黃建東, 胡天躍, 王尚旭
1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871 2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249 3 清華大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系, 北京 100084
要實(shí)現(xiàn)深層復(fù)雜構(gòu)造的高精度成像,多次波是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題.在勘探地震學(xué)領(lǐng)域,多次波指的是在地層中發(fā)生過(guò)一次以上向下反射且被地表檢波器接收的地震波.按照反射層位不同,多次波可分為表面多次波和層間多次波.在傳統(tǒng)成像方法中,多次波通常被認(rèn)為是一種噪聲,會(huì)使反射波發(fā)生畸變.在深層地區(qū),層間多次波能量高于反射波能量導(dǎo)致拾取不準(zhǔn)確的速度譜,嚴(yán)重影響地震偏移成像和解釋精度.因此,地震數(shù)據(jù)中的多次波必須被壓制,這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為去噪.多種方法被用于壓制層間多次波,有逆散射級(jí)數(shù)法(Weglein et al., 2003;Araújo et al., 1994;Yang and Weglein, 2017),拉東變換法(Sacchi and Ulrych, 1995;Sacchi and Porsani, 1999;Abbad et al., 2011),預(yù)測(cè)反褶積方法(Peacock and Treitel, 1969;Taner, 1980),虛同相軸方法(Ikelle, 2006;吳靜等,2013;Liu et al., 2018)等.
研究發(fā)現(xiàn)多次波攜帶的構(gòu)造信息比反射波更加豐富,包括小角度信息,且有更高的橫向照明孔徑和覆蓋范圍(如圖1所示).因此,許多學(xué)者致力于研究多次波成像.多次波成像研究大致可分為以下幾類(lèi):一種是將表面多次波轉(zhuǎn)化為反射波,再利用傳統(tǒng)的逆時(shí)偏移方法進(jìn)行成像(Berkhout and Verschuur, 2003; Verschuur and Berkhout, 2005).或者是將炮集數(shù)據(jù)作為正傳波場(chǎng),基于預(yù)測(cè)方法獲得表面多次波數(shù)據(jù)作為反傳波場(chǎng),再利用互相關(guān)方法進(jìn)行偏移成像(Liu et al., 2011;Liu et al., 2015).還有一些學(xué)者基于反演思想,利用最小二乘方法對(duì)表面多次波進(jìn)行成像,提高成像質(zhì)量(Liu et al., 2016, 2020).葉月明等(2019)提出只利用一階和二階表面多次波進(jìn)行成像,進(jìn)一步提高多次波的成像效果.Wapenaar等(2014)詳細(xì)推導(dǎo)了Marchenko方程,創(chuàng)新性地提出利用Marchenko方法對(duì)層間多次波進(jìn)行聚焦成像,但是目前只是停留在理論階段.Berkhout (2014a,b)提出利用伴隨方法對(duì)層間多次波進(jìn)行成像.Li和Wang(2019)提出基于稀疏約束反演的表面多次波成像方法.劉伊克等(2018)詳細(xì)推導(dǎo)并分析了多次波成像的基本原理,指出多次波成像的巨大挑戰(zhàn)在于不同階次多次波對(duì)應(yīng)的地震波場(chǎng)之間互相關(guān)將產(chǎn)生大量的串?dāng)_噪聲.目前有效降低串?dāng)_噪聲方法有最小二乘逆時(shí)偏移成像(劉學(xué)建和劉伊克,2016),或是將一次波和多次波進(jìn)行聯(lián)合反演成像(Lu et al., 2011).上述可知,多次波成像研究在表面多次波方面比較完善,在于表面多次波傳播機(jī)理比較簡(jiǎn)單,容易進(jìn)行預(yù)測(cè)和識(shí)別,與一次波具有一定的周期性關(guān)系.而層間多次波形成機(jī)理復(fù)雜,研究難度大,對(duì)層間多次波研究比較少.但是層間多次波的存在嚴(yán)重影響深層地震勘探研究,尤其對(duì)于陸地勘探,層間多次波極為發(fā)育,嚴(yán)重影響地震數(shù)據(jù)的處理和解釋.在中國(guó)西北和西南地區(qū),碳酸鹽巖儲(chǔ)層的層間多次波發(fā)育,嚴(yán)重降低該地區(qū)儲(chǔ)層成像和解釋的準(zhǔn)確度.利用層間多次波成像可以增加復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域的有用信息,輔助勘探區(qū)塊解釋.對(duì)于油氣勘探來(lái)說(shuō),層間多次波成像是非常重要的.但是,由于其成像的復(fù)雜性,科學(xué)界對(duì)利用層間多次波進(jìn)行成像的研究也相對(duì)較少.
