面向复杂山前带的深度域地震成像处理研究

刘定进，刘志成，蒋　波

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，江苏南京211103)



面向复杂山前带的深度域地震成像处理研究

刘定进，刘志成，蒋波

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，江苏南京211103)

摘要:山前构造带具有良好的圈闭条件，是油气资源富集的重要场所，但“复杂地表、复杂地下”的双复杂地震地质条件给地震勘探造成了极大困扰。针对双复杂地震地质条件造成的一系列地球物理难题，以拟真地表地震资料处理思路为纽带，以高保真的叠前预处理为基础，以递进式深度域速度分析与建模为关键，以起伏地表逆时叠前深度偏移成像为核心，建立了一套面向复杂山前带的深度域高精度地震成像处理流程。实际资料处理结果验证了该处理流程的正确性及有效性，为复杂山前带油气勘探提供了有效的地震资料处理技术支撑。

关键词：山前带;地震成像;预处理;速度建模;逆时偏移

我国西部和南方具有广阔的山前构造带，是油气勘探突破的重点领域。山前推覆构造带发育背斜与成排成带的逆冲断块，成藏条件优越，具有巨大的油气资源和良好的勘探前景。经过几十年的攻关研究，中国石油化工股份有限公司在山前带地震勘探中取得了一些重要进展(如龙门山前大邑地区、米仓—大巴山前南江地区、准噶尔北缘哈山地区等均取得了一些突破)，但总体来说勘探程度不高，主要原因在于常规地震资料处理技术面临诸多困难，难以获得可靠的地震成像资料，各种地震解释技术的应用受到限制。

山前带油气地震勘探区往往位于盆山过渡带，“复杂地表、复杂地下”的双复杂地震地质条件是造成一系列地震资料处理难题的根源。“复杂地表”对地震资料的影响主要表现在：①山前带地形起伏剧烈，使地震波的激发、接收效果受到较大影响，地形起伏还使地震波产生复杂的次生干扰，影响地震资料的信噪比;②近地表厚度、速度横向变化大，带来严重的静校正问题;③地表出露岩性变化快，激发效果差异大，地震子波变化剧烈、一致性较差。“复杂地下”对地震资料的影响主要表现在：地下高陡构造发育且变化剧烈、地层倾角变化大，造成深部地震波场十分复杂，横向速度变化剧烈，因而速度建模困难，最终导致精确成像困难。

随着山前带地震勘探开发的不断深入，面向山前带地震资料的针对性处理方法越来越引起研究人员的重视。针对低信噪比问题，夏洪瑞等[1]探讨了山前带地震资料中各种噪声压制方法存在的问题与对策，孙学文等[2-5]研究了山前带地震资料中突出的面波和散射干扰的压制技术;针对地表高程、低降速带变化大引起的静校正问题，刘治凡[6]研究了基于互动基准面的两步法静校正技术，冯泽元等[7-11]利用层析反演技术比较有效地解决了山前带复杂区静校正问题;伴随着叠前深度偏移技术的迅速发展和成功应用，深度域速度建模和地震成像技术也逐渐应用于山前带地震资料处理流程中，张兵等[12-15]研究了双复杂条件下共成像点道集层析速度反演建模技术，Jager等[16-21]研究了起伏地表Kirchhoff叠前深度偏移技术，程玖兵等[22-27]研究了起伏地表单程波动方程叠前深度偏移技术，岳玉波等[28-29]研究了起伏地表高斯束偏移技术，刘红伟等[30-34]研究了起伏地表逆时偏移技术。

首先对常规处理流程进行了仔细分析，并根据山前带地震资料的特点和处理要求进行针对性优化。以拟真地表地震资料处理思路为纽带，以高保真的叠前预处理为基础，以递进式深度域速度分析与建模为关键，以起伏地表逆时叠前深度偏移成像为核心，建立了一套面向复杂山前带的深度域高精度地震成像处理流程。

