全波場地震勘探技術(shù)

李東安，漆立新

（1.北京世紀(jì)金道石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化西北油田分公司，烏魯木齊 830011）

0 引言

復(fù)雜結(jié)構(gòu)地質(zhì)體識別是油氣勘探開發(fā)的一大難題，以反射波地震學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)地震勘探技術(shù)圍繞提高縱向分辨率展開，采集設(shè)計以層狀介質(zhì)為假設(shè)，信號處理壓制了繞射波、散射波等弱信息。成像處理注重反射波，限制了原始寬頻數(shù)據(jù)的充分利用，遠(yuǎn)不能滿足對非層狀、小尺度復(fù)雜地質(zhì)體的地震地質(zhì)解釋要求。

人們很早就認(rèn)識到地震波在地下傳播的復(fù)雜性，1964年滕吉文[1]提出地層中存在斷層、尖滅等復(fù)雜界面時會產(chǎn)生繞射波，并試圖解決繞射波的動力學(xué)特征與介質(zhì)波阻抗參數(shù)的關(guān)系問題。20世紀(jì)80年代，吳如山等[2-3]研究了彈性波在非均勻介質(zhì)中的傳播，提出不同尺度的非均質(zhì)體對地震波的影響可以借助不同的傳播態(tài)式進(jìn)行研究。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)者們普遍認(rèn)識到地下不同尺度的非均勻地質(zhì)體共生會形成極為復(fù)雜的、多種波相互干涉的地震波場，認(rèn)識到除反射波外，繞射波和散射波在地震勘探中也有十分重要的利用價值，并在物理模擬與地震成像方面做了大量工作[4-7]，但基本上應(yīng)用在信號分析與成像處理階段，極少從地震采集方法論證復(fù)雜波場。

2005年Criss等[8]提出了全波場地震采集處理技術(shù)，2006年佘德平等[9]在總結(jié)國外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，定義全波場地震勘探是一種全方位、全頻帶、全分量、高保真的矢量地震勘探，概念上涵蓋了寬方位采集、多波勘探、“兩寬一高”地震勘探、單點檢波器、低頻震源激發(fā)等熱點方向。關(guān)于全波場地震勘探，不同學(xué)者有不同的理解，但大都沿用反射波地震勘探思路，以研究多波多分量、全方位、全頻帶、各向異性等反射波屬性為主。

筆者認(rèn)為全波場地震勘探是在反射波地震勘探的基礎(chǔ)上，盡可能獲取有效的繞射波和散射波信號，從地質(zhì)體橫向尺度出發(fā)，針對地下復(fù)雜非層狀儲集層和流體進(jìn)行的地震勘探。對反射波、繞射波、散射波等地震波傳播態(tài)式的全信號采集、波場分離處理和聯(lián)合解釋才是真正的全波場地震勘探。鑒于目前缺少對繞射波、散射波與反射波聯(lián)合地震勘探方法的全貌性概述，缺少涵蓋各應(yīng)用環(huán)節(jié)的配套技術(shù)，本文明確了全波場地震勘探與傳統(tǒng)地震勘探的區(qū)別和適用條件，提出了一套從采集、處理到解釋的全波場地震勘探關(guān)鍵技術(shù)方案，綜合利用不同態(tài)式地震波的橫向分辨能力，探索提高非層狀地質(zhì)體成像精度。

1 全波場地震勘探概念及特征

1.1 非均勻地質(zhì)體地震響應(yīng)的3種有效傳播態(tài)式

地球內(nèi)部由多尺度非均勻地質(zhì)體疊加構(gòu)成，層狀介質(zhì)只是地層結(jié)構(gòu)的簡化，為描述不同尺度非均勻、非層狀地質(zhì)體的地震響應(yīng)，將廣義地震波散射理論應(yīng)用于地面地震勘探中，全波場地震即是在地面激發(fā)接收條件下不同尺度地質(zhì)體產(chǎn)生向后散射的集合。依據(jù)地質(zhì)體的歸一化波數(shù)，即地質(zhì)體的尺度與地震子波波數(shù)之積（ka），將地震波分為 3種傳播態(tài)式：散射波（ka＜＜1）、繞射波（ka≈1）及反射波（ka＞＞1）。其中，a為非均勻地質(zhì)體的尺度，k為波數(shù)，計算如下：

