起伏地表穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移方法及應用

馬軍茂，潘 龍，李 靜，丁國榮，石 星

中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830013

引言

準噶爾盆地瑪湖凹陷油氣勘探中對斷裂的識別、相帶的刻畫、砂體的雕刻[1-5]迫切需求保幅保真的高分辨率地震資料。由于地層的黏性吸收，導致地震波在傳播過程中發(fā)生振幅的吸收衰減和地震子波的頻散現(xiàn)象，使得原始采集地震資料主頻低、頻帶窄。因此，人們在地震資料處理過程中應用各種方法提高地震資料的分辨率，希望補償恢復地層吸收衰減振幅和相位信息。常用的方法包括：Q補償[6-9]、低頻保護[10]及連續(xù)小波拓頻等疊前疊后提高分辨率方法[11-16]。這些方法雖然取得了一定的應用效果，但其有不足之處，例如：Q補償方法忽略了地震波傳播路徑對幅值衰減的影響，不能正確補償?shù)卣鸩ㄒ蛭账p導致的能量損失。各類疊前疊后拓頻技術可以獲得期望頻寬和視分辨率，但其可靠性尚待提高。

近幾年，Zhang 等[17-20]提出了黏性介質(zhì)下的疊前時間偏移方法，在偏移過程中補償黏彈性地層介質(zhì)吸收衰減的振幅和相位信息，獲得高分辨率地震成果資料。不同于常規(guī)疊前時間偏移，黏彈性疊前時間偏移通過引入等效Q值在成像過程中恢復地震資料損失的高頻信息，通過菲涅爾帶控制地震資料的信噪比，使得最終成果信噪比和分辨率均有所提升。隨后，陳志德等[21-26]將該方法引入松遼盆地地震資料處理中，提升三角洲沉積薄儲層和河道砂的識別，并取得了顯著效果。然而，在準噶爾盆地，大部分地區(qū)地表由低頻起伏地貌地形和高頻起伏地貌地形交互組成，直接應用上述黏彈疊前時間偏移技術會帶來較大誤差。

為此，本文研發(fā)了基于浮動基準面的起伏地表傾角道集生成及穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移計算流程，并應用于準噶爾盆地瑪中4 井區(qū)三維中，取得了顯著的應用效果。

1 方法原理

1.1 起伏地表疊前時間偏移方法

準噶爾盆地大部分地區(qū)地表高程起伏較大，直接應用水平基準面的疊前時間偏移方法會帶來較大誤差。因此，在前人研究的基礎上，本文提出了適合準噶爾盆地的起伏地表疊前時間偏移方法。起伏地表炮點、檢波點和成像點位置如圖1 所示。

圖1 起伏地表炮檢點、成像點位置示意圖Fig.1 The location map of shot,receiver and imaging point for rugged topography

若將單炮看作是僅有一個地震道接收的記錄，那么，炮域偏移的炮點下行波場為

實際上，無法獲得相對準確的S（ω），而反褶積處理可以認為已經(jīng)剔除了這些與震源子波有關的影響。因此，鑒于反褶積處理成像條件，可以獲得單道數(shù)脈沖響應結(jié)果為

f′即是該地震道的一階導數(shù)。

1.2 起伏地表傾角道集生成方法

常規(guī)疊前時間偏移產(chǎn)生的CRP 道集已將反映地層傾角反射特征的信息進行了疊加，穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移傾角道集中的傾角并不是真實的地層傾角，而是一個與旅行時相關的傾角[18]，這是由于在傾角計算的過程中忽略了層速度與疊加速度的差。盡管如此，對于在偏移處理過程中最關心的反射波與繞射波的表現(xiàn)形態(tài)而言，在與旅行時相關的傾角道集和基于層速度得到的“真傾角”道集中，其表現(xiàn)形態(tài)是類似的。也就是說，本文應用的與旅行時相關的傾角道集，一方面，可容易嵌入到疊前時間偏移處理流程中；另一方面，這一傾角道集也近似反映了反射波與繞射波在“真傾角”道集中的形態(tài)，對于識別菲涅爾帶邊界來說，其精度也是足夠的。

從疊加的角度來看，與走時相關的傾角對應著彎曲同相軸的頂點就是穩(wěn)相點，以頂點為參照點的鄰域就是菲涅爾帶。由于在傾角道集中清晰地展現(xiàn)了穩(wěn)相點及其菲涅爾帶的特征，因此，可以利用人機交互軟件來拾取菲涅爾帶。從這個意義上講，以傾角道集為基礎，不但可以實現(xiàn)空變時變的偏移孔徑，同時也給出甄別拾取合適偏移孔徑的依據(jù)和實現(xiàn)手段。

如圖2 所示，定義反射界面在xoz平面的與旅行時相關的視傾角為φx；反射界面在yoz平面的與旅行時相關的視傾角為φy，則有

圖2 起伏地表傾角道集計算示意圖[18]Fig.2 The diagram of dip gather calculation for rugged tomography

