基于改進面波技術的轉換波靜校正方法研究

蔡露曦，付蘭蘭，王 強，張森垚，張 昊

(西安石油大學 地球科學與工程學院，西安 710065)

0 引言

轉換波勘探技術能夠提供地層巖性信息，可以應用于解決儲層識別、裂縫預測以及流體識別等問題[1]。靜校正是復雜地區油氣地震勘探資料處理中的關鍵環節[2-4]，其中接收點橫波靜校正量的求取是轉換波靜校正處理的重點和難點[5]。由于轉換橫波的速度通常遠小于縱波速度，且不受流體孔隙的影響，其低速帶往往延伸至潛水面之下，在表層結構復雜地區，資料中的反射波組混亂[6]，靜校正問題十分突出[7-8]。由于在實際勘探中通常使用縱波震源，非轉換型的橫波不發育，因此常規的基于反射波和折射波的轉換波靜校正方法在處理中具有一定難度[9]。

利用資料中信噪比較高的面波進行橫波靜校正量的計算，是一種較有優勢的方法。面波具有頻散特性，利用頻散曲線能夠反演建立低速帶的橫波速度結構[10]，郭良輝[7]和鄧帥[11]等發展了基于面波的轉換波靜校正處理方法。然而常規面波處理技術基于多道面波分析提取頻散曲線，存在橫向分辨能力較差的缺點[12-13]，處理結果反映的是多道檢波點下方的平均速度結構，孟小紅等[14]指出該方法得到的是P-SV波橫波靜校正量的長波長趨勢，無法預測橫波靜校正量的短波長分量。該研究擬對面波靜校正技術進行改進，引入波場分離和面波譜分析[15-17]計算各檢波點位置處的頻散曲線，進而建立各檢波點的橫波速度結構，獲得每個檢波點獨立的橫波靜校正量，提高處理的精度。

1 改進面波技術靜校正原理

針對P-SV型轉換波的橫波靜校正量計算問題，該研究利用資料中與SV型橫波關系密切的瑞雷面波進行處理。瑞雷波的質點在豎直平面內振動，不同頻率成分具有不同的傳播速度和穿透深度，其各頻率的傳播速度主要受地下介質的橫波速度結構控制[10]。為了提高靜校正處理的精度，該研究將面波從資料中分離出來，并重建得到僅含單一模式的面波記錄，然后再計算靜校正量。設共炮點道集記錄為d(x，t)，利用F-K變換法對地震波場進行分離和重建，首先對信號在時間域做傅立葉變換，計算式如下

(1)

(2)

式中:f表示頻率；k表示波數。

經過式(1)計算，原始地震信號就由時間域變換到了頻率域，然后再利用式(2)將信號變換到波數域，最終得到頻率-波數域的信號D(k，f)。在頻率-波數域中面波信號會聚集形成明顯的能量團。

面波具有多模式發育的特點，該文僅考慮能量較強的基階模式面波，并對頻率-波數域能量譜中的基階模式面波進行分離，再對分離后的面波能量譜做F-K逆變換，就可以重建僅含基階模式面波信號的地震記錄。然后利用面波譜分析(Spectral Analysis of Surface Wave，SASW)方法對重建的面波信號進行處理，即可獲得鄰近檢波點之間的頻散曲線[18]。設某兩道信號分別為s1(t)和s2(t)，二者頻譜可通過傅立葉變換得到，計算如下:

(3)

(4)

則s1(t)和s2(t)二者的互功率譜為:

Ss1s2(f)=s1(f)·s2*(f)=|s1(f)|·

|s2(f)|·eiΔφ(f)

(5)

式中:Δφ(f)=φ1(f)-φ2(f)，表示兩道信號在頻率為f時的相位差。

通過式(5)即可以從互功率譜中計算出單頻波的相位差Δφ(f)。若2個檢波器間距d2-d1記為Δx，則該頻率的相速度v(f)可以表示如下:

(6)

利用式(6)就可以依次計算各個頻率f的面波的相速度值，進而得到這2個檢波器之間的頻散曲線，最后通過反演就能得到這條頻散曲線下方的橫波速度結構。對記錄中任意相鄰的檢波器組合進行SASW處理，并聯合所有相鄰檢波器處理結果就能得到排列下方的二維橫波速度剖面，最終獲得每個檢波點的靜校正量。

2 模擬數據效果測試

相對于常規面波處理技術，該研究提出的靜校正方法大大提高了橫向分辨率，P-SV轉換波的重點在于計算橫波靜校正量，因此面波靜校正技術的核心就是反演資料覆蓋區的二維橫波速度剖面。常規面波成像方法通常基于多道面波分析進行處理，得到的結果是多道覆蓋范圍內的綜合速度結構。以一組模擬炮集記錄為例，該模型橫向長為60 m，深度為40 m，設置炮點位于地表橫坐標 0 m 處，并設置一直立斷層在40 m位置處(如圖1所示)，檢波器布設在橫坐標10～60 m內，共51個，道間距1 m，最小偏移距 10 m，檢波器采樣間隔 1 ms。圖2a所示為一個模型的51道檢波器的模擬記錄，利用F-K變換法對其進行處理，可以得到這一組記錄的頻散能量譜(如圖2b所示)，觀察頻散能量譜可知，面波具有多模式(基階和高階)發育的特征。對譜中的能量峰值進行識別就可以提取出頻散曲線，對頻散曲線進行反演即得到橫波速度結構，然而這樣得到的橫波速度結構反映的是排列覆蓋范圍內地層的綜合響應，無法獲得具體的某一檢波點下方的橫波速度結構，因此也就無法計算獨立檢波點的靜校正量。

