中國西部雙復(fù)雜探區(qū)典型三維正演模型的建立和正演模擬

關(guān)鍵詞：典型模型，前陸盆地，正演模擬，雙復(fù)雜探區(qū)，彈性介質(zhì)，黏彈介質(zhì)，各向異性 中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.20250041

Abstract： The typical 3D numerical model and seismic simulation are of great significance for the study of seis mic processng and interpretation methods，as they can test and validate the efectiveness.of various new technologies and approaches. In the double-complex exploration areas in western China，where both neasurface and subsurface structures present significant complex，there have long been challnges of difficult seismic migration imaging and delineation of structures，making it urgent to build a typical 3D model and forward modeling data thatrepresent the double-complex characteristics of China’s foreland basins.By taking：the representative double-complex area of the Keshen block in the Kelasu area in western China as an example，this paper combines the typical surface and subsurface geological and geophysical features of foothillareas in the western foreland basins and fully utilizes data of seismic depth migration velocity，acoustic logging，VSP logging，and uphole survey to construct typical numerical models for double-complex exploration zones in western China（BGPDCGModels）. The BGP-DC2GModels include an acoustic velocity model，an isotropic elastic medium model， TTI/TORT models，and a viscoelastic medium model，typicall featuring complex near-surface conditions，complex subsurface structures，a：high-speed conglomerate fan body，salt-gypsum formations，detachment layers （coal seams），a Q anomaly，and anisotropy. Based on the BGP-DC2GModels，five sets of high-quality forward modeling data for surface and borehole 3D observation are generated by adopting the spectral-element method，

includig the isotropic acoustic wave，isotropic elastic wave，isotropic viscoelastic wave，TTI viscoelastic wave， and TORT viscoelastic wave. Additionally，the acoustic reverse time migration and anisotropic reverse time migrationresults of the data are compared and analyzed，further demonstrating that typical models and numerical simulation data can test and validate the effectiveness of new acquisition，processing，and interpretation methods.

Keywords：typical model，foreland basin，forward modeling，double-complex exploration area，elastic medium， viscoelastic medium，anisotropy

李培明，于海生，武威，等。中國西部雙復(fù)雜探區(qū)典型三維正演模型的建立和正演模擬[J].石油地球物理勘探， 2025，60（4） ：937-950.

LI Peiming，YU Haisheng，WU Wei，et al.Typical 3D forward model building and seismic simulation in dualcomplex exploration areas of western China[J]. Oil Geophysical Prospecting，2025，60（4）：937-950.

0 引言

地震正演模擬是通過數(shù)值或物理方法模擬地震波在地下介質(zhì)傳播的過程，對(duì)認(rèn)識(shí)地震波傳播規(guī)律、進(jìn)行地震屬性研究、驗(yàn)證地震資料地質(zhì)解釋、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層等均具有重要的理論和實(shí)際意義[。因此，業(yè)界非常重視標(biāo)準(zhǔn)模型的建立和模型正演工作。國際上，SEG、EAGE學(xué)會(huì)以及BP等石油公司先后構(gòu)建了Sigsbee、Marmousi、三維鹽丘等一系列典型模型[2-3]。尤其是SEG組織的SEAM項(xiàng)目，從20O7年到2020年，歷時(shí)14年，建立了多種不同復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造的典型數(shù)值模型，并形成了各向同性/各向異性（VTI/TTI/TORT（傾斜正交各向異性））/黏彈介質(zhì)的聲波、彈性波正演模擬數(shù)據(jù)。這些模型已成為國際上進(jìn)行地震方法研究的標(biāo)準(zhǔn)模型，被國內(nèi)外院校、企業(yè)的地球物理研究人員廣泛使用，每年利用這些模型的研究論文上萬篇[4-5]。但這些地震一地質(zhì)模型大多針對(duì)墨西哥灣地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，其主要的地質(zhì)問題是高速鹽丘及鹽下成像，勘探環(huán)境主要是海洋。雖然在SEAM項(xiàng)目II期中構(gòu)建了Arid、Foothill兩個(gè)相對(duì)復(fù)雜的陸上模型，但Arid模型聚焦中東沙漠環(huán)境特征，包括巖溶結(jié)構(gòu)以及松散的近地表沉積物；Foothill模型則是以南美洲Llanos盆地為基礎(chǔ)構(gòu)建的山前帶模型，側(cè)重于山區(qū)特征，包括陡峭地形和表面松軟的沖積扇，以及由褶皺和逆沖構(gòu)造構(gòu)成的深層復(fù)雜結(jié)構(gòu)[7-9]。

目前針對(duì)中國前陸盆地地質(zhì)特征的典型正演模型較少且主要以二維模型為主，比如代表中國西部山地特點(diǎn)的BGP二維典型模型和代表中國東部斷陷盆地特點(diǎn)的勝利油田典型二維模型[]。中石化集團(tuán)針對(duì)中國南方海相碳酸鹽巖地區(qū)的勘探問題于2009年建立了一個(gè)南方海相三維模型，并由同濟(jì)大學(xué)董良國教授完成了彈性波模擬。王勤耕等[12]針對(duì)龍門山北段逆掩推覆構(gòu)造構(gòu)建了三維地球物理模型，并利用正演模擬數(shù)據(jù)論證觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。但這些模型大多僅供內(nèi)部使用，沒有形成開放、代表中國陸上地質(zhì)特點(diǎn)的三維典型正演模型。

