潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演及其在深度偏移速度建模中的應(yīng)用

劉小民,鄔達(dá)理,梁碩博,高厚強(qiáng),李晶晶,穆 潔

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演及其在深度偏移速度建模中的應(yīng)用

劉小民,鄔達(dá)理,梁碩博,高厚強(qiáng),李晶晶,穆 潔

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

探討了潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演的方法原理、處理流程以及關(guān)鍵步驟、關(guān)鍵參數(shù)和影響因素,給出了基于該技術(shù)建立深度偏移初始速度模型的方法。潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演技術(shù)針對(duì)既定的觀測(cè)系統(tǒng),通過(guò)拓寬射線路徑,降低了層析反演矩陣的稀疏性,提高了速度模型反演的穩(wěn)定性,較常規(guī)折射波層析反演獲得的近地表速度模型深度更大,將其與深層速度模型進(jìn)行合理拼接,可以為深度偏移提供更為準(zhǔn)確的初始速度模型。實(shí)際資料處理結(jié)果表明:采用該方法建立初始速度模型,可以明顯改善深度偏移成像品質(zhì),消除淺層速度劇烈變化引起的構(gòu)造假象,提高地震剖面的信噪比,降低井震誤差。

潛水波;胖射線;近地表;速度建模;模型拼接;深度偏移

精確的成像算法高度依賴(lài)于速度模型的精細(xì)程度,尤其是淺表層速度模型不真實(shí)時(shí),淺層誤差會(huì)傳遞到深層,引起諸多假象[1-4]。如我國(guó)西部地區(qū)復(fù)雜山前構(gòu)造帶地表高差劇烈變化、低降速帶厚度和速度橫向突變,地震剖面容易出現(xiàn)竄層、假斷層、假構(gòu)造等現(xiàn)象,影響成像精度,不利于油氣勘探和開(kāi)發(fā)部署。近地表模型的精確建立對(duì)于改善復(fù)雜探區(qū)成像精度具有重要意義[5]。

層析成像技術(shù)能夠有效重構(gòu)目標(biāo)介質(zhì)速度分布規(guī)律,在油氣勘探領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)分走時(shí)層析和波形層析兩大類(lèi),其中基于波形層析的反演方法在理論上具有更高的速度反演精度,但對(duì)初始模型高度依賴(lài),對(duì)資料低頻的要求也是常規(guī)勘探所不能滿(mǎn)足的[6],因此,其推廣應(yīng)用受到限制。關(guān)于走時(shí)層析技術(shù),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做過(guò)大量研究,且早期多關(guān)注中深層速度模型的建立和迭代更新,如20世紀(jì)90年代,STORK[7]、WANG等[8]將反射波層析引入偏移速度分析,利用偏移與層析循環(huán)迭代的方式進(jìn)行速度反演;BRANDSBERG-DAHL等[9]、秦寧等[10]提出利用角度道集進(jìn)行層析反演;井西利等[11]在層析反演中加入富有地質(zhì)含義的傾角信息以增加反演過(guò)程的穩(wěn)定性和收斂速度。近年來(lái),走時(shí)層析技術(shù)研究逐漸轉(zhuǎn)向近地表模型反演,王華忠等[12]提出從野外地震數(shù)據(jù)采集開(kāi)始就要以盡可能建立準(zhǔn)確的地表淺層宏觀速度模型為目標(biāo)。多數(shù)學(xué)者開(kāi)展近地表建模研究的目的在于獲得時(shí)間域靜校正量[13-16],而靜校正處理的本質(zhì)是通過(guò)整道時(shí)移來(lái)消除道間時(shí)差,沒(méi)有考慮橫向速度變化引起的修正量,不利于深度偏移成像。因此,深度域處理不應(yīng)將靜校正作為核心,而應(yīng)將靜校正問(wèn)題轉(zhuǎn)化為速度模型建立問(wèn)題。楊勤勇等[17]討論了全速度模型建立技術(shù)——淺層、中深層速度模型融合技術(shù)和起伏地表疊前深度偏移技術(shù),但是沒(méi)有給出淺層速度反演的具體方案;李源等[18]提出利用微測(cè)井資料約束初至波層析速度反演,建立精確的近地表速度模型,但是沒(méi)有探討提高反演穩(wěn)定性的措施。基于射線理論的走時(shí)層析引入胖射線概念,通過(guò)不同加粗射線的方式降低了層析反演矩陣的稀疏性,從而提高了反演速度的穩(wěn)定性。MICHELENA等[19]、XU等[20]、VASCO等[21]研究了不同類(lèi)型高效、穩(wěn)定的胖射線走時(shí)層析;楊雪霖等[22]提出多頻組合胖射線概念,即通過(guò)調(diào)整射線胖瘦反演不同尺度的速度趨勢(shì),但是沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際資料的處理研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演處理流程及關(guān)鍵步驟、關(guān)鍵參數(shù)和影響因素研究,探討了基于潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演結(jié)果的深度域速度建模方法,利用兩塊實(shí)際三維地震資料驗(yàn)證了本文技術(shù)流程的有效性。

