水平地表條件下近地表影響的正演模擬

曹曉莉

(中國石化勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營 257015)

地球表面覆蓋著一層未固結、質地疏松的沉積層，在地震勘探上稱之為風化層，也是通常所指的低速層，有時在低速層與穩定的高速基巖間還存在一層速度略高的降速層[1]。這些存在于近地表的低降速帶，會引起地震波旅行時的增大，產生較大的時間延遲，并且由于沉積環境變化的影響，低降速帶的厚度和波速也會產生橫向變化，使旅行時延遲量發生顯著的差異，造成接收波場復雜，對地下成像產生嚴重影響。同時低降速帶比較疏松，吸收衰減效應嚴重，也會影響波場的振幅，導致深層成像變差，且成像振幅橫向關系畸變，嚴重影響對地震資料的精細解釋[2]。通過對近地表模型的正演模擬與分析，可以弄清近地表影響下的波場特征，具有重要的指導意義[3]。目前研究最多的是對起伏地表的正演模擬與分析，而東部探區近乎水平地表，由于沉積環境的變化，其低降速帶也存在橫向變化，同時還存在嚴重的吸收衰減效應。目前東部探區的絕大部分油田都進入了勘探開發的中后期，對精細勘探提出了更高的要求，這種情況下對水平地表的近地表影響進行研究分析，也是非常必要的[4]。

筆者從速度和吸收衰減兩個方面入手，基于一階速度-應力波動方程[5-7]，對水平地表的近地表模型進行正演模擬，并對垂直分量接收波場、成像振幅、成像位置等進行系統深入考察分析。

1 正演模擬基本原理

基于廣義標準線性固體的黏聲波動方程為

(1)

式中，p為聲壓波場，Pa;υ為質點振動速度，m/s;t為時間，s;ρ為介質密度，kg/m3;Ku為未松弛體積模量，Pa;KR為松弛體積模量，Pa;E為記憶變量，L/s;τεl和τσl為松弛時間，s。當記憶變量E為0時，上述方程退化為聲波方程[8]。

在求取離散波動方程前，先進行定義

(2)

式中，c為差分系數，可由泰勒展開得到。由式(2)可得到采用交錯網格時間二階，空間高階的有限差分格式的離散波動方程：

(3)

根據式(3)即可進行相應的正演模擬計算。

2 近地表速度的影響

速度是貫穿地震資料處理各個環節的核心要素，速度的影響至關重要。通過建立近地表模型，從接收波場、成像振幅及成像位置3個方面分析速度這一因素的影響。

2.1 速度對接收波場的影響

對簡單模型進行正演，分別正演有無近地表的情況。反射信號經過近地表低速時，透射系數大于1，有放大效應，且射線向垂直地表偏折，有利于Z分量采集，此時近地表起了一定的積極作用。圖1是含近地表的速度模型和正演炮集。

圖1 含近地表的速度模型和相應的正演炮集

圖2是有近地表和無近地表的聲壓波場放大顯示，可以看出對于近偏移距聲壓波場，有近地表時反射信號存在放大效應，這是由于反射信號經過近地表時透射系數大于1(波長變短)。當近地表較復雜時，會產生大量的散射波等次生干擾，嚴重影響采集數據的質量，此時近地表起負面作用。

圖2 近地表存在前后的聲壓波場對比(放大顯示)

2.2 速度對成像振幅的影響

以地下單界面簡單模型為基礎，分別對無近地表、水平層狀近地表和橫向變速近地表模型進行正演和偏移，來分析近地表對地下成像的影響。當偏移速度準確時的結果如圖3所示，其中藍色曲線為同相軸的振幅曲線。

圖3 速度準確時近地表對偏移剖面和偏移道集的影響

由圖3可以看出，當偏移速度準確時，都能夠正確成像，與沒有近地表相比，近地表對偏移剖面和偏移道集的振幅有一定影響，但影響不大。

仍以地下單界面簡單模型為基礎，考察偏移速度不準確時，近地表對地下成像的影響。分別對無近地表、水平層狀近地表和橫向變速近地表模型進行正演和偏移，結果如圖4所示。

圖4 近地表速度不準確時對偏移剖面和偏移道集的影響

由圖4可以看出，由于近地表厚度較小，近地表速度不準確對成像形態影響不大，水平層狀近地表模型仍能較好地保持相對振幅關系，但橫向變速近地表模型的振幅關系嚴重失真，說明當近地表速度不準確且存在橫向變速時，會嚴重影響偏移剖面和偏移道集的振幅關系，擾亂AVO特征。

