全方位道集速度建模方法及應(yīng)用

張麗艷， 李昂， 楊建國， 李士超， 姚玉來， 黃一鳴， 肖飛

中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心， 沈陽 110000

0 引言

隨著油氣勘探開發(fā)的精細發(fā)展，面對的地質(zhì)目標(biāo)越來越復(fù)雜，對地震成像的精度要求也越來越高(印興耀等，2018；常紫娟等，2020)，促使速度建模和偏移方法不斷發(fā)展.常用的偏移速度建模方法主要包括基于地震波走時速度分析方法、基于波動方程的層析成像方法、基于雙程波動方程的非線性波形反演方法、基于波動方程偏移的速度建模方法和全波形反演(FWI)方法.非線性波形反演、波動方程偏移速度建模方法和FWI展示了很好的前景，但是在工業(yè)界并未得到廣泛的應(yīng)用，目前工業(yè)界使用的主流速度建模方法仍是基于地震波走時層析反演的速度建模方法，如網(wǎng)格層析反演、高斯束層析反演、以及構(gòu)造和井約束下的層析反演等(張子良等，2020；劉旭明等，2021；鄭浩等，2021).在以往窄方位資料處理中，由于受資料限制，在處理中經(jīng)常忽略各向異性的影響，在速度建模中也并未考慮方位角的信息.伴隨著寬方位資料的大量采集，各向異性特征在寬方位數(shù)據(jù)上表現(xiàn)愈加突出，在處理中也需要考慮速度隨方位角的變化，所以，針對寬方位數(shù)據(jù)的速度建模方法應(yīng)運而生.Buia等(2011)等提出了分方位處理的思路，將數(shù)據(jù)按照方位角劃分為多個方位，采用分方位處理方式進行層析速度建模，并將方位角信息應(yīng)用于速度建模中，取得了一定的效果.該技術(shù)存在明顯的不足是人為干預(yù)性強，處理員憑經(jīng)驗將數(shù)據(jù)體分為多個方位角，并在各個方位角內(nèi)進行處理，但無論怎樣精細劃分都存在某些方位角內(nèi)地震道多，某些方位角內(nèi)地震道少，最終導(dǎo)致各方位角之間覆蓋次數(shù)不均衡(Wang et al.，2003；詹仕凡等，2015；李叢等，2022).另外，分方位處理尤其在速度分析和偏移時需要耗費大量的勞動力和處理機時，會嚴重拉長地震數(shù)據(jù)處理周期，且多方位層析反演的速度精度不高.伴隨著寬方位OVT處理技術(shù)的發(fā)展，針對寬方位甚至全方位數(shù)據(jù)的處理流程在業(yè)界內(nèi)得到普遍應(yīng)用，主要為OVT域道集抽取、OVT域去噪、規(guī)則化、偏移以及在偏移后的方位道集上進行方位各向異性處理等，該處理技術(shù)流程也是目前寬方位地震處理中廣泛采用的流程(陳志剛等，2018；段文勝等，2016；張麗艷等，2021).但是，該處理流程存在兩個缺點：第一，OVT域偏移是Kirchhoff疊前時間偏移，速度分析采取的是類似于常規(guī)速度分析模式，只是在分析過程中多了一個方位信息的參考，對于構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)成像精度遠遠達不到深度偏移成像的精度；第二，在OVT域偏移后的方位道集上進行各向異性分析時容易出現(xiàn)假象，不能確定各向異性的表現(xiàn)特征是由于速度模型精度不夠?qū)е碌倪€是地下介質(zhì)真實的各向異性反映，所以對于各向異性的確定存在多解性.鑒于上述的技術(shù)限制，本文提出了基于全方位道集的層析反演速度建模技術(shù)，由于OVT域偏移后的全方位道集同時包含方位角和偏移距的信息，所以該技術(shù)主要以O(shè)VT域偏移后的全方位道集為基礎(chǔ)，在全方位道集上拾取剩余時差(包括方位角和偏移距的信息)、進行射線追蹤建立方程組，利用層析反演方法統(tǒng)一求解，通過不斷迭代最終完成速度建模.反演后的速度能夠體現(xiàn)出短波長速度變化，更好地刻畫速度變化的細節(jié)，有利于提高地質(zhì)體的成像精度.通過對全方位道集進行層析反演迭代得到最佳的偏移速度，利用此速度進行最終偏移得到的方位道集不存在明顯的剩余時差，道集能夠得到很好的校平，說明該剩余時差是由于速度模型的精度不高導(dǎo)致的，并不是地下裂縫在方位道集上的真實反映，如果利用上面剩余時差直接進行裂縫預(yù)測會產(chǎn)生錯誤的預(yù)測結(jié)果.所以，在利用全方位道集進行地下方位各向異性分析或者裂縫預(yù)測時，應(yīng)該在速度模型精度迭代達到極致的條件下進行，這樣，各向異性分析才更準確.

