绕射波信息提取与成像技术研究——以某盆地海相碳酸盐岩为例

李学来，张 智，郭 希，薛 凡，李喆祥，李 奇

(1.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541006；2.桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林 541006)

0 引言

绕射波源自地下的局部不连续体，携带了断层、尖灭、断裂、河道以及盐丘边界等地下小尺度异常体的重要信息[1-6]，并且可以指示资源开采中由于流体流动引起的地震反射系数的变化[7]，是构造解释、岩性解释以及资源开采阶段精细描述的重要目标[8]。传统的地震数据处理通常以反射波为有效信号，而绕射波通常被视为噪声被进行压制；如果将绕射波从地震记录中分离出来进行单独成像，对实现小尺度异常体的高分辨率成像具有重大意义。

如何有效利用绕射波来反映地下介质的横向变化，前人已做过很多研究和尝试，如Nowak等[9]尝试了从地震记录中分离绕射波的方法，即利用炮集记录中反射波与绕射波同相轴轨迹的几何差别，通过双曲线Radon变换将反射波从地震记录中分离出来。Bansal和Imhof[10]依据反射波和绕射波在不同域内的特征，采用倾角滤波的方法实现绕射波和反射波的分离与提取。Fomel[11]等最早采用平面解构滤波技术[12-13]分离绕射波，然后通过局部最大协方差聚焦分析方法利用绕射波进行偏移速度分析和成像。Akalin[14]提出利用线性拉冬变换和空间预测滤波在叠前数据域提取来自粗糙界面的绕射波和散射能量。Khaidukov等[15]在叠前共炮点道集采用聚焦—切除—去聚焦的方法能够成功地对断层、小尺度的地质体和不规则边界成像。刘斌等[16]推导了在倾角域共成像点道集中绕射和反射波的地震响应时距曲线，并系统分析了二者的差异。以此为基础发展了基于平面波解构滤波技术的倾角域共成像点道集绕射波场分离与成像方法，这种方法对地下小尺度构造成像较常规反射波成像方法有一定优势，但不足之处在于在压制反射顶点的过程中，去除了顶点附近的部分绕射能量。

本文在前人的研究基础上，对绕射波的提取和成像问题进行了研究。为了提高绕射波分离的计算效率和低信噪比时的计算精度，在成像道集上采用预测反演算法对绕射波进行分离与成像，并以某盆地海相碳酸盐岩缝洞储层的地震资料为例进行了分析。

1 方法原理

将地震炮记录变换到τ-p域，用sp(x，τ)表示斜率为p的共p剖面，这里x为炮点地面坐标。设sp(x，τ)中反射波同相轴的时间倾角(相邻道时差)在(-σm，σm)范围内，则通过局部倾角滤波可将sp(x，τ)分解为两部分，即

(1)

(2)

(3)

(4)

对给定的频率ω，记

rk=Rp(xk，ω)，R=(r1，r2，…，rNx)T；

这里Nx为一个计算窗在空间方向上的道数。则有

S=R+D

(5)

记Nx×Nx矩阵：

P=

对于待求的反射波R，一方面要求其要尽可能满足线性预测关系，另一方面又要与输入S接近。因此，取目标函数

(6)

极小化上述目标函数，可得到方程

(PHP+λI)R=λS

(7)

与在原始数据上分离绕射波不同，由于在成像道集上经过叠前偏移的绕射波是收敛的，所以提取高倾角绕射波成分的平面滤波可以省去。将成像道集分选到共等效偏移距数据域，则在每一个共偏移距数据体上，绕射波以振幅异常或能量突变的形式出现，通过预测反演算法可提取这种振幅异常，从而得到绕射波的估计。预测反演分离绕射波的计算方程与式(7)类似，即

(PHP+I)D=PHPS

(8)

这里D为频率-空间域待估计的绕射波D(x，ω)，S为输入数据S(x，ω)，PH为预测系数矩阵P的共轭转置，I为单位矩阵，是权衡反射波(S-D)的可预测性和(S-D)与S的背离程度的参数，越小，则越强调反射波(S-D)的线性预测关系的满足程度。相反，越大则越强调缩小(S-D)与输入S之间的差异。求解(8)便可得到绕射波D。

