竇強(qiáng)峰,羅勇,楊曉海,譚佳

(中國(guó)石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院 地球物理研究所,新疆 烏魯木齊 830013)

0 引言

準(zhǔn)噶爾前陸沖斷帶位于準(zhǔn)噶爾盆地天山南北麓，是近地表縱橫向結(jié)構(gòu)復(fù)雜和地下構(gòu)造復(fù)雜的“雙復(fù)雜”地區(qū)。地表主要為山地、沖溝，河流等，地形變化劇烈，表層介質(zhì)復(fù)雜；地下多為山前推覆帶發(fā)育背斜和成排成帶的逆沖斷塊。從20世紀(jì)80年代開始，歷經(jīng)數(shù)十年的攻關(guān)研究，新疆油田在該區(qū)發(fā)現(xiàn)了齊古油田等重要油氣，2019年高探1井獲得重大突破，日產(chǎn)油氣千余噸，打破國(guó)內(nèi)陸上碎屑巖單井日產(chǎn)量最高記錄，證明該區(qū)地區(qū)油氣資源豐富，勘探潛力巨大。這主要得益于基于近似真地表浮動(dòng)面疊前深度偏移成像等技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用。

常規(guī)基于CMP浮動(dòng)基準(zhǔn)面疊前偏移處理技術(shù)，在山前復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)不再適用，主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：①數(shù)據(jù)處理面問題，時(shí)間域處理CMP浮動(dòng)面是靜校正量平滑所得的一個(gè)時(shí)間量，并沒有具體物理意義[1]，而常規(guī)疊前深度偏移面主要是CMP浮動(dòng)面的時(shí)間量乘以基準(zhǔn)面靜校正計(jì)算時(shí)的替換速度，認(rèn)為CMP浮動(dòng)面時(shí)間量均由替換速度引起，忽略低降速帶對(duì)CMP浮動(dòng)面的貢獻(xiàn)，無疑就加入了算法引起的誤差[2]；②靜校正問題，常規(guī)兩步法靜校正不具有地表一致性的特點(diǎn)，同一個(gè)CMP道集中的炮檢點(diǎn)使用同一個(gè)基準(zhǔn)面，但是不同CMP道集之間的浮動(dòng)面是不同的，同時(shí)受地形及低降速帶速度變化的影響，同一CMP道集中的高頻靜校正量差異大，很難滿足最小靜校正誤差的準(zhǔn)則[3-4]；③動(dòng)校正問題，傳統(tǒng)單平方根算子動(dòng)校正方法不具有地表一致性特點(diǎn)，隨著CMP的位置變化，相同炮檢點(diǎn)動(dòng)校時(shí)移量也隨之變化[5]，同時(shí)采用對(duì)稱的旅行時(shí)方程而存在較大的誤差，導(dǎo)致地下構(gòu)造成像的畸變，破壞同相軸的連續(xù)性。前人為此做了大量工作，主要偏向于偏移算法研究[6-13]，1978年Stolt最先提出f-k域波動(dòng)方程疊前偏移方法[14]，1979年Yilmaz提出雙平方根算子的擴(kuò)展相移疊前偏移方法[15]，1996年P(guān)opovic,劉文革等給出中點(diǎn)—半偏移距域的基于分布傅里葉的DSR疊前深度偏移公式[16-17]，2002年Li等提出基于起伏地表的山地地震數(shù)據(jù)偏移方法[18]，2009年Miao提出基于起伏地表的轉(zhuǎn)換波雙平方根動(dòng)校公式和速度分析方法[19]，2016年秦寧等發(fā)展了一種起伏地表直接成像的高斯束疊前深度偏移技術(shù)[20]。以往研究中，疊前預(yù)處理階段依然采用基于CMP浮動(dòng)面的常規(guī)處理方法，未考慮雙平方根動(dòng)校正等處理方法?；谝陨戏治?，本文研究提出一種基于近似真地表浮動(dòng)面的疊前深度偏移成像處理方法，可以有效提高山前復(fù)雜構(gòu)造成像精度。

1 近似真地表浮動(dòng)面靜校正

圖1所示為本研究的主要技術(shù)思路，包括統(tǒng)一時(shí)間域和深度域處理的浮動(dòng)面、地表一致性近似真地表浮動(dòng)面靜校正、地表一致性雙平方根動(dòng)校正及剩余靜校正、近似真地表疊前深度偏移等。

圖1 近似真地表浮動(dòng)面疊前深度偏移成像技術(shù)思路Fig.1 The flow diagram of PSDM on rugged topography

