欒錫武,楊佳佳

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東青島 266237;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266237)

地球介質(zhì)的基本特征是大面積的層狀沉積地層中包含火山活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及沉積過(guò)程本身形成的非均勻地質(zhì)異常體。根據(jù)惠更斯原理,地震波在傳播過(guò)程中,若遇到地層的巖性突變點(diǎn)(如斷面的斷棱、地層尖滅點(diǎn)、不整合的突起點(diǎn)和縫洞等),這些突變點(diǎn)會(huì)成為新的震源,并以該點(diǎn)所處的介質(zhì)速度再次發(fā)出球面波,向四周介質(zhì)傳播[1-3]。所以地震數(shù)據(jù)體實(shí)際上既包含反射波,也包含繞射波。傳統(tǒng)多次覆蓋反射地震勘探技術(shù)是以地層沉積模式為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的,其基本假設(shè)是水平層狀介質(zhì),也就是出發(fā)點(diǎn)是平面。在波傳播的描述過(guò)程中,繞射體和反射界面不加區(qū)分,波動(dòng)方程成像過(guò)程中自然也是繞射波和反射波同時(shí)成像。原理上,波動(dòng)方程成像能夠?qū)⒗@射波聚焦于繞射點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)繞射波的成像。但是,常規(guī)的地震數(shù)據(jù)處理存在以下幾點(diǎn)對(duì)繞射目標(biāo)成像的不利因素:①在NMO/DMO和速度分析等過(guò)程中,來(lái)自反射層以外的同相軸通常都被視為干擾噪聲而被濾除[4];②常規(guī)的偏移算法大都應(yīng)用成像鏡面反射信息,即便是傳統(tǒng)的繞射疊加也更傾向于成像反射波而忽略散射效應(yīng);③繞射波振幅相對(duì)反射波弱很多,即使將其偏移歸位,通常也會(huì)被反射信息掩蓋。

實(shí)際上,繞射波和反射波的傳播特征不同?；诙卟煌膫鞑ヌ卣?將二者區(qū)分開(kāi)是有可能的。近年來(lái)的工作發(fā)現(xiàn),繞射波中蘊(yùn)含著豐富的與斷層、尖滅、鹽丘以及縫洞型儲(chǔ)集體等非均質(zhì)性構(gòu)造有關(guān)的信息。繞射波單獨(dú)成像對(duì)巖性和縫洞等油氣藏的精細(xì)描述具有特別重要的意義[5-8]。

繞射目標(biāo)成像的主旨在于提高成像分辨率,更加清晰地刻畫斷層、邊界以及縫洞儲(chǔ)集體等非均質(zhì)體構(gòu)造,從而為高精度地震解釋提供便利。早在20世紀(jì)50年代,KREY[9]和HAGEDOORN[10]已經(jīng)意識(shí)到繞射/散射波成像的重要性,但是,從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,人們才開(kāi)始真正對(duì)繞射波分離成像感興趣。根據(jù)繞射能量拾取方式的不同,可將繞射目標(biāo)成像方法分為“直接法”和“間接法”兩類。

“直接法”繞射目標(biāo)成像是在偏移成像過(guò)程中,依據(jù)反射、繞射能量特征差異,直接分離成像繞射能量。主要包括Kirchhoff類、成像角度類和共散射角道集類。Kirchhoff類通過(guò)修改偏移積分公式實(shí)現(xiàn)反穩(wěn)相繞射能量提取[11-12];成像角度類是基于反射波與繞射波在角度域的特征差異實(shí)現(xiàn)繞射能量與反射能量的分離[13-17];共散射角類是通過(guò)壓制共散射點(diǎn)道集映射噪聲改善碳酸鹽巖儲(chǔ)層繞射波成像分辨率[18]?！伴g接法”繞射目標(biāo)成像是從疊前道集總波場(chǎng)中分離出繞射波場(chǎng),然后對(duì)分離后的繞射波場(chǎng)單獨(dú)成像?？梢栽诠财凭嗟兰痆19]、共繞射點(diǎn)剖面[20-21]、共炮點(diǎn)道集[12,22-23]、平面波炮記錄[24]、疊加剖面[25-26]及其它道集[27-29]上進(jìn)行繞射波成像。

