氣云區(qū)全波形反演約束Q場建模技術(shù)

薛志剛，軒義華，劉 錚，但志偉，史文英，秦宏國

1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067 2.中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057 3.北京湯固能源科技有限公司，北京 100012

0 引言

“氣云”是烴類氣體在地層中聚集的地質(zhì)現(xiàn)象，在縱波地震剖面上表現(xiàn)為低頻、強(qiáng)振幅、雜亂反射的特征。“氣云”作為一種特殊且重要的運移通道表征，對油氣的聚集成藏有重要的指示作用。但是由于“氣云”與周圍砂泥巖的強(qiáng)烈速度反差，復(fù)雜的淺層氣異常使縱波波場嚴(yán)重復(fù)雜化和扭曲，并降低地震頻寬，從而影響了下伏地層的成像質(zhì)量，形成成像空白帶。長期以來，氣云區(qū)成像一直是海洋地震數(shù)據(jù)處理中的重要難題，并成為石油行業(yè)的研究熱點之一[1-3]。

針對氣云區(qū)地震資料的成像處理，通常解決思路有3種：①根據(jù)氣云空間展布特征設(shè)計大偏移距、采集方向合理的二次采集，最大限度地規(guī)避氣云區(qū)對地震波傳播的影響；②優(yōu)化常規(guī)縱波成像處理流程，針對氣云區(qū)對地震波吸收衰減等問題，開展針對性處理研究，最大限度地提高氣云區(qū)的成像質(zhì)量；③開展多波勘探及多波成像技術(shù)研究，通過橫波勘探來解決氣云區(qū)模糊帶內(nèi)的地震成像問題[3-5]。思路①和思路③都是從地震資料采集入手，花費大而且不利于老資料區(qū)的資料挖潛工作。近年來，通過縱波資料的Q場反演和Q深度偏移對氣云發(fā)育區(qū)衰減能量進(jìn)行補(bǔ)償并改善空白帶成像的技術(shù)得到很大發(fā)展[5-6]。

品質(zhì)因子Q是地震波在地層中的衰減屬性，Q深度偏移是考慮了地層吸收衰減的偏移成像技術(shù)。Q深度偏移通過刻畫氣云的Q異常值，在偏移過程中補(bǔ)償復(fù)雜形狀的淺層氣體異常引起的頻率相關(guān)振幅衰減和相位失真，既可以恢復(fù)氣云空白帶的振幅衰減,又可以提高由于氣云速度異常引起的下伏地層扭曲現(xiàn)象[7]。由于成功的氣云成像需要精確的速度模型和Q模型，Xin等[8]提出了一種基于射線Q層析成像進(jìn)行Q估計的方法，可以將其結(jié)合到常規(guī)的深度速度模型構(gòu)建流程中。這種方法對復(fù)雜程度較低的區(qū)域效果較好[9]。當(dāng)含氣砂體的分布變得更加復(fù)雜時，Q層析成像通常無法提供必要的分辨率來生成與地質(zhì)層位一致的吸收模型。

全波形反演(full wave inversion, FWI)技術(shù)描述精確速度模型的實例在國內(nèi)外已經(jīng)很多，應(yīng)用在氣云區(qū)也有成功例子[10-14]。來自FWI的詳細(xì)速度信息不僅有益于偏移成像，而且為淺層氣體分布提供了非常有價值的約束，可以將其用作指導(dǎo)Q層析成像反演的約束條件。這有助于Q層析反演收斂更快，并提供更符合地質(zhì)特征的Q場，然后用于改善氣云吸收和氣云空白帶的地震成像。學(xué)術(shù)界對大規(guī)模氣云的Q場建模研究并不多，主要是以Q層析為主。國際上CGG公司有亞太地區(qū)Q場建模及Q深度偏移解決氣云區(qū)成像的例子[7-9]，國內(nèi)鮮有Q深度偏移成功的例子發(fā)表，利用FWI改善Q場建模精度研究也未見發(fā)表。

本文提出Q-TTI(tilted transverse isotropy)疊前深度偏移與FWI約束的Q層析相結(jié)合，以改善Q模型精度，進(jìn)而改善復(fù)雜淺層氣體異常下的地震成像。通過在白云凹陷氣云模糊帶和氣云底辟帶Q深度偏移項目研究中的應(yīng)用，討論FWI約束Q場建模技術(shù)的應(yīng)用效果和適用性。

