李 源,劉 偉,劉 微,王 敏,秦 龍

(1.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心,四川成都610213;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610500;3.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川中油氣礦勘探開發(fā)研究所,四川遂寧629000;4.北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司,四川成都610041)

各向異性全速度建模技術(shù)在山地地震成像中的應(yīng)用

李 源1,2,劉 偉2,劉 微3,王 敏4,秦 龍2

(1.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心,四川成都610213;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610500;3.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川中油氣礦勘探開發(fā)研究所,四川遂寧629000;4.北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司,四川成都610041)

針對我國南方山地探區(qū)復(fù)雜地表和復(fù)雜地下構(gòu)造導(dǎo)致常規(guī)各向同性疊前深度偏移難以準(zhǔn)確成像問題,研究了基于TTI各向異性的全速度建模技術(shù),建立了一套起伏地表條件下各向異性全速度建模的技術(shù)思路和實現(xiàn)流程。首先采用井約束初至層析反演方法建立準(zhǔn)確的起伏地表速度模型,將其與常規(guī)處理獲得的中深層速度模型進(jìn)行匹配拼接,建立起初始的各向同性起伏地表全速度模型;然后通過井震聯(lián)合的方法獲取各向異性參數(shù),將其加入到各向同性起伏地表全速度模型中,結(jié)合傾角和方位角數(shù)據(jù),實現(xiàn)TTI各向異性起伏地表全速度建模。四川盆地DXC工區(qū)地震資料的成像處理驗證了各向異性全速度建模技術(shù)的有效性;基于TTI各向異性全速度模型的起伏地表Kirchhoff疊前深度偏移結(jié)果有效地消除了起伏地表的影響,同時降低了復(fù)雜構(gòu)造與速度各向異性對地震成像的影響,使得地下構(gòu)造成像更合理也更精確。

起伏地表;復(fù)雜構(gòu)造;TTI介質(zhì);全速度建模;疊前深度偏移

我國南方山地探區(qū)的地表起伏大、速度橫向變化劇烈,導(dǎo)致近地表速度建模困難;而且其地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各向異性問題嚴(yán)重,導(dǎo)致常規(guī)的各向同性疊前深度偏移難以準(zhǔn)確成像。目前,起伏地表疊前深度偏移是這種“雙復(fù)雜”探區(qū)地震成像的最有效手段[1]。但是,復(fù)雜地表條件下的復(fù)雜構(gòu)造準(zhǔn)確成像面臨的問題并非只是偏移算法本身,其核心問題是速度模型的準(zhǔn)確性問題[2]。疊前深度偏移只有在輸入精確的速度模型的前提下才能獲得理想的成像結(jié)果。所以建立精確的速度模型至關(guān)重要。

