沙漠區(qū)基于淺層反射波的雙參數(shù)掃描靜校正方法

崔慶輝,尚新民,趙勝天,劉群強(qiáng),汪 浩,龔 劍

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257000)

沙漠區(qū)地表起伏大,沙丘厚度變化大,地震數(shù)據(jù)的靜校正對成像起著關(guān)鍵作用。目前解決沙漠區(qū)一次靜校正問題的技術(shù)基本分為兩類。一類是基于生產(chǎn)炮中的初至信息反演得到近地表模型,主要有折射波靜校正和層析反演靜校正,該類方法具有較高的橫向建模精度、長波長靜校正效果好、適應(yīng)性廣等優(yōu)勢,成為目前生產(chǎn)中的主流方法。該類方法需要拾取初至波走時,其精度主要取決于初至拾取精度,低信噪比資料和海量數(shù)據(jù)的初至拾取是該方法在生產(chǎn)中應(yīng)用受到限制的主要因素。蔡存軍等[1]利用曲波變換法進(jìn)行去噪后再進(jìn)行初至自動拾取,可提高拾取的精度和效率,但這一類方法對于信噪比的適應(yīng)是有限的,特別是可控震源初至拾取更為復(fù)雜,目前尚未得到完美解決[2]。也有人通過折射波初至反演提升靜校正處理的效率,肖永新等[3]提出了一套針對當(dāng)前海量地震數(shù)據(jù)的技術(shù)策略提高了折射波近地表反演的效率。針對層析反演靜校正的多解性,王孝等[4]、任麗瑩等[5]利用微測井?dāng)?shù)據(jù)對層析反演進(jìn)行約束提高了近地表速度模型的精度,潘奕銘等[6]通過對初至走時和走時偏移距曲線聯(lián)合擬合,反演的穩(wěn)定性和計算精度得到了提高。宋桂橋[7]進(jìn)一步應(yīng)用突破射線高頻限制的菲涅爾體層析反演提高近地表模型反演精度。陳金煥[8]利用Spark并行計算技術(shù)進(jìn)行近地表層析反演,計算效率獲得了明顯的提升。但這類方法在大沙漠、黃土塬等地區(qū)對于長波長靜校正問題的解決有時不太理想[9-11]。

另一類沙漠區(qū)靜校正方法是根據(jù)微測井、小折射等野外近地表調(diào)查結(jié)果進(jìn)行空間插值建立近地表模型,結(jié)合沙丘曲線調(diào)查進(jìn)行靜校正量的計算。此類方法具有效率高和長波長靜校正優(yōu)勢,在準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地沙漠區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。針對沙丘地球物理性質(zhì)變化較大的地區(qū),近年來一些學(xué)者對這一類方法進(jìn)行了發(fā)展,潘樹林等[12]將地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法應(yīng)用于沙丘曲線靜校正,適應(yīng)了沙丘性質(zhì)空間變化較大的地區(qū)。崔慶輝等[13]利用分層處理思路將該方法推廣到山前帶巨厚礫石區(qū),解決近地表縱向存在多層的問題。該類方法的精度取決于野外調(diào)查的精度,同時對于沙丘較厚的地區(qū)需要更深的微測井,造成成本和技術(shù)難度的增加。一些專家和學(xué)者提出了利用生產(chǎn)炮中的淺層反射波反演出高速層界面再結(jié)合沙丘曲線調(diào)查進(jìn)行靜校正的方法,本文中的淺層特指地表到高速層之間的部分。XIA等[14]提出拾取疊加剖面上的淺層反射時間,然后通過時深轉(zhuǎn)換建立近地表厚度模型,但該方法不適用于淺層信噪比較低的情況。于寶華等[15]進(jìn)一步利用淺層反射時間解決高頻靜校正問題。孔凡勇等[16]通過合并面元的方式提高淺層疊加成像的信噪比,同時結(jié)合沙丘曲線計算靜校正量。趙漾等[17]提出在共炮點道集上拾取淺層反射波旅行時,然后通過迭代分解得到炮點和檢波點延遲時,進(jìn)而估算靜校正量。以上方法的共同點為:需要在共炮點道集或疊加剖面上拾取淺層反射波旅行時,且計算過程較為繁瑣,需要較多的人工參與。

