逆时偏移技术在ZL地区复杂断裂带的应用

张海洋，汤国松，郭廷超，王智杰，秦艳艳

(中国石化江苏油田分公司物探研究院，江苏 南京 210046)

逆时偏移技术在ZL地区复杂断裂带的应用

张海洋，汤国松，郭廷超，王智杰，秦艳艳

(中国石化江苏油田分公司物探研究院，江苏 南京 210046)

逆时偏移是一种深度域偏移方法，利用3D标量双程波动方程在时间上的反推来实现。它对地震波进行正演模拟，并将检波器接收到的波场作逆时延拓，利用一定的成像条件实现地下各点的成像。该方法成像精度高，适用于介质横向速度变化大和高陡倾角的构造成像。ZL三维实际资料处理中，先对原始资料进行振幅均衡处理，以消除振幅差异对偏移的影响；采用层析成像技术建立了精确的速度模型。经过逆时偏移处理后，大断层归位准确，断阶带内构造细节刻画清楚，提高了ZL地区复杂断裂带的成像精度。

逆时偏移 速度建模 ZL地区 复杂断裂带

苏北盆地ZL地区发育多套断裂系统，断面倾角陡且断层密集，地震反射波场复杂，区域横向速度变化剧烈。在地震资料处理中，复杂断裂带地震成像一直是困扰ZL地区勘探的一个难点。目前较为常用的地震成像方法是基于射线理论的克希霍夫积分偏移方法，具有高效实用的特点，适合高偏移角度、无频散地震资料。但由于该方法基于波场高频近似、单走时路径假设，无法有效解决复杂构造或强变速条件下的地震成像问题。因而它对于ZL地区陡倾角断面难以实现真正聚焦成像，并且无法对断阶带内的复杂小断块进行清晰的刻画。随着勘探目标复杂度的日益提升，勘探精度要求的不断提高，基于波动理论的偏移算法将是今后复杂地区勘探地震成像的趋势。

基于双程波动方程的逆时偏移方法具有理论简单、成像精确且无倾角限制、适应任意复杂速度模型等诸多优点。随着近年来计算机技术的快速发展，以往制约其发展的计算量巨大等问题得到很大程度的缓解[1]。

在实际生产中，逆时偏移主要分为以下几个步骤：

(1)利用双程波方程对正向外推震源波场，保存外推波场；

(2)利用逆时双程波方程反向外推接收波场，此过程中反向外推一步，应用成像条件(激发时间成像条件[2]、互相关成像条件[3-4]、以及振幅比成像条件[5])进行一次求和，得到局部成像数据体；

(3)将所有炮集的逆时偏移叠加结果作为最终的叠前深度偏移成像结果。

逆时偏移方法用全波场波动方程，可以对上、下行波的波场进行延拓，算子对波动方程的近似较少，具有方程阶数低并能对陡倾角有效成像的特点。利用该方法进行成像时，相位准确、成像精度高、不受介质横向速度变化和高陡倾角构造的影响，甚至可以利用回转波、棱柱波、多次波正确成像[6]。因此，利用逆时偏移来实现ZL地区复杂断裂带成像相比基于射线理论的克希霍夫深度偏移更具有优越性。

1 基本理论

波动方程叠前逆时偏移是首先给定震源子波，采用差分法求解波动方程得到地下每一时刻的波场值，其次求取每一时刻的地下波场值，将炮集记录作为边值条件，对波动方程进行逆时外推，再根据时间一致性原理对两个波场进行互相关，以得到地下反射点的成像值(图1)。

图1 叠前逆时深度偏移基本原理

1.1 高阶有限差分波场延拓算子

正演问题是逆时偏移的核心问题。用于波动方程正演的主要方法是有限差分算法，这种算法计算精度高、效率高，不受速度场的变化幅度的限制。

三维声波方程为：

式中：u(x，y，z，t)为地表记录的压力波场；v(x，y，z)为纵、横向可变的介质速度。

用波动方程进行有限差分正演模拟时，截断误差o(Δx2，Δy2，Δz2，Δt2)的差分网格间距必须非常小才能保证频散较小、递推过程稳定、计算精度高，但是计算过程需要占用巨大的计算机资源，运算量和运算时间也会大大增加。对此问题，Dalain和Mufti讨论了用高阶差分方程的解决方式，可以在不影响计算精度的前提下，降低对计算机内存的要求，减小运算量和运算时间。Dablain三维波动方程的高阶有限差分算法正演和逆时外推的基本计算公式为：

