復(fù)雜地表探區(qū)地震勘探的認識及地震數(shù)據(jù)成像處理的觀點

王華忠,許榮偉,馮 波,吳建魯

(1.同濟大學海洋與地球科學學院波現(xiàn)象與智能反演成像研究組,上海200092;2.中國石油東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心,河北涿州072751)

盡管地震勘探已經(jīng)進入了“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集和FWI+LS_RTM高精度地震波成像為代表性技術(shù)的時代,但是并沒有發(fā)展出針對“雙復(fù)雜”探區(qū)油氣地震勘探十分有效的技術(shù)體系。雙復(fù)雜探區(qū)引起的復(fù)雜地表相關(guān)波場和地下復(fù)雜構(gòu)造相關(guān)波場,表現(xiàn)為道間時差劇變+(極)低信噪比的疊前觀測數(shù)據(jù)體。基于這樣的數(shù)據(jù)體難以建立起滿足偏移成像要求的速度模型。這構(gòu)成了當今油氣工業(yè)界至今沒有有效解決的典型問題。進一步地,復(fù)雜地表區(qū)油氣地震勘探的真正復(fù)雜性是由近地表因素引起的[1-2],地下介質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性帶來的影響還是其次。

我們清楚地知道:地震勘探介質(zhì)系統(tǒng)可以近似地被視為一個線性系統(tǒng),線性系統(tǒng)的輸入信號S(xs,t)和輸出信號u(xr,t)近似是相干信號,即u(xr,t)=c·S(xs,t),c=|c|eiφ(t)。其中,xs是激發(fā)震源坐標點;xr是接收波場的檢波器坐標點。近似相干的信號可以同相位疊加增強,這是當前地震波偏移成像最本質(zhì)的物理基礎(chǔ)?！皟蓪捯桓摺庇^測方式下,地下同一反射點甚至存在上千次的覆蓋。來自同一反射點的接收子波的同相位疊加是高保真和高分辨地震波成像的最基本要求。從地表到中深層的(各向異性)速度模型的準確性是對來自同一反射點的接收子波實現(xiàn)同相位疊加的根本保障[3-4]。近地表速度模型的正確性對接收子波能否實現(xiàn)同相位疊加的影響最大。近地表高程(劇烈)變化、低降速帶厚度變化和近地表速度的橫向變化,引起了近地表復(fù)雜的波場[5-6],這是最嚴重的噪聲源,主要的噪聲波場包括:面波、面波散射波、一次和多次折射波、折射波產(chǎn)生的散射波和近地表小尺度速度異常引起的散射波等。上述近地表條件的變化還會導(dǎo)致道間時差(也可以稱為靜校正量)的快速變化。道間時差的快速變化會進一步降低地震觀測數(shù)據(jù)的信噪比。高精度的速度建模嚴重地依賴高信噪比地震數(shù)據(jù),而高質(zhì)量的地震波成像非常依賴正確的速度建模結(jié)果。

至此,復(fù)雜地表區(qū)的地震勘探陷入了一個似乎無法解開的、糾結(jié)的閉環(huán)!可以看出:復(fù)雜地表探區(qū)的真正問題在于地震數(shù)據(jù)的低信噪比!

盡管我們知道了問題的癥結(jié)所在,但是復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)的低信噪比是固有的。真正解決問題的關(guān)鍵在于業(yè)界專業(yè)人員能深入地理解近地表介質(zhì)情況、理解復(fù)雜近地表介質(zhì)中的波傳播過程、通曉噪聲產(chǎn)生的機制和各種噪聲的特點,并且在此基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)有的方法技術(shù)設(shè)計出最佳的解決問題的方案和技術(shù)流程。

因此,本文從近地表因素引起的道間時差問題的分析、與復(fù)雜地表相關(guān)的若干地震數(shù)據(jù)成像處理問題的基本觀點、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的速度建模、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的偏移成像、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理的基本原則、山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理流程7個方面完整地分析了山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理過程中存在的問題、山前帶地震數(shù)據(jù)分析的本質(zhì)邏輯,給出了對各種問題的看法以及建議的解決方案。最后給出了結(jié)論性認識:基于道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像與“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)合應(yīng)該是山前帶地震勘探的正確技術(shù)方向。

1 對近地表因素引起的道間時差問題的分析

復(fù)雜地表探區(qū)地震勘探的核心問題是:劇變道間時差+低信噪比條件下的近地表速度建模+中、深層速度建模。復(fù)雜近地表條件引起的(劇變)道間時差是最為核心的問題。我們試圖摒棄靜校正的概念,嘗試用道間時差的概念來處理近地表因素引起的同相軸相位的變化。目的是將山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理導(dǎo)引到以道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像的流程上。道間時差的概念更適用于復(fù)雜山地探區(qū)地震數(shù)據(jù)的去噪、速度建模和成像。在復(fù)雜山地探區(qū),高速巖層出露地表,通常不存在靜校正但存在劇變的道間時差。一般地,劇變的道間時差對線性的去噪方法、層析速度建模方法和偏移成像方法造成極大問題。據(jù)此,我們提出了以道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理。

靜校正是勘探地震中的經(jīng)典概念[1,5],是相對于動校正而提出的。動校正在水平地表、層狀介質(zhì)假設(shè)下成立[3]。動校正是與疊后時間偏移和疊前時間偏移組合應(yīng)用的時間域成像方法技術(shù)。靜校正+動校正/傾角時差校正(NMO/DMO)+疊后時間偏移/疊前時間偏移構(gòu)成了常規(guī)時間域處理流程中的核心技術(shù)。

道間時差的概念更為普適。與引起道間時差的物理原因相關(guān),消除道間時差主要是針對線性信號預(yù)測去噪、速度建模和同相位疊加偏移成像。

近地表高程(劇烈)變化、低降速帶厚度變化和近地表速度的橫向變化導(dǎo)致了劇變的道間時差,在滿足地表一致性假設(shè)時,引起了靜校正問題。常規(guī)時間域處理流程中,靜校正是非常核心的步驟。靜校正的目的明確,即將受道間時差改造的反射波非雙曲時距關(guān)系恢復(fù)成近似雙曲的時距關(guān)系[5,7],靜校正既是NMO的預(yù)處理,也是去噪及子波一致性校正的預(yù)處理。

區(qū)分道間時差(或靜校正量)的高、中、低頻成分及厘清引起它們的物理原因是做好復(fù)雜地表探區(qū)時間域地震波成像處理的基礎(chǔ)。圖1至圖3分別為不同波數(shù)的道間時差示意圖,上圖均為觀測系統(tǒng)示意圖,下圖均為CMP道集雙曲時距曲線,紅線為與未加擾動的地表相應(yīng)的時距曲線,綠線為與加入高波數(shù)、中波數(shù)、低波數(shù)擾動的地表對應(yīng)的時距曲線。我們試圖利用CMP點的反射關(guān)系及CMP道集時距關(guān)系展示產(chǎn)生道間時差的物理原因及表現(xiàn)。我們知道地表高程變化、風化層厚度橫向變化和近地表橫向變速是引起道間時差變化的根本原因。地表高程變化、風化層厚度橫向變化和近地表橫向變速的高頻、中頻和低頻變化引起了不同頻率成分的道間時差(或靜校正量)。這些變化的尺度大小和道間時差大小與當前的去噪方法、速度估計方法的精度密切相關(guān)。譬如高頻且小量級的道間時差Δt是由小尺度的地下介質(zhì)速度擾動Δv引起的,但是目前的低精度的層析成像方法,并不能用道間時差Δt來反演估計這種小尺度的速度擾動Δv。高頻道間時差不能利用精確的速度建模來消除。

圖3 低波數(shù)(長波長)靜校正示意

由于近地表高程(劇烈)變化、低降速帶厚度變化、近地表速度橫向變化的快慢程度不同、異常體的尺度不同,造成靜校正量有短波長、中波長和長波長之分[8]。有必要給出一些半定量的指標來界定靜校正的高、中、低頻成分的分界。高、中、低波長靜校正量的引入對于實際地震數(shù)據(jù)處理有較大的幫助。為此,給出關(guān)于高程變化和速度變化引起的靜校正量的表達。E代表高程;V代表速度,S代表靜校正量。風化層厚度變化可以歸結(jié)為速度的橫向變化。