我國西部沙漠區(qū)目前基本實現(xiàn)了可控震源采集全覆蓋,而且已經(jīng)進(jìn)入高效、高密度采集,可控震源地震采集具有的海量數(shù)據(jù)、低信噪比特點決定了靜校正技術(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮效果和效率。大沙漠區(qū)沙丘厚度最高可達(dá)200m以上,常規(guī)野外調(diào)查方法難以同時保證效果和經(jīng)濟(jì)性,而沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)的低信噪比導(dǎo)致無論是初至波還是反射波都難以準(zhǔn)確拾取,即使在能自動拾取的情況下也需要大量的人工干預(yù),加上海量的數(shù)據(jù)勢必影響整個處理工作的效率。本文對傳統(tǒng)沙丘曲線靜校正及淺層反射波靜校正方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種新的方法,即在共炮點道集或CMP道集內(nèi),對淺層疊加速度和深度兩個參數(shù)同時進(jìn)行自動掃描,建立淺層模型,再結(jié)合沙丘曲線調(diào)查完成靜校正計算。通過數(shù)值模擬測試了該方法對不同類型近地表、不同信噪比數(shù)據(jù)的近地表反演效果及影響反演結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù),最后通過實際資料的靜校正處理對方法進(jìn)行了驗證。

1 技術(shù)方法

1.1 起伏地表下的淺層反射波時距方程

起伏地表下淺層反射波時距曲線方程為:

(1)

式中:t為地震波從炮點出發(fā)經(jīng)高速層頂反射后被檢波點接收的走時;sx,sy為炮點平面坐標(biāo);rx,ry為檢波點平面坐標(biāo);sz和rz分別為炮點和檢波點高程;sh為炮點處淺層界面高程;v為炮點處淺層反射波疊加速度。該公式對于共檢波點道集和CMP道集均適用。圖1為起伏地表淺層反射示意圖。

圖1 起伏地表淺層反射示意

1.2 深度和速度雙參數(shù)掃描

1.2.1 基本原理

公式(1)中,sx,sy,sz和rx,ry,rz都是已知的,將v和sh作為未知量進(jìn)行反演。在共炮點道集內(nèi)對v和sh進(jìn)行雙參數(shù)掃描,每掃描一次可按照公式(1)計算各道旅行時得到旅行時曲面,沿著旅行時曲面在給定時窗內(nèi)對各道波形進(jìn)行疊加并計算疊加能量。所有掃描完成后取具有最大疊加能量的v和sh作為該炮點反演結(jié)果。該方法借鑒了地震數(shù)據(jù)處理中速度分析原理,不同之處在于該方法可在各種道集內(nèi)進(jìn)行,速度分析一般只在CMP道集內(nèi)進(jìn)行;該方法得到的是疊加速度和深度,速度分析得到的是疊加速度和界面的垂直反射時間;該方法不需要進(jìn)行靜校正,適應(yīng)起伏地表,而速度分析需要先進(jìn)行靜校正。

1.2.2 主要參數(shù)設(shè)置

1) 最大偏移距。進(jìn)行雙參數(shù)掃描時,參與計算的數(shù)據(jù)范圍不易過大,否則會導(dǎo)致淺層反射波受到折射波、直達(dá)波等波場的干擾,影響結(jié)果的可靠性。實際應(yīng)用中應(yīng)通過測試選擇最佳的偏移距范圍。

2) 近地表反演參數(shù)。主要的反演參數(shù)包括v和sh掃描的區(qū)間及掃描步長,如果工區(qū)進(jìn)行了微測井、小折射等野外調(diào)查,可以根據(jù)野外調(diào)查成果設(shè)置合理的區(qū)間,即使沒有野外調(diào)查數(shù)據(jù),也可以給定一個相對寬的區(qū)間范圍,對結(jié)果影響不大。小的掃描步長能夠保證反演的精度,但會增加計算用時,實際使用時可根據(jù)實際情況設(shè)置。對于共炮點道集和共檢波點道集,深度掃描范圍的最小值一般設(shè)為炮點或檢波點地表高程;對于CMP道集,深度掃描范圍的最小值一般設(shè)為CMP處的地表高程。

