張海洋，湯國松，郭廷超，王智杰，秦艷艷

(中國石化江蘇油田分公司物探研究院，江蘇 南京 210046)

逆時(shí)偏移技術(shù)在ZL地區(qū)復(fù)雜斷裂帶的應(yīng)用

張海洋，湯國松，郭廷超，王智杰，秦艷艷

(中國石化江蘇油田分公司物探研究院，江蘇 南京 210046)

逆時(shí)偏移是一種深度域偏移方法，利用3D標(biāo)量雙程波動方程在時(shí)間上的反推來實(shí)現(xiàn)。它對地震波進(jìn)行正演模擬，并將檢波器接收到的波場作逆時(shí)延拓，利用一定的成像條件實(shí)現(xiàn)地下各點(diǎn)的成像。該方法成像精度高，適用于介質(zhì)橫向速度變化大和高陡傾角的構(gòu)造成像。ZL三維實(shí)際資料處理中，先對原始資料進(jìn)行振幅均衡處理，以消除振幅差異對偏移的影響；采用層析成像技術(shù)建立了精確的速度模型。經(jīng)過逆時(shí)偏移處理后，大斷層歸位準(zhǔn)確，斷階帶內(nèi)構(gòu)造細(xì)節(jié)刻畫清楚，提高了ZL地區(qū)復(fù)雜斷裂帶的成像精度。

逆時(shí)偏移 速度建模 ZL地區(qū) 復(fù)雜斷裂帶

蘇北盆地ZL地區(qū)發(fā)育多套斷裂系統(tǒng)，斷面傾角陡且斷層密集，地震反射波場復(fù)雜，區(qū)域橫向速度變化劇烈。在地震資料處理中，復(fù)雜斷裂帶地震成像一直是困擾ZL地區(qū)勘探的一個(gè)難點(diǎn)。目前較為常用的地震成像方法是基于射線理論的克?；舴蚍e分偏移方法，具有高效實(shí)用的特點(diǎn)，適合高偏移角度、無頻散地震資料。但由于該方法基于波場高頻近似、單走時(shí)路徑假設(shè)，無法有效解決復(fù)雜構(gòu)造或強(qiáng)變速條件下的地震成像問題。因而它對于ZL地區(qū)陡傾角斷面難以實(shí)現(xiàn)真正聚焦成像，并且無法對斷階帶內(nèi)的復(fù)雜小斷塊進(jìn)行清晰的刻畫。隨著勘探目標(biāo)復(fù)雜度的日益提升，勘探精度要求的不斷提高，基于波動理論的偏移算法將是今后復(fù)雜地區(qū)勘探地震成像的趨勢。

基于雙程波動方程的逆時(shí)偏移方法具有理論簡單、成像精確且無傾角限制、適應(yīng)任意復(fù)雜速度模型等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以往制約其發(fā)展的計(jì)算量巨大等問題得到很大程度的緩解[1]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，逆時(shí)偏移主要分為以下幾個(gè)步驟：

(1)利用雙程波方程對正向外推震源波場，保存外推波場；

(2)利用逆時(shí)雙程波方程反向外推接收波場，此過程中反向外推一步，應(yīng)用成像條件(激發(fā)時(shí)間成像條件[2]、互相關(guān)成像條件[3-4]、以及振幅比成像條件[5])進(jìn)行一次求和，得到局部成像數(shù)據(jù)體；

(3)將所有炮集的逆時(shí)偏移疊加結(jié)果作為最終的疊前深度偏移成像結(jié)果。

逆時(shí)偏移方法用全波場波動方程，可以對上、下行波的波場進(jìn)行延拓，算子對波動方程的近似較少，具有方程階數(shù)低并能對陡傾角有效成像的特點(diǎn)。利用該方法進(jìn)行成像時(shí)，相位準(zhǔn)確、成像精度高、不受介質(zhì)橫向速度變化和高陡傾角構(gòu)造的影響，甚至可以利用回轉(zhuǎn)波、棱柱波、多次波正確成像[6]。因此，利用逆時(shí)偏移來實(shí)現(xiàn)ZL地區(qū)復(fù)雜斷裂帶成像相比基于射線理論的克?；舴蛏疃绕聘哂袃?yōu)越性。

1 基本理論

波動方程疊前逆時(shí)偏移是首先給定震源子波，采用差分法求解波動方程得到地下每一時(shí)刻的波場值，其次求取每一時(shí)刻的地下波場值，將炮集記錄作為邊值條件，對波動方程進(jìn)行逆時(shí)外推，再根據(jù)時(shí)間一致性原理對兩個(gè)波場進(jìn)行互相關(guān)，以得到地下反射點(diǎn)的成像值(圖1)。