靜校正的高波數(shù)變化表示為:

Sh=Eh+Vh

(1)

式中:Eh代表高程快速變化引起的短波長靜校正量;Vh代表近地表速度橫向快速變化引起的短波長靜校正量;Sh代表短波長靜校正量。

類似地,靜校正的中波數(shù)變化表示為:

Sm=Em+Vm

(2)

式中:Em代表高程中等程度變化引起的中波長靜校正量;Vm代表近地表速度橫向中等變化引起的中波長靜校正量;Sm代表中波長靜校正量。

同樣地,靜校正的低波數(shù)變化可以表示為:

Sl=El+Vl

(3)

式中:El代表高程緩慢變化引起的長波長靜校正量;Vl代表近地表速度橫向緩慢變化引起的長波長靜校正量;Sl代表長波長靜校正量。

到底是地下介質(zhì)的哪一部分導(dǎo)致了不同的道間時差(靜校正量)?這依賴于近地表介質(zhì)模型。根據(jù)地表一致性假設(shè),道間時差(靜校正量)主要取決于低降速帶的形態(tài)[5]。根據(jù)風化層底面之上的介質(zhì)情況(地表面的幾何形態(tài)、風化層底面之上的速度變化和低降速帶底面的幾何形態(tài))定義低降速帶。眾所周知,道間時差(靜校正量)是由低降速帶模型和填充速度計算得到的,其中包括高波數(shù)(或高頻)變化、中波數(shù)(或中頻)變化和低波數(shù)(或低頻)變化。道間時差(靜校正量)快慢不同的變化對應(yīng)于近地表速度模型中快慢不同的變化量。

實際地震勘探中,如何界定近地表速度模型中變化量的變化程度是一個比較定性的問題!我認為,山地勘探或地表崎嶇地區(qū)的勘探中,高程劇變是引起Sh的主要原因(圖4),其中,包括近地表模型中包含的小尺度速度異常體以及風化層厚度的快速變化。高程快速變化引起高頻靜校正量對成像的影響易于分析。小尺度速度異常體、風化層厚度的快速變化引起的高頻靜校正對成像的影響不易分析,因為我們很難得到近地表速度模型的準確表達(圖5)。事實上,靜校正基準面的選擇和填充速度對靜校正量的計算也存在比較大的影響,也會影響后續(xù)的NMO疊加和均方根速度估計。

圖4 引起Sh的主要原因:高程劇變

圖5 引起Sh的另一個主要原因:風化層厚度橫向變化

本質(zhì)上,時間域處理中引入的地表一致性假設(shè)、地表水平且地層水平層狀的假設(shè),蘊含了風化層底界也應(yīng)該是水平的且靜校正基準面應(yīng)該與此一致的假設(shè)。在松遼盆地、渤海灣盆地探區(qū),這一假設(shè)基本成立,但在西部山地探區(qū),實際情況與假設(shè)條件偏離太多。這也是西部山前帶勘探中,在靜校正問題上花了很大功夫,最后的成像效果提升并不顯著的主要原因。圖4高程劇變是引起Sh的主要原因,圖5風化層厚度橫向變化是引起Sh的另一個主要原因。在許多探區(qū),因為有風化層存在,其厚度在橫向上變化很快,這是引起Sh的另一個主要原因。但很多山地探區(qū)基巖出露地表,基本上沒有風化層,或僅局部地區(qū)有風化層,這種探區(qū)不存在所謂靜校正量。另外,西部山前帶探區(qū)出現(xiàn)的巨厚礫巖體不能歸于風化層的橫向變化,巨厚礫巖體的存在引起的成像問題,已經(jīng)不是靜校正要解決的問題,而是典型的疊前深度域成像要解決的問題。

關(guān)于靜校正的具體含義,圖6展示了它的幾何意義。地表一致性假設(shè)為:x點處的旅行時ts與偏移距無關(guān),無論什么炮檢對的波傳播過程,在x點處都垂直傳播到地表。正是上述地表一致性假設(shè),才有了所謂的“靜校正”處理。

圖6 地表一致性靜校正的幾何解釋

理論上,靜校正就是要校正掉高程變化、風化層厚度橫向變化和近地表橫向變速帶來的道間時差。因此,靜校正依賴于風化層厚度、近地表速度、地表高程、最終浮動基準面和充填速度。可見,靜校正的影響因素也很多!引入不合適的風化層底界、最終浮動基準面和充填速度會導(dǎo)致成像錯誤,必須深刻理解探區(qū)的近地表地質(zhì)情況才有可能做好靜校正及后續(xù)的成像處理。山前帶地震數(shù)據(jù)處理是異常困難的問題,花費過多精力于靜校正、疊加、均方根速度分析得不償失。

事實上,在復(fù)雜地表和中、深層存在橫向變速的介質(zhì)情況下,時間域的處理無論如何都很別扭。這是時間域處理的理論假設(shè)不符合介質(zhì)變化的實際所決定的,注定了時間域的處理在山前帶探區(qū)只能起輔助作用。必須用深度域成像的思維,看待山前帶地震數(shù)據(jù)處理,才能構(gòu)建合理的處理流程。

僅從道間時差的角度考慮問題,做好去噪,做好高頻時差校正后的近地表速度建模,將中、深層偏移速度建模和疊前深度偏移留給深度域成像環(huán)節(jié),顯然是更符合實際物理情況,也更加事半功倍的處理方式。

2 與復(fù)雜地表相關(guān)的若干地震數(shù)據(jù)成像處理問題的基本觀點

陸上“雙復(fù)雜”探區(qū)地震勘探80%的問題是由復(fù)雜近地表條件引起的,即由高程變化和地表巖性橫向變化引起。但對此說法還要進行具體分析,因為復(fù)雜地表條件是空間域((x,y,z)域),而炮集是時間域((x,y,t)域),二者之間的相互關(guān)聯(lián)非常復(fù)雜。只有將二者之間的關(guān)系分析透徹,才能對后繼的數(shù)據(jù)處理、速度建模和偏移成像才能真正做到心中有數(shù)、有的放矢。

2.1 復(fù)雜地表條件所引起的波現(xiàn)象及噪聲

凡不能貢獻于當前的一次反射波、散射波、繞射波成像的其它波現(xiàn)象及隨機噪聲都應(yīng)被壓制。而這些要被去除的波現(xiàn)象要么與近地表有關(guān),要么在近地表或淺層區(qū)域傳播[9]。應(yīng)該注意的是:在當前“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)觀測+初至波(早至波)波動理論層析速度反演逐漸成為表、淺層速度建模核心工具的情況下,在去噪過程中保持初至(早至)波同相軸不被傷害很重要。

將地震波激發(fā)、傳播與接收的物理過程,結(jié)合實測單炮道集考慮,噪聲基本由近地表因素產(chǎn)生;從能量上看,絕大部分的噪聲能量與近地表因素有關(guān),陸上數(shù)據(jù)層間多次波噪聲在總能量占比中不大。面波相關(guān)的噪聲(即面波與面波散射波)占據(jù)了大部分,壓制這部分噪聲是山前帶地震數(shù)據(jù)去噪最主要的工作。有些探區(qū),近地表折射多次波會大面積污染中、遠偏移距的觀測數(shù)據(jù)。

地表高程變化(也包括橫向變速)引起的道間時差變化進一步降低了同相軸(有效信號)的信噪比,使得去噪更為困難。復(fù)雜近地表探區(qū)地震數(shù)據(jù)處理時,道間時差的存在破壞了局部高維地震數(shù)據(jù)的線性相位特征,導(dǎo)致大量線性去噪方法的結(jié)果降質(zhì),因此去噪與道間時差消除二者是耦合在一起的,應(yīng)迭代進行。

值得說明的是:外源強振幅噪聲和本源強振幅面波噪聲疊加在反射信號上,也會破壞反射信號的線性預(yù)測性。因此,強振幅噪聲的壓制方法應(yīng)該是先于線性信號預(yù)測去噪方法的。

