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叠前深度偏移速度建模方法分析

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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 2014年8月第49卷第4期北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院物探系,102249。Email:cup_mayanyan@163.com本文于2013年5月4日收到,最终修改稿于同年6月24日收到。本项研究受国家自然科学基金课题(41174117)及国家重大科技专项(2011ZX05031001)联合资助。·偏移成像·文章编号:10007210(2014)04068707叠前深度偏移速度建模方法分析马彦彦①李国发①张星宇②田纳新③祝文亮④翟桐立④(①中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;②中海石油南海东部公司,广东广州510240;③中国石化勘探开发研究院,北京100083;④中国石油大港油田分公司,天津300280)马彦彦,李国发,张星宇,田纳新,祝文亮,翟桐立.叠前深度偏移速度建模方法分析.石油地球物理勘探,2014,49(4):687693.摘要基于层位的层析反演和基于网格的层析反演是实际地震资料叠前深度偏移的两种主要速度建模方法。根据歧口凹陷典型地质模型及其正演模拟的地震波场,对两种速度建模方法进行了实验分析。实验结果表明:基于层位的层析反演方法具有较高的稳定性,但只能得到速度模型的低频分量;基于网格的层析反演方法可以获得速度场的高频分量,但受初始模型的影响较大,不容易收敛到实际速度模型。为此联合应用两种方法,即先利用基于层位的层析反演方法获得速度场的低频分量,再利用基于网格的层析反演方法获得速度场的高频分量,这样能够提高速度模型精度,改善叠前深度偏移的成像质量。关键词层位层析网格层析速度模型叠前深度偏移中图分类号:P631  文献标识码:A1 引言由于考虑了射线偏折和薄透镜项的影响,叠前深度偏移成为现今复杂构造成像最具前景的技术方法。地震资料品质、偏移方法和速度模型是影响叠前深度偏移成像效果的三个主要因素[1]。就地震资料品质而言,随着野外采集设备和采集方法的不断进步,地震资料在炮检距、方位角、信噪比等方面基本可以满足叠前深度偏移对地震资料品质的要求[2]。就地震数据偏移方法而言,叠前深度偏移是勘查地球物理学科最为活跃的研究领域,从基尔霍夫叠前深度偏移、波动方程叠前深度偏移到高斯束叠前偏移和逆时叠前深度偏移,众多学者对偏移方法进行了深入系统的研究,为复杂构造成像提供并储备了比较完备的技术和方法[3~5]。速度建模方法研究也是一个比较活跃的研究领域,从早期叠加速度分析和迪克斯公式转换,到基于倾角时差校正和叠前时间偏移的均方根速度分析[6],再到基于层析理论的叠前深度偏移速度建模[7],直至目前的全波形速度反演[8,9],地震速度问题的研究取得了长足进展。但是,就目前工业界的应用现状而言,在叠前深度偏移的上述三个影响要素中,速度建模依然是最为薄弱的技术环节,已经成为制约叠前深度偏移应用效果的技术瓶颈[10]。在面向三维地震资料的全波形速度反演技术走向大规模工业化应用之前,基于层析反演理论的叠前深度偏移速度建模方法仍将是工业界速度建模的主流技术。为考察和提高该技术在复杂构造成像中的应用效果,依据歧口凹陷的典型地质模型及其正演波场,利用Geodepth叠前深度偏移和速度建模软件,对基于层析反演理论的速度建模方法进行实验分析,得出了对实际应用具有较大参考价值的结论和认识。2 歧口凹陷典型地质模型及其正演模拟经历多期构造运动的剧烈改造,歧口凹陷具有非常复杂的构造特征。图1是结合地震、地质和测 688  石油地球物理勘探2014年图1 歧口凹陷典型地质模型(CDP范围为1000~2099)井数据建立的歧口凹陷典型地质模型,该模型横向上有1100个CDP,CDP间距为10m,横向范围为11000m,最大深度为6000m。模型中发育有多套不同期次、不同级别的断裂系统,在以碎屑岩为主的沉积体系中,还夹持有少量的火成岩和石膏层。在4000m左右深度上模拟了碳酸盐岩潜山顶面的复杂形态,尽管歧口凹陷的碳酸盐岩储层不具备塔里木油田碳酸盐岩储层的典型缝洞结构,但为了考察叠前深度偏移的成像质量和聚焦性能,在碳酸盐岩潜山面之下,设计了少量灰岩溶洞。在模型最下方的4700m左右的深度上,设计一个水平薄层,此薄层没有实际地质意义,只是为了考察成像质量和保幅性能而设计的假想地层。该薄层的厚度和速度在横向上均有变化,其反射振幅也应该产生相应的横向变化,易于考察成像结果的保幅性能。由于目前的偏移方法多为声波方程偏移,同时也为回避弹性波模拟产生的波场分离等因素的影响,所以采用下面的声波方程对叠前波场进行正演模拟,即狆狋=-犓狏狓狓+狏狕()狕狏狓狋=-1ρ狆狓狏狕狋=-1ρ狆烅烄烆狕(1)图2 模拟的共炮点道集 第49卷第4期马彦彦等:叠前深度偏移速度建模方法分析689   其中:狓为水平方向的坐标;狕为垂直方向的坐标;ρ为介质密度;犓为弹性模量;狆是压力波场;狏狓,狏狕是质点速度的两个分量。