“間接法”繞射目標(biāo)成像方法通常是在原始道集或者由原始道集經(jīng)過(guò)Randon變換等方式得到的疊前道集。用于波場(chǎng)分離的數(shù)據(jù)量大且分離方法大多是反演方法,因此,繞射波提取耗時(shí)較長(zhǎng)、計(jì)算效率較低,但該類方法一般能得到壓制反射波后主要含有繞射波的點(diǎn)源單炮記錄,該繞射炮記錄可以用于繞射波速度分析得到適用于繞射目標(biāo)成像的偏移速度,從而提高繞射成像分辨率。“直接法”繞射目標(biāo)成像通常是通過(guò)將傳統(tǒng)的地震處理、偏移算子改進(jìn)或者直接利用反射波和繞射波能量在成像矩陣中的差異直接進(jìn)行疊加分離或者單獨(dú)成像,處理效率高,但是得到的繞射波道集一般是疊加剖面或者直接成像結(jié)果(比如繞射多聚焦疊加和Kirchhoff非穩(wěn)相繞射成像方法),通常很難用于速度分析。近幾年發(fā)展起來(lái)的傾角域共成像點(diǎn)道集繞射波目標(biāo)成像方法中,由于傾角域CIG道集中繞射波對(duì)偏移速度的敏感性也可用于偏移速度分析。

對(duì)繞射波分離和成像技術(shù)的研究歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并且根據(jù)其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征以及當(dāng)前的發(fā)展情況展望其發(fā)展方向。首先介紹了繞射波相關(guān)理論,著重分析了繞射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征,在此基礎(chǔ)上討論了現(xiàn)階段數(shù)據(jù)空間以及成像空間中繞射波和反射波分離及成像的方法。

1 地震繞射波特征

波在傳播過(guò)程中會(huì)被較大的障礙物擋住,并在障礙物背后形成一個(gè)不存在波傳播的陰影區(qū)。但當(dāng)障礙物較小時(shí),波就會(huì)繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播。這種波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象被稱為波的繞射。當(dāng)波在傳播過(guò)程中遇到狹縫時(shí),按照波沿直線傳播的理論,波只能透過(guò)狹縫沿狹縫的寬度直線繼續(xù)向前傳播。但實(shí)際上,波透過(guò)狹縫后,會(huì)以狹縫為新的波源,在比狹縫大得多的區(qū)域內(nèi)傳播,這是波的繞射現(xiàn)象。當(dāng)狹縫的尺寸接近波長(zhǎng)時(shí),波透過(guò)狹縫傳播的范圍明顯加大,波列出現(xiàn)明顯彎曲。狹縫的尺寸越小,波透過(guò)狹縫傳播的范圍越大,繞射現(xiàn)象越明顯。如果保持障礙物或狹縫的尺寸不變而改變波長(zhǎng)時(shí),會(huì)得出同樣的結(jié)果。即當(dāng)波長(zhǎng)和障礙物的尺寸相當(dāng)時(shí),繞射現(xiàn)象出現(xiàn),障礙物的尺寸越小,繞射越明顯。在遇到水平或無(wú)限延伸層狀介質(zhì)的情況下,地震波會(huì)發(fā)生透射和反射。實(shí)際上,由于不均勻沉積和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,地下的巖石介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生橫向上的巖性變化、沉積尖滅、錯(cuò)斷和撓曲褶皺等。地震波在遇到這些情況時(shí),除產(chǎn)生透射和反射外,還會(huì)出現(xiàn)一些與復(fù)雜構(gòu)造有關(guān)的地震響應(yīng),產(chǎn)生類型特殊的地震波,包括斷面波、繞射波和彎曲界面的反射波等。這些特殊地震波的存在,一方面會(huì)與正常一次反射波發(fā)生干涉,使地震剖面的面貌復(fù)雜化,給地震資料的處理和解釋帶來(lái)困難;另一方面,這些特殊地震波由地下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造引起,必然同地下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造存在內(nèi)在的聯(lián)系,因而也提供了利用這些特殊地震波了解地下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的可能性。因此,這些特殊地震波既有作為干擾成分的有害一面;也有作為有效成分有用的一面。