3) 波形疊加時窗長度。根據(jù)實際單炮中淺層反射波的主頻設(shè)置用于波形疊加的時窗長度,保證一個完整的波形。

1.2.3 預(yù)處理

淺層反射往往與直達(dá)波、折射波、面波、隨機(jī)噪聲、強(qiáng)能量噪聲等相互疊加,進(jìn)而影響了參數(shù)掃描的結(jié)果。為了保證拾取的最大能量來自于淺層反射波,除了合理設(shè)置前述參數(shù)外,還需要針對淺層反射波進(jìn)行保真性疊前去噪處理。在雙參數(shù)掃描中通過波形疊加對隨機(jī)噪聲進(jìn)行了較好的壓制,針對規(guī)則干擾波采用自適應(yīng)相干噪聲壓制技術(shù)、針對“黑三角”強(qiáng)能量噪聲采用串聯(lián)異常振幅壓制技術(shù)可提高淺層反射波的信噪比[18]。同時,如果工區(qū)進(jìn)行了其它近地表調(diào)查,將近地表調(diào)查結(jié)果用于雙參數(shù)掃描中,對v和sh進(jìn)行約束可避免最大能量的誤拾,提高反演可靠性。

1.3 靜校正計算

1.3.1 近地表建模

對所有炮點利用深度和速度雙參數(shù)掃描法反演完成后通過插值即可建立整個工區(qū)的淺層疊加速度模型和深度模型。該方法在實際應(yīng)用中,可根據(jù)近地表復(fù)雜程度決定炮點是否進(jìn)行抽稀處理以提高計算效率。大沙漠區(qū)沙丘厚度大,微測井成本較高,小折射效果較差,從原理上來看,該方法不依賴于近地表調(diào)查結(jié)果,用于大沙漠區(qū)可降低近地表調(diào)查成本。

在近地表結(jié)構(gòu)簡單時,通過雙參數(shù)掃描自動拾取最大疊加能量,一般不需要人工干預(yù)。但在近地表結(jié)構(gòu)變化較為復(fù)雜時,自動拾取有可能出現(xiàn)誤拾,因此需要在建立的初步淺層疊加速度模型和深度模型上進(jìn)行判斷,對于異常的共炮點道集反演結(jié)果,在其對應(yīng)的速度譜上根據(jù)野外調(diào)查成果進(jìn)行人工修正,然后再重新進(jìn)行插值。

此處反演結(jié)果中包括兩種近地表信息即淺層疊加速度和深度,一般用于靜校正的近地表速度是層速度,與淺層疊加速度物理意義不同,而且在后續(xù)的靜校正量計算環(huán)節(jié)中不需要用到淺層疊加速度,只用到反演結(jié)果中的深度,故后文中對淺層疊加速度不做進(jìn)一步討論。

1.3.2 靜校正計算

在準(zhǔn)噶爾盆地大沙漠區(qū),沙丘曲線靜校正以及一些改進(jìn)的沙丘曲線靜校正方法被證明是行之有效的,本文利用淺層深度模型結(jié)合沙丘曲線調(diào)查結(jié)果,按照沙丘曲線靜校正原理計算靜校正量[1],可看做是對傳統(tǒng)沙丘曲線靜校正方法的一種改進(jìn)。

2 模型實驗

基于二維模型正演驗證本文方法對淺層反演的精度,采用二維波動方程正演,地震子波選用主頻60Hz的雷克子波,測試不同模型類型、信噪比、炮檢距范圍等對反演結(jié)果的影響。觀測系統(tǒng)采用中間激發(fā),兩邊接收,炮距為50m,共50炮,100道接收,道距為25m。

