郭念民,雷剛林,崔永福,徐凱馳,裴廣平,鄧建峰

(中國(guó)石油塔里木油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，庫(kù)爾勒 841000)

0 引言

復(fù)雜地表?xiàng)l件所引起的靜校正問(wèn)題是地震勘探取得突破的技術(shù)瓶頸，一直制約著地震剖面成像質(zhì)量的改善[1]。近年來(lái)針對(duì)復(fù)雜地表?xiàng)l件的靜校正技術(shù)的研究表明，基于初至信息的非線性層析反演靜校正方法,對(duì)地表高程變化和地下速度規(guī)律無(wú)需特別的假設(shè)或限制，適用于各種復(fù)雜近地表?xiàng)l件下求取準(zhǔn)確的靜校正量，該方法已成為改善地震資料成像品質(zhì)的有效手段[2-14]。

塔里木盆地西南部山地山前帶地區(qū)(塔西南地區(qū))是油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域，但是地表?xiàng)l件復(fù)雜，勘探開(kāi)發(fā)難度大，如普東地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜多樣，普東工區(qū)整體地勢(shì)呈南高北低，海拔在1 700 m～3 000 m之間，南部為黃土山，黃土厚度大，地形起伏較大；北部主要為戈壁，局部分布少量農(nóng)田村莊，地形相對(duì)平坦(圖1)。該地區(qū)近地表?xiàng)l件特點(diǎn)：①地表高程起伏變化劇烈，由西南向東北高程差可達(dá)一千多米；②地表及近地表巖性橫向變化較大；③黃土戈壁區(qū)風(fēng)化層速度和厚度橫向變化劇烈。圖2為工區(qū)典型位置(厚黃土區(qū)、地表高速出露區(qū)和戈壁區(qū))的單炮，可見(jiàn)厚黃土區(qū)靜校正問(wèn)題尤為突出，近偏移距道集信息顯示黃土速度較低，初至波抖動(dòng)劇烈；近地表速度的橫向變化加劇了靜校正問(wèn)題的復(fù)雜性。黃土戈壁區(qū)的復(fù)雜地表?xiàng)l件，給靜校正問(wèn)題的解決帶來(lái)極大困難。

圖1 工區(qū)地表?xiàng)l件變化示意圖Fig.1 Sketch map of surface condition change

圖2 不同地表位置處的單炮記錄Fig.2 Shot records of different surface conditions

目前解決近地表靜校正的方法主要有三類(lèi)：①模型法;②折射靜校正法;③層析靜校正法[15]。模型法是一種基于線性?xún)?nèi)插的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，在地表?xiàng)l件相對(duì)簡(jiǎn)單的地區(qū)效果較好。折射靜校正法在地表起伏較小、表層速度橫向均勻性較好且存在明顯折射面的地區(qū)使用效果較好，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、計(jì)算效率高。但是折射靜校正法基于水平層狀介質(zhì)模型假設(shè)，在地表起伏劇烈、高速層出露的地區(qū)應(yīng)用效果不佳。層析靜校正法可以利用初至波的全部信息，不需要區(qū)分初至波的類(lèi)型，符合低速帶并非嚴(yán)格成層的實(shí)際情況，能夠可靠地反演近地表速度模型，適用于各種復(fù)雜地表?xiàng)l件下速度反演和靜校正量的計(jì)算。該方法對(duì)中長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問(wèn)題突出的地區(qū)，如低降速帶巨厚的黃土區(qū)、地表起伏的復(fù)雜山地區(qū)、戈壁礫石區(qū)等應(yīng)用效果較好。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合塔西南地區(qū)地震勘探實(shí)例，開(kāi)展了復(fù)雜地表?xiàng)l件靜校正問(wèn)題解決策略研究，提出了一套改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)，并取得了較好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)方法

為了解決好普東地區(qū)的靜校正問(wèn)題，筆者提出了改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)工作流程，首先采用一種新的策略來(lái)精確拾取初至，根據(jù)初至可得到初始近地表層狀模型，然后利用回轉(zhuǎn)波層析成像技術(shù)進(jìn)行不同偏移距范圍的迭代反演，逐漸得到精細(xì)的近地表網(wǎng)格模型，并拾取等速面作為靜校正量計(jì)算面，然后根據(jù)最終模型拾取等速面來(lái)計(jì)算靜校正量，實(shí)際資料得到了較好的應(yīng)用效果。

