陳 華

(中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海200335)

利用獨立伽馬場的反射波時間比例轉換波疊前時間偏移

陳 華

(中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海200335)

基于轉換波時間比例的轉換波疊前時間偏移方法不利于縱波和橫波速度分析,也無法保證后續(xù)偏移成像的精度。對比分析了轉換波和反射波時間比例表征的兩種轉換波疊前時間偏移方法,指出基于反射波時間比例的轉換波疊前時間偏移方法可直接引用由反射波數據求取的縱波速度,將雙平方根時間方程的求解簡化為單獨求取橫波速度問題,有效地降低不確定性;在反射波時間比例的表征中引入獨立伽馬變量,給出利用獨立伽馬場的轉換波疊前時間偏移方法,通過時間匹配求取介質縱橫波平均速度比,消除炮檢距、地層傾角等因素的影響,在此基礎上迭代計算橫波速度并更新縱波速度,得到具有明顯物理意義的縱波速度、橫波速度和介質縱橫波平均速度比。實際數據應用表明,該方法具有更高的運算效率和更好的成像效果。

轉換波;疊前時間偏移;時間比例;獨立伽馬

轉換波同時包含縱波、橫波信息,利用轉換波資料能獲得地下含流體性質、裂隙及巖石彈性參數等各種信息,在一定程度上彌補縱波勘探的不足。多波多分量地震勘探正在油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。

轉換波勘探面臨兩大難題,一是成像,二是轉換波與縱波層位對比[4]。由于轉換波射線路徑不對稱,入射波與反射波的速度不同,無法像縱波資料一樣在共中心點域(CMP)處理轉換波數據,需將其分選到共轉換點域(CCP)進行處理。共轉換點位置是地層深度、傾角、縱橫波速度比和炮檢距的函數,要準確求取共轉換點位置和道集難度極大，國內外學者為此開展了大量的研究工作。如TESSMER等[5]針對均勻單層模型設定一個恒定的縱橫波速度比值,確定共轉換點位置,可實現轉換波成像,但該方法對中淺層和大偏移距地震數據計算誤差較大。李錄明等研究出多次迭代逐步逼近的速度分析及抽取CCP道集的方法[6-9]。TSVANKIN等[10]討論了地震波在各向異性介質中傳播的非雙曲線時距關系特點,基于泰勒級數展開提出非雙曲線走時公式并將其應用于轉換波數據成像。LI[11]對TSVANKIN等提出的轉換波非雙曲時距公式進行改進,給出兩個參數的新定義,提高了走時計算的準確性。

迭代速度分析抽道集的方法計算過程復雜而繁瑣,成像精度不高。轉換波疊前時間偏移技術則能避免共轉換點道集的抽取,使轉換波歸位到真正的反射點上,實現準確的偏移成像[12]。轉換波疊前時間偏移可以分為Kirchhoff積分法和波動方程法兩類,其中Kirchhoff積分法疊前時間偏移又有共偏移距法、等效偏移距法、虛擬偏移距法等多種類型[13]。馬婷[14]、孫珍珠[15]分別利用等效偏移距法和虛擬偏移距法將原始轉換波數據映射到共轉換散射點道集,使能量按雙曲線規(guī)律分布,消除了轉換波射線路徑的不對稱性。謝飛等[16]利用TSVANKIN等提出的轉換波非雙曲時距公式,抽取近似轉換點(CACP)道集,從常規(guī)速度分析中求取偏移速度參數。

隨著各向異性研究的逐漸深入,出現了一系列基于各向異性介質的轉換波偏移成像方法[17],包括雙平方根旅行時疊前時間偏移、精確旅行時疊前時間偏移、相移加插值法等[18]。馬昭軍等[19]針對VTI介質在轉換波散射旅行時方程中引入3個各向異性參數,在漸近共轉換點(ACCP)道集上進行速度分析和偏移。陳海峰等[20]采用指定目的層的共轉換點分選方法抽取共轉換點道集,通過分步掃描、交互迭代實現VTI介質各向異性速度建模和疊前時間偏移。黃中玉等[21-22]提出一種基于正交各向異性(VTI+HTI)介質的多方位三維轉換波疊前時間偏移算法,同時考慮VTI各向異性對轉換波中、遠偏移距非雙曲旅行時計算的影響和高角度垂直裂縫導致的HTI方位各向異性對轉換波速度的影響,顯著改善了三維轉換波疊前時間偏移剖面反射波組的連續(xù)性和聚焦性。