1 全方位道集的獲得

全方位道集與常規(guī)偏移后的CRP道集不同，全方位道集同時包含偏移距和方位角的信息，主要是在OVT處理域?qū)崿F(xiàn).OVT概念由Vermeer(1998)提出，后來(Cary，1999；段文勝等，2013)很多學(xué)者在方位道集和屬性等方面做了深入的研究，形成了針對寬方位數(shù)據(jù)的OVT域處理理論.OVT域全方位道集的獲得主要是在OVT域進行偏移得到，OVT域的形成主要分為三步(Schapper et al.，2009；夏亞良等，2018；康敬程等，2018)：第一，將觀測系統(tǒng)中十字交叉排列地震道抽取出來形成十字交叉排列道集.所抽出的十字交叉排列道集按照炮線和檢波線等距離劃分為若干個小的矩形，每個矩形就是一個OVT片(也稱作向量片)，每個OVT片是由相同的炮間距和相同的檢波線間距劃分而成，具有大致相同的偏移距和方位角(圖1a所示)；第二，按照OVT向量片在十字交叉排列中的位置構(gòu)建坐標(biāo)系，炮線和檢波線的交點為坐標(biāo)原點，接收線為X軸，炮線為Y軸，向量片中心到坐標(biāo)原點的距離為偏移距，與坐標(biāo)原點的連線與縱軸之間的夾角為方位角；第三，按照上述處理方法，對整個工區(qū)觀測系統(tǒng)抽取若干個十字交叉排列道集，并將具有相同坐標(biāo)的OVT向量片提取出來，按照相應(yīng)的Inline號和Crossline號排列起來，形成全區(qū)的OVT道集，該OVT道集是單次覆蓋數(shù)據(jù)體(圖1b)，類似于常規(guī)的一個偏移距數(shù)據(jù)體，該數(shù)據(jù)體包含三維空間坐標(biāo)、偏移距及方位角等信息，為五維數(shù)據(jù)體.

圖1 OVT域?qū)崿F(xiàn)過程(a) 一個十字交叉排列的OVT向量片； (b) 整個工區(qū)的單個OVT體覆蓋次數(shù).Fig.1 Procedure of the OVT domain(a) A cross-arranged OVT vector tile； (b) The fold of a single OVT body of the work area.

按照上述過程將寬方位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到OVT域，抽取全區(qū)的十字交叉排列，形成全工區(qū)的OVT道集.由于每個OVT道集的偏移距和方位角幾乎相同，所以O(shè)VT道集的能量一致性較好，無論是近偏移距、中偏移距還是遠偏移距.圖2分別為實際寬方位數(shù)據(jù)OVT域數(shù)據(jù)抽取和偏移距域數(shù)據(jù)抽取后的觀測系統(tǒng)，通過對比分析可以看出，理想情況下，一個OVT數(shù)據(jù)就是對地下一次覆蓋的最小數(shù)據(jù)子集；圖2a和圖2b分別為共偏移距域和OVT域數(shù)據(jù)信息對比，可以看出，共偏移距體只包含偏移距的信息，不能體現(xiàn)出方位角的信息，而OVT數(shù)據(jù)體即包含方位角又包含偏移距的信息，在后續(xù)處理中可以充分利用方位角信息進行數(shù)據(jù)插值、全方位速度建模和裂縫預(yù)測等.

