深層膏鹽體局部層析速度建模

齊 鵬

(中國石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著地震勘探的不斷深入，山前帶、超深層已成為重點攻關(guān)領(lǐng)域，但是這些地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部經(jīng)常發(fā)育特殊巖性體[1-4](如火成巖、膏鹽巖等)，給油氣開發(fā)帶來很大困難。以深部膏鹽巖為例，它通常具有低速特征，與圍巖速度差異大，這種厚度與速度的橫向變化，導(dǎo)致速度建模誤差較大，鹽下構(gòu)造容易產(chǎn)生畸變，構(gòu)造圈閉難以落實。

在速度建模領(lǐng)域，前期學(xué)者進行了大量的研究。目前主要包括波形反演[5]和走時層析[6-11]兩大類。全波形反演方法基于波動理論，具備反演高波數(shù)速度信息的能力，但該方法對地震數(shù)據(jù)品質(zhì)要求較高，雖然在海洋資料處理中得到越來越多的應(yīng)用，但在陸地資料處理中仍無法大規(guī)模應(yīng)用推廣。而走時類層析成像方法對數(shù)據(jù)品質(zhì)要求低、計算效率高，是目前工業(yè)界的主要速度建模方法。其中最為常用的是網(wǎng)格層析方法，該方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，利用離散的矩形網(wǎng)格點對地下空間連續(xù)的介質(zhì)剖分，通過解析建立的矩陣方程來反演迭代局部的速度擾動，在地層連續(xù)沉積、構(gòu)造相對穩(wěn)定的工區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果。但是對于深層的特殊巖性體，常規(guī)網(wǎng)格速度層析建模方法難以適應(yīng)局部劇烈橫向速度變化，速度邊界難以準(zhǔn)確刻畫，反演模型精度存在較大誤差。

針對以上問題，本文以深層膏鹽巖為例，采用一種小尺度局部層析方法。該方法在常規(guī)網(wǎng)格層析基礎(chǔ)上，構(gòu)造新的速度異常體層析目標(biāo)函數(shù)公式，將巖下局部剩余殘差通過層析轉(zhuǎn)化為特殊巖性速度更新量，實現(xiàn)膏鹽巖體的局部速度更新，最后通過實際資料處理驗證了該流程的有效性。

1 方法原理

網(wǎng)格層析建模技術(shù)完全數(shù)據(jù)驅(qū)動，不需要先驗地質(zhì)信息，是目前最常用的建模方法。在給定了初始速度模型后，模擬記錄與觀測記錄的走時殘差可以通過慢度差沿射線的線性積分得到,即

(1)

式中: Δt代表從震源s到檢波器r的旅行時殘差，dl代表射線路徑的微分，Δs代表初始模型與真實模型的慢度差。

將上式網(wǎng)格離散化，寫成矩陣形式:

LΔs=Δt，

(2)

式中:L代表靈敏度矩陣，表示每個射線在網(wǎng)格內(nèi)的長度。

網(wǎng)格層析反演時，需要通過偏移和層析交替迭代進行速度更新。首先利用深度域偏移的成像道集上求取剩余時差ΔtRMO，可以表示為，

ΔtRMO=2scosθcosφΔz，

(3)

式中:ΔtRMO代表走時殘差；s代表慢度；θ、φ分別代表偏移入射角和地層傾角；Δz代表成像道集上的剩余深度差。將式(3)代入式(2)即可得到網(wǎng)格層析反演方程。求解該反演方程可以得到慢度更新量，再經(jīng)過多輪迭代，即可得到網(wǎng)格層析后的背景速度。

常規(guī)的全局網(wǎng)格層析方法可以建立穩(wěn)定的背景速度場，但是對于速度異常體，難以刻畫速度突變邊界，容易產(chǎn)生構(gòu)造假象。因此利用局部層析反演方法構(gòu)建速度異常體層析目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)僅對速度異常體精細反演，提升對局部速度的反演分辨率。在背景速度確定的基礎(chǔ)上，具體實現(xiàn)步驟如下：

1)特殊巖性體層位解釋：在局部層析前，利用初始速度模型成像結(jié)果，依據(jù)特殊巖性體與圍巖明顯的波阻抗界面，完成特殊巖性體頂、底層位的高精度解釋，獲得相對準(zhǔn)確的分布特征，作為下一步局部層析反演的指導(dǎo)層位；

2)巖下道集剩余殘差拾?。菏芴厥鈳r性體速度精度的影響，巖下構(gòu)造難以準(zhǔn)確成像。而成像道集上同相軸的剩余殘差就是特殊巖性體速度異常信息的表征，對這部分剩余殘差進行高密拾取；

3)層位約束層析反投影：構(gòu)造新的速度異常體層析目標(biāo)函數(shù)公式，將巖下局部剩余殘差通過層析轉(zhuǎn)化為特殊巖性速度更新量：

(4)

式中：ztrue代表計算深度；zpick代表拾取深度；ε1代表平衡反演權(quán)重的系數(shù)；D代表層位約束算子；Δv代表速度更新量。其中，第一項為巖下成像道集拉平項，第二項是第一項的約束項，即利用特殊巖性體頂、底層位對速度更新量進行空間濾波，使特殊巖性體頂界面以上速度更新量為零，僅在巖性體范圍內(nèi)有更新量，將獲得的巖體更新量與初始模型相加，即得到局部層析反演速度模型。

