各向异性全速度建模技术在山地地震成像中的应用

李 源,刘 伟,刘 微,王 敏,秦 龙

(1.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心,四川成都610213;2.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;3.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司川中油气矿勘探开发研究所,四川遂宁629000;4.北京中油瑞飞信息技术有限责任公司,四川成都610041)

各向异性全速度建模技术在山地地震成像中的应用

李 源1,2,刘 伟2,刘 微3,王 敏4,秦 龙2

(1.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司物探研究中心,四川成都610213;2.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;3.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司川中油气矿勘探开发研究所,四川遂宁629000;4.北京中油瑞飞信息技术有限责任公司,四川成都610041)

针对我国南方山地探区复杂地表和复杂地下构造导致常规各向同性叠前深度偏移难以准确成像问题,研究了基于TTI各向异性的全速度建模技术,建立了一套起伏地表条件下各向异性全速度建模的技术思路和实现流程。首先采用井约束初至层析反演方法建立准确的起伏地表速度模型,将其与常规处理获得的中深层速度模型进行匹配拼接,建立起初始的各向同性起伏地表全速度模型;然后通过井震联合的方法获取各向异性参数,将其加入到各向同性起伏地表全速度模型中,结合倾角和方位角数据,实现TTI各向异性起伏地表全速度建模。四川盆地DXC工区地震资料的成像处理验证了各向异性全速度建模技术的有效性;基于TTI各向异性全速度模型的起伏地表Kirchhoff叠前深度偏移结果有效地消除了起伏地表的影响,同时降低了复杂构造与速度各向异性对地震成像的影响,使得地下构造成像更合理也更精确。

起伏地表;复杂构造;TTI介质;全速度建模;叠前深度偏移

我国南方山地探区的地表起伏大、速度横向变化剧烈,导致近地表速度建模困难;而且其地下地质构造复杂,各向异性问题严重,导致常规的各向同性叠前深度偏移难以准确成像。目前,起伏地表叠前深度偏移是这种“双复杂”探区地震成像的最有效手段[1]。但是,复杂地表条件下的复杂构造准确成像面临的问题并非只是偏移算法本身,其核心问题是速度模型的准确性问题[2]。叠前深度偏移只有在输入精确的速度模型的前提下才能获得理想的成像结果。所以建立精确的速度模型至关重要。

大量研究表明,对存在各向异性的地下介质使用传统的地震成像处理方法会出现偏移假象,成像精度难以保证。Meadows等[3-4]实现了椭圆各向异性介质的频率-波数域偏移和相移法偏移。后来,Arcangelo等[5]、Hokstad等[6]和Alkhalifah[7]又实现了Kirchhoff积分法、高斯束深度偏移对各向异性介质的地震成像。滕吉文等[8]和张秉铭等[9]研究了各向异性介质的有限差分偏移,张秉铭等[10]实现了各向异性介质中的弹性波多分量联合逆时深度偏移。刘礼农等[11]研究了三维垂直横向各向同性(VTI)介质深度偏移。基于双程波动方程的逆时偏移能够适应速度任意变化,具有无倾角限制、偏移精度高等优点,比单程波动方程偏移和克希霍夫积分偏移更适合于复杂构造的地震成像。Alkhalifah[12]以横波速度等于零为假设条件,通过引入动校正速度和各向异性参数η推导出了VTI介质中的双程准P波方程,为利用纵波资料进行各向异性逆时偏移提供了理论基础。张美根等[13]研究了各向异性弹性波的有限元逆时偏移算法及人工吸收边界条件等问题,通过模型试算验证了算法的有效性和准确性,证实了传统各向同性偏移算法已不能较好地适应当今高精度勘探的要求。韩令贺等[14]根据VTI介质中的一阶准P波方程,实现了VTI介质中准P波叠前逆时深度偏移。王锡文等[15]将逆时偏移技术应用于具有复杂地表特征的陕北地区,采用高阶有限差分实现了基于起伏地表的叠前逆时偏移。李博等[16]通过加入横波分量有效地解决了倾斜横向各向同性(TTI)介质中基于准P波方程逆时偏移稳定性差的问题,实现了TTI介质中的逆时偏移。对于理论模型,上述方法都能够实现准确的地震偏移成像,这是因为理论模型的速度场和各向异性参数场都比较准确,但是在实际生产中想要准确地求取这些信息十分困难,这是各向异性介质成像的又一个难点。

直接从起伏地表进行叠前偏移可以在“双复杂”探区获得比较精确的地震成像。该技术始于20世纪90年代中期,Rajasekaran等[17]利用初至层析成像估算近地表速度,采用相干反演、聚焦分析和反射层析等手段建立深层速度模型,应用双程波有限差分逆时偏移方法实现起伏地表的偏移成像。刘少勇等[18]研究了克希霍夫叠前深度偏移方法在起伏地表的应用,并提出了相应的处理流程。杨勤勇等[19]讨论了全速度模型建立技术,即浅层、中深层速度融合技术,给出了起伏地表条件下综合建立各向同性全速度模型的实现流程,并实现了起伏地表的叠前深度偏移。

