西昆侖山前巨厚黃土區層析靜校正深化應用及效果分析

陳 猛，魏 巍，刁永波，屈 元，朱亞東，王 鋒

(1.塔里木油田分公司 勘探開發研究院，庫爾勒 841000；2.川慶鉆探工程公司 地球物理勘探公司，成都 610213)

西昆侖山前巨厚黃土區層析靜校正深化應用及效果分析

陳 猛1，魏 巍1，刁永波2*，屈 元2，朱亞東2，王 鋒2

(1.塔里木油田分公司 勘探開發研究院，庫爾勒 841000；2.川慶鉆探工程公司 地球物理勘探公司，成都 610213)

塔西南西昆侖山前帶油氣資源豐富，是近年塔里油田分公司地震勘探主攻區之一。然而，長期以來，由于受西昆侖山前復雜地表地下的地震地質條件影響，該區地震資料成像效果較差，難以滿足地質勘探需要。在眾多影響地震資料成像效果的因素中，西昆侖山前普遍存在的巨厚黃土及劇烈的地表起伏使得該區靜校正問題尤為突出，為后期去噪、速度分析和偏移成像處理帶來不利影響，是導致該區地震資料成像較差的主要原因之一。這里基于波動方程正演模擬結合地震勘探實踐，分析了西昆侖山前帶靜校正問題產生的主要原因，從而有針對性地提出了以層析靜校正為主的綜合靜校正方法，達到了精細刻畫巨厚黃土層復雜近地表結構的目的。

層析靜校正； 西昆侖山前； 巨厚黃土； 起伏地表； 模擬正演

0 引言

塔西南西昆侖山前區位于塔里木板塊西南，毗鄰青藏高原西北部的帕米爾-西昆侖造山帶，包括塔西南前陸坳陷盆地和山前帶[1]。

西昆侖山前帶油氣資源豐富，然而黃土塬地震勘探是一個世界性難題，國內、外雖進行過大量研究，但進展有限[2]。西昆侖山前帶發育的巨厚黃土、礫石層以及復雜的地表地下結構，導致了地震波散射、衰減嚴重，反射波場雜亂，資料信噪比低。造成地震資料品質極端低下，給正確認識山前沖斷帶結構造成了困難[3]。尤其是鹽下層可靠的反射信息更少，難以準確落實構造形態，嚴重制約了西昆侖山前帶的油氣勘探進程[4]。

近年來，塔里木油田分公司在該區進行了地震勘探的持續攻關，采集方法從傳統的二維單線采集發展為寬線采集，再到高密度寬線采集，進而發展到束狀三維以及寬方位三維采集。隨著采集參數地不斷強化以及針對于該區的處理解釋技術的不斷成熟，西昆侖山前帶的地震資料成像品質逐步得到提升。然而，受西昆侖山前巨厚黃土層以及劇烈起伏的近地表所引起的靜校正問題，仍然是該區地震資料成像處理面臨的一大挑戰。

1 研究區靜校正問題分析及解決思路

靜校正的目的是，消除由于地形和低降速帶變化以及炮點激發深度不同等因素引起的地震波傳播時間的畸變[5]。多年來，靜校正方法的研究和應用一直是地震勘探中需要重點解決的難題。地球物理學家迪克斯[6]曾指出：“解決好靜校正就等于解決了地震勘探中幾乎一半的問題”。近年來，勘探工作者們在西昆侖山前持續的地震成像處理攻關中，總結出了針對巨厚黃土礫石區的一套以層析靜校正為主的綜合靜校正研究方法和思路，并取得了較好的效果。

1.1 起伏地表和黃土礫石引起的靜校正問題

西昆侖山前帶地表高程起伏較大，近地表覆蓋的黃土速度及厚度在縱橫向上分布嚴重不均，是導致該區復雜靜校正問題的兩大主要因素。

圖1為區內柯東三維區塊的數字高程模型圖，從圖1中可以看到，在同一探區內，海拔范圍為1 800 m～2 800 m，局部高差可達800 m。如此劇烈的地表起伏在進行基準面校正時，勢必會引起較大的靜校正量值應用，加上受替換速度影響，時間域處理容易出現成像畸變。

圖1 區內某三維工區數字高程模型Fig.1 In a 3D area digital elevation model

圖2為區內相鄰二維測線的近地表結構模型圖，地表低速帶速度從400 m/s～800 m/s分布，地層厚度最大處達500 m以上，最薄只有10 m，復雜的近地表結構，必然會導致低降速帶靜校正量值出現較大的中高頻抖動，資料處理過程中，容易產生中長波靜校正問題。

