低信噪比、復雜地質條件下地震成像因素分析

張志立，焦艷艷，曾 梅

中國石油化工股份有限公司華東分公司物探研究院,江蘇 南京 210002

近年來，疊前偏移技術作為解決復雜構造成像的有效手段越來越多的受到人們的關注，隨著我國陸上勘探開發已經到了中后階段，勘探難度加大，資料處理日趨復雜，對地震資料的成像要求也隨之提高[1]。常規的疊后地震偏移以及疊前時間偏移已不能滿足精細構造成像和儲層描述的要求。疊前深度偏移在這方面有著不可替代的作用，基于射線理論的Kichhoff積分法疊前深度偏移在目前工業生產中應用廣泛，主要優點在于計算效率高，便于目標處理，對陡傾角地層較為適應，以及對不規則采集數據的適應能力，使得它在三維疊前深度偏移應用領域一直占據主導地位，且與其匹配的偏移速度分析方法也比較成熟[2-4]。

1 方法原理

Kirchhoff積分法是以“繞射最大凸度曲線”的概念為基礎建立起來的疊前深度偏移方法。它建立在波動方程Kirchhoff積分解的基礎上，把Kirchhoff積分中的格林函數用它的高頻近似解來替代。主要由兩部分組成，旅行時計算和Kirchhoff積分。Keho等人提出的基于傍軸射線追蹤技術的非遞歸Kirchhoff疊前偏移方法，是Kirchhoff積分的疊前偏移的算法原型。該方法將地表的地震記錄直接延拓至成像點，其核心是復雜介質中的以費馬原理為基礎的旅行時計算[5]。

Kirchhoff疊前深度偏移成像的理論為聲學標量波動方程

式中，U為地震波場； v(x,y,z)為介質速度。

標量波動方程的克希霍夫積分解：

給出了瞬時時間t在點(x,y,z)以速度v(x,y,z)在介質中傳播的壓力波場P(x,y,z,t)。同時克希霍夫解是惠更斯原理的數學表達，惠更斯原理是：時間t+Δt 時的壓力擾動等于時間t時點震源產生的球面波的疊加。為了得到繞射疊前偏移剖面，需要計算出剖面上每個點的繞射曲線，將未偏移剖面中繞射曲線上的每個點的數據都加在一起就得到了在偏移剖面上這個點的值，如果這個點是真正的繞射曲線的頂點，則相加的結果就是與這個點有關的真正能量，如果此處只存在噪音，沿著繞射曲線的正負值基本抵消，則相加得到的結果就很小。實際上繞射疊加偏移將未偏移剖面上的每一小段都認為是繞射的一部分，即將反射層認為是一系列距離很近的繞射點的疊加。

克希霍夫偏移實際中應用的方程（2）積分解得離散形式

式中， Δx和Δy 分別為縱測線和橫測線的道間距；

為在一個區域孔徑A內輸入波場 ）

的偏移輸出。

克希霍夫積分要求：（1）計算通過三維空間變速介質的非零偏移距旅行時；（2）基于標量波動方程克希霍夫積分解，沿著計算的旅行時軌跡比例振幅并求和。求和前的振幅比例包括傾斜因子cosθ 、球面擴散因子 1/vr、振幅和相位校正的應用，它由導數算子所隱含，而且對于任何偏移，輸入數據沿x和y方向的采樣不足需要通過一個合適的去假頻濾波器來補償。在運用克希霍夫積分法進行三維疊前深度偏移時，旅行時的計算給數值精確性和有效性提出了挑戰。

我們從克希霍夫解可以看出一致性的能量、提高信噪比以及面元均一化是對成像是如此的重要，同時從克希霍夫積分要求里也可以看出旅行時的計算速度的準確性是成像精確與否的關鍵因素。

