席自彬,王海昆,徐 強(qiáng),麻志國
(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部,天津 300451)
速度分析和速度建模貫穿于地震資料處理的全過程,是地震數(shù)據(jù)處理中工作量最大也是最關(guān)鍵的步驟之一[1],準(zhǔn)確的速度場為偏移成像提供了最基礎(chǔ)的保障。為了實(shí)現(xiàn)高精度的偏移成像,時間域成像往往采用多輪速度分析(人工拾取)、百分比速度掃描、十字速度調(diào)整以及偏移后剩余速度分析等多種精細(xì)速度分析方法[2]。由于常規(guī)時間偏移在橫向速度處理上的局限性,對于陡傾角或者橫向速度劇烈變化的區(qū)域,尤其是在潛山頂面及內(nèi)幕成像、走滑斷層、邊界斷層的成像、次級斷層的接觸關(guān)系不清且多解性強(qiáng)等區(qū)域成像,疊前時間偏移成像往往得不到精確的地下構(gòu)造形態(tài),而解決這些復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域成像的有效工具是疊前深度偏移。因此獲得高精度的速度模型是提高復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域成像質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)[3]。但是如何獲得高精度的速度模型,如何提高模型的精度,一直是業(yè)界廣泛探討的話題。
基于疊前深度偏移的速度建模方法有多種。一種是網(wǎng)格層析方法[4],2020年,徐嘉亮等[5]提出基于層位約束的不規(guī)則網(wǎng)格層析速度建模方法。2022年,熊鷹杰等[6]研究了基于角道集的各向異性全局走時層析反演方法。這種層析方法是線性層析,網(wǎng)格層析基于每一輪偏移得出成像剖面和共成像點(diǎn)道集,從共成像點(diǎn)道集上拾取剩余曲率信息,從成像剖面上拾取傾角信息,經(jīng)過多次疊前深度偏移迭代,不斷對速度模型進(jìn)行更新。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以自動進(jìn)行高密度拾取剩余曲率,不斷進(jìn)行迭代更新,僅耗費(fèi)機(jī)時和有限的人工操作;缺點(diǎn)是對橫向速度變化區(qū)域不敏感,反演更新效率較低,或者可能由于反演結(jié)果的不唯一性,導(dǎo)致速度往錯誤的方向更新[7]。第二種是非線性反演方法[8]。2021年,王一鳴等[9]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于非線性反演方法中。2022年,徐鳳姣等[10]對非線性共軛梯度反演方法進(jìn)行深入研究。非線性反演方法是在拾取的剩余曲率信息上進(jìn)行反偏移,從而計算求得運(yùn)動學(xué)不變量,不變量和速度模型疊加后進(jìn)行疊前深度偏移,再求取新的曲率和傾角信息用于速度反演。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是反演模型精度高,對于斷層等橫向速度變化劇烈的復(fù)雜構(gòu)造反演效果好,缺點(diǎn)是在每次求取不變量后都需要進(jìn)行疊前深度偏移速度反演,對計算器的處理成本和處理能力要求較高,在橫向速度劇烈變化區(qū)域,反演收斂較慢,增加了項(xiàng)目運(yùn)行周期。第三種是立體層析方法[11],該方法是利用射線參數(shù)的視速度和雙程的旅行時來表征目標(biāo)體的相關(guān)反射。優(yōu)點(diǎn)是該方法簡單易實(shí)現(xiàn),計算量較小;缺點(diǎn)同樣是對復(fù)雜構(gòu)造成像效果較差。還有一種是全波形反演[12],該方法由于需要的計算量較大,對計算器要求較高,在實(shí)際生產(chǎn)中很難應(yīng)用[13],因此本文不做過多的討論。
