叠前深度偏移初始速度模型建模方法应用研究——以JY工区崎岖海底为例

薛怀艳, 张星宇

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广州 510240)

叠前深度偏移初始速度模型建模方法应用研究
——以JY工区崎岖海底为例

薛怀艳, 张星宇

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广州 510240)

Dix公式法和速度约束反演法，是地震资料叠前深度偏移建立初始速度模型的两种主要方法。首先利用JY工区深水崎岖海底的资料对这两种速度建模方法的成像能力进行了实验分析，结果表明，这两种方法都不能得到合理的初始速度模型。此外，通过速度约束反演得到的初始速度模型可以沿层位生成平均层速度模型。再利用垂向上地层埋深与速度关系和横向上同一套沉积地层与速度关系来共同修正平均层速度模型，这样可以获得更符合地质条件的初始速度模型。实验结果证明，通过引入地质背景的约束有利于建立起更为准确的初始速度模型，为后续的叠前深度偏移成像提供了有利保障。

崎岖海底； 速度约束反演； 初始速度模型； 叠前深度偏移

0 引言

珠江口盆地东部，经过多年的勘探开发，勘探目标已经逐步的由浅水区向深水区延伸。由于从潜水到深水的过渡区域位于陆架破折带上，海水深度由500 m急剧变为2 500 m左右，且沟壑纵横，水道切割关系复杂，造成了海底速度场横向变化剧烈，利用时间偏移已经不能够对海底崎岖区域的中深层进行准确成像[1]。深度偏移由于考虑了射线偏折和薄透镜项的影响，依然是现今能够适应崎岖海底，对复杂构造进行准确成像最具潜力的技术[2]。对于深度偏移成像方法而言，从Kirchhoff叠前深度偏移、波动方程叠前深度偏移到高斯束叠前深度偏移和逆时偏移，一直吸引着国内、外众多学者对其进行了深入系统地研究，为复杂构造成像提供了较为完善的技术和方法[3-5]。

关于速度建模地研究也一直是学术界比较活跃的研究领域，由于全波形速度反演还未能实现大规模工业化，所以基于层析反演理论的叠前深度偏移速度建模方法，仍将是工业界速度建模的主流技术[6]。依照目前的常规技术流程，速度建模主要可以分为2步：①利用叠前时间偏移的层速度模型，提取其低频分量用来构建深度偏移的初始速度模型；②在初始速度模型的基础上，利用层析成像与叠前深度偏移进行迭代更新初始速度模型直到速度模型达到较高精度，生成的成像道集拉平为止[7-8]。然而第①步建立的初始速度模型的精度直接决定着后续层析迭代反演的收敛程度，如果初始速度模型产生了较大的偏差，则通过层析反演修正后的速度模型就很可能会收敛到局部极值，对成像结果造成严重的影响[9-10]。

目前，建立深度域初始速度模型的方法主要有3种：①基于Dix公式的方法即直接利用Dix公式，将时间偏移的均方根速度转换成深度域初始层速度模型[11]；②利用速度约束反演的方法(CVI)，其原理与Dix公式类似只是在反演速度模型的过程中增加了约束条件；③相干反演，该方法的原理是利用射线追踪，计算每个层位在CMP道集中的时距曲线，时距曲线相关最大值所对应的层速度即为该层的速度，从原理上讲相干反演的精度可能较高，但在实际生产中其操作复杂，对资料信噪比要求较高，且在速度横向变化剧烈的地方多解性强，因此该方法本身实用性不高[12]。目前，在实际生产中用到的主流方法依然是Dix公式和速度约束反演法。这里依据JY地区实际地震资料，并结合对该地区已有关于速度研究的认识，总结出了一套更加实用的建立初始速度模型的方法，而且通过与传统的方法进行分析对比，得出了对实际工作具有参考价值的结论和认识。

1 深度域初始速度模型原理和应用效果分析

1.1 Dix公式计算层速度模型

设有n层水平层状介质各层层速度为vi，第n层的旅行时为tn，第一层到第层的均方根速度为vRn，则Dix公式为式(1)。

(1)

