柴達木盆地三湖坳陷橫波勘探中的低幅異常消除技術

王海立 鄧志文 黃漢卿 于寶華 尹吳海 馬立新 栗美華

1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司青海物探處 2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院

0 引言

三湖坳陷是柴達木盆地的主力產氣區，迄今已發現了多個含氣構造[1]。受儲層含氣的影響，縱波地震資料在氣區成像精度差，構造難以準確落實。而橫波則不受含氣的影響，對含氣區構造成像具有優勢，但橫波靜校正問題嚴重，“低幅”異常現象發育，與低幅度地質構造相互混淆，難以區分[2-3]。

國內外學者開展了大量關于提高表層模型精度方法的研究工作。秦亞玲等[4]提出了用多項式擬合求取表層速度的思路；羅利等[5]提出了利用反射橫波探測更深地層介質的思路；高厚強等[6]提出了采用分層網格層析迭代，提高表層模型反演精度；彭文和周熙襄[7]提出了利用瑞雷面波調查表層結構的可行性。但是，關于橫波地震勘探中“低幅”異常現象消除的研究并不多。余嘉順等[8]通過模擬低速層導致橫波地震時間剖面上的“低幅”異常，認為在無有效手段對之進行校正的情況下，實施地震測量時應盡可能避開這種地段；還有部分地球物理工作者提出采用高密度橫波表層調查來控制橫波表層結構的變化，進而消除“低幅”異常現象。

為了提高三湖坳陷構造識別、含氣檢測及定量評價方面的精度，中國石油青海油田公司（以下簡稱青海油田）2001年、2006年先后開展了轉換波勘探（PS波），氣云區地震資料成像有所改善。李彥鵬等[9]利用同一接收點X和Z分量存在一定的初至時差，結合近地表縱橫波速度比信息去除低降速帶對橫波的影響，計算橫波的靜校正量取得一定效果；2009年該區首次實施了純橫波（SH波）勘探，實施了一定數量的橫波微測井，布設間距為2～3 km，通過橫波微測井，進行橫波速度建模并計算靜校正量后，橫波剖面中、低頻靜校正問題仍然存在；2018開展了縱橫波雙源勘探，布設了大量橫波微測井，布設間距為500 m，仍然難以消除剖面上“低幅”異常現象。實踐表明，很多低幅范圍在500 m以內，而橫波表層調查效率低、成本高，難以大規模實施，很難控制表層橫波速度模型的變化。

2018年，三湖坳陷采用橫波可控震源激發SH波，道距較小（10 m），初至密度高，具有較好的初至靜校正基礎。但是，受干擾影響，橫波單炮初至近偏移距受到污染，無法識別，導致存在初至空白區，影響了初至反演精度。同時，該區橫波折射層發育，存在多個高速折射界面，給橫波高速界面的選取帶來了一定困難。針對存在的問題，筆者先通過曲線擬合對近道污染區初至時間進行了預測，彌補了空白區初至，保證了初至層析反演所用初至數據的完整性；為了進一步提高淺層橫波速度模型的刻畫精度，同時反演出包含多個折射層的橫波速度模型，采用面波模型與多層折射分層聯合約束反演技術，建立了表層橫波速度場；最后通過基于速度譜分析的速度層位匹配選取橫波高速層界面。利用該技術組合建立了比較合理的橫波速度模型，取得了較好的靜校正效果，有效地消除了“低幅”異常現象。

1 技術方法

1.1 基于曲線擬合的初至時間預測

橫波勘探一般采用橫波可控震源激發地震橫波[10]。受地表條件和橫波震源機械影響，部分近偏移距范圍橫波初至存在受干擾影響的污染道（可影響幾十道），難以有效拾取。如果對干擾橫波初至不做拾取，會存在部分連續的初至空白道，勢必會降低初至層析橫波速度模型的反演精度[11]，進一步影響橫波地震成像的質量。

三湖坳陷采用了縱橫波雙源激發，同一炮點上既激發橫波也激發縱波，縱波初至較為清楚，可以有效拾取。從橫波單炮初至時間的統計看，橫波單炮近偏移距初至時間曲線沒有明顯的拐點，呈現連續曲線特征。基于這一特征，提出了通過擬合曲線，預測受污染的近道橫波初至時間的方法。

首先通過少量橫波表層調查求取污染區淺表層縱橫波速度比，根據同一炮點上可有效拾取的縱波初至時間計算淺層縱波視速度，再結合速度比計算求取橫波視速度[12]；然后利用橫波斜率關系求取少量近道（部分道，數量遠小于污染道）橫波初至時間；再拾取未受干擾影響的橫波初至道；最后將求取的近道橫波初至時間和可拾取的橫波初至時間進行多項式曲線擬合，通過擬合曲線關系，根據偏移距大小，計算受干擾影響無法拾取的污染道的橫波初至時間。如圖1所示，藍色點為計算出的近道初至時間，紅色點為可拾取的初至時間，對藍色點和紅色點進行曲線擬合，黑色點是根據擬合曲線方程預測的污染區初至時間。

