全方位局部角度域叠前深度偏移在复杂构造成像中的应用

王 江

中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院

0 引言

同叠后地震处理数据相对比，叠前偏移数据更能真实反映地下构造形态、岩性横向变化[1-14]，但在地下断裂发育、构造形态复杂、速度横向非均质性强的地区，尽管共炮检距Kirchhoff叠前深度偏移算法对复杂速度场的横向变化适应性好、计算效率高，但由于地下构造形态复杂，Kirchhoff叠前深度偏移成像结果也会产生地震反射运动学与动力学假像[15]。对于速度横向变化大的复杂高陡构造带，尽管逆时偏移成像结果适应性强，但是必须建立高精度的速度场，因此建立的速度模型不精确的情况下仍无法保证复杂高陡构造带的精细成像[16]。

大杨树盆地位于兴安岭褶皱带南部，面积15 460 km2，为一NNE向长条带状展布的中生代断陷盆地，盆地基底主要为海西期花岗岩与古生界浅变质岩系，最大埋深4 700 m，盆地东西两侧均以断裂为界，构成盆地西缓东陡、南深北浅，且由南向北呈拗隆相间的构造格局。地表火山岩大面积火山岩覆盖，原始资料信噪比低。大杨树盆地经历了多期建造和多期改造，构造复杂、断裂极其发育[17]。受多期构造运动的影响，主力目的层下白垩统九峰山组发育多个走向不同的断层，形成网格状的断裂格局，同时九峰山组岩性纵、横向变化剧烈，主要为中基性熔岩、火山碎屑岩夹砾岩、砂岩、泥岩和煤层，速度纵、横向非均质性强，致使准确的速度场建立困难，不但绕射波难以收敛，而且反射波难以有效准确归位，复杂构造带无法得到高质量的构造成像资料，Kirchhoff叠前深度偏移和逆时偏移得到的地震资料不但信噪比低、目的层九峰山组的地震反射特征不清，而且地震资料的分辨率也较低，无法满足精细构造解释、精细储层预测和精细油藏描述的地质需求。

针对大杨树盆地复杂的构造地质条件，在准确的速度场建立基础上，地震反射波归位精确，绕射波收敛合理，获得高信噪比、能够满足地震—地质需求的地下构造精细成像资料是处理的重点[16]。笔者基于全方位局部角度域叠前深度偏移方法和原理，在大杨树盆地3D地震资料处理中应用全方位局部角度域叠前深度偏移技术，同时提取反射角道集和倾角道集，构建镜像加权因子来提高地震反射能量、减小散射能量，然后对倾角道集进行叠加得到地下真实的成像结果，同Kirchhoff叠前深度偏移方法对比，不但复杂构造带精细成像，而且地震资料分辨率和信噪比都明显提高，地震频带由8～78 Hz拓宽到5～88 Hz，能够满足构造精细解释和勘探生产的地质需求。

1 全方位局部角度域叠前深度偏移

以射线追踪理论为基础，将地面检波点R收到的地下信息映射到地下局部角度域体系中进行波场分解与成像是全方位局部角度域精细成像的核心[18]。据地震运动学理念，由于地下任何成像点的地震波组特征都是由地震入射波场和散射波场相互作用而产生的，所以可以把地下成像点M处的地震入射波场和散射波场分解成局部平面波来表示成像点处地震波传播的方向，入射射线和散射射线的传播方向分别用两种射线的倾角和方位角来表示，通过每个射线对将地面检波点接收的地震数据映射到地下局部角度域坐标体系中[16]，这样地下波场的局部传播方向就可以用入射波场和散射波场的倾角和方位角来表示（图1）。

图1 全方位局部角度域地震反射示意图

图1中y轴（方位角的参考方向）为正北方向，地震波入射射线和反射射线的方向由射线对的法线倾角（α1）和方位角（α2）以及射线对的开角（β1）和射线对所在平面的方位角（β2）4个地下局部角度域的角度来表示。

全方位局部角度域偏移成像算法是以地震走时射线理论为基础，利用射线追踪方法由地下成像点M开始向地面检波点R进行走时追踪，将地面检波点R接收到的地震信息映射到地下局部角度域坐标体系中，其映射关系表达为：