從地震幾何學(xué)角度，經(jīng)常用界面曲率半徑表示地質(zhì)體的尺度，當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面曲率半徑遠(yuǎn)大于地震子波波長時，地震波傳播遵從層狀介質(zhì)中的反射理論，并沿著反射角等于入射角的方向傳播；當(dāng)界面曲率半徑約等于地震子波波長時，入射波在彎曲界面發(fā)生繞射；當(dāng)界面曲率半徑遠(yuǎn)小于波長時，入射波在彎曲界面發(fā)生散射（見圖1）。

圖1 反射波、繞射波、散射波示意圖

從地震波動力學(xué)特征表述地震波反射，反射縱波的波動方程為：

發(fā)生繞射與散射時，地震波不再具有單一的方向，而是以入射點為中心向四面八方傳播。在Born近似情況下，繞射與散射縱波的傳播方程為：

（3）式表明，繞射波、散射波方程是一個被動源方程，在外界振動的激發(fā)下，波速異常體向周圍發(fā)散地震波。

1.2 全波場地震勘探的特點

1.2.1 地質(zhì)體尺度與地震波傳播態(tài)式的對應(yīng)關(guān)系

既然全波場地震是不同尺度地質(zhì)體產(chǎn)生向后散射的集合，地質(zhì)體尺度分布范圍與地震波傳播的 3種態(tài)式之間必然存在某種對應(yīng)關(guān)系。光學(xué)原理表明，地震波傳播態(tài)式是地質(zhì)體尺度與子波波數(shù)的函數(shù)，所有尺度地質(zhì)體都可以分解到反射波成像區(qū)、繞射波成像區(qū)和散射波成像區(qū)實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 不同態(tài)式地震波與地質(zhì)體尺度的關(guān)系

3種地震波態(tài)式也有各自的波數(shù)范圍或波長范圍。①反射波成像區(qū)：目標(biāo)地質(zhì)體 ka＞＞1，如 1＜ka＜100，滿足菲涅爾帶疊加要求，簡稱反射波，是位于幾何光學(xué)區(qū)地震波向后散射的集合。②繞射波成像區(qū)：目標(biāo)地質(zhì)體ka≈1，如0.1＜ka ＜10，邊緣不滿足菲涅爾干涉，簡稱繞射波，是反射/繞射區(qū)地震波向后散射的集合。③散射波成像區(qū)：目標(biāo)地質(zhì)體 ka＜＜1，0.01＜ka＜1，無菲涅爾帶干涉，簡稱散射波，是繞射/散射區(qū)地震波向后散射的集合。3種傳播態(tài)式下，對應(yīng)的地質(zhì)體尺度大致呈如下關(guān)系：

在地震子波主頻為 30 Hz，地層層速度為 3 000 m/s，地震子波波長為 100 m 的條件下，103/2π＞ka＞101/2π之間及更大區(qū)域主要為反射波成像區(qū)；102/2π＞ka＞100/2π 之間主要為繞射波成像區(qū)；101/2π＞ka＞10-1/2π或更小區(qū)域主要為散射波成像區(qū)。

地質(zhì)體成像波段不僅受地質(zhì)體尺度控制，同時也受地震子波的波數(shù)、地震波傳播的距離、區(qū)域平均速度及與圍巖波阻抗差控制。一般而言，反射波主要反映層狀地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)，而繞射波和散射波更能反映非層狀復(fù)雜地質(zhì)體的內(nèi)幕結(jié)構(gòu)。如果地震波的優(yōu)勢頻率與最高無混疊頻率足夠高、信號足夠強(qiáng)，則小尺度地質(zhì)體也可落入反射波成像區(qū)。這也是能從反射波地震剖面上看到繞射、散射波成像的主要原因。

1.2.2 多態(tài)式地震波的物理特征

充分利用全波場地震信息，需要研究反射波、繞射波、散射波在物理特征方面的差異與相互關(guān)系，本文重點討論頻率、波長與強(qiáng)度3個方面的物理特征。

1.2.2.1 多態(tài)式地震波頻率與強(qiáng)度

在均勻介質(zhì)假設(shè)條件下，反射波、繞射波、散射波的強(qiáng)度與面積成正比[10]，由（3）式可知，三者之間的波場強(qiáng)度成對數(shù)關(guān)系：

各種態(tài)式地震波成像能量相當(dāng)于對面積求積分，反射波能量最強(qiáng)，繞射波次之，散射波最弱。按照分貝譜使用 20lgA的方式表達(dá)，若分別取中位數(shù)，三者之間有20～60 dB的差別（見圖3）。

