起伏地表稳相黏弹叠前时间偏移方法及应用

2022-03-07马军茂丁国荣

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年1期

马军茂，潘龙，李静，丁国荣，石星

中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐 830013

引言

准噶尔盆地玛湖凹陷油气勘探中对断裂的识别、相带的刻画、砂体的雕刻[1-5]迫切需求保幅保真的高分辨率地震资料。由于地层的黏性吸收，导致地震波在传播过程中发生振幅的吸收衰减和地震子波的频散现象，使得原始采集地震资料主频低、频带窄。因此，人们在地震资料处理过程中应用各种方法提高地震资料的分辨率，希望补偿恢复地层吸收衰减振幅和相位信息。常用的方法包括：Q补偿[6-9]、低频保护[10]及连续小波拓频等叠前叠后提高分辨率方法[11-16]。这些方法虽然取得了一定的应用效果，但其有不足之处，例如：Q补偿方法忽略了地震波传播路径对幅值衰减的影响，不能正确补偿地震波因吸收衰减导致的能量损失。各类叠前叠后拓频技术可以获得期望频宽和视分辨率，但其可靠性尚待提高。

近几年，Zhang 等[17-20]提出了黏性介质下的叠前时间偏移方法，在偏移过程中补偿黏弹性地层介质吸收衰减的振幅和相位信息，获得高分辨率地震成果资料。不同于常规叠前时间偏移，黏弹性叠前时间偏移通过引入等效Q值在成像过程中恢复地震资料损失的高频信息，通过菲涅尔带控制地震资料的信噪比，使得最终成果信噪比和分辨率均有所提升。随后，陈志德等[21-26]将该方法引入松辽盆地地震资料处理中，提升三角洲沉积薄储层和河道砂的识别，并取得了显著效果。然而，在准噶尔盆地，大部分地区地表由低频起伏地貌地形和高频起伏地貌地形交互组成，直接应用上述黏弹叠前时间偏移技术会带来较大误差。

为此，本文研发了基于浮动基准面的起伏地表倾角道集生成及稳相黏弹叠前时间偏移计算流程，并应用于准噶尔盆地玛中4 井区三维中，取得了显著的应用效果。

1 方法原理

1.1 起伏地表叠前时间偏移方法

准噶尔盆地大部分地区地表高程起伏较大，直接应用水平基准面的叠前时间偏移方法会带来较大误差。因此，在前人研究的基础上，本文提出了适合准噶尔盆地的起伏地表叠前时间偏移方法。起伏地表炮点、检波点和成像点位置如图1 所示。

图1 起伏地表炮检点、成像点位置示意图Fig.1 The location map of shot,receiver and imaging point for rugged topography

若将单炮看作是仅有一个地震道接收的记录，那么，炮域偏移的炮点下行波场为

实际上，无法获得相对准确的S（ω），而反褶积处理可以认为已经剔除了这些与震源子波有关的影响。因此，鉴于反褶积处理成像条件，可以获得单道数脉冲响应结果为

f′即是该地震道的一阶导数。

1.2 起伏地表倾角道集生成方法

常规叠前时间偏移产生的CRP 道集已将反映地层倾角反射特征的信息进行了叠加，稳相黏弹叠前时间偏移倾角道集中的倾角并不是真实的地层倾角，而是一个与旅行时相关的倾角[18]，这是由于在倾角计算的过程中忽略了层速度与叠加速度的差。尽管如此，对于在偏移处理过程中最关心的反射波与绕射波的表现形态而言，在与旅行时相关的倾角道集和基于层速度得到的“真倾角”道集中，其表现形态是类似的。也就是说，本文应用的与旅行时相关的倾角道集，一方面，可容易嵌入到叠前时间偏移处理流程中；另一方面，这一倾角道集也近似反映了反射波与绕射波在“真倾角”道集中的形态，对于识别菲涅尔带边界来说，其精度也是足够的。

从叠加的角度来看，与走时相关的倾角对应着弯曲同相轴的顶点就是稳相点，以顶点为参照点的邻域就是菲涅尔带。由于在倾角道集中清晰地展现了稳相点及其菲涅尔带的特征，因此，可以利用人机交互软件来拾取菲涅尔带。从这个意义上讲，以倾角道集为基础，不但可以实现空变时变的偏移孔径，同时也给出甄别拾取合适偏移孔径的依据和实现手段。