圖3 低信噪比資料初至拾取流程圖Fig.3 Flow of first break pick-up for low SNR

1.1 高效高精度初至拾取技術(shù)

研究區(qū)為塔西南地區(qū)復(fù)雜山地黃土塬區(qū)，地震數(shù)據(jù)質(zhì)量差別大，一致性差，很難找到一種適合所有單炮數(shù)據(jù)的拾取方法。這里采用了一種自動(dòng)拾取和人工校正相結(jié)合的方法(圖3)。

在拾取初至之前，先對(duì)炮集數(shù)據(jù)施加野外靜校正量，再采用隨空間和炮檢距變化的速度進(jìn)行線性校正，使炮集初至信息更加平緩，從而有利于自動(dòng)拾取和人工判別修改校正；如果炮集初至信噪比低、發(fā)育旁瓣，則進(jìn)行基于俞氏子波的初至優(yōu)化與整形。目前普遍使用的且有效的初至拾取方法，可以分為兩類(lèi)：①基于單道振幅突變的方法(如閥值法、能量比法和邊緣檢測(cè)法等)；②基于相鄰道波形相似的互相關(guān)方法，前者適合信噪比較高的數(shù)據(jù)，一般采用全自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法，后者適合信噪比較低的數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)方法。不管是哪類(lèi)方法，都要求初至數(shù)據(jù)有一定的信噪比。對(duì)于信噪比低的數(shù)據(jù)，如果旁瓣發(fā)育，容易導(dǎo)致拾取串層，從而引入錯(cuò)誤的初至?xí)r間，俞氏子波的主頻高，旁瓣小，這一點(diǎn)對(duì)于初至整形尤其重要，采用基于俞氏子波的初至子波優(yōu)化整形技術(shù),可以提高初至波信息自動(dòng)拾取精度和拾取效率。從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)俞氏濾波進(jìn)行優(yōu)化和整形后的數(shù)據(jù)信噪比高，更容易進(jìn)行自動(dòng)拾取，而對(duì)于拾取精度仍不高的道集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行人工復(fù)查修改校正。

拾取初至是層析反演靜校正的基礎(chǔ)工作，也是成功的關(guān)鍵。在初至拾取策略上，先拾取信噪比相對(duì)較高的偏移距內(nèi)初至，利用該偏移距內(nèi)的初至信息計(jì)算初始層析靜校正量，應(yīng)用初始層析靜校正量于原始單炮后，再拾取所有偏移距初至，這樣得到所有偏移距初至后再去掉初始層析靜校正量。在技術(shù)上，采用基于俞氏子波的初至子波優(yōu)化整形技術(shù)和相鄰道波形相似的互相關(guān)方法的初至拾取技術(shù)。通過(guò)初至拾取策略和拾取技術(shù)的綜合應(yīng)用，能夠高效、準(zhǔn)確地拾取初至信息，為層析反演奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有利于提高靜校正處理的精度和可靠性。

圖4 某單炮經(jīng)過(guò)線性校正后的數(shù)據(jù)與俞氏濾波后的數(shù)據(jù)Fig.4 Data after linear correction and YU filtering of shot(a)線性校正后數(shù)據(jù);(b)俞氏濾波后數(shù)據(jù)

1.2 基于回轉(zhuǎn)波的層析反演方法

回轉(zhuǎn)波層析反演技術(shù)無(wú)需對(duì)地表高差、低降速帶速度以及折射界面做特定的假設(shè)限制，它是一種將地表模型作為任意介質(zhì)處理的彎曲射線回轉(zhuǎn)波初至反演方法，能夠適應(yīng)地表結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的地區(qū)計(jì)算準(zhǔn)確的校正量。回轉(zhuǎn)波層析反演的基本原理,首先建立近地表反演的地震走時(shí)方程：

(1)

式中：S(x,z)為地下介質(zhì)的速度模型；T為初至波的走時(shí)；dl為射線路徑的微分。

根據(jù)實(shí)際地震記錄所拾取的初至?xí)r間反演近地表速度模型。式(1)離散后，可表達(dá)為如下代數(shù)方程組的矩陣形式：

T=LS

(2)