2.2 局部數(shù)據(jù)體中同相軸的光滑性問題

地震信號處理(去噪、規(guī)則化等)要求局部同相軸光滑;偏移成像過程中地下同一反射點、不同偏移距上反射子波的拉平也要求同相軸光滑。這是因為當前的去噪方法和偏移成像方法都是基于線性理論假設(shè)下的方法,它們不適于同相軸上道間時差存在躍變的情況。

同相軸上地震子波的時差(傳播相位)躍變需要通過預(yù)處理消除。事實上,(局部)同相軸上地震子波的振幅躍變也是需要消除的,很多線性信號預(yù)測方法假設(shè)同相軸上地震子波振幅不能空變(或不能顯著空變),譬如F-X預(yù)測、Radon變換預(yù)測等。

值得說明的是:勘探地震介質(zhì)系統(tǒng)物理上明顯不是一個理想的線性系統(tǒng),但是介質(zhì)粘彈性引起的同相軸上地震子波的振幅變化和(初)相位變化并不嚴重,因此我們認為勘探地震介質(zhì)系統(tǒng)基本上符合線性假設(shè)。正因為如此,才出現(xiàn)了來自地下同一反射點不同偏移距的反射子波進行同相位疊加的處理方法?？梢哉f,絕大部分的地震成像處理方法都依賴于勘探地震介質(zhì)系統(tǒng)是線性的假設(shè)。幸運的是,這樣的假設(shè)并沒有顯著脫離勘探介質(zhì)的實際物理情況,即便不進行吸收衰減校正,成像處理結(jié)果也可用于與儲層描述相關(guān)的工作。

2.3 復(fù)雜地表條件引起的同相軸上道間地震子波振幅與形態(tài)(相位)差異問題

由于各炮點激發(fā)條件和各檢波點耦合條件的差異,在復(fù)雜地表條件下導(dǎo)致了同相軸上道間地震子波振幅與子波形態(tài)差異問題。如果這些道間子波振幅變化和子波形態(tài)變化不劇烈,沒有嚴重偏離線性信號或線性化波場預(yù)測的理論假設(shè),那么對二者的校正需求就不迫切。但是,山前帶地震勘探中,近地表條件橫向變化太大,局部同相軸上地震子波振幅與子波形態(tài)往往發(fā)生強變化,必須進行所謂的地表一致性子波振幅和相位校正。也就是說,基于統(tǒng)計原則和地表一致性假設(shè)進行地震子波的振幅和形態(tài)(相位)的一致性校正是必須完成的步驟,尤其是地表一致性振幅處理必須要完成,否則會導(dǎo)致線性信號或線性化波場預(yù)測的結(jié)果出現(xiàn)顯著偏差,從而降低去噪和成像的質(zhì)量。地表一致性振幅和相位校正是在基于同相軸是連續(xù)的且在信噪比較高的假設(shè)條件下進行的。因此,道間時差的消除對去噪和地表一致性振幅與相位校正而言處于優(yōu)先位置。

值得說明的一個概念是:線性化的層析成像和偏移成像不允許局部同相軸時差躍變的存在,偏移成像也不允許振幅躍變的存在。這也是高頻變化的道間時差必須要消除的理論支撐。山地地震數(shù)據(jù)處理中,所謂的小平滑基準面的選擇本質(zhì)上就是要消除局部同相軸上高頻變化的道間時差。還應(yīng)當注意:引起高頻變化的道間時差的物理原因包括高程躍變,也可能是近地表橫向速度變化(或風化層厚度橫向劇變),僅選擇小平滑基準面進行高頻道間時差的校正并不徹底,有必要在成像道集中進一步消除高頻道間時差。

2.4 再議靜校正量與道間時差的關(guān)系

靜校正量與道間時差是兩個不同的概念。道間時差包含了靜校正量,但不同道集中表現(xiàn)出來的道間時差不僅由地表高程變化和風化層厚度變化所引起,這部分道間時差是靜校正量引起的,另外其它區(qū)域的速度橫向變化也是產(chǎn)生道間時差的重要根源。應(yīng)將這兩個概念(靜校正量和道間時差)區(qū)分開!引入道間時差的概念更有益于將以道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像處理流程中的關(guān)鍵問題理解清楚。

下面我們從疊前地震數(shù)據(jù)與成像道集是共軛空間元素的角度,更深入地理解數(shù)據(jù)域的道間時差和深度成像道集中的道間深度差之間的一對一映射關(guān)系。

地震波成像中,Born近似正問題描述了疊前地震數(shù)據(jù)體產(chǎn)生的數(shù)學物理含義,認為它是地下所有散射點產(chǎn)生的一次散射波的疊加,即:

(4a)

式中:δu為擾動波場;u(m0)為背景介質(zhì)中傳播的波場;u(m)為真實參數(shù)場中傳播的波場;m為真實參數(shù)場;m0為背景參數(shù)場;δm為擾動參數(shù)場;A=GS(m0)GR(m0),A為Born近似線性化正演算子。

一般地,在線性反演理論文獻中,(4a)式可表示為:

d=Am

(4b)

式中:d為線性化正演模擬的擾動波場;m為擾動參數(shù)場。

線性反演意義下,地震波成像問題被歸納為如下最小二乘反問題:

(5)

式中:dobs為觀測數(shù)據(jù)。

(5)式對應(yīng)的法方程為:

(6)

若(6)式中的Hessian矩陣ATA被近似為單位矩陣,即ATA≈I,則(6)式可表示為一般偏移成像算法得到的成像結(jié)果:

m≈ATdobs

(7)

(4b)式中的A和(7)式中的AT是相互共軛的算子,即有下式成立:

(m,ATd)=(d,Am)

(8)

因此,數(shù)據(jù)空間d(xS,xR,t)或d(xm,h,t)與像空間m(x,θ,φ)是共軛空間。其中,xS,xR分別為炮檢點坐標;xm,h分別為中心點坐標和半偏移距;θ是入射張角,φ是方位角。由于數(shù)據(jù)空間d(xS,xR,t)或d(xm,h,t)與像空間m(x,θ,φ)存在共軛性,因此在數(shù)據(jù)空間和在成像空間中執(zhí)行某些處理是等價的。

一般地,我們在數(shù)據(jù)空間中進行疊前數(shù)據(jù)的預(yù)處理,核心是消除局部同相軸上地震子波道間時差及振幅的高、中頻變化,滿足去噪、速度建模和偏移成像的需求。事實上,即便花很多功夫,仍不能實現(xiàn)共成像點道集中同相軸的拉平,而且還會存在子波振幅和形態(tài)的不一致(有時這種現(xiàn)象還很嚴重)。從疊前數(shù)據(jù)空間與成像道集空間等價性的角度,我們可以在成像空間中進一步地消除道間時差、振幅畸變和子波形態(tài)畸變,從而顯著提升地震波成像的質(zhì)量。

2.5 靜校正的合理做法

靜校正量是由地表高程變化、風化層厚度橫向變化以及低降速帶中速度變化所引起的,靜校正服務(wù)于NMO疊加!靜校正量計算基于地表一致性假設(shè),各種靜校正方法及其合理性均奠基于此!靜校正的目的是消除地表高程變化、風化層厚度橫向變化以及低降速帶中速度變化所引起的道間時差,恢復(fù)CMP道集中同相軸的雙曲時距關(guān)系,確保能合理地進行NMO/DMO處理、均方根速度估計和疊前時間偏移。

靜校正的合理做法如下。

1) 層析成像建立風化層底面以上的近地表速度模型,選擇充填速度和最終浮動基準面,計算每一點處的靜校正量。

這是最基本的靜校正方法,可去除大部分的靜校正量。速度建模的方式不同,產(chǎn)生了不同名稱的靜校正方法,譬如折射層析靜校正、初至層析靜校正[5]等。在建立了風化層底面以上的速度模型后,再計算靜校正量。事實上,僅利用大炮數(shù)據(jù)初至走時層析成像,能否建立合理的風化層底面以上的近地表速度模型是深受質(zhì)疑的。充分開展近地表調(diào)查,補充盡可能多的用于近地表速度層析的先驗信息,是必然的選擇。精準的地表高程測量也是必要的。