我国南方山地探区地表起伏大,既有高速岩层直接出露地表,也有低速疏松的堆积物覆盖于地表,速度横向变化剧烈导致近地表模型建立困难。与此同时,山地地区的地下地质构造复杂,各向异性问题严重,复杂构造难以准确成像。本文针对山地地震成像的难点,在文献[19]给出的各向同性全速度建模技术的基础上,讨论了基于各向异性的全速度模型建立技术,建立了一套起伏地表条件下各向异性全速度建模的技术思路和实现流程。通过四川盆地DXC工区地震资料基于TTI各向异性速度模型的起伏地表Kirchhoff叠前深度偏移成像处理,验证了各向异性全速度建模技术的有效性。

1 基本原理

起伏地表各向异性全速度模型的建立主要包括两部分:第一部分是建立起伏地表各向同性速度模型,第二部分是求取各向异性参数,建立各向异性速度模型。为了建立精确的近地表速度模型,采用了井约束的基于大炮初至的层析反演技术;为了获取各向异性参数,采用了各向异性速度分析和井资料联合的方法。下面详细介绍约束层析反演与各向异性速度分析的基本原理,以及建立各向异性全速度模型的技术流程。

1.1 约束层析反演基本原理

近地表速度调查的微测井方法不受地形起伏影响,表层结构不限于层状介质,能适应表层速度反转的情况;但是其探测深度有限,在巨厚低速层地区,微测井很难到达高速层的顶界面。相反,大炮初至由于观测排列长度大,可以得到较深的探测深度,两种数据之间可以互补[20]。因此,本文利用微测井约束的初至波层析反演建立精确的近地表速度模型。

在旅行时层析反演中,观测数据的旅行时与参考速度模型的旅行时之差可以通过慢度差沿着射线路径的线性积分得到[21-22],即:

(1)

式中:ΔT为旅行时残差向量;dl为沿着射线路径L的射线微分长度;ΔS为参考速度模型与真实模型的慢度差向量(慢度修正量)。采用矩形网格离散化,并设网格速度单元个数为N,射线数为M,可以得到如下的层析反演公式[22]:

(2)

式中:A是灵敏度矩阵。引入K个约束条件后,即方程(2)的N个速度单元中有K个已知,可建立起K维约束方程组[18,22],即:

(3)

其中，C为已知的K个约束条件的Jacobi矩阵,有：

(4)

(5)

式中:si为第i个网格单元的上一次迭代层析反演得到的慢度值。联合旅行时方程(2)式和约束方程(3)式可建立方程组[21,23],即:

(6)

其中:

(7)

式中:λ为约束系数;B是(M+K)×N维矩阵。

从目标函数中可以看出,λ=0,相当于没有约束;λ越大,相当于约束方程在目标函数中所占权重越大,约束越强。方程组(6)的拉格朗日最优约束的目标函数可表示为[21,23]：

(8)

1.2 各向异性速度分析基本原理

1.2.1 各向异性参数定义

广义虎克定律表明,各应变分量可以通过弹性系数矩阵表示为应力分量的线性组合形式[24]。VTI介质中的弹性系数矩阵可表示为:

(9)

弹性系数矩阵虽然能够表征弹性介质的应变张量与应力张量的关系,但是它的物理意义并不直观,不方便使用[25]。为了更加清晰直观地描述地震波传播过程中各向异性的影响,Thomsen[26]巧妙地定义了VTI介质的5个各向异性表征参数,使得地震数据与VTI介质参数之间有了比较明确的关系和清晰的物理意义。5个参数定义如下:

(10)

式中:ρ为介质的密度；vP和vS分别为介质中qP波和qS波的垂直方向传播速度；ε,δ和γ为VTI介质的各向异性参数。介质的纵波各向异性参数ε越大,纵波各向异性越强;介质的横波各向异性参数γ越大,横波各向异性越强;δ为变异系数。

当地层由于构造运动发生褶皱时,横向各向同性介质(TI介质)的对称轴不再是垂直的或水平的,而是与观测坐标系存在一定夹角,此时就形成了TTI介质;VTI介质只是对称轴与观测坐标的夹角为90°时的TI介质。因此,我们可以引入平面波传播的极化角θ,平面波传播的方位角φ,通过旋转VTI介质弹性系数矩阵来获得TTI介质的弹性系数。

1.2.2 各向异性参数求取

对于各向异性介质,特别是在大偏移距道集上,常规的双曲线动校正方法得不到准确的校正结果。为此Alkhalifah等[27]提出了任意各向异性情况下的非双曲线时差方程:

