疊前連片地震資料處理技術(shù)研究
——以古中央隆起帶應(yīng)用為例

李 娜

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

1 概述

為了查清古中央隆起帶在橫向上構(gòu)造的分布型態(tài)，本次研究將六塊“郵票式”采集的地震工區(qū)拼接起來進(jìn)行連片處理，而該構(gòu)造主體部分位于六個(gè)區(qū)塊拼接的區(qū)域，因此連片處理做到無縫拼接才能實(shí)現(xiàn)地下構(gòu)造的準(zhǔn)確成像。

該地區(qū)三維地震資料滿覆蓋面積928.61km2，施工年度跨越10年，施工隊(duì)伍，采集目標(biāo)以及觀測系統(tǒng)都存在差異，原始資料采集過程中有如下特點(diǎn)：①六個(gè)工區(qū)采集目標(biāo)分為中淺層和深層兩種；②采集的面元不同：分別有10m×20m，20m×20m、25m×25m、25m×50m四種；③觀測系統(tǒng)方向不同：有正交和45°斜交兩種；④覆蓋次數(shù)差異較大：D 工區(qū)覆蓋次數(shù)最低為40次覆蓋，F(xiàn) 工區(qū)覆蓋次數(shù)最高為448次覆蓋（圖1）。

圖1 連片工區(qū)覆蓋次數(shù)圖

因此，在此次連片處理中存在時(shí)差、子波和能量一致性的問題，具體分析如下：

（1）六塊工區(qū)地震資料采集時(shí)年度跨度較大，從1997年采集的D工區(qū)480道接收地震資料到2016年采集的F工區(qū)12544道接收地震資料，并且由于工區(qū)間重疊面積較大，且采集面元不同，相鄰區(qū)塊檢波線位置不重疊，存在偏移量，導(dǎo)致連片地震記錄出現(xiàn)時(shí)差，和由于覆蓋次數(shù)不均引起的橫向能量、振幅不一致的問題。

（2）由于施工隊(duì)伍、采集儀器，以及施工方法和地質(zhì)條件的不同，導(dǎo)致采集到的地震資料品質(zhì)相差較大。連片工區(qū)跨越面積大，近地表?xiàng)l件復(fù)雜，高程變化大，呈現(xiàn)東南高、西北低的特點(diǎn)，炮點(diǎn)高程在132.7~195.3m 之間，檢波點(diǎn)高程在131~203m 之間，高程較高部分主要集中于連片工區(qū)東南部，即E 和F 工區(qū)的東南部。

（3）由于受到施工條件和近地表?xiàng)l件影響，各區(qū)塊資料品質(zhì)以及頻率差別較大。A、C和D工區(qū)資料信噪比較高，但是偏移距較??；E工區(qū)針對深層目的層采集，信噪比較高，資料偏移距大；B 和F 工區(qū)采集采用單點(diǎn)接收，覆蓋次數(shù)高，但是資料信噪比較低。B 和F 工區(qū)有效信號頻帶范圍在6~25Hz 之間，低頻信號較為突出，頻帶范圍窄，A、C、D 和E 工區(qū)有效信號頻率在8~50Hz范圍內(nèi)，頻帶相對較寬。

綜上所述，連片工區(qū)在網(wǎng)格和方位角統(tǒng)一，時(shí)差校正，能量調(diào)整，以及子波一致性處理等方面存在較大的困難。在本文中，提出以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：①采用區(qū)塊間時(shí)差校正,消除區(qū)塊間由于采集因素不同而造成的固有時(shí)差，連片統(tǒng)一微測井約束初至波層析反演靜校正，實(shí)現(xiàn)連片構(gòu)造無畸變；②單炮初至能量補(bǔ)償，調(diào)整由于震源能量不同而造成單炮能量差異，采用連片地表一致性振幅補(bǔ)償，全區(qū)能量統(tǒng)一計(jì)算及分解，消除由于地表因素造成單炮及接受點(diǎn)間能量差異，采用基于覆蓋次數(shù)能量補(bǔ)償，消除連片工區(qū)由于覆蓋次數(shù)差異較大引起疊加能量差異及偏移劃弧現(xiàn)象。通過以上三步能量調(diào)整，解決了連片工區(qū)整體能量一致性問題。③采用子波整形技術(shù)，有效地消除不同工區(qū)采集條件以及震源類型的差異所造成的區(qū)塊間波形存在較大不一致，解決了連片資料波形及頻率的問題；④應(yīng)用kichihoff彎曲射線疊前時(shí)間偏移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下地震資料的偏移歸位，使剖面層間構(gòu)造刻畫更加清晰，反射特征更加真實(shí)可靠。