2.1 近地表類型的影響

圖2為用于測試的二維模型,分別簡稱為模型1、模型2和模型3。模型1:地表起伏,近地表為均勻介質(zhì),速度為800m/s,底界水平;模型2:地表起伏,近地表為均勻介質(zhì),速度為800m/s,底界起伏;模型3:地表起伏,近地表為連續(xù)介質(zhì),速度在橫向和縱向上均連續(xù)變化,縱向上從340m/s到1200m/s,呈線性變化,底界起伏。

圖2 二維正演模型

圖3為3種模型同一位置炮點正演模擬的共炮點道集,在一定炮檢距范圍內(nèi),淺層反射波與直達(dá)波分離,隨著炮檢距的增加,淺層反射波與直達(dá)波出現(xiàn)混疊,當(dāng)炮檢距繼續(xù)增加到250m附近時,出現(xiàn)來自近地表底界的折射波,波場變得復(fù)雜,因此需要對參與反演的炮檢距范圍進(jìn)行限定。

圖3 3種模型同一位置炮點正演模擬的共炮點道集

具體反演參數(shù)如下:最大炮檢距500m;子波長度為60ms;疊加速度掃描范圍300～1200m/s,掃描間隔為1m/s;深度掃描范圍為炮點之下300m,掃描間隔為1m。圖4為利用本文方法對圖3中的共炮點道集進(jìn)行速度和深度雙參數(shù)掃描得到的疊加能量譜。從能量譜中可以看出,隨著模型復(fù)雜程度增加,能量譜聚焦性逐漸變差,但對于不同的模型,能量譜聚焦性均較好。

圖4 不同模型雙參數(shù)掃描能量譜

取每一炮雙參數(shù)掃描結(jié)果中最大能量對應(yīng)的淺層底界的高程作為淺層底界的反演結(jié)果,圖5為3種模型所有共炮點道集數(shù)據(jù)的反演結(jié)果。從圖5可以看出,近地表底界水平情況下,反演結(jié)果誤差在1m以內(nèi),對靜校正計算的影響可忽略;隨著模型復(fù)雜程度的增加,模型3反演精度稍低于模型2,反演誤差最大值在5m以內(nèi),對靜校正計算的影響較小。

圖5 不同模型共炮點道集數(shù)據(jù)淺層底界深度反演結(jié)果

2.2 信噪比的影響

為了測試本文方法對不同信噪比的適應(yīng)性,對模型3正演共炮點道集中的每一道數(shù)據(jù)按照最大振幅的不同比例混入隨機(jī)噪聲,再用本文方法進(jìn)行反演,圖6為不同信噪比下的單炮雙參數(shù)掃描能量譜。隨著信噪比的降低,能量譜上的背景噪聲也在逐步增加,但本文方法利用多道疊加,能夠有效壓制隨機(jī)噪聲,能量譜仍能保持較好的聚焦。

圖6 模型3不同信噪比正演共炮點道集雙參數(shù)掃描能量譜

圖7為所有炮的自動反演結(jié)果。反演結(jié)果表明,在隨機(jī)噪聲的最大幅值增加到有效信號的1.5倍時,人眼已很難觀察到有效的淺層反射波,但仍能得到較高精度的反演結(jié)果。當(dāng)隨機(jī)噪聲的最大幅值增加到有效信號的2倍時,有效信號已經(jīng)很難識別,雖然雙參數(shù)掃描能量譜仍能聚焦,但自動反演結(jié)果誤差較大,不利于靜校正量的計算。

圖7 模型3不同信噪比所有炮的自動反演結(jié)果

2.3 炮檢距范圍的影響

為了減小直達(dá)波、折射波等的影響,炮檢距范圍是一項重要的參數(shù),圖8為模型3正演共炮點道集中選取不同偏移距范圍的道進(jìn)行雙參數(shù)掃描得到的能量譜。根據(jù)淺層深度反演結(jié)果(圖9),最大炮檢距宜選擇在350～650m。炮檢距范圍過小,導(dǎo)致能量譜聚焦性變差;炮檢距范圍過大,增加波場復(fù)雜性,易出現(xiàn)誤拾。實際應(yīng)用中應(yīng)首先分析淺層反射波的優(yōu)勢炮檢距范圍,選擇淺層反射波信噪比較高同時又能保證足夠的道數(shù)參與疊加的炮檢距范圍,經(jīng)過試驗確定最佳炮檢距范圍。