大量研究表明,對存在各向異性的地下介質(zhì)使用傳統(tǒng)的地震成像處理方法會出現(xiàn)偏移假象,成像精度難以保證。Meadows等[3-4]實現(xiàn)了橢圓各向異性介質(zhì)的頻率-波數(shù)域偏移和相移法偏移。后來,Arcangelo等[5]、Hokstad等[6]和Alkhalifah[7]又實現(xiàn)了Kirchhoff積分法、高斯束深度偏移對各向異性介質(zhì)的地震成像。滕吉文等[8]和張秉銘等[9]研究了各向異性介質(zhì)的有限差分偏移,張秉銘等[10]實現(xiàn)了各向異性介質(zhì)中的彈性波多分量聯(lián)合逆時深度偏移。劉禮農(nóng)等[11]研究了三維垂直橫向各向同性(VTI)介質(zhì)深度偏移?；陔p程波動方程的逆時偏移能夠適應(yīng)速度任意變化,具有無傾角限制、偏移精度高等優(yōu)點(diǎn),比單程波動方程偏移和克?；舴蚍e分偏移更適合于復(fù)雜構(gòu)造的地震成像。Alkhalifah[12]以橫波速度等于零為假設(shè)條件,通過引入動校正速度和各向異性參數(shù)η推導(dǎo)出了VTI介質(zhì)中的雙程準(zhǔn)P波方程,為利用縱波資料進(jìn)行各向異性逆時偏移提供了理論基礎(chǔ)。張美根等[13]研究了各向異性彈性波的有限元逆時偏移算法及人工吸收邊界條件等問題,通過模型試算驗證了算法的有效性和準(zhǔn)確性,證實了傳統(tǒng)各向同性偏移算法已不能較好地適應(yīng)當(dāng)今高精度勘探的要求。韓令賀等[14]根據(jù)VTI介質(zhì)中的一階準(zhǔn)P波方程,實現(xiàn)了VTI介質(zhì)中準(zhǔn)P波疊前逆時深度偏移。王錫文等[15]將逆時偏移技術(shù)應(yīng)用于具有復(fù)雜地表特征的陜北地區(qū),采用高階有限差分實現(xiàn)了基于起伏地表的疊前逆時偏移。李博等[16]通過加入橫波分量有效地解決了傾斜橫向各向同性(TTI)介質(zhì)中基于準(zhǔn)P波方程逆時偏移穩(wěn)定性差的問題,實現(xiàn)了TTI介質(zhì)中的逆時偏移。對于理論模型,上述方法都能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的地震偏移成像,這是因為理論模型的速度場和各向異性參數(shù)場都比較準(zhǔn)確,但是在實際生產(chǎn)中想要準(zhǔn)確地求取這些信息十分困難,這是各向異性介質(zhì)成像的又一個難點(diǎn)。

直接從起伏地表進(jìn)行疊前偏移可以在“雙復(fù)雜”探區(qū)獲得比較精確的地震成像。該技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期,Rajasekaran等[17]利用初至層析成像估算近地表速度,采用相干反演、聚焦分析和反射層析等手段建立深層速度模型,應(yīng)用雙程波有限差分逆時偏移方法實現(xiàn)起伏地表的偏移成像。劉少勇等[18]研究了克希霍夫疊前深度偏移方法在起伏地表的應(yīng)用,并提出了相應(yīng)的處理流程。楊勤勇等[19]討論了全速度模型建立技術(shù),即淺層、中深層速度融合技術(shù),給出了起伏地表條件下綜合建立各向同性全速度模型的實現(xiàn)流程,并實現(xiàn)了起伏地表的疊前深度偏移。

我國南方山地探區(qū)地表起伏大,既有高速巖層直接出露地表,也有低速疏松的堆積物覆蓋于地表,速度橫向變化劇烈導(dǎo)致近地表模型建立困難。與此同時,山地地區(qū)的地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各向異性問題嚴(yán)重,復(fù)雜構(gòu)造難以準(zhǔn)確成像。本文針對山地地震成像的難點(diǎn),在文獻(xiàn)[19]給出的各向同性全速度建模技術(shù)的基礎(chǔ)上,討論了基于各向異性的全速度模型建立技術(shù),建立了一套起伏地表條件下各向異性全速度建模的技術(shù)思路和實現(xiàn)流程。通過四川盆地DXC工區(qū)地震資料基于TTI各向異性速度模型的起伏地表Kirchhoff疊前深度偏移成像處理,驗證了各向異性全速度建模技術(shù)的有效性。

1 基本原理

起伏地表各向異性全速度模型的建立主要包括兩部分:第一部分是建立起伏地表各向同性速度模型,第二部分是求取各向異性參數(shù),建立各向異性速度模型。為了建立精確的近地表速度模型,采用了井約束的基于大炮初至的層析反演技術(shù);為了獲取各向異性參數(shù),采用了各向異性速度分析和井資料聯(lián)合的方法。下面詳細(xì)介紹約束層析反演與各向異性速度分析的基本原理,以及建立各向異性全速度模型的技術(shù)流程。