圖2 區內相鄰二維寬線近地表模型Fig.2 Near surface model of a two dimensional wide line in the region

為近一步驗證西昆侖山前帶近地表結構對靜校正的影響，采用基于聲學方程的模型正演進行對比分析。速度模型依據區內柯東某測線建立，近地表低降速帶厚度以實際調查結果而來(圖3)，模型局部高差達到300 m，對比近地表高速填充(2 500 m/s)與低速填充(400 m/s～800 m/s)正演單炮效果。從圖4可以看出，近地表模型填充速度為低速時的正演單炮，較高速填充的正演單炮初至抖動明顯劇烈。不僅如此，由于受近地表巨厚低速黃土層的吸收、衰減作用，低速填充正演單炮資料信噪比大幅降低，幾乎難見有效反射，與該地區實際采集資料較為吻合。通過圖4(a)、圖4(b)對比可見，在討論區山前帶巨厚低降速黃土層靜校正影響因素中，近地表復雜的低速帶結構對資料的影響要大于高程的局部起伏帶來的影響。因此，在處理塔西南巨厚黃土礫石區靜校正問題中，應該更加注意對低降速層近地表結構的刻畫和分析，從而合理地進行靜校正量值的計算。

圖3 正演模型表層低降速帶結構Fig.3 Forward model for the low down and down speed zone structure of the model

1.2 采集方法強化導致靜校正問題復雜化

近年在西昆侖山前進行的地震勘探中，為壓制側面及隨機干擾，增加覆蓋次數，提高資料信噪比，常以寬線加大組合(多串檢波器較大組合基距埋置)的采集方式為主；為接收廣角反射信息而采用的大偏移距采集方式也應運而生[6]。不可否認，上述采集方案的運用，在高陡構造的山地地震資料采集中取得了較好的效果。但隨之而來的卻對室內精細的靜校正處理帶來新的挑戰，主要體現在：

圖4 近地表不同填充速度的正演單炮Fig.4 Forward modling shot record with different replacement velocity near the surface(a)高速填充；(b)低速填充

1)寬線采集使炮線與接收線距增加(最大間距達120 m以上)，在室內資料處理過程中一般使用橫向大面元方式進行疊加，位于同一面元內的炮檢點分配相同的一致性靜校正量值，從而導致靜校正模糊化；大組合接收存在同樣的問題，即從面上獲得的地震信息使用點上的靜校正量值，這種模糊化的靜校正應用在低降速帶巨厚及橫向分布不均的近地表條件下，是不合理的。

2)較高的覆蓋次數(500次以上)，有利于剖面信噪比的提高 ，但是在后期進行地表一致性剩余靜校正計算時，卻會導致靜校正量分解困難，最終形成的地表一致性靜校正量值較小，難以進行有效的疊加成像迭代。

3)不論是基于模型的基礎靜校正量計算，還是后期的地表一致性的剩余靜校正計算，都是基于地表一致性假設的，即每一個物理點享有唯一的靜校正量值。然而，如果同一物理點在近偏移距和遠偏移距使用同一靜校正量值，會使真實的走時產生畸變，這種畸變隨偏移距的增加而凸顯，最終導致速度及成像誤差增大，即產生中長波長靜校正問題。排列過長的大偏移距接收在地形起伏較大的山地地表情況下，會使得其與靜校正的地表一致性假設矛盾加劇。

1.3 西昆侖山前靜校正問題帶來的啟示

綜上所述，面對近年來西昆侖山前采集參數的不斷強化，需要配套的靜校正手段進行相應處理，在以提高成像信噪比為第一前提下，還要充分考慮如何保證靜校正計算的合理性，從而保證成像誤差可控。

當前折射靜校正與層析靜校正，是地震資料處理中最常用的兩種靜校正方法。折射靜校正適合近地表存在穩定的折射層，表層速度和厚度縱橫向變化不太劇烈的地區，而層析靜校正在算法上較前者復雜許多，適合地形起伏較大，近地表結構復雜，速度變化劇烈的地區。因而，它更能夠解決因速度橫向劇烈變化和速度倒轉引起的靜校正問題[7]，該方法能夠直接利用實際地震記錄的初至時間，傳播距離短，信噪比高、畸變小，易于識別[8]。西昆侖山前帶的原始地震資料信噪比極低，但是初至波旅行時卻可以相對較為準確地拾取，根據地表第四系地層的沉積機理可知，區內近地表低降速帶受緩慢壓實作用影響，縱、橫向上速度呈漸變趨勢，即近地表結構屬于連續介質，初至波符合回折波傳播原理，通過拾取初至波旅行時進行層析反演，進而刻畫近地表結構，是較為實用可行的。折射靜校正由于自身的局限性，顯然不能很好適應西昆侖山前帶的復雜近地表結構。

