气云区全波形反演约束Q场建模技术

2022-06-23薛志刚轩义华但志伟史文英秦宏国

吉林大学学报（地球科学版） 2022年2期

薛志刚，轩义华，刘铮，但志伟，史文英，秦宏国

1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518067 2.中海油田服务股份有限公司湛江分公司，广东湛江 524057 3.北京汤固能源科技有限公司，北京 100012

0 引言

“气云”是烃类气体在地层中聚集的地质现象，在纵波地震剖面上表现为低频、强振幅、杂乱反射的特征。“气云”作为一种特殊且重要的运移通道表征，对油气的聚集成藏有重要的指示作用。但是由于“气云”与周围砂泥岩的强烈速度反差，复杂的浅层气异常使纵波波场严重复杂化和扭曲，并降低地震频宽，从而影响了下伏地层的成像质量，形成成像空白带。长期以来，气云区成像一直是海洋地震数据处理中的重要难题，并成为石油行业的研究热点之一[1-3]。

针对气云区地震资料的成像处理，通常解决思路有3种：①根据气云空间展布特征设计大偏移距、采集方向合理的二次采集，最大限度地规避气云区对地震波传播的影响；②优化常规纵波成像处理流程，针对气云区对地震波吸收衰减等问题，开展针对性处理研究，最大限度地提高气云区的成像质量；③开展多波勘探及多波成像技术研究，通过横波勘探来解决气云区模糊带内的地震成像问题[3-5]。思路①和思路③都是从地震资料采集入手，花费大而且不利于老资料区的资料挖潜工作。近年来，通过纵波资料的Q场反演和Q深度偏移对气云发育区衰减能量进行补偿并改善空白带成像的技术得到很大发展[5-6]。

品质因子Q是地震波在地层中的衰减属性，Q深度偏移是考虑了地层吸收衰减的偏移成像技术。Q深度偏移通过刻画气云的Q异常值，在偏移过程中补偿复杂形状的浅层气体异常引起的频率相关振幅衰减和相位失真，既可以恢复气云空白带的振幅衰减,又可以提高由于气云速度异常引起的下伏地层扭曲现象[7]。由于成功的气云成像需要精确的速度模型和Q模型，Xin等[8]提出了一种基于射线Q层析成像进行Q估计的方法，可以将其结合到常规的深度速度模型构建流程中。这种方法对复杂程度较低的区域效果较好[9]。当含气砂体的分布变得更加复杂时，Q层析成像通常无法提供必要的分辨率来生成与地质层位一致的吸收模型。

全波形反演(full wave inversion, FWI)技术描述精确速度模型的实例在国内外已经很多，应用在气云区也有成功例子[10-14]。来自FWI的详细速度信息不仅有益于偏移成像，而且为浅层气体分布提供了非常有价值的约束，可以将其用作指导Q层析成像反演的约束条件。这有助于Q层析反演收敛更快，并提供更符合地质特征的Q场，然后用于改善气云吸收和气云空白带的地震成像。学术界对大规模气云的Q场建模研究并不多，主要是以Q层析为主。国际上CGG公司有亚太地区Q场建模及Q深度偏移解决气云区成像的例子[7-9]，国内鲜有Q深度偏移成功的例子发表，利用FWI改善Q场建模精度研究也未见发表。

本文提出Q-TTI(tilted transverse isotropy)叠前深度偏移与FWI约束的Q层析相结合，以改善Q模型精度，进而改善复杂浅层气体异常下的地震成像。通过在白云凹陷气云模糊带和气云底辟带Q深度偏移项目研究中的应用，讨论FWI约束Q场建模技术的应用效果和适用性。

1 全波形反演约束Q场建模技术

1.1 Q深度偏移和Q场建模

传统的吸收补偿方法，比如时变谱均衡方法，可以补偿高频的频率衰减，但破坏了地震振幅的可靠性，又如1D反Q滤波处理，不能考虑3D空间的吸收衰减变化。最准确的做法应该是通过求取Q模型，在深度偏移的过程中，按照地震信号实际传播路径逐点补偿地震波形的振幅和相位衰减，达到时间、空间变补偿的效果。

为了实现精确的吸收衰减补偿，设计了柯西霍夫Q深度偏移[7]。Q深度偏移的计算是一种黏弹性声波方程近似，除了常规的旅行时计算外，它计算了一种考虑了射线路径上Q影响的耗散旅行时。柯西霍夫常规偏移输出计算公式为

(1)

式中：ω为频率；ξ为输入的地震道；P为x位置输出的成像，是空间中所有地震道传播到该位置所用信号之和；W为权系数；t为旅行时；Uin为输入数据的传播函数；xr为检波点位置；xs为炮点位置。Q深度偏移中引入了考虑偏移耗散的旅行时tc，计算公式[7]为