式中M表示地下地震成像点位置；S表示炮点位置；R表示检波点位置。

由于映射过程中来自所有方向的地震射线都要参与地震成像，为降低数据运算要求，在计算过程中进一步将映射分解为倾角和反射角2种互补的角度域道集。

在倾角成像道集中，地震成像点M的反射率是α1和α2对β1和β2的积分 ：

在反射角成像道集中，地震成像点M的反射率是β1和β2对α1和α2的积分：

式中，Kα和Kβ分别为倾角积分和反射角积分的核函数；H代表倾斜因子；其数值与射线对开角β1的大小成反比。

因此，对于地下每一个成像位置，每种角度域成像道集都是α1和α2对β1和β2、β1和β2对α1和α2的积分，应用积分式（2）和积分式（3），就可以得到全方位局部角度域的反射角道集和倾角成像道集。

在实际全方位局部角度域地震资料处理过程中，应用反射角道集来建模，应用倾角道集叠加来进行地震精细成像。对倾角道集通过提取镜像加权因子，提高地震反射能量，而将散射能量减小，提高地震资料的信噪比，获得高精度的地震成像资料。如果想获得突出断层、溶洞散射能量的地震反射特征剖面时，只要提取相反的加权因子即可突出断层、溶洞的地震波组特征[16]；而反射角道集不但包括来自地下不同方位的地震—地质信息，而且浅层反射角的角度范围比中深层反射角的角度范围更大，更利于建立浅层速度模型。

2 技术应用及效果

2.1 理论模型分析

根据大杨树盆地实钻井岩性组合关系、火山岩以及砂、泥岩速度设计水平层状地质模型来模拟合成地震道，地震模拟数据由地震反射特征不明显的薄岩性体和复杂反射产生的地震干扰波组成。图2为利用Kirchhoff积分方法和全方位局部角度域偏移方法分别对该水平层状地质模型进行地震弹性波数值模拟后得到的模拟地震合成记录。利用全方位局部角度域偏移方法，应用反射角道集来建模，而应用倾角道集来进行地震精细成像，通过提取镜像加权因子来提高地震资料信噪比、增强地震反射能量，获得高精度的地震成像资料，得到共反射角叠前深度偏移剖面。通过与常规的Kirchhoff积分法进行了比较,全方位局部角度域偏移处理后的地震反射界面清晰、波组特征明确、岩性体与周围地层接触关系明确，地震分辨率明显提高，岩性体顶、底界分别与波峰的上零点和波峰的下零点相对应，岩性体整体表现为丘状反射结构，具有“两峰夹一谷”地震反射特征，在岩性体内部出现明显的亮点地震反射特征。传统Kirchhoff积分法得到的地震反射界面比较模糊，绕射波没有得到有效归位，岩性体边界的地震反射特征不清。

图2 水平层状地质模型的模拟地震合成记录图

2.2 大杨树盆地复杂断裂带地震资料处理

2.2.1 地震地质条件

大杨树盆地构造上位于大兴安岭褶皱带，与松辽盆地紧邻，地表多为火山岩覆盖，地形起伏较大，平均地面海拔200～400 m，相对高差介于65～200 m。野外采集观测系统具有3大特点：①覆盖次数较高、面元适中，有利于提高地震资料分辨率；②炮检距相对适中，在保证目的层信噪比的同时也对分辨率有益；③方位角较宽，炮检距分布较为匀称，有利于速度分析。但是主力目的层九峰山组地质构造复杂，断层发育，岩性横向变化剧烈，致使准确的速度场建立困难，不但绕射波难以收敛，而且反射波难以有效准确归位，构造复杂带内部无法得到高质量的构造成像。

2.2.2 深度域速度建模

针对大杨树盆地复杂的地下构造形态，在精细速度建模基础上，实现复杂构造带反射波归位准确、绕射波收敛合理，获得高信噪比和高分辨率的复杂构造成像结果是处理的核心。该区特色速度建模体现在两个方面：①在地震互相干建立的初始速度建模基础上，应用Kirchhoff积分法在共炮检距成像道集上对速度模型进行迭代优化，即 KirchhoffPSDM+网格层析建模”，这个迭代循环以道集拉平和剩余延迟归零为目标进行速度更新；②再应用网络层析方法对速度模型进行优化，借助共角度域道集对速度模型开展剩余延迟分析，即以“全方位角成像偏移+多方位层析建模”，利用方位—反射角道集系统进行多方位速度分析进一步使得剩余延迟归零，建立最终成像所需要的速度模型。