各向同性介質轉換波疊前時間偏移一般利用轉換波或者反射波時間比例進行旅行時表征,其中基于轉換波時間比例的方法不便于利用縱波數據進行縱波速度分析。理論上,各向異性介質的轉換波疊前時間偏移有更好的精度,但各向異性參數的獲取在一定程度上限制了該類方法的廣泛應用。本文分析了轉換波和反射波時間比例表征的兩種轉換波疊前時間偏移方法的優(yōu)缺點,指出基于反射波時間比例的實現方式能更有效地利用縱波數據的信息,給出了利用獨立伽馬場的轉換波疊前時間偏移方法,利用某工區(qū)實際資料對方法進行了驗證。

1 方法原理

1.1 基于轉換波時間比例的積分法疊前時間偏移

轉換波射線關系如圖1所示,設炮點為(xs,ys),接收點為(xr,yr),成像點為(xc,yc,zc),縱波均方根速度為vP-rms,橫波均方根速度為vS-rms。轉換波射線時間等于縱波下行時間與橫波上行時間之和[23],計算公式如下:

(1)

圖1 轉換波射線關系

設xs=xr=xc,ys=yr=yc,縱波平均速度為vP-ave,橫波平均速度為vS-ave,得到零炮檢距t0時間:

(2)

定義零炮檢距反射縱波雙程t0時間為tPP0=2zc/vP-ave,用tPP0作為轉換波時深關系方程參數,則有zc=tPP0vP-ave/2。根據公式(1)可得到基于縱波時間比例的轉換波傳播時間:

(3)

同理,定義零炮檢距反射橫波雙程t0時間為tSS0=2zc/vS-ave,用tSS0作為轉換波時深關系方程參數,則有zc=tSS0vS-ave/2。根據公式(1)可得到基于橫波時間比例的轉換波傳播時間:

(4)

轉換波t0時間可以定義為縱波雙程時與橫波雙程時的平均,即轉換波時間比例可以表示為:

(5)

用轉換波t0時間作為轉換波時深關系方程參數,則有zc=tPS0(vP-avevS-ave)/(vP-ave+vS-ave)。根據公式(1)可得到基于轉換波時間比例的轉換波傳播時間:

(6)

(6)式即為基于轉換波時間比例的疊前時間偏移旅行時解析表達式,其基本實現步驟如下:

1) 根據縱波速度計算地面炮點到地下轉換點的射線傳播時間;

2) 根據橫波速度計算地面檢波點到地下轉換點的射線傳播時間;

3) 計算炮檢點射線傳播時間之和,并將該時間上的振幅累加到地下轉換(成像)點上;

4) 對所有轉換波重復積分,得到轉換波偏移成像剖面。

轉換波偏移的算法原理與反射波偏移基本相同,差別在于傳播時間的計算,在接收點一側采用橫波速度?；谵D換波時間比例的轉換波疊前時間偏移方法計算公式簡單且易于實現,但由于采用轉換波雙程垂直旅行時間比例,不利于進行縱波和橫波速度分析,具體表現在速度分析迭代計算過程中難以分辨vP偏大而vS偏小或vP偏小而vS偏大所引起的時間誤差,因此無法保證后續(xù)偏移成像的精度。

1.2 利用獨立伽馬場的反射波時間比例轉換波積分法疊前時間偏移

在公式(3)中,將參變量γ=vP-ave/vS-ave設為獨立變量,則基于反射波時間比例的轉換波傳播時間為:

(7)

設xs=xr=xc,ys=yr=yc,則公式(7)可以寫成:

(8)

(8)式為對應的反射波時間比例。在疊前時間偏移的實現過程中,t0時間通常是固定的,零炮檢距時間tPP0隨縱橫波平均速度比變化而變化。掃描時間tPP0隨γ的增大而減小,隨γ的減小而增大,當γ接近真值時,掃描時間逼近反射波時間比例。

在地震勘探中,時間屬性攜帶的信息最可靠。用轉換波t0時間作為時深關系方程參數,有zc=tPS0·(vP-avevS-ave)/(vP-ave+vS-ave);用反射波雙程t0時間tPP0作為時深關系方程參數,則有zc=tPP0vP-ave/2。當二者表示相同的深度時,則有tPS0(vP-avevS-ave)/(vP-ave+vS-ave)=tPP0vP-ave/2。代入介質的縱橫波平均速度比γ=vP-ave/vS-ave,得到轉換波時間到反射波時間的變換公式,即時間轉換比例公式:

(9)

從反射波和轉換波剖面上讀取地層的時間可以確定伽馬值,由于剖面時間代表零炮檢距t0時間,因此相當于垂向縱橫波平均速度比。真實介質速度難以準確求取,實際求取的速度比總是包含炮檢距、地層傾角及上覆地層等各種因素的影響。方程(9)引入的獨立伽馬變量根據時間關系來求取縱橫波平均速度比更可靠,消除了炮檢距、地層傾角等因素的影響。

利用獨立伽馬場的轉換波積分法疊前時間偏移實現步驟如下:

1) 引入獨立伽馬變量,按照時間匹配求取介質縱橫波平均速度比;

2) 直接利用反射波數據求出縱波速度vP,以此作為初值,利用轉換波數據掃描橫波速度vS,得到橫波速度vS;

3) 固定橫波速度vS,掃描縱波速度vP,更新縱波速度vP;

4) 持續(xù)迭代,直至反射波剖面和轉換波剖面足夠近似,進而得到轉換波偏移速度場。

5) 計算縱波時間比例tPP0的轉換波傳播時間,通過積分法實現轉換波偏移成像。

2 實際數據應用效果

將利用獨立伽馬場的反射波時間比例轉換波疊前時間偏移方法應用于某工區(qū)實際數據,并與傳統(tǒng)基于轉換波時間比例表征的轉換波疊前時間偏移方法進行了對比。

2.1 基于轉換波時間比例的轉換波疊前時間偏移

首先在零炮檢距剖面上利用時間比例轉換公式對轉換波時間進行壓縮匹配,同時得到反射波疊前時間偏移剖面和轉換波疊前時間偏移剖面,如圖2,圖3所示。可見轉換波疊前時間偏移剖面上的大傾角構造與反射波疊前時間偏移剖面明顯不符,中深層信噪比偏低,成像效果欠佳。

圖2 反射波疊前時間偏移剖面

圖3 轉換波疊前時間偏移剖面

2.2 基于反射波時間比例的轉換波積分法疊前時間偏移

采用反射波時間比例tPP0,可直接利用縱波速度進行轉換波疊前時間偏移。圖4為基于反射波時間比例的橫波疊加速度譜,圖5為對應的縱波疊加速度譜,從窄幅掃描剖面中可明顯觀察到掃描時間tPP0隨橫波速度增大而增大,隨縱波速度增大而減小。當縱橫波速度逼近真值時,掃描時間趨于真實反射波時間比例。盡管采用縱波速度求取橫波速度的過程易于實現,但是對于層狀介質,反射波與轉換波的縱波速度并不相同,根據轉換波拾取的縱波速度可能會略高于根據縱波拾取的縱波速度。究其原因在于,對于轉換波而言,激發(fā)點一側的炮檢距大于反射波激發(fā)點一側的炮檢距,射線在傳播過程中更容易穿過高速地層,因此需根據轉換波數據對縱波速度進行更新。

圖4 反射波時間比例的橫波疊加速度譜

圖5 反射波時間比例的縱波疊加速度譜

利用基于縱波時間比例拾取的偏移速度,實現基于反射波時間比例的轉換波疊前時間偏移,如圖6所示。與圖3相比,其成像效果更好,深層能量更強。

圖6 反射波時間比例的轉換波疊前時間偏移剖面

說明該方法不僅具有計算公式簡單和易于實現的優(yōu)點,而且能直接引用縱波速度。但是,對于層狀介質而言,時間比例中隱含炮檢距的影響。理論分析可知,反射波時間比例下的縱橫波速度只反映介質特性,而拾取的速度包含炮檢距因素,造成的后果是在調整速度使tPP0接近真實反射波時間的時候,該速度未必能將道集上的同相軸拉平,反之亦然。