針對西昆侖山前帶資料特點，總結出一套針對性的綜合靜校正處理思路，解決巨厚黃土礫石區的山前高精度靜校正處理顯得十分必要(圖5)，這里將著重對層析靜校正技術的深化應用進行論述。

圖5 塔西南巨厚黃土區綜合靜校正思路Fig.5 Comprehensive static correction of the Loess area in the southwest of Tarim basin

2 高精度層析反演近地表建模思路

2.1 初至波層析反演的基本原理

初至波表層模型層析反演的原理，是利用地震波射線的走時和路徑反演介質速度結構的一種高精度反演方法[9]。因此，在反演中所利用的地震波類型決定了對反演模型的適應性。在任意表層模型反演中，初至波包括直達波、回折波、折射波以及幾種波組合后首先到達地表的波。由于直達波主要體現了均勻介質模型，回折波主要體現連續介質模型，而折射波主要體現層狀介質模型，通過三者的組合以及層析法對介質橫向變化的適應性[9]，從而使得該方法適應任意表層模型的反演問題。

初至波表層模型層析反演首先是將一個非線性問題簡化為一個線性方程組,如式(1)所示，然后用迭代逼近的方法求解。

AΔV=ΔT

(1)

式中:ΔT為m維初至波初至時間與模型正演初至波走時的差值列向量；ΔV為n維模型參數修改量列向量；A為m×n維與射線路徑及模型參數有關的矩陣,也稱為微分系數矩陣。式( 1)可寫成如下的分量形式

Δti=aijΔvj

(2)

式中微分系數矩陣為

(3)

初至波層析反演的基本步驟為：

1)初至波旅行時的精確拾取。

2)建立初始模型，進行正演旅行時生成。

3)反演計算，計算計算旅行時與實際旅行時之差，進行模型修正。

4)重復步驟2、3，對初始模型進行迭代修正，直至擬合差符合要求。

5)計算模型靜校正量。

影響層析反演質量的主要因素有：①野外空間采樣密度；②初始模型的合理性；③計算網格大小等。經過多年的實踐，在該區采用了一套針對性的層析反演方法進行精細的近地表建模及基礎靜校正量計算，取得了一定效果。

2.2 擬三維層析反演

擬三維層析反演主要針對寬線資料處理。圖6為該區典型的3炮2線的寬線采集觀測系統，兩條炮線最大相距達120 m。如果使用常規的二維方式進行層析反演，將忽略低速帶及高程橫向變化帶來的影響，將處于橫向同一大面元的炮檢點歸入單獨一個點進行計算，反演精度必然受到影響。使用三維層析反演方式建立針對寬線的初始層析模型進行反演計算，可以較好地解決這個問題。具體做法是，縱向面元尺寸不變，定義一個小于最小線距的數值為橫向面元尺寸，建立矩陣方程進行擬三維層析迭代計算。

圖6 區內典型寬線觀測系統圖示Fig.6 A typical wide line geometry

圖7為常規二維方式進行層析反演求取的近地表模型，圖8為三維小面元方式求取的近地表模型。對比圖7、圖8可以看出，三維層析反演模型精細地刻畫出了縱、橫向方向的低降速變化規律。理論上講，通過三維模型進行低速帶剝離計算靜校正更為合理。從圖9(a)、圖9(b)對比看，三維反演計算的靜校正量應用于水平疊加成像效果要優于二維。

圖7 對寬線進行常規二維方式層析反演的近地表模型Fig.7 A near surface model for the conventional two dimensional tomography inversion is carried out

2.3 區域連片層析建模

區域連片層析建模主要是針對二維測線的層析反演，主測線與聯絡線方向在擬合計算上存在差異，往往會導致反演模型在交結點位置出現厚度及速度的差異，最終應用校正量會引起剖面不閉合的問題。

在對區內多條二維測線進行層析反演后，將反演模型統一測網進行修正，使交點位置的速度模型結構趨于一致，然后進行連片的靜校正值計算，最終可以較好地解決二維測網存在閉合差的問題(圖10)。