Dix公式由于简单高效，能够快速的利用均方根速度得到层速度，所以在工业生产中经常被使用。但算法本身只适用于水平层状介质，在速度横向变化大的区域利用Dix公式直接去反演层速度很容易造成高频震荡的假象，而且均方根速度较小的误差就会对层速度的计算结果产生很大地影响[13-14]。由图1(a)可以看出,均方根速度场中深层的速度变化已经受到了崎岖海底地影响，从图1(b)中可以看出，在海底沟壑较深的区域构造产状普遍下倾，可能是由于海水的速度较低导致的假象，且中深层成像效果欠佳。从图2可以看出，由Dix公式计算得到的层速度存在严重的震荡，而这种震荡与实际地层的速度变化趋势不符。CRP成像道集的剩余曲率比较大，拉伸严重，因此可以认为这种简单的基于垂向单道速度反演的方法，在速度横向变化剧烈的区域不能正确地反演出层速度场的变化趋势。

图1 均方根速度场及其成像结果Fig.1 RMS velocity model and imaging result(a)均方根速度场；(b)Kirchhoff叠前时间偏移结果

图2 Dix公式转换得到的层速度模型及其CRP道集Fig.2 Interval velocity model gained through Dix method and CRP gathers(a)Dix公式转换得到的层速度模型; (b)Dix公式转换得到层速度进行Kirchhoff叠前深度偏移生成CRP道集

1.2 速度约束反演(CVI)计算层速度模型

速度约束反演实际上就是在Dix公式的基础上进行了改进[15]，其核心思想是所反演得到的层速度不仅尽量地满足Dix公式，而且在层内是连续变化的，满足这样的趋势函数：

(2)

(3)

图3是速度约束反演得到的相同测线的层速度模型及其Kirchhoff叠前深度偏移生成的CRP道集。图2与图3相比，两者低频分量具有一定相似性，但CVI反演速度模型的结果横向连续性比Dix公式好，采用这种方法可以有效地消除部分速度异常点，减小由Dix公式反演产生的高频振荡对速度模型的影响。从Kirchhoff叠前深度偏移生成的同一成像位置的CRP道集，可以看到道集的成像质量相对于Dix公式在中深层3 000 m～5 000 m范围内有所改善，但道集整体的能量聚焦性依然欠佳。通过这个实验可以得到2个基本认识: ①速度约束反演相对于Dix公式具有更好的稳定性; ②其反演速度场精度有限依然不能适应速度横向变化大的情况。

图3 CVI公式反演出的层速度及其CRP道集Fig.3 Interval velocity model gained through constrained velocity inversion and CRP gathers(a)CVI反演得到的层速度模型; (b)利用CVI公式反演出的层速度模型进行Kirchhoff叠前深度偏移生成CRP道集

2 深度域初始速度模型

上面提到的Dix公式法和速度约束反演法，都不能克服速度横向变化大的问题。原因主要在于利用时间偏移迭代分析速度场的过程中，并没有考虑地震射线路径上速度场的变化。某一个具体的成像点的成像质量，只与该成像位置的均方根速度有关，而与上覆地层和相邻位置的速度无关，这一点虽然使得叠前时间偏移速度分析和迭代更新变得简单方便，但同时也严重降低了速度场分析的精度，降低了成像质量。甚至在某些速度横向变化较大的区域，利用这种速度分析方法会产生较大的误差，其生成的层速度模型尤其是低频分量也会出现较为严重的偏差。利用这种层速度模型直接作为初始速度模型，有可能导致后续的叠前深度偏移速度迭代不收敛。因此，在建立初始速度模型的过程中应当引入地质背景的约束，利用埋深与速度在垂向上的变化关系和沉积地层与速度在横向上的变化关系，合理地约束速度场的宏观变化趋势，从而获得理想的初始速度模型。

图4 沿层提取的平均层速度模型Fig.4 Average velocity of layer model generated along the horizon

图4是在CVI反演获得的层速度模型基础上沿层提取的同一测线的平均层速度模型。根据对该区域以往地认识，该区域地层速度整体垂向上主要受埋深压实控制，速度在横向上主要受沉积地层的影响，速度沿同一套沉积地层变化相对稳定。因此可以首先利用已有的地质解释层位作为框架，提取出每一层的平均速度作为初始背景速度；然后统计不同层位的速度控制点与埋深的梯度关系，剔除异常值，在选取速度控制点的过程中，要以平面上沿层平均速度值作为参考值对所选的种子点进行质量控制；最后利用统计出的速度控制点与埋深的变化关系分别沿层位垂向和横向进行插值，就重新构建起了新的初始层速度模型。