1.1 約束層析反演基本原理

近地表速度調(diào)查的微測井方法不受地形起伏影響,表層結(jié)構(gòu)不限于層狀介質(zhì),能適應(yīng)表層速度反轉(zhuǎn)的情況;但是其探測深度有限,在巨厚低速層地區(qū),微測井很難到達(dá)高速層的頂界面。相反,大炮初至由于觀測排列長度大,可以得到較深的探測深度,兩種數(shù)據(jù)之間可以互補(bǔ)[20]。因此,本文利用微測井約束的初至波層析反演建立精確的近地表速度模型。

在旅行時層析反演中,觀測數(shù)據(jù)的旅行時與參考速度模型的旅行時之差可以通過慢度差沿著射線路徑的線性積分得到[21-22],即:

(1)

式中:ΔT為旅行時殘差向量;dl為沿著射線路徑L的射線微分長度;ΔS為參考速度模型與真實模型的慢度差向量(慢度修正量)。采用矩形網(wǎng)格離散化,并設(shè)網(wǎng)格速度單元個數(shù)為N,射線數(shù)為M,可以得到如下的層析反演公式[22]:

(2)

式中:A是靈敏度矩陣。引入K個約束條件后,即方程(2)的N個速度單元中有K個已知,可建立起K維約束方程組[18,22],即:

(3)

其中，C為已知的K個約束條件的Jacobi矩陣,有：

(4)

(5)

式中:si為第i個網(wǎng)格單元的上一次迭代層析反演得到的慢度值。聯(lián)合旅行時方程(2)式和約束方程(3)式可建立方程組[21,23],即:

(6)

其中:

(7)

式中:λ為約束系數(shù);B是(M+K)×N維矩陣。

從目標(biāo)函數(shù)中可以看出,λ=0,相當(dāng)于沒有約束;λ越大,相當(dāng)于約束方程在目標(biāo)函數(shù)中所占權(quán)重越大,約束越強(qiáng)。方程組(6)的拉格朗日最優(yōu)約束的目標(biāo)函數(shù)可表示為[21,23]：

(8)

1.2 各向異性速度分析基本原理

1.2.1 各向異性參數(shù)定義

廣義虎克定律表明,各應(yīng)變分量可以通過彈性系數(shù)矩陣表示為應(yīng)力分量的線性組合形式[24]。VTI介質(zhì)中的彈性系數(shù)矩陣可表示為:

(9)

彈性系數(shù)矩陣雖然能夠表征彈性介質(zhì)的應(yīng)變張量與應(yīng)力張量的關(guān)系,但是它的物理意義并不直觀,不方便使用[25]。為了更加清晰直觀地描述地震波傳播過程中各向異性的影響,Thomsen[26]巧妙地定義了VTI介質(zhì)的5個各向異性表征參數(shù),使得地震數(shù)據(jù)與VTI介質(zhì)參數(shù)之間有了比較明確的關(guān)系和清晰的物理意義。5個參數(shù)定義如下:

(10)

式中:ρ為介質(zhì)的密度；vP和vS分別為介質(zhì)中qP波和qS波的垂直方向傳播速度；ε,δ和γ為VTI介質(zhì)的各向異性參數(shù)。介質(zhì)的縱波各向異性參數(shù)ε越大,縱波各向異性越強(qiáng);介質(zhì)的橫波各向異性參數(shù)γ越大,橫波各向異性越強(qiáng);δ為變異系數(shù)。

當(dāng)?shù)貙佑捎跇?gòu)造運(yùn)動發(fā)生褶皺時,橫向各向同性介質(zhì)(TI介質(zhì))的對稱軸不再是垂直的或水平的,而是與觀測坐標(biāo)系存在一定夾角,此時就形成了TTI介質(zhì);VTI介質(zhì)只是對稱軸與觀測坐標(biāo)的夾角為90°時的TI介質(zhì)。因此,我們可以引入平面波傳播的極化角θ,平面波傳播的方位角φ,通過旋轉(zhuǎn)VTI介質(zhì)彈性系數(shù)矩陣來獲得TTI介質(zhì)的彈性系數(shù)。

