逆时偏移对复杂构造成像影响因素分析

张明强，程 耀，谢 涛，朱金强 ，王 炜，焦叙明，公绪飞

(1.中海油田服务股份有限公司物探事业部 物探研究院, 天津 300451；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

1 引 言

逆时偏移最早由多位学者[1-3]于20世纪80年代提出，最初是一项基于爆炸反射面原理的叠后偏移技术。随后，Chang等[4]利用激发时间成像条件将该技术从叠后推广到叠前。逆时偏移直接求解双程波动方程，可以自然地产生反射波、透射波、回转波、棱柱波等复杂的波现象，从而具备了强大的复杂构造成像能力。在20世纪末，鉴于计算机技术的发展水平和地震资料处理市场的实际需求，相对于柯希霍夫与单程波偏移方法，逆时偏移并未得到广泛的应用。进入21世纪，计算机集群、GPU(Graphic Processing Unit)通用计算等计算机软硬件技术迅速发展[5-8]；边界重构、检查点及随机边界等逆时偏移优化算法相继提出[9-11]，同时深海探区等复杂构造勘探成像需求提升[12-15]，逆时偏移在理论研究[16-18]和生产应用方面均取得了巨大进展[19-21]，极大地提高了地震资料处理的质量和效果，是目前最先进的叠前深度偏移方法之一。

近些年，逆时偏移已成为墨西哥湾、西非、英国北海以及巴西等海域复杂盐下勘探的必备成像技术[22]。同时，该技术近些年在国内西部探区逆掩推覆构造及碳酸盐岩缝洞储集体成像方面也发挥了重要作用[23]。目前，我国海域勘探重点正逐步由中浅层转向中深层复杂构造，这给逆时偏移的推广和应用提供了可能。其主要原因有两点：第一，柯希霍夫叠前深度偏移方法基于高频渐近假设，对复杂构造的强横向变速情况适应性差，同时该方法不能有效地对棱柱波等特殊波型正确成像，难以满足深部高陡构造的成像要求；第二，受吸收衰减等因素影响，中深层成像有效频带通常不超过30～40 Hz，所涉及的计算需求在目前的硬件配置和算法优化水平下能够满足，逆时偏移的规模化应用在技术上可行。

为此，本文结合某工区实际资料，通过与射线类偏移方法成像效果进行对比，探讨了逆时偏移对复杂构造成像的影响因素。首先，分析了逆时偏移在利用棱柱波对高陡构造进行成像方面的优势；然后，基于实际处理，展示了配合高精度速度模型，逆时偏移对强横向变速现象发育的气云区下伏地层成像的优势；最后，以在噪声和多次波压制环节有效保护棱柱波并配合高精度速度模型为前提，分析和展望了利用逆时偏移解决国内海域中深层勘探成像难题的前景。

2 逆时偏移成像影响因素分析

2.1 标准模型分析

为了对比研究逆时偏移和克希霍夫叠前深度偏移，对BP2004国际标准模型[24]数据进行处理，图1(a)和图1(b)分别展示了柯希霍夫叠前深度偏移和逆时偏移成像结果。

在剖面的浅部(约2 000 m以上)和剖面右侧(CDP4 900右侧)区域，构造较为简单，柯希霍夫深度偏移和逆时偏移的成像效果基本一致。在剖面中部区域，盐丘侧翼倾角大，棱柱波等复杂波现象广泛发育，并且是这些构造的重要照明方式。柯希霍夫偏移无法对该类波正确归位，因此盐丘侧翼成像效果较差，难以从成像剖面上进行有效的识别。在剖面左侧盐体区域，盐丘顶底崎岖，形成了强横向变速，导致柯希霍夫偏移成像效果较差。不仅如此，在崎岖盐顶底的干扰下，盐下也无法有效成像。而逆时偏移在上述区域均能够有效成像。

图1 BP2004模型柯希霍夫叠前深度偏移和逆时偏移成像结果Fig.1 Kirchhoff PSDM and RTM results of BP2004 model

图2 实际资料深度切片Fig.2 Depth slices of real data

2.2 实际资料分析

依据逆时偏移相对于射线类偏移方法对棱柱波成像和强横向变速介质适应能力两方面的优势，在国内海域选择某高陡大断裂发育及气云屏蔽严重区块对上述两方面优势进行分析论证。

由于浅层气云发育且浅水的缘故，无法在偏移距域共成像点道集上拾取有效曲率进行反射波层析反演，为此浅层采用折射波走时层析方法获得较高分辨率的浅层速度模型。在此基础上，中深层利用高精度反射波层析反演方法进行速度迭代更新。由于数据信噪比相对较低，且本工区主要关注构造成像，因此采用射线束偏移方法作为逆时偏移成像效果的对比标准。