這里提到的近似真地表靜校正是指將地震資料從實(shí)際地表高程校正到地表高程小平滑面上，用來消除風(fēng)化層厚度和速度對(duì)地震資料的影響，相對(duì)常規(guī)靜校正，減小對(duì)實(shí)際波場(chǎng)走時(shí)的改造。

1) 近似真地表浮動(dòng)面選擇：準(zhǔn)噶爾沖斷帶地區(qū)一般選擇海拔1 500 m為固定基準(zhǔn)面，替換速度在 2 000～2 500 m/s，利用靜校正量平滑計(jì)算得到CMP浮動(dòng)面，該面是按一定空間范圍將炮、檢點(diǎn)靜校正進(jìn)行非線性平滑的一個(gè)時(shí)間平滑量。通過替換速度將該面換算到深度域高程面(圖2白線所示)，可以看出該面是高于實(shí)際的地表高程面的，常規(guī)做法會(huì)以該CMP浮動(dòng)面作為疊前深度偏移面，不難發(fā)現(xiàn)與實(shí)際炮、檢點(diǎn)位置有較大誤差。本次研究采用實(shí)際CMP高程的小平滑面作為數(shù)據(jù)處理浮動(dòng)面(圖2綠線所示)，即近似真地表浮動(dòng)面，CMP高程平滑半徑據(jù)前人研究的經(jīng)驗(yàn)，一般選擇1/4～1/2排列長(zhǎng)度,具體參數(shù)按不同地區(qū)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確定?？梢钥闯鲈撁娼咏鎸?shí)地表，和地表高程變化趨勢(shì)相同，高程在實(shí)際地表高程面附近。從疊前時(shí)間域預(yù)處理到疊前深度偏移，炮、檢點(diǎn)都校正到該面上，保證時(shí)間域和深度域浮動(dòng)面的統(tǒng)一。

2) 低降速帶底界選擇：不考慮高程靜校正，低降速帶靜校正包括低速剝離和替換速度填充兩部分，二者互相抵消所得數(shù)值即為靜校正量。一般而言低降速帶速度都比替換速度小，所以靜校正量隨著低降速帶底界選取深度的減小而減小。對(duì)于山地資料，底界空間變化趨勢(shì)和地表高程變化相一致，所以本次研究選擇以近似真地表浮動(dòng)面下移一定距離做為底界(圖2藍(lán)線所示)，下移距離是通過統(tǒng)計(jì)整個(gè)工區(qū)實(shí)際地表高程和浮動(dòng)面高程的高程差，選擇最大值作為整體下移距離，保證底界在空氣之下。這樣該底界相對(duì)于常規(guī)底界(圖2紅線所示)計(jì)算所得靜校正量更小，減小了對(duì)實(shí)際波場(chǎng)走時(shí)的改造。

圖2 不同浮動(dòng)面及底界深度域示意Fig.2 The schematic diagram of different floating datum and surface bottom in depth domain

3) 地表一致性靜校正量計(jì)算：高波數(shù)的道間時(shí)差不能通過常規(guī)成像及速度分析技術(shù)恢復(fù)速度的高頻擾動(dòng)，必須在成像處理前靠靜校正及剩余靜校正消除道間時(shí)差的高頻擾動(dòng)部分[21]。其原因是速度的高頻擾動(dòng)對(duì)旅行時(shí)沒有影響，基于旅行時(shí)的速度估計(jì)無法反演小尺度速度變化。本文采用回轉(zhuǎn)波層析成像方法建立近地表模型，該方法是建立一個(gè)速度隨深度逐漸遞增的速度模型，在這樣一個(gè)模型下產(chǎn)生的初至波為回轉(zhuǎn)波，利用其正演走時(shí)和實(shí)際初至走時(shí)之差，結(jié)合回轉(zhuǎn)波路徑進(jìn)行速度反演。該方法可以穩(wěn)定地反演出近地表速度異常體，且可以通過最大穿透深度確定近地表底界面，為后續(xù)深度偏移提供合理的淺表層速度模型，適合于復(fù)雜介質(zhì)的成像。在模型迭代反演的過程中，實(shí)際初至的時(shí)間和反演模型所計(jì)算的初至?xí)r間，在理論上二者的數(shù)值差(此處定義為δt)等于0，就認(rèn)為反演的模型和實(shí)際地表完全一致。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于反演模型相對(duì)實(shí)際地表是一個(gè)低頻趨勢(shì)，無法真正刻畫速度的高頻變化，所以δt不可能等于0，我們將該值分解到炮檢點(diǎn)分別得到兩個(gè)短波長(zhǎng)值(炮點(diǎn)為δts，檢波點(diǎn)為δtr)。那么如圖3所示，最終近似真地表浮動(dòng)面的靜校正值就應(yīng)該是：