圖1 斷層理論模型

圖2 51道檢波器的模擬記錄及其頻散能量譜

利用該研究提出的改進方法進行處理，先對波場進行分離獲得面波記錄(如圖3a所示)，然后通過SASW方法計算所有相鄰檢波器之間的頻散曲線，由51道記錄可以得到50條頻散曲線(如圖3b所示)。圖3b中的紅色和綠色點狀線表示斷層左右兩側地層對應的理論頻散曲線。

圖3 波場分離后的面波記錄及其頻散曲線

通過上述計算所得的相鄰道頻散曲線，就可以反演排列下方地層的二維橫波速度剖面(如圖4所示)，進而建立各檢波點的橫波速度結構，獲得每個檢波點獨立的橫波靜校正量。相比傳統面波靜校正方法一個排列僅能得到單點的一維橫波速度結構，該文方法將橫向分辨率提高到1 m級，有效提高了處理的精度。

圖4 橫波速度剖面

3 實例分析

該研究應用改進面波技術對鄂爾多斯盆地某研究區采集的實際轉換波資料進行靜校正處理。改進面波處理方法的核心在于獲得高精度的覆蓋層橫波速度結構，利用SASW技術計算相鄰道的頻散曲線，進而反演相鄰道下方的橫波速度結構，提高速度模型的橫向分辨率。

根據改進面波技術的原理，對實際資料的靜校正處理可以具體分為以下幾個步驟:①波場分離，利用數學變換對面波波場進行分離與重建；②相鄰道頻散計算；③單點橫波速度結構反演；④生成橫波速度剖面；⑤單道靜校正量計算；⑥資料靜校正。

實際資料各炮記錄通過81道檢波器接收，道間距為10 m，排列長度800 m，采樣間隔1 ms。圖5a為某炮激發的81道共炮點道集記錄，可見明顯的面波能量，該記錄已經進行了炮點靜校正，只有各個接收點的橫波靜校正量需要求取。

首先進行第①步的處理，利用改進的F-K變換對該記錄進行處理，分離其中的基階模式面波信號，然后利用F-K逆變換重建得到面波記錄(如圖5b所示)，在重建的單炮記錄中面波以外的其他信號得到了壓制。由于面波傳播速度較慢，由圖5b可見在第50道之后的檢波器已無法記錄到完整的面波波形，因此，該研究以前49道記錄為對象進行靜校正量的計算。

圖5 實際地震記錄及分離的面波記錄

圖6所示為對分離出的面波波場的第3道至第17道記錄進行局部放大。在面波分離重建后，進行第②步處理，計算相鄰檢波點之間的頻散曲線，以第9道和第10道為例，利用SASW方法對這兩道的數據進行處理，即得到這兩道中點處的頻散曲線(如圖7所示)。然后利用同樣的方法對任意相鄰的檢波點的數據進行處理，獲得48條頻散曲線。

圖6 道集局部面波記錄

圖7 第9道和第10道記錄的頻散曲線

獲得頻散曲線后進行第③步，計算每個頻散曲線對應的橫波速度結構。該研究利用Lei等[19]提出的遺傳-阻尼最小二乘聯合反演方法對頻散曲線逐個進行反演，即可得到表示各組相鄰道之間地層的一維橫波速度結構。該橫波速度結構所代表的相鄰檢波點之中點位置處的地層結構。然后聯合各個相鄰檢波點下方的橫波速度結構就得到了完整的橫波速度剖面，即第④步，該剖面反映了前49道覆蓋范圍的地層橫波速度結構(如圖8所示)。

圖8 橫波速度剖面

第⑤步為計算單道靜校正量。根據二維剖面結構，設定轉換波橫波靜校正的橫波替換速度為1 500 m/s，根據每個檢波點在速度剖面上所在位置即可以計算出該檢波點的橫波靜校正量。以前49道檢波點的橫波靜校正量平均值為參考，將各檢波點的橫波靜校正量減去平均值，就得到這個道集中能夠提取面波范圍內(0～500 m)的檢波點的靜校正曲線(如圖9a所示)。通過曲線可以看出，橫波靜校正量的變化幅度約為12 ms。相比傳統多道面波處理方法直接計算的靜校正量，其橫向分辨能力得到了有效提高。

得到各道的靜校正量后，就可以進行第⑥步，對整個炮集記錄進行靜校正處理。圖9b為靜校正后的結果，可見同相軸的連續性相比校正前得到了改善。

圖9 前49道的橫波靜校正量曲線及記錄靜校正后的結果

4 結論

針對面波靜校正法無法獲得獨立檢波點的靜校正量的難題，該研究提出將F-K變換和SASW方法相結合，對面波靜校正技術進行改進。

1)將P-SV轉換波資料中的面波記錄單獨分離出來，并計算鄰近檢波點之間的頻散曲線，進而反演各個檢波點下方的橫波速度結構，可以獲得各個獨立檢波點的橫波靜校正量，有效提高了面波靜校正方法處理的精度。

2)在實際轉換波資料處理中，由于面波傳播速度較慢，一個共炮點道集會存在部分較大偏移距的檢波器無法記錄到面波信號的情況，因此在利用該文方法時應注意靜校正量的計算范圍是面波能夠被記錄到區域內的檢波點。

3)面波具有多模式發育的特點，利用SASW技術計算多模式面波的頻散曲線，反演多模式頻散曲線獲得各檢波點的橫波靜校正量，能夠進一步提高處理的精度，也是下一步研究的重點。