圖8 模型3不同炮檢距范圍正演共炮點道集雙參數(shù)掃描能量譜

圖9 模型3不同炮檢距范圍淺層深度反演結(jié)果

3 實際資料應(yīng)用

將本文方法應(yīng)用于準(zhǔn)噶爾盆地C1J三維地震工區(qū)的地震數(shù)據(jù)處理,首先基于共炮點道集進(jìn)行高速層頂界面的反演,然后利用沙丘曲線靜校正原理計算靜校正量。該工區(qū)地表為高大沙丘,沙丘厚度范圍為10～160m,沙丘高度起伏劇烈。本次采集的觀測系統(tǒng)參數(shù)見表1。該區(qū)單炮淺層反射波信噪比極低,初至難以拾取(圖10),目前的淺層反射波靜校正方法無法應(yīng)用。單炮上初至波信噪比也較低,特別是近偏移距受震源影響較為嚴(yán)重,不易拾取,加之全區(qū)數(shù)據(jù)量巨大(近200TB),常規(guī)基于初至波的靜校正方法效率較低而無法滿足高效處理要求。

表1 C1J工區(qū)三維地震觀測系統(tǒng)參數(shù)

圖10 C1J工區(qū)典型單炮記錄

3.1 反演參數(shù)試驗

參與反演的炮檢距范圍是影響反演結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù),而沙丘厚度是影響炮檢距范圍選擇的最重要因素。由于沙漠區(qū)沙丘厚度變化較大,為了保證選擇的炮檢距范圍能適用于全工區(qū),需要進(jìn)行炮檢距范圍選取試驗。選取一條試驗線,該試驗線貫穿工區(qū)南北,地表高程為310～420m,將不同炮檢距范圍反演結(jié)果與微測井結(jié)果進(jìn)行對比,選擇最佳的炮檢距范圍,試驗中選取的其它參數(shù)如表2所示。

表2 炮檢距范圍試驗選取的參數(shù)

圖11為根據(jù)不同炮檢距范圍反演結(jié)果建立的高速層界面,將該試驗線上3口微測井測量得到的高速層界面位置投影到反演結(jié)果上,表3為反演結(jié)果誤差統(tǒng)計。

表3 不同炮檢距范圍反演誤差統(tǒng)計

圖11 根據(jù)不同炮檢距范圍反演結(jié)果建立的高速層界面

對反演結(jié)果進(jìn)一步分析,選取與微測井位置重合的單炮,分析其雙參數(shù)掃描能量譜,結(jié)果表明,不同沙丘厚度位置的單炮,0～150m炮檢距范圍的淺層反射波信息過少,能量譜聚焦均最差,干擾波影響嚴(yán)重(圖12),誤差過大(表3);沙丘厚度較大位置的單炮(厚度大于60m),0～450m炮檢距范圍的能量譜聚焦性最好,但0～450m炮檢距和0～300m炮檢距反演誤差相差并不大(表3);沙丘厚度較小的位置(厚度小于60m),0～450m炮檢距范圍的能量譜受折射波影響嚴(yán)重,存在誤拾情況,導(dǎo)致誤差過大,0～300m炮檢距范圍則可避免這種情況。因此,具體應(yīng)用時應(yīng)該根據(jù)實際地震資料試驗結(jié)果確定最佳的炮檢距范圍。

3.2 其它反演約束方法

考慮到更復(fù)雜的情況,僅僅通過設(shè)置炮檢距范圍可能無法完全避免最大能量的誤拾,因此需要將一些先驗信息用于反演過程的約束。沙漠區(qū)垂直時間和沙丘厚度之間的關(guān)系可用沙丘曲線表示,對沙丘曲線求導(dǎo)可得到沙丘平均速度和厚度的關(guān)系式,以該式為中心,上下開一個窗口,在該窗口內(nèi)進(jìn)行最大能量拾取。另外也可對已有的微測井調(diào)查結(jié)果插值建立三維高速頂界面,以該界面為約束進(jìn)行最大能量自動拾取。當(dāng)然也可將以上所有方法聯(lián)合起來進(jìn)行約束,避免最大能量誤拾,在必要的時候還需要人工校正。