隨著渤海油氣田勘探開發(fā)進(jìn)入以深層隱蔽型油氣藏為主的階段,潛山油氣藏成為勘探開發(fā)的主要目標(biāo)之一。由于原有采集和處理技術(shù)的限制,以往渤海大部分地震資料,對潛山髙陡區(qū)斷層成像、邊界大斷層成像、潛山內(nèi)幕弱信號成像的品質(zhì)相對較差,無法滿足勘探開發(fā)需求。常規(guī)的深度域偏移方法成像精度不高,基于逆時偏移的成像方法雖然可以解決潛山等復(fù)雜構(gòu)造成像,但是不能合理利用角度和方位信息。2016年,方勇等[14]研究了多方位網(wǎng)格層析成像技術(shù);2018年,蔡杰雄[15]將層析成像技術(shù)與高斯束偏移算法相結(jié)合完成針對目標(biāo)的局部角度域成像方法研究。
針對上述速度反演方法和潛山區(qū)深度域成像方法的優(yōu)缺點(diǎn),本文在前人理論研究和實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上,從成像效果出發(fā),提出將組合高精度速度建模技術(shù)與射線束疊前深度偏移技術(shù)相結(jié)合的方法,基于該方法既可以兼顧好項(xiàng)目運(yùn)行周期,提高建模效率,又可以提高建模精度,對潛山等局部速度的刻畫更為精準(zhǔn),提高了潛山區(qū)成像質(zhì)量,顯著改善了潛山內(nèi)幕成像,在渤海某工區(qū)潛山構(gòu)造成像實(shí)例應(yīng)用中取得了顯著效果。
網(wǎng)格層析反演方法是速度建模中常用的方法,因?yàn)樵摲椒▋H靠數(shù)據(jù)驅(qū)動,簡單易操作,不需要其他先驗(yàn)信息。計算方法見下列公式[16],假設(shè)一個地下構(gòu)造模型,它由不同地層構(gòu)成,每一層由不同反射界面分開。計算第NL層的射線路徑可以由如下的積分方程算出:
(1)
式中,SL(x,y,z)為介質(zhì)的慢度;t為震源到檢波器的旅行時;dl為射線路徑的微分。然后計算慢度擾動以及相應(yīng)層的縱坐標(biāo)的擾動量,可由下式計算旅行時間的殘差[17]:
(2)
Stork C等[19]給出了層析速度反演與剩余深度差的旅行時殘差的定量關(guān)系,即
Δt=2×Δz×s×cosφcosγ
(3)
其中,Δz代表剩余的深度殘差;Δt代表走時時差;s代表成像點(diǎn)位置的慢度;φ代表反射層的傾角;γ代表射線的入射角。根據(jù)式(2)和式(3)計算求得網(wǎng)格層析反演方程[20]。
非線性迭代反演方法原理是基于最小平方優(yōu)化的反演方法,需要經(jīng)過多輪的迭代來不斷修正參數(shù)模型,直到最終計算數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)能夠最佳匹配的地震數(shù)據(jù)。非線性局部迭代反演方法包括梯度型方法和牛頓法[21]。擬牛頓法就是通過不斷地迭代更新,近似地求取Hessian矩陣(海森矩陣)[22]來實(shí)現(xiàn)反演。孫銀行等[23]基于各項(xiàng)異性參數(shù)對廣義非線性反演公式進(jìn)行了推導(dǎo),首先構(gòu)造一個目標(biāo)函數(shù):
f(C)=‖U(C)-Ud‖
(4)
其中,C代表地下參數(shù)向量;Ud代表實(shí)際地震數(shù)據(jù);U(C)代表正演求取的模型響應(yīng)。在f(C)極小值點(diǎn)處展開求取f(C)的二次函數(shù):
(5)
C(k+1)=C(k)+P(k)
(6)
其中,
P(k)=-Δ2f(C(k))-1Δf(C(k))
(7)
廣義非線性反演由于需要不斷迭代,逐步更新逼近正確解,計算量主要在求解方程組和計算Hessian矩陣上。
