渤海灣海陸過(guò)渡帶Q疊前深度偏移方法

陳見偉 葉月明 鐘世超 常少英

(中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023)

0 引言

渤海灣盆地南堡凹陷海陸過(guò)渡帶的地下構(gòu)造復(fù)雜，由于地表及地下黏彈介質(zhì)吸收，導(dǎo)致地震波能量衰減嚴(yán)重，造成地震信號(hào)強(qiáng)度和頻帶寬度的損失，因此需要研究有效的地震成像方法[1-2]。深部地震數(shù)據(jù)通常具有能量弱、頻率低、子波形狀畸變等特點(diǎn)[3-5]，信噪比和分辨率較低，進(jìn)而影響地震勘探精度。在對(duì)此類地區(qū)的地震數(shù)據(jù)成像時(shí)，需要考慮由非彈性介質(zhì)造成的振幅衰減、頻率下降和相位畸變等因素[6-7]。為此，需要補(bǔ)償?shù)卣鸩芰吭诘貙又械乃p?？傮w而言，地震波能量衰減補(bǔ)償主要有兩大類方法。

一是直接作用在地震記錄上的補(bǔ)償方法，在時(shí)間域或頻率域提高地震記錄的分辨率，在處理過(guò)程中不考慮地震波的傳播路徑，反Q濾波[6，8-9]和時(shí)頻分析是常用的處理方法。反Q濾波是一種補(bǔ)償大地衰減效應(yīng)的方法，是均勻時(shí)變的，其算法不受噪聲影響。一般求反Q濾波中的大地品質(zhì)因子Q值采用Q掃描和譜分析兩種方法。前者類似于速度掃描或頻率掃描，屬于一種定性分析方法；后者是一種定量估算方法，采用最小二乘法將譜的衰減趨勢(shì)擬合為一條直線，振幅衰減的變化量和頻率的變化量的比值恰為該直線的斜率，此斜率與Q的倒數(shù)成正比。時(shí)頻分析方法是通過(guò)分析地震數(shù)據(jù)的頻率、能量進(jìn)行能量補(bǔ)償，其基本思想是：地震波的高頻部分要比低頻部分衰減更嚴(yán)重，將原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，依據(jù)不同時(shí)間、不同頻率信號(hào)的能量關(guān)系，對(duì)不同的頻率成分乘以對(duì)應(yīng)的時(shí)變補(bǔ)償系數(shù)，以補(bǔ)償不同時(shí)間、不同頻率成分地震波的能量[8-9]。上述方法并沒(méi)有考慮地震波的傳播路徑，然而實(shí)際地震波的能量衰減是與傳播路徑密切相關(guān)的。

二是考慮了地震波傳播路徑的Q偏移補(bǔ)償方法，主要包括單程波補(bǔ)償偏移[10-12]、衰減補(bǔ)償逆時(shí)偏移[13-16]和衰減補(bǔ)償高斯束偏移[13，17]等。然而Q偏移補(bǔ)償方法的實(shí)際應(yīng)用較少，尤其在海陸過(guò)渡帶。Q偏移補(bǔ)償方法在理論上嚴(yán)格按照地震波的傳播路徑補(bǔ)償和校正地震波傳播過(guò)程中介質(zhì)的非彈性吸收頻散效應(yīng)，可以有效提高深層地震信號(hào)的分辨率，從而更好地提高地震成像精度[18-19]。

通常Q偏移補(bǔ)償方法的步驟主要分兩步。第一步是估計(jì)Q模型。品質(zhì)因子Q是量化地震波衰減和頻散的重要參數(shù)，在非完全彈性介質(zhì)中Q值越小，地震波在傳播過(guò)程中的衰減越嚴(yán)重。提取Q值的方法較多，總體上分為時(shí)間域與頻率域兩類。第一類包括子波模擬法、上升時(shí)間法和振幅衰減法等[20]。第二類包括譜比法[6，21-22]、質(zhì)心偏移法[23]和頻域?qū)傩越M合等方法，基于提取的有效Q值，利用反演優(yōu)化算法計(jì)算精確的Q模型，其中譜比法應(yīng)用最廣泛。第二步是基于得到的Q模型進(jìn)行Q偏移成像。