假設在每一成像點僅僅把偏移結(jié)果按φx、φy的大小分選和疊加，而不考慮偏移距的變化，那么，在每一個共中心點位置形成沿測線方向傾角道集為I(x,y,T0,φx) 和垂直測線方向傾角道集為I(x,y,T0,φy)。

1.3 起伏地表穩(wěn)相偏移方法

起伏地表穩(wěn)相偏移方法基于上節(jié)起伏地表傾角道集的生成和菲涅爾帶的拾取，利用式（9）和式（10）計算每個成像點處的傾角，通過拾取每個成像點的菲涅爾帶獲得沿測線方向和垂直測線方向上的上、下界角度，在疊前時間偏移過程中，傾角落在菲涅爾帶的地震道累加到成像剖面上，傾角沒有落在菲涅爾帶的地震道將不對成像剖面做貢獻。因此，與常規(guī)疊前時間偏移相比，穩(wěn)相疊前時間偏移可以獲得信噪比更高的偏移成像結(jié)果。

2 穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移處理流程

穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移處理流程如圖3 所示，主要包括基于菲涅爾帶的傾角場建立、基于常Q掃描的等效Q場建模及穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移目標線偏移和體偏3 個關鍵環(huán)節(jié)。

圖3 穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移處理流程Fig.3 The processing flow of the stationary-phase viscoelastic prestack time migration

2.1 基于菲涅爾帶的傾角場建立

在傾角道集上，通過時變空變的菲涅爾帶的確定，建立傾角場。首先，根據(jù)工區(qū)內(nèi)地下地質(zhì)層位的空間展布選取代表性的格架線，基于偏前道集和速度場，給定地層傾角范圍和增量步長，計算傾角道集；然后，根據(jù)傾角道集的特點，拾取時變空變的菲涅爾帶；最后，將格架線上拾取菲涅爾帶的傾角范圍通過插值平滑構(gòu)建整個工區(qū)的傾角場。

圖4 給出了傾角道集和時變空變的菲涅爾帶邊界的構(gòu)建。觀察傾角道集可以看出：（1）穩(wěn)相點的位置與地層傾角有關，如圖4a 中展示的傾角道集形態(tài)，其穩(wěn)相點由淺至深基本集中于傾角0°左側(cè)附近，這與其偏移剖面地層傾角是一致的；而圖4b 中展示的傾角道集位于2.4 s 附近的目的層，穩(wěn)相點已達到-25°左右，這也與偏移剖面上展示的地層傾角緊密相關。（2）在傾角道集中，反射波道間時差明顯，繞射波基本不存在道間時差。反射波同相軸的反射時間呈現(xiàn)以穩(wěn)相點為中心兩側(cè)向上彎曲的形態(tài)，而且隨著深度增大，彎曲程度加大；反射波的這一特點有利于在傾角道集上確定菲涅爾帶邊界。繞射波道間時差小，很容易與反射波區(qū)分，若想斷裂斷點成像清楚，必須保留斷點產(chǎn)生的繞射波，如圖4b拾取傾角道集中2.4 s 處近平直的同相軸的菲涅爾帶邊界。把握好這些傾角道集的特點，依據(jù)傾角道集中的穩(wěn)相點以及道間時差特點即可確定菲涅爾帶邊界。

圖4 不同成像點的傾角道集和拾取的菲涅爾帶邊界Fig.4 The dip gather and the picked Fresnel zone boundaries at different imaging points

2.2 基于常Q 掃描的等效Q 場建模

通過傾角道集菲涅爾帶邊界的確定，得到工區(qū)的傾角場，可用于控制偏移疊加數(shù)據(jù)的孔徑，提高偏移成像的信噪比。在此基礎上，通過常Q掃描，優(yōu)選等效Q值和高截止頻率，建立等效Q場和高截止頻率場，結(jié)合偏移過程，恢復地震波被衰減的頻率成分，提高地震偏移成像的分辨率。

等效Q值的估計主要以補償后剖面的頻譜寬度及剖面質(zhì)量來確定，而高截止頻率F3主要依靠補償后剖面的噪音水平來確定，不同的等效Q值補償后的剖面對應著不同的高截止頻率F3。亦即等效Q值和高截止頻率F3這對參數(shù)是耦合在一起的，需要在可接受的噪音水平（由高截止頻率F3描述）前提下選取合適的等效Q值。通過設置合適的等效Q值和F3值，既要使分析時窗內(nèi)地震道分辨率提高，同時也要保證高頻段噪音不至于過高，影響地震成像的信噪比。因此，等效Q值-高截止頻率F3同時估計技術使得穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移技術可在保證一定信噪比水平的基礎上提高地震成像的分辨率。

圖5 給出了工區(qū)質(zhì)控線等效Q值與高截止頻率F3拾取窗口設置，縱向上一般包括5～6 個時窗，橫向上分析時窗根據(jù)具體地層的長度和走向變化而定，分析時窗可沿地層排列。具體每一對的Q值和F3的確定，主要依賴不同等效Q值對應黏彈疊前時間偏移結(jié)果的波組特征和噪音發(fā)育水平而定。當然如果工區(qū)內(nèi)有井資料，也可以依據(jù)井和地震資料的吻合程度進行參數(shù)的優(yōu)選。