中國西部塔里木、準(zhǔn)噶爾等前陸盆地是國內(nèi)重要的油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域[13]。西部前陸盆地山前探區(qū)具有雙復(fù)雜特點(diǎn)[14-17]，其主要表現(xiàn)為：地表起伏、高陡地層出露、近地表發(fā)育礫巖沖積扇、近地表速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫向變化大；地下高速礫巖扇體、復(fù)雜逆沖及逆掩推覆斷塊發(fā)育；膏鹽發(fā)育導(dǎo)致地層橫向變速劇烈、波場復(fù)雜；地震成像困難，構(gòu)造長期落實(shí)不準(zhǔn)，對(duì)地震采集、處理及解釋尤其是偏移成像帶來了極大挑戰(zhàn)。基于典型地質(zhì)模型進(jìn)行方法驗(yàn)證很有必要。SEAM項(xiàng)目組建立的Foothill山前帶模型、Arid沙漠區(qū)模型與中國西部的雙復(fù)雜探區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)仍然存在較大差異，對(duì)國內(nèi)雙復(fù)雜探區(qū)的成像處理方法研究具有一定參考意義但局限性很大。為了對(duì)中國西部雙復(fù)雜探區(qū)的各種地震處理方法進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，建立代表中國前陸盆地雙復(fù)雜地質(zhì)特征的三維典型正演模型非常必要。因此，本文以西部雙復(fù)雜典型代表的克深區(qū)塊為基礎(chǔ)，綜合考慮了西部前陸盆地山前帶地表和地下典型地質(zhì)特點(diǎn)，利用地震、近地表層析、偏移速度、聲波測井、VSP測井、微測井等多種資料建立了中國西部雙復(fù)雜典型三維地質(zhì)模型（BGP-DCGModels），并開展了各向同性聲波、各向同性彈性波、各向同性黏彈性波、TTI黏彈性波、TORT黏彈性波正演模擬。

1 目標(biāo)區(qū)地震、地質(zhì)背景

克深區(qū)塊位于塔里木盆地克拉蘇一依奇克里克構(gòu)造帶西部，是庫車坳陷天然氣富集區(qū)，近年來相繼發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大氣田。克深區(qū)塊整體地質(zhì)特征表現(xiàn)為近地表起伏且高陡地層出露、礫巖沖積扇發(fā)育、近地表速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜、縱橫向速度變化大、地下逆沖推覆和滑脫斷裂發(fā)育，具有鹽上地層、鹽內(nèi)地層、鹽下地層“整體擠壓，分層變形\"的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其中古近系庫姆格列木群發(fā)育一套膏泥巖、鹽巖層，是一個(gè)區(qū)域構(gòu)造滑脫面，滑脫面上、下為兩個(gè)構(gòu)造層。鹽下中新生界構(gòu)造層發(fā)育典型的雙滑脫逆沖推覆構(gòu)造，鹽上構(gòu)造層沿鹽層向上發(fā)育頂蓬構(gòu)造和逆沖推覆構(gòu)造，橫向變速劇烈（圖1）。這種地表和地下雙復(fù)雜特點(diǎn)導(dǎo)致地震波場復(fù)雜、散射嚴(yán)重、信噪比低，地震資料靜校正問題嚴(yán)重，深度速度模型建立困難，地震成像無法落實(shí)地下構(gòu)造，長期以來給地震采集、處理技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)，是西部前陸盆地“雙復(fù)雜”探區(qū)典型代表之一。選擇克深區(qū)塊為藍(lán)本并綜合西部復(fù)雜山地主要地質(zhì)特點(diǎn)建立西部雙復(fù)雜典型地質(zhì)模型具有可行性，對(duì)西部雙復(fù)雜探區(qū)的地震采集、處理、解釋方法研究具有普遍的參考意義。

圖1克深區(qū)塊典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面

2 三維雙復(fù)雜典型正演模型設(shè)計(jì)

根據(jù)克拉2、克深6和克深2等主體構(gòu)造成像的需要，將模型設(shè)計(jì)為滿覆蓋面積約 210km² 。為了盡可能多的應(yīng)用該區(qū)域的VSP和聲波測井等資料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的滿覆蓋要求，實(shí)際建模區(qū)域進(jìn)行了外擴(kuò)，面積約為 1800km² 。為了兼顧地表和深層特點(diǎn)，模型設(shè)計(jì)深度范圍為 -2.5～15.0km ，速度模型橫向網(wǎng)格尺寸為 20m 、縱向?yàn)?8m 。

