王璽凱， 赫云蘭

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

近年來，石油勘探與開發(fā)的程度不斷深入，地震勘探的要求也越來越高，疊前深度偏移在這樣的背景與挑戰(zhàn)下應(yīng)運(yùn)而生、且起到了舉足輕重的作用。疊前深度偏移是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地下構(gòu)造成像的有效方法，能夠適應(yīng)速度縱橫向的劇烈變化，因此疊前深度偏移技術(shù)普遍應(yīng)用到解決橫向變速復(fù)雜構(gòu)造成像問題中。疊前深度偏移對地下速度場有很強(qiáng)的依賴性，速度模型的正確性和精度都會對成像結(jié)果產(chǎn)生很大影響，因此速度建模是實(shí)現(xiàn)疊前深度偏移的關(guān)鍵。針對偏移成像的缺點(diǎn)，Berkhout(1992)在首創(chuàng)面炮理論后[1]，提出了共聚焦點(diǎn)(Common Focus Point, CFP)成像技術(shù)[2-3]，其博士生Thorbecke用實(shí)際數(shù)據(jù)資料驗(yàn)證了這一方法各方面的先進(jìn)性[4]。CFP技術(shù)是通過激發(fā)聚焦和檢波聚焦兩個獨(dú)立且連續(xù)的聚焦步驟來實(shí)現(xiàn)疊前深度偏移的地震成像方法，有共聚焦和雙聚焦兩種形式[5]。CFP技術(shù)在國內(nèi)也迅速發(fā)展，經(jīng)過多年研究，共聚焦點(diǎn)技術(shù)在理論研究與模型試算上多發(fā)展的越來越完善[5-6]，對該技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛[2-3,7-8]。近幾年來，CFP技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)停滯，主要原因概括如下：①拾取的地震資料信噪比偏低，使地震數(shù)據(jù)不滿足偏移方法對地震數(shù)據(jù)的要求；②速度建模方法的抗噪能力有限；③恢復(fù)全頻速度場的不可能性；④CFP建模未實(shí)現(xiàn)體系化、實(shí)用化；⑤速度分析的非唯一性。隨著計算機(jī)的發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能技術(shù)的日益普及，CFP技術(shù)突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展指日可待。

1 基本原理

1.1 CFP技術(shù)的基本原理

CFP技術(shù)是為適應(yīng)疊前深度偏移對速度的強(qiáng)依賴性產(chǎn)生的一種新的偏移技術(shù)，基于等時原理和差異時移(DTS)分析，實(shí)現(xiàn)對共聚焦點(diǎn)道集的速度建模。對于CFP的基本原理，前人已有詳細(xì)論述，在這里只做簡要介紹[9-12]。

為實(shí)現(xiàn)CFP偏移，應(yīng)用如下的WRW模型[2-3]

(1)

獲取面炮組合(受控激發(fā))

sl(z0)=S(z0)τl(z0)

(2)

和面檢波組合(受控檢波)

dk+(z0)=τk+(z0)D(z0)

(3)

然后進(jìn)行雙聚焦(激發(fā)聚焦和檢波聚焦)，依據(jù)等時原理獲得共聚型CFP偏移成像結(jié)果和等截距走時原理獲得雙聚型CFP偏移成像結(jié)果。

1.2 CFP技術(shù)處理流程

CFP技術(shù)的應(yīng)用主要分為以下四步：①聚焦算子的計算；②檢波聚焦；③激發(fā)聚焦；④應(yīng)用成像原理。具體步驟如圖1所示。

1.3 CFP道集速度建模原理

CFP道集速度建模是基于差異時移(DTS)分析， 零DTS是建立正確速度模型的基礎(chǔ)。若其不為零，可把這種時間誤差通過攝動法轉(zhuǎn)化為更新后的模型參數(shù)。每次模型更新后得到一套新的聚焦算子，進(jìn)而生成新的CFP道集，CFP的道集對應(yīng)的逆時聚焦算子做互相關(guān)給出新的DTS。分析新的DTS圖，建立偏移速度模型(圖2)。

2 CFP速度建模

隨著計算機(jī)的發(fā)展及研究的不斷深入，自CFP技術(shù)出現(xiàn)以來，基于上述基本原理，共演化出以下四種基于共聚焦點(diǎn)技術(shù)的速度建模方法。

2.1 層速度掃描方法

1998年李錄明[13]等提出了在CDP道集上利用互換原理組成偽炮集建立層速度模型的方法。劉超穎[8]等于2003年提出了一種層速度掃描建模方法，并通過實(shí)際試驗(yàn)證明了其實(shí)用性和科學(xué)性。該方法避免了常規(guī)方法中的小炮檢距和小傾角假設(shè)的局限性，更適用于復(fù)雜地層的研究，該方法以層剝離法前提條件，主要有三個實(shí)現(xiàn)步驟，其中最重要的是對層位反偏移[14]以及時深轉(zhuǎn)換技術(shù)方法的應(yīng)用，其建模過程如圖3所示。2005年張凱[15]等基于速度掃描和相關(guān)能量準(zhǔn)則通過對WRW模型的試算證明了速度掃描方法的有效性。2007年勾麗敏[16]等在使用相干反演法建立速度模型的基礎(chǔ)上，基于地震信號一致性的前提下對疊前深度偏移中噪音對層速度的影響進(jìn)行了理論與定量分析并得出了相關(guān)結(jié)論，同時研究了非理想條件下靜校時差對界限信噪比的影響，在此研究基礎(chǔ)上得出了提高疊前深度偏移層速度精度的條件：地震信號一致性處理、疊前噪聲衰減、減小校正時差。