1 全波形反演約束Q場建模技術(shù)

1.1 Q深度偏移和Q場建模

傳統(tǒng)的吸收補(bǔ)償方法，比如時變譜均衡方法，可以補(bǔ)償高頻的頻率衰減，但破壞了地震振幅的可靠性，又如1D反Q濾波處理，不能考慮3D空間的吸收衰減變化。最準(zhǔn)確的做法應(yīng)該是通過求取Q模型，在深度偏移的過程中，按照地震信號實際傳播路徑逐點補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄐ蔚恼穹拖辔凰p，達(dá)到時間、空間變補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

為了實現(xiàn)精確的吸收衰減補(bǔ)償，設(shè)計了柯西霍夫Q深度偏移[7]。Q深度偏移的計算是一種黏彈性聲波方程近似，除了常規(guī)的旅行時計算外，它計算了一種考慮了射線路徑上Q影響的耗散旅行時。柯西霍夫常規(guī)偏移輸出計算公式為

(1)

式中：ω為頻率；ξ為輸入的地震道；P為x位置輸出的成像，是空間中所有地震道傳播到該位置所用信號之和；W為權(quán)系數(shù)；t為旅行時；Uin為輸入數(shù)據(jù)的傳播函數(shù)；xr為檢波點位置；xs為炮點位置。Q深度偏移中引入了考慮偏移耗散的旅行時tc，計算公式[7]為

(2)

其中：

(3)

Q深度偏移的重點是進(jìn)行Q模型建模和速度建模，建立合理可靠的Q模型是Q偏移成功的關(guān)鍵。一般來講高分辨率的Q模型應(yīng)與氣云形態(tài)一致，反映出復(fù)雜氣云的縱(分層性)橫(分散性)向變化；Q模型內(nèi)部存在量值的強(qiáng)弱變化，反映出實測含氣地層的變化特征。Q深度偏移補(bǔ)償過程通過偏移路徑累計補(bǔ)償，一般來講Q深度偏移建模前需要建立相對精確的偏移速度場，然后通過振幅異常等特征建立初始偏移Q場，最后通過Q層析和速度層析等方法迭代求取更加精確的Q模型和速度模型。

中心頻率移動Q(frequency shiftQ, FSQ)層析反演通過估計信號譜的中心頻率或者控制頻率相對移動量的方法來反演Q模型。其基本原理是信號在介質(zhì)中的吸收衰減是隨頻率變化的，越高頻信號在傳播過程中的衰減越明顯，這種衰減作用會使地震信號的中心頻率向低頻移動。所以中心頻率位移可作為地震吸收衰減作用的一個度量標(biāo)準(zhǔn)，通過反演中心頻率相對移動量就可以估計相對合理的Q模型[8]。

FSQ層析反演主要包括以下步驟。

1)使用理想炮點子波S(f)求取炮點的中心頻率fS：

(4)

式中，f為頻率。

2)從地震數(shù)據(jù)中求取反射點位置數(shù)據(jù)的中心頻率fR(x,z,h)：

(5)

式中，R(f;x,z,h)為x點在z深度h偏移距的信號。

3)建立Q(x,z)與fS的關(guān)系：

(6)

式中：l為單位衰減量；κ為控制系數(shù)。

4)進(jìn)行層析反演，更新Q模型。

1.2 全波形反演速度建模

FWI已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，用于解決各種地震資料處理中的難題，特別是復(fù)雜的淺層地質(zhì)構(gòu)造帶來的成像問題。從海底電纜數(shù)據(jù)到陸上數(shù)據(jù)，到各種海上拖纜數(shù)據(jù)，特別是解決了包括上覆地層氣云異常、淺層古河道等地質(zhì)類型對速度建模與成像的影響，獲得高分辨速度，可用于地震解釋。常規(guī)反射波層析反演的方法速度精度往往不能滿足精確氣云描述的要求，F(xiàn)WI技術(shù)利用單炮波形信息反演速度，是提高速度反演精度的重要手段。