1 潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演

1.1 方法原理

潛水波走時(shí)層析法的基本思路是:首先建立一個(gè)速度連續(xù)變化的正向梯度模型,速度從淺到深逐漸增加,在這種模型條件下進(jìn)行射線追蹤產(chǎn)生的初至波為潛水波;然后利用該模型進(jìn)行射線追蹤和旅行時(shí)計(jì)算,建立實(shí)際初至?xí)r間與計(jì)算旅行時(shí)的殘差矩陣,求解該矩陣得到沿潛水波射線路徑的速度更新量,將其回加到初始模型上完成一次迭代更新。潛水波走時(shí)層析方法不需要判識(shí)初至波類(lèi)型,反演過(guò)程采用全偏移距范圍,速度是網(wǎng)格狀變化的,同樣適用于不滿(mǎn)足層狀假設(shè)條件的復(fù)雜近地表工區(qū),很好地克服了折射延遲時(shí)間層析方法反演深度不夠、不適應(yīng)地表復(fù)雜工區(qū)等問(wèn)題[23]。

走時(shí)層析成像的數(shù)學(xué)表達(dá)為沿射線路徑的拉東變換,即利用走時(shí)誤差沿射線路徑反投影的方式來(lái)估計(jì)慢度擾動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)圖像函數(shù)的重構(gòu),這里的圖像函數(shù)即為慢度場(chǎng)。在給定初始慢度模型之后,利用有限差分方法求解程函方程,實(shí)現(xiàn)射線追蹤和旅行時(shí)間計(jì)算。正演得到的旅行時(shí)間與實(shí)際初至?xí)r間的差可以表示為:

(1)

式中:Δt(s,d)是從炮點(diǎn)s到檢波點(diǎn)d的旅行時(shí)殘差量;ΔS(x,y,z)是三維空間坐標(biāo)為(x,y,z)點(diǎn)處的剩余慢度;L(s,d)是從炮點(diǎn)s到檢波點(diǎn)d的射線路徑。將(1)式慢度模型離散化,則:

(2)

式中,Δli表示第i個(gè)網(wǎng)格空間內(nèi)的射線距離。所有炮檢點(diǎn)射線的殘差形成一個(gè)龐大的稀疏線性方程組:

(3)

這樣,射線層析反演過(guò)程就從一個(gè)非線性關(guān)系變成了一個(gè)求解方法成熟的線性問(wèn)題。對(duì)于實(shí)際資料而言,射線路徑L是一個(gè)病態(tài)的大型稀疏矩陣,反演求解存在很強(qiáng)的不適定性,需要引入胖射線技術(shù)。

胖射線層析主要修改了L矩陣,使慢度擾動(dòng)和旅行時(shí)差之間的關(guān)系更符合地震波的真實(shí)傳播規(guī)律,常見(jiàn)的類(lèi)型有自然像素胖射線[19]、扇形胖射線[20]、菲涅爾體胖射線[24]等。本文采用比較容易實(shí)現(xiàn)的自然像素胖射線,其射線寬度不隨長(zhǎng)度和路徑發(fā)生變化,沿垂直射線方向呈高斯衰減規(guī)律,且其積分為1,胖射線寬度公式及層析公式為:

(4)

式中:K(a,b)是射線寬度函數(shù);a是射線中心坐標(biāo)系中沿射線的弧長(zhǎng);b是垂直于射線的距離;σ是標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于上述大型稀疏方程組(3)的求解,工業(yè)界常用的方法有很多,比如代數(shù)重建法(ART)、共軛梯度法(CG)、聯(lián)合迭代重建法(SIRT)、最小二乘QR分解法(LSQR)。本文采用穩(wěn)定、高效的LSQR方法求解,同時(shí)引入阻尼因子參數(shù)控制速度更新幅度。另外,在求解過(guò)程中通過(guò)代入多個(gè)約束條件來(lái)控制模型的平滑程度。

1.2 處理流程及關(guān)鍵步驟

潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演利用所有偏移距初至波走時(shí)信息和一個(gè)速度梯度為正的初始模型,如圖1 所示,主要由以下7個(gè)步驟組成:

1) 在加載了正確空間屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行初至拾取,數(shù)據(jù)的預(yù)處理還可以包括提高資料信噪比的處理,但不能有靜校正等改變地震信號(hào)走時(shí)的處理。

2) 建立一個(gè)梯度為正、速度連續(xù)變化的初始速度模型。

3) 開(kāi)始層析反演之前需要將三維空間網(wǎng)格化,即把立體空間切割成指定大小的體元。對(duì)于初始速度模型,需要設(shè)置一個(gè)較大的體元來(lái)解決大尺度范圍內(nèi)的速度估算問(wèn)題。

4) 體元合并。在接近真實(shí)地表的低速帶,地震波接近垂直向下傳播,射線在低速帶的單一體元內(nèi)分布較為稀疏,此時(shí)需通過(guò)多個(gè)體元合并的方式增加射線密度,即犧牲分辨率換取穩(wěn)定性;針對(duì)降速度帶,尤其是高速層頂附近,大部分初至波發(fā)生回轉(zhuǎn),射線密度較大,照明充足,在這些區(qū)域可以減少體元合并的數(shù)量,甚至不合并。

5) 層析反演。先通過(guò)射線追蹤計(jì)算旅行時(shí),然后建立走時(shí)殘差矩陣,求出慢度更新量并將其回加到用于射線追蹤的速度場(chǎng),即完成一次速度模型更新。相同體元大小的速度模型經(jīng)過(guò)多次迭代之后,逐漸趨于合理。

圖1 潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演流程

6) 在速度模型合理的基礎(chǔ)上縮小網(wǎng)格空間的體元大小,重復(fù)3)～5)步,使速度模型對(duì)于小尺度地質(zhì)體的刻畫(huà)能力逐漸得到提高。

7) 當(dāng)反演的速度模型較為合理、指定的體元大小接近觀測(cè)系統(tǒng)的極限分辨能力時(shí),終止迭代,輸出近地表速度模型。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)及影響因素分析

1.3.1 初至拾取質(zhì)量

初至拾取是走時(shí)層析過(guò)程中的核心問(wèn)題[25]。雖然層析反演具有統(tǒng)計(jì)學(xué)效應(yīng),個(gè)別單炮初至拾取不準(zhǔn)確不會(huì)影響最終速度反演效果,但是在工區(qū)的某一位置,錯(cuò)誤的拾取數(shù)量達(dá)到足以影響統(tǒng)計(jì)規(guī)律的程度時(shí),層析算法不會(huì)將其判識(shí)出來(lái)并加以自動(dòng)糾正,而是遵循錯(cuò)誤的走時(shí)進(jìn)行時(shí)差擬合得到錯(cuò)誤的時(shí)差量,采用錯(cuò)誤的時(shí)差量反演得到的速度擾動(dòng)量同樣是錯(cuò)誤的,最終導(dǎo)致反演的速度模型與真實(shí)的近地表速度產(chǎn)生較大偏離。因此,作為一種高度依賴(lài)初至拾取質(zhì)量的走時(shí)層析算法,初至走時(shí)拾取正確與否是影響速度反演結(jié)果至關(guān)重要的因素。在進(jìn)行速度反演之前,首先要進(jìn)行初至拾取質(zhì)量檢查,利用炮檢距與視速度關(guān)系圖檢查拾取的初至?xí)r間是否在合理的速度區(qū)間范圍內(nèi),對(duì)不準(zhǔn)確的初至加以修改。