射线束偏移输入数据是经过数据规则化后的共偏移距道集，逆时偏移输入数据为数据规则化前的共炮点道集。鉴于关注的目标为深层高陡断裂和气云区下伏潜山面，根据优势频带分析，逆时偏移给定的有效偏移频率为25 Hz，射线束偏移依旧保持输入数据频带。由于浅层速度通常为1 500 m/s左右，而深层速度通常高达5 000 m/s左右，为了提高逆时偏移计算效率，进一步引入变网格算法减少网格数量，从而降低存储和计算量。由于目标层最大深度为5 km左右，但高陡断裂倾角接近80°，经过孔径参数扫描，最终射线束和逆时偏移孔径均给定为6 km。由于逆时偏移为逐炮计算，为了兼顾计算效率和成像效果，采取每隔三炮计算一炮的策略进行全工区的偏移。

图2(a)和图2(b)分别为控制射线束偏移和逆时偏移成像结果深度切片，图2(c)和图2(d)分别为其对应局部放大。从图2可以看到，逆时偏移对应深度切片白圈所示位置断裂成像更清楚。

图3展示了某纵测线逆时偏移和控制射线束偏移的深度剖面。在浅部区域(约1.5 km以上)，构造整体趋于平缓，两种方法对构造的成像效果并无显著优劣之分，这一点与BP 2004模型测试结果一致。逆时偏移成像由于做了频带限制，成像分辨率明显不如射线束偏移结果。而在中深部区域，可以看到整体上逆时偏移对断裂的成像效果相对更好，特别在图中白圈所示的高陡断裂处，逆时偏移显著改善了成像效果。

图3 实际资料深度剖面Fig.3 Depth sections of real data

图4 地震记录及射线路径示意图Fig.4 Seismic record and shot ray path diagram

为分析上述导致成像效果差异的原因，选取图3所示的纵测线附近的地震记录进行分析。图4(a)为高陡断裂附近的地震记录，图4(b)为远离高陡断裂的地震记录。如图4(a)圆圈所示，高陡断裂附近地震记录有明显的棱柱波，而远离高陡断裂的地震记录(图4b)则无棱柱波。图4(c)为成像结果与速度模型叠合显示及一次反射波(紫色线)与棱柱波(红色线)射线路径示意图，相对于一次反射波，记录棱柱波所需偏移距相对更短。由于该工区为海底电缆采集，最大偏移距仅为4 km，因此相对于控制射线束偏移，逆时偏移综合利用棱柱波和一次反射波信息，从而实现了高陡断裂更清晰的成像。

鉴于逆时偏移对强横向变速介质的适应性，该技术应该是基于高精度速度建模的气云发育区成像技术体系的重要组成部分。为了获得精细的深度域速度模型，首先利用高精度折射波层析速度建模技术获得浅层速度模型，在此基础上进一步利用高精度反射波层析速度建模技术更新中深层速度，最终获得高分辨率深度域速度模型。该类速度场具有较高的分辨率，在速度结构复杂的情况下，常规射线方法由于高频渐近假设的局限性，仍然难以因为建模精度的提高而达到相应成像质量的提升。逆时偏移对横向变速的适应性则取决于速度场构造细节尺寸与有限差分网格的相对大小，即速度场的细节只要能被差分网格所描述，其差异都会体现在逆时偏移波场中，从而得以体现在成像结果中。

图5为气云发育区成像剖面效果对比，其中图5(a)为控制射线束成像结果，图5(b)为逆时偏移成像结果。如图5中椭圆位置所示，可以看到逆时偏移对气云区断裂及气云屏蔽下方潜山面和潜山内幕成像效果改善较为明显。其主要原因为气云区较为破碎,且被气体充填导致速度横向变化大，绕射反射及反射绕射等多种复杂波现象发育，进一步配合高精度速度模型，逆时偏移可以对上述复杂波型进行相对更准确的归位。

图5 气云区及下覆地层控制射线束成像结果和逆时偏移成像结果Fig.5 Imaging results of beam migration and RTM in gas cloud charged and shielded area

3 结 语

1)应用逆时偏移对高陡构造进行成像时，在噪声和多次波压制阶段，一定要注意对棱柱波的识别和保护。

2)针对气云区及其下伏地层成像，可以采用折射波层析或早至波全波形反演等技术获得浅层模型，再进一步配合反射波层析，最终获得较高分辨率的深度域速度模型。在此基础上应用逆时偏移技术,有望改善其成像效果。

3)国内海域广泛发育气云区、火成岩、高速灰岩以及高陡复杂构造，在有效保护棱柱波并配合高精度速度模型的前提下，逆时偏移有望进一步提升上述复杂地质体的成像质量。

致谢

感谢中海油田服务股份有限公司物探事业部同意该论文发表；感谢BP公司的Frederic Billette和Sverre Brandsberg-Hahl博士提供BP2004标准模型和地震记录。