基于改進(jìn)面波技術(shù)的轉(zhuǎn)換波靜校正方法研究

蔡露曦，付蘭蘭，王 強(qiáng)，張森垚，張 昊

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

0 引言

轉(zhuǎn)換波勘探技術(shù)能夠提供地層巖性信息，可以應(yīng)用于解決儲(chǔ)層識(shí)別、裂縫預(yù)測(cè)以及流體識(shí)別等問(wèn)題[1]。靜校正是復(fù)雜地區(qū)油氣地震勘探資料處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-4]，其中接收點(diǎn)橫波靜校正量的求取是轉(zhuǎn)換波靜校正處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5]。由于轉(zhuǎn)換橫波的速度通常遠(yuǎn)小于縱波速度，且不受流體孔隙的影響，其低速帶往往延伸至潛水面之下，在表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜地區(qū)，資料中的反射波組混亂[6]，靜校正問(wèn)題十分突出[7-8]。由于在實(shí)際勘探中通常使用縱波震源，非轉(zhuǎn)換型的橫波不發(fā)育，因此常規(guī)的基于反射波和折射波的轉(zhuǎn)換波靜校正方法在處理中具有一定難度[9]。

利用資料中信噪比較高的面波進(jìn)行橫波靜校正量的計(jì)算，是一種較有優(yōu)勢(shì)的方法。面波具有頻散特性，利用頻散曲線能夠反演建立低速帶的橫波速度結(jié)構(gòu)[10]，郭良輝[7]和鄧帥[11]等發(fā)展了基于面波的轉(zhuǎn)換波靜校正處理方法。然而常規(guī)面波處理技術(shù)基于多道面波分析提取頻散曲線，存在橫向分辨能力較差的缺點(diǎn)[12-13]，處理結(jié)果反映的是多道檢波點(diǎn)下方的平均速度結(jié)構(gòu)，孟小紅等[14]指出該方法得到的是P-SV波橫波靜校正量的長(zhǎng)波長(zhǎng)趨勢(shì)，無(wú)法預(yù)測(cè)橫波靜校正量的短波長(zhǎng)分量。該研究擬對(duì)面波靜校正技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，引入波場(chǎng)分離和面波譜分析[15-17]計(jì)算各檢波點(diǎn)位置處的頻散曲線，進(jìn)而建立各檢波點(diǎn)的橫波速度結(jié)構(gòu)，獲得每個(gè)檢波點(diǎn)獨(dú)立的橫波靜校正量，提高處理的精度。

1 改進(jìn)面波技術(shù)靜校正原理

針對(duì)P-SV型轉(zhuǎn)換波的橫波靜校正量計(jì)算問(wèn)題，該研究利用資料中與SV型橫波關(guān)系密切的瑞雷面波進(jìn)行處理。瑞雷波的質(zhì)點(diǎn)在豎直平面內(nèi)振動(dòng)，不同頻率成分具有不同的傳播速度和穿透深度，其各頻率的傳播速度主要受地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)控制[10]。為了提高靜校正處理的精度，該研究將面波從資料中分離出來(lái)，并重建得到僅含單一模式的面波記錄，然后再計(jì)算靜校正量。設(shè)共炮點(diǎn)道集記錄為d(x，t)，利用F-K變換法對(duì)地震波場(chǎng)進(jìn)行分離和重建，首先對(duì)信號(hào)在時(shí)間域做傅立葉變換，計(jì)算式如下

(1)

(2)

式中:f表示頻率；k表示波數(shù)。

經(jīng)過(guò)式(1)計(jì)算，原始地震信號(hào)就由時(shí)間域變換到了頻率域，然后再利用式(2)將信號(hào)變換到波數(shù)域，最終得到頻率-波數(shù)域的信號(hào)D(k，f)。在頻率-波數(shù)域中面波信號(hào)會(huì)聚集形成明顯的能量團(tuán)。

面波具有多模式發(fā)育的特點(diǎn)，該文僅考慮能量較強(qiáng)的基階模式面波，并對(duì)頻率-波數(shù)域能量譜中的基階模式面波進(jìn)行分離，再對(duì)分離后的面波能量譜做F-K逆變換，就可以重建僅含基階模式面波信號(hào)的地震記錄。然后利用面波譜分析(Spectral Analysis of Surface Wave，SASW)方法對(duì)重建的面波信號(hào)進(jìn)行處理，即可獲得鄰近檢波點(diǎn)之間的頻散曲線[18]。設(shè)某兩道信號(hào)分別為s1(t)和s2(t)，二者頻譜可通過(guò)傅立葉變換得到，計(jì)算如下:

(3)

(4)

則s1(t)和s2(t)二者的互功率譜為:

Ss1s2(f)=s1(f)·s2*(f)=|s1(f)|·

|s2(f)|·eiΔφ(f)

(5)

式中:Δφ(f)=φ1(f)-φ2(f)，表示兩道信號(hào)在頻率為f時(shí)的相位差。

通過(guò)式(5)即可以從互功率譜中計(jì)算出單頻波的相位差Δφ(f)。若2個(gè)檢波器間距d2-d1記為Δx，則該頻率的相速度v(f)可以表示如下:

(6)

利用式(6)就可以依次計(jì)算各個(gè)頻率f的面波的相速度值，進(jìn)而得到這2個(gè)檢波器之間的頻散曲線，最后通過(guò)反演就能得到這條頻散曲線下方的橫波速度結(jié)構(gòu)。對(duì)記錄中任意相鄰的檢波器組合進(jìn)行SASW處理，并聯(lián)合所有相鄰檢波器處理結(jié)果就能得到排列下方的二維橫波速度剖面，最終獲得每個(gè)檢波點(diǎn)的靜校正量。

2 模擬數(shù)據(jù)效果測(cè)試

相對(duì)于常規(guī)面波處理技術(shù)，該研究提出的靜校正方法大大提高了橫向分辨率，P-SV轉(zhuǎn)換波的重點(diǎn)在于計(jì)算橫波靜校正量，因此面波靜校正技術(shù)的核心就是反演資料覆蓋區(qū)的二維橫波速度剖面。常規(guī)面波成像方法通?；诙嗟烂娌ǚ治鲞M(jìn)行處理，得到的結(jié)果是多道覆蓋范圍內(nèi)的綜合速度結(jié)構(gòu)。以一組模擬炮集記錄為例，該模型橫向長(zhǎng)為60 m，深度為40 m，設(shè)置炮點(diǎn)位于地表橫坐標(biāo) 0 m 處，并設(shè)置一直立斷層在40 m位置處(如圖1所示)，檢波器布設(shè)在橫坐標(biāo)10～60 m內(nèi)，共51個(gè)，道間距1 m，最小偏移距 10 m，檢波器采樣間隔 1 ms。圖2a所示為一個(gè)模型的51道檢波器的模擬記錄，利用F-K變換法對(duì)其進(jìn)行處理，可以得到這一組記錄的頻散能量譜(如圖2b所示)，觀察頻散能量譜可知，面波具有多模式(基階和高階)發(fā)育的特征。對(duì)譜中的能量峰值進(jìn)行識(shí)別就可以提取出頻散曲線，對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演即得到橫波速度結(jié)構(gòu)，然而這樣得到的橫波速度結(jié)構(gòu)反映的是排列覆蓋范圍內(nèi)地層的綜合響應(yīng)，無(wú)法獲得具體的某一檢波點(diǎn)下方的橫波速度結(jié)構(gòu)，因此也就無(wú)法計(jì)算獨(dú)立檢波點(diǎn)的靜校正量。

圖1 斷層理論模型

圖2 51道檢波器的模擬記錄及其頻散能量譜

利用該研究提出的改進(jìn)方法進(jìn)行處理，先對(duì)波場(chǎng)進(jìn)行分離獲得面波記錄(如圖3a所示)，然后通過(guò)SASW方法計(jì)算所有相鄰檢波器之間的頻散曲線，由51道記錄可以得到50條頻散曲線(如圖3b所示)。圖3b中的紅色和綠色點(diǎn)狀線表示斷層左右兩側(cè)地層對(duì)應(yīng)的理論頻散曲線。

圖3 波場(chǎng)分離后的面波記錄及其頻散曲線

通過(guò)上述計(jì)算所得的相鄰道頻散曲線，就可以反演排列下方地層的二維橫波速度剖面(如圖4所示)，進(jìn)而建立各檢波點(diǎn)的橫波速度結(jié)構(gòu)，獲得每個(gè)檢波點(diǎn)獨(dú)立的橫波靜校正量。相比傳統(tǒng)面波靜校正方法一個(gè)排列僅能得到單點(diǎn)的一維橫波速度結(jié)構(gòu)，該文方法將橫向分辨率提高到1 m級(jí)，有效提高了處理的精度。

圖4 橫波速度剖面

3 實(shí)例分析

該研究應(yīng)用改進(jìn)面波技術(shù)對(duì)鄂爾多斯盆地某研究區(qū)采集的實(shí)際轉(zhuǎn)換波資料進(jìn)行靜校正處理。改進(jìn)面波處理方法的核心在于獲得高精度的覆蓋層橫波速度結(jié)構(gòu)，利用SASW技術(shù)計(jì)算相鄰道的頻散曲線，進(jìn)而反演相鄰道下方的橫波速度結(jié)構(gòu)，提高速度模型的橫向分辨率。

根據(jù)改進(jìn)面波技術(shù)的原理，對(duì)實(shí)際資料的靜校正處理可以具體分為以下幾個(gè)步驟:①波場(chǎng)分離，利用數(shù)學(xué)變換對(duì)面波波場(chǎng)進(jìn)行分離與重建；②相鄰道頻散計(jì)算；③單點(diǎn)橫波速度結(jié)構(gòu)反演；④生成橫波速度剖面；⑤單道靜校正量計(jì)算；⑥資料靜校正。