圖2 偏移距域(a)和OVT域(b)數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of offset domain (a) and OVT domain (b) data

將數(shù)據(jù)抽取到OVT域后，通過在OVT域進行去噪、插值及偏移等處理，偏移后的道集即為全方位道集，同時包含方位角和偏移距信息.圖3a為OVT域處理流程，經(jīng)過該流程進行處理后得到全方位道集(圖3b所示).從全方位道集上可以看出，該道集同時包含炮檢距和方位角的信息，圖上藍色曲線代表方位角，方位角方位為從0°～360°呈周期性變化特征，紅色曲線代表偏移距信息，偏移距整體趨勢是增大的，由于OVT域方位道集具有這個優(yōu)勢，可利用其進行后續(xù)的方位各向異性分析和裂縫預(yù)測等.

圖3 方位道集獲得的處理流程及最終的道集(a) OVT域處理； (b) 全方位道集.Fig.3 The sorting process of azimuth gathers and the final gather(a) Processing workflow in OVT domain； (b) Full azimuth gathers.

2 全方位道集網(wǎng)格層析速度建模

常規(guī)三維數(shù)據(jù)速度建模是以Kirchhoff疊前時間偏移得到的共成像點(Common Imagine Point，簡稱CIG)道集作為輸入數(shù)據(jù)，進行迭代更新得到最終速度(張江杰和張劍鋒，2011；張兵和王華忠，2019；呂振宇和魏鵬，2020；徐嘉亮等，2021).由于CIG道集是二維的，只有偏移距(橫向)、時間或深度(縱向)，沒有方位角信息，所以，這種建模方法適合于常規(guī)窄方位地震數(shù)據(jù)，如圖4所示的建模流程.該流程中速度建模的輸入道集是常規(guī)深度偏移形成的CIG道集，道集為二維的，不存在分方位的情況.在CIG道集上拾取剩余時差、進行射線追蹤建立反演方程組，整個建模過程中不體現(xiàn)方位角的信息(張建明等，2021).隨著寬方位地震采集的發(fā)展，針對寬方位數(shù)據(jù)的速度建模技術(shù)也逐步得到發(fā)展，為了充分利用方位角信息，發(fā)揮寬方位的優(yōu)勢，速度建模逐漸發(fā)展為分方位建模的方法，將寬方位數(shù)據(jù)人為劃分幾個扇區(qū)，在每個扇區(qū)內(nèi)利用同一速度進行深度偏移，得到不同方位扇區(qū)的CIG道集，在CIG道集上分別拾取剩余時差并進行射線追蹤，然后統(tǒng)一建立方程組并求解，得到速度模型，通過對上述過程不斷迭代、更新得到最佳的速度模型(圖4b所示).這種分方位層析反演速度建模的方法在一定程度上體現(xiàn)了寬方位數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，間接的反映了方位角的信息，但是存在的弊端是人為干預(yù)性太強，人為劃分方位角扇區(qū)會導(dǎo)致不同扇區(qū)間的覆蓋次數(shù)不均勻，另外，工作量會大大的增加，劃分幾個扇區(qū)就需要進行幾次的深度偏移，而且在每個扇區(qū)內(nèi)分別拾取剩余時差也會帶來巨大的工作量，求解的精度不高，很難精細刻畫速度變化的細節(jié).