2) 剩余靜校正。

由于高程測量(包括震源井深測量)以及風化層底面以上的速度建模精度不夠等因素,中、高頻靜校正量消除不徹底,因此存在剩余道間時差。在炮集中,表現(xiàn)為初至到達時存在躍變;在共偏移距道集中,表現(xiàn)為反射同相軸存在躍變時差。這些躍變時差表明存在剩余的中、高頻靜校正量。這些剩余的中、高頻靜校正量采用統(tǒng)計的方法來檢測或估計,不能依賴于風化層底界以上的速度模型來計算,凡偏離統(tǒng)計背景的道間時差躍變均表明存在剩余靜校正量。因此地表一致性初至剩余靜校正和地表一致性反射剩余靜校正也是必不可少的處理環(huán)節(jié)。

2.6 滿足靜校正需求的表層速度建模

靜校正量的計算依賴于風化層底面之上的速度模型。這個模型包括4個關(guān)鍵要素:①風化層底界的幾何形態(tài);②真地表面的幾何形態(tài);③兩個面之間的速度值;④兩個面之間可能的速度分層結(jié)構(gòu),它可以被融入速度值中,如果能利用分層結(jié)構(gòu)建模的話,建模精度會更高。

這個模型建構(gòu)時的困難包括:①大炮數(shù)據(jù)對建此模型的貢獻不大,在此模型中穿過的射線不多,用折射波進行基于折射波時距關(guān)系的建?？赡芨眯?但在很多探區(qū)的大炮記錄中不能識別出有效的折射波;②大炮初至層析,近偏移距道數(shù)太少,道間距太大,層析成像建立風化層底面以上的速度模型,誤差會很大;③風化層底面很難確定,風化層底面的幾何形態(tài)會導(dǎo)致靜校正量的計算誤差。

構(gòu)建適用于靜校正的風化層底面之上的速度模型的觀點如下:①準確描述地表高程面(真地表面);②風化層底面只能盡可能由各種信息來確定,要清楚地了解或知道風化層底面幾何形態(tài)不準給靜校正量的計算帶來的影響;③對于兩個面之間速度值的填充,還是要充分地利用近地表調(diào)查信息,如微測井、露頭、地表巖性變化、電磁波高光譜分析、大炮初至波特征變化等,將空間信息融合作為重要工具,建立初始速度模型,然后再將其與初至波波動理論旅行時層析結(jié)合,估計速度值,不能過于依賴大炮初至波走時信息,這個信息對于估計與建立風化層底面上的速度模型不太充分。

風化層底面以上速度模型對靜校正影響的觀點如下。①這個模型不可能是很精確的,靜校正量的計算是有誤差的。事實上,什么是正確的靜校正量是不確定的!②風化層底面之下與之上的速度變化不能太快!風化層底面形態(tài)變化不能太劇烈。這個要求本質(zhì)上是時間域成像處理所需的,否則時間域成像處理流程不能用于這樣的探區(qū)。正是這個要求區(qū)別開了時間域成像處理流程與深度域成像處理流程。如果這個要求得不到滿足,即使進行了靜校正,CMP道集中時距關(guān)系依然不能恢復(fù)成近似雙曲的時距關(guān)系,而CMP道集中同相軸滿足雙曲時距關(guān)系是整個時間域處理的根本要求。

2.7 風化層之上速度建模不準確對靜校正的影響

靜校正依賴于風化層厚度、速度、地表高程、最終浮動基準面和充填速度。其中,由風化層厚度、速度、地表高程構(gòu)成的風化層模型對靜校正的影響是主要的[5,10-11]。

圖7所示,假設(shè)CMP道集點距為20m或道間距為20m,A,B,C,D,E,F點處存在偏離背景的速度異常,在這些地震道上子波到達時會存在躍變!

圖7 風化層模型對靜校正的影響示意

圖7中紅圈所示的這些尺度在20m左右的速度異常體,無法通過目前的近地表層析反演來確定。在風化層底面空變太快(或風化層底面的高程出現(xiàn)躍變)的情況下,由于風化層上、下速度躍變,等于引入了小尺度速度異常,如圖7中綠線所示的風化層底界面形態(tài)所示,這中小尺度的速度變化也是近地表層析成像無法控制的,只能寄希望于風化層上、下速度躍變很小且風化層底界橫向變化平緩。在大多數(shù)山前帶探區(qū),這種要求不符合實際。不過我國東部大部分探區(qū)還是比較符合這種要求的。

引入小平滑基準面消除近地表速度建?？刂撇涣说慕乇硇〕叨人俣犬惓ｓw引起的道間時差,圖7展示的情形進一步說明了這種處理方法的必要性。根據(jù)前述的疊前數(shù)據(jù)空間域與角度/偏移距道集成像空間的共軛性,可以利用各種后處理方法在成像道集中進一步消除不能控制的速度異常引起的成像道集不拉平現(xiàn)象。

2.8 地表高程的變化對復(fù)雜地表區(qū)勘探及對高波數(shù)靜校正的影響

復(fù)雜地表區(qū)勘探應(yīng)該對高程劇變引起足夠的重視,它對勘探過程、數(shù)據(jù)品質(zhì)和靜校正影響很大。地表高程變化的影響可以羅列如下:①地表高程劇變導(dǎo)致野外施工困難;②引起很強的面波、直達波散射噪聲,視情況還可能存在較強的折射波散射噪聲;③高程劇變導(dǎo)致炮集質(zhì)量(信噪比)顯著下降,折射波、初至波難以準確識別;④在速度模型中,高程測量的誤差映射在速度模型中導(dǎo)致速度模型不準;⑤高程劇變引起劇變的道間時差,會進一步降低信噪比;⑥高程劇變時,充填速度與真速度差異大,風化層底面之上速度模型誤差大,會人為引入顯著的剩余靜校正量。

2.9 與偏移成像相關(guān)的近地表速度建模

風化層底面之上的近地表速度模型可應(yīng)用于靜校正。前文已分析過,風化層之上的近地表速度模型僅靠大炮數(shù)據(jù)難以建立,這個區(qū)域中,僅有很少的射線穿過(覆蓋),無法利用層析反演建立較好的速度模型,還需結(jié)合其它的信息[12]。這部分速度模型對反(散)射波到達時的影響不能忽視,因為近地表速度低,盡管波在其中傳播的路徑較短,但累計走時可觀,對同相位疊加的影響比較大。從圖8可見,在Si到Ri的長傳播路徑上存在小尺度的速度異常,對總走時的影響通常不太大,很難引起顯著的道間距時差(ti-ti+1),但近地表速度誤差對總走時和道間時差的影響顯著。這是為什么在山地勘探和復(fù)雜地表勘探中,特別重視風化層之上的速度模型并對此開展深入研究的重要原因。

圖8 風化層速度異常與長路徑上速度異常體對成像到達時的影響

本質(zhì)上,若能準確建立真地表面之下的速度模型,再采用精確的疊前深度偏移方法(譬如RTM),可以認為“雙復(fù)雜”探區(qū)地震波成像工作結(jié)束了!很遺憾,這只是一種期望而已。目前的速度建模方法技術(shù)及大炮數(shù)據(jù)觀測方式根本不足以建立比較準確的背景速度模型。

偏移成像所用的近地表速度當然包括風化層底面之上那一部分,但偏移成像所用的近地表速度模型存在更多的透射波(折射+潛波(Diving Wave))和反射波,在當前“兩寬一高”數(shù)據(jù)下,采用先進的層析反演方法,應(yīng)得到更高的速度建模精度。受最近十幾年FWI方法技術(shù)發(fā)展的影響,對于偏移成像所用的近地表模型,目前主要采用透射波波動理論層析成像方法來建立。偏移成像所采用的近地表模型如圖9所示。目前FWI是利用透射波估計更精確的淺層速度模型(譬如0～1000m或0～2000m,取決于疊前數(shù)據(jù)中的最大偏移距情況)。極淺層(譬如0～100m)的速度模型(譬如風化層底面之上的速度模型)嚴重缺乏射線穿過的信息,故波動理論透射波層析反演的精度很低(圖9)。因此,我們無法完全拋開靜校正或道間時差校正。

圖9 近地表速度對成像的影響

本文認為:山前帶地震勘探中,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù),與基于道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+高(中)頻靜校正+波動理論透射波層析的技術(shù)組合,將地震波成像處理完全導(dǎo)引入全深度域,是正確的技術(shù)路線。