圖8 對寬線進行擬三維方式層析反演的近地表模型反演的近地表模型Fig.8 Near surface model for the quasi three dimensional model of the wide line(a)二維展示；(b)三維展示

圖9 寬線二、三維方式層析反演靜校正量應用疊加對比反演的近地表模型Fig.9 Comparison between the static correction and the application of the static correction by the wide line two and three dimensional method(a)二維方式；(b)三維方式

圖10 區域連片層析建模Fig.10 Area contiguous tomographic modeling

2.4 低速測井資料約束的層析反演建模

由于受空間采樣的限制，近地表的低速特征通過傳統的層析反演難以精細刻畫，近地表速度普遍比實際偏高。研究區內有較多的微測井、小折射等低降速帶調查成果資料，這些資料是控制地表以下0 m～50 m范圍內低速帶特征的最直觀最可靠的資料。因此，在建立初至波層析反演的初始模型時，利用這些低速測井成果進行約束建模，對淺近地表的速度及厚度特征進行有效控制，能夠保證層析反演更為有效的收斂迭代。

圖11為直接使用大炮初至進行層析反演后的表層模型(未約束)與使用低速測井成果進行約束層析反演后的表層模型(井約束)示意圖。對比圖11(a)、圖11(b)可以看出，約束后的淺近地表的低降速帶信息更為豐富，與地層實際速度分布更吻合，所建反演模型更為準確合理。通過對比圖12(a)、圖12(b)可以看出，有井約束的剖面成像效果更好。

2.5 高精度層析反演

由式(1)可以知道，建立層析反演初始模型時，初始模型網格的尺寸影響反演模型的細節豐富程度?？s小野外采集道距，從而增加初至旅行時空間采樣密度，可以豐富的旅行時參與層析反演的擬合迭代計算，便于快速收斂，同時更利于精細刻畫近地表的低速特征。

2.5.1 小道距層析調查

近年來，在該區試驗性地采集了多條單點小道距(10 m道距)的層析調查資料，以期通過對高空間采樣密度的旅行時進行層析反演獲得精細可靠的近地表模型，同常規大炮初至(30 m道距為主)層析反演對比，小道距層析模型刻畫出近地表更為豐富的低降速細節特征(圖13)，利于更精細的靜校正量值計算。

圖11 低速測井資料約束的層析反演對比圖Fig.11 Contrast chart of constrained tomography inversion of low velocity log data(a)井約束；(b)未約束

圖12 使用低速測井資料約束反演疊加效果對比Fig.12 Comparison of the effect of constrained inversion with low velocity log data(a)未約束；(b)井約束

圖13 不同道距的層析反演模型對比Fig.13 Comparison of different models of different trace spacing(a)10 m道距；(b)30 m道距

2.5.2 小網格層析反演

小道距層析要求在大炮采集線的同樣位置重新布設炮檢點進行采集，增加了野外生產成本，特別是針對三維工區的表層調查，如果大面積使用小道距層析調查方式進行采集，而獲得的成像效果改善有限，性價比不高，可操作性不強。

在實際生產應用中，層析反演面元按經驗通常定為道距的一半。實際上，根據層析反演的算法可知，反演網格的尺寸定義越小，對連續介質的速度刻畫越為精細，計算量也就越大。

圖14 50 m道距25 m面元反演層析模型Fig.14 50 m trace spacing inversion tomography model of 25 m cell size

圖15 50 m道距5 m面元反演層析模型Fig.15 50m trace spacing inversion tomography model of 5m cell size

圖14為通過50 m道距采集的初至旅行時反演獲得的層析模型，反演面元為25 m，圖15為50 m道距5 m面元反演模型，圖16為10 m道距5 m面元反演模型。對比圖14～圖16可以看出，即使是較大的空間采樣，使用較小的面元進行反演計算，仍能獲得與較小道距采樣的較為近似的效果，甚至于反演迭代收斂度也基本吻合(圖17)，這種吻合表示兩者反演效果基本接近。計算的模型靜校正量應用于單炮初至時(圖18)，小面元反演效果明顯要優于大面元反演，初至校正后更為光滑。

圖16 10 m道距5 m面元反演層析模型Fig.16 10 m trace spacing inversion tomography model of 5m cell size