實(shí)際資料各炮記錄通過(guò)81道檢波器接收，道間距為10 m，排列長(zhǎng)度800 m，采樣間隔1 ms。圖5a為某炮激發(fā)的81道共炮點(diǎn)道集記錄，可見(jiàn)明顯的面波能量，該記錄已經(jīng)進(jìn)行了炮點(diǎn)靜校正，只有各個(gè)接收點(diǎn)的橫波靜校正量需要求取。

首先進(jìn)行第①步的處理，利用改進(jìn)的F-K變換對(duì)該記錄進(jìn)行處理，分離其中的基階模式面波信號(hào)，然后利用F-K逆變換重建得到面波記錄(如圖5b所示)，在重建的單炮記錄中面波以外的其他信號(hào)得到了壓制。由于面波傳播速度較慢，由圖5b可見(jiàn)在第50道之后的檢波器已無(wú)法記錄到完整的面波波形，因此，該研究以前49道記錄為對(duì)象進(jìn)行靜校正量的計(jì)算。

圖5 實(shí)際地震記錄及分離的面波記錄

圖6所示為對(duì)分離出的面波波場(chǎng)的第3道至第17道記錄進(jìn)行局部放大。在面波分離重建后，進(jìn)行第②步處理，計(jì)算相鄰檢波點(diǎn)之間的頻散曲線，以第9道和第10道為例，利用SASW方法對(duì)這兩道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即得到這兩道中點(diǎn)處的頻散曲線(如圖7所示)。然后利用同樣的方法對(duì)任意相鄰的檢波點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得48條頻散曲線。

圖6 道集局部面波記錄

圖7 第9道和第10道記錄的頻散曲線

獲得頻散曲線后進(jìn)行第③步，計(jì)算每個(gè)頻散曲線對(duì)應(yīng)的橫波速度結(jié)構(gòu)。該研究利用Lei等[19]提出的遺傳-阻尼最小二乘聯(lián)合反演方法對(duì)頻散曲線逐個(gè)進(jìn)行反演，即可得到表示各組相鄰道之間地層的一維橫波速度結(jié)構(gòu)。該橫波速度結(jié)構(gòu)所代表的相鄰檢波點(diǎn)之中點(diǎn)位置處的地層結(jié)構(gòu)。然后聯(lián)合各個(gè)相鄰檢波點(diǎn)下方的橫波速度結(jié)構(gòu)就得到了完整的橫波速度剖面，即第④步，該剖面反映了前49道覆蓋范圍的地層橫波速度結(jié)構(gòu)(如圖8所示)。

圖8 橫波速度剖面

第⑤步為計(jì)算單道靜校正量。根據(jù)二維剖面結(jié)構(gòu)，設(shè)定轉(zhuǎn)換波橫波靜校正的橫波替換速度為1 500 m/s，根據(jù)每個(gè)檢波點(diǎn)在速度剖面上所在位置即可以計(jì)算出該檢波點(diǎn)的橫波靜校正量。以前49道檢波點(diǎn)的橫波靜校正量平均值為參考，將各檢波點(diǎn)的橫波靜校正量減去平均值，就得到這個(gè)道集中能夠提取面波范圍內(nèi)(0～500 m)的檢波點(diǎn)的靜校正曲線(如圖9a所示)。通過(guò)曲線可以看出，橫波靜校正量的變化幅度約為12 ms。相比傳統(tǒng)多道面波處理方法直接計(jì)算的靜校正量，其橫向分辨能力得到了有效提高。

得到各道的靜校正量后，就可以進(jìn)行第⑥步，對(duì)整個(gè)炮集記錄進(jìn)行靜校正處理。圖9b為靜校正后的結(jié)果，可見(jiàn)同相軸的連續(xù)性相比校正前得到了改善。

圖9 前49道的橫波靜校正量曲線及記錄靜校正后的結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)面波靜校正法無(wú)法獲得獨(dú)立檢波點(diǎn)的靜校正量的難題，該研究提出將F-K變換和SASW方法相結(jié)合，對(duì)面波靜校正技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

1)將P-SV轉(zhuǎn)換波資料中的面波記錄單獨(dú)分離出來(lái)，并計(jì)算鄰近檢波點(diǎn)之間的頻散曲線，進(jìn)而反演各個(gè)檢波點(diǎn)下方的橫波速度結(jié)構(gòu)，可以獲得各個(gè)獨(dú)立檢波點(diǎn)的橫波靜校正量，有效提高了面波靜校正方法處理的精度。

2)在實(shí)際轉(zhuǎn)換波資料處理中，由于面波傳播速度較慢，一個(gè)共炮點(diǎn)道集會(huì)存在部分較大偏移距的檢波器無(wú)法記錄到面波信號(hào)的情況，因此在利用該文方法時(shí)應(yīng)注意靜校正量的計(jì)算范圍是面波能夠被記錄到區(qū)域內(nèi)的檢波點(diǎn)。

3)面波具有多模式發(fā)育的特點(diǎn)，利用SASW技術(shù)計(jì)算多模式面波的頻散曲線，反演多模式頻散曲線獲得各檢波點(diǎn)的橫波靜校正量，能夠進(jìn)一步提高處理的精度，也是下一步研究的重點(diǎn)。