FWI基本原理是給定初始速度，通過正演模擬得到合成記錄，進(jìn)而與實際采集的地震記錄比較波形，根據(jù)剩余波形，獲得代價函數(shù)的梯度信息以及二階導(dǎo)數(shù)信息，求得速度更新量來更新速度，經(jīng)過多次迭代直至獲得滿意的速度場。

FWI是基于小擾動理論的局部優(yōu)化，基于Born或Rtov一階近似將非線性問題進(jìn)行線性化解決，反演目的是目標(biāo)函數(shù)殘差最小，即要求觀測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)充分接近。

(7)

式中：J(m)為目標(biāo)函數(shù)；dobs為觀測數(shù)據(jù)；F(m)為模型數(shù)據(jù)；m為參數(shù)向量。

時間域黏聲波方程可以寫為地震波場衰減與補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一形式：

(8)

其中：

式中：p為壓力波場；t為傳播時間；ρ為密度；v0為參考速度。可見，衰減相關(guān)項γ為Q的函數(shù)，當(dāng)Q趨于無窮大時，γ→0，η→-1，τ→0，方程(8)退化為純聲波方程。

經(jīng)典的FWI采用折射和回轉(zhuǎn)波進(jìn)行速度更新，深水?dāng)?shù)據(jù)僅采集到了反射波場，需要利用反射波FWI更新低頻速度結(jié)構(gòu)。首先利用近中偏移距，通過最小二乘偏移產(chǎn)生地震阻抗界面，然后利用全偏移距數(shù)據(jù)和波場分離方法提取長周期層析梯度。

1.3 全波形反演約束Q場建模技術(shù)

與常規(guī)的速度層析反演類似，F(xiàn)SQ層析反演的分辨率并不高。當(dāng)淺層氣云和底辟構(gòu)造特別復(fù)雜時，Q層析的精度并不能滿足Q偏移精細(xì)建模的需求，為了進(jìn)一步提高Q模型的精度，需要引入其他信息約束Q場建模。

氣云速度異常和吸收衰減異常存在相關(guān)性，氣云的存在一方面使得下伏地層出現(xiàn)成像假象，一方面使得振幅衰減，信噪比降低，所以Q深度偏移需要迭代求取精確的速度模型和氣云速度異常。一方面精確的振幅補(bǔ)償可提高偏移道集質(zhì)量，有利于速度模型更新；另一方面精確的速度異常又可以反過來描述氣云位置，指導(dǎo)建立更加精確的速度場。

FWI技術(shù)刻畫高分辨率氣云速度異常的能力已經(jīng)得到證明[2, 10-11]，利用氣云速度異常和吸收衰減Q異常存在相關(guān)性，就可以利用FWI技術(shù)刻畫更加精細(xì)的速度異常，進(jìn)而指導(dǎo)Q模型的精確刻畫。通過速度建模和Q場建模的迭代精細(xì)刻畫來求取速度異常和Q場異常，這種“常規(guī)層析-FWI-Q反演”迭代的流程稱之為全波形反演約束Q場建模技術(shù)，具體實施方案包括以下幾部分：

1)利用常規(guī)速度層析反演和FSQ層析反演迭代建立速度場和Q場。在FWI約束Q場建模之前，首先要按照常規(guī)Q深度偏移流程進(jìn)行高精度的速度層析反演和FSQ層析反演，建立較為精確的Q場初始值。

2)進(jìn)行FWI，求取高分辨率淺層氣云速度異常。在較精確的速度背景場基礎(chǔ)上，開展FWI工作，重點是求取淺層氣云的速度異常。高分辨率的速度異常不但可以進(jìn)一步提高氣云區(qū)的成像質(zhì)量，也為建立高分辨率的Q異常體提供依據(jù)。

3)引入約束算子，求取高分辨率Q模型。從定性分析角度，速度越小，吸收衰減作用越強(qiáng)，對應(yīng)Q值應(yīng)該越小，即吸收衰減作用與Q值的倒數(shù)成正比，所以一般將Q值的倒數(shù)作為計算量。定義FWI速度約束值Qf如下：

(9)