圖3 不同態(tài)式地震波的能量與頻率分布特征

根據(jù)量子力學(xué)理論，小尺度地質(zhì)體的固有頻率較高，即分子的極化率以分子的固有振動頻率作周期性變化[11]，由于諧振作用，散射波有較寬的頻率成分。

根據(jù)經(jīng)驗，在原始全波場地震資料中，反射波數(shù)據(jù)分布在低頻段，繞射波數(shù)據(jù)在中頻段，散射波數(shù)據(jù)分布在較高頻段。三者頻帶逐漸加寬，各有一個倍頻程的差異。

1.2.2.2 多態(tài)式地震波波長與強(qiáng)度

基于光學(xué)原理，當(dāng)介質(zhì)尺度遠(yuǎn)小于入射波長時會產(chǎn)生瑞利散射現(xiàn)象，散射波的強(qiáng)度與入射波長的 4次方成反比，與直徑的6次方成正比（瑞利經(jīng)驗公式）。

介質(zhì)尺度與入射波長相當(dāng)時，產(chǎn)生米氏散射（繞射波），米氏散射在經(jīng)典光學(xué)原理中用麥克斯韋方程組推導(dǎo)出精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]，在地震波場中，繞射波的強(qiáng)度與入射波長的 2次方成反比，與直徑的平方成正比。

介質(zhì)尺度遠(yuǎn)大于入射波長時，體效應(yīng)產(chǎn)生拉曼散射的強(qiáng)度非常弱，這時可用鏡面反射率衡量反射波的界面效應(yīng)強(qiáng)度。

1.2.3 多態(tài)式地震波的空間分辨能力

反射波地震勘探階段，通常認(rèn)為地震波的橫向分辨率主要受地震子波主頻或子波波長控制，由 Sheriff菲涅爾帶、Lindsey公式或者Chen & Schuster公式定義，橫向分辨率（R）大小為 λ/4至 2πλZ0/Lmax之間，一般認(rèn)為 R≈λ[13]。

在全波場地震勘探條件下，影響空間分辨率的因素更復(fù)雜，由于存在不同傳播態(tài)式，橫向分辨率主要受不同態(tài)式地震波的主頻、帶寬、最大有效頻率等控制。為更直觀地衡量地震橫向成像精度，本文引入兩個重要的指標(biāo)。

①成像極值（Tr）[14]。研究表明，特定采集參數(shù)與傳播因素條件下，成像寬度極值趨于定值；②成像放大系數(shù)。用目標(biāo)地質(zhì)體真實尺度與目標(biāo)地質(zhì)體成像尺度之比表示，即：

當(dāng)成像放大系數(shù)P=1時，橫向成像精度最高（見圖 4），目標(biāo)地質(zhì)體尺度小于某個極限值后，P值開始增加，成像被放大，而傳播態(tài)式從反射波過渡到繞射波、散射波時，成像極值逐漸變小。

圖4 不同態(tài)式地震波下目標(biāo)地質(zhì)體真實尺度與成像尺度關(guān)系

不同傳播態(tài)式下，Tr收斂于縱坐標(biāo)不同的位置，其差別呈對數(shù)關(guān)系：

實際上Tr與λ的關(guān)系較為復(fù)雜，也容易引起爭論，Kallweit等[14]研究表明 Tr=λ/4.6。

按地震反射波、繞射波、散射波分別成像，成像極值和成像放大系數(shù)在逐級減小。在雙對數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)下，反射波成像、繞射波成像、散射波成像是對地下目標(biāo)地質(zhì)體真實尺度的逐漸逼近。

1.3 全波場地震勘探與反射波地震勘探的異同

全波場地震勘探本質(zhì)上是反射波、繞射波、散射波聯(lián)合勘探，或者說從反射波段、繞射波段、散射波段，解決地震勘探面臨的各種尺度地質(zhì)體的成像問題。同時，全波場地震勘探又是對反射波地震勘探技術(shù)的繼承與發(fā)展，既能夠繼續(xù)利用長期積累的地震勘探技術(shù)與數(shù)據(jù)，又突出了量子力學(xué)與地震波散射理論在地震勘探中的創(chuàng)新；在實踐中，既可以重新開展地震采集，也可以通過補(bǔ)充新的地震數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全波場地震勘探。