2 關(guān)鍵處理技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)連片工區(qū)無縫拼接的處理，得到高信噪比、高分辨率的地震資料，來滿足解釋和地質(zhì)人員針對目標(biāo)儲層的精細(xì)刻畫，本次處理在時(shí)差調(diào)整和全區(qū)統(tǒng)一連片靜校正，能量一致性處理，相位和子波一致性處理，數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)以及疊前時(shí)間偏移技術(shù)方面，進(jìn)行了精細(xì)的試驗(yàn)和分析。

2.1 連片靜校正及時(shí)差調(diào)整技術(shù)

由于本次處理包含六個(gè)區(qū)塊，近地表情況復(fù)雜，高程變化較大，而且不同區(qū)塊間存在采集儀器引起的時(shí)差問題，因此靜校正和時(shí)差問題是本次處理的難點(diǎn)之一。

2.1.1 微測井約束初至波層析反演靜校正

靜校正處理是地震資料成像的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，靜校正的準(zhǔn)確與否是同相軸疊加成像精度的關(guān)鍵，直接影響疊加剖面的垂向分辨率和資料信噪比。此次連片處理的六個(gè)工區(qū)經(jīng)過區(qū)域面積大，由于受到近地表表層介質(zhì)和結(jié)構(gòu)差異的影響，如果不考慮低降速帶的橫向變化，很容易造成地下構(gòu)造的扭曲，影響處理精度，因此，采用微測井約束初至波層析反演靜校正技術(shù)來有效解決靜校正問題[1]。

層析靜校正利用了地震記錄的初至信息，按回折波射線理論反演近地表模型，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的靜校正量。經(jīng)層析靜校正處理后，基本上可以消除記錄上靜校正的影響，剖面上反射構(gòu)造真實(shí)可靠。然而常規(guī)的初至波層析反演近地表速度模型淺層低速信息并不豐富。應(yīng)用微測井約束初至波層析反演靜校正技術(shù)，應(yīng)用微測井約束的層析反演近地表速度模型，具有更加豐富的淺層低速信息，使得速度模型精度更高，符合真實(shí)的地質(zhì)構(gòu)造趨勢，為后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

微測井約束層析反演近地表模型與反射波速度模型融合流程如下：選擇大于靜校正計(jì)算的偏移距范圍對近地表模型進(jìn)行反演，參考射線密度，反演的速度模型更深，深層精度更高。修改高速層頂界面，輸出全部反演速度模型，并將地表高程線和速度模型采取相同平滑參數(shù)把速度模型做平滑，以射線密度作為參考，截取可靠的速度模型，與建立的反射波模型相融合，從而得到小平滑面模型，將CMP道集從浮動(dòng)基準(zhǔn)面，放置到小平滑面上，完成數(shù)據(jù)與速度模型的匹配。匹配后速度模型更加接近地下真實(shí)構(gòu)造情況，計(jì)算的靜校正量值更加真實(shí)，從而完成地震數(shù)據(jù)的靜校正處理。

2.1.2 時(shí)差調(diào)整

采用各工區(qū)拼接重疊位置時(shí)差分析和調(diào)整的技術(shù)[3]，解決接收情況不同引起的閉合時(shí)差問題，在時(shí)差調(diào)整之前，拼接位置的同相軸發(fā)生錯(cuò)斷，經(jīng)過時(shí)差調(diào)整后，區(qū)塊間同相軸變得連續(xù)，相位和振幅趨于一致。因此，在處理連片資料時(shí)，需要進(jìn)行時(shí)差調(diào)整，在統(tǒng)一基準(zhǔn)面的前提下，用來消除由于采集年度和激發(fā)接收條件不同引起的閉合差問題，進(jìn)一步提高資料品質(zhì)。

2.2 能量一致性處理技術(shù)

在處理連片工區(qū)資料時(shí)，由于受到近地表情況變化、激發(fā)和接收因素的不同以及采集設(shè)計(jì)差異的綜合影響，導(dǎo)致工區(qū)內(nèi)和工區(qū)間的能量都存在差異。首先，應(yīng)用球面擴(kuò)散補(bǔ)償技術(shù)，解決工區(qū)內(nèi)由于球面擴(kuò)散導(dǎo)致的淺中、深層縱向能量不均的問題，依據(jù)區(qū)域速度變化規(guī)律，選擇合理的球面擴(kuò)散補(bǔ)償參數(shù)。而后，應(yīng)用地表一致性振幅補(bǔ)償技術(shù)，消除地表?xiàng)l件空間變化引起的一個(gè)排列內(nèi)的能量和振幅差異，使各區(qū)塊能量級別達(dá)到一致。由于近地表激發(fā)和接收條件存在不同，會造成道之間、炮之間的能量差異，因此，在補(bǔ)償時(shí)，按照炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)、CDP和偏移距四個(gè)分量來計(jì)算[4]。