2.3 速度對成像位置的影響

建立如圖5所示復雜模型，考察近地表對地下成像的影響，結果如圖6所示。可以看出偏移速度不考慮近地表時，其成像質量下降，同相軸出現扭曲現象，不能正確聚焦歸位，產生誤差。而且偏移道集扭曲錯動，不利于層析反演，造成疊前深度偏移建模困難。圖7是不同偏移道集的對比，可以看出，偏移速度不考慮近地表時，偏移道集扭曲，與近地表異常體相對應。靜校正能夠改善這一問題，但因為是一維算法，無法完全解決，尤其是中淺層道集無法校平。

圖5 包含近地表的復雜速度模型

圖6 不考慮近地表時對地下成像的影響

圖7 不同情況的偏移道集對比

3 近地表吸收衰減的影響

野外采集得到的地震記錄實際上是經過了濾波后的結果，對其進行濾波的是地下傳播介質。因為實際地層并非理想的完全彈性介質，地震波在傳播過程中受非完全彈性介質的吸收而產生消耗。特別是近地表具有介質疏松、風化剝蝕嚴重的特點，它對地震波的吸收衰減作用更加明顯，這種衰減作用會大大影響后續地震資料的分辨率[9-10]。

為了研究近地表吸收衰減的影響，同樣從接收波場、偏移剖面及偏移道集3個角度進行分析對比。

3.1 對接收波場的影響

采用圖5所示的包含近地表的復雜模型進行黏聲正演模擬，對正演結果進行分析發現：計算波場由于受到近地表吸收衰減的嚴重影響，遠偏移距和深層信號振幅出現衰減嚴重的現象，而近地表的非均勻性會造成同相軸的橫向不連續性和不一致性(圖8)。

圖8 近地表吸收衰減前后的單炮對比

3.2 對偏移剖面的影響

目前確定反射界面真正空間位置采用的最常用的方法就是地震偏移處理[11]，地震偏移處理應用的就是處理后的地震記錄，因此偏移結果也會受到近地表吸收衰減的影響。將前述正演模擬得到的地震記錄進行偏移，并與未受近地表吸收衰減影響的地震記錄的偏移結果進行比較，來分析近地表吸收衰減的影響。

通過對比發現，近地表吸收衰減后的偏移剖面呈現振幅衰減，分辨率降低的特征，而深層受到的影響相對更嚴重。同時由于近地表異常體的存在，偏移同相軸存在橫向不連續和不一致的現象(圖9)，可能會造成解釋陷阱。

圖9 近地表吸收衰減前后的偏移剖面對比

3.3 對偏移道集的影響

偏移道集在反演環節中應用較多，偏移道集的準確程度會影響反演過程中的屬性分析等結果，因此研究近地表吸收衰減對偏移道集的影響程度也是非常重要的。圖10是受近地表吸收衰減影響前后的偏移道集的對比，可以看出，偏移道集與接收波場及偏移剖面一樣，同樣因受到近地表吸收衰減的影響而導致深層能量變弱、分辨率降低。而且由于近地表不同異常體對不同偏移距的影響，道集質量嚴重降低，形成錯誤的AVO特征，降低反演結果的準確度。

圖10 近地表吸收衰減前后的偏移道集對比

4 結 論

(1)近地表低速層對反射信號有放大效應，且使接收波場的射線向垂直地表方向偏折，有利于目前的單分量采集，起到一定的積極作用，但是近地表異常體的存在產生散射噪音，不利于有效信號接收。

(2)當近地表橫向變速時，若偏移不考慮近地表速度，會對成像位置和成像振幅都產生嚴重影響，破壞振幅相對關系，反射波不能正確聚焦歸位，影響成像質量及后續應用。

(3)近地表的吸收衰減會使有效信號振幅減弱，分辨率降低，破壞成像的橫向連續性和一致性，造成解釋陷阱。

(4)對于精細勘探而言，很有必要在成像時考慮近地表的速度和吸收衰減問題。