2.10 時間域成像處理與深度域成像處理的分界點

本文認為:時間域成像處理與深度域成像處理的分界點就在于對風化層底面之上的速度模型進行靜校正后,CMP道集中同相軸是否滿足雙曲時距關(guān)系的假設(shè)。

以靜校正+NMO/DMO+疊后時間偏移/疊前時間偏移為核心技術(shù)構(gòu)成的常規(guī)時間域處理流程,物理假設(shè)是很清楚的。靜校正要求近地表有低降速層的存在,NMO和疊后時間偏移/疊前時間偏移假設(shè)介質(zhì)為水平層狀且炮檢點在同一水平面上(盡管可以單獨計算炮端和檢波端走時,但與均方根速度的概念是違背的)。山前帶探區(qū)的地表和地下介質(zhì)分布情況都嚴重偏離上述時間域處理方法技術(shù)的理論假設(shè)。因此,針對山前帶探區(qū)地震數(shù)據(jù)處理,不建議花過多時間在時間域處理上,以免得不償失。

本文多次強調(diào)過:山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理的真正問題是在道集時差劇變+低信噪比數(shù)據(jù)情形下如何建立滿足偏移成像需求的速度模型。對于速度建模而言需要高信噪比的地震數(shù)據(jù),提高地震數(shù)據(jù)信噪比的核心算法當然是去噪,去噪的根本原因是局部數(shù)據(jù)體中信號(或相干噪聲)存在線性相位移(即局部同相軸上不能存在高頻道間時差)。據(jù)此可以看出:消除道間時差躍變、去噪提高信噪比、精確速度建模應(yīng)是山前帶探區(qū)地震數(shù)據(jù)處理的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。

對于山前帶探區(qū)地震數(shù)據(jù)處理,因為達不到時間域成像處理與深度域成像處理的分界點,故很多山前帶探區(qū)根本不存在低降速帶。

這進一步說明:山前帶探區(qū),全深度域成像處理是大勢所趨,無法改變。這是必須要走的技術(shù)路線!全深度域成像處理的核心是盡量建立比較準確的、包括風化層底面之上部分的近地表速度模型。

3 復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理

3.1 小平滑基準面

“基于道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像”代表山地/山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理的正確技術(shù)路線應(yīng)該是毋庸置疑的。

小平滑基準面的基本選擇邏輯是:基于小平滑基準面的短(中)波長靜校正后,其它的體波傳播旅行時都可以利用目前的速度分析與建模方法進行較為準確的預(yù)測,從而得到很好的速度建模結(jié)果,進而得到很好的PSDM成像結(jié)果。

當前的速度建模方法技術(shù)不能預(yù)測短波長旅行時躍變(即高頻道間時差),應(yīng)該選擇小平滑基準面+高頻道間時差校正將它們從地震數(shù)據(jù)中消除。當然,偏移速度建模和疊前深度偏移也應(yīng)從小平滑基準面開始。

小平滑基準面的選擇與速度建模技術(shù)的精度相關(guān),當然也與數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和近地表調(diào)查數(shù)據(jù)的豐富程度及品質(zhì)、去噪聲的方法技術(shù)相關(guān)。目前未出現(xiàn)完全定量的方法指導(dǎo)小平滑基準面的選擇,只有一些原則可以遵循:①盡量貼近真地表;②盡量滿足去噪的要求以及地表一致性處理等的要求;③盡量滿足速度分析方法的要求。

根據(jù)上述原則,我們提出如下的小平滑基準面計算公式。假設(shè)H(x,y)表示高程函數(shù),我們利用阻尼最小二乘方法求解與真地表高程最接近的光滑后的高程函數(shù)Hs(x,y),首先定義如下的誤差泛函:

(9)

(9)式的最優(yōu)解表示為:

Hs(x,y)=minJ[Hs(x,y)]

(10)

其中,(9)式第一部分為函數(shù)逼近項,w(x,y)為與最小靜校正量相關(guān)的加權(quán)系數(shù),短波長靜校正量越大,受懲罰越大;第二部分為函數(shù)光滑項,αx和αy稱為x和y方向的光滑參數(shù),該參數(shù)值越大,光滑項比重越大,則函數(shù)越光滑。

很多時候我們只能根據(jù)高頻道間時差校正后同相軸的光滑程度來判斷是否消除了短波長靜校正量。對于高頻道間時差校正,高程靜校正+初至剩余靜校正處理就足夠了。無需過多地考慮反射剩余靜校正,可以通過CIG道集的后處理來消除其余的剩余高頻靜校正量。

如果上述討論方案能實現(xiàn)的話,“真”走時預(yù)測問題的準確性應(yīng)該是有保證的。所謂“真”走時指的是選取小平滑基準面進行高頻道間時差校正后疊前炮集中各種體波現(xiàn)象以及同相軸的走時滿足偏移速度建模的要求,此外還滿足從小平滑基準面上開展疊前深度偏移成像的要求。

此處,有必要再次闡述高頻道間時差校正與去噪的關(guān)系問題,因為偏移速度建模必須要建立在一定信噪比地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。高頻道間時差校正是為了滿足線性去噪算法對局部線性同相軸相位線性變化的理論假設(shè)。因為高頻道間時差的施加和取消是互逆的,故在實際地震數(shù)據(jù)處理中,可以利用其互逆性,盡可能將高頻道間時差消除,用線性去噪方法進一步提升地震數(shù)據(jù)信噪比。此時,無需受靜校正思想的制約,因為靜校正和道間時差消除的目的不同。這也是在山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理中,我們凸顯道間時差的概念,弱化靜校正概念的本意所在。

3.2 近地表速度模型與靜校正在疊前深度偏移(PSDM)處理流程中的地位問題

理論上,必須有地表一致性假設(shè)的成立,才有理論上合理的靜校正。必須重視這個理論假設(shè)的含義以及在山前帶探區(qū)實際勘探中這個假設(shè)的不成立程度及其帶來的影響。

近地表速度模型+靜校正基準面+充填速度決定了靜校正量。這其中包括:短波長、中波長、長波長靜校正量。

對PSDM流程,能被速度模型描述的反(散)射波走時,都應(yīng)在PSDM中進行描述,盡量不改變地震數(shù)據(jù)中的同相軸走時(僅消除地震數(shù)據(jù)中的高波數(shù)靜校正量),并且盡量不改變真地表情況(盡可能選擇貼近地表的小平滑基準面)。近地表與淺層速度建模都只能描述真實地層的背景光滑速度成分,不可能獲得真實的近地表速度。高波數(shù)靜校正量的消除并不徹底,也可能會引入人為的高波數(shù)靜校正量。在PSDM中,必須要輸出成像道集,而后在成像道集中進一步通過排齊的方式,消除數(shù)據(jù)域處理中沒能得到完全解決的高波數(shù)靜校正問題。

因近地表與淺層速度低,故其對PSDM成像的影響不能忽視。這就解釋了為什么高精度地震波成像越來越重視近地表與淺層速度建模問題。

山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理中,不應(yīng)再過于關(guān)注長波長靜校正的重要性。只要近地表速度模型正確,完全可以在PSDM中解決長波長靜校正問題。長波長靜校正量的存在影響疊前時間偏移的成像結(jié)果,這是時間域成像特有的問題。在深度域成像中,假定疊前地震數(shù)據(jù)滿足要求,因速度模型的正確性決定了成像質(zhì)量,故只要著眼于將速度模型建好即可。

中短波長靜校正是去噪、地表一致性處理、高分辨率疊加等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵影響因素,必須在高程靜校正+初至波剩余靜校正+反射波剩余靜校正+CIG道集拉平的各階段仔細處理。應(yīng)該體會到:反射剩余靜校正可以合并到CIG道集拉平過程中,不必一定在時間域花功夫進行反射波剩余靜校正。

盡管進行了上述討論,我還是不贊同將靜校正+NMO/DMO+PSTM這種時間域處理與小平滑基準面+全深度域成像處理強行拼合在一起。這兩個流程在山前帶探區(qū)無法很好地調(diào)和。我認為:基于道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像的處理流程,完全可以跳開時間域成像處理流程,直接進入深度域成像處理。事實上,這樣的全深度域成像處理流程才具有普適性。