(11)

式中:η为等效各向异性参数,表征时差曲线的非双曲程度;vNMO为各向同性速度,即近偏移距动校正速度。参数η和vNMO都可以表示为VTI介质的地层参数(垂直速度vp0,Thomsen参数ε,δ)的函数,即:

(12)

(13)

从以上公式可以知道,对地震资料利用式(11)进行速度分析,只能够获得vNMO和η两个参数,联合(12)式和(13)式也无法直接计算出vp0和ε，δ三个地层参数。通过理论分析和处理试验,本文采用了井-震联合求取各向异性参数的方法,具体实现步骤如下。

1) 利用近偏移距道集数据,用常规速度分析方法得到各向同性速度vNMO。

2) 利用常规偏移剖面层位解释得到各标准层的深度,联合测井分层数据根据下式求取对应层位的δ值。

(14)

3) 利用远偏移距道集数据和获得的δ,根据(11)式和(13)式进行各向异性速度分析,以同相轴拉平为标准获得ε。

1.3 各向异性全速度建模流程

实际处理中的起伏地表TTI各向异性全速度建模的具体实现流程(图1)如下。

1) 利用微测井约束的网格层析反演建立起伏地表初始速度模型。

2) 在基于浮动面叠前时间偏移的基础上,获取较精确的时间域均方根速度模型;并通过Dix公式将时间域速度模型转换为深度域层速度模型,利用工区钻、测井资料对层速度进行编辑、平滑等处理获得具有空间分布规律且收敛的中深层初始层速度模型。

3) 对层析反演得到的近地表初始速度模型与中深层初始层速度模型进行拼接,把近地表模型的倒数第二层作为拼接面,上下移动拼接面来确定一个拼接的时窗,在匹配拼接的时候对时窗内的速度进行平滑、插值处理,以保持速度的低频背景和消除速度突变,最终建立起初始起伏地表各向同性全速度模型。

图1 起伏地表TTI介质全速度建模与叠前深度偏移处理流程

4) 基于初始全速度模型进行起伏地表叠前深度偏移,自动拾取共成像点(CIP)道集上的剩余时差进行网格层析反演以更新速度模型,最终获得较理想的起伏地表各向同性全速度模型。

5) 通过偏移地震数据提取方位角和倾角数据,结合通过各向异性速度分析求取的各向异性参数(δ,ε)模型,在起伏地表各向同性全速度模型的基础上建立初始TTI各向异性全速度模型。

6) 基于初始各向异性全速度模型进行起伏地表叠前深度偏移,同样采用网格层析反演的方法多次迭代更新速度模型,最后得到准确合理的起伏地表叠前深度偏移速度模型。

2 偏移效果分析

2.1 工区概况

DXC工区位于四川盆地内,属于山地-丘陵地貌。工区内地形起伏较大,山地地势陡峭,相对高差大(最高海拔1200m,最低海拔430m)。工区的主要构造为DXC潜伏构造,构造走向呈北东向,断层较为发育,多为倾轴逆断层,构造成像受断层影响较大。由于工区具有复杂的地表、地下地质条件和严重的各向异性问题,各向同性叠前深度偏移无法得到准确的成像结果。采用本文提出的基于各向异性全速度建模技术的叠前深度偏移方法取得了理想的效果。

我们抽取了该工区内的一条二维测线资料来进行处理试验。图2a和图2b分别给出了目标测线井约束层析反演建立的起伏地表速度模型和常规处理得到初始各向同性中深层速度模型。采用本文提出的起伏地表TTI各向异性全速度建模思路建立了较精确的各向同性叠前深度偏移速度模型(图3a)和各向异性叠前深度偏移速度模型(图3b)。

图2 起伏地表速度模型(a)和中深层初始速度模型(b)

图3 起伏地表叠前深度偏移速度模型

2.2 偏移成果对比分析

图4为一个井旁的CIP道集,图中绿色横实线和淡蓝色横实线分别代表标准层(须家河组底和阳新统顶)在此井中的钻遇深度,绿色和淡蓝色虚线上方相邻的波峰同相轴分别是须家河底面和阳新统顶面的反射。在基于起伏地表各向同性速度模型的CIP道集(图4a)中,远偏移距同相轴受各向异性的影响发生了上翘,且两个标准层的成像深度和钻井深度误差较大;而基于起伏地表各向异性速度模型的CIP道集(图4b)中不仅消除了远偏移距同相轴上翘的现象,而且提高了成像精度(标准层的成像深度与钻井深度吻合),且道集的信噪比也得到了提高。

图5a是基于各向同性起伏地表速度模型的叠前深度偏移剖面,图5b和图5c分别是基于初始各向异性起伏地表速度模型和基于迭代更新后的各向异性起伏地表速度模型的叠前深度偏移剖面。图中红色虚线代表钻井位置,绿色和淡蓝色横线的意义与图4中的一致,黄色短线分别指示两个标准层的成像位置。