如图2 所示，定义反射界面在xoz平面的与旅行时相关的视倾角为φx；反射界面在yoz平面的与旅行时相关的视倾角为φy，则有

图2 起伏地表倾角道集计算示意图[18]Fig.2 The diagram of dip gather calculation for rugged tomography

假设在每一成像点仅仅把偏移结果按φx、φy的大小分选和叠加，而不考虑偏移距的变化，那么，在每一个共中心点位置形成沿测线方向倾角道集为I(x,y,T0,φx) 和垂直测线方向倾角道集为I(x,y,T0,φy)。

1.3 起伏地表稳相偏移方法

起伏地表稳相偏移方法基于上节起伏地表倾角道集的生成和菲涅尔带的拾取，利用式（9）和式（10）计算每个成像点处的倾角，通过拾取每个成像点的菲涅尔带获得沿测线方向和垂直测线方向上的上、下界角度，在叠前时间偏移过程中，倾角落在菲涅尔带的地震道累加到成像剖面上，倾角没有落在菲涅尔带的地震道将不对成像剖面做贡献。因此，与常规叠前时间偏移相比，稳相叠前时间偏移可以获得信噪比更高的偏移成像结果。

2 稳相黏弹叠前时间偏移处理流程

稳相黏弹叠前时间偏移处理流程如图3 所示，主要包括基于菲涅尔带的倾角场建立、基于常Q扫描的等效Q场建模及稳相黏弹叠前时间偏移目标线偏移和体偏3 个关键环节。

图3 稳相黏弹叠前时间偏移处理流程Fig.3 The processing flow of the stationary-phase viscoelastic prestack time migration

2.1 基于菲涅尔带的倾角场建立

在倾角道集上，通过时变空变的菲涅尔带的确定，建立倾角场。首先，根据工区内地下地质层位的空间展布选取代表性的格架线，基于偏前道集和速度场，给定地层倾角范围和增量步长，计算倾角道集；然后，根据倾角道集的特点，拾取时变空变的菲涅尔带；最后，将格架线上拾取菲涅尔带的倾角范围通过插值平滑构建整个工区的倾角场。

图4 给出了倾角道集和时变空变的菲涅尔带边界的构建。观察倾角道集可以看出：（1）稳相点的位置与地层倾角有关，如图4a 中展示的倾角道集形态，其稳相点由浅至深基本集中于倾角0°左侧附近，这与其偏移剖面地层倾角是一致的；而图4b 中展示的倾角道集位于2.4 s 附近的目的层，稳相点已达到-25°左右，这也与偏移剖面上展示的地层倾角紧密相关。（2）在倾角道集中，反射波道间时差明显，绕射波基本不存在道间时差。反射波同相轴的反射时间呈现以稳相点为中心两侧向上弯曲的形态，而且随着深度增大，弯曲程度加大；反射波的这一特点有利于在倾角道集上确定菲涅尔带边界。绕射波道间时差小，很容易与反射波区分，若想断裂断点成像清楚，必须保留断点产生的绕射波，如图4b拾取倾角道集中2.4 s 处近平直的同相轴的菲涅尔带边界。把握好这些倾角道集的特点，依据倾角道集中的稳相点以及道间时差特点即可确定菲涅尔带边界。

图4 不同成像点的倾角道集和拾取的菲涅尔带边界Fig.4 The dip gather and the picked Fresnel zone boundaries at different imaging points

2.2 基于常Q 扫描的等效Q 场建模

通过倾角道集菲涅尔带边界的确定，得到工区的倾角场，可用于控制偏移叠加数据的孔径，提高偏移成像的信噪比。在此基础上，通过常Q扫描，优选等效Q值和高截止频率，建立等效Q场和高截止频率场，结合偏移过程，恢复地震波被衰减的频率成分，提高地震偏移成像的分辨率。

等效Q值的估计主要以补偿后剖面的频谱宽度及剖面质量来确定，而高截止频率F3主要依靠补偿后剖面的噪音水平来确定，不同的等效Q值补偿后的剖面对应着不同的高截止频率F3。亦即等效Q值和高截止频率F3这对参数是耦合在一起的，需要在可接受的噪音水平（由高截止频率F3描述）前提下选取合适的等效Q值。通过设置合适的等效Q值和F3值，既要使分析时窗内地震道分辨率提高，同时也要保证高频段噪音不至于过高，影响地震成像的信噪比。因此，等效Q值-高截止频率F3同时估计技术使得稳相黏弹叠前时间偏移技术可在保证一定信噪比水平的基础上提高地震成像的分辨率。

