基于井間地震數(shù)據(jù)逆時(shí)偏移的高陡傾角構(gòu)造成像研究

姚鳳鳴，霍 亮，任廣瑩，陳 偉

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065）

在地面地震勘探中只能夠接收到自下向上的反射波，但在井中不僅可以接收到自下向上的上行反射，還能夠得到自上向下的下行反射。VSP 地震是把震源布置在地表，通過(guò)井中接收的地震觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比于常規(guī)的地面地震勘探，VSP 地震勘探得到的波場(chǎng)信息十分豐富，時(shí)深關(guān)系也更為準(zhǔn)確，受地表及低降速帶的影響小，可以得到更高信噪比的地震信號(hào)。井間地震是把炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)置于相鄰的兩口井中，在目的層內(nèi)部進(jìn)行地震波的激發(fā)和接收，通過(guò)對(duì)地震記錄的處理分析來(lái)得到井間地下介質(zhì)關(guān)于空間分布以及地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)刻畫。

1986 年，CHANG Wenfong 等[1]將逆時(shí)偏移理論應(yīng)用于VSP 數(shù)據(jù)中，并對(duì)激發(fā)時(shí)間成像條件做出了相關(guān)研究。在國(guó)內(nèi)，也有不少學(xué)者針對(duì)井間地震逆時(shí)偏移成像進(jìn)行了研究，張昕[2]通過(guò)聲波方程有限差分算法實(shí)現(xiàn)了井間地震數(shù)據(jù)逆時(shí)偏移，驗(yàn)證了井間反射波成像的有效性。宋海燕[3]通過(guò)聲波方程有限差分法RTM 提取了縱橫波分量，對(duì)比發(fā)現(xiàn)橫波的成像效果優(yōu)于縱波。馮玉蘋[4]通過(guò)使用混合邊界條件、歸一化互相關(guān)成像條件、拉普拉斯算子濾波方法等將地面地震中的逆時(shí)偏移技術(shù)引入到井間地震成像中來(lái)，實(shí)現(xiàn)了橫波波場(chǎng)和縱波波場(chǎng)的獨(dú)立成像。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)VSP 技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在巖性勘探、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造成像、油氣開發(fā)領(lǐng)域都取得了一定的應(yīng)用效果[5]。劉詩(shī)竹等[6]采用互相關(guān)成像和拉普拉斯低頻噪聲壓制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VSP 數(shù)據(jù)逆時(shí)偏移的高精度成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大角度構(gòu)造的精細(xì)刻畫。唐國(guó)彬等[7]通過(guò)選取波場(chǎng)分離、Poynting矢量、拉普拉斯算子濾波等三種去噪方法，對(duì)不同模型進(jìn)行了測(cè)試，得到了較好的效果。趙超峰等[8]利用大陣列檢波器接收，炸藥與震源聯(lián)合采集的方法，基于射線追蹤矢量波場(chǎng)分離，VSP 數(shù)據(jù)與地面地震數(shù)據(jù)聯(lián)合各向異性速度建模，雙井Walkaway VSP 成像方法對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了高陡構(gòu)造地區(qū)的精細(xì)刻畫。楊飛龍等[9]基于高斯射線束的疊加成像方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜構(gòu)造VSP 數(shù)據(jù)成像，提高了VSP 成像的精度。王霽川等[10]基于黏聲逆時(shí)偏移成像方法，闡明了不同井型與井中地震逆時(shí)偏移成像質(zhì)量及范圍的定性關(guān)系，為井中觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。REN Zhiming 等[11]提出了聲波和復(fù)雜波場(chǎng)分離的VSP 逆時(shí)偏移，有效的抑制了低頻成像噪聲，提高了逆時(shí)偏移成像的精度。ZHONG Yu 等[12]提出了一種聯(lián)合逆時(shí)偏移方法，從VSP 數(shù)據(jù)中同時(shí)對(duì)反射波和多個(gè)波進(jìn)行聯(lián)合成像，提高了VSP 成像的質(zhì)量。陳可洋等[13]構(gòu)建了16 階有限差分精度的VSP 逆時(shí)偏移算子，提高了VSP 地震成像的精度。在前人研究基礎(chǔ)上，本文使用逆時(shí)偏移成像方法對(duì)復(fù)雜高陡傾角構(gòu)造地層在地面地震觀測(cè)系統(tǒng)、VSP 觀測(cè)系統(tǒng)和井間地震觀測(cè)系統(tǒng)下進(jìn)行精細(xì)成像研究，并利用本文研究方法對(duì)X 煤田高陡傾角煤層構(gòu)造進(jìn)行了成像試算，有效驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和穩(wěn)健性。