1传统处理流程分析与优化

图1为传统地震资料处理流程示意图。该流程应用于一些常规地区的资料处理较为有效，但用于“复杂地表、复杂地下”山前带地震资料处理时会产生诸多问题。首先，传统的“静校正+固定面偏移”处理思路不合理，目前静校正技术理论上多数基于地表一致性假设条件，地表一致性假设本身会带来地震波场特征的畸变扭曲，而在地表起伏大、高速岩体出露的山前带地区，由于不满足地表一致性假设，更加剧了这种畸变;其次，传统的叠前噪声压制技术往往侧重于提高信噪比而忽略对弱信号的保护，将其应用于信号和噪声不易区分的山前带地震资料处理中，容易伤害一些反映复杂构造的弱有效波场;最后，传统的时间域偏移技术存在问题，无论是叠后时间偏移还是叠前时间偏移，理论上都是基于地下地层为横向均匀的假设，都是将绕射能量按双曲时距关系收敛到或叠加到绕射时距曲线的顶点上，但并不是把绕射能量归位到其相应的绕射点上去，在地下构造复杂、横向速度变化大的情况下绕射顶点与绕射点存在很大偏差，从而造成成像畸变。

图1　常规地震资料处理流程

针对复杂山前带地震资料的特点和传统常规处理流程存在的弊端，我们采取了针对性的优化措施，主要包括：①将“基于地表一致性的静校正+固定面偏移技术”优化为“拟真地表偏移成像技术”;②将“一味强调信噪比的噪声压制技术”优化为“以保真的弱信号补偿技术为核心的信号增强技术”;③将“基于地下均匀层状介质的时间域成像技术”优化为“建立在复杂构造模型基础上的RTM叠前深度偏移成像技术”。从而建立了一套面向复杂山前带的深度域高精度地震成像处理流程。

2拟真地表成像面的确定和配套的高频静校正技术

复杂山前带起伏剧烈的地表及横向速度、厚度变化剧烈的表层结构引起了严重的静校正问题，而且这种静校正具有鲜明的“静校不静”的特点。采用传统基于地表一致性假设条件的静校正技术对此类地区地震资料进行处理往往会产生较大误差、不能有效解决静校正问题。理论上讲，基于真实地表的地震成像流程是进行“复杂地表、复杂构造”山前带地震资料处理的最优思路，但目前的速度分析与建模技术手段还无法识别高频信息，不能完全准确求取表层及近地表速度模型，所建的模型只能是一个基于某相对平滑基准面的宏观低频速度模型，无法获得高精度的全深度速度模型。因此，“两步法”起伏地表偏移仍然是目前双复杂地震资料处理的理想手段，即首先确定一个平滑起伏面，并将观测数据校正到该起伏面上;然后在该起伏面上进行速度建模与偏移成像处理。

图2　小距离平滑前(a)、后(b)的地表高程

我们采用小距离平滑的方法获得了一个接近真实地表的平滑基准面(称之为拟真地表)。图2为小距离平滑前、后的地表高程图，可以看到，小距离平滑消除了地表的高频抖动，同时尽可能保持了地形起伏的相对关系。然后利用初至信息反演求取高频静校正量，将观测数据校正到该起伏面上。图3为高频静校正应用前、后的单炮记录(绿线为高程),可以看到，经高频静校正后单炮初至比较光滑，因地表剧烈起伏以及低降速带空间急剧变化引起的高频抖动得到有效解决，但是保持地形起伏相对关系的低频分量静校正问题仍然存在，这将会在后续的拟真地表偏移成像中得到解决。

图3　高频静校正前(a)、后(b)的单炮记录

3面向复杂山前带的弱信号补偿技术

山前带“复杂地表、复杂地下”的地震地质条件造成了野外采集资料的信噪比非常低，在室内处理时为了提高地震资料信噪比往往忽略了对一些微弱信号的保护，最终虽达到了提高视信噪比的目的，但却可能影响了一些特殊异常体的精确成像。采用了一种基于子波极性重构的、在强噪声背景下检测和补偿弱信号的技术：①在不改变子波物理位置的前提下，将子波变换为无极性高倍频率子波，降低弱信号误判率，实现弱信号同相轴自动识别;②对已识别出的弱信号同相轴进行信噪比自动分析，在时空域对信噪比进行插值平滑，建立含有信号同相轴指示的信噪比模型;③建立一个信噪比期望阈值进行弱信号补偿，补偿力度与信噪比模型成反比，以达到整体资料时空域信噪比基本一致。图4是基于子波极性重构的弱信号补偿技术流程。