图5是通过利用埋深和沉积地层关系共同约束建立起的初始速度模型及其Kirchhoff叠前深度偏移生成的CRP道集。从图5(a)可以看出，新生成的速度模型不但保留了原始平均层速度的部分低频分量，而且在垂向上层间层厚度内速度趋势基本上符合埋深的梯度变化，在横向上速度沿层位的变化也比较平缓，符合地质沉积规律。从图5(b)可以看出，无论是成像质量还是能量聚焦性都明显优于前两种方法，证明采用的这种在地学信息约束下建立起的初始速度模型是可靠的。

图5 引入地学信息约束建立的初始层速度模型及其CRP道集Fig.5 Initial velocity model gained through introducing the constraints of geological information and CRP gathers(a)初始速度模型;(b)Kirchhoff叠前深度偏移生成CRP道集

3 叠前深度偏移成像效果

图6(a)是利用高精度网格层析对图5(a)地质信息约束下建立的初始速度模型迭代更新后的结果，以及在同一测线位置的最终叠前深度偏移结果和CRP成像道集。通过对比更新前后的速度模型可以发现，网格层析更新后的速度模型与初始速度模型依然具有较高的相似性，表明初始速度模型的低频分量是比较稳定的，同时也可以看出，在低频分量稳定性较好的前提下网格层析，可以进一步反演出速度模型的高频分量，丰富速度模型细节信息。这一点不但在速度模型上有体现，而且还可以从CRP道集上得到映证,图6(c)与图5(b)相比，在深度3 800 m的位置CRP道集成像质量明显改善，道集能量聚焦性增强，出现了较强的反射界面。从成像剖面上来看相比于叠前时间偏移，在海底沟壑深的位置CDP在1 400～1 500附近地层构造受海水的影响被消除，构造形态不在下倾并且真实形态得到恢复。此外，对于中深层的成像质量明显优于叠前时间偏移。

4 结论和认识

1)对JY区域而言，由于崎岖海底导致海底速度场横向变化较大，叠前时间偏移已经不能够满足对构造形态进行准确成像的要求，而叠前深度偏移可以取得比较理想的成像结果。

2) Dix公式和速度约束反演两种方法在速度横向变化剧烈的情况下,都不能够反演出较为理想的初始速度模型，其Kirchhoff叠前深度偏移生成的CRP道集质量欠佳。

图6 网格层析反演得到的速度模型及其Kirchhoff叠前深度偏移结果和CRP道集Fig.6 Interval velocity model gained through grid-based tomography inversion， Kirchhoff prestack depth migration result， CRP gathers(a)层速度模型;(b)Kirchhoff叠前深度偏移结果;(c)CRP道集

3)以速度约束反演获得的平均层速度模型作为参考，再结合埋深与速度在垂向上的关系和同一套沉积地层与速度在横向上的关系共同约束建立起的初始速度模型，能够较准确地反映出速度模型的低频趋势，其叠前深度偏移生成的CRP道集质量较好。

4)相对于速度模型的高频分量，速度模型的低频分量对成像质量具有更大地影响。

5)在初始速度模型的低频分量比较可靠的前提下，网格层析可以反演出速度模型的高频分量，进一步提高成像质量。

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Application research on the strategy of building initial velocity model in prestack depth migration:A case from rough deep sea bottom in JY area

XUE Huaiyan, ZHANG Xingyu

(China National Offshore Oil Corporation(Shenzhen), Guangzhou 510240，China)

Dix formula method and constrained velocity inversion are two main initial model-building methods of prestack depth migration in seismic data processing. Using seismic data of rough deep sea bottom from JY area, the imaging abilities of the two methods were experimentally analyzed, and thus concluded that both methods could not obtain the reasonable initial velocity model. Furthermore, the average velocity of layer model can be generated along the horizon through velocity model obtained by using constrained velocity inversion. Then by using the relationship between vertical velocity function with depth, as well as the relationship between the same set of sedimentary strata with velocity on horizontal, which could common correct the average velocity of layer model. So we can get more in line with the initial velocity model of geological conditions. Experimental results show it could be helpful to establish a more accurate initial velocity model through introducing the constraints of geological background, which would provide the advantageous safeguard for subsequent imaging quality of prestack depth migration.

rough deep sea bottom; constrained velocity inversion; initial velocity model; prestack depth migration

2015-11-04 改回日期：2016-10-19

薛怀艳(1965-)，女，高级工程师，研究方向为油气勘探开发高分辨率地震资料处理与解释，E-mail：xuehy@cnooc.com.cn。

1001-1749(2017)01-0103-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.15