為了建立具有典型“雙復(fù)雜\"特征的深度地質(zhì)模型，采用將模型先分解為近地表和地下兩部分分別建模、再合并的思路。模型不僅要考慮地表、地下雙復(fù)雜區(qū)的地震地質(zhì)特征，還要考慮地下復(fù)雜介質(zhì)的速度、密度、各向異性、吸收等物性和彈性參數(shù)，又要在抽象復(fù)雜區(qū)典型的地震地質(zhì)特征的同時(shí)，能夠充分體現(xiàn)目標(biāo)區(qū)實(shí)際情況。因此，建立理論模型時(shí)面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）如何建立能夠反映該區(qū)復(fù)雜的近地表模型，包括起伏劇烈地表，速度/厚度橫向變化劇烈、吸收嚴(yán)重的低降速帶等。

（2）如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜逆掩推覆構(gòu)造整體建模、多信息約束的高精度速度建模、高速礫巖扇體和膏巖體速度設(shè)計(jì)及各向異性參數(shù)設(shè)計(jì)等。

（3）近地表與中深層模型融合。由于高速地層出露和近地表速度劇烈變化，如何選擇合理的拼接面、建立一個(gè)能反應(yīng)近地表與深部特征的完整的速度模型。同時(shí)，需要消除深淺模型拼接面容易出現(xiàn)速度異常點(diǎn)，以保證淺層速度的連續(xù)性、拼接面局部光滑等。

2.1近地表模型構(gòu)建

復(fù)雜的近地表是地震勘探最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近地表特有的“自由面、低速度、高吸收”等特征，以及復(fù)雜的地表形態(tài)，嚴(yán)重影響著地震資料采集的品質(zhì)和最終的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，主要包括激發(fā)和接收條件差、地震波能量衰減嚴(yán)重和靜校正問題突出等。激發(fā)條件不理想必將導(dǎo)致地震子波的品質(zhì)下降；疏松的近地表地震一地質(zhì)條件則會(huì)引起地震波能量被強(qiáng)烈吸收；近地表介質(zhì)與自由表面相互作用產(chǎn)生面波、轉(zhuǎn)換波和其他次生干擾等，波場復(fù)雜化，降低了地震資料的信噪比和分辨率；起伏的地表及復(fù)雜的近地表地層結(jié)構(gòu)會(huì)帶來嚴(yán)重的靜校正問題，并影響后續(xù)的速度分析、動(dòng)校正、水平疊加和偏移成像等處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量[18]。典型的西部復(fù)雜區(qū)近地表模型應(yīng)該考慮低速、低Q、自由面等因素對(duì)地震波場的影響。

克深地區(qū)地表起伏劇烈，且高陡地層出露、礫巖沖積扇發(fā)育，近地表速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近地表建模時(shí)綜合利用初至層析反演結(jié)果、微測井以及高速頂界面信息建立縱波速度模型，然后按照區(qū)域地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立橫波速度和密度以及 Q 參數(shù)模型。模型表面是根據(jù)該區(qū)三維地震采集時(shí)炮、檢點(diǎn)實(shí)際空間坐標(biāo)和高程通過三維內(nèi)插得到。

2.1.1近地表縱波速度模型建立

為了建立典型淺表層縱波速度 （v_P） 模型，首先利用微測井約束的初至層析方法得到該區(qū)的近地表速度，但速度普遍偏高。為了較真實(shí)地反映該區(qū)的低速特征，利用已有克深三維的微測井網(wǎng)格化數(shù)據(jù)對(duì)層析的速度模型進(jìn)行調(diào)整。

通過綜合分析利用該區(qū)地質(zhì)露頭調(diào)查、微測井、初至層析等近地表信息，建立了具有高速層出露、速度和厚度變化大的典型西部近地表特征模型（圖2），具有“北側(cè)薄、南側(cè)厚、中間高速層出露\"特征，低速層厚度為 5～300m ，速度為 600～2500m/s 。

圖2近地表縱波速度剖面

2.1.2近地表橫波速度模型設(shè)計(jì)

在地表縱波速度模型建立基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)縱、橫波速度 （v_S） 變化規(guī)律得到建模區(qū)域近地表縱橫速度比參考曲線（圖3a），速度比變化遵循如下原則：

（1）縱波和橫波的高速頂界面可能不一致，橫波是巖層界面，縱波是潛水面；

（2）如縱波不存在速度反轉(zhuǎn)，橫波也不存在反轉(zhuǎn)；

（3）考慮正演模擬計(jì)算效率，橫波速度不宜太低。

基于上述原則和速度比參考曲線得到的近地表橫波速度模型如圖3b所示，淺層橫波速度的范圍為400～1000m/s， 0

圖3淺層橫波速度模型設(shè)計(jì)

2.1.3近地表密度模型設(shè)計(jì)

在速度模型建立基礎(chǔ)上，本文采用Castagna提出的經(jīng)驗(yàn)公式

ρ=1.66v_P^0.261

將縱波速度轉(zhuǎn)換為密度 （ρ） 。近地表密度模型如圖4所示，值域?yàn)?2.35～2.50g/cm³

圖4近地表密度模型

2.1.4近地表 Q 模型設(shè)計(jì)