依照惠更斯-菲涅爾原理,所有的波都可以看作是繞射波?？臻g中某一點(diǎn)所接收到的反射波是由反射面上無(wú)數(shù)個(gè)小面元產(chǎn)生的繞射波干涉疊加的結(jié)果,即反射是繞射的特例。這樣,繞射波與反射波并沒(méi)有嚴(yán)格的界限。反射波和繞射波的形成條件主要取決于地質(zhì)體尺度與地震波波長(zhǎng)之間的關(guān)系。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體的尺度遠(yuǎn)大于地震波波長(zhǎng)時(shí),產(chǎn)生反射波;當(dāng)?shù)刭|(zhì)體尺度與地震波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí),產(chǎn)生繞射波。所以,地震勘探中,通常大尺度連續(xù)性較好的地層界面會(huì)產(chǎn)生反射波,而小尺度、非均質(zhì)、縱橫向速度變化較快,如斷層面、小斷點(diǎn)、鹽丘以及碳酸鹽巖縫洞等地質(zhì)體則會(huì)產(chǎn)生繞射波。

一般中低頻地震勘探中,地震波的主頻大約為20～50Hz,在地層巖石中的傳播速度為3000m/s。其中,傳播的地震波的波長(zhǎng)大約為60～150m。在高頻勘探的情況下,如海域天然氣水合物的勘探,地震波的主頻大約為100Hz,在地層巖石中的傳播速度為2000m/s。其中,傳播的地震波的波長(zhǎng)大約為20m。地層巖石中的障礙物或地質(zhì)體的尺度為20～150m時(shí),或小于這個(gè)尺度時(shí),容易產(chǎn)生地震繞射。實(shí)際上,在地震勘探中,一些地層巖性的突變點(diǎn),如斷層的斷棱、地層尖滅點(diǎn)、河道的邊界和溶洞的邊界等,尺度大都處于此范圍內(nèi)。因此,這些突變點(diǎn)就會(huì)成為新震源,再次發(fā)出球面波,向四周傳播,形成繞射。這些非均質(zhì)性繞射目標(biāo)也正是油氣生成、運(yùn)移或聚集的最有利構(gòu)造,是油氣藏勘探和地震解釋的重要目標(biāo)之一。因此,正確識(shí)別和定位繞射波十分必要。

2 地震繞射波分離方法

地震勘探中對(duì)地震波的傳播進(jìn)行描述時(shí),繞射波和反射波是不加區(qū)分的。反射波實(shí)質(zhì)上就是繞射波。波動(dòng)方程成像時(shí)也是繞射波和反射波同時(shí)成像。然而,在數(shù)據(jù)空間中的時(shí)距關(guān)系、波場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特征以及成像空間中的時(shí)距關(guān)系方面,繞射波與反射波之間存在差異。根據(jù)這些差異,可以將兩者進(jìn)行分離。

2.1 基于平面波分解技術(shù)的反射波和繞射波分離

TANER等[24]指出,在震源為點(diǎn)源的情況下,地下層狀反射界面和散射點(diǎn)的地震記錄均為雙曲線的形式(圖1a和圖1b);然而在平面波入射的情況下,地下層狀反射界面的地震記錄為線形,地下散射點(diǎn)的地震記錄仍為雙曲線形,兩者表現(xiàn)出了較大的差異(圖1c和圖1d)。利用這個(gè)區(qū)別,可以實(shí)現(xiàn)繞射波和反射波的分離。根據(jù)波傳播中的炮檢點(diǎn)互換原則,通過(guò)疊加處理得到平面波入射地震記錄(即平面波分解法):將單炮記錄中多個(gè)接收點(diǎn)處的地震記錄相加得到一道地震記錄。該地震記錄表示將炮檢點(diǎn)互換,多個(gè)檢波點(diǎn)同時(shí)激發(fā)并在震源處接收得到的地震記錄,對(duì)相鄰多炮進(jìn)行相同的處理,即可得到一個(gè)平面波震源下的地震剖面記錄。

圖1 點(diǎn)源與面源時(shí)距曲線[24]a 點(diǎn)源下的層狀反射界面和繞射點(diǎn)模型; b 點(diǎn)源下層狀反射界面和繞射點(diǎn)時(shí)距曲線; c 面源下的層狀反射界面和繞射點(diǎn)模型; d 面源下層狀反射界面和繞射點(diǎn)時(shí)距曲線

在進(jìn)行多個(gè)檢波點(diǎn)處的地震記錄相加過(guò)程中,可以通過(guò)線性移動(dòng)記錄道模擬傾斜平面波(傾角為p的平面波)。重復(fù)進(jìn)行多個(gè)檢波點(diǎn)處的地震記錄相加,可以獲得不同的傾角p的平面波。對(duì)于單一傾角p的平面波入射,通過(guò)計(jì)算多炮數(shù)據(jù)可以得到一個(gè)多道剖面(一道代表一炮)。在這個(gè)剖面上,地下層狀界面的反射以線性的形式出現(xiàn)。利用平面波濾波方法濾去線性反射波可得到一個(gè)主要含繞射波成分的剖面。