圖1 地震波傳播示意圖Fig.1 Diagram of seismic wave propagation
本文通過(guò)修改傳統(tǒng)傅里葉有限差分偏移方法,使得該方法適用于層間多次波成像.將層間多次波作為反傳數(shù)據(jù),利用修改的相關(guān)成像條件對(duì)層間多次波進(jìn)行偏移成像.針對(duì)不同階層間多次波之間產(chǎn)生的串?dāng)_問(wèn)題,基于波場(chǎng)延拓和全波場(chǎng)方法獲得對(duì)應(yīng)階的上下行波場(chǎng),對(duì)分離波場(chǎng)分別成像.在數(shù)值部分,利用不同的模型驗(yàn)證層間多次波傅里葉有限差分偏移方法的有效性和適用性.
傳統(tǒng)地震波成像方法是在每一個(gè)深度點(diǎn)利用一次反射波的正傳波場(chǎng)和反傳波場(chǎng)在t=0時(shí)刻進(jìn)行互相關(guān)成像(如圖2a所示).但是接收到的實(shí)際地震資料不僅包含一次反射波,還有不同階次的多次波.多次波成像條件與一次反射波成像條件不同,利用傳統(tǒng)互相關(guān)方法對(duì)含有多次波的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像,會(huì)形成許多虛假的同相軸,影響地震剖面的構(gòu)造解釋.表面多次波逆時(shí)偏移成像基本原理是利用一次反射波作為震源激發(fā)正傳波場(chǎng)與表面多次波作為震源激發(fā)反傳波場(chǎng)進(jìn)行互相關(guān)成像(如圖2b所示).
圖2 互相關(guān)成像示意圖(a) 一次反射波成像; (b) 表面多次波成像.Fig.2 Diagram of cross-correlation imaging(a) Migration imaging for primaries; (b) Migration imaging for surface multiples.
本文提出利用傅里葉有限差分偏移方法進(jìn)行層間多次波成像,基本原理如圖3所示,在每一個(gè)深度點(diǎn)對(duì)正傳多次波波場(chǎng)和反傳波場(chǎng)進(jìn)行互相關(guān)成像.對(duì)于M1成像路徑來(lái)說(shuō),正向傳播波場(chǎng)傳播至x1點(diǎn)與M1檢波點(diǎn)的反向傳播波場(chǎng)相遇成像;對(duì)于M2成像路徑,正向傳播波場(chǎng)傳播至x2點(diǎn)與M2檢波點(diǎn)的反向傳播波場(chǎng)相遇成像.對(duì)于其他類(lèi)型層間多次波成像路徑,可以此類(lèi)推.圖中的紅色圓點(diǎn)表示層間多次波成像的位置.