(2)

其中：

(3)

Q深度偏移的重点是进行Q模型建模和速度建模，建立合理可靠的Q模型是Q偏移成功的关键。一般来讲高分辨率的Q模型应与气云形态一致，反映出复杂气云的纵(分层性)横(分散性)向变化；Q模型内部存在量值的强弱变化，反映出实测含气地层的变化特征。Q深度偏移补偿过程通过偏移路径累计补偿，一般来讲Q深度偏移建模前需要建立相对精确的偏移速度场，然后通过振幅异常等特征建立初始偏移Q场，最后通过Q层析和速度层析等方法迭代求取更加精确的Q模型和速度模型。

中心频率移动Q(frequency shiftQ, FSQ)层析反演通过估计信号谱的中心频率或者控制频率相对移动量的方法来反演Q模型。其基本原理是信号在介质中的吸收衰减是随频率变化的，越高频信号在传播过程中的衰减越明显，这种衰减作用会使地震信号的中心频率向低频移动。所以中心频率位移可作为地震吸收衰减作用的一个度量标准，通过反演中心频率相对移动量就可以估计相对合理的Q模型[8]。

FSQ层析反演主要包括以下步骤。

1)使用理想炮点子波S(f)求取炮点的中心频率fS：

(4)

式中，f为频率。

2)从地震数据中求取反射点位置数据的中心频率fR(x,z,h)：

(5)

式中，R(f;x,z,h)为x点在z深度h偏移距的信号。

3)建立Q(x,z)与fS的关系：

(6)

式中：l为单位衰减量；κ为控制系数。

4)进行层析反演，更新Q模型。

1.2 全波形反演速度建模

FWI已经获得了广泛的应用，用于解决各种地震资料处理中的难题，特别是复杂的浅层地质构造带来的成像问题。从海底电缆数据到陆上数据，到各种海上拖缆数据，特别是解决了包括上覆地层气云异常、浅层古河道等地质类型对速度建模与成像的影响，获得高分辨速度，可用于地震解释。常规反射波层析反演的方法速度精度往往不能满足精确气云描述的要求，FWI技术利用单炮波形信息反演速度，是提高速度反演精度的重要手段。

FWI基本原理是给定初始速度，通过正演模拟得到合成记录，进而与实际采集的地震记录比较波形，根据剩余波形，获得代价函数的梯度信息以及二阶导数信息，求得速度更新量来更新速度，经过多次迭代直至获得满意的速度场。

FWI是基于小扰动理论的局部优化，基于Born或Rtov一阶近似将非线性问题进行线性化解决，反演目的是目标函数残差最小，即要求观测数据和模型数据充分接近。

(7)

式中：J(m)为目标函数；dobs为观测数据；F(m)为模型数据；m为参数向量。

时间域黏声波方程可以写为地震波场衰减与补偿的统一形式：

(8)

其中：

式中：p为压力波场；t为传播时间；ρ为密度；v0为参考速度。可见，衰减相关项γ为Q的函数，当Q趋于无穷大时，γ→0，η→-1，τ→0，方程(8)退化为纯声波方程。

经典的FWI采用折射和回转波进行速度更新，深水数据仅采集到了反射波场，需要利用反射波FWI更新低频速度结构。首先利用近中偏移距，通过最小二乘偏移产生地震阻抗界面，然后利用全偏移距数据和波场分离方法提取长周期层析梯度。

1.3 全波形反演约束Q场建模技术

与常规的速度层析反演类似，FSQ层析反演的分辨率并不高。当浅层气云和底辟构造特别复杂时，Q层析的精度并不能满足Q偏移精细建模的需求，为了进一步提高Q模型的精度，需要引入其他信息约束Q场建模。

气云速度异常和吸收衰减异常存在相关性，气云的存在一方面使得下伏地层出现成像假象，一方面使得振幅衰减，信噪比降低，所以Q深度偏移需要迭代求取精确的速度模型和气云速度异常。一方面精确的振幅补偿可提高偏移道集质量，有利于速度模型更新；另一方面精确的速度异常又可以反过来描述气云位置，指导建立更加精确的速度场。

FWI技术刻画高分辨率气云速度异常的能力已经得到证明[2, 10-11]，利用气云速度异常和吸收衰减Q异常存在相关性，就可以利用FWI技术刻画更加精细的速度异常，进而指导Q模型的精确刻画。通过速度建模和Q场建模的迭代精细刻画来求取速度异常和Q场异常，这种“常规层析-FWI-Q反演”迭代的流程称之为全波形反演约束Q场建模技术，具体实施方案包括以下几部分：