1.2.2 各向異性參數(shù)求取

對于各向異性介質(zhì),特別是在大偏移距道集上,常規(guī)的雙曲線動校正方法得不到準(zhǔn)確的校正結(jié)果。為此Alkhalifah等[27]提出了任意各向異性情況下的非雙曲線時差方程:

(11)

式中:η為等效各向異性參數(shù),表征時差曲線的非雙曲程度;vNMO為各向同性速度,即近偏移距動校正速度。參數(shù)η和vNMO都可以表示為VTI介質(zhì)的地層參數(shù)(垂直速度vp0,Thomsen參數(shù)ε,δ)的函數(shù),即:

(12)

(13)

從以上公式可以知道,對地震資料利用式(11)進(jìn)行速度分析,只能夠獲得vNMO和η兩個參數(shù),聯(lián)合(12)式和(13)式也無法直接計算出vp0和ε，δ三個地層參數(shù)。通過理論分析和處理試驗,本文采用了井-震聯(lián)合求取各向異性參數(shù)的方法,具體實現(xiàn)步驟如下。

1) 利用近偏移距道集數(shù)據(jù),用常規(guī)速度分析方法得到各向同性速度vNMO。

2) 利用常規(guī)偏移剖面層位解釋得到各標(biāo)準(zhǔn)層的深度,聯(lián)合測井分層數(shù)據(jù)根據(jù)下式求取對應(yīng)層位的δ值。

(14)

3) 利用遠(yuǎn)偏移距道集數(shù)據(jù)和獲得的δ,根據(jù)(11)式和(13)式進(jìn)行各向異性速度分析,以同相軸拉平為標(biāo)準(zhǔn)獲得ε。

1.3 各向異性全速度建模流程

實際處理中的起伏地表TTI各向異性全速度建模的具體實現(xiàn)流程(圖1)如下。

1) 利用微測井約束的網(wǎng)格層析反演建立起伏地表初始速度模型。

2) 在基于浮動面疊前時間偏移的基礎(chǔ)上,獲取較精確的時間域均方根速度模型;并通過Dix公式將時間域速度模型轉(zhuǎn)換為深度域?qū)铀俣饶Ｐ?利用工區(qū)鉆、測井資料對層速度進(jìn)行編輯、平滑等處理獲得具有空間分布規(guī)律且收斂的中深層初始層速度模型。

3) 對層析反演得到的近地表初始速度模型與中深層初始層速度模型進(jìn)行拼接,把近地表模型的倒數(shù)第二層作為拼接面,上下移動拼接面來確定一個拼接的時窗,在匹配拼接的時候?qū)r窗內(nèi)的速度進(jìn)行平滑、插值處理,以保持速度的低頻背景和消除速度突變,最終建立起初始起伏地表各向同性全速度模型。

圖1 起伏地表TTI介質(zhì)全速度建模與疊前深度偏移處理流程

4) 基于初始全速度模型進(jìn)行起伏地表疊前深度偏移,自動拾取共成像點(diǎn)(CIP)道集上的剩余時差進(jìn)行網(wǎng)格層析反演以更新速度模型,最終獲得較理想的起伏地表各向同性全速度模型。

5) 通過偏移地震數(shù)據(jù)提取方位角和傾角數(shù)據(jù),結(jié)合通過各向異性速度分析求取的各向異性參數(shù)(δ,ε)模型,在起伏地表各向同性全速度模型的基礎(chǔ)上建立初始TTI各向異性全速度模型。

6) 基于初始各向異性全速度模型進(jìn)行起伏地表疊前深度偏移,同樣采用網(wǎng)格層析反演的方法多次迭代更新速度模型,最后得到準(zhǔn)確合理的起伏地表疊前深度偏移速度模型。