4 復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的速度建模

4.1 表層速度建模

大炮數(shù)據(jù)不能為表層(譬如0～100m)速度模型建立提供有效信息?？臻g采樣太粗了!主頻太低了!主頻對應(yīng)的波長太長了!近地表速度變化尺度太小了!利用大炮數(shù)據(jù)不可能對表層速度進行有效的建模。

表層速度建模必須靠獨立于大炮數(shù)據(jù)觀測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):微測井、小折射、微VSP、針對地表的極高精度地震勘探、露頭地質(zhì)調(diào)查等。表層速度建模本質(zhì)是綜合信息挖掘和融合的問題。目前能將綜合信息挖掘和融合問題解決好,建立起表層速度模型中的背景成分已經(jīng)足夠。短波長部分和部分中波長部分速度不正確(對應(yīng)速度場的小尺度變化成分),故只能利用時間域的“靜”校正方法解決問題,更準確地講,需要采用高頻道間時差消除的方式來解決。這也是無奈之舉。如果能建立從地表到深層的準確的偏移速度模型,從真地表開始疊前深度偏移就行了。絕大部分的預(yù)處理根本不必做了!但這種理想情況不符合勘探實際!

表層速度建模并不是單純的地表微測井加散亂數(shù)據(jù)插值問題。如果表層速度建模沒有考慮地質(zhì)因素(譬如露頭、淺層速度結(jié)構(gòu)等),而是純數(shù)學的插值操作,這樣的表層速度建模也是不準確的,畢竟地表微測井空間密度太稀疏了,控制不住表層的小尺度速度變化。表層速度模型的建立中,露頭和地質(zhì)信息的約束遠比數(shù)學插值方法重要[12]。與表層速度有關(guān)的信息的收集、整理、數(shù)字化、表達、融合是近地表建模的重要環(huán)節(jié)。到目前為止,上述環(huán)節(jié)依然是一個薄弱的技術(shù)點。

4.2 淺層速度建模

將近地表速度模型定義為風化層底界以上的低降速帶速度場,且滿足“地表一致性”假設(shè),是不能破壞的原則。

譬如利用2500m偏移距內(nèi)的初至波數(shù)據(jù)根據(jù)初至波層析建立的近地表速度模型計算靜校正量邏輯上說不通。特別要注意靜校正的“地表一致性”假設(shè)。將風化層底界面以下的速度場納入靜校正,會人為破壞道集中的時距關(guān)系,降低后續(xù)的速度分析和成像精度,吃力不討好!實際上,很多探區(qū)風化層或低降速帶并不明顯,這就要仔細把握時間域處理與深度域處理的界限,并盡早進入深度域成像處理環(huán)節(jié)。

淺層速度嚴格地講是針對從風化層或低降速帶底界開始到折射波和潛波(Diving Wave)能較為準確描述的區(qū)域。這顯然與觀測系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)品質(zhì)有關(guān)。當前,在寬方位長偏移距數(shù)據(jù)逐漸增多的情況下,初至波層析建立的淺層速度模型逐漸向深度擴張,有與中層速度模型重疊的趨勢。一般地,最大偏移距三分之一深度之上,初至波層析建立的淺層速度模型精度是有保障的。因為重疊區(qū)域的照明更充分,速度建模的精度更高,我們當然期望重疊得越多越好。

淺層速度建模能利用的最主要波現(xiàn)象就是直達波、折射波和潛波,最主要的波場就是初至波,還包括初至波后續(xù)的早至波。對基于波動理論的初至波層析反演而言,陸上地震數(shù)據(jù)中,初至波和早至波的信噪比太低是波動理論的初至波層析反演技術(shù)應(yīng)用的阻力,尤其在可控震源激發(fā)情形下。但是,這是必須要克服的技術(shù)困難,也是無法回避的。因此,波動理論的初至波走時層析反演技術(shù)是山前帶探區(qū)必須擁有的淺層速度建模技術(shù)。強噪聲、弱初至情形下的初至波識別及走時檢測技術(shù)成了波動理論的初至波走時層析反演技術(shù)能否成功應(yīng)用的先決條件。事實上,強噪聲、弱初至情形下的初至波識別及走時檢測是一個沒有被妥善解決的老問題。

表層與淺層的一體化建模當然是有必要的。有一個好的表層初始模型,有利于淺層速度建模的精度提升。淺層速度建模主要依賴的信息就是初至波。但是,很多探區(qū)初至波識別與走時檢測嚴重受制于信噪比,此時,其它信息的補充就非常必要。對淺層而言,能用的信息依然是測井和地質(zhì)先驗認識。

復(fù)雜地區(qū)速度建模是一個標準的反問題。由于疊前道集的信息不足,必須借用先驗信息,提高速度建模的準確性。測井和地質(zhì)認識是最重要的信息,關(guān)鍵是如何用好這些信息。對于提高速度建模的精度,當前速度建模的方法技術(shù)已經(jīng)探索得很深入了,但是先驗信息的提取、表達、利用遠遠沒有跟上,成為了限制速度建模精度提升的主要障礙。

近地表的各向異性在某些探區(qū)也是不可忽視的[3,9]。近地表的各向異性取決于特定的地質(zhì)特征。中、深層介質(zhì)地震各向異性往往是尺度各向異性,根據(jù)各向異性介質(zhì)的時距關(guān)系估計各向異性參數(shù)。邏輯上講,近地表各向異性參數(shù)也應(yīng)如此。但是,近地表照明比中、深層照明更不均勻,更依賴測井和巖石地球物理得到合理的近地表各向異性參數(shù)。

4.3 中、深層速度建模

對于山地或崎嶇地表區(qū)的地震勘探,充分利用初至波(早至波)進行波動理論的初至波走時層析反演,進而建立淺層速度模型,是速度建模中不可逾越的環(huán)節(jié)。近年來,很多國外海上探區(qū)成像質(zhì)量的提升主要得益于長偏移距、低頻數(shù)據(jù)中初至波及早至波(潛波和淺層折射波)全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)的應(yīng)用。陸上油氣勘探中,由于地震數(shù)據(jù)存在初(早)至波信噪比太低、可控震源炮集初至難以識別等問題,故初(早)至波FWI的應(yīng)用不是很多。但隨著“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)在山前帶勘探中逐漸地普及應(yīng)用,必須對該項技術(shù)引起重視。

當然,反射波速度建模仍是中、深層速度建模的主要技術(shù),其基本邏輯如下。①反射界面和層速度值共同構(gòu)成速度場,二者是耦合的。反射界面的合理性在速度建模中往往有著更重要的作用。地質(zhì)知識的約束主要在于提供合理的反射結(jié)構(gòu)。②對于速度值的估計,(類)CMP道集的利用是第一位的,初始反射波速度模型還是要基于(類)CMP道集的拉平來判斷。在(類)CMP道集速度建模中,要充分考慮構(gòu)造的合理性。低信噪比情形下要充分利用超道集的概念。這對陸上低信噪比地震數(shù)據(jù)是必須的。比較復(fù)雜的探區(qū),由一般CMP道集,到PSTM的(類)CMP道集,再過渡到PSDM的(類)CMP道集,最后由NMO速度分析過渡到剩余速度分析。將剩余速度修改放在前述迭代過程的最后階段。③關(guān)于界面和速度值的解耦,建議用圖偏移(Map Migration)的思想,將時間域界面映射到深度域界面,構(gòu)建大致的深度域反射結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上再進行迭代細化。當然,更重要的是在深度域速度建模過程中實現(xiàn)二者的解耦,引入測井信息,控制特征反射層深度、控制層速度值的變化范圍以及利用地質(zhì)信息約束反射結(jié)構(gòu)等,均為深度域速度深度解耦的措施。④CIG道集層析速度反演建模,是目前最常用的反射波層析建模技術(shù)。其中關(guān)鍵技術(shù)點包括:道集質(zhì)量、層位拾取、剩余時差(Residual Moveout,RMO)測量,尤其是決定速度建模精度的RMO測量。層位拾取是引入反射結(jié)構(gòu)約束的環(huán)節(jié),對提升速度建模精度有重要作用。

