山前带联合层析反演地震成像

2021-08-18王延光尚新民赵胜天滕厚华朱宪怀

石油地球物理勘探 2021年4期

王延光尚新民赵胜天滕厚华闫妍朱宪怀*

(①中国石化胜利油田分公司，山东东营 257022；②Forland Geophysical Services，美国休斯顿 77079)

0 引言

山前带构造具有良好的圈闭条件，常常是油气资源富集的重要场所。近年来，中国正在加强包括塔里木盆地、四川盆地和准噶尔盆地在内的山前带地震勘探。但由于地表地形和地下地质构造的复杂性，山前高陡构造成像一直是地震勘探的难题。山前带地震成像的主要难题是：①近地表速度估算和静校正；②去噪；③速度建模；④从真地表出发的各向异性叠前深度偏移。

像中国的准噶尔盆地南缘、塔里木盆地库车、四川盆地镇巴和南美洲的安第斯山脉，地表条件极其复杂，实施地震勘探十分困难[1-3]。在这些地区进行地震数据采集，检波器线距往往比期望布置的稀疏，炮线也很难按施工设计实施。在坚硬的山地岩石上埋置检波器也是个问题，有时只能埋置在远离设计检波点的位置。由于地表采样间隔过大，地震道低速噪声假频严重，很难用常规去噪方法压制[3]。另外，山前带的近地表问题已经不再是简单的静校正问题，而是需要从真地表出发用叠前深度偏移加以解决。

本文通过对相关方法的理论分析，结合准噶尔盆地南缘山前带米泉三维地震成像的综合应用研究，展示了CWT抗假频去噪和联合层析速度反演在复杂山前带地震成像中的优势和应用前景。并期望对其他盆地复杂地表地区的油气勘探也具有一定的指导意义。

1 工区背景和地震数据特征

准噶尔盆地南缘米泉区块位于乌鲁木齐市东北部(图1)博格达山西北缘。工区整体地形呈西北低、东南高的走势，海拔高程为500～3500m。地表起伏大，岩性变化也大，包括四类不同的表层地震地质条件[4]：①北部农田戈壁区，地形相对平缓，地表主要分布黄土和粒径为1～5cm的砾岩；②中北部低山区，海拔相对较高，地表为黄土和粒径为2～10cm的砾岩；③中南部山区，海拔较高，地表覆盖有1～25m厚的黄土和砾岩，砾岩的直径在4～20cm，个别达到1m左右；④南部高山区，不仅海拔高，而且高差变化大，山势陡峭，表层为1～5m厚的黄土和砾岩，部分出露二叠系、石炭系的泥灰岩、灰岩，地层倾角达50°～70°，个别地方甚至近于直立，表层风化较严重。

图1 工区构造位置图

图2是工区典型的炮记录，可以清楚地看到近地表剧烈变化引起的静校正和噪声干扰。除了存在几套不同速度的面波干扰外，近炮检距道的鸣震(M)异常振幅严重，低速线性噪声假频(A)严重，给信号处理带来了很大的困难。

图2 工区典型地震单炮记录

米泉山前带地下构造属于典型的双复杂构造[4-5]，浅表层和深层都很复杂：构造上处于盆地结合部位，存在多处冲断，变形严重。区内发育3～4套推覆构造，变形强烈，地震成像难度很大[6]。

针对米泉地区近地表和地下构造的特征以及地震波场的复杂性，下面重点分析处理中应用的两项关键技术：①CWT抗假频去噪；②联合层析速度反演和各向异性叠前深度偏移。

2 复数域小波变换(CWT)去噪

在信号处理中，将数据从一个域变换到另一个域，可使噪声和信号更容易分开，从而达到有效压制噪声的目的。本文采用复数域小波变换(Complex Wavelet Transform，CWT)，将时间—空间函数变换成复数域小波基函数，先在复数域压制识别出的噪声，然后再变换回时间—空间域。该方法的最大优点是抗假频、保真，在压制噪声的同时能保留有效信号，尤其是低频信号。CWT去噪理论在Yu等[7]的文章中有详细介绍，这里就不赘述。不同之处是，为了同时压制近炮检距高能量鸣震和全炮检距频散线性噪声，本文综合采用了一维和二维复数域小波变换。一维复数域小波变换旨在保持有效信号的同时消除强振幅野值。在实际应用过程中，增加了对实际资料进行尺度和方位的人机连作实时分析，这样更有利于参数的选择。