图5为中国南方某复杂山前带地震资料弱信号补偿前、后的道集记录。可以看到，补偿后信噪比有了明显提高，补偿前道集中的一些微弱有效信息在补偿后道集中有了较明显的恢复，而根据原始资料的信噪比不同，砂岩区和灰岩区资料的补偿力度也不同，灰岩区资料的补偿力度更大。图6为图5所示资料弱信号补偿前、后速度谱的对比。可以看到，补偿后速度谱的品质更高，有效信号能量团聚集效果非常好，为后续提高速度分析与建模的精度提供了保障。图7是弱信号补偿前、后叠加剖面对比图，可以看出，弱信号补偿后的剖面信噪比明显提高，尤其灰岩区的信噪比有更明显的提高，整个剖面波场丰富。而从信噪比模型对比图上(图8) 可以看到，补偿后信噪比剖面较为均衡，信噪比一致性更强，这对后续的地震偏移成像是非常有益的。

图4　基于子波极性重构的弱信号补偿技术流程

图5　弱信号补偿前、后道集对比a 砂岩区补偿前; b 砂岩区补偿后; c 灰岩区补偿前; d 灰岩区补偿后

图6　弱信号补偿前(a)、后(b)速度谱对比

图7　弱信号补偿前(a)、后(b)叠加剖面对比

图8　弱信号补偿前(a)、后(b)信噪比模型对比

4面向起伏地表偏移的深度域速度分析与建模

速度问题是勘探地震学的核心问题，速度模型的可靠性是决定构造成像质量的关键。复杂山前带地形起伏剧烈，地表出露岩性变化快，近地表厚度、速度横向变化大;地下构造破碎，断层发育，地层倾角大，产状变化多，速度横向变化剧烈，局部垂向存在速度反转，难以建立合理的速度模型。如何建立可靠的、高精度的速度模型成为获得复杂构造高质量成像结果的关键因素。

4.1初始速度模型的建立

初始速度模型是最终速度模型的出发点，该模型建立得是否合理，对最终速度模型的质量以及速度模型的迭代修正效率起着至关重要的作用。针对复杂山前带“复杂地表、复杂构造”的特点，本文采用近地表速度模型与中深层速度模型分开建立、然后融合的深度域初始速度建模思路。由于传统的反射波层析成像难以求取覆盖次数低、信噪比低的复杂山前带浅层速度，应用基于初至波信息的层析成像技术来求取近地表速度;中深层的速度模型还是利用传统叠前时间偏移速度分析得到的速度场，经构造模型约束下的时深转换获得;然后在近地表速度模型中选取一个平滑的高速层顶界面作为速度融合界面，在设定的时窗内将近地表速度与中深层速度进行融合，从而获得用于深度域速度模型迭代修正的初始速度模型。图9a和图9b分别为未加浅表速度信息和融入浅表速度信息的初始深度域速度场(浅层，1750m以上);图10为对应的Kirchhoff叠前深度偏移剖面。由图10可以看到，融入浅表速度信息的叠前深度偏移剖面成像效果更好，尤其是逆冲断层灰岩出露区。据此可以知道，融入浅表速度信息的初始速度模型精度更高、更有利于后续的速度模型迭代修正和地震成像。