此處,簡單評價一下立體層析速度建模方法技術(shù)。立體層析的優(yōu)點在于引入了波傳播方向的逼近,比僅僅靠到達時逼近,反演精度更高一些;缺點是參數(shù)空間變大,收斂更慢。立體層析有自身的特點,但優(yōu)勢并不顯著。僅有CGG公司的一批研究人員在堅持這種做法,其它公司和大學并沒有跟進[13-15]。

有必要再次提及:時間域處理僅適用于緩變地表和緩變地層的情況,否則CMP道集疊加速度提供的初始深度域速度不能保證后續(xù)的層析反演收斂,會導(dǎo)致后續(xù)深度域速度建模的計算量增大。在地表和地層橫向變化較快的情形下,只有(類)CMP道集NMO提供的疊加速度轉(zhuǎn)成的初始深度域速度合理,有助于后續(xù)采用深度域速度建模方法提高收斂效率。

4.4 表層存在巨厚高速礫巖體時的速度建模問題

(巨)厚高速礫巖體是天山北緣或者任何山口沖積扇存在的區(qū)域出現(xiàn)的特殊地質(zhì)體。地表第四系沉積覆蓋下的沖積河道,也表現(xiàn)為高速礫巖體的特征。高速礫巖體出現(xiàn)在淺層,層內(nèi)沒有明顯的分界面,典型特征是存在高速礫巖體。對付這樣的孤立異常體的方法很多。但是,對速度建模而言,首要的是識別出高速礫巖體的邊界形態(tài)。高速礫巖體內(nèi)速度值的精確估計,沒有單一的方法,只能靠各種技術(shù)組合:鉆井+測井(淺井VSP)提供對速度分布的基本認識;反射波速度掃描提供背景速度;反射波層析提供更精確的速度。

(巨)厚高速礫巖體接近地表,大炮觀測過于稀疏是根本問題,建議布置針對高速礫巖體的高密度小排列觀測方式,即采用淺層高分辨地震勘探用于淺層(巨)厚高速礫巖體的刻畫。

不能指望大炮觀測能很好地解決淺層問題,包括淺層(巨)厚高速礫巖體的成像問題。發(fā)展能高密度采集地表地震數(shù)據(jù)的分布式聲波傳感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)采集技術(shù)應(yīng)該是非常值得期待的。引入對山口沖積扇的地質(zhì)認識,有助于建立良好的沖積扇體速度模型。

4.5 速度建模與地質(zhì)認識相結(jié)合

速度模型是由界面+層速度值構(gòu)成的,當然可以使用網(wǎng)格模型來表示速度模型。但是利用網(wǎng)格模型進行速度估計會極大地增加多解性。加入界面的合理約束會大幅地提高速度建模的精度,這正是利用地質(zhì)知識指導(dǎo)速度建模的理論依據(jù)。

層速度的變化是有趨勢的,單個地層內(nèi)的速度趨勢應(yīng)該是平穩(wěn)變化的。地質(zhì)、沉積和巖性的概念始終要體現(xiàn)在建模過程中。山前帶探區(qū)地震數(shù)據(jù)品質(zhì)差、速度場復(fù)雜,速度建模必須引入合理的地質(zhì)約束,不能僅依靠數(shù)學算法。在山前帶速度建模中,這是非常重要的原則。遺憾的是,如何提取地質(zhì)認識、如何數(shù)字化表達地質(zhì)認識、如何將這些先驗認知合理地約束到速度建模過程中,是當前速度建模方法技術(shù)研究與應(yīng)用的弱項。

5 復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的偏移成像

5.1 時間偏移與深度偏移的認識

時間偏移和深度偏移的分界:成像射線(Imaging Ray)是否發(fā)生嚴重偏折。與垂直向下方向相比,若出現(xiàn)了成像射線嚴重彎折的情況,預(yù)示著時間偏移的成像點位置與真像點之間出現(xiàn)嚴重偏離,時間偏移的像發(fā)生了嚴重畸變。地下介質(zhì)速度發(fā)生較大橫向變化時,成像射線就會出現(xiàn)嚴重彎折,此時不能使用時間偏移。時間偏移理論上僅適用于水平層狀介質(zhì),實際上不同傾角的地層交錯疊合在一起,成像射線圍繞垂直向下的方向左右彎折,但始終偏離垂直向下方向不遠。這是緩橫向變化情形下,PSTM成像效果還不錯時的地震波成像學解釋。

從繞射時距曲線的頂點對應(yīng)的地表橫向坐標點出發(fā)垂直向下發(fā)出的射線到達地下繞射點的位置,這樣的射線就是成像射線[16]。

顯然在山地或崎嶇地表探區(qū)盡量不要使用PSTM;地下構(gòu)造復(fù)雜且橫向變速嚴重的探區(qū)更不能使用PSTM。

5.2 偏移成像結(jié)果合理性的判斷

眾所周知,偏移成像結(jié)果合理性標準應(yīng)該是:來自地下同一反(散)射點、不同炮檢對的反(散)射子波實現(xiàn)同相位疊加。通俗的說法是:成像道集拉平是保證偏移成像結(jié)果正確的最基本要求。

判斷偏移成像結(jié)果是否合理還有很多定性標準:地質(zhì)邏輯合理(地層不交叉、接觸關(guān)系合理而清晰),構(gòu)造簡單;不過偏移,不欠偏移;聚焦程度好,同相軸不發(fā)虛;斷層面清晰等。

偏移成像質(zhì)量判別的一個基本邏輯:構(gòu)造越簡單,越符合地質(zhì)邏輯,正確的可能性越大。我們建議做一些正演,觀察炮集逼近程度。此外,引入井信息的判斷速度和特征層位深度正確性也是必要的。

6 復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理的基本原則

下面我們給出在雙復(fù)雜探區(qū)構(gòu)建合理的速度模型應(yīng)該遵循的一些基本原則。

原則1:由簡單構(gòu)造區(qū)向復(fù)雜構(gòu)造區(qū)推演的原則。從探區(qū)中構(gòu)造簡單的區(qū)域開始,采用時間域的(類)CMP速度分析構(gòu)建初始速度模型,包括層位的解釋和層速度的確定。根據(jù)地質(zhì)邏輯,將構(gòu)造簡單區(qū)域的地質(zhì)分層和層速度信息向復(fù)雜區(qū)域延展(一般地,一個探區(qū)中復(fù)雜區(qū)域占比總是少的)。比較復(fù)雜的區(qū)域采用PSDM+(類)CMP道集,結(jié)合延展過來的信息建立初始速度模型,據(jù)此建立比較合理和精確的初始速度模型。好的初始速度模型才能保證后續(xù)的CIGs道集層析速度反演的迭代收斂性。

原則2:由粗到細的建模原則。大套的層位和層速度可以控制住下一級尺度上地層的速度變化范圍。特別需要注意大尺度速度異常體的幾何形態(tài)描述,譬如火山巖分布區(qū)域、高速礫巖區(qū)域、巖鹽存在的區(qū)域等。

原則3:由淺到深的原則。地震波傳播是由淺到深的,再由深到淺的。速度建模的基本理論要求是針對任一速度單元要求盡可能廣角度且角度均勻地穿透。淺層速度單元的速度不正確會累計影響深層速度單元的速度不正確。由淺入深,且淺層速度單元可靠性權(quán)值大于深層速度單元可靠性權(quán)值是速度建模的合理邏輯。

原則4:多信息約束與融合的原則。僅憑疊前地震數(shù)據(jù)和當前的速度建模技術(shù)不足以獲得滿足成像要求的偏移速度模型,建模問題也是一個藝術(shù)問題,是通過不斷迭代逼近真實地下地質(zhì)認識的過程。僅靠數(shù)學算法是不行的。對于復(fù)雜構(gòu)造區(qū),必須引入先驗信息,才有可能建立較好的深度速度場。地質(zhì)構(gòu)造信息、沉積信息和巖性信息均為速度建模所必需的重要先驗信息。