根據(jù)Liu等(2011)提出的多次波成像理論,本文進(jìn)一步發(fā)展完善,提出一種只針對(duì)層間多次波的成像公式,其表達(dá)式為
(1)
其中,Im表示成像結(jié)果,MF表示正向傳播波場(chǎng),MB表示反向傳播波場(chǎng),tmax表示最大的接收時(shí)間.符號(hào)M表示所有階次的層間多次波,進(jìn)一步將其展開(kāi)可得:
圖3 層間多次波成像示意圖Fig.3 Diagram ofmigration imaging for internal multiples
M(x,z;t)=M1(x,z;t)+M2(x,z;t)+M3(x,z;t)+…+Mn(x,z;t),
(2)
其中,M1表示一階層間多次波,M2表示二階層間多次波,Mn表示n階層間多次波.把公式(2)代入公式(1)中展開(kāi)可得:
+…,
(3)
式中,第一項(xiàng)表示不同階次層間多次波的真實(shí)成像結(jié)果,第二項(xiàng)和第三項(xiàng)表示假成像結(jié)果.根據(jù)公式(3)可知,假成像結(jié)果的組合數(shù)明顯多于真成像結(jié)果.因此利用層間多次波進(jìn)行成像,由于不同階數(shù)多次波之間的成像條件不同,對(duì)多次波使用單一成像條件時(shí),會(huì)導(dǎo)致不同階數(shù)多次波之間形成串?dāng)_噪聲,降低成像質(zhì)量.劉伊克等(2018)、劉學(xué)建和劉伊克(2015)文章中也指出過(guò)表面多次波成像的串?dāng)_噪聲問(wèn)題.但是對(duì)于層間多次波來(lái)說(shuō),其成像條件更加復(fù)雜,不僅不同階數(shù)的多次波之間會(huì)形成串?dāng)_,即使是同階層間多次波之間也會(huì)形成串?dāng)_.這是層間多次波區(qū)別于表面多次波的特征之一,也是目前無(wú)法對(duì)實(shí)際地震資料中層間多次波進(jìn)行有效成像的根本原因.但是進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用層間多次波成像形成的真實(shí)構(gòu)造同相軸能量比虛假構(gòu)造的同相軸能量更強(qiáng),且具有一定周期性,可利用一些疊后去噪方法消除虛假構(gòu)造,如疊后虛同相軸方法,濾波方法等.本文不考慮去噪問(wèn)題,對(duì)所有成像結(jié)果沒(méi)有進(jìn)行壓制處理.
橫向非均勻介質(zhì)中的二維頻率域單程波方程表達(dá)式為
(4)
(5)
(6)
和
(7)
其中,方程(5)是相移算子(Gazdag, 1978);方程(6)是慢度修正算子(Stoffa et al.,1990),Δl=1/v-1/v0表示慢度;方程(7)是橫向上強(qiáng)速度差異的修正算子(Huang and Fehler, 2000),a和b為優(yōu)化系數(shù).
基于傅里葉有限差分延拓算子和全波場(chǎng)(FWM)方法(本文不再贅述,具體原理可參考Berkhout,2014a,b;匡偉康等,2020;Huang et al., 2021),可以得到不同階次層間多次波對(duì)應(yīng)的上行波場(chǎng)和下行波場(chǎng).再由上一部分提供的層間多次波成像理論依據(jù),推導(dǎo)得到多炮頻率域?qū)娱g多次波互相關(guān)成像條件為
R(zm,xn)=
(8)
其中,R表示反射系數(shù),即成像結(jié)果,N表示炮數(shù),σ表示穩(wěn)定常數(shù),[·]*表示[·]的共軛.基于層間多次波的互相關(guān)成像條件,可在每個(gè)深度點(diǎn)上對(duì)層間多次波進(jìn)行偏移成像.而上下行波場(chǎng)分別成像可在一定程度上壓制層間多次波成像中的串?dāng)_噪聲.
本節(jié)中,若干個(gè)模型被用于驗(yàn)證本文所提出層間多次波成像方法的有效性和適用性.第一個(gè)模型用于測(cè)試方法的正確性;第二個(gè)模型用于測(cè)試方法對(duì)橫向不均勻介質(zhì)的適應(yīng)性.最后,基于SEG/EAGE鹽丘模型和Sigsbee模型產(chǎn)生的層間多次波進(jìn)行偏移成像,驗(yàn)證了利用層間多次波偏移成像對(duì)一些特殊構(gòu)造如斷層,孔洞,裂縫等擁有更高的成像精度.