1.3.2 反演最大深度

反演的最大深度是由地表速度、初至最大偏移距、速度梯度3個(gè)參數(shù)確定的,對(duì)于一個(gè)速度隨深度線性增加的速度模型來(lái)說(shuō),反演的最大深度可以表示為[26]:

(5)

式中:h為反演最大深度;x為初至偏移距;v0為地表速度;k為速度梯度。由此可見(jiàn),反演的最大深度與偏移距和速度梯度正相關(guān),而與地表速度負(fù)相關(guān)。原始數(shù)據(jù)的最大偏移距范圍由野外采集施工的觀測(cè)系統(tǒng)決定,地表速度和近地表速度梯度在不同地區(qū)千差萬(wàn)別。在我國(guó)西部山區(qū)高速基巖直接出露地表的情況下(v0大),利用潛水波胖射線走時(shí)層析反演方法獲得較深的近地表速度模型基本不可能;而對(duì)于低降速帶較發(fā)育的東部盆地(v0小),則可以通過(guò)適當(dāng)增加排列長(zhǎng)度來(lái)探測(cè)較深的近地表速度變化情況。理想情況下,該方法的反演深度能到千米左右,而常規(guī)折射波層析的反演深度通常只能到百米左右。

1.3.3 初始模型

走時(shí)層析反演對(duì)初始模型的依賴(lài)程度相對(duì)波形層析反演要低,合理的初始模型一方面可以提高走時(shí)層析反演效率,減少迭代次數(shù),另一方面有助于提高反演底界速度的合理性。如果起始速度過(guò)低,射線路徑會(huì)在較深的地層發(fā)生回轉(zhuǎn)并修改整個(gè)路徑的速度,后續(xù)的射線追蹤因?yàn)樗俣忍岣吆笤谳^淺的位置發(fā)生回轉(zhuǎn),不會(huì)再到達(dá)之前的最大深度,造成之前對(duì)反演底界之下的更新量失去意義。因此,一個(gè)梯度稍大、速度稍微偏高的初始模型可以保證射線層析反演不會(huì)從一開(kāi)始就因?yàn)檎丈涮疃a(chǎn)生深層的速度更新(圖2)。圖2a為速度偏高的初始速度模型;圖2b為第一次迭代反演的速度模型;圖2c為第二次迭代反演的速度模型。通過(guò)對(duì)比可以看出,低速表層的深度是逐步增加的。

1.3.4 初至偏移距范圍及反演方式

近偏移距的初至?xí)r間主要反映近炮點(diǎn)處地表淺部地層的速度,遠(yuǎn)偏移距的初至?xí)r間主要反映地表深部地層的速度。為了能獲得全面可靠的表層速度信息,利用潛水波胖射線走時(shí)層析方法進(jìn)行速度反演建立近地表速度模型要求使用全偏移距初至?xí)r間。同時(shí),先反演表層深部的速度,再反演修正表層淺部的速度。因?yàn)樯畈康乃俣雀铝繒?huì)投影到從淺至深完整的潛水波路徑上,如先反演淺部速度再反演深部速度,相當(dāng)于利用深部的速度誤差來(lái)修正淺部速度,會(huì)給淺部原本反演可靠的速度帶來(lái)負(fù)面影響。這與疊前深度偏移速度建模先反演淺、中層速度,再反演深層速度的做法剛好相反。

1.3.5 體元合并

利用潛水波胖射線走時(shí)層析方法反演近地表速度模型時(shí),將近地表速度模型分為較深層和極淺層兩部分,一般采用增大合并極淺層體元數(shù)量的方法將近地表模型中較深層的部分迭代反演到較為合理的程度,再采用減少極淺層體元合并數(shù)量的方法來(lái)修正極淺層速度場(chǎng)。

