渤海灣海陸過渡帶Q疊前深度偏移方法

陳見偉 葉月明 鐘世超 常少英

(中國石油杭州地質研究院，浙江杭州 310023)

0 引言

渤海灣盆地南堡凹陷海陸過渡帶的地下構造復雜，由于地表及地下黏彈介質吸收，導致地震波能量衰減嚴重，造成地震信號強度和頻帶寬度的損失，因此需要研究有效的地震成像方法[1-2]。深部地震數據通常具有能量弱、頻率低、子波形狀畸變等特點[3-5]，信噪比和分辨率較低，進而影響地震勘探精度。在對此類地區的地震數據成像時，需要考慮由非彈性介質造成的振幅衰減、頻率下降和相位畸變等因素[6-7]。為此，需要補償地震波能量在地層中的衰減。總體而言，地震波能量衰減補償主要有兩大類方法。

一是直接作用在地震記錄上的補償方法，在時間域或頻率域提高地震記錄的分辨率，在處理過程中不考慮地震波的傳播路徑，反Q濾波[6，8-9]和時頻分析是常用的處理方法。反Q濾波是一種補償大地衰減效應的方法，是均勻時變的，其算法不受噪聲影響。一般求反Q濾波中的大地品質因子Q值采用Q掃描和譜分析兩種方法。前者類似于速度掃描或頻率掃描，屬于一種定性分析方法；后者是一種定量估算方法，采用最小二乘法將譜的衰減趨勢擬合為一條直線，振幅衰減的變化量和頻率的變化量的比值恰為該直線的斜率，此斜率與Q的倒數成正比。時頻分析方法是通過分析地震數據的頻率、能量進行能量補償，其基本思想是：地震波的高頻部分要比低頻部分衰減更嚴重，將原始地震數據進行時頻分析，依據不同時間、不同頻率信號的能量關系，對不同的頻率成分乘以對應的時變補償系數，以補償不同時間、不同頻率成分地震波的能量[8-9]。上述方法并沒有考慮地震波的傳播路徑，然而實際地震波的能量衰減是與傳播路徑密切相關的。

二是考慮了地震波傳播路徑的Q偏移補償方法，主要包括單程波補償偏移[10-12]、衰減補償逆時偏移[13-16]和衰減補償高斯束偏移[13，17]等。然而Q偏移補償方法的實際應用較少，尤其在海陸過渡帶。Q偏移補償方法在理論上嚴格按照地震波的傳播路徑補償和校正地震波傳播過程中介質的非彈性吸收頻散效應，可以有效提高深層地震信號的分辨率，從而更好地提高地震成像精度[18-19]。

通常Q偏移補償方法的步驟主要分兩步。第一步是估計Q模型。品質因子Q是量化地震波衰減和頻散的重要參數，在非完全彈性介質中Q值越小，地震波在傳播過程中的衰減越嚴重。提取Q值的方法較多，總體上分為時間域與頻率域兩類。第一類包括子波模擬法、上升時間法和振幅衰減法等[20]。第二類包括譜比法[6，21-22]、質心偏移法[23]和頻域屬性組合等方法，基于提取的有效Q值，利用反演優化算法計算精確的Q模型，其中譜比法應用最廣泛。第二步是基于得到的Q模型進行Q偏移成像。

本文利用Q層析建立渤海灣盆地南堡凹陷海陸過渡帶的衰減模型，利用Q偏移補償方法同時提高深部數據的能量及主頻，以有效提高偏移剖面的成像分辨率、信噪比和保真度，并校正相位畸變，最終提高構造解釋精度。

1 方法原理

1.1 Q初始速度場建模

利用VSP資料計算目標區域地層的Q值，選擇最終的疊前偏移速度場并進行插值處理，然后將插值處理后的疊前偏移速度場轉換為地震道；以對應位置井的速度為標準值，以其他道的速度與標準值的比值為速度模型比例因子，建立目標區域地層的速度模型比例因子三維模型；利用上述模型的比例因子變化與目標區域地層的Q值變化的一致性，水平外推目標區域地層的Q值，從而建立三維初始Q體模型。

1.2 Q層析反演

品質因子Q是度量地層衰減的重要參數，目前理論和實驗均表明，巖石類型、孔隙度和流體飽和度是影響Q值的關鍵因素[24]。Q層析成像反演(衰減旅行時間層析反演)是一種基于衰減旅行時的反演方法，被定義為由有效Q值的一定權重表示的運動行波時間反演。首先獲取地震反射波信號；然后再進行Q層析反演，主要是基于反射波的傳播時間和衰減信息獲得地下Q值的分布，其思想是不斷更新迭代Q模型，進而使反演結果最優(即最接近地下真實地層情況)。在連續模型中，衰減旅行時被定義為[7]

(1)

(2)

式中：υi,j,k為離散模型在(i,j,k)處的速度，i,j,k分別為笛卡爾坐標系中x,y,z方向的離散模型的編號；lr:i,j,k為第r條射線經過(i,j,k)處離散模型的長度;tr:i,j,k為第r條射線經過(i,j,k)處離散模型所需的時間；Qi,j,k為(i,j,k)處的Q值。將所有參與計算的方程聯立為方程組，可以得到