圖3 近似真地表浮動(dòng)面靜校正示意Fig.3 The schematic diagram of rugged topography statics

STs=Hs2/Vc-Hs1/Vs+δts,

(1)

STr=Hr2/Vc-Hr1/Vr+δtr,

(2)

式中：STs、STr分別為炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)靜校正量；Vs、Vr分別為炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)處近地表速度；Vc為替換速度；Hs1、Hr1分別為炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)實(shí)際高程到近似真地表底界面之間的厚度；Hs2、Hr2分別為炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)近似真地表浮動(dòng)面到近似真地表底界面之間的厚度。

炮檢點(diǎn)都被各自校正到近似真地表浮動(dòng)面上了，無需再把數(shù)據(jù)通過常規(guī)兩步法校正到CMP浮動(dòng)面，實(shí)現(xiàn)了地表一致性靜校正，后續(xù)處理就在該面上進(jìn)行雙平方根動(dòng)校正、剩余靜校正及疊前深度偏移，使得偏移時(shí)波長(zhǎng)傳播路徑更加接近真實(shí)地表面，走時(shí)更加準(zhǔn)確，成像更合理[22]。如圖4b所示，地表一致性靜校正后道集成像質(zhì)量得到明顯改善，但是相對(duì)于常規(guī)基于CMP浮動(dòng)面的兩步法靜校正(圖4c)，仍然存在高頻抖動(dòng)現(xiàn)象，且隨著偏移距增大越明顯，這種抖動(dòng)現(xiàn)象是可以通過雙平方根動(dòng)校正及剩余靜校正解決。

a—靜校正前CMP道集;b—近似真地表浮動(dòng)面靜校正后CMP道集;c—常規(guī)兩步法靜校正后CMP道集a—CMP gather before statics;b—CMP gather after rugged topography statics;c—CMP gather after conventional statics圖4 不同靜校正方法道集對(duì)比Fig.4 The comparation among different statics CMP gathers

2 地表一致性雙平方根動(dòng)校正

常規(guī)動(dòng)校正是基于水平基準(zhǔn)面或者CMP浮動(dòng)面進(jìn)行對(duì)稱性的單平方根動(dòng)校正,其中水平基準(zhǔn)面動(dòng)校正由于靜校正量較大，對(duì)波長(zhǎng)改造嚴(yán)重，動(dòng)校不準(zhǔn)確。CMP浮動(dòng)面動(dòng)校正在山前資料中，不同CMP道集相同炮檢點(diǎn)動(dòng)校正時(shí)移不同，是非地表一致性的，在均方根速度分析及剩余靜校正中會(huì)引入較大誤差。復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，炮點(diǎn)走時(shí)和檢波點(diǎn)走時(shí)很明顯有較大差異，常規(guī)單平方根動(dòng)校正無法從理論本身解決該問題而引入一定誤差，這種誤差會(huì)致使同相軸無法完全聚焦，產(chǎn)生構(gòu)造畸變。

近似真地表浮動(dòng)面的雙平方根動(dòng)校正，是在本文上述提到的地表一致性靜校正基礎(chǔ)上，在該浮動(dòng)面上分別針對(duì)炮、檢點(diǎn)開展非對(duì)稱走時(shí)的一種動(dòng)校正方法。圖5中，ts、tr是炮、檢點(diǎn)各自走時(shí)，a、b分別表示炮、檢點(diǎn)位置相對(duì)于CMP點(diǎn)的高程差，t0表示CMP點(diǎn)處雙程旅行時(shí)，x為炮檢距，v為均方根速度。那么，CMP點(diǎn)處動(dòng)校正方程可表述為：

圖5 雙平方根動(dòng)校正示意Fig.5 The schematic diagram of DSR NMO

(3)

從上述方程中不難看出，炮檢點(diǎn)相對(duì)于CMP點(diǎn)高程差異所造成的高頻時(shí)差，是通過動(dòng)校正的方式解決。圖6a、6b分別是不同動(dòng)校正方法的道集對(duì)比，其中圖6a是在圖4c所示數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行常規(guī)單平方根動(dòng)校正后道集，圖6b是在圖4b所示數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行雙平方根動(dòng)校正后道集。不難發(fā)現(xiàn)，雙平方根動(dòng)校正相對(duì)常規(guī)單平方根動(dòng)校正，道集成像質(zhì)量明顯改善。圖7a所示為在近似真地表浮動(dòng)面靜校正基礎(chǔ)上進(jìn)行單平方根算子動(dòng)校正的疊加剖面及道集，圖7b所示為在近似真地表浮動(dòng)面靜校正基礎(chǔ)上進(jìn)行雙平方根算子動(dòng)校正的疊加剖面及道集，可以看出雙平方根動(dòng)校正疊加在構(gòu)造主體部位成像合理(圖7b)，而單平方根動(dòng)校疊加(圖7a)明顯存在隨浮動(dòng)面的扭動(dòng)，且兩翼成像質(zhì)量差，說明近似真地表浮動(dòng)面疊前預(yù)處理必須采用雙平根動(dòng)校正才能準(zhǔn)確成像。同時(shí)還需在雙平方根動(dòng)校正道集求取相應(yīng)剩余靜校正，為疊前深度偏移提供偏前預(yù)處理數(shù)據(jù)。