Guillaume等[24]通過對拾取的剩余曲率信息和傾角信息等進(jìn)行反偏移,從而獲得運(yùn)動學(xué)不變量,進(jìn)而進(jìn)行非線性反演。通過計算速度模型更新后的剩余量來實(shí)現(xiàn)每一次的反演迭代,對于潛山等復(fù)雜構(gòu)造區(qū),相比于網(wǎng)格線性層析方法,非線性反演計算收斂的速度更快,可以有效地減少迭代次數(shù),提高迭代的精度,進(jìn)而縮短項(xiàng)目運(yùn)行的周期。
立體層析方法是使用射線參數(shù)和雙程旅行時的視速度來表征相關(guān)反射,這種方法可以不用連續(xù)拾取走時同向軸,因此更容易操作實(shí)現(xiàn)[25]。輸入?yún)?shù)包括速度、入射角、反射角、反射點(diǎn)的位置以及反射點(diǎn)到炮檢點(diǎn)的單程旅行時。
假設(shè)炮點(diǎn)坐標(biāo)為(xs,zs),檢波點(diǎn)坐標(biāo)為(xr,zr),反射點(diǎn)坐標(biāo)為(xc,zc),檢波點(diǎn)的斜率和炮點(diǎn)斜率分別是pxr和pxs,炮點(diǎn)走時為ts,檢波點(diǎn)走時為tr,朝向炮點(diǎn)出射角為θs,朝向檢波點(diǎn)出射角為θr,雙程反射的旅行時為tsr,地層速度為vm,則立體層析反演方法的數(shù)據(jù)分量和模型分量分別為:
(8)
(9)
在實(shí)際數(shù)據(jù)反演中,主要是求解目標(biāo)函數(shù)式(9)的最優(yōu)解,通過不斷地修正m,使得計算模型數(shù)據(jù)d=g(m)和采集地震數(shù)據(jù)dobs一致,進(jìn)而求取地層速度及成像點(diǎn)位置:
(10)
式中,上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算;Cd和Cm是數(shù)據(jù)分量和模型分量的先驗(yàn)協(xié)方差矩陣;mpiror代表先驗(yàn)?zāi)P汀?/p>
速度模型的更新主要有兩個步驟:一是最初構(gòu)建相對比較精確的初始深度域速度場;二是使用各種反演方法對速度模型進(jìn)行多輪次的反演更新[26],直至深度域速度模型精確度滿足需要,并達(dá)到最佳成像效果為止。
在速度反演更新的過程中,往往要遵循一定的建模原則:即從淺到深,從易到難,從低頻到高頻更新,從而完成由趨勢速度建模到高精度速度建模的過程,趨勢速度建模是通過區(qū)域速度規(guī)律研究建立縱橫向速度結(jié)構(gòu)趨勢,而高精度速度建模是通過多尺度迭代、優(yōu)化模型,修正局部速度差異。
以渤海某工區(qū)為例,本工區(qū)重處理存在以下難點(diǎn):①構(gòu)造地層起伏大,潛山上下速度變化快;②目標(biāo)區(qū)域速度敏感、復(fù)雜斷裂發(fā)育;③走滑斷層及次級斷層組合關(guān)系認(rèn)識不清楚,潛山內(nèi)幕地層速度橫向變化快,速度分析難度大。針對以上地質(zhì)難題及地震特征,本工區(qū)速度建模過程可細(xì)分為三步(圖1):
第一步:目標(biāo)1區(qū)地震特征以淺部平層為主,該區(qū)域速度變化平緩(局部有小斷層),道集質(zhì)量較好,信噪比較高,非常便于拾取剩余曲率信息。該區(qū)域可以使用網(wǎng)格層析方法進(jìn)行2~3輪反演更新,可以快速得到準(zhǔn)確的速度場模型,縮短項(xiàng)目運(yùn)行周期。
網(wǎng)格層析反演方法僅靠數(shù)據(jù)驅(qū)動,簡單易操作,不需要其他先驗(yàn)信息。各向同性介質(zhì)假設(shè)速度修正時,直接對共反射點(diǎn)道集(Common Reflection Point Gather,CRP)拾取剩余曲率信息,利用網(wǎng)格層析成像技術(shù)修正深度層速度體,因此處理時選擇合適的剩余曲率譜是提高反演速度和精度的關(guān)鍵。本文主要通過對偏移后道集進(jìn)行切除處理,去除同向軸遠(yuǎn)端畸變影響,同時限定剩余曲率譜拾取范圍,以獲得準(zhǔn)確的剩余曲率,提高反演的精度。