2 偏移效果分析

2.1 工區(qū)概況

DXC工區(qū)位于四川盆地內(nèi),屬于山地-丘陵地貌。工區(qū)內(nèi)地形起伏較大,山地地勢陡峭,相對高差大(最高海拔1200m,最低海拔430m)。工區(qū)的主要構(gòu)造為DXC潛伏構(gòu)造,構(gòu)造走向呈北東向,斷層較為發(fā)育,多為傾軸逆斷層,構(gòu)造成像受斷層影響較大。由于工區(qū)具有復(fù)雜的地表、地下地質(zhì)條件和嚴(yán)重的各向異性問題,各向同性疊前深度偏移無法得到準(zhǔn)確的成像結(jié)果。采用本文提出的基于各向異性全速度建模技術(shù)的疊前深度偏移方法取得了理想的效果。

我們抽取了該工區(qū)內(nèi)的一條二維測線資料來進(jìn)行處理試驗。圖2a和圖2b分別給出了目標(biāo)測線井約束層析反演建立的起伏地表速度模型和常規(guī)處理得到初始各向同性中深層速度模型。采用本文提出的起伏地表TTI各向異性全速度建模思路建立了較精確的各向同性疊前深度偏移速度模型(圖3a)和各向異性疊前深度偏移速度模型(圖3b)。

圖2 起伏地表速度模型(a)和中深層初始速度模型(b)

圖3 起伏地表疊前深度偏移速度模型

2.2 偏移成果對比分析

圖4為一個井旁的CIP道集,圖中綠色橫實線和淡藍(lán)色橫實線分別代表標(biāo)準(zhǔn)層(須家河組底和陽新統(tǒng)頂)在此井中的鉆遇深度,綠色和淡藍(lán)色虛線上方相鄰的波峰同相軸分別是須家河底面和陽新統(tǒng)頂面的反射。在基于起伏地表各向同性速度模型的CIP道集(圖4a)中,遠(yuǎn)偏移距同相軸受各向異性的影響發(fā)生了上翹,且兩個標(biāo)準(zhǔn)層的成像深度和鉆井深度誤差較大;而基于起伏地表各向異性速度模型的CIP道集(圖4b)中不僅消除了遠(yuǎn)偏移距同相軸上翹的現(xiàn)象,而且提高了成像精度(標(biāo)準(zhǔn)層的成像深度與鉆井深度吻合),且道集的信噪比也得到了提高。

圖5a是基于各向同性起伏地表速度模型的疊前深度偏移剖面,圖5b和圖5c分別是基于初始各向異性起伏地表速度模型和基于迭代更新后的各向異性起伏地表速度模型的疊前深度偏移剖面。圖中紅色虛線代表鉆井位置,綠色和淡藍(lán)色橫線的意義與圖4中的一致,黃色短線分別指示兩個標(biāo)準(zhǔn)層的成像位置。

圖4 起伏地表疊前深度偏移共成像點(diǎn)道集

圖5 基于不同速度模型的起伏地表Kirchhoff疊前深度偏移剖面

對比圖5中基于3種不同速度模型的起伏地表疊前深度偏移結(jié)果可見,雖然圖5a所示各向同性起伏地表疊前深度偏移結(jié)果已經(jīng)基本消除了起伏地表對成像質(zhì)量的影響,但是由于復(fù)雜構(gòu)造和各向異性的存在,偏移結(jié)果中的兩個標(biāo)準(zhǔn)層(須家河底和陽新統(tǒng)頂)的成像深度與鉆井揭示的誤差仍然比較大,誤差深度分別為132m和148m。而圖5b 所示的初始TTI各向異性起伏地表疊前深度偏移的資料信噪比和成像質(zhì)量均好于各向同性疊前深度偏移,由復(fù)雜各向異性導(dǎo)致的兩個標(biāo)準(zhǔn)層成像深度誤差有所降低。經(jīng)過多次疊前深度偏移和網(wǎng)格層析反演迭代更新速度模型后,得到圖5c所示的最終TTI各向異性疊前深度偏移結(jié)果,可見偏移剖面中目的層的成像深度與鉆井深度更吻合(誤差系數(shù)均小于1%),構(gòu)造形態(tài)更合理;斷層反射可靠,斷面接觸關(guān)系清晰。表1給出了在3種不同速度模型偏移結(jié)果中標(biāo)準(zhǔn)層的成像深度與鉆井深度誤差統(tǒng)計結(jié)果。

