陳可洋

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

在現(xiàn)行地震成像技術(shù)系列中，逆時(shí)成像技術(shù)是理論較為成熟、成像最為精確的技術(shù)之一。與克希霍夫疊前深度成像技術(shù)相比，逆時(shí)成像技術(shù)具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)[1]：1）對地震波動方程的近似最少；2）能夠解決多值走時(shí)問題；3）實(shí)現(xiàn)多次波、回轉(zhuǎn)反射波等通常認(rèn)為是干擾波類型波場的準(zhǔn)確成像。然而，逆時(shí)偏移技術(shù)具有計(jì)算量龐大、存儲量巨大的兩大技術(shù)瓶頸問題，這是該技術(shù)自上世紀(jì)80年代提出以來沒能得到充分重視和廣泛應(yīng)用的主要原因[2]。但隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是基于高性能的CPU/GPU協(xié)同并行計(jì)算技術(shù)和大容量磁盤的并行快速存儲技術(shù)的出現(xiàn)[3]，較大程度地緩解了逆時(shí)偏移技術(shù)的這兩大技術(shù)瓶頸問題，從而改善了逆時(shí)偏移技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀。雖然克?；舴蚍e分法疊前深度偏移方法仍是當(dāng)前工業(yè)界主流的地震成像方法，但是目前正逐漸被高精度全波場逆時(shí)偏移技術(shù)所代替。

目前，逆時(shí)成像技術(shù)的相關(guān)理論已非常完備，其實(shí)現(xiàn)步驟包含了兩次地震波正演數(shù)值模擬計(jì)算，因此，該技術(shù)能夠完全借鑒地震波正演數(shù)值模擬技術(shù)的相關(guān)分析理論和數(shù)值計(jì)算方法[4-7]，例如高階有限差分法、有限元法、完全匹配層吸收邊界條件、穩(wěn)定性條件等等；形成多種類型的地震波逆時(shí)成像條件[8-12]，例如常規(guī)相關(guān)法逆時(shí)成像條件、基于波印廷矢量的逆時(shí)成像條件、時(shí)限時(shí)移相關(guān)法逆時(shí)成像條件等；可以構(gòu)建分方位共成像點(diǎn)道集和共反射角度道集等等[13]；同時(shí)還有針對逆時(shí)偏移的其他配套方法[14-15]，例如拉普拉斯濾波方法、擴(kuò)散濾波方法來進(jìn)一步壓制低頻逆時(shí)背景噪聲，并提高計(jì)算結(jié)果的信噪比等。綜上這些理論方法的研究在一定程度上保證了逆時(shí)成像技術(shù)的實(shí)用化要求，因此，逆時(shí)成像技術(shù)能夠在墨西哥灣、北海等地區(qū)的鹽下和巖丘側(cè)翼成像方面取得重大突破[16-17]。

在理論上，逆時(shí)成像技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)如偏移網(wǎng)格、偏移頻率、偏移步長等必須滿足數(shù)值頻散關(guān)系，才能保證逆時(shí)偏移結(jié)果的精確性[18-20]。然而，這種數(shù)值頻散關(guān)系的約束結(jié)合地震野外采集參數(shù)使得實(shí)際地震資料逆時(shí)偏移結(jié)果的頻率偏低，難以滿足實(shí)際地質(zhì)目標(biāo)精細(xì)刻畫的要求。為此，筆者采用逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)和國際標(biāo)準(zhǔn)的TTI介質(zhì)模型，進(jìn)行了影響地震波數(shù)值頻散關(guān)系的關(guān)鍵偏移參數(shù)研究，并在松遼盆地PN地區(qū)，對陸地地震資料開展了高精度疊前逆時(shí)成像處理的探索應(yīng)用研究，這為松遼盆地陸地地震資料高精度逆時(shí)偏移和精細(xì)目標(biāo)刻畫提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)。

1 脈沖響應(yīng)分析

筆者以2D零偏移距逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)為例，層狀介質(zhì)模型總大小為10 km×8 km，第一層的介質(zhì)速度為2 000 m/s，其它地層的介質(zhì)速度從淺部到深部以500 m/s遞增（圖1a），第九層的介質(zhì)速度為6 000 m/s。模型的地表中部作為零偏移距脈沖響應(yīng)的震源位置，同時(shí)該位置布置一個(gè)含有5個(gè)雷克子波波形的地震道，該地震道波型的間隔時(shí)間為1 s、頻率為60 Hz，逆時(shí)偏移采用的偏移頻率為60 Hz，有限差分階數(shù)為16階。圖1b為橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均為10 m情況下的逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)；圖1c為橫向偏移網(wǎng)格為20 m和縱向偏移步長為10 m情況下的逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)；圖1d為橫向偏移網(wǎng)格為10 m和縱向偏移步長為20 m情況下的逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)。