截断误差为o(ΔxM，ΔyM，ΔzM，Δt2)的三维逆时深度偏移高阶差分方程为：

式中：M为空间阶数；ωm为优化系数。优化系数取决于时间和空间阶数。

1.2 完全匹配层吸收边界条件

波在地下传播是没有区域限制的，而进行逆时偏移时波场延拓过程中区域是有限的，这就相当于人为引入了一个反射界面，因此需要在偏移过程中构造一个边界，来解决人为引入的反射能量。边界条件是有限差分波场延拓算子构造中的一个关键因素，构造边界条件，既要使边界产生尽可能少的人为反射，又要保持波向边界传播的频散关系，以保证模拟地震波在无限介质中传播过程的真实、客观性。补偿项(反射波)的出现和多少与频散关系的差异息息相关，除非波长能量为零。完全匹配层吸收边界条件，将吸收层引入到了研究区域的边界上，波传到吸收层时不产生任何反射，在其中传播时按距离的指数规律衰减，从而达到吸收边界的效果。具体计算公式为：

式中：u为位移波场；u1，u2和u3为u分解成的3个部分；β为边界衰减因子。

1.3 成像条件

上下行波互相关成像条件由Claerbout提出，其原理可概括为：

上式称为归一化互相关成像条件，Chattopadhyay和McMechan的研究结果表明，相同条件下，应用归一化互相关成像条件能得到更保真的偏移结果[7]。

2 实际资料处理

2.1 振幅均衡处理

ZL地区原始采集资料受多种因素影响，振幅在空间和时间上差异比较大，体现在球面扩散产生的能量损失、近地表吸收及衰减系数不同产生的能量差异、地下复杂构造引起的能量衰减差异等等。为消除振幅问题对偏移的影响，偏移前采用多种针对性技术对原始资料进行振幅均衡处理，恢复了相对真实的振幅信息。保幅、保真的原始数据对于改善逆时偏移波组特征，提高成像精度都至关重要。

2.2 层析反演速度建模

速度层析反演的做法是针对成像道集利用道集的剩余曲率求取速度修正量，前提是假设初始速度比较准确，且局部速度变化比较平缓。层析反演速度建模是一个循环迭代的过程，中间涉及的环节较多。初始速度、剩余曲率拾取、层析反演是其中较为关键的步骤：

(1)初始速度的精度对于层析反演具有重要意义。通过对叠前时间偏移道集进行精细速度分析，得到时间域较准确的均方根速度作为初始速度模型，为保证该速度在深度域成像不产生异常，对速度场沿主线方向200 m作平滑，联络线方向400 m作平滑，平滑后的速度满足了层析反演的两个基本假设。

(2)剩余曲率拾取是在深度域成像道集上拾取有效反射同相轴，拾取过程中为避免残留多次波和一些杂乱信号的干扰，利用同相轴能量和曲率定义将一些异常拾取值排除，保证了拾取结果的准确性。

(3)在层析反演过程中，结合ZL地区的构造特点，4次迭代的空间尺度分别采用了5 000 m×5 000 m×3 000 m、2 900 m×2 900 m×1 760 m、1 700 m×1 700 m×1 000 m、1 000 m×1 000 m×580 m，提高了反演结果的稳定性和精度。

经过4轮迭代处理后，建立了ZL地区精确的层速度模型，图2为速度模型迭代改进图。

图2 速度模型迭代改进

2.3 逆时偏移实施

对于复杂构造成像，逆时偏移孔径的定义至关重要，孔径太大会降低偏移效率，而太小又会丢失有效信息。综合考虑ZL地区资料特点和偏移效率两方面因素，最终对主线和联络线两个方向分别采用了6 000 m和5 500 m的孔径参数。此外，对子波类型、频率等逆时偏移的重要参数也进行了重点测试，确定了45 Hz Klaud子波比较合适ZL地区复杂断裂构造成像。