2 理论模型

现用理论模型来说明在成像道集上提取绕射波的效果。图1是一个二维四层介质的理论模型。该模型中，在第三层和第四层的界面下方附近有3处洞体分布，其高度和宽度均为50 m；洞中为随机充填，速度为2000 m/s～3500 m/s。利用声波方程正演模拟得到叠前地震数据，其主要参数是：道距20 m；600道/炮；炮间距20 m；共300炮。

图1 理论速度模型Fig.1 Theoretical velocity model

采用等效偏移距变换的方法对理论模型数据进行叠前时间偏移处理，其成像结果见图2。在成像道集进行绕射波提取，图3给出了在图2中标示出的A、B及C三个位置的提取前后成像道集的对比。A、B及C分别在三个洞体的正上方，可以看到洞体产生的绕射波较好地保留在分离出的绕射波成像道集中，而反射波基本被消除。

图2 叠前时间偏移(PSTM)剖面Fig.2 Prestack time migration (PSTM) profile

图3 普通成像道集及绕射波成像道集对比Fig.3 Contrast diagram of ordinary and diffracted channel sets

图4对提取出的绕射波剖面进行成像，正如所期待的一样，在绕射波成像剖面上，洞体和断点的反射信息被保留下来，而地层反射基本消失。

图4 分离出的绕射波成像剖面Fig.4 The separated diffraction wave imaging profile

3 应用实例

某盆地碳酸盐岩储层具有非均质性强、构造演化期次多、成因类型多等特点。该地区孔洞结构分布复杂，空间变化剧烈。绕射波的形态与其孔洞大小、充填、形态等特征有着密切的联系[19，20]。其中岩溶作用是影响碳酸盐岩储层形态的主导因素，使单一的反射资料的地质解释产生多解性或不确定性。孔、缝、洞等小尺度异常的分布难以得到有效描述，制约了该区的资源勘探开发。

基于以上原因对该地区进行了绕射波的提取和成像研究，图5给出的是跨奥陶系风化壳的一段PSTM剖面，剖面显示蓝颜色为正值，红颜色为负值。风化面附近的奥陶系上部地层发育缝洞储层，是主要勘探目标之一。图6、图7给出了A、B两个位置的原始成像道集与分离出的绕射波成像道集的比较，A、B两个位置均标在上部分的PSTM剖面上。从图中可以看到距离风化壳近，串珠能量较弱的缝洞体的绕射波成像道集与原始成像道集的振幅特性有着较大的差异，这说明在未分离的成像道集上风化壳的强反射在调谐中占据了主导。此外，成像道集中界面的反射和缝洞的绕射基本上没有可以区分的时差，因此振幅是调谐振幅，在AVO分析时可能会对属性预测产生误导；距离风化壳比较远，串珠能量强的缝洞体位置的绕射波成像道集和原始成像道集振幅变化的差异较小，这说明在调谐作用中绕射能量占据了主导，反射能量对缝洞属性的分析影响较小一些。图8是分离出的绕射波成像剖面，显然，在该剖面上反射波得到了比较彻底的压制，所保留的主要是反映缝洞、断层及地层突变的反射信息，尤其是使疑似来自缝洞的孤立“串珠状”反射突显出来。

图5 叠前时间偏移(PSTM)剖面Fig.5 Prestack time migration (PSTM) profile

图6 位置A的原始道集及绕射波成像道集Fig.6 The original trace set and diffraction wave imaging trace set of position A

图7 位置B的原始道集及绕射波成像道集Fig.7 The original channel set and diffraction wave imaging channel set of position B

图8 分离出的绕射波成像剖面Fig.8 The separated diffraction wave imaging profile

4 结论

本文通过建立理论模型对成像道集上采用预测反演算法的绕射波提取与成像进行模拟，结果显示该方法实现的绕射波单独成像可以压制连续大段的反射能量，使小尺度异常体的成像具有更高的分辨率，有助于提高断层、尖灭、高陡构造等地质不连续体的识别精度。对某盆地海相碳酸盐岩缝洞储层地震资料进行绕射波提取与成像的结果表明：本文所采用的绕射波提取与成像技术有利于判断强振幅所关联的地质异常情况，可以帮助确定绕射源的性质，使成像结果更贴合真实地质构造背景。模型试算和实际资料的处理结果证明了本文所述绕射波提取与成像技术具有良好的实际应用前景。