圖1 不同偏移網(wǎng)格和步長的零偏移距逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)Fig.1 Zero offset reverse-time migration impulse response with different migration grid and step

本例中，最小的介質(zhì)速度為2 000 m/s，當(dāng)逆時(shí)偏移網(wǎng)格大小為20 m時(shí)，根據(jù)數(shù)值頻散關(guān)系可知，最大允許的偏移頻率為40 Hz，小于實(shí)際偏移頻率為60 Hz，因此，這個(gè)傳播方向?qū)⒋嬖谝欢ǖ臄?shù)值頻散現(xiàn)象（圖1c和圖1d中黑色箭頭所示）；當(dāng)逆時(shí)偏移網(wǎng)格大小為10 m時(shí)，根據(jù)數(shù)值頻散關(guān)系可知，最大允許的偏移頻率為80 Hz，大于實(shí)際偏移頻率60 Hz，因此，這個(gè)傳播方向具有較高的數(shù)值計(jì)算精度（圖1b）。

分析還可知，在偏移頻率一定情況下，當(dāng)橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均滿足數(shù)值頻散關(guān)系時(shí)（圖1b），逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)結(jié)果中不存在偏移干擾，此時(shí)的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。當(dāng)縱向偏移步長滿足、橫向偏移網(wǎng)格不滿足數(shù)值頻散關(guān)系時(shí)（圖1c），由數(shù)值頻散現(xiàn)象引起的偏移假頻干擾僅出現(xiàn)在脈沖響應(yīng)的淺層介質(zhì)中，且不往深層方向傳遞。當(dāng)橫向偏移網(wǎng)格滿足、縱向偏移步長不滿足數(shù)值頻散關(guān)系時(shí)（圖1d），由數(shù)值頻散現(xiàn)象引起的偏移假頻干擾在脈沖響應(yīng)的橫向和縱向均進(jìn)行了傳遞。由此可見，逆時(shí)偏移的縱向偏移步長必須滿足數(shù)值頻散關(guān)系，而橫向偏移網(wǎng)格可以適當(dāng)放寬數(shù)值頻散關(guān)系的約束。

圖2 不同偏移網(wǎng)格和步長的國際標(biāo)準(zhǔn)的TTI介質(zhì)模型逆時(shí)偏移結(jié)果Fig.2 Reverse-time migration result of international standard TTI medium with different migration grid and step

2 理論模型驗(yàn)證

以國際標(biāo)準(zhǔn)的2D TTI介質(zhì)理論模型為例，開展了不同偏移參數(shù)的逆時(shí)偏移數(shù)值試驗(yàn)，對第1小節(jié)的逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。圖2a為橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均為25 m，偏移頻率為24 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果。圖2b為橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均為25 m，偏移頻率為60 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果。圖2c為橫向偏移網(wǎng)格為25 m和縱向偏移步長均為12.5 m，偏移頻率為60 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果。圖2d為橫向偏移網(wǎng)格為12.5 m和縱向偏移步長均為6.25 m，偏移頻率為60 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果。