圖1 CFP技術(shù)處理流程Figure 1 Confocal point technology processing flow

圖2 DTS面板合成示意圖Figure 2 Schematic diagram of DTS panel composition

圖3 層速度掃描方法速度建模流程Figure 3 Horizon velocity scanning method velocity modeling flow

圖4 層析速度分析方法速度建模流程Figure 4 Tomographic velocity analysis method velocitymodeling flow

2.2 層析速度分析方法

Berkhout[3]、Cox[17]等提出射線層析也可以基于CFP道集實(shí)現(xiàn) ；在前人的理論基礎(chǔ)上李振春[7,18]、劉超穎[8]對CFP道集層析速度分析進(jìn)行了嘗試，對合成理論數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。2004年辛可鋒[19-20]等提出了基于CFP道集的層析速度反演方法，闡明該方法是基于向量參數(shù)化和攝動法等技術(shù)來進(jìn)行速度建模，并利用SeisVel模型對實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)進(jìn)而驗(yàn)證了該方法的有效性，其建模過程如圖4所示。近年來，層析速度分析方法在疊前深度偏移的其他方法中有了不同程度的發(fā)展。2012年曾同生[21]進(jìn)行了基于角道集的層析速度反演方法的研究，該方法避免了角道集速度分析方法與層析速度分析方法的缺點(diǎn)，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，提高了速度反演的精度。2013年潘興祥[22]在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種基于角道集的高精度層析速度建模方法；玄長虹[23]分析了在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)特殊層位約束建模方法的可行性和高效性。2014年馬彥彥[24]對基于層位的層析反演方法和基于網(wǎng)絡(luò)的層析反演方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，得出了兩者各自的適用條件，并提出綜合利用兩者優(yōu)勢來提高建模精度和成像質(zhì)量的思想。2015年薛花等[25]對上述兩種層析反演方法進(jìn)行了實(shí)用性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高信噪比條件下，層位層析反演精度更高。

2.3 約束參數(shù)反演法

2000年M.M.Nurul Kabir[26]等提出了一種擬線性的基于CFP理論的速度建模方法——約束參數(shù)反演法，該方法在巖性一致的前提下基于平均速度和垂直速度梯度這兩個參數(shù)進(jìn)行層速度的確定，用剝層法進(jìn)行速度模型的建立(圖5)，并在鹽丘地區(qū)進(jìn)行了建模分析，取得了良好效果。2002年李振春[18]等提出了CFP道集基于等時原理和DTS分析的適用于強(qiáng)橫向變速的約束參數(shù)迭代反演方法，應(yīng)用了高階差分正演模擬方法，保證了速度反演的精度和穩(wěn)定性。2005年周建宇[27]對該方法進(jìn)行了模型試算，并得出該方法具有良好的收斂性、相對誤差小等優(yōu)點(diǎn)的相關(guān)結(jié)論，提出獲取更高精度模型的要求。

2.4 交互速度分析方法

2004年辛可鋒[19，28]等在CMP道集交互速度分析法[29-30]的基礎(chǔ)上提出CFP道集基于譜分析的交互速度分析方法，闡明CFP響應(yīng)曲線和時移曲線的重要性，提出了該方法軟件實(shí)現(xiàn)的兩個指導(dǎo)思想，并在2005年進(jìn)行了模型試算。在其他方面交互速度分析方法也有不同程度的發(fā)展。1999年羅省賢[31]等提出了交互三維速度模型方法的建立，并進(jìn)行了模型試算與軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。2010年徐磊[32]等對地震轉(zhuǎn)換波完成了速度交互分析軟件的研究與實(shí)現(xiàn)?；趯σ陨纤姆N建模方法的研究，得出了各個方法的不同點(diǎn)(表1)。

圖5 用剝層法進(jìn)行宏觀模型估算的迭代更新算法Figure 5 An iterative updating algorithm for macroscopic model estimation through peeling method

表1 四種建模方法的對比

表1主要從適用條件、基本原理以及計算結(jié)果和計算量三個方面對四種建模方法進(jìn)行了比較：①這四種建模方法都避免了小傾角和小炮檢距假設(shè)；②約束參數(shù)反演方法需要在巖性一致的條件下進(jìn)行，其余三種方法的更加適用于復(fù)雜地下介質(zhì)條件；③層析速度分析方法和約束參數(shù)反演法是基于射線理論，交互速度分析法在波動方程理論的支撐下可實(shí)現(xiàn)，層速度掃描法在兩種理論條件下均適用；④四種方法的計算精度均較高，計算量稍有差距，但相比其他建模方法，計算量都較少。

3 結(jié)論與展望

CFP技術(shù)的產(chǎn)生為實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的疊前深度偏移分析提供了條件，在初期，該技術(shù)有較大的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了基于該理論的四種建模方法，實(shí)現(xiàn)了在不同條件下的速度分析與建模；從而可以根據(jù)實(shí)際資料和生產(chǎn)需求，采用不同的建模方法。但是，該技術(shù)對宏觀速度模型有強(qiáng)依賴性，而根據(jù)原始資料建立完全正確的速度模型還未實(shí)現(xiàn)，因此零DTS的基礎(chǔ)條件難以保證，使基于該技術(shù)的建模方法沒有大的突破與進(jìn)展；此外，CFP技術(shù)的體系化和系統(tǒng)化急需解決，這些問題都制約著CFP技術(shù)的發(fā)展。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在各領(lǐng)域迅速普及，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地學(xué)方面的不斷應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演技術(shù)以及約束稀疏脈沖反演技術(shù)將成為CFP技術(shù)突破發(fā)展瓶頸的有力武器。