構(gòu)建一個(gè)三層層狀模型,如圖4所示.模型的大小為2000 m×2000 m,網(wǎng)格大小為10 m,縱向和橫向上分別有201個(gè)網(wǎng)格點(diǎn).炮間距為100 m,總共21炮.模型速度從上到下依次為2300,1500,3000 m·s-1,產(chǎn)生兩個(gè)強(qiáng)反射界面.介質(zhì)的密度為2000 kg·m-3,震源為30 Hz的雷克子波,時(shí)間采樣間隔為 1 ms.利用Berkhout(2014a,b)提出的全波場(chǎng)方法,可以得到全波場(chǎng)地震記錄,包括反射波,各階表面多次波和各階層間多次波.
圖4 層狀介質(zhì)模型Fig.4 Layered media model
本文主要是研究層間多次波,假設(shè)模型表面為吸收邊界條件.圖5是被地表檢波器記錄的反射波,一階和二階層間多次波炮集數(shù)據(jù).基于本文修改的互相關(guān)成像條件對(duì)層間多次波進(jìn)行偏移成像.對(duì)于該層狀模型來(lái)說(shuō),不同階次的層間多次波成像路徑如圖6所示,紅色圓點(diǎn)表示成像點(diǎn).利用層間多次波的正傳波場(chǎng)和反傳波場(chǎng)在每個(gè)層位點(diǎn)進(jìn)行互相關(guān)成像.圖7是反射波和不同階次層間多次波偏移成像結(jié)果對(duì)比,其中(a)是一次反射波偏移結(jié)果,(b)和(c)分別是一階和二階層間多次波偏移結(jié)果.從偏移結(jié)果可知基于圖6成像路徑,應(yīng)用層間多次波層上成像,由于層間多次波在第一個(gè)反射界面上沒(méi)有成像點(diǎn),無(wú)法在該層位進(jìn)行成像(圖7b和c).和原始速度模型對(duì)比可以看出第二個(gè)反射界面構(gòu)造通過(guò)層間多次波偏移成像準(zhǔn)確恢復(fù).該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文修改的層間多次波成像方法的準(zhǔn)確性和可用性.
圖5 合成地震記錄(a) 全波場(chǎng)記錄; (b) 一次波; (c) 一階層間多次波; (d) 二階層間多次波.Fig.5 Synthetic seismic record(a) Full wavefield record; (b) Primaries; (b) First-order internal multiples; (b) Second-order internal multiples.
簡(jiǎn)單的層狀介質(zhì)模型驗(yàn)證了本文方法的正確性.為了進(jìn)一步驗(yàn)證其對(duì)復(fù)雜模型的適用性,一個(gè)傾斜界面模型被構(gòu)建,速度結(jié)構(gòu)如圖8所示,該模型含有一個(gè)較陡的傾斜界面,兩個(gè)平層界面.模型大小為2000 m×2000 m,速度從上到下依次為3000、4000、4500和3500 m·s-1.利用上面所提出的成像條件對(duì)該模型的層間多次波進(jìn)行偏移成像.圖9是層間多次波偏移成像結(jié)果,從圖中可以觀察到除了真實(shí)的地層層位,還有一些虛假的層位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,并且第一個(gè)反射界面缺失.橙色箭頭所指的是真實(shí)層位的同相軸,而黑色箭頭所指的是虛假層位的同相軸.通過(guò)前面理論部分對(duì)層間多次波成像的原理分析,可以知道虛假構(gòu)造是由于同階層間多次波之間相互串?dāng)_導(dǎo)致的.但是進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),真實(shí)層位對(duì)應(yīng)的同相軸比虛假層位的同相軸能量更強(qiáng),且它們之間存在一定的周期性關(guān)系.和原始的速度模型對(duì)比,可知恢復(fù)的真實(shí)層位同相軸很好地反映了模型的地層結(jié)構(gòu).
圖6 層間多次波偏移成像示意圖(a) 一階層間多次波相關(guān)成像; (b) 二階層間多次波相關(guān)成像.Fig.6 Diagram ofcross-correlation imaging for internal multiples(a) First-order internal multiples cross-correlation condition; (b) Second-order internal multiples cross-correlation condition.
圖7 平層模型地震波偏移成像結(jié)果(a) 一次波偏移結(jié)果; (b) 一階層間多次波偏移結(jié)果; (c) 二階層間多次波偏移結(jié)果.Fig.7 Seismic wave migration of horizontal layer model(a) Migration imaging for primaries; (b) Migration imaging for first-order internal multiples; (c) Migration imaging for second-order internal multiples.