图3是二维复数小波变换在地震处理中的应用流程。它既可以应用于叠前炮集去噪，也可以对叠前时间偏移的共反射点(CRP)道集或叠前深度偏移的共成像点(CIG)道集去噪，甚至可以对叠加数据体或共炮检距剖面去噪，可以根据需要重复应用。但应用于炮集数据时，应该注意保留具有一定斜率的断面波和绕射波，以免影响偏移归位。

图3 二维复数域小波变换在地震处理中的应用流程

为了方便理解，用一个合成地震炮集记录描述二维小波变换的过程。图4展示的是一个二维合成地震炮集数据(图4a)，通过小波变换分解为六个倾角数据(图4b从左向右分别为-75°, -45°, -15°, 15°, 45°, 75°)。对每个倾角的地震响应(例如-15°,15°)又通过复数域小波变换分解为1～7七个尺度数据(图5)，尺度0是分解前的数据。尺度越大，视频率(时间方向的频率或空间频率(波数))越低。其他倾角可以做同样的分解。具体应用中可以选择不同的倾角和尺度，目标是保留信号、压制噪声。在三维情况下，倾角是一个倾斜面，包括方位和断面倾角。与其他方法(例如FK变换、拉冬变换等)相比，二维小波复数域变换具有以下优点[7-9]：①保真；②可逆；③局部化；④抗假频；⑤便于自动化。

图4 二维复数小波变换把二维地震炮集数据(a)分解为 -75°，-45°，-15°，15°，45°，75°六个倾角数据(b)

图5 二维复数小波变换把二维倾角炮集数据再分解为不同尺度的数据

地震信号处理的难点在于，压制噪声的同时既要保留有效信号又能抗假频。二维复数域小波变换具有这个能力。图6和图7是去噪前、后一个实际炮记录的对比。从炮记录和相应的振幅谱可以看出，复数域小波变换滤波不仅可以有效地压制含假频的低速噪声，而且有效信号得以保留，尤其是低频信号(图7)，而低频信号对油气藏分析十分重要。

图6 实际原始炮点记录(左)和相应的振幅谱(右)

图7 经过复数域小波变换滤波后的炮记录(左)和相应的振幅谱(右)

图8是复数域小波变换去噪前、后数据叠加剖面对比。可见去噪后剖面的信噪比得到明显改善，尤其是低频信号得到加强。这进一步证明了二维复数域小波变换在山前带压制噪声的有效性。

图8 应用复数小波变换去噪前后的叠加剖面对比

3 联合层析速度建模和各向异性叠前深度偏移

复杂山前带地震成像的另一项关键技术是速度建模，包括近地表速度建模和浅、中、深层的联合速度建模[1-2]。

回转波层析反演(Turning-ray tomography),又称潜水波层析反演(Diving-wave tomography，DWT)，最早由Zhu等[10]、Stefani[11]、Zhang等[12]提出，是一种行之有效的近地表速度建模方法。但该方法的可靠反演深度一般为最大排列长度的1/8 ～1/4(取决于地下速度的梯度大小和是否存在速度反转[2,10])，这显然不能满足目的层的勘探要求。另一方面，反射波层析反演可以在深度偏移后通过反射波的剩余时差来更新较深的速度模型，但对浅层却无能为力，因为在浅层缺少同相轴或者道数太少(图9左)。针对这种情况，Zhu等[13]提出了早期的联合层析反演思路，即综合考虑折射波(回转波或潜水波)层析和反射波层析各自的优点，互相补充(图9)。首先通过回转波初至层析反演得到比较可靠的浅层速度模型，与已知的深层速度模型(例如以往的深度偏移速度模型或者从叠前时间偏移的均方根速度转换成层速度模型)进行融合，作为反射波层析反演的初始速度模型，然后进行反射波层析反演。在反射波层析反演的前几次迭代过程中，浅层速度约束不变；最后几次迭代时，放弃浅层速度约束，仅根据反射层析经过的射线路径进行更新，这是因为初至走时反演得到的浅层速度可能不够精确，它一方面受到初至拾取误差的影响，另一方面受到各向异性介质的影响。通过各向异性(TTI)反射波层析反演，可以适当减小浅层速度模型的误差[1-2]。工业界多年的实践证明，上述的两步法是行之有效的[1-2](图10)。

