水平地表条件下近地表影响的正演模拟

曹晓莉

(中国石化胜利油田分公司 物探研究院，山东 东营 257015)

地球表面覆盖着一层未固结、质地疏松的沉积层，在地震勘探上称之为风化层，也是通常所指的低速层，有时在低速层与稳定的高速基岩间还存在一层速度略高的降速层[1]。这些存在于近地表的低降速带，会引起地震波旅行时的增大，产生较大的时间延迟，并且由于沉积环境变化的影响，低降速带的厚度和波速也会产生横向变化，使旅行时延迟量发生显著的差异，造成接收波场复杂，对地下成像产生严重影响。同时低降速带比较疏松，吸收衰减效应严重，也会影响波场的振幅，导致深层成像变差，且成像振幅横向关系畸变，严重影响对地震资料的精细解释[2]。通过对近地表模型的正演模拟与分析，可以弄清近地表影响下的波场特征，具有重要的指导意义[3]。目前研究最多的是对起伏地表的正演模拟与分析，而东部探区近乎水平地表，由于沉积环境的变化，其低降速带也存在横向变化，同时还存在严重的吸收衰减效应。目前东部探区的绝大部分油田都进入了勘探开发的中后期，对精细勘探提出了更高的要求，这种情况下对水平地表的近地表影响进行研究分析，也是非常必要的[4]。

笔者从速度和吸收衰减两个方面入手，基于一阶速度-应力波动方程[5-7]，对水平地表的近地表模型进行正演模拟，并对垂直分量接收波场、成像振幅、成像位置等进行系统深入考察分析。

1 正演模拟基本原理

基于广义标准线性固体的黏声波动方程为

(1)

式中，p为声压波场，Pa;υ为质点振动速度，m/s;t为时间，s;ρ为介质密度，kg/m3;Ku为未松弛体积模量，Pa;KR为松弛体积模量，Pa;E为记忆变量，L/s;τεl和τσl为松弛时间，s。当记忆变量E为0时，上述方程退化为声波方程[8]。

在求取离散波动方程前，先进行定义

(2)

式中，c为差分系数，可由泰勒展开得到。由式(2)可得到采用交错网格时间二阶，空间高阶的有限差分格式的离散波动方程：

(3)

根据式(3)即可进行相应的正演模拟计算。

2 近地表速度的影响

速度是贯穿地震资料处理各个环节的核心要素，速度的影响至关重要。通过建立近地表模型，从接收波场、成像振幅及成像位置3个方面分析速度这一因素的影响。

2.1 速度对接收波场的影响

对简单模型进行正演，分别正演有无近地表的情况。反射信号经过近地表低速时，透射系数大于1，有放大效应，且射线向垂直地表偏折，有利于Z分量采集，此时近地表起了一定的积极作用。图1是含近地表的速度模型和正演炮集。

图1 含近地表的速度模型和相应的正演炮集

图2是有近地表和无近地表的声压波场放大显示，可以看出对于近偏移距声压波场，有近地表时反射信号存在放大效应，这是由于反射信号经过近地表时透射系数大于1(波长变短)。当近地表较复杂时，会产生大量的散射波等次生干扰，严重影响采集数据的质量，此时近地表起负面作用。

图2 近地表存在前后的声压波场对比(放大显示)

2.2 速度对成像振幅的影响

以地下单界面简单模型为基础，分别对无近地表、水平层状近地表和横向变速近地表模型进行正演和偏移，来分析近地表对地下成像的影响。当偏移速度准确时的结果如图3所示，其中蓝色曲线为同相轴的振幅曲线。

图3 速度准确时近地表对偏移剖面和偏移道集的影响

由图3可以看出，当偏移速度准确时，都能够正确成像，与没有近地表相比，近地表对偏移剖面和偏移道集的振幅有一定影响，但影响不大。

仍以地下单界面简单模型为基础，考察偏移速度不准确时，近地表对地下成像的影响。分别对无近地表、水平层状近地表和横向变速近地表模型进行正演和偏移，结果如图4所示。

图4 近地表速度不准确时对偏移剖面和偏移道集的影响

由图4可以看出，由于近地表厚度较小，近地表速度不准确对成像形态影响不大，水平层状近地表模型仍能较好地保持相对振幅关系，但横向变速近地表模型的振幅关系严重失真，说明当近地表速度不准确且存在横向变速时，会严重影响偏移剖面和偏移道集的振幅关系，扰乱AVO特征。