由于受不同充填物、孔隙度、飽和度的影響，地下介質(zhì)通常是黏滯的，導(dǎo)致地震波振幅的嚴(yán)重衰減和相位延遲，嚴(yán)重影響地震成像、儲(chǔ)層預(yù)測、油氣檢測、AVO分析等。尤其是近地表地層，由于壓實(shí)作用弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且疏松、非均質(zhì)性強(qiáng)、速度變化快等，大地濾波作用的影響更嚴(yán)重。而且近地表地震地質(zhì)條件越復(fù)雜，這種吸收衰減效應(yīng)越嚴(yán)重[19]。

為了模擬近地表吸收衰減效應(yīng)，本文利用塔里木盆地烏依塔格地區(qū)的近地表縱波速度和 Q 值的統(tǒng)計(jì)擬合關(guān)系（圖5a），轉(zhuǎn)換得到該區(qū)的近地表 Q 模型（圖5b）， Q 值的變化范圍為 10～90 。

（a）近地表縱波速度和 Q 的擬合關(guān)系

圖5近地表 Q 值模型設(shè)計(jì)

2.2深部模型構(gòu)建方法

深部模型構(gòu)建首先要建立精細(xì)的逆掩推覆構(gòu)造模型。然后在逆掩推覆構(gòu)造約束下，建立精細(xì)的三維速度模型。為了表征中國西部雙復(fù)雜探區(qū)的典型地質(zhì)特征及對(duì)應(yīng)的地震勘探挑戰(zhàn)，本文充分融合了構(gòu)造模型、VSP測井、聲波測井、偏移速度模型、先驗(yàn)地質(zhì)模式與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律等多種參數(shù)信息，建立了背景縱波速度模型，并添加了高速礫巖扇體、膏鹽體和煤層。在此基礎(chǔ)上建立了橫波速度、密度、 Q 值、各向異性等彈性參數(shù)模型，共形成模型20套。

2.2.1三維構(gòu)造模型建立

為建立三維構(gòu)造模型，共解釋逆沖斷裂和滑脫斷裂22條，層位解釋按照逆斷層分片解釋原則，從上至下解釋了 N₂k.N_1-2k.N₁j.E_1-2km₁.E.，K.J₂kz.T 共8套層位，總計(jì)57片。并在淺層解釋2套層位以進(jìn)一步刻畫淺層的構(gòu)造形態(tài)以控制淺層速度變化。解釋方案可以控制從淺至深的速度變化，能較好地體現(xiàn)逆掩構(gòu)造及疊瓦斷塊區(qū)域的速度變化，可以滿足后續(xù)速度建模的要求。

克深模型與Foothill模型均屬于復(fù)雜逆掩推覆構(gòu)造模型。Foothill模型包含6條逆斷層，而克深模型包含22條復(fù)雜交切的逆斷層并將層位分割成了57片。因此，克深模型無論是構(gòu)造和速度均比Foothill模型復(fù)雜得多，深部三維構(gòu)造建模對(duì)建模軟件和方法都極具挑戰(zhàn)。

本文采用GeoEast新一代地質(zhì)建模軟件系統(tǒng)開展構(gòu)造建模，通過基于隱函數(shù)的復(fù)雜構(gòu)造建模技術(shù)，無需對(duì)解釋成果簡化即可高效建立克深三維正演整體構(gòu)造模型（圖6a）。該構(gòu)造模型精確地再現(xiàn)了陡傾角地層出露地表被剝蝕、逆沖與逆掩推覆斷層切割膏巖體及其上下地層單元的特點(diǎn)。圖6b是過構(gòu)造模型中心位置的剖面，從剖面圖可以觀察到所建立的構(gòu)造模型精確地刻畫了模型內(nèi)部斷層與斷層、層位與層位之間的接觸關(guān)系。

圖6克深構(gòu)造模型

2.2.2縱波速度模型建立

在構(gòu)造建模的基礎(chǔ)上建立縱波背景速度模型。克深區(qū)塊經(jīng)過多輪次勘探和開發(fā)積累了豐富的地震和測井資料。首先，對(duì)聲波測井曲線進(jìn)行低通濾波，獲得與VSP速度曲線頻率一致的聲波速度曲線；針對(duì)每口井VSP和聲波曲線頂?shù)撞糠秩笔У膯栴}，在地震數(shù)據(jù)和偏移速度模型約束下，利用人工智能測井曲線重構(gòu)方法補(bǔ)齊；再根據(jù)速度建模精度需求對(duì)VSP曲線做進(jìn)一步濾波；最后，綜合利用聲波測井、VSP、疊前深度偏移速度模型等多種速度信息，在構(gòu)造模型約束下插值、充填建立縱波背景速度模型。