2 影響成像效果的幾個因素分析及解決辦法

2.1 能量歸一化處理

疊前偏移要求常規處理的道集數據能量一致性相對較高，為了保證最終疊前偏移的處理效果，我們進行了能量一致性的處理這種方式可以消除震源能量差異、檢波器耦合差異及能量衰減對反射波振幅的影響，保持了地震波振幅能量的相對強弱關系，有利于提高振幅保真度。

2.2 提高信噪比處理

疊前偏移過程，都是直接對單道原始數據進行的。原始道上的任何一個樣點幅值，不管它是信號還是噪聲，都參與運算。因此抗噪性比起疊后偏移方法差的多。因此，疊前偏移算法要求原始資料的信噪比較高，反射信息全面。但是由于受到陸地地表因素以及地下復雜地質構造的影響，原始資料的品質不好，使得疊前成像的效果大打折扣。本次采取“多域分析、多域去噪、先強后弱、多次迭代、循序漸進”的思路，針對噪音的不同特點進行試驗，采取針對性的技術方法，最大限度地壓制噪音提高資料的信噪比，同時要保護有效信號不受損失。

在處理中進行了迭代式處理方法，在進行初次去面波處理（圖1）是將衰減的噪音輸出，并如處理所示將有效信息重新加到原來的數據中進行迭代（圖1-2），最終保證衰減的噪音中盡可能包含更少的有效信息。

2.3 面元均一化處理

疊前偏移算法要求原始資料的觀測方式比較規則，覆蓋次數較高，方位角以及偏移距分布比較均勻。但是由于陸地地表復雜性，采集資料的覆蓋不均勻等，都會導致偏移假頻的產生，影響成像的精度。從本工區的面元覆蓋統計圖上看，由于在高部位，為了提高地震資料的品質而進行的加密炮，導致了覆蓋次數的劇烈變化，這就要求在疊前對數據進行數據規則化，進行了偏移距分組，保證抽取的各個偏移距組不出現空道，在本次處理中每個分組中偏移距為80m共62個分組。為最終的成像效果提供了基礎。

2.4 速度模型的建立

在疊前深度偏移過程中，速度模型建立是最關鍵的環節，隨著偏移成像算法日趨完善，影響偏移效果的主要因素就是速度模型的正確與否。在構造復雜，地震資料的信噪比低的時候建立高精度的速度模型其難度很大，這正是目前需要解決的問題。在實際應用中，我們在考慮實用性的同時研究建立速度模型的技術。主要包含初始速度模型的建立和速度模型的修改與驗證。

圖1 初次去面波處理Fig.1 Initial remove surface wave

圖2 初次衰減掉的噪音后單炮記錄返回數據Fig.2 Return data of single shot record after initial denoising

圖3 去噪效果對比圖Fig.3 Comparisonmap after denoising

由于偏移速度分析就是利用偏移對速度的敏感性，利用偏移成像誤差來修正速度誤差。它們這種相互依賴和影響，使得偏移速度分析成為一個迭代過程。利用由速度誤差引起的偏移成像誤差進一步修正速度模型。評判偏移遮度分析的原則主要源于Claerbout的時間一致成像原理，主要有零時間成像深度與零偏移距成像深度一致準則、共成像點道集拉平準則、等旅行時準則。其中共成像點道集拉平準則應用的比較多，借用疊前偏移結果共成像點道集來進行速度分析。從這個角度講，地震成像就是速度估計和偏移這兩個相互依賴的過程。正如上面所述，通過疊前時間偏移建立的速度模型可以作為疊前深度偏移的初始速度模型。但最好的時間偏移速度未必是最好的疊前深度偏移速度，疊前時間偏移速度是一個非常平滑的長波場速度，因此需借助疊前深度偏移求取適于深度偏移的短波場層速度。

圖4 疊前時間偏移和疊前深度偏移速度分析道集和速度譜Fig. 4 Velocity analysis gathers and velocity spectrum of pre-stack timemigration and pre-stack depthmigration