2.3 速度对成像位置的影响

建立如图5所示复杂模型，考察近地表对地下成像的影响，结果如图6所示。可以看出偏移速度不考虑近地表时，其成像质量下降，同相轴出现扭曲现象，不能正确聚焦归位，产生误差。而且偏移道集扭曲错动，不利于层析反演，造成叠前深度偏移建模困难。图7是不同偏移道集的对比，可以看出，偏移速度不考虑近地表时，偏移道集扭曲，与近地表异常体相对应。静校正能够改善这一问题，但因为是一维算法，无法完全解决，尤其是中浅层道集无法校平。

图5 包含近地表的复杂速度模型

图6 不考虑近地表时对地下成像的影响

图7 不同情况的偏移道集对比

3 近地表吸收衰减的影响

野外采集得到的地震记录实际上是经过了滤波后的结果，对其进行滤波的是地下传播介质。因为实际地层并非理想的完全弹性介质，地震波在传播过程中受非完全弹性介质的吸收而产生消耗。特别是近地表具有介质疏松、风化剥蚀严重的特点，它对地震波的吸收衰减作用更加明显，这种衰减作用会大大影响后续地震资料的分辨率[9-10]。

为了研究近地表吸收衰减的影响，同样从接收波场、偏移剖面及偏移道集3个角度进行分析对比。

3.1 对接收波场的影响

采用图5所示的包含近地表的复杂模型进行黏声正演模拟，对正演结果进行分析发现：计算波场由于受到近地表吸收衰减的严重影响，远偏移距和深层信号振幅出现衰减严重的现象，而近地表的非均匀性会造成同相轴的横向不连续性和不一致性(图8)。

图8 近地表吸收衰减前后的单炮对比

3.2 对偏移剖面的影响

目前确定反射界面真正空间位置采用的最常用的方法就是地震偏移处理[11]，地震偏移处理应用的就是处理后的地震记录，因此偏移结果也会受到近地表吸收衰减的影响。将前述正演模拟得到的地震记录进行偏移，并与未受近地表吸收衰减影响的地震记录的偏移结果进行比较，来分析近地表吸收衰减的影响。

通过对比发现，近地表吸收衰减后的偏移剖面呈现振幅衰减，分辨率降低的特征，而深层受到的影响相对更严重。同时由于近地表异常体的存在，偏移同相轴存在横向不连续和不一致的现象(图9)，可能会造成解释陷阱。

图9 近地表吸收衰减前后的偏移剖面对比

3.3 对偏移道集的影响

偏移道集在反演环节中应用较多，偏移道集的准确程度会影响反演过程中的属性分析等结果，因此研究近地表吸收衰减对偏移道集的影响程度也是非常重要的。图10是受近地表吸收衰减影响前后的偏移道集的对比，可以看出，偏移道集与接收波场及偏移剖面一样，同样因受到近地表吸收衰减的影响而导致深层能量变弱、分辨率降低。而且由于近地表不同异常体对不同偏移距的影响，道集质量严重降低，形成错误的AVO特征，降低反演结果的准确度。

图10 近地表吸收衰减前后的偏移道集对比

4 结 论

(1)近地表低速层对反射信号有放大效应，且使接收波场的射线向垂直地表方向偏折，有利于目前的单分量采集，起到一定的积极作用，但是近地表异常体的存在产生散射噪音，不利于有效信号接收。

(2)当近地表横向变速时，若偏移不考虑近地表速度，会对成像位置和成像振幅都产生严重影响，破坏振幅相对关系，反射波不能正确聚焦归位，影响成像质量及后续应用。

(3)近地表的吸收衰减会使有效信号振幅减弱，分辨率降低，破坏成像的横向连续性和一致性，造成解释陷阱。

(4)对于精细勘探而言，很有必要在成像时考虑近地表的速度和吸收衰减问题。