反射波地震勘探與全波場地震勘探的差異表現(xiàn)在多方面：前者以層狀介質(zhì)為基礎(chǔ)，研究全方位、全頻帶、全分量、高保真等反射波屬性，后者基于非層狀介質(zhì)，研究反射波、繞射波、散射波 3種態(tài)式下的地震屬性；前者以地層界面為對象，基于經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)的確定性分析，地震成像本質(zhì)上是對地質(zhì)界面的位置描述，后者基于量子力學(xué)及波動方程的概率性分析，以不同尺度地質(zhì)體為對象，地震成像的本質(zhì)是對地質(zhì)體尺度的統(tǒng)計描述。

由于是針對地下地質(zhì)體復(fù)雜內(nèi)幕結(jié)構(gòu)的精雕細(xì)刻，實施全波場地震勘探也需要同時滿足一定的條件，即需要鎖定局部目標(biāo)。一般情況下，需要有前期的三維地震資料，明確該區(qū)發(fā)育非層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)地質(zhì)體，而且在勘探開發(fā)過程中又亟需知道這些非層狀復(fù)雜地質(zhì)體內(nèi)幕特征，如勘探階段對碳酸鹽巖斷溶體的刻畫、開發(fā)階段對油藏物性、含流體地質(zhì)橫向變化的描述等，這時就可以部署全波場地震勘探。

塔里木盆地奧陶系為典型的超深層、縫洞型非層狀油氣藏，為擴(kuò)大斷溶體油氣藏規(guī)模，在某井區(qū)部署二次地震采集150 km2，基于反射波地震勘探采用12.5 m×25 m面元，為精細(xì)落實區(qū)內(nèi)探井井位及鉆井軌跡，針對已知裂縫發(fā)育帶與潛在斷溶體發(fā)育區(qū)，提出全波場地震采集方案，局部鑲嵌2.5 m×2.5 m面元，資料面積9.9 km2，面覆蓋面積2 km2，采用小面元、小排列、高覆蓋與常規(guī)面元、大排列組合，為后期波場分離及全波場成像提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 塔里木盆地某井區(qū)全波場地震采集實驗方案表

2 全波場地震采集

首先是針對地質(zhì)目標(biāo)，實現(xiàn)均衡的反射波、繞射波和散射波信息采集，其中關(guān)鍵的參數(shù)包括：制約小尺度地質(zhì)體信號不失真的空間采樣密度，制約繞射波、散射波等弱信號增強(qiáng)的排列長度、道間距的選擇等，本文提出了實現(xiàn)全波場地震采集的若干新方法。

2.1 基于地質(zhì)體尺度下限的超高密度空間采樣

最小目標(biāo)地質(zhì)體尺度由勘探開發(fā)需求決定，在最小目標(biāo)地質(zhì)體的一個方向至少有 3個采樣值，即滿足空間無假頻采樣：

如要分辨寬度（L）為60 m的河道，采集面元（B）可選30 m間距；如果要分辨6 m的裂縫或斷溶體，采集面元就要選3 m。

反觀反射波地震勘探，空間采樣雖然有 4條基本要求：①目標(biāo)尺度在一個方向至少有 3個樣值；②滿足橫向分辨率條件；③滿足最高無混疊頻率；④滿足30°繞射收斂。但是，反射波地震勘探通常不設(shè)定目標(biāo)地質(zhì)體尺度下限，反射波的橫向分辨率成為確定空間采樣間隔的主要因素，導(dǎo)致在常規(guī)三維地震采集中，空間采樣取橫向分辨率的一半為閾值，但不保證小尺度體的空間采樣無假頻。

超高密度空間采樣是局部的，范圍由高精度勘探的地質(zhì)目標(biāo)或高精度開發(fā)的油藏目標(biāo)圈定，通過炮道密度控制等方法實現(xiàn)。

2.2 小尺度地質(zhì)體信息接收的小排列長度

由于小尺度地質(zhì)體的繞射與散射沒有傾角概念，按照費馬原理，繞射與散射正上方的自激自收是最短路徑，這就如同地面一個共中心點的反射波信息是來自地下菲涅爾帶的貢獻(xiàn)，地下一個點產(chǎn)生的繞射/散射信息也主要被地面菲涅爾帶內(nèi)的檢波器接收。正演模型同時表明，繞射與散射能量主要集中在小偏移距范圍內(nèi)，繞射與散射波信息需要依靠小排列接收（見圖5），其最大偏移距計算如下。

圖5 地下單點的背向散射炮檢記錄

因此，能被探測的小尺度地質(zhì)體主要在靠近激發(fā)震源的最短路徑附近，小尺度體產(chǎn)生的繞射波或散射波也主要被近炮檢距范圍內(nèi)的檢波器接收。