其中:T為炮檢點(diǎn)旅行時(shí)矩陣;L為射線路徑矩陣;S為速度矩陣。通過(guò)建立速度矩陣的初始模型S′，能夠追蹤射線路徑矩陣L和炮檢點(diǎn)旅行時(shí)矩陣T′。對(duì)比正演旅行時(shí)T0和實(shí)際旅行時(shí)T′，能夠計(jì)算出旅行時(shí)差ΔT。速度矩陣修正量ΔS可表示為：

ΔT=LΔS

(3)

用ΔS對(duì)S′進(jìn)行修正，通過(guò)多次迭代即可得到真實(shí)的速度矩陣S。

實(shí)際求解過(guò)程中首先要建立一個(gè)初始模型，將地下分成網(wǎng)格單元，從激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的射線通過(guò)地下網(wǎng)格單元，假設(shè)每個(gè)單元的速度是恒定的，使用射線追蹤法計(jì)算模擬的初至?xí)r間，然后通過(guò)不斷修改速度模型，使實(shí)際和計(jì)算的初至?xí)r差達(dá)到最小。通過(guò)將一個(gè)大規(guī)模的非線性最小二乘問(wèn)題線性化并反復(fù)迭代求取近地表速度模型從而實(shí)現(xiàn)反演的優(yōu)化過(guò)程，層析反演的流程圖如圖5所示。

回轉(zhuǎn)波層析反演計(jì)算中,采取偏移距逐步增大精細(xì)層析反演迭代法可很好地約束淺層模型。分偏移距層析反演的起始偏移距和偏移距增量大小的選擇很重要，直接影響反演精度和反演效率。起始偏移距和偏移距增量大小的選擇,主要依據(jù)工區(qū)的近地表速度及速度的變化規(guī)律，如果表層速度較小、速度變化梯度較小，就需要選擇較小的起始偏移距和偏移距增量，反之需要選擇較大的起始偏移距和偏移距增量。

偏移距從小到大的初至大致反映從淺到深的淺層速度模型，從較小偏移距初至開(kāi)始層析反演，在前一次層析反演最終模型收斂較好的基礎(chǔ)上，逐步增大較大偏移距進(jìn)行初至層析反演迭代，將前一次最終模型作為下一次層析反演的初始模型，能夠相對(duì)固定淺層速度，相當(dāng)于從淺到深逐步精細(xì)更新淺層速度模型，通過(guò)多次迭代即可得到真實(shí)的速度矩陣S。

在厚黃土復(fù)雜近地表?xiàng)l件下，表層縱、橫速度變化較大，采用傳統(tǒng)的等深面作為靜校正計(jì)算面會(huì)帶來(lái)一定的誤差，筆者采用拾取替換速度為2 500 m/s的等速面層位作為靜校正計(jì)算面，相比于從高程平滑面向下300 m的等深面來(lái)計(jì)算得到靜校正量更加精確。

圖5 層析反演流程圖Fig.5 Flow of tomographic inversion

圖6 初至拾取示意圖Fig.6 Sketch map of picking up first break(a)拾取3 500 m偏移距內(nèi)初至;(b)計(jì)算應(yīng)用初始靜校正后拾取所有初至;(c)去掉初始靜校正量得到真正初至

2 實(shí)例研究及效果

普東工區(qū)復(fù)雜地表(南部黃土山、中間山前帶、北部戈壁灘)帶來(lái)了初至拾取難度大的問(wèn)題，采用高效高精度初至拾取技術(shù)，可以較好地解決復(fù)雜地表的地震資料初至拾取問(wèn)題，如圖6所示：①利用這里方法首先拾取3 500 m偏移距內(nèi)初至信息；②利用3 500 m偏移距內(nèi)的初至計(jì)算初始層析靜校正量；③應(yīng)用初始層析靜校正量于原始單炮，再拾取所有偏移距初至；④得到的所有偏移距初至并去掉初始層析靜校正量；⑤利用最終完整的全偏移距初至信息計(jì)算層析靜校正。