本文利用Q層析建立渤海灣盆地南堡凹陷海陸過(guò)渡帶的衰減模型，利用Q偏移補(bǔ)償方法同時(shí)提高深部數(shù)據(jù)的能量及主頻，以有效提高偏移剖面的成像分辨率、信噪比和保真度，并校正相位畸變，最終提高構(gòu)造解釋精度。

1 方法原理

1.1 Q初始速度場(chǎng)建模

利用VSP資料計(jì)算目標(biāo)區(qū)域地層的Q值，選擇最終的疊前偏移速度場(chǎng)并進(jìn)行插值處理，然后將插值處理后的疊前偏移速度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為地震道；以對(duì)應(yīng)位置井的速度為標(biāo)準(zhǔn)值，以其他道的速度與標(biāo)準(zhǔn)值的比值為速度模型比例因子，建立目標(biāo)區(qū)域地層的速度模型比例因子三維模型；利用上述模型的比例因子變化與目標(biāo)區(qū)域地層的Q值變化的一致性，水平外推目標(biāo)區(qū)域地層的Q值，從而建立三維初始Q體模型。

1.2 Q層析反演

品質(zhì)因子Q是度量地層衰減的重要參數(shù)，目前理論和實(shí)驗(yàn)均表明，巖石類型、孔隙度和流體飽和度是影響Q值的關(guān)鍵因素[24]。Q層析成像反演(衰減旅行時(shí)間層析反演)是一種基于衰減旅行時(shí)的反演方法，被定義為由有效Q值的一定權(quán)重表示的運(yùn)動(dòng)行波時(shí)間反演。首先獲取地震反射波信號(hào)；然后再進(jìn)行Q層析反演，主要是基于反射波的傳播時(shí)間和衰減信息獲得地下Q值的分布，其思想是不斷更新迭代Q模型，進(jìn)而使反演結(jié)果最優(yōu)(即最接近地下真實(shí)地層情況)。在連續(xù)模型中，衰減旅行時(shí)被定義為[7]

(1)

(2)

式中：υi,j,k為離散模型在(i,j,k)處的速度，i,j,k分別為笛卡爾坐標(biāo)系中x,y,z方向的離散模型的編號(hào)；lr:i,j,k為第r條射線經(jīng)過(guò)(i,j,k)處離散模型的長(zhǎng)度;tr:i,j,k為第r條射線經(jīng)過(guò)(i,j,k)處離散模型所需的時(shí)間；Qi,j,k為(i,j,k)處的Q值。將所有參與計(jì)算的方程聯(lián)立為方程組，可以得到

(3)

(4)

(5)

(6)

Qn+1=Qn+ΔQ

(7)

迭代更新Q模型。式中n為層析成像的迭代次數(shù)。設(shè)初始模型為Q0，通過(guò)不斷重復(fù)式(4)～式(7)進(jìn)行迭代，直至層析結(jié)果達(dá)到精度要求為止。

1.3 Q疊前深度偏移

由層析反演得到Q場(chǎng)，結(jié)合疊前深度偏移得到速度場(chǎng)用于Q疊前深度偏移，以減少由偏移引起的振幅、頻率和相位變化的影響[7，12，25]。由聲波速度場(chǎng)c0(x)和Q場(chǎng)構(gòu)造的復(fù)波速為

(8)

式中：ω為角頻率；ω0為參考角頻率。由

(9)

計(jì)算復(fù)旅行時(shí)。式中：T(x)為旅行時(shí)；T′(x)為振幅補(bǔ)償項(xiàng)，即

(10)

式(9)中第一項(xiàng)為偏移的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息(由射線追蹤或求解程函方程獲得)，可以通過(guò)常規(guī)聲波介質(zhì)旅行時(shí)計(jì)算方法求取；第二項(xiàng)為地震波振幅補(bǔ)償項(xiàng)；第三項(xiàng)為頻散相位畸變校正項(xiàng)?；赒場(chǎng)的Kirchhoff疊前深度偏移積分公式為

(11)

式中：u(x)表示偏移剖面；A(x,xS)為振幅權(quán)重因子，xS為地表檢波器位置；D(xS,ω)為頻率域地震數(shù)據(jù)；F(ω)為頻率域的相移因子；τ(x,xS)為從成像點(diǎn)到檢波點(diǎn)的雙程旅行時(shí)間。在彈性介質(zhì)中τ(x,xS)為實(shí)數(shù)形式，在非完全彈性介質(zhì)中，其表達(dá)為復(fù)數(shù)形式(式(9))[25]。