式中：vm為最小速度值；Qb為含氣氣云區(qū)吸收衰減背景值，可以參考模型正演和地質(zhì)信息以及Q的反演結(jié)果獲得；v只考慮小于水速(1 500 m/s)的含氣氣云速度?？梢姡琎f代表的是氣云引起的吸收衰減異常值，根據(jù)它可以描述氣云的位置和Q值變化。定義最終Q場：

(10)

式中，α為調(diào)節(jié)因子，范圍為0～100。通過調(diào)整α可以控制Qb和Qf的權(quán)重。

4)進(jìn)行Q深度偏移，對補(bǔ)償效果進(jìn)行質(zhì)控。

完成Q場建模后，通過深度偏移的結(jié)果進(jìn)一步質(zhì)控數(shù)據(jù)的補(bǔ)償效果，質(zhì)控數(shù)據(jù)包括剖面、頻譜、道集和主要標(biāo)志層切片等。

2 應(yīng)用實例及效果分析

2.1 白云凹陷地質(zhì)地震資料特點

白云凹陷天然氣勘探圍繞北部的番禺低隆起區(qū)和東部的白云東地區(qū)兩大成熟區(qū)展開。從天然氣的成藏規(guī)律看，其空間分布由晚期活動斷裂或者底辟帶與構(gòu)造脊的匹配關(guān)系決定，底辟帶主要包括荔灣3底辟帶、荔灣13底辟帶和白云5底辟帶。白云凹陷底辟帶發(fā)育大型鼻狀構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉群，油氣運移條件較好，油氣成藏條件優(yōu)越，是天然氣勘探的突破口[15-17]。

底辟構(gòu)造主體部位中深層的地震資料信噪比極低，地層接觸關(guān)系不清，表現(xiàn)為淺層存在氣云屏蔽區(qū)，深層有從底辟周緣到核部成像逐漸變差的大片模糊區(qū)，模糊區(qū)內(nèi)極差的成像品質(zhì)以及劇烈的速度縱、橫向變化導(dǎo)致底辟中深層的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)難以描述，地質(zhì)體深度位置難以預(yù)測。氣云模糊區(qū)成像問題已嚴(yán)重制約了底辟中深層目標(biāo)的構(gòu)造落實、儲層預(yù)測、烴類檢測及后續(xù)井位部署。

本次針對白云凹陷主洼底辟帶開展三維地震成像研究，底辟帶周邊有洼陷中心底辟油氣成藏帶，但淺層發(fā)育淺層氣、水合物和火山等異常體，造成中深層地震資料模糊。地震資料主要存在兩個方面問題：1)受淺層氣影響，淺層氣下伏地層振幅變?nèi)?，含氣低速造成?gòu)造下拉成像不聚焦、斷裂成像模糊，信噪比低；2)底辟帶下伏地層成像差，信噪比低，速度異常不明顯，無法落實壓力異常范圍及邊界。

2.2 白云凹陷全波形反演約束Q場建模過程

2.2.1 初始速度場和Q場建立

FWI約束Q場建模的起始速度場是在多次反射層析和Q層析迭代過程中得到的，其中包含了各向異性。氣云發(fā)育的Q異常體，往往在疊加剖面上表現(xiàn)為振幅強(qiáng)能量；初始Q場可以通過刻畫振幅強(qiáng)能量位置的方法來刻畫衰減異常位置，同時通過FSQ層析反演來獲得相對合理的Q模型。

2.2.2 全波形反演

1)FWI實現(xiàn)過程

回轉(zhuǎn)波路徑正演分析：產(chǎn)生回轉(zhuǎn)波的遠(yuǎn)偏移距資料對FWI至關(guān)重要。反演的效果和可靠性與采集觀測系統(tǒng)、資料品質(zhì)與地質(zhì)條件息息相關(guān)，進(jìn)行反演之前要進(jìn)行回轉(zhuǎn)波射線的正演分析。從白云荔灣2工區(qū)氣云屏蔽下回轉(zhuǎn)波路徑正演分析圖可見：平行于氣云方向的回轉(zhuǎn)波正演路徑分析(圖1a)中氣云范圍較大，穿透氣云的有效偏移距為6 500～7 500 m；垂直于氣云方向的回轉(zhuǎn)波正演路徑分析(圖1b)中氣云的范圍較小，穿透氣云的有效偏移距為5 500～6 500 m。此次使用的數(shù)據(jù)電纜長度為6 800 m，最大偏移距達(dá)到7 000 m，包含了穿透氣云所需的偏移距信息，故FWI的氣云速度是可行的。若要得到更深層的速度結(jié)構(gòu)信息，需要更大的采集偏移距。