弹性模量与纵波速度的关系为犓=ρ狏2(2)为避免边界效应对模拟波场的影响,同时也为了保证整个模型都获得满覆盖次数,在实际模拟时,将模型向两侧分别延伸10000m(1000个CDP)。波场模拟采用的主要参数:激发子波是主频为30Hz的零相位雷克子波,中间放炮,双边接收,接收道数为401道,道间距为20m,炮间距为40m,最大炮检距为4000m,采样间隔为2ms,记录长度为6s,共模拟750炮,覆盖次数为100次。图2为正演模拟的两个共炮点道集,除了缺少背景噪声外,所模拟的地震波场和歧口凹陷的实际单炮记录具有较高的相似性。图3是利用实际速度模型进行基尔霍夫叠前深度偏移的结果,成像结果较好地反映了地质模型的构造特征。图3 利用实际速度模型进行基尔霍夫叠前深度偏移的结果3 两种层析反演速度建模方法实验分析有两种层析反演速度建模方法:一种是基于层位层析的速度建模方法;另一种是基于网格层析的速度建模方法。前者是在叠前深度偏移剖面上进行层位解释,并进行沿层速度分析,再通过层析反演迭代修改速度—深度模型[11]。该方法允许速度模型在两个相邻解释层位之间横向上速度可以变化,但纵向上速度不能变化,因此,只能得到速度场的低频分量,其精度依赖于层位解释的个数。后者是一种无层位约束的层析反演方法,它通过在CRP道集上自动拾取剩余时差对速度模型进行更新和修改[12]。由于没有层位约束,其速度模型在横向和纵向上均可变速,具有获得速度场高频分量的潜在能力。但是,如其他的非线性最优化问题一样,该方法受局部极值问题的困扰,对初始模型依赖较大,不容易收敛到实际速度模型。图4是叠前时间偏移速度经过迪克斯公式转换再经过适度平滑之后,得到的深度域初始速度模型及其基尔霍夫叠前深度偏移的结果,成像结果与模型结构具有很大差异。图5是层位层析反演迭代5次之后的速度模型及其基尔霍夫叠前深度偏移的结果,该速度模型在相邻解释层位之间速度纵向不变,其结构和形态与实际速度模型差异较大,只能近似代表实际速度场的低频趋势,尽管如此,其成像结果依然比较理想。该实验至少得到两个基本认识:一是基于层位层析的反演方法具有较强的稳定性;二是与速度场的高频分量相比,速度场低频分量对成像结果具有更大的影响。图6是网格层析反演迭代3次后的速度模型及其基尔霍夫叠前深度偏移的结果,速度模型没有层位控制的痕迹,具有较丰富的细节变化。但是,受局部极值问题的影响,该速度模型并没有向实际模型方向收敛,其成像结果与实际地质模型相差很大。该实验表明,对于复杂地质模型,基于网格层析的反 690  石油地球物理勘探2014年图4 初始速度模型(a)及其基尔霍夫叠前深度偏移成像结果(b)图5 层位层析反演的速度模型(a)及其基尔霍夫叠前深度偏移成像结果(b) 第49卷第4期马彦彦等:叠前深度偏移速度建模方法分析691   图6 网格层析反演的速度模型(a)及其基尔霍夫叠前深度偏移成像结果(b)演方法具有高度的非线性和不稳定性,尽管它具有从细节上逼近实际速度模型的潜力和可能性,但受初始模型和局部极值问题的影响,在实际应用中很难收敛到实际速度模型。4 两种速度建模方法联合应用基于层位层析的反演方法具有较强的稳定性,但受层位解释数目的限制,只能得到速度场的低频分量。基于网格层析的反演方法可以对所有网格上的速度进行修正和更新,具有对速度模型高频分量进行更新的技术潜力,但对初始模型具有很强的依赖性,稳定性较差。两种方法具有明显的优势互补特征,可以考虑进行两种速度建模方法的联合应用。图7是在层位层析反演之后再进行网格层析反演得到的速度模型及其基尔霍夫叠前深度偏移的结果。在层位层析反演的速度框架和低频背景下,网格层析引入了更多的模型细节变化。就联合反演之后的模型细节与图1所示的实际速度模型进行对比可以看出,这些高频细节具有明显的地质含义,是实际速度场高频分量的近似反映。从图7所示的成像结果也可以看出,两种方法联合应用之后,成像质量得到了进一步改善,断裂系统更加清晰,缝洞反射更加聚焦和收敛。下面对联合反演速度模型的保幅性能进行定量分析。地质模型最下面4700m深度附近是一套为考察保幅性能而设计的厚度和速度横向变化的薄层,其反射振幅在横向上也发生变化,并作为解释过程中识别储层厚度和物性的重要标志。图8为不同速度模型成像结果在该层振幅曲线的对比。可以看出,尽管层位层析成像结果的振幅曲线与实际模型成像结果的振幅曲线在整体形态上具有较高的一致性,但两条曲线在幅度和位置上存在一定差异。联合反演之后的振幅曲线在幅度和位置上更加逼近实际速度模型的振幅曲线,表明成像精度和保幅性得到了进一步改善。图9是在CRP道集上的对比情况,图中从左至右依次是基于层位层析速度模型的CRP道集、联合反演速度模型的CRP道集和实际速度模型的CRP 692  石油地球物理勘探2014年道集,道集上的红色虚线和黄色虚线分别是层位解释的两个控制层位。从图9a可以看出,层位层析反演方法以校平(相干性最大)CRP道集上解释层位所在深度的同相轴为目标,因此在两个虚线所对应的解释层位上,CRP道集反射同相轴得到了很好的校正。但是,由于两个解释层位之间的速度被限定为常数,无法反映层内速度的纵向变化,因此CRP道集上两个解释层位之间的同相轴不能得到准确校正,存在一定的剩余时差,不仅影响了成像质量和聚焦性能,也降低了AVO分析和叠前反演的精度。