2 實(shí)際資料應(yīng)用

Q疊前深度偏移實(shí)現(xiàn)過(guò)程分兩步。首先，由層析反演得到Q場(chǎng)。其次，開展Q疊前深度偏移計(jì)算。Q疊前深度偏移采用基于保幅Kirchhoff疊前深度偏移的地震成像方法，在偏移過(guò)程中考慮了沿不同路徑傳播的地震波衰減，從能量歸位和衰減補(bǔ)償兩方面提高偏移成像質(zhì)量，進(jìn)而提高地震資料處理精度，滿足屬性反演和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的需要，為巖性識(shí)別和油氣檢測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖1為A區(qū)M測(cè)線基于衰減旅行時(shí)的Q值層析剖面和偏移成像剖面疊合。由圖可見，剖面內(nèi)Q值分布范圍為50～380，淺部Q值較小，對(duì)地震波的衰減較嚴(yán)重，深部的Q值較大，符合Q值分布規(guī)律。

圖1 A區(qū)M測(cè)線基于衰減旅行時(shí)的Q值層析剖面和偏移成像剖面疊合

圖2為由井1、井2的VSP數(shù)據(jù)獲得的Q值與對(duì)反射數(shù)據(jù)進(jìn)行Q層析獲得的Q值對(duì)比。由圖可見，由VSP數(shù)據(jù)和反射數(shù)據(jù)Q層析得到的Q值的變化趨勢(shì)一致，但由于前者的空間采樣密度較高，其中包含較多高頻信息，后者的Q值分布細(xì)節(jié)不如前者豐富。

圖2 由井1(a)、井2(b)的VSP數(shù)據(jù)獲得的Q值與對(duì)反射數(shù)據(jù)進(jìn)行Q層析獲得的Q值對(duì)比

利用Q值層析獲得A區(qū)的Q場(chǎng)分布后，再利用Q-Kirchhoff疊前深度偏移方法進(jìn)行Q疊前深度偏移成像(圖3)?？梢?，Q疊前深度偏移剖面(圖3b)較常規(guī)疊前深度偏移剖面(圖3a)的成像效果更好(尤其是在紅色箭頭處)，表現(xiàn)為：①明顯提高了中深層的信噪比，波組特征清楚，構(gòu)造形態(tài)清晰(圖3b)；②恢復(fù)了中深層同相軸的頻率和振幅，部分由于衰減引起的頻率降低而混疊的同相軸得到分離。

在非完全彈性介質(zhì)中，能量吸收不僅導(dǎo)致深層反射波的能量衰減和相位偏移，而且會(huì)降低反射波的頻率。圖4為圖3a和圖3b的頻譜。由圖可見，Q偏移不僅可以補(bǔ)償偏移結(jié)果的深部振幅，同時(shí)也可以提升偏移結(jié)果的數(shù)據(jù)主頻，并提高了疊前深度偏移結(jié)果的分辨率(圖4b)。

圖3 N測(cè)線常規(guī)疊前深度偏移剖面(a)和Q疊前深度偏移剖面(b)對(duì)比

圖4 圖3a(a)和圖3b(b)的頻譜

圖5為L(zhǎng)測(cè)線Q-Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果和常規(guī)Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果對(duì)比。由圖可見：①在時(shí)間域基于Q-Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果(圖5a)和常規(guī)Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果(圖5b)的主頻存在較大差異。如，圖5a的主頻、分辨率更高，圖5b的部分相鄰反射同相軸相互混疊，分辨率較低。②在圖5a中存在強(qiáng)烈反射層位置的伽馬曲線也呈劇烈變化，說(shuō)明Q偏移結(jié)果與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)匹配較好；圖5b的偏移結(jié)果與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)匹配略差。

圖5 L測(cè)線Q-Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果(a)和常規(guī)Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果(b)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

渤海灣盆地海陸過(guò)渡帶的地下構(gòu)造復(fù)雜，由于地表及地下黏彈介質(zhì)吸收，導(dǎo)致地震波能量衰減嚴(yán)重。本文應(yīng)用Q疊前深度偏移，利用Q層析方法獲得了Q模型，基于Q模型進(jìn)行Kirchohoff疊前深度偏移成像，有效補(bǔ)償了振幅、校正了相位畸變，提高了深部數(shù)據(jù)的信噪比、保真度及構(gòu)造解釋精度。