图3为在精细速度建模基础上，分别应用Kirchhoff积分法和全方位局部角度域叠前深度偏移方法得到的CRP地震成像道集和反射角地震成像道集，全方位局部角度域反射角道集的能量比Kirchhoff积分法的CRP道集更加聚焦，在全方位反射角道集上浅层优势更加明显。在复杂构造带网格层析速度建模过程中，受地震偏移距不足、动校拉伸和低信噪比等因素影响，常规Kirchhoff积分法得到的CRP道集在浅层不利于剩余延迟量的拾取和分析，不但影响浅层速度更新，而且中深层地震成像效果也会受到影响。在浅层全方位反射角道集不但角度范围宽，而且信噪比也较高，这都有利于剩余延迟量拾取和浅层速度建模与更新，为中深层精细速度模型优化和精细复杂构造成像提供技术保障。

图3 CRP地震成像道集和反射角地震成像道集对比图

2.2.3 地震成像关键参数

成像参数优选是偏移的关键，全方位局部角度域成像的关键参数主要为偏移孔径、反假频参数、最大倾角和最大开角。

1）偏移孔径

这是地震精细成像中最为关键的参数，偏移孔径与最大成像倾角有关。较小的孔径意味着较少的数据操作和运算，减少由于偏移引起的噪声，而陡倾角的成像需要大孔径，限制孔径的偏移将不利于陡倾角的成像，影响断点、断面的成像质量，但较大孔径不但增加处理周期而且在偏移求和中也会引入偏移噪声（如画弧等），导致信噪比的降低。通过 8 km 8 km，10 km 10 km，12 km 12 km，14 km 14 km的偏移孔径值测试对比，认为12 km 12 km比较适合本区复杂构造带的陡倾角成像。

2） 反假频参数

为了避免Kirchhoff偏移求和轨迹的算子倾角太陡产生算子假频问题，影响偏移成像质量。沿着算子轨迹求和的地震道采样序列需满足Nyquist采样准则：

式中ΔT表示邻道偏移算子的时间差；Δx表示道间距；p表示算子慢度。

偏移前需要对地震输入数据做反假频滤波处理，确保输入数据不存在高于fmax的频率成分。通过反假频参数（0.50，0.75，1.00，1.25）的偏移结果测试，当反假频参数较大时，地震资料的信噪比、连续性较好，但分辨率会有所降低。考虑到石炭系内部地震成像的分辨率，反假频参数选择1.00。

3） 最大开角

图4为最大开角44 和34 参数测试实验（从左至右分别为道集400、600、800、1 000和1 200），当最大开角参数较大时，远道拉伸较多，导致成像剖面噪声较重；当最大开角参数较小时，远道反射信息受损失。综合比较，认为选择目的层深度介于2 000～3 000 m、最大开角34 合理。

图4 最大开角试验对比图

4） 最大倾角

图5为40 ～58 范围的最大倾角参数测试实验，从图中可见，随着最大倾角的增大倾角道集能量逐渐减弱，设定最大成像范围在58 左右。由于断层处绕射倾角范围较大，参数较小时有大倾角散射不能成像。当最大倾角参数较小时，同相轴信噪比、连续性较好，但是断层分辨率受损。综合比较，陡倾角噪声在特定区间最强（47 ～51 ），认为选择目的层深度介于2 000～3 000 m、最大倾角 58 适合大杨树盆地复杂构造带陡倾角成像。