2.2 基于多聚焦技術(shù)的反射波和繞射波分離

圖2 多聚焦射線路徑[25]

多聚焦技術(shù)是將傳播途徑S→P→R的旅行時(shí)校正成傳播途徑X0→O→X0的旅行時(shí)。利用近軸道的球面近似,計(jì)算該校正量有:

(1)

式中:R+=(1+σ)/[(1/RCEE)+(σ/RCRE),R-=(1-σ)/[(1/RCEE)-(σ/RCRE)],σ=(ΔX+-ΔX-)/[ΔX++ΔX-+2(ΔX+ΔX-/RCRE)sinβ];σ稱為聚焦系數(shù)。

由(1)式及聚焦系數(shù)可知,對(duì)于給定的中心射線及特定的震源以及檢波器的位置(ΔX+,ΔX-為特定值),Δτ的求取歸于3個(gè)參數(shù),即RCRE,RCEE和β。求取參數(shù)的過(guò)程基于對(duì)觀測(cè)的地震道信號(hào)進(jìn)行一系列的道相關(guān)分析,并應(yīng)用(2)式進(jìn)行時(shí)差校正。

(2)

式中:Aw=2sinβ0w/v0w;Bw=2τ0wcos2β0w/v0wKNw;Cw=2τ0wcos2β0w/v0wKNIPw;τi,w是第i道的CRS疊加面的旅行時(shí);x0w為零偏移距剖面中的某一點(diǎn);τ0w為點(diǎn)x0w自激自收旅行時(shí);xmi為炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo);v0w為表層速度;β0w為零偏移距射線的出射角;KNw和KNIPw分別為N波(Normal波)和NIP波。通過(guò)尋找一系列使相似方程取得最大值時(shí)的參數(shù)可以獲得未知參數(shù)的值。相似性是在多聚焦疊合道集中以特定時(shí)窗試算旅行時(shí)曲線時(shí)得到的。相似性最大值通過(guò)非線性最優(yōu)化方法得到。對(duì)于每一個(gè)中心點(diǎn)和每一個(gè)時(shí)間采樣來(lái)說(shuō),這種校正流程不斷重復(fù),最終形成一個(gè)多聚焦時(shí)間剖面。

(3)

對(duì)于給定的中心射線以及特定的震源以及檢波器的位置(ΔX+,ΔX-為特定值),ΔτD的求取歸于兩個(gè)參數(shù),即RCRE和β。求取參數(shù)的過(guò)程與3個(gè)參數(shù)的求取原理一致。由此得到時(shí)間域中的繞射波剖面。

2.3 基于聚焦-切除-反聚焦技術(shù)的反射波和繞射波分離

TYGEL等[30]提出的地下介質(zhì)x處局部范圍內(nèi)的散射疊加公式為:

(4)

式中:U(ξ,t)為記錄的地震數(shù)據(jù);ξ表示參數(shù)化的激發(fā)-接收裝置的通用向量;td(ξ,x)表示繞射波的旅行時(shí)距曲線。由于該思路僅從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行分析,故在(4)式討論中省略了一個(gè)影響振幅的因子。

2.3.1 聚焦(Focusing)

運(yùn)用(4)式得到的疊加剖面,繞射波則形成一個(gè)能量極小的點(diǎn)[31],如圖3所示。通過(guò)將繞射波的旅行時(shí)距曲線td(ξ,x)替代為反射波的旅行時(shí)距曲線tr(ξ,x),則有:

(5)

通過(guò)(5)式可以將反射波聚焦為一個(gè)深度是其反射界面深度兩倍的點(diǎn)zim,而不聚焦繞射波。如圖3所示。

圖3 聚焦[23]

2.3.2 切除(Muting)

上海金山第二工業(yè)區(qū)不僅加強(qiáng)安全環(huán)保管理，還積極構(gòu)筑循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈條。孫莉軍提到，工業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的完善使區(qū)內(nèi)企業(yè)形成了原料互補(bǔ)。如匯得聚氨酯產(chǎn)品供應(yīng)給亨斯邁作為TPU產(chǎn)品的原材料；園區(qū)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)園和物流產(chǎn)業(yè)園也自成一體，形成生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)和制造業(yè)的互補(bǔ)。與此同時(shí)，工業(yè)區(qū)還與周邊的上海石化及上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)兩個(gè)化工基地聯(lián)合發(fā)展，更是形成了資源互補(bǔ)、產(chǎn)業(yè)鏈延伸。產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的形成使得園區(qū)環(huán)境得到進(jìn)一步提升。