图9　未加浅表速度信息(a)和融入浅表速度信息(b)的初始深度域速度场

图10　未加浅表速度信息(a)和融入浅表速度信息(b)的初始速度模型叠前深度偏移剖面

4.2网格层析成像速度模型迭代修正

目前生产应用中的深度域速度模型修正技术主要有沿层层析成像和网格层析成像两种。复杂山前带构造破碎严重、断裂复杂、地层倾角大、产状变化快，应用沿层层析成像受到层位难以解释的制约。我们应用网格层析成像全局速度优化的方法来进行速度模型的迭代优化。网格层析成像的实施主要包括反射波同相轴的拾取与质控、建立层析矩阵方程、网格层析解矩阵方程、层析方案优选和质控、模型更新等几个步骤。反射波同相轴剩余曲率拾取质量的好坏对层析反演计算起到至关重要的作用，本文通过采用曲率门阀、连续性、相关系数等多信息约束的剩余曲率拾取技术确保拾取的精确度，为后续的层析成像提供了高品质的基础数据。采用地层层位、地层倾角、地层方位角、地层连续性、照明度等多地层属性约束的网格层析成像技术进行速度模型的迭代修正，进一步提高反演的精度，从而为后续的高精度地震成像提供了与地下地质情况匹配较好的可靠速度模型。图11a和图11b分别给出了采用初始速度模型和5次网格层析成像迭代后的速度模型得到的叠前深度偏移与速度模型叠置的剖面;图12为对应的共成像点道集。由图11和图12可以看出，经过网格层析成像速度优化后，速度模型与地质构造更加匹配，偏移成像效果有明显改善，共成像点道集信噪比更高、同相轴更平，说明修正后的速度模型更精确、可靠。

图11　采用初始模型(a)和修正模型(b)得到的叠前深度偏移与速度模型叠置的剖面

图12　采用初始模型(a)和修正模型(b)得到的共成像点道集

5起伏地表逆时偏移成像

逆时偏移方法对复杂构造成像具有一定的理论优势。一方面，它基于复杂构造模型基础的叠前深度偏移理论，符合斯奈尔定律，遵循波的绕射、反射和折射定律，对横向速度剧烈变化和高陡倾角适应性比较强;另一方面，它基于双程波动理论，避免了上、下行波的分离，对波动方程的近似较少，能够比较好地处理复杂介质中的复杂波现象，能够处理多路径问题以及由速度变化引起的聚焦或焦散效应，并具有很好的保幅性。逆时偏移是目前理论最先进、成像精度最高的地震偏移成像方法，也是复杂山前带高精度地震成像的理想手段。

5.1紧致差分法逆时偏移算子

逆时偏移技术的关键是选取一种计算精度和效率高的正演算法。有限差分算法因其算法简单快速、能自动适应速度场任意变化的优势仍然是目前产业化逆时偏移的主流方法。而紧致差分是一类高精度的有限差分方法，它具有精度高、分辨率高、对网格节点数要求不高等优点。(1)式为本文采用的6阶3对角紧致差分逆时偏移算子方程[35]。

(1)

式中：u为地震波场;h为网格间距;m为空间阶数;ωm为优化系数，且

ω0=-5.8485948000ω1=3.3336356000

ω2=-0.4864012000ω3=0.0915710140

ω4=-0.0172393710ω5=0.0032455238

ω6=-0.0006110098

5.2保幅成像条件

成像条件是地震偏移成像的另一关键要素，本文采用动力学成像条件替代传统的相关成像条件，与潜在保幅的偏移算子一起充分发挥逆时偏移的保幅优势，不但可以使散射能量更加聚焦、归位，提高成像精度，而且可以输出能够正确反映地下反射的振幅信息，为后续的地震属性分析(如AVO/AVA)提供更真实的地震信息。(2)式为动力学成像条件方程。

(2)

式中：I为成像值;smin和smax分别为最小和最大炮号;tmax为最大偏移时间;us和ur分别为震源波场和检波点波场;σ为避免产生奇异值而加入的微小阻尼因子。

5.3起伏地表逆时偏移

复杂山前带地震资料处理的难题源于“复杂地表、复杂构造”的双复杂地震地质条件，其中因复杂地下构造引起的波场复杂问题可以由前述高精度逆时偏移技术得到较好的解决，而因地表起伏引起的道间时差问题则成为高质量成像的突出瓶颈问题。结合前述拟真地表成像面的确定和配套的高频静校正技术，采用起伏地表逆时偏移技术，抛开长波长静校正将处理道间时差隐含在偏移成像过程中，直接从拟真地表面进行波场延拓和偏移成像，可以更好地应对复杂地表区域的地震成像问题。图13给出了起伏地表逆时偏移的示意图。