2.3 小尺度地質(zhì)體的小道間距、高覆蓋采集

如前所述，繞射波與散射波的能量非常弱，因此，在采用小面元、小排列的基礎(chǔ)上，減小道間距間隔、增加小排列的接收道數(shù)，提高近炮檢距范圍內(nèi)的覆蓋次數(shù)是全波場地震采集的關(guān)鍵。由于小排列數(shù)據(jù)包含的繞射波和散射波成分更豐富，同時因為近道數(shù)據(jù)噪音背景強(qiáng)，采用 2倍于最小面元的小道間距，將有助于突出信號并壓制噪音。相同條件下，由于繞射波、散射波比反射波能量弱，為40～60 dB，近炮檢距范圍內(nèi)的覆蓋次數(shù)較常規(guī)三維地震采集提高 10～100倍有重要意義。

2.4 共中心點離散化實現(xiàn)超小面元采集

實現(xiàn)1～5 m的超小面元三維地震采集，炮道密度超過1×107道/km2，野外繼續(xù)采用傳統(tǒng)線束方式施工將非常困難。本文提出共中心點道集離散化，就是為了方便實現(xiàn)超小面元采集（見圖 6），雖然從傳統(tǒng)上共中心點道集與離散化是相互矛盾的，但從統(tǒng)計學(xué)原理分析，共中心點道集離散化提供了更為精確的信息。

圖6 常規(guī)三維地震采集面元與面元均化后小面元對比

共中心點離散化的核心是逐步改變沿炮線、檢波線施工的老方法，從不對稱觀測系統(tǒng)實現(xiàn)面元細(xì)化入手，進(jìn)而設(shè)定炮點、檢波點的隨機(jī)偏移量，然后過渡到按照塊單元設(shè)定炮道密度的方法，確定炮點位置與檢波器的布設(shè)，通過炮檢點實時測量、觀測系統(tǒng)實時控制軟件支持，保證道間距、偏移距、方位角、覆蓋次數(shù)等參數(shù)符合設(shè)計要求，最終實現(xiàn)共中心點在空間隨機(jī)分布。

2.5 多觀測系統(tǒng)應(yīng)對多尺度地質(zhì)體

針對不同尺度地質(zhì)體，全波場地震采集需要設(shè)計相對應(yīng)的觀測系統(tǒng)以及不同的采集參數(shù)。對不同產(chǎn)狀和埋深的層狀反射體，需要大偏移距數(shù)據(jù)，背景速度場資料也依靠較大炮檢距的數(shù)據(jù)提供；對無產(chǎn)狀與傾角較小地質(zhì)體，需要小偏移距數(shù)據(jù)，而且由于散射體能量弱，更需要通過小偏移距多次覆蓋技術(shù)壓制噪音、提高信噪比[15]。因此，在單次地震采集過程中，需要設(shè)計兩套或兩套以上觀測系統(tǒng)是全波場地震采集的特點（見圖 7）。同時，不同觀測系統(tǒng)多次采集的新老數(shù)據(jù)，必須能夠疊加，重點區(qū)可加密，空間采樣精度可提高。

圖7 針對多尺度地質(zhì)體的多觀測系統(tǒng)

常規(guī)地震勘探中沒有專門針對繞射波和散射波的觀測系統(tǒng)設(shè)計，但針對局部復(fù)雜目標(biāo)，全區(qū)采用單一觀測系統(tǒng)，既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實。

2.6 可控震源與無線數(shù)字檢波器

超高密度地震采集需要提高震源的密度與震檢比，進(jìn)而提高地震激發(fā)的效率，這就使可控震源成為首選。同時，無線數(shù)字檢波器可以提高接收道數(shù)，更適應(yīng)靈活的觀測系統(tǒng)方式，更方便于野外布設(shè)。

超高密度與超小面元也使單點檢波器后期室內(nèi)疊加取代野外組合檢波器串壓噪成為可能，實踐表明，在超小面元內(nèi)，單個檢波器10次覆蓋的壓噪效果明顯優(yōu)于10只檢波器的道內(nèi)組合。

3 全波場地震數(shù)據(jù)處理

全波場地震數(shù)據(jù)處理的重點在于差異化應(yīng)用不同面元尺寸、不同排列方式數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)融合，利用多觀測系統(tǒng)的優(yōu)勢，信號分析中補(bǔ)充應(yīng)用小面元、小排列、小道間距數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同態(tài)式地震波的數(shù)理解析及不同尺度地質(zhì)體的成像，本文提出了一套面向非層狀復(fù)雜地質(zhì)體地震處理的技術(shù)。