圖8 傾斜界面模型Fig.8 Tilt interface model
圖9 層間多次波偏移成像結(jié)果 橙色箭頭表示真實(shí)層位構(gòu)造(能量強(qiáng)),黑色箭頭 表示虛假層位構(gòu)造(能量弱)Fig.9 Migration imaging for internal multiples, where the orange arrow indicates the real structures (strong energy), and the black arrow indicates the false structures (weak energy)
由于地下鹽丘高速體的存在,對(duì)地震波傳播有一定屏蔽作用.常規(guī)的反射波成像無(wú)法恢復(fù)鹽下構(gòu)造,導(dǎo)致鹽下構(gòu)造成像不清楚,而層間多次波成像對(duì)鹽下構(gòu)造恢復(fù)擁有一定的優(yōu)越性.本文利用SEG/EAGE鹽丘模型進(jìn)行層間多次波成像.圖10是鹽丘速度模型,該模型含有多種復(fù)雜的構(gòu)造—高速鹽丘體、復(fù)雜的斷層和裂縫.使用主頻30 Hz的雷克子波作為震源,最長(zhǎng)的記錄時(shí)間為6 s,1ms采樣間隔.該模型橫向上有1341個(gè)網(wǎng)格點(diǎn),縱向上有301個(gè)網(wǎng)格點(diǎn).
圖10 SEG/EAGE聲波速度模型Fig.10 SEG/EAGE acoustic velocity model
圖11是一階層間多次波下行波場(chǎng)偏移成像結(jié)果.從圖中可觀察到鹽丘模型主要層位都得到了準(zhǔn)確的恢復(fù),但是由于不同層位產(chǎn)生的同階層間多次波存在成像串?dāng)_,所以會(huì)出現(xiàn)一些虛假同相軸.受高速鹽丘體的影響(速度差異大),在鹽丘體附近的層間多次波能量非常強(qiáng),多次波偏移成像結(jié)果更加清楚.而遠(yuǎn)離鹽丘體地區(qū),由于地層之間波阻抗差異小,導(dǎo)致多次波不發(fā)育,多次波成像效果不明顯.圖12是反射波偏移成像結(jié)果,可以觀察到淺層以及鹽丘體上面的構(gòu)造恢復(fù)非常好.但是鹽丘體下面構(gòu)造的同相軸能量非常弱,甚至缺失,成像非常不清楚,這是由于高速鹽丘體的屏蔽作用造成的.圖13是一階層間多次波上行波場(chǎng)偏移結(jié)果,可以看到鹽丘體附近的構(gòu)造恢復(fù)非常好,尤其是鹽下地層和裂縫構(gòu)造非常清楚.這是由于鹽丘體附近波阻抗差異大,產(chǎn)生的多次波能量強(qiáng),成像效果也更好.但是不可避免地產(chǎn)生了串?dāng)_噪聲.通過(guò)對(duì)比圖12和13,可以觀察到層間多次波對(duì)于鹽丘體以及斷層構(gòu)造的成像具有良好的優(yōu)越性.在反射波偏移結(jié)果中,由于高速鹽丘體的存在,掩蓋了鹽下構(gòu)造,層位恢復(fù)不明顯,甚至缺失.而對(duì)于層間多次波,鹽下構(gòu)造成像非常明顯,斷層和裂縫同相軸信息得到準(zhǔn)確恢復(fù).紅色箭頭表示地層的同相軸對(duì)比,黃色框內(nèi)的同相軸表示裂縫構(gòu)造.結(jié)果說(shuō)明層間多次波成像可以彌補(bǔ)反射波成像的不足,增加偏移成像的構(gòu)造信息,對(duì)于復(fù)雜的構(gòu)造,也比反射波擁有更高的成像優(yōu)越性.多次波成像也為地下成像提供了額外的照明度.圖14是反射波偏移和層間多次波偏移的照明度對(duì)比,在右邊使用相同炮數(shù)的疊加結(jié)果.可以看出層間多次波在橫向上擁有更寬的照明度.
