三种纵横波检波点静校正方法应用对比

2022-04-16刘劲松黄培东范秦军吴志芳

科技创新与应用 2022年9期

刘劲松，黄培东*，夏璠，范秦军，吴志芳

（1.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院“多波多分量”研究组，北京 100083；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；3.仲恺农业工程学院信息科学与技术学院，广东广州 510225）

相比PP波地震反射，PS波地震数据含有转换横波信息，但其处理流程复杂[1-2]。在PP波静校正技术相对发展成熟的情况下，PS波的检波点静校正是PS波处理的主要难点之一。其原因可归结为以下3点[3]：浅层S波速度小造成静校正量较大；由于S波对潜水面不敏感造成浅层低降速带明显增厚，静校正时移量大[4]；近地表地层S波速度横向变化剧烈、非均质性强，使得检波点静校正量呈明显的空变特征[5]。前两个原因使PS波检波点静校正量是PP波的2～10倍，且难以准确求解[6]。

PS波检波点静校正方法大体分为2类[4，7]：近地表速度模型驱动的方法和地震数据驱动的方法。模型驱动方法大体上又可分3种：（1）利用面波的频散特征反演浅层横波速度结构[8-9]，但因为该方法受到面波频带宽度和只是基阶面波利用的限制，难以适应厚低降速带浅表条件[10]；（2）利用S波的折射[11-12]，通过拾取横波折射初至获取长波长静校正量，但由于横波折射淹没在纵波初至之后，准确拾取横波折射初至很困难，实际应用难以奏效；（3）通过横波微测井或微折射数据获得近地表速度，然后通过几个控制点建立浅表横波速度模型，这种方法经常在P波静校正中使用，当控制点稀疏时难以满足静校正空变精度的要求。

数据驱动的方法大体上分为两种：共接收点（common receiver point，CRP）道集叠加能量优化方法[13]以及Monte-Carlo模拟退火法。第一种方法在反射界面为水平层时，可以有效解决PS波短波长静校正问题，不能解决长波长静校正问题；另外当地下构造较为复杂时，该算法的精度会受到影响；第二种方法能得到相对较好的结果，但是计算很耗时。

本文主要介绍数据驱动的共检波点道集Trim法，在P波反射层位约束下的应用效果与传统比例系数法的对比，以说明模型驱动与数据驱动融合的优势。

1 方法简介

1.1 比例系数法

由于PS波的下行与上行路径非对称，因此不能沿用PP波的共CMP（common middle point，共中心点）道集方法讨论静校正问题。在地表一致性假设下，Cary和Eaton[13]给出了在CRP（共接收点，common receiver point）道集中任意道的总静校正量公式：

式中：tij-PS波总静校正量，i表示炮点，j表示检波点；s-炮点静校正量；g-接收点静校正量；k-转换点（common converted point，CCP）；c-第k个转换点的剩余动校正时差系数；h-地层深度；y-由于存在构造倾角而在第k个转换点位置产生的静校正量。

对于下行P波，由于PS波的炮点校正量与PP波的相同，因此PS波的静校正问题主要讨论检波点静校正量，即重点在于公式（1）的后3项。从公式（1）可知，对于P-SV波，在共接收点叠加道集上每个参与叠加的地震道信号都会受到剩余动校正量、构造变化的影响而产生输出道时移，从而影响共检波点道集的叠加效果，所以PS波的检波点静校正量是上述因素产生时移量的总和。

公式（1）假设CCP位置与深度无关且构造平缓，即PS波的检波点静校正量是非时变和空变的，此时检波点产生的静校正量远大于动校正的剩余时差和地层倾斜产生的静校正之和[13]。显然在此假设下，地表一致性静校正实现的是非时变和空变的校正，整个叠加道集不同深度使用了相同的静校正时移，相当于PP波检波点静校正量乘以一个固定的比例系数[14]。因此，该方法一般被称之为比例系数法，它只能适用于构造平缓的地区；欲解决转换波静校正问题，需要考虑更复杂的情况。

地表一致性假设认为地震波在低速带内是垂直传播的，因此同一地震道所有采样点的静校正量都是相同的[15]。显然这个假设与实际不符；如考虑非地表一致性，就要考虑到射线角度对静校正量的影响。如图1所示，对于转换波而言，纵波震源的波型转换通常需要以大角度入射到发生转换的界面上，使较多能量转换成横波能量[16]，因此转换波静校正需要考虑射线路径，需要求取时空变的静校正量[17]。

图1 转换波传播路径示意图

1.2 Trim法

在常规的静校正中使用的基准面大多是一个水平的固定基准面，但是对于地表起伏较大的地区，使用固定基准面会产生较大的静态时移，因此需要引入浮动基准面[15]。对于CRP道集静校正，可认为一个CRP道集具有一个水平基准面，不同CRP道集的基准面可以随高程浮动，只要相邻水平基准面的高程平缓过渡即可。然后使用两步法[18]就可以实现PS波的检波点静校正，即在NMO（normal time moveout，动校正）之前实施地表到浮动基准面的校正，然后再实施浮动基准面到统一基准面的校正。