隨著OVT域處理技術(shù)的發(fā)展，OVT域?qū)游龇囱菟俣冉＜夹g(shù)逐漸成為OVT域處理中一個重要環(huán)節(jié).雖然OVT域速度建模不存在類似前面人為劃分方位的情況，但是目前OVT域建模所采用的道集仍沿用于以往的常規(guī)共偏移距道集(圖4c所示).首先對寬方位數(shù)據(jù)進行OVT域轉(zhuǎn)換，在OVT域進行去噪、規(guī)則化等處理，然后利用常規(guī)成像方法進行偏移成像，得到CIG道集，但此時的道集同樣不包含方位角的信息，利用CIG道集進行速度建模，再利用得到的速度模型進行OVT域偏移，得到偏移后的全方位道集，再對全方位道集進行方位各向異性處理.這種方法的缺點是偏移后得到的方位道集上存在的剩余時差不一定是地下裂縫的真實反映，可能是速度模型精度不夠?qū)е碌?，所以，利用此方位道集進行裂縫預(yù)測等分析時可能存在不確定性.基于上述技術(shù)弊端，本文提出了真正的寬方位OVT域?qū)游龇囱菟俣冉７椒?，對OVT域偏移后的全方位道集統(tǒng)一拾取剩余時差，統(tǒng)一建立方程組，統(tǒng)一層析反演，進行迭代求解出最佳速度，速度建模流程如圖4d所示.拾取的剩余時差是采用全三維的Poisson方程算法求解，該算法是在角度域?qū)崿F(xiàn)的.這樣既可保留方位的信息，同時又減少了人為分方位的干預(yù)因素，能夠更好地刻畫速度模型變化的細節(jié)，提高地質(zhì)體的成像精度.

綜上所述，現(xiàn)有的寬方位數(shù)據(jù)建模方法與本文提出的OVT域建模方法存在一定的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)速度建模的輸入道集不一樣.常規(guī)速度建模和分方位速度建模輸入的道集是CIG道集，道集為二維的，不含方位角的信息；OVT域速度建模輸入的道集是OVT域偏移后的方位道集，道集中直接包含方位角和偏移距的信息.

(2)用于構(gòu)建拾取剩余時差的方程不一樣.常規(guī)速度建模剩余時差拾取是在CIG道集上直接拾取，進行射線追蹤建立反演方程組，整個建模過程中不體現(xiàn)方位角的信息；分方位速度建模是偏移后的道集上拾取剩余時差，分別進行射線追蹤，建立N個方位的反演方程組，最終進行迭代求解；OVT域速度建模是在OVT域全方位道集上拾取剩余時差，統(tǒng)一進行射線追蹤，統(tǒng)一建立反演方程組迭代求解.

(3)建模的工作量和最終得到的速度精度不同.常規(guī)速度建模方法的工作量最小，但是最終得到的速度模型精度最低，分方位建模方法的工作量最大，速度模型精度次之，OVT域建模方法工作量介于二者之間，但是得到的速度精度最高.

OVT域?qū)游龇囱菔窃贠VT域偏移后的全方位各向異性道集上進行剩余時差拾取，并采用Poisson方程算法進行求解.由于Poisson方程是通過笛卡爾坐標(biāo)系表示的，而OVT域方位各向異性道集剩余時差需要考慮方位角的信息，因此需要將方位各向異性道集炮檢距轉(zhuǎn)換成反射角，再將反射角分別分解為沿Inline方向和Crossline方向的分量，并采用笛卡爾坐標(biāo)系表示.反射角和方位角與x、y的關(guān)系可表示為：

x=γ1cosγ2，

(1)

y=γ1sinγ2，

(2)

式中γ1為反射角，γ2為方位角.

在笛卡爾坐標(biāo)系中，深度剩余時差τ(x,y)可表示為三維數(shù)據(jù)體上的一個曲面.τ(x,y)是Poisson方程的解：

(3)

(4)

利用上述Poisson算法對OVT域偏移后的方位道集拾取剩余時差，然后根據(jù)剩余時差進行射線追蹤、建立反演方程進行層析反演迭代得到速度更新量.