復(fù)雜逆掩和逆沖推覆構(gòu)造顯著增加了精細(xì)速度建模難度。Foothill模型的建立方法是在宏觀模型基礎(chǔ)上顯式插入大量小層，再在每一層中顯式生成油藏網(wǎng)格，然后利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)插值建立速度模型，最后按照對(duì)應(yīng)關(guān)系再重采樣到地震網(wǎng)格得到精細(xì)的速度模型。這種方式導(dǎo)致斷層附近很多地方屬性分布過度不自然，也是Foothill整個(gè)建模過程中最麻煩、最耗時(shí)的步驟。

克深構(gòu)造模型建立得益于GeoEast新一代隱函數(shù)建模技術(shù)，可以隱式地提供地層單元內(nèi)部精細(xì)層序結(jié)構(gòu)，無需顯式插入大量層位細(xì)化模型。利用疊前深度偏移速度模型等資料，在層序結(jié)構(gòu)模型約束下可以高效建立背景縱波速度模型，速度模型與整體構(gòu)造區(qū)趨勢一致，膏巖以上地層速度范圍為 500～ 4500m/s， 膏巖以下地層速度范圍為 5400～6318m/s 。

鑒于克拉蘇膏巖內(nèi)部速度變化小，一般在 4100m/s 并存在一些隨機(jī)速度異常。膏巖內(nèi)部速度建立時(shí)，建立背景速度為 4100m/s 初始背景速度模型，然后單獨(dú)對(duì)膏巖部分利用稀疏脈沖反演方法獲得一些隨機(jī)分布的高速異常，保證膏巖體的整體速度在 4100～ 4175m/s 變化（圖7a）。然后利用GeoEast建模軟件中地層單元約束的多屬性體融合功能將膏巖速度模型與背景速度模型合并。

針對(duì)該地區(qū)深部發(fā)育厚煤層對(duì)下部信號(hào)屏蔽的特點(diǎn)，在深部滑脫斷面附近設(shè)計(jì)并插入一套較厚煤層模擬主要速度變化界面，縱波速度設(shè)計(jì)為 5100～ 5300m/s 。

2.2.3高速礫巖扇體設(shè)計(jì)

為了再現(xiàn)克拉蘇地區(qū)典型高速礫巖扇體導(dǎo)致速度建模和深度偏移困難的特點(diǎn)，在古近系設(shè)計(jì)一套高速礫巖扇體，其特點(diǎn)是從扇根到扇緣速度逐步由5100m/s 減小到 4500m/s， ，總體速度大于背景速度（圖7b）。扇體的面積約為 23.4km² 垂向最大厚度約 760m 。將扇體模型與背景縱波速度模型合并度得到了最終的地下速度模型，如圖7c所示。

2.2.4橫波速度模型設(shè)計(jì)

為了建立滿足橫波速度模型，在克深縱波速度模型基礎(chǔ)上收集了克深地區(qū)多口VSP縱橫波速度比測井曲線。針對(duì)淺層速度比可靠性低的問題對(duì)淺層曲線進(jìn)行適度修正，然后利用構(gòu)造約束插值建立克深地下速度比模型（圖8a）。最后利用縱波速度模型和速度比模型得到地下橫波速度模型，橫波速度的范圍為 500～3829m/s （圖8b）。

2.2.5 密度模型設(shè)計(jì)

由于建模區(qū)域缺乏足夠的密度測井曲線，尤其常規(guī)鉆井深度無法到達(dá)模型深部，直接建立密度模型比較困難。按照膏巖上地層、膏巖部分、膏巖下地層分層統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵井密度和縱波速度的經(jīng)驗(yàn)公式，然后將縱波速度轉(zhuǎn)換為密度模型。統(tǒng)計(jì)KS2井密度曲線與VSP層速度曲線，膏巖上地層的縱波速度與密度轉(zhuǎn)換關(guān)系為

ρ=1.99979+1.10046×10^-4×v_P

根據(jù)KS6井密度曲線與VSP層速度曲線，膏巖層和膏巖下地層的速度與密度轉(zhuǎn)換關(guān)系分別為

ρ=1.94925+1.35619×10^-4×v_P

ρ=2.20190+7.86816×10^-4×v_p

按照上述轉(zhuǎn)換公式，利用GeoEast建模軟件提供的分地層單元設(shè)置屬性的通用功能，獲得地下密度模型（圖9）。淺層密度最低為 2.0g/cm³ ，深層最高為 2.65g/cm³ 左右，同時(shí)在密度模型下部水平放置了一個(gè)BGP標(biāo)志，如圖9中箭頭所指。

圖9中深部密度模型

2.2.6 Q 參數(shù)模型設(shè)計(jì)

克深區(qū)塊是塔里木盆地克深幾大氣田所在地，深部模型為了再現(xiàn)克深膏鹽下含氣區(qū)衰減特征，在鹽下構(gòu)造背斜高部位圈定一定區(qū)域建立氣云 Q 模型。如圖10所示，沿背斜構(gòu)造走向長條帶形狀，氣云區(qū)范圍約 100km² 。氣云區(qū)的 Q 值設(shè)計(jì)為常數(shù)65，氣云區(qū)外設(shè)置為常數(shù)100。