圖5 等效Q 值建立示意圖Fig.5 The diagram of establishment equivalent Q value

2.3 穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移目標線偏移和體偏

在常規(guī)疊前時間偏移得到均方根速度場的基礎上，建立與偏移孔徑優(yōu)選有關的傾角場及服務于提高分辨率的等效Q場和高截止頻率場，即可完成格架線或目標成像空間的穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移[18]。

通過對偏移成像結(jié)果的頻譜分析和處理解釋一體化效果分析，檢驗偏移結(jié)果是否滿足期望輸出的效果。

如果偏移結(jié)果仍需改進，需要根據(jù)評價結(jié)果返回到等效Q場和傾角場建立的環(huán)節(jié)進行優(yōu)化處理（圖3），拾取更加合理的菲涅爾帶，優(yōu)選更加合適的等效Q值，直到目標線的偏移成像效果達到預期的質(zhì)量為止。

最后，根據(jù)最終建立的等效Q場、高截止頻率場和傾角場，結(jié)合均方根速度場和偏前道集，對整個工區(qū)的數(shù)據(jù)體進行穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移。

3 應用效果

準噶爾盆地瑪湖凹陷位于盆地的西北緣，通過近幾年的高密度三維地震勘探的實施，極大地推動了瑪湖地區(qū)三疊系百口泉組、二疊系烏爾禾組油氣勘探進程，相繼在瑪湖凹陷的東西斜坡獲得重大突破，形成兩大百里油區(qū)，展現(xiàn)了瑪湖凹陷滿凹含油的油氣勘探巨大潛力。為為支撐瑪湖凹陷二疊系—三疊系整體研究，落實瑪南斜坡大侏羅溝斷裂有利區(qū)勘探潛力及成藏控制因素，新疆油田公司在瑪中4 井區(qū)部署三維地震滿覆蓋面積260 km2。

該三維是準噶爾盆地近年來最強化的井炮采集的高密度三維，面元12.5 m×25.0 m，覆蓋次數(shù)576次，覆蓋密度184.32×104道/km2。強化采集的主要目的是進一步提高地震資料的分辨率，準確落實各目的層內(nèi)部各小層之間的接觸關系及分布特征，預測薄儲層分布，落實有利相帶的劃分、刻畫小斷裂。

根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)任務和資料需求，創(chuàng)新性地應用了起伏地表穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移方法，探索出適合于該地區(qū)地震波吸收衰減的等效Q場，建立了與偏移孔徑優(yōu)選有關的傾角場，最終提高了地震資料的分辨率。

圖6 給出了瑪中4 井三維重點質(zhì)控線常規(guī)疊前時間偏移和穩(wěn)相黏彈性疊前時間偏移剖面的對比。常規(guī)疊前時間偏移中（圖6a），未補償大地對地震波的吸收作用，因而分辨率，尤其是中深層的分辨率較低。

在圖6b 展示的穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移剖面上，引入等效Q值補償大地對地震波的吸收衰減作用，剖面的分辨率明顯優(yōu)于常規(guī)疊前時間偏移剖面，特別是分辨弱層和薄互層的能力得到顯著提升，利于工區(qū)目的層相帶的精細刻畫和薄儲層描述。

圖6 常規(guī)疊前時間偏移和穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移剖面對比圖Fig.6 The comparison profile diagram of normal prestack time migration and stationary-phase viscoelastic prestack time migration

常規(guī)疊前時間偏移頻譜與穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移頻譜對比如圖7 所示，可以看出，穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移在保持低頻振幅相對關系的同時，大幅拓展了地震資料的高頻成分，頻寬展寬12 Hz，主頻提高6 Hz，提升了地震數(shù)據(jù)的分辨能力。

圖7 常規(guī)疊前時間偏移頻譜與穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移頻譜對比Fig.7 The comparison spectrum diagram of normal prestack time migration and stationary-phase viscoelastic prestack time migration

穩(wěn)相黏彈疊前時間偏移方法通過工區(qū)等效Q場的建立，提高地震資料的頻寬和分辨率，通過時變空變菲涅爾帶控制偏移疊加數(shù)據(jù)的范圍，提高地震資料的信噪比，最終使地震成果的分辨率和信噪比均提升。

4 結(jié)論

（1）集成了Q補償和疊前偏移的優(yōu)勢，沿波的傳播路徑對其能量損失進行補償，使地震資料的縱向分辨率和橫向分辨率均有所提升，且成果資料與井的吻合度高。

（2）通過引入時變空變菲涅爾帶控制疊前偏移噪聲，避免常規(guī)偏移孔徑難以時變空變導致的陡傾角構(gòu)造成像缺失、偏移成像信噪比降低等問題。通過引入等效Q模型，結(jié)合偏移過程提高地震資料的分辨率。

（3）本文方法的應用前提是不要對疊前數(shù)據(jù)預處理進行設置高截止頻率類型的濾波處理，且有必要對道集進行地表一致性處理保證良好的子波一致性。同時，該方法與目前廣泛使用的疊前Q補償和各類疊后拓頻技術之間并不矛盾。

符號說明