分析圖2可知，圖2a的逆時(shí)偏移參數(shù)滿足數(shù)值頻散關(guān)系，其成像結(jié)果準(zhǔn)確可靠，然而，同相軸粗大，因此，成像剖面的縱橫向的分辨率較低，地層細(xì)節(jié)刻畫不清晰。圖2b的逆時(shí)偏移結(jié)果中存在較強(qiáng)能量的偏移假頻干擾（圖2b的藍(lán)色和粉紅色橢圓），造成了斷層假象，這是因?yàn)閳D2b的橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均不滿足數(shù)值頻散關(guān)系引起的。圖2c的橫向偏移網(wǎng)格不滿足數(shù)值頻散關(guān)系，但與圖2a相比，其逆時(shí)偏移結(jié)果的信噪比和分辨率均有較大程度的提高，同時(shí)還有效壓制了類似圖2b中的偏移假頻干擾。圖2d的橫向偏移網(wǎng)格和縱向偏移步長均滿足數(shù)值頻散關(guān)系，因此，其逆時(shí)成像結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，其與圖2c具有相似的逆時(shí)成像效果。由此可見，提高逆時(shí)偏移頻率可以增加參與逆時(shí)偏移處理的波場信息，提高逆時(shí)成像結(jié)果的分辨率，與此同時(shí)，逆時(shí)偏移的縱向偏移步長必須滿足數(shù)值頻散關(guān)系，可適當(dāng)放寬數(shù)值頻散關(guān)系對橫向偏移網(wǎng)格的約束，從而保證了計(jì)算結(jié)果的信噪比和可靠性，這驗(yàn)證了第1小節(jié)分析得出的結(jié)論。

3 實(shí)際資料應(yīng)用

以松遼盆地PN地區(qū)地震資料為例，該地區(qū)近地表?xiàng)l件較為簡單，地表高差較小，原始地震資料的品質(zhì)和信噪比均較高，同時(shí)其采集面元為20 m×40 m。為了滿足該地區(qū)高精度疊前逆時(shí)成像精細(xì)處理的要求，筆者對原始炮集數(shù)據(jù)進(jìn)行了高保真的疊前插值處理[21]，使得最終疊前道集的處理面元變?yōu)?0 m×20 m的規(guī)則網(wǎng)格。接著，筆者分別采用30 Hz和60 Hz的偏移頻率進(jìn)行逆時(shí)偏移處理，采用的橫向偏移網(wǎng)格均為20 m×20 m，縱向偏移網(wǎng)格均為5 m。其中，偏移頻率為30 Hz時(shí)，橫向偏移網(wǎng)格嚴(yán)格滿足數(shù)值頻散關(guān)系，而當(dāng)偏移頻率為60 Hz時(shí)，橫向偏移網(wǎng)格不滿足數(shù)值頻散關(guān)系，此時(shí)橫向上存在由數(shù)值頻散現(xiàn)象引起的一定能量的偏移假頻干擾，但根據(jù)第1小節(jié)和第2小節(jié)的脈沖響應(yīng)和理論模型分析，當(dāng)縱向偏移步長嚴(yán)格滿足數(shù)值頻散關(guān)系的前提下，這種偏移假頻干擾不會往深層進(jìn)行傳遞，由于本工區(qū)偏移頻率不高，因此，中淺層的成像精度和可靠性得以有效保證。

圖3a是偏移頻率為30 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果，圖3b是偏移頻率為60 Hz時(shí)的逆時(shí)偏移結(jié)果。分析圖3可知，當(dāng)采用的逆時(shí)偏移頻率較低時(shí)（圖3a），成像剖面的同相軸較為粗大，縱橫向的分辨率均較低，地層細(xì)節(jié)刻畫不清晰；而當(dāng)采用較高的逆時(shí)偏移頻率時(shí)（圖3b中藍(lán)色和粉紅色橢圓所示），對應(yīng)成像剖面的同相軸變細(xì)，縱橫向分辨率均得到有效提高，同時(shí)地層接觸關(guān)系明確、細(xì)節(jié)刻畫更加清晰，有利于地質(zhì)目標(biāo)的精細(xì)刻畫。通過提高逆時(shí)偏移頻率，增加了參與逆時(shí)偏移處理的地震有效波場信息，提高了最終逆時(shí)成像結(jié)果的分辨率和可靠性，有效避免了疊后拓頻處理引入的虛假波場信息和分辨率。

圖3 PN地區(qū)不同偏移頻率逆時(shí)偏移結(jié)果對比Fig.3 Reverse-time migration result comprison with different migration frequency in PN area

4 結(jié)論

1）零偏移距逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)分析表明，縱向偏移步長引起的數(shù)值頻散具有向深層傳遞的性質(zhì)，而橫向偏移網(wǎng)格引起的數(shù)值頻散僅局限在淺層，因此，逆時(shí)偏移的縱向偏移步長必須滿足數(shù)值頻散關(guān)系，同時(shí)其橫向偏移網(wǎng)格可以適當(dāng)放寬受數(shù)值頻散關(guān)系的約束。