2.3近地表和深部模型合并

深、淺速度參數(shù)模型合并時(shí)，選擇高速頂界面作為拼接過渡界面，高速頂界面的選擇及拼接處理方法較為重要，選取合適的高速頂界面能夠使模型更加符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)、過渡更加合理。

在中部高速地層出露區(qū)根據(jù)地質(zhì)露頭進(jìn)行控制；北部通過人為調(diào)整將厚度降低到 50m 左右；南部以參考速度 2500m/s 的拼接面為基礎(chǔ)，根據(jù)該區(qū)的實(shí)際情況調(diào)整厚度。調(diào)整時(shí)既要保證高速頂以上符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)又要提高深層模型的完整性。此外，為了減少拼接對(duì)淺表層速度的影響，采用高速頂向下 30m 過渡，進(jìn)行淺表層與深層速度拼接處理，最終的速度模型如圖11所示。以同樣方法完成密度、橫波速度、速度比及 Q 模型拼接。

圖10氣云區(qū)設(shè)計(jì)

圖11深、淺拼接后縱波速度模型

3 各向異性參數(shù)模型設(shè)計(jì)

地下介質(zhì)，尤其是沉積巖，在形成或后期風(fēng)化過程中由于受多種因素的影響，普遍呈現(xiàn)各向異性特征，對(duì)地震波傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性都有嚴(yán)重的影響[20-22]。常規(guī)地震資料處理基本都是基于各向同性的假設(shè)，把地震各向異性影響歸并為速度誤差，在大地質(zhì)尺度下這種近似是可以滿足要求。但隨著勘探目標(biāo)的尺度越來越小，特別是儲(chǔ)層橫向預(yù)測、油藏描述、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造成像等都要求地震資料分辨率盡可能高，并且對(duì)斷面和陡傾界面的成像盡可能精確。因此在各向異性地區(qū)的地震資料疊前偏移處理中，如果不考慮各向異性的影響，不僅會(huì)引起地質(zhì)體成像位置出現(xiàn)偏差，而且成像質(zhì)量也差[19]。

在西部的實(shí)際地震勘探過程，發(fā)現(xiàn)地下介質(zhì)存在著明顯的各向異性特征。為了模擬中國西部山地雙復(fù)雜探區(qū)的的各向異性速度建模和成像過程，在聲波和彈性波模型基礎(chǔ)上，參考該地區(qū)專家多年處理解釋認(rèn)識(shí)以及已有綜合速度資料，設(shè)計(jì)建立3個(gè)各向異性的區(qū)域：Q底以上地層為弱各向異性、Q底 ～N₂k 底 Ω，N_1-2k 底 ～E_1-2km₁ 底（圖12a）。首先設(shè)計(jì)了TTI各向異性參數(shù)模型（表1），然后在TTI模型基礎(chǔ)上建立TORT模型（表2）。其中，三維傾角場參數(shù)構(gòu)建與TORT模型參數(shù)建立技術(shù)難度很大。

由于地下的復(fù)雜逆掩推覆斷塊特點(diǎn)，傳統(tǒng)的沿地層單元底界面計(jì)算傾角并向上充填的思路得到的傾角場異常較多且無法表達(dá)空間的傾角變化細(xì)節(jié)。本文利用前述縱波速度模型生成正演合成疊后數(shù)據(jù)體，然后利用空間傾角掃描算法建立傾角體，最后利用構(gòu)造模型斷層數(shù)據(jù)體約束修正斷層附近的傾角參數(shù)形成空間變化合理的傾角參數(shù)模型（圖12b、圖12c）。

針對(duì)更復(fù)雜的傾斜正交各向異性（TORT）模型參數(shù)設(shè)計(jì)，先建立ORT參數(shù)模型，再根據(jù)地層的方位角與傾角場，利用Bond變換，將ORT模型轉(zhuǎn)為TORT模型。其中 x₁–x₃ 平面的三個(gè)參數(shù)刻畫裂縫各向異性，并特意將 ε₂，δ₂，γ₂ 設(shè)置小于0，而 x₂-x₃ 平面的 ε₁，δ₁，γ₁ 延用VTI背景介質(zhì)參數(shù)，同樣基于地層單元模型約束補(bǔ)齊建立TORT各參數(shù)模型。

通過上述聲波、彈性波、TTI和TORT等各向異性模型的建立，最終構(gòu)建了以克深地區(qū)為藍(lán)本的中國西部雙復(fù)雜探區(qū)的典型數(shù)值模型，較好地體現(xiàn)了西部山地地表和地下雙復(fù)雜地質(zhì)和地球物理特征。基于該模型的地震波模擬數(shù)據(jù)可用于西部復(fù)雜山地地震資料處理中的 Q 衰減補(bǔ)償、靜校正、近地表及成像速度建模、噪聲壓制以及深度成像等各類方法的效果檢驗(yàn)。

表2TORT各向異性參數(shù)