數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)的差別也會(huì)帶來(lái)體元合并參數(shù)選取上的差異。早期的觀測(cè)系統(tǒng)(比如磚墻式觀測(cè)系統(tǒng)或者炮點(diǎn)距和炮排距較大的束狀觀測(cè)系統(tǒng))由于施工成本低等諸多原因,空間采樣較為稀疏,忽略了近炮檢距信息的獲取,導(dǎo)致近偏移距覆蓋次數(shù)不夠,一方面影響淺層成像質(zhì)量,另一方面減少了極淺層的射線密度,降低了極淺層的射線在近地表層析反演中的權(quán)重,因而需要擴(kuò)大體元合并的數(shù)量,以保證極淺層速度的穩(wěn)定性,防止產(chǎn)生類(lèi)似采集腳印的規(guī)律性速度異常。

1.3.6 平滑尺度

對(duì)模型的平滑包括完成一次迭代之前對(duì)輸入模型的平滑和對(duì)輸出模型的平滑,對(duì)輸入模型的平滑尺度通常要大于對(duì)輸出模型的平滑尺度,以便提高反演的穩(wěn)定性。在模型迭代的初期,針對(duì)大體元的迭代,建議使用較大尺度的平滑半徑,這里所指的平滑半徑既包括空間x,y方向,也包括深度z方向,以便估算近地表速度場(chǎng)的低波數(shù)分量。而在模型迭代的中后期針對(duì)小體元的迭代,則可以選用較小尺度的平滑半徑,甚至不做平滑,以便更好地估算高波數(shù)速度分量(圖3)。圖3a為大平滑半徑的速度模型,圖3b為小平滑半徑的速度模型,對(duì)比分析可以看出,它們分別反映了低波數(shù)和高波數(shù)分量。

1.3.7 射線胖瘦

本質(zhì)上,射線影響范圍是由物理性質(zhì)決定的,并非可以人為地變化。在觀測(cè)系統(tǒng)確定的基礎(chǔ)上使用胖射線層析技術(shù),相當(dāng)于人為拓寬射線路徑,目的是擴(kuò)大對(duì)射線路徑附近體元的影響,從而增強(qiáng)低波數(shù)速度場(chǎng)估算的穩(wěn)定性,這種做法與波形層析先擬合低頻波形、后反演高頻的做法相近。胖射線走時(shí)層析的射線寬度應(yīng)該先胖后瘦,先求取穩(wěn)定的低波數(shù)速度背景場(chǎng),在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行精細(xì)的高波數(shù)速度估計(jì),達(dá)到提高層析精度的目的(圖4)。圖4a和圖4b分別為瘦射線、胖射線潛水波射線路徑及照明強(qiáng)度,對(duì)比分析可以看出,由于胖射線照明更加均勻,對(duì)低波數(shù)速度場(chǎng)的估算也更加穩(wěn)定。

觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和采集施工因素是最終提高層析精度的本質(zhì),層析反演近地表速度的精度應(yīng)該與觀測(cè)系統(tǒng)相適應(yīng)。

圖4 不同射線潛水波射線路徑及照明強(qiáng)度對(duì)比a 瘦射線(反演速度場(chǎng)高波數(shù)分量); b 胖射線(反演速度場(chǎng)低波數(shù)分量)