表1 不同速度模型的疊前深度偏移成像誤差統(tǒng)計

3 結(jié)束語

各向異性全速度建模技術(shù)綜合多種信息建立準(zhǔn)確的起伏地表各向異性疊前深度偏移速度模型,為復(fù)雜山地探區(qū)高精度地震成像提供了保障。井約束初至波層析反演方法綜合利用微測井和大炮初至的優(yōu)勢建立精確的起伏地表近地表速度模型,是全速度建模技術(shù)的基礎(chǔ)。以近地表模型的倒數(shù)第二層作為拼接面,通過插值、平滑等處理消除拼接時窗內(nèi)的速度突變,實現(xiàn)了近地表速度模型與中深層速度模型的匹配拼接,建立起起伏地表各向同性全速度模型。在各向同性全速度建模的基礎(chǔ)上,通過井-震聯(lián)合的方法獲取各向異性參數(shù),聯(lián)合傾角和方位角信息建立了初始TTI各向異性全速度模型。采用起伏地表克希霍夫疊前深度偏移進(jìn)行偏移成像時,自動拾取CIP道集中的剩余時差,利用網(wǎng)格層析反演實現(xiàn)各向異性速度模型的更新,多次迭代后獲得了比較理想的成像結(jié)果。四川盆地DXC工區(qū)的應(yīng)用結(jié)果驗證了各向異性全速度建模技術(shù)的有效性;與各向同性起伏地表疊前深度偏移結(jié)果相比,基于TTI各向異性起伏地表速度模型的疊前深度偏移結(jié)果很好地消除了復(fù)雜構(gòu)造與各向異性的影響,偏移結(jié)果與鉆井資料更加吻合,構(gòu)造形態(tài)合理,斷層反射可靠,斷點(diǎn)接觸關(guān)系清晰。

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(編輯：朱文杰)

Application of anisotropic full velocity modeling in the mountainous seismic imaging

Li Yuan1,2,Liu Wei2,Liu Wei3,Wang Min4,Qin Long2

(1.GeophysicalExplorationResearchCenter,CNPCChuanqingDrillingEngineeringCompanyLimitedGeophysicalProspectingCompany,Chengdu610213,China;2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;3.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofCentralSichuanGasMine,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Suining629000,China;4.CNPCRichfitInformationTechnologyCo.,Ltd,Chengdu610041,China)

The complex surface and the complex underground structure lead to inaccurate image from the conventional isotropic pre-stack depth migration in the mountainous area of southern China.Aiming at the problem,a full velocity modeling technology based on TTI anisotropy was studied,a series of technical ideas and workflow of anisotropy full velocity modeling from rugged topography was established.Firstly an accurate irregular surface velocity model was built by the well-constrained first arrival tomographic inversion method.Secondly,an initial irregular surface isotropic full velocity model was built by matching and stitching the near surface model and the mid-depth velocity model was obtained by conventional data processing.Then the anisotropy parameters was obtained through borehole-seismic joint method.Finally,the TTI anisotropic irregular surface full velocity modeling was accomplished by integrating the dip,azimuth and anisotropy parameters into the existing initial irregular surface isotropic full velocity model.Apply the velocity modeling technology to the seismic image of DXC survey in the Sichuan Basin.The processing results show that anisotropic full velocity modeling can achieve available full velocity modeling in the mountainous area; TTI anisotropy velocity model based Kirchhoff pre-stack depth migration from rugged surface can eliminate the influenc of rugged topography and reduce the impact of complex structure and velocity anisotropy on the seismic imaging.

rugged topography,complex geologic structure,TTI media,full velocity modeling,pre-stack depth migration

2014-07-25;改回日期：2014-09-28。

李源(1987—),男,助理工程師,主要從事地震資料處理疊前偏移成像的工作。

國家自然科學(xué)基金項目(41304115,41204101)資助。

P631

A

1000-1441(2015)02-0157-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.006