子波選取和正演模擬：在FWI之前，需要做好子波選擇和炮集正演質(zhì)控工作。FWI子波可以使用采用參數(shù)模擬的理想子波或者地震數(shù)據(jù)中提取的子波。不同子波的正演模擬單炮對比(圖2)可見，模擬子波正演波形一致性更高，特別是在2.5 s處弱反射特征描述更加準(zhǔn)確。此次FWI工作最終采用模擬子波做最終正演。

反演炮集預(yù)處理：FWI炮集數(shù)據(jù)預(yù)處理是事關(guān)反演效果的重要步驟。地震數(shù)據(jù)炮域預(yù)處理要貫徹保幅保真的原則，主要包括3個方面：濾波、疊前去噪和數(shù)據(jù)切除。FWI一般只應(yīng)用低頻炮集信息，在反演輸入前可以對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。保幅疊前去噪需要做好波場分析，正確識別干擾波類型，針對不同噪音采用有針對性的噪音壓制技術(shù)。為了不破壞有效信號，疊前去噪只去除確定性的噪音。FWI預(yù)處理炮集切除需要通過試驗確定，重點是保證初至波和回轉(zhuǎn)波的完整性，同時不帶入噪音。

FWI迭代過程：FWI迭代過程一般從低頻低波數(shù)反演到高頻高波數(shù)以降低收斂到局部最小值的風(fēng)險。輸入單炮也是從較穩(wěn)定的低頻回轉(zhuǎn)波過渡到高頻反射波。此次FWI中分別使用了3、5、6、8、10 Hz的頻率，逐步迭代完成，同時進(jìn)行深度偏移成像，驗證反演效果。

2)白云凹陷氣云模糊區(qū)FWI效果

從研究區(qū)內(nèi)主測線方向FWI速度剖面和地震疊合質(zhì)控圖(圖3)中可見低頻強(qiáng)振幅、成層性差的反射波是氣云所在區(qū)域。輸入模型刻畫了大規(guī)模氣云(圖3a中粉紅色)的位置，但是分辨率和速度值都不夠準(zhǔn)確；在反演后的速度模型中，過度簡化的低速體被精度更高的低速異常代替，同時FWI模型刻畫出了小規(guī)模的氣云，揭示了大規(guī)模氣云內(nèi)部成層性的速度變化，氣云區(qū)邊界高速蓋層分界明顯、與砂泥巖速度邊界過渡自然，位置與地震剖面吻合程度高(圖3b)。從速度量值上來講，氣云低速達(dá)到1 200 m/s。這樣，來自FWI的速度信息使得利用氣云(低至1 200 m/s)和頁巖/砂巖背景(1 600 m/s以上)之間的速度差異來提取高分辨率氣云范圍成為可能。故將此屬性用作指導(dǎo)Q層析的約束條件。

a. 平行于氣云方向；b. 垂直于氣云方向。

a. 選取子波；b. 模擬子波。黑色波形為原始單炮，顏色波形為模擬單炮。

圖3 研究區(qū)主測線方向FWI前(a)后(b)速度剖面和地震疊合圖

從白云工區(qū)FWI前后速度切片和地震切片疊合對比(圖4)可見，前期建模(圖4a)中采用人工插入低速的方法，初始的速度氣云區(qū)局限在中間最大的區(qū)域；利用數(shù)據(jù)驅(qū)動FWI建模(圖4b)速度反演后的速度氣云區(qū)擴(kuò)大，邊界刻畫清晰，氣云內(nèi)部存在局部的速度變化，同時氣云不發(fā)育的砂巖地區(qū)的輪廓也變清晰，整體速度橫向變化得到更精確的描述，為提高下伏模糊帶的成像精度提供了分辨率更高的速度模型。