1.2 面波反演表層模型

圖1 污染區橫波初至時間曲線預測圖

通過曲線擬合預測彌補污染區初至空白，總體上保證了橫波初至反演的完整性，但是并不能準確刻畫淺層橫波速度模型的速度變化。從三湖坳陷縱波單炮資料看，面波較為發育，瑞雷面波頻散的規律與表層介質的結構有著密切的關系，利用瑞雷波的頻散特性可為該區近地表橫波速度建模提供可靠資料[13]。

根據拾取的頻散曲線反演瑞雷波相速度以獲取近地表橫波速度。對于層狀模型，瑞雷波頻散曲線的正演，可由Knopoff方法計算[式（1）]得到。瑞雷波相速度（CRj）由非線性和隱式的特征方程F來確定，即

式中fj表示頻率，Hz；CRj表示瑞雷波在頻率為fj時的相速度，m/s； 表示各層橫波速度矢量，m/s；vsi表示第i層的橫波速度，m/s；n表示層數；表示各層縱波速度矢量，m/s；vpi表示第i層的縱波速度，m/s；表示各層密度矢量，g/cm3；ρi表示第i層的密度，表示各層厚度矢量，m；hi表示第i層的厚度，m。

設置一組固定模型參數（vs，vP，ρ，h）以及確切的頻率方程的解CRj即為相速度。

瑞雷面波的相速度與橫波速度相近，因此在探測過程中，可以用探測得到的瑞雷面波速度近似代替橫波速度。可先按一定間隔在整條測線選取面波發育的縱波單炮；然后對單炮面波進行頻散分析，拾取單炮的頻散曲線[14]；再利用面波頻散曲線迭代反演速度，得到不同位置單炮的橫波速度模型（圖2）。圖2-a為面波頻譜圖，圖2-b為面波反演速度曲線（藍色為初始模型曲線，紅色為反演模型結果，黑色線為拾取的頻散值）；最后將這些單炮反演結果進行內插，得到整個測線上的橫波表層速度、厚度信息。

1.3 面波模型與多層折射分層聯合約束反演

不同頻率的面波探測不同深度的地層，三湖坳陷面波探測深度一般小于50 m，不能完全滿足橫波表層建模的需要。因此必須聯合橫波初至反演建立完整的表層橫波速度模型，而面波反演模型可以作為約束信息[15]，彌補淺層橫波初至精度的不足。

圖2 單炮的橫波速度模型圖

由于三湖坳陷折射層發育，難以獲取穩定的折射界面，因此常規的折射靜校正技術效果有限。而初至層析模型反演適應各種地震波的初至，可以更好地滿足反演建模需要。但是，層析反演是一種非線性的反演方法，為了保證反演模型的準確性，需要合理的初始信息進行約束[16-18]。為了進一步提高表層初始速度模型準確性，適應三湖坳陷橫波折射層發育的特點，采用了面波模型與多層折射分層聯合約束反演技術：①在CMP域根據高速折射層的發育拐點，對多個折射層進行分層[19-20]，建立多層狀初始橫波速度模型；②在多層初始模型中嵌入面波反演表層速度、厚度信息；③進行初至層析反演最終速度。

圖3-a是三湖坳陷某測線常規層析反演的橫波速度模型圖，沒有刻畫出多個折射層發育的特點。圖3-b是該測線面波模型與多層折射分層聯合約束反演的橫波速度模型圖，能反演出多個折射層的起伏特點，對模型淺層橫波低速刻畫得更加精細。從與橫波微測井調查結果（表1）對比看，聯合約束反演的結果與微測井更接近。

圖3 三湖坳陷某測線橫波速度模型圖

表1 層析反演速度與橫波微測井結果對比表

1.4 基于速度譜分析的層位匹配建模

通過面波模型與多層折射分層聯合約束反演能更準確地建立表層橫波速度場。但是，面對多個速度層，如何選取合適的高速層作為模型底界面呢？從三湖坳陷地震剖面看，淺層反射同向軸發育，部分反射軸能夠較好追蹤，說明淺層具有對應相對穩定的速度層，可作為橫波模型底界面。

筆者提出了基于淺層速度匹配來確定層析反演模型底界面的方法。即通過CMP速度譜分析求取速度，與初至反演速度界面進行匹配選取高速底界面。

首先在剖面淺層觀察相對穩定較能連續追蹤的反射軸，確定其雙程旅行時間，然后選擇不同位置CMP點速度譜進行分析，從速度譜上可拾取對應能量團疊加速度值，再將疊加速度轉化為層速度，即