2.3 利用獨立伽馬場的反射波時間比例轉換波積分法疊前時間偏移

以反射波疊前時間偏移剖面作為參考,利用已知的縱波速度對轉換波進行伽馬掃描,如圖7所示。圖7b 是一小段反射縱波成像剖面,圖7c是相同位置上的轉換波伽馬掃描剖面,可見其成像時間隨伽馬增加而變小,由此可確定伽馬值。首次迭代時,橫波速度未知,根據縱波初始速度和掃描的伽馬確定橫波速度,以vS-ave=vP-ave/γ作為初值。伽馬取值范圍一般在2.0～4.0之間。圖8為基于獨立伽馬場的橫波疊加速度譜,圖9為基于獨立伽馬場的縱波疊加速度譜,縱橫波速度譜上零炮檢距t0時間不再隨速度變化而變化,因此能夠更準確地求取縱橫波速度。與圖4,圖5基于反射波時間比例拾取的縱橫波速度譜相比,基于獨立伽馬場的速度譜能量團更集中,速度隨深度變化的趨勢更合理,拾取精度更高,可靠性更強。

圖7 反射波時間比例的獨立伽馬譜a 縱波速度; b 反射縱波參考剖面; c 轉換波伽馬掃描剖面

圖8 基于獨立伽馬場的反射波時間比例橫波疊加速度譜

圖9 基于獨立伽馬場的反射波時間比例縱波疊加速度譜

利用獨立伽馬場和縱橫波速度進行基于反射波時間比例的轉換波疊前時間偏移,結果如圖10所示。

圖10 基于獨立伽馬場的轉換波疊前時間偏移剖面

與圖6對比可見,引入獨立伽馬變量后,傾斜地層偏移歸位更準確,無論是中淺層還是深層都能準確實現偏移歸位,斷面清楚,波組特征突出,信噪比和分辨率更高。該方法直接引用縱波速度,優(yōu)勢非常明顯,伽馬用于時間匹配,速度用于拉平同相軸,二者相互獨立,成像效果最佳。

3 結束語

本文提出的反射波時間比例轉換波疊前時間偏移算法直接運用由反射波求取的縱波速度,將雙平方根時間方程的求解簡化為單獨求取橫波速度,避免了轉換波資料處理中的共轉換點道集抽取問題;引入獨立伽馬變量,通過時間匹配求取介質縱橫波平均速度比,消除了炮檢距、地層傾角等因素的影響,通過轉換波伽馬掃描和速度分析,迭代更新縱波速度、橫波速度和介質縱橫波平均速度比,具有更高的運算效率和更好的成像效果。

該方法減少了轉換波旅行時方程中未知參數的數量,有效地簡化了處理過程;采用反射波時間比例顯示轉換波偏移成果,符合資料處理人員的視覺習慣,有助于進行效果對比和質量控制。下一步研究工作是開展基于反射波時間比例的轉換波疊前時間偏移方法對強各向異性介質和更復雜構造的適應性研究,尤其對具有水平對稱軸的橫向各向同性(HTI)介質、正交各向異性(VTI+HTI)介質和具有傾斜對稱軸的橫向各向同性(TTI)介質,該方法的應用效果尚待實際資料的驗證。

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(編輯：戴春秋)

Prestack time migration for a converted wave based on the independent gamma field

CHEN Hua

(ShanghaiBranch,CNOOCLtd. ,Shanghai200335,China)

Prestack time migration based on a convented wave time scale isn’t suitable for P-wave and S-wave velocity analysis and can’t ensure the imaging accuracy.Prestack time migration for converted wave can be realized according to the converted wave time scale or the reflection time scale.Both methods were compared and analyzed.The method using reflection time scale directly quotes the P-wave velocity obtained from reflection data,and the double square root time formula can be simplified to a separate problem for calculating the S-wave velocity,so as to effectively reduce the uncertainty.We introduce the independent gamma to the course of prestack time migration for a converted wave based on the reflection time scale;the P-wave and S-wave average velocity ratio can be acquired by time matching,accordingly.It can eliminate the effects of the offset,stratigraphic dip and other factors.On this basis,we calculated the S-wave velocity iteratively and updated the P-wave velocity continuously,and the P-wave velocity,S-wave velocity,and P-and S-wave average velocity ratio can be obtained with clear physical meaning.The practical application shows that the method has high computational efficiency and good imaging effect.

converted wave,prestack time migration,time scale,independent gamma

2017-01-05;改回日期：2017-06-02。

陳華(1973—),男,高級工程師,主要研究方向為海洋地震資料采集和處理。

國家科技重大專項(2016ZX05027-002)資助。

P631

A

1000-1441(2017)04-0516-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.007

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2016ZX05027-002).