高效高精度初至波层析静校正方法及应用

李录明，贺玉山，罗省贤

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.大庆钻探工程公司 物探一公司，黑龙江 大庆163357）

目前，适应任意介质的层析静校正已是解决复杂表层静校正问题的主要方法，并广泛应用于二维、三维地震资料处理之中［1，2］。随着三维勘探面积扩大及采集道数的增加，反演的三维表层模型体积增大，网格点增多，适应任意介质的层析静校正处理的工作量激增（其中包括初至拾取的工作量和层析反演的工作量），占用人力资源及设备资源也越来越多（如多计算节点、多CPU等）。通常在处理大面积三维资料时，为了节约时间和设备资源，采用加大深度方向网格间距，减少网格点数的方法；但增大深度方向网格间距会降低反演模型的精度，影响层位分辨率。在处理静校正问题中，由于各区域地表的差异及多样性，对于一些特复杂地区，地表速度纵、横向变化无规律，适应层状介质的折射层析方法得不到好结果，因此用适应任意介质的层析静校正的处理代价换取处理效果是有必要的。但在一些表层相对简单地区，若仍使用适应任意介质的层析静校正则代价太大，当深度方向网格间距取得较大时多层分层精度也受影响，这时应考虑采用多层层状介质模拟，研究一种高效、高精度的初至波静校正方法。针对以上问题，作者在研究适应任意介质的层析静校正方法的基础上［1，2］，研究了一套包括快速初至时间拾取、快速表层模型折射反演、快速计算低频校正量及高频校正量、快速地表一致性和地表非一致性时差校正方法的高效、高精度快速初至波静校正方法软件。

1 基本方法及流程

高效、高精度快速初至波静校正的基本方法及流程如下：①用交互及自动初至拾取相结合的方法快速拾取初至时间；②对拾取初至时间进行折射时距曲线模拟，自动实现折射波分层，再进行折射层参数反演，可反演不受深度方向网格间距影响的表层层状模型；③基于反演的表层模型，用直射线法计算静校正量的低频分量；④用计算的低频分量对初至时间进行静校正；⑤用低频分量校正后的初至时间再次进行折射时距曲线拟合、自动分层，统计地表一致性静校正量的高频分量；⑥将低频分量与高频分量合并，完成地表一致性静校正，或由反演模型通过波场延拓实现地表非一致性静校正。

1.1 快速初至拾取方法

在初至波表层模型层析反演中，初至时间拾取正确与否决定着表层模型反演质量，因此初至拾取是非常重要的基础工作，需要正确和细致。同时，初至时间拾取又是非常耗费时间的过程，既占用大量人力，又影响处理周期，因此需要有快速的拾取方法。本文采用以下快速方法。

1.1.1 炮集记录重排序

将未按地理位置顺序排列的炮集记录重排为按地理位置顺序排列的炮集记录，利用相邻炮的相似性提高初至自动拾取的效率。

1.1.2 自动初至拾取方法

将前一CSP炮集已拾取的初至作为参考，对当前CSP炮集进行自动初至拾取。基本方法是利用初至波的能量特征、波形特征、时距曲线特征和道间相关性进行自动检测，步骤如下。

a.截去每道负半周信号（如果初至波为负极性，可先将记录反转极性）。

b.计算各道平均能量。c.按噪声百分比去噪声。d.在前一炮的参考时窗内，检测各道最大极值点前所有的波形峰值点。

e.统计各道最大极值点处波形的平均宽度，作为信号的平均视周期。

f.根据平均视周期，由最大极值点处的波峰向小时间方向搜索初至起跳点。

g.线性拟合初至时间，控制偏差量。

在实际资料处理中，可根据需要按上述过程进行适当的迭代处理。

1.1.3 交互拾取与自动拾取相结合

采用交互拾取方法，大间隔人工（半自动）拾取若干炮作为控制点，再自动拾取其他炮，经交互检查，并对上述过程进行适当的迭代，可极大地提高初至拾取效率及精度。图1为对某炮自动拾取的部分初至。

1.2 快速折射层析反演方法

在低速的表层层状介质中容易产生折射。按照折射波理论，折射波时距曲线为直线，多层折射波时距线为折线段。折射波反演的关键是检测或识别各层的时距线段，然后再根据折射波时距方程反演地表地层的速度和厚度。

1.2.1 折射波线性拟合及二分法自动分层方法

在精确拾取的初至时间基础上，自动追寻各层折射波时距线的拐点是自动分层的关键。由于折射波时距线是直线或近似为直线，不同速度地层的折射波时距线段斜率不同，两层折射波时距线段之间必存在一拐点，因此，拐点成为由折射波时距线的斜率变化来分层的依据。本文采用二分法自动完成追寻各层折射波时距线的拐点，其方法如下：将三维CSP各道按炮点左右（x方向）分为两部分，对每一部分再按炮检距大小将初至排列为二维时距曲线，先将时距曲线一分为二，对每一段再一分为二，分隔点在段内采用逐点变化，可得多个分段，对每个分段均采用线性拟合的方法，判别各段的拟合误差，应用极大优化估计理论，即可自动找到第一分段中的最大拐点。由2个第一分段中的最大拐点可将时距曲线分为3段，以最大拐点为界，再在每一段中用上述二分法寻找是否还有拐点，若有拐点，记录拐点，再次二分；依此类推，从而达到自动分层，同时可得各层直线的斜率和截距，为反演奠定基础。这种方法不需要初始条件，如层数、速度、厚度等，完全自动分层。图2为初至时间自动拟合分层结果，图中的点描述了初至时间，实线为分段结果。图中以x＝0为界，两边各有4个折线段。

图1 自动拾取的某炮集的部分初至时间Fig.1 The automatically－picked up partial first arrival time of one shot