2）國際標(biāo)準(zhǔn)的TTI介質(zhì)模型研究表明，在縱向偏移步長必須滿足數(shù)值頻散關(guān)系的前提下，可以提高逆時(shí)偏移頻率，從而增加參與逆時(shí)偏移處理的波場信息，提高逆時(shí)成像結(jié)果的精度。

3）松遼盆地PN地區(qū)實(shí)際資料應(yīng)用表明，基于數(shù)值頻散關(guān)系來優(yōu)化逆時(shí)偏移的頻率和網(wǎng)格參數(shù)，可以有效提高成像結(jié)果的縱橫向分辨率，其地層接觸關(guān)系更加明確，細(xì)節(jié)刻畫更加清晰，從而有利于地質(zhì)目標(biāo)的精細(xì)刻畫。

[1]陳可洋.高階彈性波波動方程正演模擬及逆時(shí)偏移成像研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

[2]Yoon K,Marfurt K,Starr E W.Challenges in reverse-time migration[J].Expanded Abstracts of 74thAnnual Internat SEG Mtg,2004∶1057-1060.

[3]陳可洋，吳清嶺，范興才，等.地震波疊前逆時(shí)偏移脈沖響應(yīng)研究與應(yīng)用[J].石油物探，2013，52（2）：163-170.

[4]陳可洋.邊界吸收中鑲邊法的評價(jià)[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2010，27（2）：170-175.

[5]陳可洋.完全匹配層吸收邊界條件研究[J].石油物探，2010，49（5）：472-477.

[6]陳可洋，陳樹民，李來林，等.地震波動方程方向行波波場分離正演數(shù)值模擬與逆時(shí)成像[J].巖性油氣藏，2014，26（4）：130-136.

[7]陳可洋，吳清嶺，范興才，等.地震波逆時(shí)偏移中不同域共成像點(diǎn)道集偏移噪聲分析[J].巖性油氣藏，2014，26（2）：118-124.

[8]陳可洋.地震波逆時(shí)偏移方法研究綜述[J].勘探地球物理進(jìn)展，2010，33（3）：153-159.

[9]Liu F Q,Zhang G,Morton S A,et al.An effective imaging condition for reverse-time migration using wave-field decomposition[J].Geophysics,2011,76（1）∶S29-S39.

[10]Yoon K,Marfurt K J.Reverse-time migration using the Poynting vector[J].Exploration Geophysics,2006,37（1）∶102-107.

[11]Fletcher R P,Fowler P J,Kitchenside P.Suppressing artifacts in prestack reverse time migration[J].Expanded Abstracts of 75thAnnual Internat SEG Mtg,2005∶2049-2051.

[12]康瑋，程玖兵.疊前逆時(shí)偏移假象去除方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（3）：1163-1172.

[13]陳可洋，范興才，吳清嶺，等.地震波逆時(shí)偏移海量數(shù)據(jù)共成像點(diǎn)道集提取模塊的開發(fā)與應(yīng)用[J].油氣地球物理，2014，12（1）：4-8.

[14]陳可洋.基于拉普拉斯算子的疊前逆時(shí)噪聲壓制方法[J].巖性油氣藏，2011，23（5）：87-95.

[15]陳可洋.一種相對保幅的低頻逆時(shí)噪聲壓制方法及其應(yīng)用[J].油氣藏評價(jià)與開發(fā)，2014，4（3）：50-54.

[16]Huang Y,Lin D,Bai B,et al.Challenges in presalt depth imaging of the deepwater Santos Basin,Brazil[J].The Leading Edge,2010,29（8）∶820-825.

[17]Guitton A,Kaelin B,Biondi B.Least-squares attenuation of reverse-time migration artifacts[J].Geophysics,2007,72（1）∶S19-S23.

[18]楊仁虎，常旭，劉伊克.疊前逆時(shí)偏移影響因素分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（8）：1902-1913.

[19]陳可洋，李娜，王聰，等.地震波疊前逆時(shí)偏移∶模型分析與應(yīng)用[J].地球科學(xué)前沿，2014，4（3）：157-165.

[20]陳可洋，吳清嶺，李來林，等.松遼盆地三維地震資料連片處理關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用效果分析[J].巖性油氣藏，2012，24（2）：87-91.

[21]陳可洋，范興才，吳清嶺，等.提高逆時(shí)偏移成像精度的疊前插值處理研究與應(yīng)用[J].石油物探，2013，52（4）：409-416.