地表一致性振幅補(bǔ)償分為振幅統(tǒng)計(jì)、分解和補(bǔ)償應(yīng)用三步，具體原理表述如下：

（1）選定需要統(tǒng)計(jì)的時(shí)窗，對視窗內(nèi)每個(gè)樣點(diǎn)的均方根振幅值和平均振幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

（2）依據(jù)褶積原理與地表一致性的假設(shè)前提，激發(fā)點(diǎn)i，接收點(diǎn)j，用公式表示地震道的振幅因子如下：

式中：Aij——第i炮激發(fā)，第j點(diǎn)接收計(jì)算的均方根振幅或平均振幅值；

Si——與激發(fā)點(diǎn)i有關(guān)的振幅分量；

Rj——與接收點(diǎn)j有關(guān)的振幅分量；

Gk——CDP的位置k有關(guān)的振幅分量；

Mh——與偏移距有關(guān)的振幅分量。

對上式取對數(shù)，得到：

假設(shè)A′ij為振幅因子的觀測值，它是通過求記錄的道平衡因子的倒數(shù)得到的。令：

為使上式的值達(dá)到最小，分別求取S、R、G和M的偏導(dǎo)數(shù)，并令：

然后應(yīng)用高斯—賽德爾迭代法分解出影響振幅的激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)、CDP 點(diǎn)和炮檢距四個(gè)振幅因子分量，再將其代入公式（2）得到振幅因子Aij。校正比項(xiàng)是Aij與A′ij之比。

（3）應(yīng)用激發(fā)點(diǎn)項(xiàng)、接收點(diǎn)項(xiàng)和校正比項(xiàng)，對數(shù)據(jù)道振幅進(jìn)行校正，從而完成地表一致性振幅補(bǔ)償處理。

由于連片工區(qū)的覆蓋次數(shù)在橫向上存在很大差異，因此導(dǎo)致了地表一致性振幅補(bǔ)償處理后，區(qū)塊間能量不均衡的問題并不能完全得到解決，在此基礎(chǔ)上，筆者提出了基于覆蓋次數(shù)的補(bǔ)償技術(shù)，應(yīng)用全區(qū)數(shù)據(jù)的非加權(quán)疊加體統(tǒng)計(jì)均方根振幅能量，求取振幅加權(quán)系數(shù)，應(yīng)用于疊前CMP道集上，從而削弱或消除覆蓋次數(shù)不同引起的振幅能量橫向差異[5]。

經(jīng)過地表一致性振幅補(bǔ)償后，縱向和橫向的能量基本趨于一致，經(jīng)過基于覆蓋次數(shù)能量調(diào)整后，區(qū)塊間能量更加均勻，拼接處和邊界處保持其能量調(diào)整前疊加剖面的相對振幅值，能夠有效避免由于振幅能量不均造成的構(gòu)造假象。

2.3 連片子波整形技術(shù)

針對連片工區(qū)數(shù)據(jù)在子波、振幅、相位和頻率方面存在的差異，需要在反褶積之前進(jìn)行子波整形處理。子波整形是連片工區(qū)處理的關(guān)鍵技術(shù)，選取資料品質(zhì)好的區(qū)塊為目標(biāo)區(qū)，求取統(tǒng)一期望輸出的地震子波，根據(jù)反射系數(shù)一致性原理，保證好的資料品質(zhì)不損失，逐步將其他區(qū)塊多樣化的地震子波與期望輸出的地震子波統(tǒng)一，以消除受不同因素影響帶來的子波不一致問題[6]。

為了使整形算子能夠更加穩(wěn)定，而且成像質(zhì)量更高，需要從高信噪比資料以及目的層時(shí)窗內(nèi)提取整形算子，原理如下：

設(shè)計(jì)Xi(t)是需要整形的B 工區(qū)疊加剖面地震道，Zi(t)為目標(biāo)工區(qū)A 疊加剖面的地震道，設(shè)計(jì)整形算子mi(t)應(yīng)用于地震道Xi(t)，使得Xi(t)與地震道Zi(t)接近。假設(shè)實(shí)際與期望輸出的誤差為ei(t)，則有：