1.3.8 處理面選取及平滑

對(duì)于整個(gè)深度偏移來(lái)說(shuō),處理面的選取極為重要,反演速度的處理面應(yīng)當(dāng)與疊前深度偏移射線追蹤的處理面一致。地震資料處理中常用的處理面有:真實(shí)地表面、平滑地表面、浮動(dòng)基準(zhǔn)面、固定基準(zhǔn)面。選取不同處理面的結(jié)果主要是影響疊前深度偏移旅行時(shí)計(jì)算,對(duì)成像效果的影響較大。固定基準(zhǔn)面是水平地表假設(shè),完全不適合實(shí)際地表情況;浮動(dòng)基準(zhǔn)面是對(duì)時(shí)間域靜校正量進(jìn)行大尺度平滑而得到,根據(jù)替換速度將其轉(zhuǎn)換到深度域后,可能在地表高程之上,也可能在地表高程之下,或者來(lái)回穿插高程線,實(shí)際上是一個(gè)沒(méi)有任何物理意義的面;而真實(shí)的地表面和對(duì)其采用適度半徑進(jìn)行平滑處理之后的基準(zhǔn)面是具有物理意義的,對(duì)于精細(xì)刻畫(huà)淺表層速度模型更為有利。平滑處理后地表面實(shí)質(zhì)是消除了高頻的道間時(shí)差,這些時(shí)差也可以對(duì)應(yīng)小尺度速度異常,而旅行時(shí)層析無(wú)法反演這些小尺度異常,所以有必要對(duì)地表面做適度的平滑處理。

基準(zhǔn)面平滑尺度的大小與反演的速度模型高低波數(shù)分量密切相關(guān)。圖5為使用不同平滑尺度的基準(zhǔn)面反演的速度模型。圖5a為大尺度平滑地表面反演的速度場(chǎng),深層速度模型較為平滑、過(guò)渡自然;圖5b 為小尺度平滑地表面反演的速度模型,在深層出現(xiàn)與地表相關(guān)的高頻抖動(dòng)。

圖5 不同尺度平滑地表面反演的近地表速度模型對(duì)比a 大尺度平滑地表面(具有更好的深層平滑效果); b 小尺度平滑地表面(容易引起深層高頻抖動(dòng))

2 初始速度模型建立

目前工業(yè)界建立初始深層速度模型最常用的辦法是:首先通過(guò)疊前時(shí)間偏移速度分析或者疊加速度分析獲取均方根速度,然后利用Dix公式換算或者利用約束速度反演得到層速度模型。這種方式求取的疊前深度偏移初始速度模型具有一定的精度,因而可提高疊前深度偏移速度建模的效率。也可以利用VSP速度、聲波時(shí)差測(cè)井速度甚至是常速建立初始模型。而利用VSP速度或者聲波時(shí)差測(cè)井速度經(jīng)過(guò)空間插值外推后建立的初始深層速度模型對(duì)于各向同性疊前深度偏移而言往往速度偏低,容易引起共成像點(diǎn)(CIP)道集中的同相軸上翹,需要進(jìn)一步引入各向異性參數(shù)才能進(jìn)行各向異性疊前深度偏移。在資料信噪比足夠高的探區(qū),利用經(jīng)驗(yàn)速度常值作為初始深層速度模型也是可行的做法。

本次研究在建立深層速度模型時(shí)采用了較為穩(wěn)健并易于實(shí)現(xiàn)的方法,即將疊前時(shí)間偏移速度轉(zhuǎn)換成層速度的方法。相對(duì)其它方法,該方法建立的深層速度模型在沒(méi)有迭代的情況下仍然具有較高的成像質(zhì)量。

將利用潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演技術(shù)獲得的近地表速度模型與常規(guī)方法建立的深層速度模型進(jìn)行融合拼接處理,即可得到疊前深度偏移的初始速度模型(圖6)。圖6a為潛水波胖射線走時(shí)層析反演得到的淺層近地表速度模型,準(zhǔn)確反映了淺表層速度異常;圖6b為在折射波層析靜校正基礎(chǔ)上,利用疊前時(shí)間偏移速度和Dix公式轉(zhuǎn)換得到的深層速度模型(常規(guī)建模方法);圖6c為淺、深層速度融合拼接后的初始速度模型?？梢钥闯?融合后的速度模型既保留了近地表速度模型的細(xì)節(jié)信息,又保留了可靠的深層速度。本文具體融合的方法是:根據(jù)潛水波胖射線走時(shí)層析射線追蹤結(jié)果,確定射線能夠照明到的最大深度范圍,該深度之上速度反演結(jié)果較為可靠,可以作為速度拼接的界面;在拼接面附近進(jìn)行一定程度的平滑以消除速度突變現(xiàn)象和硬邊界問(wèn)題。