經(jīng)過(guò)高效高精度初至拾取和多次層析反演迭代，很好地解決了工區(qū)內(nèi)由于地形復(fù)雜、地表起伏較大、低降速帶厚度不均以及橫向速度變化較大帶來(lái)的靜校正問(wèn)題?；剞D(zhuǎn)波層析成像技術(shù)能夠更好地?cái)M合初至?xí)r間，從而更加充分地挖掘初至?xí)r間所隱含的地球物理信息；該技術(shù)在縱向上分層更加細(xì)化，同時(shí)能夠精確地反映出橫向速度的變化；該技術(shù)能夠有效解決地表復(fù)雜區(qū)的靜校正問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)反演求取精確的淺層速度模型，確保低幅度構(gòu)造的真實(shí)性，提高地震資料的成像質(zhì)量。本工區(qū)淺層黃土層厚度不均，速度的橫向變換較大，拾取替換速度2 500 m/s的等速面層位作為靜校正計(jì)算面比沿高程平滑面向下300 m的等深面更精確。

圖7為常規(guī)4 500 m偏移距常規(guī)層析反演和本文方法從300 m到4 500 m偏移距(起始偏移距為300 m，偏移距增量為300 m)15次迭代層析反演的最終模型對(duì)比，常規(guī)4 500 m偏移距層析反演結(jié)果中無(wú)法對(duì)淺層低速黃土層的速度精細(xì)刻畫(huà)，分偏移距15次迭代層析反演結(jié)果對(duì)淺層低速黃土層速度刻畫(huà)更加清晰。圖8為常規(guī)層析反演和本文分偏移距15次迭代層析反演結(jié)果的射線密度對(duì)比，本文方法在南部黃土山區(qū)射線密度分布更為合理。

圖9為層析靜校正前后單炮對(duì)比，可以看出初至得到很好改善，靜校正問(wèn)題得到有效解決。由圖10可以看出，改進(jìn)的層析反演方法得到的最終靜校正量應(yīng)用后的疊加剖面在南部黃土山區(qū)淺層(方框區(qū)域)和普東構(gòu)造區(qū)(橢圓區(qū)域)疊加成像都得到了更好的結(jié)果。

圖7 常規(guī)方法和本文改進(jìn)方法的最終模型對(duì)比Fig.7 Final model comparison between conventional method and improved method in this paper(a) 常規(guī)方法;(b)本文改進(jìn)的方法

圖8 常規(guī)方法和本文改進(jìn)方法最終模型的射線密度對(duì)比Fig.8 Contrast of ray density of final model between conventional method and improved method in this paper(a)常規(guī)方法;(b)本文改進(jìn)的方法

圖9 本文改進(jìn)方法靜校正應(yīng)用前后的單炮記錄對(duì)比Fig.9 Shot records comparison before and after static correction application using this paper method(a)靜校正應(yīng)用前;(b)靜校正應(yīng)用后

圖10 常規(guī)層析反演方法和本文改進(jìn)方法靜校正應(yīng)用后的疊加剖面對(duì)比Fig.10 Stack section comparison after static correction application between conventional method and improved method in this paper(a)常規(guī)層析反演方法;(b)本文改進(jìn)方法

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

準(zhǔn)確的初至拾取是山地區(qū)層析反演靜校正的基礎(chǔ)，筆者采用高效高精度初至拾取技術(shù)很好地解決了該問(wèn)題；通過(guò)分偏移距多次迭代回轉(zhuǎn)波層析成像技術(shù)相比常規(guī)的層析反演靜校正技術(shù)，不僅能夠精細(xì)地反映橫向速度變化，而且縱向上的分層也更加精細(xì)；對(duì)于復(fù)雜山地區(qū)資料，拾取穩(wěn)定的等速面比高程平滑面向下延伸的等深面作為靜校正計(jì)算面更加精確，得到的成像質(zhì)量更好。塔西南厚黃土戈壁區(qū)普東三維資料實(shí)際應(yīng)用效果證明，本文改進(jìn)的層析成像靜校正技術(shù)是非常有效的，該技術(shù)可以在其他復(fù)雜地表區(qū)的靜校正處理中進(jìn)行推廣應(yīng)用。