2.3.3 反聚焦(Defocusing)

(6)

得到的UD(ξ,t)部分主要為原始炮道集上的繞射波部分。

從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō),小尺度目標(biāo)地質(zhì)體產(chǎn)生的繞射波能量一般比連續(xù)反射層產(chǎn)生的反射波能量弱1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。這種能量上的差異很大程度地制約了反射波場(chǎng)與繞射波場(chǎng)分離方法的有效性,進(jìn)而影響繞射體的成像。如何更好地利用兩者在動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)出來(lái)的差異是一個(gè)值得研究的課題。

3 繞射波成像

繞射波分離成像的方法主要分為數(shù)據(jù)域中的方法和成像域中的方法[32]。數(shù)據(jù)域中的分離成像方法需要先對(duì)數(shù)據(jù)域中的繞射波數(shù)據(jù)和反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行分離處理,然后再單獨(dú)進(jìn)行繞射波數(shù)據(jù)的成像。成像域中的繞射波分離成像方法和數(shù)據(jù)域中的方法有所不同,分離和成像是同時(shí)進(jìn)行的,分離方法的實(shí)現(xiàn)是和偏移成像方法聯(lián)系在一起的。

3.1 等效偏移距(EOM)繞射波成像方法

傳統(tǒng)異常波(繞射波和斷面波等)是由于非水平彈性界面或非均勻體的存在造成的。等效偏移距疊前時(shí)間偏移方法的原理是將地下的每一個(gè)點(diǎn)看成散射點(diǎn),對(duì)地震道集進(jìn)行重排,在給定的偏移距范圍內(nèi)形成共散射點(diǎn)(CSP)道集,繼而在共散射點(diǎn)道集上采用克?；舴蚍e分實(shí)現(xiàn)成像[33]。該方法所形成的共散射點(diǎn)道集中偏移距變化范圍較大,基本包含了偏移孔徑內(nèi)所有偏移距的地震數(shù)據(jù),覆蓋次數(shù)和信噪比均較高。因此,更適合解決繞射波發(fā)育的復(fù)雜非均質(zhì)體以及低信噪比地區(qū)的成像問(wèn)題。

3.1.1 方法原理

等效偏移距是指共散射點(diǎn)在地面的投影與震源、接收點(diǎn)位置之間的距離。因此,震源-散射點(diǎn)-接收點(diǎn)的旅行時(shí)等于震源-散射點(diǎn)-接收點(diǎn)的輸入旅行時(shí)。等效偏移距地震繞射波偏移成像方法分為:①將每個(gè)輸入的采樣點(diǎn)映射到一個(gè)共散射點(diǎn)道集上,并在等效偏移距上將這些能量累積起來(lái);②偏移疊加,通過(guò)對(duì)沿正常時(shí)差旅行時(shí)的共散射點(diǎn)道集求和完成。

利用雙平方根(DSR)方程,等效偏移距繞射波成像方法直接對(duì)某一時(shí)刻的地震響應(yīng)用一個(gè)等效偏移距定義,并將其映射成一個(gè)共散射點(diǎn)道集,一旦共散射點(diǎn)道集形成,克希霍夫NMO完全等效于疊前偏移。共散射點(diǎn)道集不需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)做DMO和時(shí)移,并且可以依據(jù)原始數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系建立任一位置處的共散射點(diǎn)道集。

3.1.2 等效偏移距共散射點(diǎn)道集及成像

共散射點(diǎn)道集描述為包含共散射點(diǎn)散射能量的所有記錄道。疊前偏移的輸出道能量決定于所有輸入道的能量?，F(xiàn)在震源-接收點(diǎn)偏移距hsr失去了輸入道的偏移距意義,但是從震源到共散射點(diǎn)的位置偏移距hs與共散射點(diǎn)到接收點(diǎn)hr變得更有意義。共偏移距共散射點(diǎn)道集的偏移距可以由hs或hr定義,這些新的偏移距和偏移成像將依賴于震源到散射點(diǎn)和散射點(diǎn)到接收點(diǎn)的速度信息。