圖1 疊前逆時(shí)深度偏移基本原理

1.1 高階有限差分波場延拓算子

正演問題是逆時(shí)偏移的核心問題。用于波動方程正演的主要方法是有限差分算法，這種算法計(jì)算精度高、效率高，不受速度場的變化幅度的限制。

三維聲波方程為：

式中：u(x，y，z，t)為地表記錄的壓力波場；v(x，y，z)為縱、橫向可變的介質(zhì)速度。

用波動方程進(jìn)行有限差分正演模擬時(shí)，截?cái)嗾`差o(Δx2，Δy2，Δz2，Δt2)的差分網(wǎng)格間距必須非常小才能保證頻散較小、遞推過程穩(wěn)定、計(jì)算精度高，但是計(jì)算過程需要占用巨大的計(jì)算機(jī)資源，運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間也會大大增加。對此問題，Dalain和Mufti討論了用高階差分方程的解決方式，可以在不影響計(jì)算精度的前提下，降低對計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求，減小運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間。Dablain三維波動方程的高階有限差分算法正演和逆時(shí)外推的基本計(jì)算公式為：

截?cái)嗾`差為o(ΔxM，ΔyM，ΔzM，Δt2)的三維逆時(shí)深度偏移高階差分方程為：

式中：M為空間階數(shù)；ωm為優(yōu)化系數(shù)。優(yōu)化系數(shù)取決于時(shí)間和空間階數(shù)。

1.2 完全匹配層吸收邊界條件

波在地下傳播是沒有區(qū)域限制的，而進(jìn)行逆時(shí)偏移時(shí)波場延拓過程中區(qū)域是有限的，這就相當(dāng)于人為引入了一個(gè)反射界面，因此需要在偏移過程中構(gòu)造一個(gè)邊界，來解決人為引入的反射能量。邊界條件是有限差分波場延拓算子構(gòu)造中的一個(gè)關(guān)鍵因素，構(gòu)造邊界條件，既要使邊界產(chǎn)生盡可能少的人為反射，又要保持波向邊界傳播的頻散關(guān)系，以保證模擬地震波在無限介質(zhì)中傳播過程的真實(shí)、客觀性。補(bǔ)償項(xiàng)(反射波)的出現(xiàn)和多少與頻散關(guān)系的差異息息相關(guān)，除非波長能量為零。完全匹配層吸收邊界條件，將吸收層引入到了研究區(qū)域的邊界上，波傳到吸收層時(shí)不產(chǎn)生任何反射，在其中傳播時(shí)按距離的指數(shù)規(guī)律衰減，從而達(dá)到吸收邊界的效果。具體計(jì)算公式為：

式中：u為位移波場；u1，u2和u3為u分解成的3個(gè)部分；β為邊界衰減因子。

1.3 成像條件

上下行波互相關(guān)成像條件由Claerbout提出，其原理可概括為：

上式稱為歸一化互相關(guān)成像條件，Chattopadhyay和McMechan的研究結(jié)果表明，相同條件下，應(yīng)用歸一化互相關(guān)成像條件能得到更保真的偏移結(jié)果[7]。

2 實(shí)際資料處理

2.1 振幅均衡處理

ZL地區(qū)原始采集資料受多種因素影響，振幅在空間和時(shí)間上差異比較大，體現(xiàn)在球面擴(kuò)散產(chǎn)生的能量損失、近地表吸收及衰減系數(shù)不同產(chǎn)生的能量差異、地下復(fù)雜構(gòu)造引起的能量衰減差異等等。為消除振幅問題對偏移的影響，偏移前采用多種針對性技術(shù)對原始資料進(jìn)行振幅均衡處理，恢復(fù)了相對真實(shí)的振幅信息。保幅、保真的原始數(shù)據(jù)對于改善逆時(shí)偏移波組特征，提高成像精度都至關(guān)重要。

2.2 層析反演速度建模

速度層析反演的做法是針對成像道集利用道集的剩余曲率求取速度修正量，前提是假設(shè)初始速度比較準(zhǔn)確，且局部速度變化比較平緩。層析反演速度建模是一個(gè)循環(huán)迭代的過程，中間涉及的環(huán)節(jié)較多。初始速度、剩余曲率拾取、層析反演是其中較為關(guān)鍵的步驟：

(1)初始速度的精度對于層析反演具有重要意義。通過對疊前時(shí)間偏移道集進(jìn)行精細(xì)速度分析，得到時(shí)間域較準(zhǔn)確的均方根速度作為初始速度模型，為保證該速度在深度域成像不產(chǎn)生異常，對速度場沿主線方向200 m作平滑，聯(lián)絡(luò)線方向400 m作平滑，平滑后的速度滿足了層析反演的兩個(gè)基本假設(shè)。

(2)剩余曲率拾取是在深度域成像道集上拾取有效反射同相軸，拾取過程中為避免殘留多次波和一些雜亂信號的干擾，利用同相軸能量和曲率定義將一些異常拾取值排除，保證了拾取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)在層析反演過程中，結(jié)合ZL地區(qū)的構(gòu)造特點(diǎn)，4次迭代的空間尺度分別采用了5 000 m×5 000 m×3 000 m、2 900 m×2 900 m×1 760 m、1 700 m×1 700 m×1 000 m、1 000 m×1 000 m×580 m，提高了反演結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。

經(jīng)過4輪迭代處理后，建立了ZL地區(qū)精確的層速度模型，圖2為速度模型迭代改進(jìn)圖。

圖2 速度模型迭代改進(jìn)