如果E表示總誤差能量，則：

依據(jù)最小二乘法原理，總誤差能量對整形算子mi(t)的偏導(dǎo)數(shù)等于零，可以得到托普里茲矩陣方程來求解整形算子：

求解方程就可以得到需要整形的地震道Xi(t)的整形算子mi(t)。應(yīng)用時(shí)將mi(t)于地震道Xi(t)進(jìn)行褶積運(yùn)算，完成子波整形處理。

子波整形處理的基本流程是：將不同工區(qū)選取CMP 完全重合的數(shù)據(jù)分別疊加，從目標(biāo)工區(qū)有效頻帶范圍內(nèi)提取子波，與期望輸出的理論子波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到整形算子，然后把這個(gè)算子應(yīng)用到疊前地震資料中進(jìn)行子波整形處理[7]。

2.4 基于偏移距體的數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)

由于本次連片處理的六塊工區(qū)有10m×20m、20m×20m、25×25m、25m×50m 四種面元，觀測系統(tǒng)方向也存在差異，因此，當(dāng)沿正交方向建立20m×20m處理網(wǎng)格進(jìn)行處理時(shí)，會出現(xiàn)偏移距分布不均勻，甚至出現(xiàn)空道的問題。為彌補(bǔ)采集因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺陷，提高剖面成像質(zhì)量，使炮檢距均勻分布，采用數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)是極其必要的。采用基于偏移距域體的插值及數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是：①規(guī)則化解決了空面元及高覆蓋次數(shù)冗余道問題；②每個(gè)偏移距體內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過動(dòng)校正后疊加，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)插值及規(guī)則化，保證地震資料信噪比；③此方法能夠解決大數(shù)據(jù)量插值及規(guī)則化時(shí)對節(jié)點(diǎn)內(nèi)存的要求，可以全工區(qū)同時(shí)進(jìn)行。

此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程是，輸入不規(guī)則的疊前偏移距體數(shù)據(jù)，通過傅里葉分解和傅里葉重構(gòu)的方法，采用sinc函數(shù)進(jìn)行插值，公式為：

將不規(guī)則的數(shù)據(jù)，沿著兩個(gè)方向轉(zhuǎn)換成規(guī)則的數(shù)據(jù)，再通過傅里葉反變換輸出。該技術(shù)在一定程度上能夠改善由于采集因素導(dǎo)致的觀測系統(tǒng)變觀嚴(yán)重，對疊前偏移數(shù)據(jù)能量、波形進(jìn)行了補(bǔ)償[8]。

如圖2 所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)規(guī)則化處理后，覆蓋次數(shù)明顯均勻，空白面元現(xiàn)象消失。圖3為數(shù)據(jù)規(guī)則化前后疊加剖面，填補(bǔ)了由于炮檢距變化造成的淺層缺口以及方位角和面元變化造成的空道現(xiàn)象，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，剖面疊加效果得到明顯改善。

圖2 數(shù)據(jù)規(guī)則化前后覆蓋次數(shù)分布圖

圖3 數(shù)據(jù)規(guī)則化前后疊加剖面圖

2.5 基于彎曲射線疊前時(shí)間偏移技術(shù)

一般來說，疊前時(shí)間偏移速度場vP(t)是在某個(gè)成像位置點(diǎn)P 隨時(shí)間變化的函數(shù)，直射線和彎曲射線偏移的區(qū)別是，前者是成像位置點(diǎn)P的均方根速度，后者為層速度。Kirchhoff 疊前時(shí)間偏移是一種高頻近似的方法，當(dāng)?shù)叵麓嬖趶?fù)雜構(gòu)造時(shí)，很難滿足成像需求，成像效果受入射角變化的影響較為敏感，速度劇烈變化可能會導(dǎo)致射線路徑求取錯(cuò)誤。因此，為了提高成像的精度，在本次連片工區(qū)處理中，采用基于彎曲射線的Kirchhoff 積分法完成疊前時(shí)間偏移。這種方法具有計(jì)算耗費(fèi)機(jī)時(shí)短、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)優(yōu)化了走時(shí)計(jì)算的算法，提高復(fù)雜構(gòu)造的成像準(zhǔn)確性[9]。