圖17 不同反演方式的迭代收斂度對比Fig.17 Iterative convergence of different inversion methods

隨著計算機運算能力的增強，使得較小面元的層析反演計算能順利完成，結合本區大量的寬線采集資料(以30 m道距為主)，三維資料觀測面元也較大(25 m×25 m)，使用較小面元的初始模型進行層析反演，既能較大程度地降低地震采集成本，又能充分挖掘現有資料的潛力，利于該區精細的近地表建模。

圖18 不同面元層析反演計算靜校正單炮應用效果對比Fig.18 Comparison of the effect of different cell size tomographic inversion on the application of static correction(a)原始單炮；(b)25 m面元；(c)5 m面元

3 應用效果分析

綜合以上方法將層析反演進行優化應用，能夠更為精細地對近地表進行刻畫，從而計算出更為合理的基礎靜校正量值。

從區內單炮應用效果看(圖19)，使用優化層析反演后計算靜校正量的單炮初至更為平滑，局部的高頻抖動能夠得到一定控制，從而為后期各項預處理及成像打好資料基礎。

對比圖20、圖21可以看出，在巨厚黃土區內，如果能夠對近地表結構進行更為精細合理地刻畫，計算出靜校正量對于后期成像是有明顯的積極作用。

圖19 優化層析反演方法精細建模求取靜校正量單炮應用效果對比Fig.19 Comparison of the application effect of the seismic record between optimization and non optimization tomographic inversion(a)原始單炮；(b)常規層析靜校正量應用后單炮；(c)優化層析建模靜校正量應用單炮

圖20 常規層析反演計算基礎靜校正量應用后疊加剖面Fig.20 Profile of conventional tomographic inversion for the application of static correction

圖21 綜合優化層析反演方法后計算基礎靜校正量后疊加剖面Fig.21 A comprehensive optimization method for the calculation of the superimposed profile after static correction

4 結論與認識

西昆侖山前帶前期基礎靜校正的求取，主要依賴于對近地表結構的精細刻畫，尤其是在巨厚黃土礫石層的靜校正處理中，速度縱、橫向變化較大的復雜近地表條件下,層析靜校正是切實可以行的靜校正方法。

1)針對厚黃土區近地表的精細建模，是該區解決靜校正問題的基礎。在資料信噪比不高情況下，利用配套的高精度層析反演技術，能較為準確地對近地表結構進行刻畫。

2)在現有資料條件下，層析反演應該綜合運用微測井、小折射等低速測井資料，有助于更為精細的反演計算，從而獲得較為合理的靜校正量值。

3)小面元、小道距層析反演將是高精度層析反演發展的一個方向，在野外空間采樣密度有限的條件下，縮小初始模型的網格尺寸，同樣利于反演精度的提高。

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West Kunlun piedmont thick loess area tomostatics deepen the application and effect analysis

CHEN Meng1,WEI Wei1,DIAO Yong-bo2*,QU Yuan2,ZHU Ya-dong2,WANG Feng2

(1.Tarim Oilfield Company exploration and development Research Institute,Korla 841000，China；2.CCDC Geophysical Company,Chengdu 610213，China)

Rich oil and gas resources in west Kunlun piedmont belt,southwest of Tarim basin,is one of the main seismic exploration area of Tarim oilfield company in recent years.However,due to geological conditions underground complex surface effects and poor seismic imaging area in the west Kunlun piedmont,it is difficult to meet the needs of geological exploration for a long time.Among the many factors affecting the seismic data imaging,the western Kunlun piedmont ubiquitous thick loess and dramatic ups and downs so that the area of surface statics problem is particularly prominent for late denoising,migration velocity analysis and imaging processing adversely affected area is one of the main causes of poor seismic imaging.Based on the wave equation forward modeling of seismic exploration practice combined analysis of the main reasons the west kunlun piedmont zone statics problems,which put forward a comprehensive static correction method based tomostatics,reach fine portray thick the purpose of the near-surface layer of loess complex structure.

tomostatics; west Kunlun piedmont; thick loess; undulating surface; forward modeling

2015-09-30 改回日期：2015-10-23

陳猛(1969-)，男，高級工程師，現從事地震資料處理、變速成圖、工程地質等領域研究,E-mail：chengmen-tlm@petrochina.com.cn。

*通信作者：刁永波(1982-),男，工程師，現主要從事陸上復雜構造低信噪比條件下的地震資料處理成像研究工作,E-mail：diaoyb_wt@cnpc.com.cn。

1001-1749(2016)06-0796-09

P 631.4