4 地震正演模擬

有限差分法[23-24]、有限元法[25]、偽譜法[26-27]、譜元法[28-30]。譜元法結(jié)合了有限元方法的靈活性和譜方法的精確性，既能適應(yīng)復(fù)雜幾何模型，又能滿足空間的離散精度，是當(dāng)前效率和精度兼?zhèn)涞牡卣鸩▓鰯?shù)值模擬方法。

4.1正演模擬方法

目前地震波場正演模擬廣泛應(yīng)用的方法主要有

譜元法的基本思想是：將計(jì)算區(qū)域分成六面體網(wǎng)格單元，在每個(gè)單元內(nèi)用高次拉格朗日函數(shù)逼近波場，并采用高斯一羅巴托一勒讓德積分法則進(jìn)行積分操作。這樣可以獲得對(duì)角質(zhì)量矩陣，大大簡化了時(shí)間遞推過程。該算法的主要步驟如下。

（1）根據(jù)速度模型，將計(jì)算區(qū)域劃分為六面體網(wǎng)格單元，單元的形狀可根據(jù)模型表面、地層界面自適應(yīng)調(diào)整。

（2）在每個(gè)單元內(nèi)，用高階（一般為5～10）的拉格朗日插值多項(xiàng)式逼近波場。

（3利用單元之間函數(shù)值的連續(xù)性，構(gòu)建全局質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和吸收邊界條件矩陣。針對(duì)拉格朗日函數(shù)的正交性，采用了高斯一羅巴托一勒讓德積分，因此質(zhì)量矩陣呈對(duì)角形式。

（4構(gòu)建力源項(xiàng)，可以是點(diǎn)力源或時(shí)矩源。

（5用顯式時(shí)間差分格式遞推波場隨時(shí)間的傳播。

正演過程可并行化，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模模型的高效模擬。

4.2井地立體探測的觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，地震勘探主要包括地面地震和井中地震兩種方式。三維地面地震受限于地表觀測條件，存在觀測角度不足和近地表衰減等問題，分辨率提升困難；而井中地震因覆蓋范圍有限，成像質(zhì)量難以滿足需求。隨著水平井和光纖技術(shù)的發(fā)展，在大量開發(fā)井中布設(shè)光纖，井、地立體探測成為可能。因此，井、地立體探測是油氣藏精細(xì)勘探的必然趨勢，為此，在正演模擬時(shí)設(shè)計(jì)了井、地立體觀測模式。

在三維地面觀測的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)井地立體觀測，布設(shè)了105口VSP井，包括103口直井、2口水平井，其井位部署見圖13。其中，過克拉2井、克深2井、克拉201井分別布設(shè)了3條線（圖13中的L1、L2、L3線）的VSP井中觀測，每條線32口井，井間隔為 500m ；根據(jù)探區(qū)內(nèi)實(shí)際鉆井情況，布設(shè)了7口空間散布VSP井，包括5口實(shí)際鉆井、2口設(shè)計(jì)井；并在克拉2、克深2構(gòu)造上布設(shè)了2口水平叢式井（圖中H1、H2井）。三維地面觀測、直井觀測、水平井觀測的觀測系統(tǒng)參數(shù)分別見表3～表5。

表3地面觀測系統(tǒng)參數(shù)

表4直井觀測參數(shù)

表5水平井觀測參數(shù)

4.3正演模擬單炮效果

為了兼顧效率以及模擬精度，保證獲得高質(zhì)量的正演模擬數(shù)據(jù)集，利用AGT公司的正演模擬軟件實(shí)現(xiàn)各向同性、TTI、TORT介質(zhì)的聲波、彈性、黏彈性波正演模擬。目前已完成各向同性聲波、各向同性彈性波、各向同性黏彈性波、TTI黏彈性波、TORT彈性波正演模擬。均采用四分量井地聯(lián)采，地面三維滿覆蓋區(qū)域每炮48萬道接收，其中地面264960道，井中216000道。

圖14為各向同性彈性波正演模擬地面單炮的z，x，y 分量，可以看出其初至差別很大，3個(gè)分量中均存在明顯的面波、深部反射信息，紅框內(nèi)可以看出同相軸的強(qiáng)弱差別明顯。

圖13 VSP觀測井位部署圖

亮點(diǎn)表示實(shí)鉆井;L1、L2、L3表示3條線的VSP觀測井;H1、H2分別為10叢、8叢水平井；底圖為克拉2、克深2構(gòu)造圖。

圖15為各向同性、VTI、TTI黏彈性波模擬單炮（VTI黏彈介質(zhì)正演模擬僅做了少數(shù)試驗(yàn)炮），可以看出 3.5～6.5s 處的波場特征，尤其是紅框內(nèi)，各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)存在著明顯的差異。

圖16為井中觀測的各向同性彈性波3分量記錄，可以看到記錄中的上行波、下行波、轉(zhuǎn)換波的信息非常豐富。圖16a中可以看到近地表引起的很強(qiáng)的下行自由表面多次波，以及來自深部的反射波（紅色箭頭所指）；圖16b、圖16c中可以看到很明顯的下行轉(zhuǎn)換波（紅色箭頭所指），以及下行橫波。