a—常規(guī)靜校正單平方根校正道集;b—近似真地表浮動(dòng)面靜校正平方根動(dòng)校正道集a—CMP gather after SSR NMO;b—CMP gather after DSR NMO圖6 不同動(dòng)校正方法道集對(duì)比Fig.6 The comparation between different NMO CMP gathers

a—近似真地表浮動(dòng)面單平方根算子動(dòng)校正剖面及道集;b—近似真地表浮動(dòng)面雙平方根算子動(dòng)校疊加剖面及道集a—CMP gather and stack after SSR NMO from rugged topography;b—CMP gather and stack after DSR NMO from ruged topography圖7 不同動(dòng)校正方法疊加對(duì)比Fig.7 The comparation between different NMO CMP gathers and stacks

3 近似真地表浮動(dòng)面疊前深度偏移

利用常規(guī)簡(jiǎn)單CMP浮動(dòng)面進(jìn)行成像是不可取的。這如同利用均方根速度無法刻畫復(fù)雜的深度域速度是一個(gè)概念，與實(shí)際地震波走時(shí)路徑有較大差異。如本文引言中提到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，針對(duì)復(fù)雜地表地震成像的研究焦點(diǎn)集中在起伏地表?xiàng)l件下的疊前偏移成像(包括時(shí)間域和深度域)，其目的是讓地震波場(chǎng)傳播路徑盡可能接近實(shí)際炮、檢點(diǎn)真實(shí)傳播路徑，以達(dá)到地下反射點(diǎn)的真實(shí)成像。所以精確的山前地震數(shù)據(jù)處理應(yīng)該拋開傳統(tǒng)靜校正概念，將一個(gè)近似真地表的高程平滑面作為時(shí)間域偏前預(yù)處理和深度域疊前偏移成像的統(tǒng)一浮動(dòng)面開展成像工作[23-27]。

為了節(jié)省篇幅，本文把具體偏移理論算法論述一并略去，僅展示本次研究方法的正確性和有效性。與常規(guī)疊前深度偏移不同之處是：

1)疊前時(shí)間域預(yù)處理和疊前深度偏移所采用的浮動(dòng)面(偏移面)都是完全統(tǒng)一的，即近似真地表浮動(dòng)面，更接近實(shí)際地表面；

2)近地表底界選取貼近地表高程，靜校正量時(shí)差相對(duì)更小，對(duì)波場(chǎng)改造更??；

3)雙平方根動(dòng)校正可以求取更精確的均方根速度場(chǎng)，為疊前深度偏移提供初始速度，同時(shí)對(duì)應(yīng)剩余靜校正量更適應(yīng)起伏地表。

圖8為不同浮動(dòng)面疊前深度偏移剖面和層速度疊合對(duì)比剖面，從圖中箭頭所指范圍顯而易見，近似真地表浮動(dòng)面偏移同相軸聚焦，成像品質(zhì)更好，淺層偏移歸位合理，翼部高陡成像更加清楚。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1)基于近似真地表浮動(dòng)面疊前深度偏移成像處理流程是一套完整技術(shù)序列，包括了地表一致性近似真地表靜校正、地表一致性雙平方根動(dòng)校正及速度分析、浮動(dòng)面剩余靜校正、疊前深度偏移成像等，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間域處理與深度域處理的一致性，提高了偏移成像精度，在準(zhǔn)噶爾前陸沖斷帶山前復(fù)雜構(gòu)造區(qū)取得良好效果。

2)常規(guī)基于水平地表假設(shè)CMP浮動(dòng)面處理技術(shù)，在山前起伏地表成像應(yīng)用條件及效果都受到一定條件限制，而基于近似真地表處理方法從疊前浮動(dòng)面(偏移面)的選擇、偏前時(shí)間域數(shù)據(jù)處理、近地表速度融合建模等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，相對(duì)于常規(guī)處理都更接近實(shí)際波場(chǎng)傳播規(guī)律，為進(jìn)一步提高成像精度提供技術(shù)基礎(chǔ)，更加適應(yīng)于山前地表結(jié)構(gòu)、地下構(gòu)造復(fù)雜的“雙復(fù)雜”地區(qū)的地震成像。