3 应用效果分析

通过叠前逆时深度偏移处理，ZL三维在复杂断裂带处的成像效果有了明显改善，中深层成像也有一定提高，成果剖面波组特征清楚、分辨率合适、信噪比高。图3是Kirchhoff叠前深度偏移成果剖面，整体归位比较准确，剖面上没有明显的过偏和偏移不足的现象，但是陡倾角大断层成像有所欠缺，特别是断阶带内的二级断层和一些构造细节无法识别。图4是逆时偏移结果，剖面上1号、2号大断层聚焦更好且与上、下盘接触关系合理，断阶带内的构造细节刻画清楚，位于1～1.5 s之间的小断层、微断层也较为清晰。经过比对，新资料主要目的层与测井资料吻合较好，验证了速度模型精度与偏移方法的正确性，为重新认识ZL地区断裂系统展布及下一步落实圈闭提供了可靠数据。

图3 Kirchhoff叠前深度偏移成果剖面

图4 逆时偏移成果剖面

4 结束语

偏移处理前期工作中，除了常规去噪、反褶积等处理外，针对资料特点的振幅恢复处理极大提高了偏移成像精度和保幅性；利用层析成像技术，多轮次迭代建立了复杂断裂带精确的速度模型。保幅、保真的道集资料和精确的速度模型充分发挥了叠前逆时深度偏移的优越性，并在ZL地区取得了较好的应用效果，解决了复杂断裂带勘探的一个难点问题。

另外，逆时偏移处理需要消耗巨大的计算机资源，提高偏移效率在实际资料处理中具有重要意义。为此，偏移前对炮集资料进行了合并规整，并在保证偏移效果前提下，对孔径、频率等一些影响偏移效率的重要参数也进行了合理优化，优化后逆时偏移效率得到明显提高。

[1] 丁亮，刘洋.逆时偏移成像技术进展研究[J].地球物理学进展，2011，26(3)：1085-1100.

[2] Chang W F，McMechan G A.Reverse-time migration of offset vertical seismic profiling data using the excitation-time imaging condition[J].Geophysics，1986，51(1):67-84.

[3] 杨仁虎，常旭，刘伊克.叠前逆时偏移影响因素分析[J].地球物理学报，2010，53(8):1902-1913.

[4] 李博，刘红伟，刘国峰，等.地震叠前逆时偏移算法的CUP/GPU实施对策[J].地球物理学报，2010，53(12):2938-2943.

[5] Baysal E，Kosloff D D，Sherwood J W C.Reverse time migration[J].Geophysics，1983，48(11):1524-1524.

[6] 刘定进，杨勤勇，方伍宝，等.叠前逆时深度偏移成像的实现与应用[J].石油物探，2011，50(6)：545-550.

[7] 韩令贺，何兵寿，张会星.VTI介质中准P波方程叠前逆时深度偏移[J].地震学报，2011，33(2)：209-218.

(编辑 韩 枫)

欢欢欢 迎迎迎 投投投 稿稿稿

《复杂油气藏》投稿网址：http://www.fzyqc.net

Application of reverse-time migration technology in complex fault zone in ZL area

Zhang Haiyang,Tang Guosong,Guo Tingchao,Wang Zhijie，Qin Yanyan

(GeophysicalProspectingResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Nanjing210046,China)

The reverse-time migration is one of depth migration methods.The method is used to the forward of modeling of seismic wave,and the wave field

by detector is propagated in reverse time direction.And then the imaging of each underground point can be realized according to a certain imaging condition.The method with high imaging accuracy is suitable for the imaging of structure having large changing in lateral velocity of medium and steep dip angle.Tomography technology was used to build an accurate velocity model in ZL 3D actual data processing.After reverse-time migration,big faults were migrated to right positions,and the structure in the step-fault zone was described in detail.Therefore,it was enhanced to the imaging accuracy of the complex fault zone in ZL area.

reverse-time migration;velocity modeling;ZL area;complex fault zone

2015-11-14；改回日期：2016-05-15。

张海洋(1979—)，高级工程师，从事地球物理方面的研究工作。电话：025-83503058，E-mail：zhang_hy.jsyt@sinopec.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.006

P631.4

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