3.1 通過數(shù)據(jù)分析重新認(rèn)識信號與噪音

開展全波場地震數(shù)據(jù)處理時，信號與噪音的重新界定是非常重要的工作之一。事實上，在基于反射波理論的信號分析過程中，許多繞射與散射信息作為噪音被壓制。在全波場地震采集觀測方式下，單炮記錄包含了豐富的地震波信息，由原始共炮點數(shù)據(jù)按一定方式重排得到共檢波點、共中心點、共偏移距、十字域、OVT域（寬方位矢量偏移距）等多域及不同疊前子集的數(shù)據(jù)重排，以更有效地識別信號與噪音。除去折射波、面波、有源干擾之外，繞射波、散射波、隨機(jī)干擾、次生干擾波等均應(yīng)保留。

圖 8表明，在非層狀介質(zhì)中，界面不再是主要研究對象，顆粒體及其尺度的其他地質(zhì)體成為對象，在單炮分析及后期的一系列多域數(shù)據(jù)分析中，噪音需要重新定義，信號也需要被重新認(rèn)識。

圖8 準(zhǔn)層狀模型（a）與非層狀隨機(jī)模型（b）單炮記錄對比

①重新建立壓噪方案。保護(hù)傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)處理過程中被認(rèn)為是隨機(jī)干擾、次生干擾的地震信號，如來自目的層段的小尺度體、非均質(zhì)體等產(chǎn)生的繞射或散射波。但也不是所有的散射波信息都要保留，需要同時壓制來自淺表層的強(qiáng)散射波。有分析表明，淺表層強(qiáng)散射形成的多次散射是中深層環(huán)境噪音的主要成分。

②有效分離信號。利用多觀測系統(tǒng)和小炮檢距數(shù)據(jù)組合與疊加，提高目的層段繞射波與散射波的能量，進(jìn)而研究地震勘探中反射波、繞射波、散射波之間的關(guān)系，明確相互之間的重疊性和差異，提升高頻端弱信號的信噪比，最終提高有效波的空間分辨率。

3.2 數(shù)據(jù)融合與弱信號增強(qiáng)處理技術(shù)

對于全波場地震數(shù)據(jù)處理而言，由于使用了多觀測系統(tǒng)采集的高密度原始地震資料，或者需要疊加不同時期采集的原始地震資料，相對于常規(guī)處理，數(shù)據(jù)融合是地震信號處理需要增加或完善的技術(shù)，即從時間、空間、屬性 3方面達(dá)到信息互補(bǔ)，增強(qiáng)繞射波、散射波等弱信號，以均衡利用目的層段反射波、繞射波與散射波信息。此外還包括以下技術(shù)：統(tǒng)一基準(zhǔn)面技術(shù)，解決多觀測系統(tǒng)靜校正問題，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)無時差融合；匹配技術(shù)，消除因近地表條件變化引起的能量差異、頻帶差異、相位差異、激發(fā)方式與子波差異等；小面元壓噪技術(shù)，利用小面元、小道間距數(shù)據(jù)波場連續(xù)的優(yōu)勢，壓制環(huán)境干擾、線性噪音，實現(xiàn)更高精度保真去噪；近道信號增強(qiáng)技術(shù)，利用密集接收的小炮檢距數(shù)據(jù)疊加，提高繞射波、散射波等弱信號的信噪比；數(shù)據(jù)插值技術(shù)，針對小面元內(nèi)數(shù)據(jù)不規(guī)則或缺大偏移距數(shù)據(jù)的情況，采用5D插值或壓縮感知等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)和規(guī)則化處理；高精度速度建模技術(shù)，在大面元速度場的基礎(chǔ)上，利用小面元數(shù)據(jù)細(xì)化速度模型，進(jìn)一步提高速度場的精度。

圖 9是多觀測系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)融合與信號處理流程，利用小面元、小偏移距、小道間距、高覆蓋處理，實現(xiàn)繞射波、散射波等弱信號增強(qiáng)。筆者目前已利用部分油田多期采集的三維資料完成了數(shù)據(jù)融合處理試驗，并實現(xiàn)了對繞射波、散射波等弱信號的增強(qiáng)處理。

圖9 多觀測系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)融合與信號處理流程

3.3 波場分離技術(shù)