1 逆時(shí)偏移原理

逆時(shí)偏移成像的理論基礎(chǔ)來(lái)源于李志明等[14]提出的時(shí)間一致性成像原理，即地層反射面存在于地層內(nèi)下行波波至?xí)r間與某一上行波波至?xí)r間相一致處（圖1）。時(shí)間一致性成像原理最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是兩種波的零延遲互相關(guān)函數(shù)。這一理論最初是Claerbout 用來(lái)描述非零炮檢距數(shù)據(jù)的延拓成像，僅考慮一次反射波。實(shí)際上這個(gè)理論可以適用于所有路徑的波場(chǎng)成像。對(duì)于逆時(shí)偏移來(lái)說(shuō)，其成像點(diǎn)就是位于震源波場(chǎng)與接收波場(chǎng)時(shí)間相同之處。對(duì)于基于爆炸反射面的疊后偏移方法，由于震源位于反射面上，只需將接收波場(chǎng)外推到零時(shí)刻即可，即零時(shí)刻成像原理。零時(shí)刻成像原理屬于時(shí)間一致性成像原理的特例。

圖1 時(shí)間一致性成像原理

逆時(shí)偏移其實(shí)質(zhì)是正演模擬的逆過(guò)程，即從記錄到的最大時(shí)間開始逆時(shí)外推。逆時(shí)偏移分為三部分：（1）震源點(diǎn)波場(chǎng)的正向模擬；（2）接收點(diǎn)波場(chǎng)的逆時(shí)外推；（3）成像條件的應(yīng)用。

逆時(shí)偏移研究的基礎(chǔ)是震源點(diǎn)波場(chǎng)的正向模擬。本文采用互相關(guān)成像條件，震源波場(chǎng)的正向外推采用一階波動(dòng)方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分形式進(jìn)行。

（1）二維情況下位移形式的聲波方程表達(dá)式為：

式中：u（x，z，t）-聲波場(chǎng)；vp（x，z）-聲波速度。

（2）一階速度-應(yīng)力聲波方程交錯(cuò)網(wǎng)格差分格式。聲波一階速度-應(yīng)力方程的表達(dá)式為：

式中：vx、vz-質(zhì)點(diǎn)的速度；σ-法線應(yīng)力，；ρ-密度；vp-聲波速度。

對(duì)聲波方程應(yīng)用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分進(jìn)行逆時(shí)外推，高階有限差分逆推公式為：

（3）穩(wěn)定性條件。本文二維情況下使用的聲波方程空間2N 階差分精度的穩(wěn)定性條件是：

式中：V-模型中的速度最大值。

（4）吸收邊界條件。本文采用PML 吸收邊界條件，由聲波一階速度-應(yīng)力方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分格式推導(dǎo)出相應(yīng)的PML 方程為：

式中：d（x）和d（z）-x 和z 方向的衰減系數(shù)。

（5）互相關(guān)成像條件。通過(guò)互相關(guān)成像條件充分利用成像信息，可以對(duì)多個(gè)炮點(diǎn)激發(fā)進(jìn)行多次成像，既增強(qiáng)了成像信號(hào)，也有效抑制了成像噪聲。

傳統(tǒng)的互相關(guān)成像條件是：

式中：SS（x，z，t）-震源波場(chǎng)；RS（x，z，t）-逆時(shí)外推波場(chǎng)。

震源互相關(guān)成像和接收波場(chǎng)互相關(guān)成像可以抑制噪聲，震源互相關(guān)和接收波場(chǎng)互相關(guān)成像方程分別如下：

2 模型試算及實(shí)際資料應(yīng)用

本次模擬中，依據(jù)某地區(qū)的工程實(shí)測(cè)剖面圖建立符合該地區(qū)地質(zhì)概況的模型，模型的物性參數(shù)見表1，并采用三種不同的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行正演數(shù)值模擬。模型的空間大小為400×200（Nx×Nz），空間網(wǎng)格間距為5 m，激發(fā)震源均是中心頻率為20 Hz 的雷克子波，觀測(cè)系統(tǒng)為地面地震觀測(cè)系統(tǒng)和VSP 觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，上邊界采用自由地表邊界條件，其余三個(gè)邊界采用20 層CPML吸收邊界；針對(duì)井間地震觀測(cè)系統(tǒng)，炮檢點(diǎn)均在井中布設(shè)，故模型四周均采用20 層的CPML 吸收邊界條件，采樣間隔為0.875 ms，記錄時(shí)間為2 s。

表1 物性參數(shù)

2.1 地面地震觀測(cè)系統(tǒng)