在深淺層速度融合得到初始速度模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行反射波網(wǎng)格層析速度反演迭代,能夠進(jìn)一步完善深度偏移速度模型,進(jìn)而提高中深層成像質(zhì)量。

圖6 深淺層速度模型的融合a 潛水波胖射線走時(shí)層析反演的淺層近地表速度模型; b 常規(guī)建模方法得到的深層速度模型; c 淺、深層速度模型融合拼接后的初始速度模型

3 應(yīng)用效果分析

3.1 實(shí)例1

工區(qū)1位于我國(guó)西部山前帶,在河流出山口位置發(fā)育大型沖積扇和沖積平原,快速堆積礫徑大小混雜的粗碎屑沉積物,其固結(jié)成巖后表現(xiàn)為高速異常體。在遠(yuǎn)離出山口位置,地勢(shì)平坦,發(fā)育一條大型辮狀河,河床反復(fù)分岔合并,水流湍急,且對(duì)河床侵蝕嚴(yán)重,河床沙壩、河漫沼澤交替發(fā)育,松散堆積物在河床附近形成了低速異常地質(zhì)體。應(yīng)用潛水波胖射線走時(shí)層析反演技術(shù)建立的近地表速度模型對(duì)上述高速異常體(圖6a藍(lán)框所示)和低速異常體(圖6a紅框所示)都有正確的反映。

圖7和圖8對(duì)比了工區(qū)1不同速度模型的疊前深度偏移效果。其中圖7a是采用圖6b給出的常規(guī)速度模型得到的偏移剖面,由于其淺層速度精度達(dá)不到偏移成像的要求,深度偏移的精度受到了嚴(yán)重影響,獲得的疊前深度偏移剖面淺層信噪比低;圖7b是采用圖6c給出的速度模型得到的疊前深度偏移剖面,其淺層信噪比較高。

圖8a為利用常規(guī)速度模型(圖6b)獲得的疊前深度偏移剖面,由于淺層速度模型不當(dāng),導(dǎo)致深層剖面存在明顯假的直立斷層。圖8b為利用深淺層速度融合后的初始速度模型(圖6c)獲得的疊前深度偏移剖面,成像質(zhì)量明顯提高,同相軸連續(xù)性增強(qiáng),假斷層得到消除。另外,地震成像深度淺了近100m,經(jīng)鉆井證實(shí),目的層分層誤差得到顯著改善。

圖7 工區(qū)1不同速度模型疊前深度偏移效果對(duì)比(一)a 圖6b給出的速度模型; b 圖6c給出的速度模型

圖8 工區(qū)1不同速度模型疊前深度偏移效果對(duì)比(二)a 圖6b給出的速度模型; b 圖6c給出的速度模型

3.2 實(shí)例2

工區(qū)2位于我國(guó)東部沉積平原,發(fā)育小型曲流河,彎曲分岔的河道對(duì)地表低降速帶改造作用明顯,在近地表形成了速度異常地質(zhì)體。橫向速度突變引起了淺層同相軸下拉,并且降低了資料信噪比。應(yīng)用潛水波胖射線走時(shí)層析反演方法及速度模型拼接技術(shù)后,疊前深度偏移剖面品質(zhì)得到明顯改善(圖9),圖9a紅色箭頭處同相軸下拉現(xiàn)象得到消除。

圖9 工區(qū)2不同速度模型疊前深度偏移剖面對(duì)比(淺層)a 常規(guī)速度模型; b 潛水波胖射線走時(shí)層析反演速度模型和常規(guī)速度模型拼接的初始速度模型

雖然該工區(qū)地表平坦,但由于低降速帶巖性從砂泥巖到灰?guī)r不整合接觸,因而橫向速度變化劇烈,導(dǎo)致深層成像出現(xiàn)假斷裂。利用常規(guī)的反射波層析速度反演技術(shù)對(duì)中深層速度模型進(jìn)行多輪迭代之后,這種假象仍然不能有效消除(圖10a紅框處),說(shuō)明淺層的速度異常無(wú)法通過(guò)反射波層析加以修正。而采用潛水波胖射線走時(shí)層析反演方法和淺、深層速度模型融合技術(shù)后,彌補(bǔ)了常規(guī)折射波層析的反演深度淺和常規(guī)反射波層析方法不能更新近地表速度模型的缺陷,成像品質(zhì)明顯改善(圖10b),再經(jīng)過(guò)多輪迭代,疊前深度偏移剖面中的假斷裂現(xiàn)象得到完全消除(圖10c 紅框處)。