式中vn表示第n層的均方根速度（即疊加速度），m/s；tn表示第n層的單程旅行時間，s；vi表示第i層的層速度，m/s；Δti表示第i層頂底單程旅行時間差，s。

圖4 CMP點速度譜拾取示意圖

圖4 為200 ms處穩定反射軸的速度譜圖，從速度譜上拾取對應能量團（黃色箭頭所示）疊加速度值，再采用式（2）將疊加速度轉化為層速度，這一層速度可近似作為穩定高速速度層，這樣就得到淺層穩定速度層某一點近似的速度值。將不同位置CMP點速度求取后與聯合約束層析反演速度模型進行匹配，速度分布主要落在某一橫波速度層曲線上，則選擇該速度層為所需要的橫波高速層界面。如圖5所示，3條不同顏色曲線代表3個速度層，CMP點的速度（紅色散點）與速度層2（紅色曲線）更為接近。因此該區選擇速度層2為橫波模型高速層界面。

圖5 面波模型與多層折射分層聯合約束反演速度圖

2 應用實例

柴達木盆地三湖坳陷第四系生物氣蘊藏豐富，氣區的所有縱波地震剖面都具有“低幅、低頻、時間下拉”的現象（圖6-a），該特征在較長的一段時間內指導了該區的天然氣勘探，鉆探取得了極大的成功，先后發現了臺南、澀北等氣田。但隨著勘探的深入，近地表速度異常也可以造成“低幅”現象[21-22]，按照該特征確定的鉆探井出現了很多失利，使得勘探陷入困境。為此，對該區的“低幅”異常進行了深入的研究，利用純橫波在恢復構造結構方面取得了進展，消除了含氣引起的低幅異常現象，對氣區構造進行了較好的恢復（圖6-b）。但是同樣可以看到，盡管氣區成像質量得到大幅提升，但是受表層影響，橫波反射同相軸并不十分光滑，幅度較小的扭曲現象依然存在（圖6-b紅色箭頭所示），說明橫波靜校正問題沒有完全解決，小幅度“低幅”異常現象在橫波剖面上仍然存在，必須把近地表結構引起的此類“低幅”異常現象甄別出來并加以消除。

圖6 三湖坳陷含氣區縱波與橫波剖面對比圖

首先針對橫波近道受污染的初至進行預測，彌補空白初至道，保證初至層析反演的完整性[23]。圖7是某橫波單炮曲線擬合方程，通過擬合方程計算空白道初至時間。圖8是預測前（圖8-a）后（圖8-b）的橫波初至對比，通過預測彌補了近道23道空白道初至時間，保證了橫波初至的完整性。

圖7 三湖坳陷橫波單炮橫波初至時間曲線擬合圖

圖8 三湖坳陷橫波單炮初至預測前后對比圖

通過擬合曲線預測，彌補了初至空白對反演結果的影響，但是這種彌補很難精準確反演表層結構的特征，為了進一步提高淺層橫波速度精度，采用面波反演淺層橫波速度。由于同一炮點上采用了雙源激發（縱波、橫波各激發一次），縱波面波更為清楚。因此可采用縱波單炮進行面波頻散譜的拾取，提高頻散曲線拾取精度。圖9-a是通過頻散曲線進行面波反演的淺層橫波速度模型，對淺層低速變化刻畫較為清晰；圖9-b是采用面波頻散曲線反演獲得的橫波速度模型與多層折射分層聯合約束層析反演的最終橫波速度模型。從模型上看，淺層橫波速度較低，各速度界面的低幅起伏刻畫的更清楚。最后通過與不同位置CMP層速度進行匹配，選取合理的速度界面計算靜校正量。圖10是聯合反演應用效果，常規橫波靜校正前的橫波剖面（圖10-a）存在“低幅”扭曲現象，經過筆者所述靜校正方法應用后，橫波剖面（圖10-b）反射同向軸更為連續光滑，“低幅”現象得到了較好的消除。

圖9 三湖坳陷淺層橫波速度模型圖

圖10 橫波疊加剖面不同方法靜校正效果對比圖

3 結論

三湖坳陷近地表速度模型不準導致的“低幅”異常現象，在成像剖面上與低幅度構造成像不容易區分。相對于縱波，橫波速度更低，這種現象在橫波成像剖面上更為突出。為了解決三湖坳陷橫波勘探中的橫波靜校正問題，筆者采用了如下組合技術。

1）采用曲線擬合技術預測污染區橫波初至時間，彌補近道橫波初至空白，可以保證層析反演模型的完整性。

2）利用瑞雷波的頻散特性反演建模可為該區淺層橫波速度提供可靠資料，提高淺層模型精度。

3）針對該區橫波折射層發育的特點，通過面波模型與多層折射分層聯合約束反演，能更準確地反演該區表層橫波速度場，在CMP速度匹配分析的基礎上，建立更為合理的橫波模型。

4）建立的近地表橫波速度模型，靜校正應用后，較好地消除了近地表引起的低幅異常現象，得到了滿意的橫波剖面效果。