根据地震波绕射理论，抽取共接收点道集时，当只截取第一菲涅尔带内的数据时有利于获得更优的叠加剖面[19]。如图2（a）、图2（b）所示的单界面和多个界面反射可以看出，激发点越靠近接收点，共转换点则越接近接收点，从而越能反映接收点地下信息；随着菲涅尔带半径增大，共转换点逐渐远离接收点，从而使得共接收点道集内的不同道集失去了相似性，不利于同相叠加。

图2 共接收点道集抽取示意

Trim静校正方法[20]是一种数据驱动的统计静校正方法，实际上属于剩余静校正方法。它假设形成CRP道集的来自不同转换点的反射基本反映的是同一个菲涅尔带内信息，相互间具有相似性，因此采用数据平滑的方法就可以获得统计意义上的静校正量。它是在共检波点道集叠加剖面上，统计相对某一标志性同相轴不同道的静态时移，去掉极值，计算一个道集范围内平均值作为这个道集的Trim静校正量[21]。标志同相轴的选择一般根据PP反射叠加结果选择能量较强且相对连续的反射。根据选择约束层位的多少，又分为单层位约束和多层位约束。单层位约束是整个地震道垂向旅行时间使用了相同的静校正，而多层位约束则体现了时变的特点。

2 测试与对比

2.1 复杂地表2D3C测试

以山西武乡沁水煤田中东部复杂地表和浅层结构试验区采集的二维三分量地震数据为例，地震测线位于中等强度剥蚀的黄土塬区，测线横跨陡坎和冲沟，地表高程变化剧烈，浅表地层复杂多变，如图3所示，一般高差150～350 m，这使该区域数据的PS波静校正处理非常具有挑战性。

图3 K1线高程变化（图中上方曲线与下方曲线之间表示降速带，下方曲线以下表示低速带）

K1线X分量静校正前炮集记录如图4所示，基本上看不到连续光滑的同相轴。为了对比实验效果，将测试数据Z、X分量分别进行叠加成像处理，结果如图5所示。Z分量处理采用了成熟的P波处理软件，静校正问题解决较好，新生界底和目标煤层的反射分别出现在剖面400 ms和800 ms处如图5（a）所示。根据钻孔标定，对应PS波剖面，这两个层位在PS波剖面上出现的时间应为800 ms和1 200 ms。而X分量处理采用了最简单的地表一致性静校正，将P波的检波点静校正量乘以纵横波速度比作为PS波的检波点静校正量，显然PS波叠加剖面如图5（b）所示上只在1 200 ms左右有断续的同相轴，800 ms处没有明显的同相轴出现。

图4 K1线X分量静校正前炮集数据（单炮）

使用单层位约束对PS波进行Trim法静校正。首先对整个工区进行不同比例系数的扫描实验，即设定比例系数范围和变化间隔，分别把Z分量检波点静校正量乘以不同的比例系数，将获得的校正量加到炮集数据上，对比单炮记录和叠加剖面效果，从中选取最优的比例系数，将获得的静校正量加到PS波共检波点道集上；经过实验，确定比例系数2.2时效果最好。然后对共检波点道集进行剖面叠加处理，追踪煤层反射，采用Trim法对层位进行平滑处理，获得Trim校正量，最后将其添加到共检波点道集中。经过单层约束的Trim静校正后的X分量叠加剖面如图6（a）所示。

显然，与图5（b）相比，煤层反射静校正问题缓解，能量增强；但由于静校正量非时变，浅层反射叠加效果并未改善。

进一步对该数据选取2个标志层位（800 ms，1 200 ms）来控制检波点静校正量的求取，基于数据平滑的Trim静校正方法分别求取2个层位的静校正量，再根据线性插值原理，获取全工区时空变的静校正量。将该静校正量应用于该工区，获取的X分量CCP叠加剖面如图6（b）所示。

根据图5（b）、图6（b）对比可以看出，双层位约束Trim法在800 ms和1 200 ms均出现清晰连续的同相轴；相较于传统的、最简单的非时空变比例系数法，基于浮动基准面的Trim静校正方法可以使目的层的连续性变得更好，也更清晰，构造形态上与PP波反射更加相似。

图5 K1线Z与X分量叠加剖面

图6 单层位和双层位约束Trim法K1线X分量CCP叠加剖面

2.2 三维三分量试验

接下来检验这3种方法应用于淮南三维三分量数据PS波静校正的效果。同样用一个固定的比例系数与PP波检波点静校正量的乘积来作为PS波的检波点静校正量，同时用单层约束和双层约束Trim法来求取时空变的静校正量，CCP叠加剖面对比效果如图7所示。其中图7（a）采用的是非时变和空变的静校正量，图7（b）采用的是非时变、但空变的静校正量，而图7（c）则使用了时空变的静校正量。3个图对比可以看到CCP叠加剖面上浅、中、深层的成像效果均明显提升，说明通过共检波点道集采用Trim静校正方法获取PS波检波点静校正量的方法是可行的。