圖10 工區(qū)2不同速度模型疊前深度偏移剖面對(duì)比(中深層)a 多輪迭代的常規(guī)速度模型; b 淺、深層速度融合的初始速度模型; c 淺、深層速度融合后經(jīng)過(guò)多輪迭代的速度模型

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)潛水波胖射線走時(shí)層析方法及其在深度偏移速度建模中的實(shí)際應(yīng)用研究,得出以下結(jié)論:

1) 基于胖射線的潛水波走時(shí)層析技術(shù)在初至拾取可靠的前提下,合理選取與觀測(cè)系統(tǒng)相適應(yīng)的初始速度模型、初至偏移距范圍、體元合并數(shù)量、模型平滑尺度、射線胖瘦、基準(zhǔn)面平滑尺度等,進(jìn)行近地表速度模型迭代反演,能夠獲得更為準(zhǔn)確的淺層速度模型。與常規(guī)折射波層析反演方法相比,潛水波胖射線走時(shí)層析反演方法得到的速度模型深度更大。

2) 將潛水波胖射線走時(shí)層析反演的淺層速度模型與常規(guī)深層速度模型進(jìn)行融合拼接,可為深度偏移提供更為理想的初始速度模型,進(jìn)而獲得高質(zhì)量的深度偏移成果,降低井震誤差。

3) 基于胖射線的潛水波走時(shí)層析技術(shù)適用于復(fù)雜近地表地震條件,可推廣應(yīng)用到山前帶、沙漠、黃土塬等地表起伏大的地區(qū),也可推廣應(yīng)用到地表平坦但低降速帶橫向速度突變的地區(qū)。

4) 潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演的最大深度由地表速度、初至最大偏移距、速度梯度確定,因此,在地表速度不高且速度從淺到深逐漸增加的地區(qū),要想通過(guò)潛水波胖射線走時(shí)層析技術(shù)獲得較深的近地表速度模型,應(yīng)適度增加資料采集的排列長(zhǎng)度。

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(編輯：戴春秋)

Divingwavetomographyvelocityinversionusingfatrayinprestackdepthmigration

LIU Xiaomin,WU Dali,LIANG Shuobo,GAO Houqiang,LI Jingjing,MU Jie

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

This paper introduces a diving wave traveltime tomographic velocity inversion technology based on the natural pixel fat ray technique,namely,its principle,processing flow,main steps,key parameters,influencing factors,and application to the initial velocity model building of depth migration.This inversion technology could reduce the sparsity of the tomographic inversion matrix,thus improving the stability of the velocity inversion by broadening the ray path for the established observed system.The technology could build a near-surface velocity model that is deeper than that obtained using conventional refraction tomography inversion,thus providing a better initial velocity model for depth migration by merging with the deep velocity model reasonably.The field data processing results showed that the proposed technology could eliminate the structure imaging artifacts caused by strong lateral velocity variations in the shallows and improve the signal-to-noise ratio of seismic imaging,thus reducing seismic-well depth deviation.

diving wave,fat ray,near surface,velocity model building,velocity model merging,depth migration

P631

：A

1000-1441(2017)05-0718-09DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.05.012

劉小民,鄔達(dá)理,梁碩博,等.潛水波胖射線走時(shí)層析速度反演及其在深度偏移速度建模中的應(yīng)用[J].石油物探,2017,56(5):726

LIU Xiaomin,WU Dali,LIANG Shuobo,et al.Diving wave tomography velocity inversion using fat ray in prestack depth migration

[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(5):726

2016-09-08;改回日期：2017-06-27。

劉小民(1984—),男,碩士,工程師,主要從事地震資料偏移成像處理及速度建模方法研究。