1)利用常规速度层析反演和FSQ层析反演迭代建立速度场和Q场。在FWI约束Q场建模之前，首先要按照常规Q深度偏移流程进行高精度的速度层析反演和FSQ层析反演，建立较为精确的Q场初始值。

2)进行FWI，求取高分辨率浅层气云速度异常。在较精确的速度背景场基础上，开展FWI工作，重点是求取浅层气云的速度异常。高分辨率的速度异常不但可以进一步提高气云区的成像质量，也为建立高分辨率的Q异常体提供依据。

3)引入约束算子，求取高分辨率Q模型。从定性分析角度，速度越小，吸收衰减作用越强，对应Q值应该越小，即吸收衰减作用与Q值的倒数成正比，所以一般将Q值的倒数作为计算量。定义FWI速度约束值Qf如下：

(9)

式中：vm为最小速度值；Qb为含气气云区吸收衰减背景值，可以参考模型正演和地质信息以及Q的反演结果获得；v只考虑小于水速(1 500 m/s)的含气气云速度。可见，Qf代表的是气云引起的吸收衰减异常值，根据它可以描述气云的位置和Q值变化。定义最终Q场：

(10)

式中，α为调节因子，范围为0～100。通过调整α可以控制Qb和Qf的权重。

4)进行Q深度偏移，对补偿效果进行质控。

完成Q场建模后，通过深度偏移的结果进一步质控数据的补偿效果，质控数据包括剖面、频谱、道集和主要标志层切片等。

2 应用实例及效果分析

2.1 白云凹陷地质地震资料特点

白云凹陷天然气勘探围绕北部的番禺低隆起区和东部的白云东地区两大成熟区展开。从天然气的成藏规律看，其空间分布由晚期活动断裂或者底辟带与构造脊的匹配关系决定，底辟带主要包括荔湾3底辟带、荔湾13底辟带和白云5底辟带。白云凹陷底辟带发育大型鼻状构造-岩性复合圈闭群，油气运移条件较好，油气成藏条件优越，是天然气勘探的突破口[15-17]。

底辟构造主体部位中深层的地震资料信噪比极低，地层接触关系不清，表现为浅层存在气云屏蔽区，深层有从底辟周缘到核部成像逐渐变差的大片模糊区，模糊区内极差的成像品质以及剧烈的速度纵、横向变化导致底辟中深层的地质构造形态难以描述，地质体深度位置难以预测。气云模糊区成像问题已严重制约了底辟中深层目标的构造落实、储层预测、烃类检测及后续井位部署。

本次针对白云凹陷主洼底辟带开展三维地震成像研究，底辟带周边有洼陷中心底辟油气成藏带，但浅层发育浅层气、水合物和火山等异常体，造成中深层地震资料模糊。地震资料主要存在两个方面问题：1)受浅层气影响，浅层气下伏地层振幅变弱，含气低速造成构造下拉成像不聚焦、断裂成像模糊，信噪比低；2)底辟带下伏地层成像差，信噪比低，速度异常不明显，无法落实压力异常范围及边界。

2.2 白云凹陷全波形反演约束Q场建模过程

2.2.1 初始速度场和Q场建立

FWI约束Q场建模的起始速度场是在多次反射层析和Q层析迭代过程中得到的，其中包含了各向异性。气云发育的Q异常体，往往在叠加剖面上表现为振幅强能量；初始Q场可以通过刻画振幅强能量位置的方法来刻画衰减异常位置，同时通过FSQ层析反演来获得相对合理的Q模型。

2.2.2 全波形反演

1)FWI实现过程

回转波路径正演分析：产生回转波的远偏移距资料对FWI至关重要。反演的效果和可靠性与采集观测系统、资料品质与地质条件息息相关，进行反演之前要进行回转波射线的正演分析。从白云荔湾2工区气云屏蔽下回转波路径正演分析图可见：平行于气云方向的回转波正演路径分析(图1a)中气云范围较大，穿透气云的有效偏移距为6 500～7 500 m；垂直于气云方向的回转波正演路径分析(图1b)中气云的范围较小，穿透气云的有效偏移距为5 500～6 500 m。此次使用的数据电缆长度为6 800 m，最大偏移距达到7 000 m，包含了穿透气云所需的偏移距信息，故FWI的气云速度是可行的。若要得到更深层的速度结构信息，需要更大的采集偏移距。

子波选取和正演模拟：在FWI之前，需要做好子波选择和炮集正演质控工作。FWI子波可以使用采用参数模拟的理想子波或者地震数据中提取的子波。不同子波的正演模拟单炮对比(图2)可见，模拟子波正演波形一致性更高，特别是在2.5 s处弱反射特征描述更加准确。此次FWI工作最终采用模拟子波做最终正演。