图5 最大倾角参数对比图

2.2.4 加权成像

利用全方位局部角度域偏移方法的成像优势，在精细速度模型建立基础上，首先通过地震射线追踪将地面接收到的地震信息映射到地下局部角度域坐标系中；然后将全方位局部角度域地震入射波场和散射波场分解与解析；最后对倾角成像道集加权叠加精细构造成像。应用全方位局部角度域深度偏移方法对大杨树盆地3D地震资料进行处理，并与常规的Kirchhoff积分法进行了比较。在全方位局部角度域系统中得到全方位反射角道集的同时也可以得到叠加成像的全方位倾角地震成像道集。全方位倾角成像道集包含地震反射能量、地震散射能量和绕射能量等3种能量，通过对倾角道集进行镜像加权来分离地震反射和绕射能量，降低散射相关能量振幅值,增强倾角道集内镜像方向相关的振幅，得到的镜像倾角道集不但反射能量强，而且消除了散射和绕射能量，对镜像倾角道集叠加后可增强连续结构界面同相轴,以获得高精度复杂区域的无绕射成像剖面，得到高精度的反射波成像剖面。

图6是在精细的速度模型建立基础上，应用常规Kirchhoff叠前深度偏移和全方位局部角度域叠前深度偏移方法得到的地震剖面对比图。

图6 偏移剖面对比图

通过图6对比分析可以看出全方位局部角度域叠前偏移成像效果好于Kirchhoff叠前深度偏移, 复杂构造带内部结构得到准确成像、断点有效归位,特别是陡倾角成像方面全方位局部角度域叠前偏移的优势比Kirchhoff法偏移更明显。主要表现为目的层九峰山组内部得到精细成像，不但地震反射同相轴连续、信噪比提高、反射能量聚焦，而且地震反射波归位准确、绕射波收敛合理、陡倾角深大断裂和叠瓦状构造的地震反射特征更加清晰，有利于大杨树盆地构造特征的整体认识。

通过全方位局部角度域叠前深度偏移处理，大杨树盆地3D地震资料不但地震剖面构造成像质量得到明显提高，而且地震资料的分辨率和信噪比也得到明显提高，图7为全方位局部角度域叠前深度偏移与常规Kirchhoff叠前深度偏移地震数据目的层段九峰山组地震资料信噪比对比图，由图8可以看出，大杨树盆地的三维地震资料经全方位局部角度域叠前深度偏移处理后目的层段信噪比集中在1.5～3.4，而常规Kirchhoff叠前深度偏移地震数据目的层段信噪比则集中在0.7～1.3，信噪比明显提高。

图7 九峰山组地震资料信噪比对比图

在大杨树盆地3D地震资料处理过程中，将倾角道集和反射角道集分别作为成像道集和建模道集。对于倾角道集，通常提取镜像加权因子，使得反射能量获得一个大的加权值，而散射能量获得一个小的加权值，从而增强信噪比和反射能量，获得了高精度的成像剖面。图8为全方位局部角度域叠前深度偏移（红色）与Kirchhoff叠前深度偏移（黑色）地震数据的时间—频率关系对比结果，地震数据主频提高，频带拓宽了13 Hz（由8～78 Hz拓宽到5～88 Hz），层间地震反射信息丰富，在频带有效拓宽同时，不但保持了地震数据的时频特性和相对振幅关系，而且经全方位局部角度域叠前深度偏移处理后地震弱反射特征增强、地震频带双向展宽，高频端振幅能量增高、频率提高的同时，低频端频率也有效地拓展了3 Hz。而Kirchhoff法偏移剖面因同时含有反射能量、散射能量和绕射能量，常规处理3种反射相互干涉、分离困难，致使逆掩推覆体内部成像效果差，同全方位局部角度域叠前深度偏移剖面相比主频低，频宽窄。