根據(jù)拾取的剩余時差，進行網(wǎng)格層析反演，將地下劃分為n個包含速度信息的立方體網(wǎng)格，與速度之間的關(guān)系可用矩陣表示：

(5)

其中，δti表示在方位道集上第i道的走時誤差，Dij表示道集中第i道在第j個網(wǎng)格中的射線路徑長度；δsi表示第j個網(wǎng)格中的慢度誤差.反演后得到不同方位的速度，利用速度參數(shù)進行橢圓擬合求取.通過之前求取的不同方位的群速度v和對應(yīng)的方位角α求解公式(6)，可獲得快速度vfast和慢速度vslow以及方位角φ.式(6)為：

(6)

3 應(yīng)用實例

將上述層析反演速度建模原理應(yīng)用于某工區(qū)寬方位地震數(shù)據(jù)的速度建模中，該工區(qū)寬方位資料采集為正交觀測系統(tǒng)，橫縱比為0.9，面元5 m×5 m，覆蓋次數(shù)為256次，屬于小面元、高覆蓋采集.將預(yù)處理后的CMP道集抽取到OVT域，得到OVT道集，OVT道集的個數(shù)與全區(qū)的覆蓋次數(shù)基本相同，為256個OVT道集.每個OVT道集是一個單次覆蓋數(shù)據(jù)體，具有統(tǒng)一的炮檢距和方位角.該寬方位數(shù)據(jù)建模之前需要進行預(yù)處理，主要包括：OVT域去噪、抽取OVT方位道集、針對OVT道集進行疊前規(guī)則化、偏移處理，這樣得到偏移后的方位各向異性道集保留有偏移距和方位角的信息，此時的方位道集不需要做各向異性處理，用于后續(xù)建模中剩余時差的拾取，偏移速度可作為速度建模的初始速度模型.圖5是常規(guī)深度偏移得到的CIG道集和OVT域深度偏移得到的方位各向異性道集，二者所用的速度模型是相同的，圖中綠色曲線是偏移距的變化，紫色曲線是方位角的變化，圖5a中CIG道集沒有體現(xiàn)方位的變化，所以紫色曲線是一條水平直線，而圖5b中方位各向異性道集的方位角是周期變化的.通過二者對比可以看出，常規(guī)深度偏移的CIG道集看似完全校平了，速度比較準確，但是在圖5b方位各向異性道集上存在明顯的隨方位起伏變化的時差現(xiàn)象，這個時差隨方位角有規(guī)律的變化，尤其是圖中2500～3000 m深處(紅色方框標(biāo)注處)，由此可說明現(xiàn)有的速度是不能將方位道集校平的.那么方位道集的時差究竟是速度模型精度不夠?qū)е碌倪€是地下方位各向異性特征的真實反映呢？通過研究認為，該地區(qū)偏移后的方位各向異性道集上產(chǎn)生的剩余時差是由于偏移速度模型的精度不夠?qū)е碌?由于常規(guī)偏移距域速度建模方法沒有考慮方位信息，速度反演和平滑是采用的大尺度速度參數(shù)，不能體現(xiàn)小尺度的速度擾動.按照原來的深度偏移和速度更新方法，即使速度平滑的尺度變小，也不能達到所需的精度.如果在OVT域?qū)挿轿粩?shù)據(jù)層析反演速度建模中將方位角信息加入到速度反演迭代中，且此過程中將平滑參數(shù)從相對大尺度逐步迭代為小尺度，解決速度細節(jié)問題，才能真正消除剩余時差的影響，因為速度變化的細節(jié)是解決剩余時差的關(guān)鍵因素.針對上述分析，在OVT域進行層析反演速度建模，采用Poisson算法在方位各向異性道集上進行剩余時差拾取，逐步迭代，速度網(wǎng)格參數(shù)逐步縮小，橫向和縱向平滑參數(shù)逐步縮小，橫向平滑參數(shù)由2800 m減小到1800 m到最終800 m，縱向平滑參數(shù)從600 m減小到400 m再到200 m，逐步提高地質(zhì)體成像精度.

圖5 CIG道集和方位各向異性道集的對比(a) 常規(guī)偏移的CIG道集； (b) OVT域偏移的方位各向異性道集.Fig.5 Comparison of the CIG gathers and the azimuth anisotropic gathers in OVT domain(a) CIG gathers of conventional migration； (b) Azimuth gathers anisotropic migration in OVT domain.