直射線Kirchhoff 疊前時(shí)間偏移基于雙平方根方程為：

式中：T0——垂直傳播時(shí)間；

H——半偏移距向量；

T——地震波從震源(X-H) 位置到檢波器(X+H)位置的旅行時(shí)；

vrms——均方根速度，一般取中心點(diǎn)處的均方根速度。

彎曲射線走時(shí)計(jì)算，采用層速度模型，其計(jì)算公式為：

式中：h——半偏移距。

系數(shù)ci的計(jì)算方法如下：

其中：

式中：ΔTi——地震波在第i層中的傳播時(shí)間。

綜上分析，系數(shù)ci是由層速度推導(dǎo)的，如果只有c1，式（11）與式（10）等價(jià)，即直射線走時(shí)計(jì)算方法是彎曲射線走時(shí)計(jì)算方法的一階近似。而對于三維層速度模型，速度隨出射點(diǎn)位置變化而改變，這種計(jì)算方法更加精確，與真實(shí)地質(zhì)情況更加吻合。

為了得到最佳的成像效果，有以下幾個(gè)方面需要注意：

（1）在疊前時(shí)間偏移處理之前，需要保證輸入高質(zhì)量的CMP 道集，具有較高信噪比，能量振幅均衡，相位一致，同相軸清晰連續(xù)。

（2）疊前時(shí)間偏移的關(guān)鍵參數(shù)是偏移孔徑，偏移參數(shù)的選取直接影響偏移運(yùn)行時(shí)間以及偏移成像的分辨率和信噪比。偏移孔徑參數(shù)，影響成像的信息范圍，成像目標(biāo)層越深，傾角越大，則偏移孔徑就越大。深層目的層成像時(shí)，過小的偏移孔徑會使陡傾角同相軸遭到破壞，振幅變化劇烈，還會產(chǎn)生大量的隨機(jī)噪音，可能造成假的水平同相軸，當(dāng)偏移孔徑過大時(shí)，會浪費(fèi)大量的運(yùn)算時(shí)間，降低處理效率。

（3）每一輪試驗(yàn)線偏移后，需要通過偏移輸出的CRP道集是否拉平，偏移剖面構(gòu)造是否正常，來判斷偏移速度場的準(zhǔn)確程度，并進(jìn)一步進(jìn)行速度更新，優(yōu)化得到最終的速度模型。

3 處理效果分析

古中央隆起帶六塊工區(qū)資料面積大，地表橫向變化、采集年度跨度及采集因素存在很大的差異，因此為解決連片拼接處理中遇到的時(shí)差、子波和能量一致性等問題帶來了一定的困難，筆者結(jié)合勘探地質(zhì)需求及資料特點(diǎn)，采用時(shí)差調(diào)整和全區(qū)統(tǒng)一連片靜校正，能量一致性處理，相位和子波一致性處理，數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)以及彎曲射線疊前時(shí)間偏移技術(shù)，對六個(gè)區(qū)塊資料進(jìn)行了連片處理，取得了較好的應(yīng)用效果。

圖4 為新老疊前時(shí)間偏移剖面對比，相對于老資料，本次處理繞射波歸位準(zhǔn)確，基底、內(nèi)幕及斷裂成像質(zhì)量明顯改善，信噪比、分辨率和頻率得到提高。圖5為新老處理成果目的層的等時(shí)切片對比，整體看新成果空間能量更加均衡，構(gòu)造特征及接觸關(guān)系更加清楚。

圖5 新老成果2100ms等時(shí)切片對比

4 結(jié)論

（1）在古中央隆起帶三維地震資料連片處理中，確定處理方案和技術(shù)流程前，需要根據(jù)地質(zhì)任務(wù)需求，對原始資料進(jìn)行充分分析，了解連片處理中存在的難點(diǎn)及影響因素。

（2）通過針對性地應(yīng)用微測井約束初至波層析反演靜校正，時(shí)差調(diào)整，能量一致性處理，相位、子波一致性處理，基于偏移距體的數(shù)據(jù)規(guī)則化，以及彎曲射線疊前時(shí)間偏移技術(shù)，消除了由于采集因素導(dǎo)致的資料差異，削弱了近地表因素對振幅的影響，減少了覆蓋次數(shù)不均引起的畫弧現(xiàn)象，使連片工區(qū)的區(qū)塊間能量、振幅及相位趨于一致，分辨率和信噪比得到較大的提高，能夠清晰刻畫基底內(nèi)幕結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對侵入巖體進(jìn)行準(zhǔn)確成像，從而指導(dǎo)基巖內(nèi)幕巖性解釋及天然氣分布規(guī)律研究。