圖5 依次為最終疊前時間偏移速度場、第一次疊前深度偏移速度場、最終疊前深度偏移速度場Fig.5 Followed by fi nal pre-stack timemigration velocity fi eld, fi rst pre-stack depthmigration velocity fi eld, fi nal pre-stack depthmigration velocity fi eld

圖4為疊前時間偏移道集及速度譜和疊前深度偏移道集及速度譜對比，從道集上來看，疊前深度偏移道集上信息更加豐富，同相軸更加清楚，表現在速度譜上能量比較強。用這個深度道集經過多次分析，用分析好的速度再去進行深度偏移，直到在深度偏移道集上沒有剩余時差，同相軸拉平。圖5是迭代后最終的速度場在不同深度的顯示，比起初始速度場，這個速度場增加了更多細節的刻畫。

從效果來看 (圖6)：①最終的成果資料主要目的層反射同相軸連續性更好，反射特征更加穩定，較好地落實了某某等構造，斷裂帶大斷層和小斷層的位置及產狀特征，明確了斷層兩翼波組的對應特征。該成果資料結構清楚、全區易于解釋，有利于該地區構造—巖性圈閉的精確描述。②本次疊前深度偏移處理的成果剖面較好地獲得了各反射層信息，反射背景干凈，波形自然，相位連續，波組能量特征穩定。斷層斷面成像清晰，斷點干脆，斷面兩側波組關系對應好，與地層的接觸關系清楚，小斷距斷層的成像也十分清晰，波組錯斷明顯，解釋的多解性少，該地震資料相比于以往成果資料的品質有了明顯的提高。③高精度疊前深度偏移處理技術具有較好的振幅保真性，成果資料振幅的變化符合地下巖性變化的特征，整體上資料的信噪比和分辨率都較高，尤其是目的層阜寧組波組特征較好，層間信息豐富。剖面上地層超覆、剝蝕、尖滅等地質現象成像清晰，滿足了對小斷層、小斷距地質現象的識別和判斷。

圖6 疊前時間偏移和疊前深部偏移效果對比圖Fig.6 Comparisonmap of pre-stack timemigration and pre-stack depthmigration

3 結論

基于射線理論的Kichhoff積分法疊前深度偏移在目前工業生產中應用廣泛，主要優點在于計算效率高，便于目標處理，對陡傾角地層較為適應，以及對不規則采集數據的適應能力，使得它三維疊前深度偏移應用領域一直占據主導地位，且與其匹配的偏移速度分析方法也比較成熟。但它固有的缺點是成像精度低、容易產生假頻、振幅不保真以及多路徑問題。

與Kichhoff疊前深度偏移相比，波動方程疊前深度偏移不用考慮走時和振幅，通過波場延拓來實現，其成像精度高，振幅保真。今后的疊前偏移成像技術將朝著保幅偏移算法研究、速度估計、速度模型建立和可視化方法研究；彈性波(或轉換波)波動方程偏移方法研究三個方向發展。由于偏移成像結果要用于AV0、AVA等屬性分析，速度估計及巖石物性研究，要求必須進行遵從地震波傳播規律的保幅偏移成像，預計進行波動方程的逆時偏移后其效果更加理想。

[1] 潘宏勛，方伍寶.地震速度分析方法綜述[J]，勘探地球物理進展，2006，29（5）:325-333.

[2] 胡 英，張 研，陳立康.速度建模的影響因素與技術對策[J]，石油物探，2006（9）:503-507.

[3] 羅銀河，劉江平，董橋梁，等.Kirchhoff 彎曲射線疊前時間偏移及應用[J]，天然氣工業，2005（8）:35-37.

[4] 羅銀河，劉江平，俞國柱.疊前深度偏移述評[J]，物探與化探,2004，28（6）:540-545.

[5] 陳志德，劉振寬，李成斌.高精度克希霍夫疊前深度偏移及并行實現[J].大慶石油地質與開發，2001，20（3）:64-66.