图8 Kirchhoff叠前深度偏移与全方位局部角度域叠前深度偏移数据频谱对比图

2.3 全方位局部角度域叠前深度偏移与Kirchhoff叠前深度偏移

由于叠前时间偏移是在 共炮检距域”来实现的，偏移成像技术仍以地面炮检距为基础，叠前偏移采用的走时算法通常为直射线或者弯曲射线追踪理论和方法，假设地下地质模型为各向同性介质或者层状各向同性介质，但是这种假设条件在复杂地质体、横向速度变化大和存在各向异性的情况下造成走时计算不准，从而引起动校正和地震偏移结果产生误差。不但地面接收到的方位角信息与复杂地下构造的真实方位存在差异，而且地面炮检距及其方位角信息同地下成像点处地震波场传播方向也不存在一一对应关系[13]，根据地震波散射理论，通过常规“共炮检距域”叠前偏移方法来揭示地下成像点与方向有关的地震波场特征也是困难的，炮检距域成像方法也无法准确识别地震波场的局部方向差异，在入射角度域叠加会引起地震成像振幅的畸变。由于大杨树盆地地质构造复杂，断层发育，建立的速度模型尽管比较合理，但是地下真实反射点的地质信息也无法由传统的CMP道集、共炮域道集得到的CIG道集的地震波组特征表现出来，CIG道集反应的地质信息位置却与地下真实反射点有一定的偏离距离。为了提高复杂构造带地震成像质量，克服偏移过程中出现的地震、地质假象, Koren 和Ravve基于地震射线理论，将偏移孔径内全部的地震波场数据以及各个方向波场的方位信息应用于局部角度域叠前深度偏移中，在角度域对成像道集进行构建，可以得到地下成像点的真实方位信息[19-22]。全方位局部角度域叠前深度偏移方法是从地下反射点向地面进行射线追踪的全方位偏移保幅成像，地下反射点的所有射线都参与成像，提高了地震成像的精度和信噪比，产生的全方位共反射角道集和倾角道集保留了真方位角信息。局部角度域叠前深度偏移处理不但可以提取反射角道集和倾角道集，而且还可以应用反射角道集和倾角道集进行速度建模和高精度地震成像，通过构建镜像加权因子倾角道集来提高地震反射能量，减小散射能量，从而得到复杂构造带的高分辨率、高信噪比地震精细成像剖面。但由于全方位局部角度域叠前深度偏移涉及方位、倾角、偏移距等多重信息，偏移对硬件资源要求较高，大规模生产应用对于计算机来说运算量大、机时较长。

Kirchhoff积分方法是求波动方程的高频近似解，优点是具有更为直观的数学意义，且计算效率非常高，具有生成有限数量子集的能力，使其工业化推广在经济方面具有可行性，适用于区域构造比较简单的地区。为层析类偏移算法提供CRP或CIP道集，通过倾角限制参数达到压制噪声的目的。Kirchhoff积分偏移方法射线路径单一，对于复杂结构存在射线盲区，导致复杂构造成像不准确，且射线类算法不考虑子波的振幅特征，Kirchhoff 积分法叠前偏移将偏移孔径范围内所有地震道上与该散射点相应的时距曲线上的振幅能量，采用不同的加权因子进行加权求和，最终将加权叠加得到的振幅能量放到该散射点的位置上，保幅方面需要进行优化。

2.4 探井验证与应用效果

通过全方位局部角度域叠前深度偏移处理，大杨树盆地三维地震资料信噪比和分辨率明显提高，突出了有效波信息，火山岩和沉积岩波组特征更加清晰，火山岩以裂隙式多期喷发为主，地震特征表现为强振幅丘型结构，而沉积岩表现为中弱振幅层状反射特征。结合区域构造背景和有利沉积岩预测结果部署探井杨X4井，杨X4井在九峰山组五段录井解释油层4层共18.2 m、差油层7层共16.8 m，储层孔隙度介于 11.1%～17.6%，平均13.9%，渗透率介于1.1～48.2 mD ，平均14.0 mD，将56、57、59号层进行3层合压，获工业油流8.4 t/d，实现了大杨树盆地油气勘探的又一个重大区带突破。

3 结论

1）在速度变化剧烈、地质模式复杂的构造区域内，全方位局部角度域叠前深度偏移精细地震成像方法适应性强，特别是在陡倾角的复杂构造区,能够使反射波归位准确、绕射波收敛合理。

2）在浅层全方位反射角道集角度范围宽、信噪比高，有利于浅层速度建模与模型优化，通过对倾角道集进行镜像加权得到的镜像倾角道集不但反射能量强，而且消除了散射和绕射能量。

3）在相同速度模型下，在陡倾角成像方面，全方位局部角度域偏移方法的成像精度比Kirchhoff偏移更有优势，可以有效地得到反射波的构造成像。大杨树盆地3D地震资料经全方位局部角度域叠前深度偏移处理后，地震数据频带由8～78 Hz拓宽到5～88 Hz，能够满足构造精细解释和勘探生产的地质需求。