反演炮集预处理：FWI炮集数据预处理是事关反演效果的重要步骤。地震数据炮域预处理要贯彻保幅保真的原则，主要包括3个方面：滤波、叠前去噪和数据切除。FWI一般只应用低频炮集信息，在反演输入前可以对地震数据进行低通滤波。保幅叠前去噪需要做好波场分析，正确识别干扰波类型，针对不同噪音采用有针对性的噪音压制技术。为了不破坏有效信号，叠前去噪只去除确定性的噪音。FWI预处理炮集切除需要通过试验确定，重点是保证初至波和回转波的完整性，同时不带入噪音。

FWI迭代过程：FWI迭代过程一般从低频低波数反演到高频高波数以降低收敛到局部最小值的风险。输入单炮也是从较稳定的低频回转波过渡到高频反射波。此次FWI中分别使用了3、5、6、8、10 Hz的频率，逐步迭代完成，同时进行深度偏移成像，验证反演效果。

2)白云凹陷气云模糊区FWI效果

从研究区内主测线方向FWI速度剖面和地震叠合质控图(图3)中可见低频强振幅、成层性差的反射波是气云所在区域。输入模型刻画了大规模气云(图3a中粉红色)的位置，但是分辨率和速度值都不够准确；在反演后的速度模型中，过度简化的低速体被精度更高的低速异常代替，同时FWI模型刻画出了小规模的气云，揭示了大规模气云内部成层性的速度变化，气云区边界高速盖层分界明显、与砂泥岩速度边界过渡自然，位置与地震剖面吻合程度高(图3b)。从速度量值上来讲，气云低速达到1 200 m/s。这样，来自FWI的速度信息使得利用气云(低至1 200 m/s)和页岩/砂岩背景(1 600 m/s以上)之间的速度差异来提取高分辨率气云范围成为可能。故将此属性用作指导Q层析的约束条件。

a. 平行于气云方向；b. 垂直于气云方向。

a. 选取子波；b. 模拟子波。黑色波形为原始单炮，颜色波形为模拟单炮。

图3 研究区主测线方向FWI前(a)后(b)速度剖面和地震叠合图

从白云工区FWI前后速度切片和地震切片叠合对比(图4)可见，前期建模(图4a)中采用人工插入低速的方法，初始的速度气云区局限在中间最大的区域；利用数据驱动FWI建模(图4b)速度反演后的速度气云区扩大，边界刻画清晰，气云内部存在局部的速度变化，同时气云不发育的砂岩地区的轮廓也变清晰，整体速度横向变化得到更精确的描述，为提高下伏模糊带的成像精度提供了分辨率更高的速度模型。

2.2.3 全波形反演约束Q场建模

在得到相对精确的气云速度和位置信息后，利用FWI的速度模型，进一步建立FWI约束的Q模型；然后在包含了约束后精确Q场异常的基础上进行新一轮Q层析反演，同时利用Q深度偏移成像结果进行质量控制；最终完成FWI约束Q场建模和Q深度偏移。

对比研究区FWI主测线方向约束前后Q模型与地震叠合图(图5)。图5a为工区内气云区Q层析建模后的Q模型，也是FWI约束Q场建模输入的初始Q模型，可见气云位置和规模相对准确，是相对合理的气云Q模型背景。图5b为FWI约束Q层析后的Q模型，可见新Q模型分辨率提高、气云内部强度分层明显，Q值低的地层主要集主在顶部，展布合理，Q异常既包含了强振幅特征的含气地层，也包含了含气底辟通道引起的吸收衰减地层。Q模型与FWI速度模型有很强的相关性：最强的吸收区域(低Q)与速度最低的区域匹配。

2.3 气云区成像效果分析

对比白云工区荔湾3井区常规深度偏移及Q深度偏移剖面(图6)：此位置存在浅层气云异常，但是规模较小(图6a)，通过Q深度偏移后由于浅层气存在而形成的模糊带能量衰减得到了补偿，下伏地层能量一致，同时下伏模糊带内的地层与围岩地层的一致性、连续性及信噪比得到了很好的改善，中深层地层结构、断层成像及基底成像更清楚(图6b)。

白云工区荔湾2井区常规Q深度偏移和FWI约束Q深度偏移成像剖面对比(图7)可见，在大规模、多层系复杂气云发育区域，FWI精确描述建模后的Q偏移剖面上，浅层气云异常成像更加清晰，补偿后由于浅层气云引起的振幅能量和频率衰减得到补偿，下伏模糊区地层能量和频率沿层更加均衡，同时模糊区地层扭曲化(浅层速度异常引起)现象得到改善，整体成像质量大幅提升。