2.3 逆時(shí)偏移實(shí)施

對于復(fù)雜構(gòu)造成像，逆時(shí)偏移孔徑的定義至關(guān)重要，孔徑太大會降低偏移效率，而太小又會丟失有效信息。綜合考慮ZL地區(qū)資料特點(diǎn)和偏移效率兩方面因素，最終對主線和聯(lián)絡(luò)線兩個(gè)方向分別采用了6 000 m和5 500 m的孔徑參數(shù)。此外，對子波類型、頻率等逆時(shí)偏移的重要參數(shù)也進(jìn)行了重點(diǎn)測試，確定了45 Hz Klaud子波比較合適ZL地區(qū)復(fù)雜斷裂構(gòu)造成像。

3 應(yīng)用效果分析

通過疊前逆時(shí)深度偏移處理，ZL三維在復(fù)雜斷裂帶處的成像效果有了明顯改善，中深層成像也有一定提高，成果剖面波組特征清楚、分辨率合適、信噪比高。圖3是Kirchhoff疊前深度偏移成果剖面，整體歸位比較準(zhǔn)確，剖面上沒有明顯的過偏和偏移不足的現(xiàn)象，但是陡傾角大斷層成像有所欠缺，特別是斷階帶內(nèi)的二級斷層和一些構(gòu)造細(xì)節(jié)無法識別。圖4是逆時(shí)偏移結(jié)果，剖面上1號、2號大斷層聚焦更好且與上、下盤接觸關(guān)系合理，斷階帶內(nèi)的構(gòu)造細(xì)節(jié)刻畫清楚，位于1～1.5 s之間的小斷層、微斷層也較為清晰。經(jīng)過比對，新資料主要目的層與測井資料吻合較好，驗(yàn)證了速度模型精度與偏移方法的正確性，為重新認(rèn)識ZL地區(qū)斷裂系統(tǒng)展布及下一步落實(shí)圈閉提供了可靠數(shù)據(jù)。

圖3 Kirchhoff疊前深度偏移成果剖面

圖4 逆時(shí)偏移成果剖面

4 結(jié)束語

偏移處理前期工作中，除了常規(guī)去噪、反褶積等處理外，針對資料特點(diǎn)的振幅恢復(fù)處理極大提高了偏移成像精度和保幅性；利用層析成像技術(shù)，多輪次迭代建立了復(fù)雜斷裂帶精確的速度模型。保幅、保真的道集資料和精確的速度模型充分發(fā)揮了疊前逆時(shí)深度偏移的優(yōu)越性，并在ZL地區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果，解決了復(fù)雜斷裂帶勘探的一個(gè)難點(diǎn)問題。

另外，逆時(shí)偏移處理需要消耗巨大的計(jì)算機(jī)資源，提高偏移效率在實(shí)際資料處理中具有重要意義。為此，偏移前對炮集資料進(jìn)行了合并規(guī)整，并在保證偏移效果前提下，對孔徑、頻率等一些影響偏移效率的重要參數(shù)也進(jìn)行了合理優(yōu)化，優(yōu)化后逆時(shí)偏移效率得到明顯提高。

[1] 丁亮，劉洋.逆時(shí)偏移成像技術(shù)進(jìn)展研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，26(3)：1085-1100.

[2] Chang W F，McMechan G A.Reverse-time migration of offset vertical seismic profiling data using the excitation-time imaging condition[J].Geophysics，1986，51(1):67-84.

[3] 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.

[4] 李博，劉紅偉，劉國峰，等.地震疊前逆時(shí)偏移算法的CUP/GPU實(shí)施對策[J].地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(12):2938-2943.

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[7] 韓令賀，何兵壽，張會星.VTI介質(zhì)中準(zhǔn)P波方程疊前逆時(shí)深度偏移[J].地震學(xué)報(bào)，2011，33(2)：209-218.

(編輯 韓 楓)

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Application of reverse-time migration technology in complex fault zone in ZL area

Zhang Haiyang,Tang Guosong,Guo Tingchao,Wang Zhijie，Qin Yanyan

(GeophysicalProspectingResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Nanjing210046,China)

The reverse-time migration is one of depth migration methods.The method is used to the forward of modeling of seismic wave,and the wave field

by detector is propagated in reverse time direction.And then the imaging of each underground point can be realized according to a certain imaging condition.The method with high imaging accuracy is suitable for the imaging of structure having large changing in lateral velocity of medium and steep dip angle.Tomography technology was used to build an accurate velocity model in ZL 3D actual data processing.After reverse-time migration,big faults were migrated to right positions,and the structure in the step-fault zone was described in detail.Therefore,it was enhanced to the imaging accuracy of the complex fault zone in ZL area.

reverse-time migration;velocity modeling;ZL area;complex fault zone

2015-11-14；改回日期：2016-05-15。

張海洋(1979—)，高級工程師，從事地球物理方面的研究工作。電話：025-83503058，E-mail：zhang_hy.jsyt@sinopec.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.006

P631.4

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