(3)

(4)

(5)

(6)

Qn+1=Qn+ΔQ

(7)

迭代更新Q模型。式中n為層析成像的迭代次數。設初始模型為Q0，通過不斷重復式(4)～式(7)進行迭代，直至層析結果達到精度要求為止。

1.3 Q疊前深度偏移

由層析反演得到Q場，結合疊前深度偏移得到速度場用于Q疊前深度偏移，以減少由偏移引起的振幅、頻率和相位變化的影響[7，12，25]。由聲波速度場c0(x)和Q場構造的復波速為

(8)

式中：ω為角頻率；ω0為參考角頻率。由

(9)

計算復旅行時。式中：T(x)為旅行時；T′(x)為振幅補償項，即

(10)

式(9)中第一項為偏移的運動學信息(由射線追蹤或求解程函方程獲得)，可以通過常規聲波介質旅行時計算方法求取；第二項為地震波振幅補償項；第三項為頻散相位畸變校正項。基于Q場的Kirchhoff疊前深度偏移積分公式為

(11)

式中：u(x)表示偏移剖面；A(x,xS)為振幅權重因子，xS為地表檢波器位置；D(xS,ω)為頻率域地震數據；F(ω)為頻率域的相移因子；τ(x,xS)為從成像點到檢波點的雙程旅行時間。在彈性介質中τ(x,xS)為實數形式，在非完全彈性介質中，其表達為復數形式(式(9))[25]。

2 實際資料應用

Q疊前深度偏移實現過程分兩步。首先，由層析反演得到Q場。其次，開展Q疊前深度偏移計算。Q疊前深度偏移采用基于保幅Kirchhoff疊前深度偏移的地震成像方法，在偏移過程中考慮了沿不同路徑傳播的地震波衰減，從能量歸位和衰減補償兩方面提高偏移成像質量，進而提高地震資料處理精度，滿足屬性反演和儲層預測的需要，為巖性識別和油氣檢測提供可靠的數據基礎。圖1為A區M測線基于衰減旅行時的Q值層析剖面和偏移成像剖面疊合。由圖可見，剖面內Q值分布范圍為50～380，淺部Q值較小，對地震波的衰減較嚴重，深部的Q值較大，符合Q值分布規律。

圖1 A區M測線基于衰減旅行時的Q值層析剖面和偏移成像剖面疊合

圖2為由井1、井2的VSP數據獲得的Q值與對反射數據進行Q層析獲得的Q值對比。由圖可見，由VSP數據和反射數據Q層析得到的Q值的變化趨勢一致，但由于前者的空間采樣密度較高，其中包含較多高頻信息，后者的Q值分布細節不如前者豐富。

圖2 由井1(a)、井2(b)的VSP數據獲得的Q值與對反射數據進行Q層析獲得的Q值對比

利用Q值層析獲得A區的Q場分布后，再利用Q-Kirchhoff疊前深度偏移方法進行Q疊前深度偏移成像(圖3)。可見，Q疊前深度偏移剖面(圖3b)較常規疊前深度偏移剖面(圖3a)的成像效果更好(尤其是在紅色箭頭處)，表現為：①明顯提高了中深層的信噪比，波組特征清楚，構造形態清晰(圖3b)；②恢復了中深層同相軸的頻率和振幅，部分由于衰減引起的頻率降低而混疊的同相軸得到分離。

在非完全彈性介質中，能量吸收不僅導致深層反射波的能量衰減和相位偏移，而且會降低反射波的頻率。圖4為圖3a和圖3b的頻譜。由圖可見，Q偏移不僅可以補償偏移結果的深部振幅，同時也可以提升偏移結果的數據主頻，并提高了疊前深度偏移結果的分辨率(圖4b)。

圖3 N測線常規疊前深度偏移剖面(a)和Q疊前深度偏移剖面(b)對比

圖4 圖3a(a)和圖3b(b)的頻譜

圖5為L測線Q-Kirchhoff疊前深度偏移結果和常規Kirchhoff疊前深度偏移結果對比。由圖可見：①在時間域基于Q-Kirchhoff疊前深度偏移結果(圖5a)和常規Kirchhoff疊前深度偏移結果(圖5b)的主頻存在較大差異。如，圖5a的主頻、分辨率更高，圖5b的部分相鄰反射同相軸相互混疊，分辨率較低。②在圖5a中存在強烈反射層位置的伽馬曲線也呈劇烈變化，說明Q偏移結果與測井數據匹配較好；圖5b的偏移結果與測井數據匹配略差。

圖5 L測線Q-Kirchhoff疊前深度偏移結果(a)和常規Kirchhoff疊前深度偏移結果(b)對比

3 結束語

渤海灣盆地海陸過渡帶的地下構造復雜，由于地表及地下黏彈介質吸收，導致地震波能量衰減嚴重。本文應用Q疊前深度偏移，利用Q層析方法獲得了Q模型，基于Q模型進行Kirchohoff疊前深度偏移成像，有效補償了振幅、校正了相位畸變，提高了深部數據的信噪比、保真度及構造解釋精度。