图5 给出了工区质控线等效Q值与高截止频率F3拾取窗口设置，纵向上一般包括5～6 个时窗，横向上分析时窗根据具体地层的长度和走向变化而定，分析时窗可沿地层排列。具体每一对的Q值和F3的确定，主要依赖不同等效Q值对应黏弹叠前时间偏移结果的波组特征和噪音发育水平而定。当然如果工区内有井资料，也可以依据井和地震资料的吻合程度进行参数的优选。

图5 等效Q 值建立示意图Fig.5 The diagram of establishment equivalent Q value

2.3 稳相黏弹叠前时间偏移目标线偏移和体偏

在常规叠前时间偏移得到均方根速度场的基础上，建立与偏移孔径优选有关的倾角场及服务于提高分辨率的等效Q场和高截止频率场，即可完成格架线或目标成像空间的稳相黏弹叠前时间偏移[18]。

通过对偏移成像结果的频谱分析和处理解释一体化效果分析，检验偏移结果是否满足期望输出的效果。

如果偏移结果仍需改进，需要根据评价结果返回到等效Q场和倾角场建立的环节进行优化处理（图3），拾取更加合理的菲涅尔带，优选更加合适的等效Q值，直到目标线的偏移成像效果达到预期的质量为止。

最后，根据最终建立的等效Q场、高截止频率场和倾角场，结合均方根速度场和偏前道集，对整个工区的数据体进行稳相黏弹叠前时间偏移。

3 应用效果

准噶尔盆地玛湖凹陷位于盆地的西北缘，通过近几年的高密度三维地震勘探的实施，极大地推动了玛湖地区三叠系百口泉组、二叠系乌尔禾组油气勘探进程，相继在玛湖凹陷的东西斜坡获得重大突破，形成两大百里油区，展现了玛湖凹陷满凹含油的油气勘探巨大潜力。为为支撑玛湖凹陷二叠系—三叠系整体研究，落实玛南斜坡大侏罗沟断裂有利区勘探潜力及成藏控制因素，新疆油田公司在玛中4 井区部署三维地震满覆盖面积260 km2。

该三维是准噶尔盆地近年来最强化的井炮采集的高密度三维，面元12.5 m×25.0 m，覆盖次数576次，覆盖密度184.32×104道/km2。强化采集的主要目的是进一步提高地震资料的分辨率，准确落实各目的层内部各小层之间的接触关系及分布特征，预测薄储层分布，落实有利相带的划分、刻画小断裂。

根据工区的地质任务和资料需求，创新性地应用了起伏地表稳相黏弹叠前时间偏移方法，探索出适合于该地区地震波吸收衰减的等效Q场，建立了与偏移孔径优选有关的倾角场，最终提高了地震资料的分辨率。

图6 给出了玛中4 井三维重点质控线常规叠前时间偏移和稳相黏弹性叠前时间偏移剖面的对比。常规叠前时间偏移中（图6a），未补偿大地对地震波的吸收作用，因而分辨率，尤其是中深层的分辨率较低。

在图6b 展示的稳相黏弹叠前时间偏移剖面上，引入等效Q值补偿大地对地震波的吸收衰减作用，剖面的分辨率明显优于常规叠前时间偏移剖面，特别是分辨弱层和薄互层的能力得到显著提升，利于工区目的层相带的精细刻画和薄储层描述。

图6 常规叠前时间偏移和稳相黏弹叠前时间偏移剖面对比图Fig.6 The comparison profile diagram of normal prestack time migration and stationary-phase viscoelastic prestack time migration

常规叠前时间偏移频谱与稳相黏弹叠前时间偏移频谱对比如图7 所示，可以看出，稳相黏弹叠前时间偏移在保持低频振幅相对关系的同时，大幅拓展了地震资料的高频成分，频宽展宽12 Hz，主频提高6 Hz，提升了地震数据的分辨能力。

图7 常规叠前时间偏移频谱与稳相黏弹叠前时间偏移频谱对比Fig.7 The comparison spectrum diagram of normal prestack time migration and stationary-phase viscoelastic prestack time migration

稳相黏弹叠前时间偏移方法通过工区等效Q场的建立，提高地震资料的频宽和分辨率，通过时变空变菲涅尔带控制偏移叠加数据的范围，提高地震资料的信噪比，最终使地震成果的分辨率和信噪比均提升。