圖1 渤海某工區(qū)數(shù)據(jù)按地震特征目標(biāo)細(xì)分Fig.1 Data classification of a working area in Bohai according to their seismic characteristics
第二步:目標(biāo)2區(qū)為潛山區(qū)或者邊界大斷層區(qū)域,道集質(zhì)量稍差,信噪比較低,速度橫向變化復(fù)雜,所以要先對偏移道集進(jìn)行信噪比提高和多次波衰減等處理,提高道集質(zhì)量品質(zhì),該區(qū)域使用非線性反演方法更新,可以得到高精度速度模型。
對于潛山等復(fù)雜構(gòu)造區(qū),相比于網(wǎng)格線性層析方法,非線性層析反演收斂的速度更快,可以有效地減少迭代次數(shù),提高迭代的精度,進(jìn)而大大縮短項(xiàng)目運(yùn)行的周期。在此基礎(chǔ)上,本文采用多參數(shù)控制的混合模型更新方法,首先從共成像點(diǎn)道集(Common Imaging Gather,CIG)上拾取剩余曲率信息和各項(xiàng)異性參數(shù)體,從疊加剖面上拾取X、Y方向的傾角信息,在計算時加入求取的X、Y方向的傾角信息數(shù)據(jù)體、各項(xiàng)異性參數(shù)體以及剩余曲率等約束信息,并對多種參數(shù)更新迭代,進(jìn)一步提高了潛山成像的精度。
第三步:目標(biāo)3區(qū)位于潛山內(nèi)幕,通過道集拾取速度更新困難,或者局部構(gòu)造層析反演尺度無法刻畫相應(yīng)的速度變化,道集上很難判斷速度趨勢,而且該區(qū)域不是成像的目標(biāo)區(qū),因此該區(qū)域使用速度掃描立體層析方法進(jìn)行更新,可以減少計算成本,提高速度建模效率。
本文使用射線參數(shù)和雙程旅行時的視速度來表征相關(guān)反射,可以不用連續(xù)拾取走時同向軸,因此該種方法更容易實(shí)現(xiàn)操作。
綜上所述,針對該工區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行速度建模,思路如圖2所示。
建立初始速度模型的方法有很多種,既可以由時間域的疊加速度、偏移速度和剩余速度來建立,又可以由井?dāng)?shù)據(jù)來建立。基本過程是先把時間域均方根速度轉(zhuǎn)換成深度域?qū)铀俣?然后進(jìn)行大尺度的平滑,平滑的目的是消除所有短波長異常,最后由長波長(大尺度)向短波長(小尺度)迭代,逐步收斂來逼近真實(shí)速度模型。因此,初始速度模型是否足夠準(zhǔn)確對偏移結(jié)果至關(guān)重要,平滑的速度在迭代過程中更安全,但是做平滑處理時要綜合考慮斷層、潛山等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的特征。速度模型也不能太過平滑處理,特別是在整個項(xiàng)目周期有限的情況下,因?yàn)檫@時的初始速度模型如果太過偏離,在次數(shù)有限的更新迭代情況下,不可能實(shí)現(xiàn)速度模型的快速收斂,從而無法獲得精確的速度場[27]。
初始速度模型的建立是深度偏移的關(guān)鍵環(huán)節(jié),層速度模型一般由疊前時間偏移(Pre-stack Depth Migration,PSTM)均方根速度轉(zhuǎn)換得到,較為準(zhǔn)確的初始深度層速度模型會使后續(xù)工作更加高效。一方面,可獲得高質(zhì)量的深度偏移道集和成像剖面;另一方面,反演時能夠快速地收斂、減少迭代次數(shù),快速地逼近正確的速度模型,既可以縮減項(xiàng)目周期,又可以取得精確的成像剖面[28]。