图13　起伏地表逆时偏移示意图解

6实际资料处理效果分析

图14　测线1处理效果分析a Kirchhoff叠前深度偏移老剖面; b 逆时偏移新剖面

图15　测线2处理效果分析a Kirchhoff叠前深度偏移老剖面; b 逆时偏移新剖面

图16　灰岩出露区部分处理细节效果分析a Kirchhoff叠前深度偏移老剖面; b 逆时偏移新剖面

利用本文面向复杂山前带的深度域地震成像处理流程对南方某研究区100km2实际资料进行了攻关处理。图14和图15分别为其中两条测线的偏移成像剖面，可以看到，相比于传统的Kirchhoff叠前深度偏移方法，以拟真地表逆时偏移为核心的高精度地震成像处理流程获得的偏移剖面整体上在分辨率和信噪比方面均得到明显提高，地层构造形态明显可辨，细节刻画更清晰。图16为剖面右上方灰岩出露区部分的细节对比图。由图16可以看到，新处理剖面品质得到大幅度提高，波组特征更加清楚，地层之间的接触关系更加合理、可靠。图17为剖面左上方膏盐部分的细节对比图。由图17可以看到，新处理剖面膏盐顶、底界面以及与围岩的接触关系刻画得更加清晰，反射波信息更加丰富。

图17　膏盐部分处理细节效果分析a Kirchhoff叠前深度偏移老剖面; b 逆时偏移新剖面

7结束语

具有良好圈闭条件的复杂山前带是我国油气勘探突破的重点领域之一，但其“复杂地表、复杂构造”的双复杂地震地质条件对地震资料的精确成像带来一系列难题。本文从地震成像的3个要素(预处理、速度建模、偏移)出发，建立了一套以拟真地表逆时偏移为核心的深度域地震成像处理流程，能够比较好地适应近地表和地下介质复杂的构造和纵、横向速度的剧烈变化，具有较高的成像精度，是复杂山前带精确地震成像的理想手段，可为复杂山前带油气勘探提供强有力的技术支撑。

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(编辑：陈杰)

The processing workflow of depth domain imaging facing the complex piedmont belt

LIU Dingjin,LIU Zhicheng,JIANG Bo

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Abstract:Piedmont tectonic belt is characterized by good trap conditions,which is an important area for hydrocarbon accumulation.But the double-complex seismic & geologic conditions (complex surface and complex underground conditions) cause great trouble in seismic exploration.In order to solve the problem,we build up a set of depth domain and high-precision seismic imaging processing workflow facing the complex piedmont belt.This workflow ties the processing approach on with simulated surface seismic data,and is based on the high fidelity of prestack preprocessing.Depth domain with progressive type velocity analysis and modeling is the key of the flow.Irregular topography prestack reverse-time depth migration imaging is the core of the flow.The actual data processing verifies the correctness of the concept and the effectiveness of the technology used in this paper.Thus it provides a strong technical support for complex piedmont belt of oil and gas exploration.

Keywords:piedmont belt,seismic imaging,preprocessing,velocity model building,reverse time migration

文章编号：1000-1441(2016)01-0049-11

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.01.007

中图分类号：P631

文献标识码：A

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05014-001-002)和国家自然科学基金项目(41374117)联合资助。

作者简介：刘定进(1974—)，男，博士，高级工程师，主要从事地震资料处理和地震偏移成像方法技术研究工作。

收稿日期：2015-04-23;改回日期：2015-09-02。

刘定进，刘志成，蒋波.面向复杂山前带的深度域地震成像处理研究[J].石油物探,2016,55(1):-59

LIU Dingjin,LIU Zhicheng,JIANG Bo.The processing workflow of depth domain imaging facing the complex piedmont belt[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(1):-59

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05014-001-002) and the National Science Foundation of China (Grant No.41374117).