圖6a和圖6b分別為初始速度模型和OVT域?qū)游鏊俣确囱莸蟮玫降乃俣饶Ｐ?，可以看，通過OVT域?qū)游龇囱莸蟮玫降淖罱K速度更能夠很好的刻畫速度變化的細節(jié)(圖中2000 m以下).圖7為初始偏移的方位各向異性道集和迭代后最終偏移的方位各向異性道集，通過二者對比可以看出，初始偏移的道集上存在著很強的隨方位變化的剩余時差，通過迭代后，速度精度得到提高，方位各向異性道集得到了很好的校平，剩余時差得到了較好的消除(圖中紅色方框標(biāo)注處).由此可以看出，該地區(qū)方位道集上的剩余時差并不是地下方位各向異性特征的真實反映，而是由于速度模型的精度低導(dǎo)致的.雖然前期的處理中經(jīng)過多次的迭代不斷的提高速度精度，但是傳統(tǒng)的深度偏移速度建模中缺少方位信息，射線追蹤時也沒有考慮不同方位的變化，所以不能很好的刻畫速度變化的細節(jié)，因此只能反映大尺度的信息，而OVT域偏移能有效地保存方位信息，通過多次反演迭代，最終得到的速度模型能夠反演出小尺度的速度變化細節(jié).

圖6 OVT域初始速度模型(a)和最終迭代速度模型(b)的對比Fig.6 Comparison of the initial velocity model (a) and the final iterative velocity model (b) in OVT domain

圖7 OVT域初始偏移方位各向異性道集(a)和最終迭代偏移的方位各向異性道集(b)對比Fig.7 Comparison of the azimuth anisotropic gather of the initial migration (a) and the final iterative migration (b) in OVT domain

圖8為OVT域初始偏移和最終偏移剖面的對比，可以看出由于速度模型的不斷更新迭代能夠得到更精確的速度，使得最終偏移成像的精度大幅度提高，尤其是整個基底的輪廓非常清晰，很好的刻畫了整個構(gòu)造的細節(jié)變化，基底以下內(nèi)幕成像及陡傾角地層成像得到改進，地層接觸關(guān)系更清楚(圖中綠色橢圓標(biāo)注部分)，為后續(xù)的解釋、儲層預(yù)測提供了可靠的數(shù)據(jù)保障.

圖8 OVT域初始偏移剖面(a)和最終迭代偏移剖面(b)對比Fig.8 Comparison of the initial migration section (a) and the final iterative migration section (b) in OVT domain

4 結(jié)論

(1)當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)為方位各向異性介質(zhì)時，方位各向異性會導(dǎo)致剩余時差隨方位的變化，影響成像精度，地震成像處理過程中，消除方位各向異性可以減小剩余時差隨方位的變化，有利于進行同相疊加，提高成像精度.但是，在實際地震資料裂縫檢測中，需要利用方位道集的剩余時差進行各向異性分析，方位道集的剩余時差可能是由速度精度不高導(dǎo)致也可能是地下介質(zhì)真實的各向異性反映.

(2)常規(guī)層析反演速度建模方法沒有利用方位角的信息，OVT域全方位道集層析反演速度建模方法充分利用方位角信息的同時又能夠減少分方位的速度剩余時差拾取的工作量，更靈活有效，能夠很好地刻畫速度變化的細節(jié).

(3)實際資料應(yīng)用研究表明，OVT域全方位道集層析反演速度建模方法能夠很好地解決該區(qū)的剩余時差問題，將方位各向異性道集校平，由此可知，方位道集的剩余時差并非是該地區(qū)地下介質(zhì)方位各向異性的真實反映，而是由于速度精度不夠?qū)е碌?因此利用OVT域方位道集進行裂縫預(yù)測時，應(yīng)該消除由于速度精度不高帶來的誤差，這樣，在此基礎(chǔ)上進行各向異性分析和裂縫預(yù)測的結(jié)果才更可靠.

致謝感謝CGG地球物理公司及大慶油田勘探開發(fā)研究院提供技術(shù)支持.