圖11 層間多次波下行波場(chǎng)偏移成像Fig.11 Migration imaging for first-order internal multiples based on down-going wavefield
圖13 層間多次波上行波場(chǎng)偏移成像Fig.13 Migration imaging for internal multiples based on up-going wavefield
圖14 地震波照明度對(duì)比(a) 反射波; (b) 層間多次波.Fig.14 Comparison of seismic wave illumination(a) Primaries; (b) Internal multiples.
Sigsbee 2B模型是非常復(fù)雜的儲(chǔ)層模型,包含有不同尺度和不同組合的孔洞,高速鹽丘體,斷層等構(gòu)造,速度結(jié)構(gòu)如圖15所示.利用本文的層間多次波傅里葉有限差分偏移方法對(duì)其進(jìn)行成像.層間多次波成像結(jié)果如圖16所示,由于地層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,利用層間多次波進(jìn)行成像,串?dāng)_噪聲非常嚴(yán)重.噪聲嚴(yán)重掩蓋了真實(shí)的地層層位,但是高速的鹽丘體形態(tài)大小非常清楚,以及鹽丘體附近的能量非常強(qiáng),孔洞組合形態(tài)也很清晰.
圖15 Sigsbee 2B 速度模型Fig.15 Sigsbee 2B velocity model
圖16 層間多次波偏移結(jié)果Fig.16 Migration imaging for internal multiples
圖17 局部放大圖(a) 區(qū)域1; (b) 區(qū)域2.Fig.17 Zoomed view(a) Area 1 ofFigure 16; (b) Area 2 ofFigure 16.
圖17是圖16局部區(qū)域1和2的放大圖,和原始的速度模型對(duì)比,發(fā)現(xiàn)利用層間多次波成像方法得到的構(gòu)造與真實(shí)層位構(gòu)造都可以準(zhǔn)確對(duì)上.即使多次波的串?dāng)_噪聲嚴(yán)重,地層的結(jié)構(gòu)也是非常清楚.不同地層之間會(huì)產(chǎn)生成像串?dāng)_噪聲,但是真實(shí)層位恢復(fù)的能量比虛假層位能量高.數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證了本文方法的可靠性.
層間多次波傅里葉有限差分偏移是單程波偏移方法進(jìn)一步的發(fā)展,通過(guò)循環(huán)方式可獲得不同階次的層間多次波場(chǎng),同時(shí)將層間多次波進(jìn)行反向傳播,與正傳多次波場(chǎng)相關(guān)成像.和反射波偏移方法相比,本文通過(guò)修改傳統(tǒng)成像條件獲得適用于層間多次波偏移的成像條件.
層間多次波傅里葉有限差分偏移方法利用層間多次波進(jìn)行偏移成像,可以準(zhǔn)確恢復(fù)地層的結(jié)構(gòu),同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多的串?dāng)_噪聲.數(shù)值實(shí)例證明層間多次波成像方法對(duì)鹽下構(gòu)造恢復(fù)、裂縫和斷層成像效果更加明顯.而一次反射波對(duì)簡(jiǎn)單構(gòu)造成像精度高,對(duì)鹽下構(gòu)造成像精度不足,利用層間多次波成像正好可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn).層間多次波在波阻抗差異大的地區(qū)更加發(fā)育,成像也更加清楚.層間多次波偏移成像可以幫助恢復(fù)鹽丘體下方的地層結(jié)構(gòu),為下地表成像提供額外的照明.同時(shí)層間多次波成像也為地震波成像提供了一個(gè)可用的思路,將地震波中的一次反射波和層間多次波進(jìn)行分離,分別進(jìn)行成像.但是層間多次波的形成機(jī)理非常復(fù)雜,不同地層的層間多次波波場(chǎng)會(huì)相互之間形成串?dāng)_,導(dǎo)致其成像困難,這也是我們下一步解決的問(wèn)題之一.同時(shí)該方法也可進(jìn)一步發(fā)展到三維層間多次波成像.