系的重要組成部分。為了獲得精細(xì)的深度域速度模型，首先利用高精度折射波層析速度建模技術(shù)獲得淺層速度模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用高精度反射波層析速度建模技術(shù)更新中深層速度，最終獲得高分辨率深度域速度模型。該類速度場(chǎng)具有較高的分辨率，在速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，常規(guī)射線方法由于高頻漸近假設(shè)的局限性，仍然難以因?yàn)榻＞鹊奶岣叨_(dá)到相應(yīng)成像質(zhì)量的提升。逆時(shí)偏移對(duì)橫向變速的適應(yīng)性則取決于速度場(chǎng)構(gòu)造細(xì)節(jié)尺寸與有限差分網(wǎng)格的相對(duì)大小，即速度場(chǎng)的細(xì)節(jié)只要能被差分網(wǎng)格所描述，其差異都會(huì)體現(xiàn)在逆時(shí)偏移波場(chǎng)中，從而得以體現(xiàn)在成像結(jié)果中。

圖5為氣云發(fā)育區(qū)成像剖面效果對(duì)比，其中圖5(a)為控制射線束成像結(jié)果，圖5(b)為逆時(shí)偏移成像結(jié)果。如圖5中橢圓位置所示，可以看到逆時(shí)偏移對(duì)氣云區(qū)斷裂及氣云屏蔽下方潛山面和潛山內(nèi)幕成像效果改善較為明顯。其主要原因?yàn)闅庠茀^(qū)較為破碎,且被氣體充填導(dǎo)致速度橫向變化大，繞射反射及反射繞射等多種復(fù)雜波現(xiàn)象發(fā)育，進(jìn)一步配合高精度速度模型，逆時(shí)偏移可以對(duì)上述復(fù)雜波型進(jìn)行相對(duì)更準(zhǔn)確的歸位。

圖5 氣云區(qū)及下覆地層控制射線束成像結(jié)果和逆時(shí)偏移成像結(jié)果Fig.5 Imaging results of beam migration and RTM in gas cloud charged and shielded area

3 結(jié) 語(yǔ)

1)應(yīng)用逆時(shí)偏移對(duì)高陡構(gòu)造進(jìn)行成像時(shí)，在噪聲和多次波壓制階段，一定要注意對(duì)棱柱波的識(shí)別和保護(hù)。

2)針對(duì)氣云區(qū)及其下伏地層成像，可以采用折射波層析或早至波全波形反演等技術(shù)獲得淺層模型，再進(jìn)一步配合反射波層析，最終獲得較高分辨率的深度域速度模型。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用逆時(shí)偏移技術(shù),有望改善其成像效果。

3)國(guó)內(nèi)海域廣泛發(fā)育氣云區(qū)、火成巖、高速灰?guī)r以及高陡復(fù)雜構(gòu)造，在有效保護(hù)棱柱波并配合高精度速度模型的前提下，逆時(shí)偏移有望進(jìn)一步提升上述復(fù)雜地質(zhì)體的成像質(zhì)量。

致謝

感謝中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部同意該論文發(fā)表；感謝BP公司的Frederic Billette和Sverre Brandsberg-Hahl博士提供BP2004標(biāo)準(zhǔn)模型和地震記錄。