3.3 反演結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果,炮檢距范圍選擇在0～300m能夠保證整體反演結(jié)果的可靠性。單點建模精度已經(jīng)通過前面分析進(jìn)行了驗證,全工區(qū)建模的效果需要進(jìn)一步驗證。全工區(qū)所有單炮反演完成后,通過插值建立工區(qū)高速頂界面模型進(jìn)而得到沙丘厚度模型(圖13a),與常規(guī)基于近地表調(diào)查的建模結(jié)果進(jìn)行了對比。由于該區(qū)沙丘厚度較大,微測井成本較高,在全區(qū)只進(jìn)行了9口超深微測井調(diào)查,主要以小折射為主,小折射調(diào)查點密度橫向間隔2km,縱向間隔4km,根據(jù)所有微測井和小折射調(diào)查結(jié)果,通過插值建立工區(qū)沙丘厚度模型(圖13b)。兩種方法沙丘厚度建模結(jié)果總體趨勢一致,但局部存在明顯差異(圖13圓形框內(nèi)),通過最終靜校正效果對兩種建模結(jié)果進(jìn)行驗證。

圖13 不同建模方法得到的沙丘厚度模型

3.4 靜校正效果

基于圖13反演的兩套沙丘厚度模型,利用同樣的沙丘曲線和靜校正參數(shù)按照沙丘曲線靜校正原理計算靜校正量,按照同樣的處理流程應(yīng)用靜校正量后進(jìn)行疊加,選取過圖13中差異較大區(qū)域(圖13紅圈)的一條縱線進(jìn)行對比(圖14)。在差異較大區(qū)域,常規(guī)沙丘曲線靜校正疊加剖面同相軸存在明顯的下拉(圖14a),本文方法同相軸形態(tài)更加自然,與本工區(qū)地質(zhì)認(rèn)識一致,證明本文方法在長波長靜校正上更有優(yōu)勢。同時,對本文方法的計算效率進(jìn)行了統(tǒng)計,全區(qū)共約37×104炮,按照炮線距對炮點進(jìn)行抽稀后約5×104炮,反演用時共約170min,計算效率能夠滿足當(dāng)前可控震源海量數(shù)據(jù)的高效處理。

圖14 不同靜校正方法疊加剖面

4 結(jié)論

本文針對沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)的靜校正處理,提出了一種新的基于淺層反射波的近地表結(jié)構(gòu)反演及靜校正量計算的方法,通過模型和實際數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了驗證,得出以下結(jié)論和認(rèn)識。

1) 與現(xiàn)有類似的靜校正方法相比,本文提出的淺層反射波靜校正方法既不需要大量的野外近地表調(diào)查也不需要進(jìn)行初至波或反射波走時的拾取,自動化程度高,能適應(yīng)低信噪比資料,并且具有明顯的效率優(yōu)勢,對于可控震源高密度地震數(shù)據(jù)的靜校正處理具有較高的實用價值。

2) 本文提出的靜校正方法主要針對沙漠區(qū)近地表類型,在沙漠區(qū)具有較好的應(yīng)用前景,但對于沙丘厚度較小的地區(qū),由于淺層有效反射信息少,信噪比低,疊加能量聚焦性差,該方法需要謹(jǐn)慎使用。另外,對于黃土塬、巨厚礫石區(qū)等近地表類型是否適用需要開展進(jìn)一步的模型數(shù)據(jù)和實際資料的驗證。

3) 為了進(jìn)一步提高反演結(jié)果的精度,通過開展針對淺層反射波的去噪技術(shù)研究以進(jìn)一步提高淺層反射波的信噪比,可增加反射波能量掃描的聚焦性;研究實現(xiàn)自適應(yīng)選取用于反演的最佳炮檢距范圍以適應(yīng)不同沙丘厚度,可進(jìn)一步減小其它波場的干擾。