目前波場分離的主要手段是基于射線走時，利用數(shù)學(xué)方法，實現(xiàn)對特定傳播態(tài)式的地震波放大和壓制。

平面波域繞射波分離。在平面波道集上進(jìn)行繞射波分離，利用Radon變換，將共炮點道集轉(zhuǎn)換到射線參數(shù)域，然后對射線參數(shù)道集按照射線參數(shù)抽取，認(rèn)為獲得了平面波道集。利用平面波域繞射波與反射波時距曲線存在的幾何差異，用濾波器對繞射波分離。

傾角域繞射波分離。通過繞射波與反射波在傾角域共成像點道集（CIG）上的顯著差異實現(xiàn)分離，主要有以下 3種方法：利用平面波解構(gòu)濾波技術(shù)分離；利用中值濾波實現(xiàn)傾角域CIG上的繞射波能量提取；利用拋物掃面壓制反射頂點能量結(jié)合 Radon變換提取繞射波。

共偏移距域繞射波分離。通過繞射波與反射波在共偏移距道集上的顯著差異實現(xiàn)分離。

基于能量與頻率差異的反射波與散射波分解技術(shù)尚處起步階段，正在進(jìn)一步探索。

3.4 全波場成像技術(shù)

實現(xiàn)反射/繞射/散射波聯(lián)合成像，是全波場數(shù)據(jù)處理研究的目標(biāo)，國內(nèi)學(xué)者利用零階幾何射線理論和高斯波束疊加等波場高頻表示來近似 Green函數(shù)，并將Kirchhoff積分推廣到非均勻各項同性或異性介質(zhì)。在取得小面元、小道間距、小炮檢距數(shù)據(jù)之后，地震散射波成像（EOM）方法也會有更充分的應(yīng)用空間，其核心是取得基于等效偏移距的共散射點道集（CSP），其等效偏移距公式為[16]：

引入源于量子散射理論的Born近似和源于無線電物理的 Rytov近似之后，廣義散射條件下的地震成像發(fā)生質(zhì)的變化，兩種近似算法既解決了向后散射問題，也解決了由繞射波面積效應(yīng)向散射波體積效應(yīng)遞進(jìn)的問題[10]。全波場地震數(shù)據(jù)的正演方程與全波場成像的數(shù)學(xué)物理方程均可以表示為Born近似條件下的散射波場[17]：

（13）式為計算散射波場的非線性方程，（14）式為其對應(yīng)的線性方程。

全波場地震數(shù)據(jù)處理能夠充分接收和利用原始數(shù)據(jù)中不同傳播態(tài)式的波場，并超越傳統(tǒng)分辨率的概念，提高不同尺度地質(zhì)體的成像精度，特別是對介質(zhì)非均質(zhì)性的精細(xì)刻畫。

4 全波場地震解釋

全波場地震處理得到的大量數(shù)據(jù)，如何充分挖掘其內(nèi)在價值，高效高精度解釋小尺度、非層狀地質(zhì)體內(nèi)幕巖性變化、流體變化，是一直在攻關(guān)的難題，限于目前全波場地震采集與處理尚未完全展開，本文僅就可能的關(guān)鍵解釋技術(shù)問題進(jìn)行探索性討論。

4.1 多尺度、多維度屬性井-震標(biāo)定技術(shù)

全波場地震解釋一定是多比例尺的，無論是紙剖面還是解釋系統(tǒng)，通常采用空間1 cm顯示10道，大致200 m，橫向比例尺為1∶20 000，縱向1 cm代表100 ms，平均速度為4 000 m/s時，每刻度大約200 m，縱向比例尺為1∶20 000。由于實現(xiàn)了2 m或更小面元成像，空間每 1 cm繼續(xù)顯示 10道，橫向比例尺為1∶2 000，縱向比例尺也保持為1∶2 000左右，則縱向1 cm代表10 ms。如果要保證解釋比例尺在1∶2 000與 1∶20 000之間自由轉(zhuǎn)換，桌面顯示器尺寸顯然不夠，可能需要更大的顯示器支撐地震解釋。

井-震標(biāo)定也隨著比例尺的放大體現(xiàn)多維度特征，由界面標(biāo)定轉(zhuǎn)向巖性標(biāo)定、物性標(biāo)定。例如，西北地區(qū)碳酸鹽巖縫洞型油藏，按照全波場和散射波場分別成像，當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)與實鉆井軌跡結(jié)合時，對提高鉆井位置精度與內(nèi)幕解析幫助巨大。

4.2 多態(tài)式、多域地震屬性解釋技術(shù)