图2 初至时间拟合自动分层结果Fig.2 The automatically layered－built result by first arrival time fitting

1.2.2 反演各层速度及厚度

已知各层折射波时距线段的斜率和截距，即可知各层的速度vi和t0i，然后用下式逐层计算层厚度：

式中：di为层厚度；αi为入射角或临界角。

对每个炮点分别求所在位置的速度模型，将其分布在排列所在的平面，再按同坐标统计叠加并取均值，即为反演的速度模型。

1.3 快速计算低频校正量及高频校正量

静校正量分为低频及高频两部分，低频量一般与表层模型有关，而高频量具有随机性和统计性。

1.3.1 低频静校正量计算

根据反演所得的二维、三维速度模型，用射线法计算炮点、接收点的静校正量，并显示地形高程、静校正量平面图。

1.3.2 初至波高频静校正量计算

反演模型计算的静校正量主要以低频分量为主。在对炮集初至进行低频分量校正的基础上，通过初至分段线性拟合，求取各道时间与拟合线的差值即为高频时差分量。再对同一炮点及接收点进行时差统计分离，可求得各炮点及接收点的高频静校正量。

用计算的高、低频校正量进行常规时差静校正，即为地表一致性静校正，这是静校正量应用方法之一。

1.4 地表非一致性时差校正

地表一致性静校正方法建立于反射波射线在表层垂直传播的基础之上。实际中，由于炮检距、反射深度以及表层速度结构的不同，很难保证反射波射线在表层垂直传播。因此，地表一致性很难保证，故静校正量在大多数情况下具有地表非一致性。对于如何实现地表非一致性时差校正，本文的思路及方法如下：根据波动理论，地震波无论在深层或浅层的传播规律均满足波动方程。如果已知表层速度模型，通过求解波动方程延拓地震波场，则可再现波在表层的传播过程［3］。因此，用波场延拓的方法将非规则地表激发和接收的地震波延拓到某一稳定高速层界面上，作为该高速层界面上激发和接收的地震波场，然后再用替换速度延拓到基准面，即可消除表层速度变化对地震波的影响；而且这种消除时差的处理以波动理论为基础，能自适应各种复杂的速度模型和波的传播路径，从而可解决表层曲射线传播和变时差校正的难题。该方法即可称为地表非一致性时差校正。

在波场延拓变时差校正过程中，低频校正可直接用表层模型通过波场延拓实现，而高频量是直接对道集校正。本文采用了并行计算［4］快速实现波动方程波场延拓变时差校正。

2 应用实例

用以上方法处理了二维及三维地震资料，图3为二维地震资料层析静校正结果对比图，其中图3－A为本文反演的二维表层模型，图3－B为利用微测井加静校正商业软件计算校正量得到的叠加剖面，图3－C是由本文反演模型的高、低频校正量处理的叠加剖面。

图3 二维地震资料层析静校正结果对比图Fig.3 Comparison of the tomographic static correction results of 2－D seismic data

图4为三维地震资料层析静校正结果对比图，其中图4－A为本文反演的三维表层模型，图4－B为利用微测井加静校正商业软件计算校正量得到的叠加剖面，图4－C是由本文反演模型的高、低频校正量处理的叠加剖面。图5为反演的三维表层模型常规静校正与波场延拓变时差校正结果对比图，其中图5－A为反演的三维表层模型常规静校正叠加剖面（地表一致性），图5－B为反演的三维表层模型波场延拓变时差校正叠加剖面（地表非一致性）。由处理结果可见，本文反演模型静校正效果优于微测井加静校正商业软件计算校正量效果，波场延拓变时差校正（地表非一致性）效果优于常规静校正（地表一致性）效果。

3 结束语

质量好且效率高的处理方法是地震资料处理中追求的目标，因此对地表不十分复杂、但静校正问题仍然很严重的地区，采用快速高精度初至波静校正的处理是很有必要的。本文方法可同时计算低频及高频校正量，不但可校正构造形态，而且可提高成像效果，还可通过波场延拓进行变时差校正，实现地表非一致性时差校正。实际资料处理表明，该方法的处理效率是同规模网格层析反演的上千倍（例如，在单CPU上反演40km的二维模型仅需几秒），在保证高精度的同时显著提高了处理效率。

图4 三维地震资料层析静校正结果对比Fig.4 Comparison of the tomographic static correction results of 3－D seismic data

图5 三维表层模型常规静校正与波场延拓变时差校正结果对比Fig.5 Comparison for normal static correction and variable time correction of wave－filed continuation based on 3－D surface model

［1］李录明，罗省贤，赵波.初至波表层模型层析反演［J］.石油地球物理勘探，2000，35（5）：559－564.Li L M，Luo S X，Zhao B.Tomographic inversion of first break in surface model［J］.Oil Geophysical Prospecting，2000，35（5）：559－564.（In Chinese）

［2］李录明，罗省贤.复杂三维表层模型层析反演与静校正［J］.石油地球物理勘探，2003，38（6）：636－641.Li L M，Luo S X.Tomographic inversion for 3－D complex near－surface model and static correction［J］.Oil Geophysical Prospecting，2003，38（6）：636－641.（In Chinese）

［3］李录明，罗省贤.波场延拓表层模型校正［J］.石油地球物理勘探，2001，36（5）：572－583.Li L M，Luo S X.Surface model correction by wavefield continuation［J］.Oil Geophysical Prospecting，2001，36（5）：572－583.（In Chinese）

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［7］罗省贤，何大可.基于MPI的网络并行计算环境及应用［M］.成都：西南交通大学出版社，2001.Luo S X，He D K.Network Parallel Computing Environment and Application Based on MPI［M］.Chengdu：Publisher of Southwest Jiaotong University，2001.（In Chinese）