等效偏移距疊前時(shí)間偏移通過(guò)定義一個(gè)炮檢點(diǎn)位于同一位置的等效偏移距點(diǎn)E。利用E點(diǎn)到共散射點(diǎn)的距離hE,將疊前時(shí)間偏移的雙平方根方程改寫為單平方根方程,其偏移實(shí)現(xiàn)為:

(7)

可得到:

(8)

式中:τ為偏移后反射點(diǎn)的垂直雙程旅行時(shí);h為偏移距;x是反射點(diǎn)的地面位置;y是共中心點(diǎn)的地面位置;選取等效偏移距hE做等效偏移距變換,則有

(9)

使其旅行時(shí)tE滿足:

tE=t=ts+tr

(10)

(7)式的雙平方根方程可以轉(zhuǎn)換為含有等效偏移距hE的單平方根方程,即:

(11)

(9)式是等效偏移距疊前時(shí)間偏移的基本公式?？蓪?h,t)域的共中心點(diǎn)(CMP)道集數(shù)據(jù)映射為(hE,t)域的共散射點(diǎn)道集數(shù)據(jù)。

圖4為等效偏移距變換的幾何關(guān)系示意。上述共中心點(diǎn)道集映射到共散射點(diǎn)道集過(guò)程中,旅行時(shí)沒(méi)有變換,可以認(rèn)為,數(shù)據(jù)映射時(shí)不需要對(duì)反射振幅作補(bǔ)償處理,形成的共散射點(diǎn)道集是相對(duì)振幅保真的。

圖4 等效偏移距示意

根據(jù)克?；舴虔B前時(shí)間偏移公式,可得到共散射點(diǎn)道集成像公式為:

(12)

式中:x為空間位置;pi[x,hE,t-(r/vrms)]為共散射點(diǎn)道集輸入波場(chǎng);ρ(t)為對(duì)時(shí)間求導(dǎo)的算子;ΔhE為等效偏移距采樣間距;P0(x,τ,t=0)為疊前時(shí)間偏移成像結(jié)果。用(12)式對(duì)共散射點(diǎn)道集進(jìn)行積分求和,就得到等效偏移距疊前時(shí)間偏移成像結(jié)果。

等效偏移距成像能夠有效利用繞射波進(jìn)行成像,尤其是低信噪比、構(gòu)造復(fù)雜和非均勻區(qū)域的資料。該處理思路在沿用傳統(tǒng)共中心點(diǎn)水平疊加技術(shù)上,將共中心點(diǎn)道集換成共散射點(diǎn)道集,使其速度分析、NMO和水平疊加都基于共散射點(diǎn)道集,使特殊地質(zhì)體產(chǎn)生的繞射波能夠有效成像,從而提高精細(xì)斷層和巖性地質(zhì)體的成像精度。

3.2 基于克?；舴蚍e分的繞射波成像

基于克希霍夫積分繞射波成像方法,首先利用克?；舴虔B前深度偏移(PSDM)產(chǎn)生角道集。然后,利用角度域克?；舴虔B前深度偏移并基于斯奈爾定律實(shí)現(xiàn)繞射波分離成像。最后,基于提取的傾角道集,對(duì)積分法中的偏移孔徑進(jìn)行約束,從而改善成像剖面的質(zhì)量。積分法偏移中的角度域共成像點(diǎn)道集(ADCIG)的提取,與波動(dòng)方程偏移過(guò)程相比,快速、簡(jiǎn)便且易于實(shí)現(xiàn),也利于實(shí)現(xiàn)3D大規(guī)模數(shù)據(jù)下地震數(shù)據(jù)的克?；舴虔B前深度偏移及角道集輸出的并行計(jì)算。

基于旅行時(shí)梯度場(chǎng)的克?；舴虔B前深度偏移角道集輸出方法,核心步驟為:①利用任意介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法(dynamic programming,DP)旅行時(shí)計(jì)算方法提供炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的旅行時(shí)場(chǎng);②根據(jù)旅行時(shí)場(chǎng)的梯度方向計(jì)算反射張角,在偏移過(guò)程中抽取角度域共成像點(diǎn)道集,積分法成像過(guò)程中提取角度道集的難易程度取決于正問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)方式,動(dòng)態(tài)規(guī)劃旅行時(shí)計(jì)算是三維大規(guī)模地震數(shù)據(jù)積分法成像的高效正算子?？尚行缘卣鸩ǖ淖邥r(shí)計(jì)算是克?；舴虔B前深度偏移的核心。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法計(jì)算任意復(fù)雜介質(zhì)中的走時(shí),此方法的核心是構(gòu)造從源點(diǎn)到當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的平均慢度?；贔ermat原理,用球面波近似導(dǎo)出走時(shí)計(jì)算所用的公式,并用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法搜索到達(dá)當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的初至走時(shí)。