图9b是联合反演速度模型对应的CRP道集,由于在层位层析的速度框架下,引入了层间速度的纵向变化,CRP道集上各个深度的反射同相轴都得到了较好校正,尽管与图9c所示的实际速度模型对应的CRP道集还有一定的差异,但整体效果有了较大程度的改进。图7 联合反演速度模型(a)及其基尔霍夫叠前深度偏移成像结果(b)图8 层位层析速度模型(红色)、联合反演速度模型(蓝色)和实际速度模型(绿色)成像结果的反射振幅对比 第49卷第4期马彦彦等:叠前深度偏移速度建模方法分析693   图9 层位层析速度模型(a)、联合反演速度模型(b)和实际速度模型(c)CRP道集对比5 结论(1)对歧口凹陷典型地质模型而言,在速度场完全准确的情况下,应用基尔霍夫叠前深度偏移能取得比较理想的成像结果;(2)相对于速度场的高频分量,速度场低频分量对成像质量具有更大影响;(3)基于层位层析的速度建模方法能够得到速度场的低频分量,成像结果具有较高的稳定性;(4)虽然基于网格层析的速度建模方法在理论上具有获得更详细速度模型的技术潜力,但该方法对初始模型具有较强的依赖性,很难收敛到实际速度模型;(5)先利用基于层位层析的反演方法得到速度模型的低频分量,再利用基于网格层析的反演方法修正和更新速度模型的高频细节,两种方法联合应用可以提高成像精度和保幅性能。参考文献[1]LiGuofa,CaoMingqiangandZhouHui.Effectsofnearsurfaceabsorptiononthereflectioncharacteristicsofcontinentalinterbeddedstrata:theDagangOillfieldasanexample.ActaGeologicaSinica,2010,84(5):13061314.[2]张翊孟,刘秋林,张永科.地震资料品质定量分析和采集参数优选.石油地球物理勘探,2008,43(增刊2):15.ZhangYimeng,LiuQiulinandZhangYongke.Quantitativeanalysisofseismicdataqualityandoptimizationofacquisitionparameters.OGP,2008,43(S2):15.[3]HillNR.PrestackGaussianbeamdepthmigration.Geophysics,2001,66(4):12401250.[4]GazdagJ.Waveequationmigrationwiththephaseshiftmethod.Geophysics,1978,43(7):13421351.[5]BaysalE,KosloffDDandSherwoodJWC.Reversetimemigration.Geophysics,1983,48(11):15141524.[6]DixCH.Seismicvelocitiesfromsurfacemeasurements.Geophysics,1955,20(1):6886.[7]KosloffD,SherwoodJ,KorenZetal.Velocityandinterfacedepthdeterminationbytomographyofdepthmigratedgathers.Geophysics,1996,61(5):15111523.[8]VirieuxJandOpertoS.Anoverviewoffullwaveforminversioninexplorationgeophysics.Geophysics,2009,74(6):WCC1WCC26.[9]PrattRG.Seismicwaveforminversioninthefrequencydomain,Part1:Theoryandverificationinaphysicalscalemodel.Geophysics,1999,64(3):888901.[10]LiGuofa,XiongJinliang,ZhouHuietal.Seismicreflectioncharacteristicsoffluvialsandandshaleinterbeddedlayers.AppliedGeophysics,2008,5(3):219229.[11]KosloffDDandSudmanY.Uncertaintyindeterminingintervalvelocitiesfromsurfacereflectionseismicdata.Geophysics,2002,67(3):952963.[12]KosloffDD,ZackhemUIandKorenZ.Subsurfacevelocitydeterminationbygridtomographyofdepthmigratedgathers.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts,1997,16:18151818.(本文编辑:刘英)作者简介马彦彦博士研究生,1983年生;2007年毕业于中国石油大学(北京)信息与计算科学专业,获学士学位;2011年毕业于中国石油大学(北京)地球探测与信息技术专业,获硕士学位;现在中国石油大学(北京)攻读地质资源与工程专业博士学位,主要从事地震资料处理及储层预测方面的研究。
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