2 實際資料處理

圖1是某實際數(shù)據(jù)地震剖面，該地區(qū)地下構(gòu)造復(fù)雜，深層發(fā)育低速的膏鹽體，存在明顯速度反轉(zhuǎn)，由于膏鹽體速度難以刻畫，導(dǎo)致巖下構(gòu)造成像質(zhì)量較差(圖1黑圈所示)，膏鹽體邊界難以識別，影響構(gòu)造圈閉的可靠性。

圖1 某深部發(fā)育膏鹽體工區(qū)的地震剖面

圖2a為膏鹽刻畫的初始速度模型，該模型鹽上沉積層速度相對準(zhǔn)確，膏鹽位置為大尺度平滑速度，需要進一步精細刻畫。分別采用常規(guī)網(wǎng)格層析方法及局部層析方法進行精細反演，得到模型如圖2b、2c所示，其中圖2c為局部層析反演結(jié)果。通過對比，可以看出常規(guī)網(wǎng)格層析方法建模結(jié)果可以反映膏鹽體的大尺度構(gòu)造輪廓，但速度場較為平滑，與圍巖速度邊界不清晰；而局部層析反演方法除了能夠得到大尺度背景速度，還能夠反演得到清晰的膏鹽體速度邊界，速度模型精度明顯提升。圖3為兩種方法膏鹽體速度反演的更新量對比，可以看到，常規(guī)網(wǎng)格層析方法(圖3a)由于進行全局速度更新，速度分辨率較低，圍巖的高速更新量會“污染”膏鹽體速度更新，導(dǎo)致膏鹽速度邊界不清晰，而局部層析方法(圖3b)可以僅對局部的異常體進行速度更新，不受圍巖影響。

a—膏鹽體刻畫的初始速度模型;b—常規(guī)網(wǎng)格層析反演結(jié)果;c—局部層析反演結(jié)果

圖3 全局網(wǎng)格層析(a)及局部層析(b)建模速度更新量對比

圖4為局部層析反演前后的速度模型對比，可以看出經(jīng)過局部層析后，膏鹽體速度得到更新，速度邊界更加清晰。圖 5是局部層析反演前后的CIG道集對比。在速度更新前，由于膏鹽體速度刻畫不準(zhǔn)確，下伏地層同相軸存在明顯下掉特征(如圖箭頭所示)。經(jīng)過局部層析反演更新后，膏鹽體巖下的同相軸得到進一步拉平。圖6局部層析反演前后下伏地層成像對比?？梢钥吹?，經(jīng)過局部層析反演后鹽體邊界下掉的現(xiàn)象得到改善(如圖箭頭所示)，成像更加聚焦。

a—局部層析前速度模型與成像疊合;b—局部層析速度更新量;c—局部層析后速度模型與成像疊合

圖5 局部層析反演前(a)后(b)CIG道集對比

圖7為常規(guī)網(wǎng)格層析與局部層析反演膏鹽體速度的水平切片對比，綠色代表低速的膏鹽體，可以看出，局部層析速度建模后，膏鹽體空間多尺度信息及速度的精度明顯提高，細節(jié)更加清晰。圖8為兩種方法對應(yīng)的 RTM 成像結(jié)果。可以看出，由于常規(guī)網(wǎng)格層析方法對膏鹽體速度刻畫的局限，導(dǎo)致鹽下成像質(zhì)量相對較低；而圖6b中經(jīng)過局部層析反演后，膏鹽體成像質(zhì)量顯著提高，內(nèi)部成像更聚焦，鹽下與圍巖邊界成像更加清晰，黃色箭頭位置斷面成像更清楚，更有利于后續(xù)對構(gòu)造圈閉的精細解釋。

圖6 局部層析反演前(a)后(b)成像效果對比

a—常規(guī)網(wǎng)格層析方法;b—局部層析方法

圖8 常規(guī)網(wǎng)格層析(a)和局部層析(b)反演的速度模型對應(yīng)的 RTM 成像結(jié)果

3 結(jié)論

在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，全局網(wǎng)格層析方法可以解決構(gòu)造背景的成像問題，但是對于膏鹽巖體等特殊異常體難以準(zhǔn)確刻畫。在全局網(wǎng)格層析的基礎(chǔ)上，本文采用了一種局部層析的速度建模方法。該技術(shù)通過構(gòu)建速度異常體層析目標(biāo)函數(shù)，將巖下局部剩余殘差通過層析轉(zhuǎn)化為異常體速度更新量，實現(xiàn)了對速度異常體精細反演，提升對局部速度的反演分辨率，可以建立更加符合地質(zhì)認識的高精度速度模型，有效提升深層局部膏鹽體成像質(zhì)量。這也證明了對于復(fù)雜工區(qū)先采用全局網(wǎng)格層析建立背景速度，再利用局部層析進行細節(jié)刻畫的建模思路具有較大實際應(yīng)用前景。