采用地面地震觀測(cè)系統(tǒng)（圖2）時(shí)，炮點(diǎn)布設(shè)在x方向50～1 950 m，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)的深度都為10 m，炮間距為50 m，共39 炮激發(fā)；一組雙分量檢波器同樣布設(shè)在x 方向50～1 950 m，道間距為20 m，共96 道接收。從波場(chǎng)記錄（圖3）來(lái)看，對(duì)水平地層的反射明顯。

圖2 試算模型及地面地震觀測(cè)系統(tǒng)

圖3 中間炮正演記錄（a.X 分量，b.Y 分量）

2.2 VSP 觀測(cè)系統(tǒng)

采用VSP 觀測(cè)系統(tǒng)（圖4）時(shí)，炮點(diǎn)與地面地震觀測(cè)系統(tǒng)一致，布設(shè)在x 方向50～1 950 m，將雙分量檢波器放置于接收井中，接收井的坐標(biāo)為（1 000，0）處，檢波器的深度在200～800 m，道間距為10 m，共61 道接收。從波場(chǎng)記錄（圖5）來(lái)看，波場(chǎng)信息較豐富，記錄中上行反射十分明顯。

圖4 試算模型及VSP 觀測(cè)系統(tǒng)

圖5 中間炮正演記錄（a.X 分量，b.Y 分量）

2.3 井間地震觀測(cè)系統(tǒng)

采用井間地震觀測(cè)系統(tǒng)（圖6）時(shí)，激發(fā)井的坐標(biāo)為（300，0）處，深度在50～950 m，炮間距為20 m，共46炮激發(fā)；將雙分量檢波器放置于接收井中，接收井的坐標(biāo)為（1 700，0）處，檢波器的深度在50～950 m，道間距為10 m，共91 道接收。從波場(chǎng)記錄（圖7）來(lái)看，直達(dá)波受到煤層的干擾，地層中夾雜的煤層反射很明顯。

圖6 試算模型及井間地震觀測(cè)系統(tǒng)

圖7 中間炮正演記錄（a.X 分量，b.Y 分量）

2.4 成像結(jié)果對(duì)比

對(duì)比成像結(jié)果（圖8）可以看出，地面地震逆時(shí)偏移成像對(duì)傾角不大的地層具有良好的成像效果，而面對(duì)高陡傾角地層時(shí)不能清晰刻畫其特征。從圖8b 的成像結(jié)果來(lái)看，VSP 逆時(shí)偏移成像結(jié)果優(yōu)于地面地震成像結(jié)果，但是大井源距處高陡傾角構(gòu)造成像效果一般，這是因?yàn)榕邳c(diǎn)距離檢波點(diǎn)較遠(yuǎn)，有效反射信息未經(jīng)過(guò)高陡傾角構(gòu)造。從圖8c 可以看出，井間地震逆時(shí)偏移在高陡傾角構(gòu)造成像中效果最好，目標(biāo)體位于兩井之間，有效地震波場(chǎng)經(jīng)過(guò)了高陡傾角構(gòu)造，故而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精細(xì)成像。通過(guò)對(duì)高陡傾角地層構(gòu)造進(jìn)行試算結(jié)果表明，井間地震方法能夠解決高陡傾角地層成像問題，對(duì)高陡傾角煤層安全高效開采提供技術(shù)保障。

圖8 a.地面地震成像結(jié)果；b.VSP 成像結(jié)果；c.井間地震成像結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地面地震、VSP 和井間地震逆時(shí)偏移成像方法進(jìn)行對(duì)比分析，地面地震逆時(shí)偏移方法能夠?qū)πA角地層準(zhǔn)確成像，但是高陡傾角地層構(gòu)造因在地面激發(fā)和接收地震波，有效地震波場(chǎng)未能經(jīng)過(guò)高陡傾角地層，故而對(duì)高陡傾角地層成像效果不好。VSP 逆時(shí)偏移方法在高陡傾角地層成像中效果優(yōu)于地面地震逆時(shí)偏移方法，但大井源距處因炮檢點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，有效反射信息較少，成像效果受到了限制。而在近井源距處，受初至波場(chǎng)影響，VSP 逆時(shí)偏移會(huì)在井旁出現(xiàn)一條強(qiáng)能量條帶。井間地震逆時(shí)偏移對(duì)高陡傾角地層構(gòu)造成像效果最好，能夠清晰刻畫兩井之間復(fù)雜構(gòu)造特征，且干擾較小。因此，井間地震逆時(shí)偏移成像方法能夠解決高陡傾角地層準(zhǔn)確成像問題，對(duì)高陡傾角地層構(gòu)造勘探開發(fā)研究具有一定的指導(dǎo)意義。