道集生成方法原理如圖5所示。在三維情況下,散射點(diǎn)處波的傳播方向可以用入射慢度矢量和散射慢度矢量來(lái)描述。即存在描述入射與散射(包括繞射和反射)方向特征的兩個(gè)角度:入射角(散射張角的一半)和散射方位角(即局部入射與散射慢度所在平面的方位角)。入射與散射慢度的矢量和稱為照明矢量,是描述局部照明方向的兩個(gè)角度,即照明矢量的傾角與方位角。角度域共成像點(diǎn)道集的提取考慮了入射與散射(包括繞射和反射)方向特征的兩個(gè)角度。

圖5 道集生成原理[34]

在射線理論框架下,通過(guò)旅行時(shí)場(chǎng)的空間梯度計(jì)算得到入射角度信息。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法計(jì)算得到炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)旅行時(shí)場(chǎng),計(jì)算旅行時(shí)場(chǎng)的梯度方向,進(jìn)而得到炮檢點(diǎn)入射方向PS和PR。3D情況下,PS和PR的計(jì)算公式可以表示為:

(13a)

(13b)

利用PS和PR可計(jì)算得到入射角γ和散射方位角φ為:

(14a)

(14b)

式中:PM為PS和PR夾角的角平分線方向。

利用計(jì)算得到的入射角γ和散射方位角φ,就可以在偏移過(guò)程中抽取相應(yīng)方位角范圍下的角度域共成像點(diǎn)道集。反射波的入射和反射遵循斯奈爾定律,即滿足入射和反射一一對(duì)應(yīng),反射能量主要集中在反射方向上。然而,繞射波的入射和繞射并不遵循斯奈爾定律,即不滿足入射和繞射一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此,入射波遇到地下介質(zhì)中的繞射體時(shí),產(chǎn)生的繞射波分散在各個(gè)方向,繞射波的能量也因此分布于各個(gè)方向。由此,可以利用該特征,在角度域進(jìn)行繞射波場(chǎng)和反射波場(chǎng)的分離。角度域中的克?；舴虔B前深度偏移公式可以表示為:

(15)

式中:W表示權(quán)函數(shù);d表示地震數(shù)據(jù);?為照明傾角;θ表示入射張角;φ表示方位角。由上述分析可知,繞射波的入射和繞射并不遵循斯奈爾定律,入射波經(jīng)過(guò)繞射后分散在各個(gè)方向上,為此修改權(quán)函數(shù)W,以此利用斯奈爾定律進(jìn)行繞射波的分離與成像。

(16)

式中:θs,θr分別為入射角和反射角(繞射角);δ為取值的閾值角度。

克?；舴蚍e分法偏移對(duì)繞射波成像可以簡(jiǎn)單理解為地震數(shù)據(jù)在繞射時(shí)距曲線上的不同加權(quán)。繞射時(shí)距曲線上的地震數(shù)據(jù)以兩種形式存在,即相切與相交。由偏移理論可知,與繞射時(shí)距曲線相切的地震數(shù)據(jù)疊加可以得到地下介質(zhì)的像;與繞射時(shí)距曲線相交的地震數(shù)據(jù)疊加后會(huì)相長(zhǎng)干涉。但是因?yàn)榈卣饠?shù)據(jù)的照明不足和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜等,相長(zhǎng)干涉后仍然會(huì)產(chǎn)生偏移噪聲,即積分法中所謂的偏移“畫弧效應(yīng)”。為了克服積分法中的“畫弧效應(yīng)”,只需要疊加與繞射波時(shí)距曲線相切的地震數(shù)據(jù)。換句話說(shuō),需要一個(gè)有限孔徑的克?；舴虔B前深度偏移。

基于旅行時(shí)場(chǎng)進(jìn)行的角度域克?；舴虔B前深度偏移是有效可行的。利用繞射波和反射波在斯奈爾定律上的不一致,進(jìn)行的繞射波分離成像可行且具有明確的物理意義。利用在成像過(guò)程中提取得到的Dip-angle道集實(shí)現(xiàn)有限孔徑的克?；舴虔B前深度偏移,消除了因?yàn)榈卣饠?shù)據(jù)的照明不足和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜等相長(zhǎng)干涉后仍然會(huì)產(chǎn)生的偏移噪聲。