反射波、繞射波、散射波多態(tài)式聯(lián)合解釋是在統(tǒng)一速度場背景下，對同一物理位置按照不同尺度的成像解析（見圖10）。反射波以反映地層層狀格架為主，成像尺度在10 m以上，繞射波以反映斷層、撓曲、地層終止與異常體輪廓為主，成像尺度為1～100 m，散射波場主要反映0.1～10 m小尺度異常體，反映巖性、物性或流體的變化。并可在分方位、分偏移距、分角道集、疊前AVAZ（方位各向異性振幅反演）等多域，顯示波形、振幅、頻率、相位、相干等地震屬性。

圖10 反射波（a）與散射波（b）成像剖面對比

4.3 地震解釋與地理信息系統(tǒng)融合技術(shù)

全波場地震解釋系統(tǒng)疊加全球地理信息系統(tǒng)（GIS）系統(tǒng)將會是更實用的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[18]，相較于早前提出的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，全波場地震數(shù)據(jù)與 GIS結(jié)合將是高像素、多維度的?？蓾M足工業(yè)制圖與油氣勘探、開發(fā)高精度的要求，實現(xiàn)米級尺度下的連續(xù)縮放，并借助GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的技術(shù)支撐，解決在油田空間數(shù)據(jù)庫的地震地質(zhì)資料與鉆、采、測、錄、試井資料結(jié)合過程中的數(shù)據(jù)交換問題。

5 結(jié)論

全波場地震的實質(zhì)是反射波、繞射波、散射波聯(lián)合勘探，在遵循散射波成像理論的基礎(chǔ)上，繼承了反射波地震勘探的所有成果，解決了現(xiàn)實中無法單獨開展散射波地震勘探的問題。采用一次采集多觀測系統(tǒng)或一次部署分期加密觀測系統(tǒng)，以及共中心點面元內(nèi)道集離散化設(shè)計，在常規(guī)觀測系統(tǒng)中疊加小面元、小炮檢距數(shù)據(jù)，增加原始地震數(shù)據(jù)中繞射波、散射波等寬頻弱信號的能量。重新認(rèn)識信號與噪音，通過對非規(guī)則高密度數(shù)據(jù)的面元細(xì)化、數(shù)據(jù)規(guī)則化，壓制規(guī)則噪音與環(huán)境噪音，加強(qiáng)目標(biāo)段繞射與散射信息。從研究反射波、繞射波、散射波在能量與頻率等屬性差異入手，通過幾何解析與波動解析，研究繞射波、散射波的傳播，實現(xiàn)波場分離與高分辨率成像。全波場地震勘探涵蓋橫向尺度10-1～104m地質(zhì)體目標(biāo)，依靠多尺度井-震標(biāo)定，實現(xiàn)多域、多態(tài)式地震屬性解釋，推動高精度勘探與高效開發(fā)。全波場地震勘探以目標(biāo)為導(dǎo)向，將實現(xiàn)空間、時間域連續(xù)的、基于量子力學(xué)理論的地震采集與成像。

符號注釋：

a——目標(biāo)地質(zhì)體真實尺度，m；ar、ad、as——反射、繞射、散射波段的地質(zhì)體橫向尺度，m；a(x)——波阻抗異常的分布，%；A——目標(biāo)地質(zhì)體成像尺度，m；Ar、Ad、As——反射波、繞射波、散射波的強(qiáng)度，W/m2；B——采集面元長度，m；m(x)——介質(zhì)擾動方程；n——表面折射率，%；h——炮點到檢波點的一半距離，m；he——等效偏移距，m；G0（x＇|x）——格林函數(shù)；k——波數(shù)，無因次；Lmin——目標(biāo)地質(zhì)體最小尺度，m；P——成像放大系數(shù)；P0，P1——背景波場及散射波場；r1，r2，r3——界面曲率半徑；R——橫向分辨率，m；RB——針對繞射波與散射波成像專設(shè)計的小排列最大偏移距，m；t——從炮點到檢波點的旅行時，s；Tr——成像極值，m；Trr、Trd、Trs——反射波、繞射波、散射波的成像極值，m；U——縱波位移，m；UI——入射波位移，m；US——繞射波/散射波位移，m；v——地下散射點處的波速，m/s；——地下散射點處的均方根速度，m/s；vP——縱波速度，m/s；v0——介質(zhì)的區(qū)域背景波速，m/s；W(ω)——頻譜方程；x——散射點在地面投影處到炮檢中心點的距離，m；xS——脈沖震源位置，m；Z0——目標(biāo)地質(zhì)體埋深，m；λ——地震子波波長，m；ω——圓頻率，Hz。