图4 起伏地表叠前深度偏移共成像点道集

图5 基于不同速度模型的起伏地表Kirchhoff叠前深度偏移剖面

对比图5中基于3种不同速度模型的起伏地表叠前深度偏移结果可见,虽然图5a所示各向同性起伏地表叠前深度偏移结果已经基本消除了起伏地表对成像质量的影响,但是由于复杂构造和各向异性的存在,偏移结果中的两个标准层(须家河底和阳新统顶)的成像深度与钻井揭示的误差仍然比较大,误差深度分别为132m和148m。而图5b 所示的初始TTI各向异性起伏地表叠前深度偏移的资料信噪比和成像质量均好于各向同性叠前深度偏移,由复杂各向异性导致的两个标准层成像深度误差有所降低。经过多次叠前深度偏移和网格层析反演迭代更新速度模型后,得到图5c所示的最终TTI各向异性叠前深度偏移结果,可见偏移剖面中目的层的成像深度与钻井深度更吻合(误差系数均小于1%),构造形态更合理;断层反射可靠,断面接触关系清晰。表1给出了在3种不同速度模型偏移结果中标准层的成像深度与钻井深度误差统计结果。

表1 不同速度模型的叠前深度偏移成像误差统计

3 结束语

各向异性全速度建模技术综合多种信息建立准确的起伏地表各向异性叠前深度偏移速度模型,为复杂山地探区高精度地震成像提供了保障。井约束初至波层析反演方法综合利用微测井和大炮初至的优势建立精确的起伏地表近地表速度模型,是全速度建模技术的基础。以近地表模型的倒数第二层作为拼接面,通过插值、平滑等处理消除拼接时窗内的速度突变,实现了近地表速度模型与中深层速度模型的匹配拼接,建立起起伏地表各向同性全速度模型。在各向同性全速度建模的基础上,通过井-震联合的方法获取各向异性参数,联合倾角和方位角信息建立了初始TTI各向异性全速度模型。采用起伏地表克希霍夫叠前深度偏移进行偏移成像时,自动拾取CIP道集中的剩余时差,利用网格层析反演实现各向异性速度模型的更新,多次迭代后获得了比较理想的成像结果。四川盆地DXC工区的应用结果验证了各向异性全速度建模技术的有效性;与各向同性起伏地表叠前深度偏移结果相比,基于TTI各向异性起伏地表速度模型的叠前深度偏移结果很好地消除了复杂构造与各向异性的影响,偏移结果与钻井资料更加吻合,构造形态合理,断层反射可靠,断点接触关系清晰。

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(编辑：朱文杰)

Application of anisotropic full velocity modeling in the mountainous seismic imaging

Li Yuan1,2,Liu Wei2,Liu Wei3,Wang Min4,Qin Long2

(1.GeophysicalExplorationResearchCenter,CNPCChuanqingDrillingEngineeringCompanyLimitedGeophysicalProspectingCompany,Chengdu610213,China;2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;3.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofCentralSichuanGasMine,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Suining629000,China;4.CNPCRichfitInformationTechnologyCo.,Ltd,Chengdu610041,China)

The complex surface and the complex underground structure lead to inaccurate image from the conventional isotropic pre-stack depth migration in the mountainous area of southern China.Aiming at the problem,a full velocity modeling technology based on TTI anisotropy was studied,a series of technical ideas and workflow of anisotropy full velocity modeling from rugged topography was established.Firstly an accurate irregular surface velocity model was built by the well-constrained first arrival tomographic inversion method.Secondly,an initial irregular surface isotropic full velocity model was built by matching and stitching the near surface model and the mid-depth velocity model was obtained by conventional data processing.Then the anisotropy parameters was obtained through borehole-seismic joint method.Finally,the TTI anisotropic irregular surface full velocity modeling was accomplished by integrating the dip,azimuth and anisotropy parameters into the existing initial irregular surface isotropic full velocity model.Apply the velocity modeling technology to the seismic image of DXC survey in the Sichuan Basin.The processing results show that anisotropic full velocity modeling can achieve available full velocity modeling in the mountainous area; TTI anisotropy velocity model based Kirchhoff pre-stack depth migration from rugged surface can eliminate the influenc of rugged topography and reduce the impact of complex structure and velocity anisotropy on the seismic imaging.

rugged topography,complex geologic structure,TTI media,full velocity modeling,pre-stack depth migration

2014-07-25;改回日期：2014-09-28。

李源(1987—),男,助理工程师,主要从事地震资料处理叠前偏移成像的工作。

国家自然科学基金项目(41304115,41204101)资助。

P631

A

1000-1441(2015)02-0157-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.006