2.2.3 全波形反演約束Q場建模

在得到相對精確的氣云速度和位置信息后，利用FWI的速度模型，進(jìn)一步建立FWI約束的Q模型；然后在包含了約束后精確Q場異常的基礎(chǔ)上進(jìn)行新一輪Q層析反演，同時利用Q深度偏移成像結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制；最終完成FWI約束Q場建模和Q深度偏移。

對比研究區(qū)FWI主測線方向約束前后Q模型與地震疊合圖(圖5)。圖5a為工區(qū)內(nèi)氣云區(qū)Q層析建模后的Q模型，也是FWI約束Q場建模輸入的初始Q模型，可見氣云位置和規(guī)模相對準(zhǔn)確，是相對合理的氣云Q模型背景。圖5b為FWI約束Q層析后的Q模型，可見新Q模型分辨率提高、氣云內(nèi)部強(qiáng)度分層明顯，Q值低的地層主要集主在頂部，展布合理，Q異常既包含了強(qiáng)振幅特征的含氣地層，也包含了含氣底辟通道引起的吸收衰減地層。Q模型與FWI速度模型有很強(qiáng)的相關(guān)性：最強(qiáng)的吸收區(qū)域(低Q)與速度最低的區(qū)域匹配。

2.3 氣云區(qū)成像效果分析

對比白云工區(qū)荔灣3井區(qū)常規(guī)深度偏移及Q深度偏移剖面(圖6)：此位置存在淺層氣云異常，但是規(guī)模較小(圖6a)，通過Q深度偏移后由于淺層氣存在而形成的模糊帶能量衰減得到了補(bǔ)償，下伏地層能量一致，同時下伏模糊帶內(nèi)的地層與圍巖地層的一致性、連續(xù)性及信噪比得到了很好的改善，中深層地層結(jié)構(gòu)、斷層成像及基底成像更清楚(圖6b)。

白云工區(qū)荔灣2井區(qū)常規(guī)Q深度偏移和FWI約束Q深度偏移成像剖面對比(圖7)可見，在大規(guī)模、多層系復(fù)雜氣云發(fā)育區(qū)域，F(xiàn)WI精確描述建模后的Q偏移剖面上，淺層氣云異常成像更加清晰，補(bǔ)償后由于淺層氣云引起的振幅能量和頻率衰減得到補(bǔ)償，下伏模糊區(qū)地層能量和頻率沿層更加均衡，同時模糊區(qū)地層扭曲化(淺層速度異常引起)現(xiàn)象得到改善，整體成像質(zhì)量大幅提升。

圖4 研究區(qū)FWI前(a)后(b)速度切片和地震疊合圖

圖5 研究區(qū)主測線FWI約束前(a)后(b)Q模型與地震疊合圖

圖6 白云荔灣3井區(qū)常規(guī)深度偏移(a)及Q深度偏移剖面(b)對比

圖7 白云荔灣2井區(qū)常規(guī)Q場建模(a)和FWI約束Q場建模(b)成像剖面對比

圖8 研究區(qū)常規(guī)深度偏移(a)及Q深度偏移(b)道集對比

選取研究區(qū)內(nèi)過氣云模糊區(qū)位置的常規(guī)深度偏移及Q深度偏移道集對比(圖8)可見，經(jīng)過Q深度偏移后，模糊區(qū)內(nèi)道集能量得到恢復(fù)，一致性變好，同時拉平程度提高，更有利于開展疊前反演等研究工作。

3 結(jié)語

白云凹陷實際數(shù)據(jù)應(yīng)用效果表明，復(fù)雜氣云邊界得到清晰刻畫，相鄰砂巖的輪廓也變清晰，下伏模糊帶的成像精度也得以顯著提高，證明基于全波形反演約束的Q場建模和Q深度偏移技術(shù)思路是解決該氣云區(qū)成像問題的有效手段。

全波形反演約束Q場建模技術(shù)和流程推進(jìn)了復(fù)雜氣云區(qū)地震成像技術(shù)研究，提高了關(guān)系到油氣運移和聚集規(guī)律的氣云底辟模糊帶的成像質(zhì)量，在復(fù)雜氣云發(fā)育區(qū)海洋油氣勘探開發(fā)中具有極高的推廣應(yīng)用價值。

全波形反演和Q深度偏移的數(shù)據(jù)適用性有待于進(jìn)一步研究。