图9 早期的联合层析反演思路 [13-14]

联合层析速度建模的起始速度是把浅层层析速度体与深层平滑速度体合并(图10)。首先，两者合并时需要设计一个过渡带，使得合并后没有痕迹。其次，随着深度的增加，射线角度变窄，使得回转波层析反演结果边界效应随着深度的增加而加大。因此，浅层层析反演速度往往需要进行编辑、平滑、扩展等一系列处理，然后再进行融合(图11)。同时，由于浅层各向异性等因素，层析反演得到的浅层速度往往偏高，因此还需对层析成像的浅层速度模型进行修改，包括扫描更新和VSP标定，最终以叠前深度偏移后的成像点道集是否拉平为原则进一步优化调整。

图10 实现联合层析反演起始速度融合示意图。可靠深度是指浅层层析反演的可靠深度，一般与排列长度有关

图11 联合层析速度模型起始速度模型与PSDM叠加融合显示

为了加快速度更新和提高反演的稳定性，联合层析反演可以在各向同性叠前深度偏移基础上，先近炮检距进行各向同性反演。在近炮检距反射同相轴拉平后，通过测井资料与解释层位进行井震标定，然后加大炮检距进行各向异性参数选择和各向异性叠前深度偏移，提高地震成像的精度。

需考虑的一个实际问题是，当检波点距比较大时，折射波和反射波层析之间的“过渡带”地震道数太少(图12)，不利于联合层析反演。经过五维插值(图12a)，覆盖次数得到增加，从而增加了浅、中层之间“过渡带”的近炮检距道数，联合层析反演的可靠性得到改善。

图12 用五维插值增加覆盖次数，增加浅、中层之间“过渡带”(椭圆框内)的近炮检距道数

4 应用效果

米泉三维地震采集的最大排列长度为7000m，部分炮检距达10000m(图13a)。通过152口微测井(图13b)约束，初至层析反演的速度如图13c所示。根据射线密度的底界(图13d), 可靠深度(从地表往下)达1500m左右，给联合层析反演提供了很好的浅层初始速度模型。用微测井数据约束层析反演和方位加权插值得到一个比较精细的三维表层(0～50m)速度体[15]，进一步提高初至波层析反演的精度。但是，如果微测井数据使用不当，经过约束反演后反而会产生所谓的“牛眼”现象。为此先把微测井速度通过空间内插得到一个三维表层速度体，这样可以提高约束反演的稳定性。如果微测井的深度大部分只有10～20m，则用它进行约束反演的意义不大，因为浅层层析反演网格的垂向增量一般为10m。

图13 浅层回转波约束层析反演

图14是某一纵测线的TTI各向异性参数模型，其中速度是垂直于地层的层速度。各向异性参数δ和ε分别控制地震成像在垂向和横向上的校正量。在没有横波信息的情况下，δ通过钻井资料、层位划分和井震对比来估算；ε通过远炮检距地震数据估算。倾角和方位角参数模型由反射波层析反演自动计算得到，对各向异性叠前深度偏移和提高倾斜层的成像精度起到非常重要的作用。

图14 联合建模更新后的各向异性参数

图15是分别用初始速度模型和经联合层析反演更新得到的速度模型进行叠前深度偏移的共成像点道集。虽然工区三维地表条件和地下构造复杂，噪声严重，但通过CWT去噪、联合层析反演和TTI各向异性叠前深度偏移，共成像点道集基本得到拉平(图15右)。评价CWT去噪、联合层析反演和TTI各向异性叠前深度偏移的效果还要看最终叠加剖面。图16是重新处理(左)与以往处理的叠前深度偏移叠加剖面(右)的对比。重新处理包括CWT去噪、联合层析速度建模和从真地表出发的TTI各向异性叠前深度偏移。显然，通过重新处理，低频信号得到加强，构造形态和断裂分布更加清晰，有利于后续的解释工作。