所有的反問題都是信息不足情形下的最佳決策問題?！半p復(fù)雜”探區(qū)速度模型建立是一個真正意義下的反問題,這與PSDM非常不同,PSDM原則上不是一個真正的反問題。要在“雙復(fù)雜”探區(qū)建立合理的偏移速度模型,必須要引入先驗信息。本文認為合理的地質(zhì)構(gòu)造信息具有首要意義。

“雙復(fù)雜”探區(qū)速度模型建立的本質(zhì)在于技術(shù)人員能做的就是提升自己的綜合能力、提升對問題本質(zhì)的理解、提升對各種速度建模方法技術(shù)的認識,不存在靈丹妙藥。

7 山前帶地震數(shù)據(jù)處理基本觀點

理論上,時間域成像處理的核心技術(shù)—NMO/DMO+疊后時間偏移/疊前時間偏移,均假設(shè)炮檢在一個水平面上,不存在橫向變速。

實際上,地表非水平已經(jīng)破壞了上述理論假設(shè)。而且地表、淺層、中層和深層中的橫向變速是普遍存在的。時間域成像,至少從理論上看不適用于山地地震數(shù)據(jù)處理。

理論上,從真地表面開始,準確的地表、淺層、中層到深層的速度模型結(jié)合準確的疊前深度偏移方法,進行疊前深度偏移成像,應(yīng)該可以完美地解決構(gòu)造成像問題?？上н@僅僅是理論期望而已。

對于山地地震數(shù)據(jù)成像處理而言,深度域成像處理流程是必須的。至少從理論上看,各種關(guān)鍵技術(shù)的基本假設(shè)與復(fù)雜地表和復(fù)雜構(gòu)造情況沒有顯著的矛盾。但是,地表附近的速度模型尤其缺乏合適的疊前地震數(shù)據(jù)用于估計與建模。因此,必須引入小平滑基準面作為速度建模與成像的基準面。利用這個小平滑基準面可以消除高頻及部分中頻道集時差。

如果可能的話,再做一些剩余的高、中頻靜校正處理,譬如初至剩余靜校正和反射波剩余靜校正。事實上,只要這些剩余的高、中頻靜校正量不太影響速度建模,可以將它們留到疊前成像道集中處理后再進一步消除。

預(yù)處理方面,以小平滑基準面為基礎(chǔ)進行高頻靜校正處理,去噪和地表一致性校正也要基于此基準面進行。小平滑基準面的選擇要考慮去噪效果。另外,前已述及,道間時差破壞了線性信號預(yù)測理論假設(shè),并且道間時差的施加與消除是可逆的。因此,可以針對去噪發(fā)展針對性的道間時差消除方法,不必拘泥于用靜校正方法適應(yīng)去噪的要求。地表相關(guān)噪聲的消除比較復(fù)雜,多域、高維去噪是基本的原則,主要根據(jù)噪聲和信號的特征,選擇不同的去噪技術(shù)。

山地勘探炮集中的噪聲特征變化多端,即便是相鄰的單炮道集,噪聲特征變化也很大。無論如何,基本的噪聲特點為:局部線性、強振幅、頻散、低頻、假頻、野值。基于上述特征設(shè)計或選擇濾波器是沒有問題的。但是,噪聲特征與道間時差(的消除)有著緊密的關(guān)系,道間時差消除(或靜校正)與去噪需要迭代進行。

8 山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理流程

盡管從理論上看,時間域處理不適用于山前帶地震數(shù)據(jù)處理,但橫向變速較小的情況下,時間域處理給出的構(gòu)造成像,也包括初始速度模型,可以給深度域成像處理提供借鑒,因此徹底拋棄時間域處理也是不可取的。另一方面,在一個大的探區(qū)中,真正“雙復(fù)雜”的區(qū)域占比不大。

下面給出我們認為合適的山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理流程和方法技術(shù)。我們提出以道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像應(yīng)該在山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理中普及應(yīng)用。

山前帶地震數(shù)據(jù)時間域處理流程和深度域處理流程分別如圖10和圖11所示。

圖10 時間域處理流程示意

圖11 深度域處理流程示意

9 結(jié)論與討論

油氣地震勘探已經(jīng)進入了所謂的復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜儲層和深層目標階段?！皟蓪捯桓摺钡牡卣饠?shù)據(jù)采集已經(jīng)成為了地震數(shù)據(jù)采集的常規(guī)要求。高精度和高保真成像也是必須的。但是,近地表因素導(dǎo)致了勘探地震的復(fù)雜性,近地表因素依然是復(fù)雜地表區(qū)油氣勘探的最大障礙。而且復(fù)雜地表引起了劇變的道間時差和極低的地震數(shù)據(jù)信噪比,哪怕初至波也極有可能被噪聲嚴重干擾。事實上,復(fù)雜地表區(qū)的勘探很特殊,疊前地震數(shù)據(jù)中劇變的道間時差和極低的信噪比使得當前所謂的高精度成像技術(shù)根本不能應(yīng)用于復(fù)雜地表探區(qū)的成像處理。在復(fù)雜地表區(qū),地震波成像的根本邏輯還是要靠來自地下同一反射點的、高覆蓋的觀測子波的同相位疊加。但是,這依賴于寬方位、長偏移距的地震觀測數(shù)據(jù)提供的高精度的(各向異性)速度建模結(jié)果。高精度的速度建模依賴于高信噪比的疊前地震數(shù)據(jù)。遺憾的是,信噪比低(極低)正是復(fù)雜地表地震數(shù)據(jù)的典型特征。這也印證了劇變的道間時差和極低的信噪比是復(fù)雜地表地震勘探的真正障礙。

我國復(fù)雜地表探區(qū)的油氣勘探本質(zhì)上沒有國外經(jīng)驗可供借鑒。西方先進國家很少花大功夫在復(fù)雜地表區(qū)展開油氣勘探,沒有積累出可以讓我們借鑒的經(jīng)驗。我國西部各油氣盆地的山前帶探區(qū)已經(jīng)成為我國油氣資源的戰(zhàn)略接替區(qū)域,取得了不錯的勘探效果。但是,這并不說明我們已經(jīng)完全突破了“雙復(fù)雜”探區(qū)地震勘探的核心技術(shù)問題。

因此,本文從近地表因素引起的道間時差問題分析、與復(fù)雜地表相關(guān)的若干地震數(shù)據(jù)成像處理問題的基本觀點、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的速度建模、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理中的偏移成像、復(fù)雜山地地震數(shù)據(jù)處理的基本原則、山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理流程7個方面完整地分析了山前帶地震數(shù)據(jù)成像處理中存在的問題、山前帶地震數(shù)據(jù)分析的本質(zhì)邏輯,給出了對各種問題的看法以及建議的解決方案等。

我們認為:打開復(fù)雜地表探區(qū)油氣勘探的突破口首先在于提升對近地表地質(zhì)問題的認識。地表高程變化、基巖出露地表的情況、近地表風化層情況、近地表巖性變化情況、地表巖性對激發(fā)和接收的影響等的認識是必須要掌握的信息。野外觀測以及相關(guān)的近地表調(diào)查,都需要充分地關(guān)注上述信息,利用各種各樣的觀測手段盡可能多地獲取關(guān)于近地表地質(zhì)和巖性變化的情況,為后續(xù)的地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理和成像提供盡可能多的近地表結(jié)構(gòu)和速度變化的信息。復(fù)雜山地數(shù)據(jù)處理,不能像海上高品質(zhì)數(shù)據(jù)成像處理那樣依賴FWI這樣的高端成像技術(shù),而是要在地震地質(zhì)認識的指導(dǎo)下,充分地理解復(fù)雜地表探區(qū)的噪聲、道間時差、近地表速度建模、中深層速度建模、同相位疊加偏移成像的本質(zhì),組合出合理、合適、有效的成像處理流程,追求最佳的成像結(jié)果。以道間時差消除為中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理+小平滑基準面+全深度域地震波成像處理流程與“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)合應(yīng)該是山前帶地震勘探的正確技術(shù)方向。

我們認為:將復(fù)雜地表探區(qū)油氣勘探描述成一個信息不足情況下的最佳決策問題是合適的。充分利用各種先驗信息,提升表層、淺層和中深層速度建模的精度,進而提高偏移成像的精度,最終提高油氣勘探的成功率和效益。