本次初始速度模型的建立流程如圖3所示。第一步,利用疊前時間偏移得到的均方根速度轉(zhuǎn)換成時間域?qū)铀俣?圖3b);第二步,時間域?qū)铀俣绒D(zhuǎn)換成深度域?qū)铀俣?圖3c);第三步,對深度域?qū)铀俣却嬖诘钠娈慄c(diǎn)進(jìn)行編輯及平滑,并進(jìn)行海底1 500 m/s水速充填,完成初始模型的建立(圖3d)。
在初始速度模型建立以后,以此為基礎(chǔ),需要進(jìn)一步通過三維網(wǎng)格層析反演,在每一個網(wǎng)格點(diǎn)(50 m×50 m×5 m)上進(jìn)行速度更新,通過2~3輪的更新迭代來解決長波長和短波長的速度更新問題[29]。三維網(wǎng)格層析反演是基于三維網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行有限差分模型修正,是對3D速度體進(jìn)行的網(wǎng)格點(diǎn)模型修正。對于地下構(gòu)造,若速度真實(shí)、正確,在同一個共成像點(diǎn)道集上,不同偏移距位置處的同向軸是平的,即地下同一位置處,一定會產(chǎn)生同樣的地質(zhì)成像[30]。若同相軸向上彎曲,則偏移速度低于真實(shí)速度;若同相軸向下彎曲,則偏移速度高于真實(shí)速度[31]。因此CIG道集上的剩余曲率可以用于速度模型修正。層析反演即根據(jù)剩余曲率及地層傾角信息,在全數(shù)據(jù)體修正更新模型。層析反演更新速度后,可以準(zhǔn)確地調(diào)整模型中短波長速度場的誤差,得到更精確的深度層速度模型[32]。
淺層速度模型采用網(wǎng)格層析反演技術(shù)更新,使用的是全部地震數(shù)據(jù)(也可稱為數(shù)據(jù)全驅(qū)動反演),采用疊前深度偏移(Kirchhoff或者Cbeam)得到深度域CIG和疊加剖面?;贑IG拾取剩余曲率,基于疊加剖面拾取X、Y方向的傾角,開展三維層析反演更新深度-層速度體,剩余曲率和X、Y方向的傾角拾取網(wǎng)格一致,均為50 m×50 m×5 m。經(jīng)過2~3輪更新,CIG剩余曲率逐漸變小,速度變得精確。從圖4可以看出,速度模型更新后,淺層道集基本拉平,剩余曲率譜比較聚焦。圖4能量譜中,顏色越深,代表越聚焦,紅色處剩余曲率(基本為零),得到的淺層速度譜比較精確。
圖3 初始速度建模流程Fig.3 Initial velocity modeling process
圖4 網(wǎng)格層析前后淺層道集和曲率譜變化Fig.4 Changes of shallow track collection and curvature spectrum before and after grid tomography
對于潛山內(nèi)幕速度的更新,由于潛山處道集質(zhì)量太差,速度模型更新前需要對道集進(jìn)行合適的預(yù)處理。如圖5所示,主要包括去噪(提高信噪比)、多次波衰減、適當(dāng)?shù)厍谐?進(jìn)一步提高道集質(zhì)量,確保剩余曲率拾取的準(zhǔn)確度。
圖5 潛山區(qū)道集處理過程Fig.5 Gather processing in buried hill location
道集處理后,針對目的層位,潛山內(nèi)幕速度的更新采用非線性層析反演技術(shù),建模流程分五步驟:①首先對速度模型進(jìn)行疊前深度偏移;②從CIG道集上拾取剩余曲率信息和各向異性參數(shù)體,從疊加剖面上拾取X、Y方向的傾角信息;③對拾取的剩余曲率信息、各項(xiàng)異性參數(shù)以及傾角信息進(jìn)行反偏移,求取運(yùn)動學(xué)不變量;④對運(yùn)動學(xué)不變量疊加輸入的速度模型重新進(jìn)行疊前深度偏移處理,生成新的曲率譜和道集;⑤如果道集基本拉平,即剩余時差(Residual Time Difference,RMO)最小,則輸出為最終模型;如果RMO不是最小,采取新一輪反演更新。非線性層析反演采用多參數(shù)控制的混合模型進(jìn)行更新,速度建模更新精度高,迭代次數(shù)少。