為了驗(yàn)證本論文方法提高繞射目標(biāo)體成像分辨率的能力,選用包含豐富斷層信息及斷塊砂體的模型(圖6)。從模型中我們可以看出,兩條平層提供了反射信息成分,中部發(fā)育的兩條斷層以及斷層附近存在大量的斷塊砂體,這種小尺度的斷塊砂體和大傾角的斷層均會(huì)導(dǎo)致發(fā)育大量的繞射波。由圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn),繞射波能量成像剖面中反射能量得到了很好的壓制,繞射目標(biāo)體凸顯出來(lái),繞射目標(biāo)成像方法對(duì)由繞射能量描述的斷層面刻畫清晰,對(duì)繞射點(diǎn)成像準(zhǔn)確,有利于地震構(gòu)造解釋。

圖6 斷塊砂體速度模型

圖7 斷塊砂體模型試算結(jié)果a 全波場(chǎng)成像結(jié)果; b 繞射波場(chǎng)成像結(jié)果

4 討論與總結(jié)

繞射波攜帶的關(guān)于地下介質(zhì)的信息遠(yuǎn)比反射波多,因此對(duì)于地下介質(zhì)中微小結(jié)構(gòu)的識(shí)別具有更高的分辨能力。在特定情況下,去除反射界面的像,凸顯出繞射體的像對(duì)于特定的油藏類型描述有特別意義,且已經(jīng)在縫洞、河道、尖滅和巖性突變等方面顯示出較好的應(yīng)用前景。

利用繞射波的核心在于繞射波與反射波的分離。在數(shù)據(jù)空間和成像空間進(jìn)行分離是較常用的方法。數(shù)據(jù)空間中,主要利用繞射波和反射波在傳播旅行時(shí)上的不同特征。其中,平面波的構(gòu)建和聚焦的方法都是依據(jù)旅行時(shí)的計(jì)算分離繞射波和反射波。而最重要的問(wèn)題就是旅行時(shí)的計(jì)算。不管是在分離中所用的反射波的旅行時(shí)或者是繞射波的旅行時(shí),其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度與最后的分離效果密切相關(guān)。但是旅行時(shí)的計(jì)算本身就是一個(gè)難題。基于射線理論的方法,即多聚焦技術(shù)和CRS技術(shù)實(shí)質(zhì)上都是建立零偏移距剖面的方法。在時(shí)差方程建立的過(guò)程中,存在很多實(shí)際地質(zhì)條件難以滿足的假設(shè),因而計(jì)算得到的時(shí)差校正量存在精度問(wèn)題。因?yàn)樗蛔阋员磉_(dá)復(fù)雜地質(zhì)條件下的波現(xiàn)象。

成像空間中主要利用了繞射波和反射波在傳播過(guò)程中遵循的不同規(guī)律。反射波在傳播過(guò)程中遵循斯奈爾定律,繞射波在傳播過(guò)程中遵循惠更斯—菲涅耳原理。在角度和射線對(duì)應(yīng)上都存在差異,在角度域中這些差異表現(xiàn)明顯。在成像空間中速度準(zhǔn)確的情況下,繞射波和反射波在成像道集上表現(xiàn)出不同的特征。這種區(qū)別使得兩者在成像空間的分離成為可能。但在此過(guò)程中又涉及到地震勘探的核心問(wèn)題,即速度問(wèn)題。我們?cè)诔上窨臻g中利用拉平成像道集得到速度,成像道集的拉平本身是不區(qū)別繞射波和反射波的。

總之,隨著繞射波和反射波分離技術(shù)的發(fā)展,在數(shù)據(jù)空間中尋找二者的分離方法是重要環(huán)節(jié)之一?；诰植拷嵌确治雠c成像空間分離方法相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜速度結(jié)構(gòu)和實(shí)際地震數(shù)據(jù)的繞射波和反射波分離。繞射波本質(zhì)是三維現(xiàn)象,只有將沿各個(gè)方向出射的繞射波能量都聚焦起來(lái),才能實(shí)現(xiàn)繞射波最佳成像。在三維情況下進(jìn)行繞射波分離并成像效果更佳。