圖6為非線性反演前后速度模型,從圖6可以看出,非線性反演后速度模型與地質(zhì)吻合度更好,精度高,能夠很好地刻畫復(fù)雜斷裂。
圖6 非線性反演前后速度模型Fig.6 Velocity model before and after nonlinear inversion
經(jīng)過線性和非線性速度模型更新后,已經(jīng)可以得到較好的背景速度趨勢,為了對潛山內(nèi)幕進(jìn)行更加精準(zhǔn)地成像,對于基底以下背景速度進(jìn)行速度掃描,如圖7所示。由于基底下地層對速度不敏感,可能相差較大的兩個速度(如4 800 m/s或者5 000 m/s)都可以使道集拉平,這個時候使用CIG道集拉平原則將不能準(zhǔn)確地對基底下速度進(jìn)行判定??苫趨⒖季€成像剖面和井速度的綜合考慮,通過不同速度地掃描,選擇合適的背景速度。從圖7可以看出,潛山內(nèi)幕速度為5 000 m/s時,邊界斷層處同向軸更加連續(xù),成像效果更好。
圖7 基底下不同速度的疊加Fig.7 Stack of different velocities under the substrate
圖8 最終速度模型及與井資料對比Fig.8 Final velocity model and comparison with well data
通過針對不同目的層采用不同組合的反演技術(shù),經(jīng)過多輪更新后,可以得到高精度的速度模型,同相軸平整能量團(tuán)更加聚焦集中,道集更平,疊加剖面上構(gòu)造形態(tài)更加清楚和聚焦。如圖8所示,從速度模型與地震資料疊合來看(圖8a),速度變化與地震剖面吻合度更高。從井資料來看,反演后最終速度(圖8b藍(lán)色)與井資料VSP速度(圖8b黃色)一致。
圖9 高精度速度建模前后的疊前深度偏移剖面Fig.9 Prestack depth migration profile before and after high precision velocity modeling
圖10 高精度速度建模前后的疊前深度偏移時間切片F(xiàn)ig.10 Pre-stack depth migration time slices before and after high-precision velocity modeling
將最終成果與老處理成果進(jìn)行新老處理對比(圖9,圖10)以檢驗(yàn)本次處理的效果。老資料采用常規(guī)速度建模方法進(jìn)行Kirchhoff疊前深度偏移,本次新處理采用組合高精度速度建模進(jìn)行射線束(Cbeam)疊前深度偏移。通過分析對比圖(圖9)可以看出:
1)新處理資料的信噪比大幅提高;
2)潛山頂面及內(nèi)幕成像效果大幅提高,尤其是潛山內(nèi)幕小斷層有了明顯改善,潛山內(nèi)幕波組特征清晰,視分辨率更高;
3)淺中層花狀斷層改善明顯,地層接觸關(guān)系更明確,多次波壓制更干凈。
從圖10時間切片也可以看出,經(jīng)過高精度速度建模以后,對于中深層成像效果改善明顯,潛山及邊界大斷層刻畫得更加清晰、準(zhǔn)確。
通過對不同目的層使用組合高精度速度建模技術(shù)的研究及實(shí)際處理應(yīng)用,可以得出以下結(jié)論:
1)組合高精度速度建模技術(shù)的有效使用可以同時兼顧項(xiàng)目運(yùn)行周期和速度建模精度兩方面要求,在大幅提高建模效率的同時,可相應(yīng)地提高速度建模精度。本文提出的方法可在地震數(shù)據(jù)處理中廣泛使用。
2)對于淺層以水平層為主的區(qū)域,使用網(wǎng)格層析速度建模方法,經(jīng)過2~3輪反演更新,可以較快速地得到精度較高的速度模型;對于中深層潛山構(gòu)造區(qū),使用非線性反演方法,迭代收斂的速度更快,速度模型更加精確、穩(wěn)定,有利于提高潛山構(gòu)造成像精度;對于潛山內(nèi)幕及基底下成像,使用速度掃描的立體層析方法,綜合考慮井速度和成像剖面,可以獲得合適的背景速度。