圖17為水平井中觀測的各向同性彈性波 z 分量記錄，包括2個(gè)水平分支和1個(gè)直井段，可以看出3個(gè)井段記錄中的上行波、下行波對(duì)應(yīng)的非常好，直井段記錄中來自深部的上行反射波在水平段記錄中都有很清楚的呈現(xiàn)。水平井與常規(guī)地面單炮記錄中的反射波和直達(dá)波的特征存在很大的差異，因此水平井接收的地震資料處理流程和方法值得進(jìn)一步深入研究。

4.4正演數(shù)據(jù)成像效果

為了驗(yàn)證該模擬數(shù)據(jù)的正確性和實(shí)用性，首先對(duì)不同介質(zhì)（各向同性彈性、各向同性黏彈性、TTI黏彈性）模型的模擬數(shù)據(jù)，采用聲波逆時(shí)偏移（RTM）方法進(jìn)行成像（圖18）。對(duì)比可以看出，與彈性模型數(shù)據(jù)的偏移結(jié)果相比（圖18a），因未考慮近地表黏滯效應(yīng)，黏彈數(shù)據(jù)的聲波逆時(shí)偏移結(jié)果（圖18b）在淺層的成像效果明顯變差，信噪比顯著降低。TTI黏彈正演模擬數(shù)據(jù)的偏移剖面上（圖18c），較圖18b出現(xiàn)了更多的同相軸，這說明各向異性模擬可以產(chǎn)生更多的信息，因未采用與介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的偏移方法，成像的清晰度較低。

圖14地面彈性波正演模擬單炮記錄

圖15不同黏彈介質(zhì)彈性波模擬的地面 z 分量單炮記錄

圖16各向同性彈性波正演模擬的井中觀測3分量單炮記錄

圖17水平井中觀測的z分量記錄

圖18不同介質(zhì)模型模擬數(shù)據(jù)的聲波RTM成像結(jié)果對(duì)比

同時(shí)，為了說明不同偏移方法的適用性和必要性，利用各向同性RTM、VTI介質(zhì)RTM、TTI介質(zhì)RTM等3種偏移方法，對(duì)相同的TTI黏彈正演模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理（圖19）。由圖可以看出，各向同性RTM成像結(jié)果不準(zhǔn)確，并存在較嚴(yán)重的偏移噪聲；VTI介質(zhì)RTM的偏移結(jié)果較前者有所改善；TTI介質(zhì)RTM的成像結(jié)果最準(zhǔn)確、最清晰。

圖19TTI黏彈介質(zhì)正演模擬數(shù)據(jù)不同方法偏移結(jié)果對(duì)比

5結(jié)論

本文較系統(tǒng)地介紹了東方物探公司構(gòu)建的中國西部山地雙復(fù)雜典型三維正演模型。該模型具有地表起伏劇烈、低降速帶變化大、高速礫巖扇體發(fā)育、逆掩推覆和逆沖構(gòu)造復(fù)雜、膏巖發(fā)育、各向異性等中國西部山地雙復(fù)雜區(qū)典型的地質(zhì)構(gòu)造特征。形成了速度、密度 ?Q 值、各向異性參數(shù)等20套物性、彈性參數(shù)模型，所有參數(shù)的獲得都充分地利用了原型區(qū)域已有的地面地震資料、測井資料、VSP數(shù)據(jù)等，具有西部復(fù)雜區(qū)的代表性和實(shí)用性。

根據(jù)油氣藏高精度勘探和開發(fā)技術(shù)發(fā)展的趨勢，采用多井井地立體觀測模式，利用當(dāng)前地震波場數(shù)值模擬中效率和精度兼?zhèn)涞淖V元法模擬生成了各向同性聲波、各向同性彈性、各向同性黏彈性、TTI黏彈性、TORT黏彈性5套高質(zhì)量正演模擬數(shù)據(jù)。該5套模擬數(shù)據(jù)能夠?yàn)槲鞑繌?fù)雜區(qū)的采集、處理、解釋方法研究提供理論測試、驗(yàn)證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也將改變中國物探行業(yè)長期沒有自己代表性的西部復(fù)雜區(qū)模型和理論模擬數(shù)據(jù)的局面，可進(jìn)一步提升中國物探公司解決復(fù)雜區(qū)勘探難題的能力和行業(yè)影響力。

典型模型構(gòu)建過程是一個(gè)反復(fù)論證和迭代修改的過程，需要引人眾多地質(zhì)專家、地球物理專家、地質(zhì)建模專家及模型正演專家的綜合認(rèn)識(shí)，是一個(gè)綜合考慮項(xiàng)目周期、經(jīng)費(fèi)和模型設(shè)計(jì)目標(biāo)的折衷結(jié)果，盡管目前地質(zhì)建模技術(shù)取得長足進(jìn)展，但復(fù)雜的典型正演建模過程仍需要先進(jìn)的建模技術(shù)和人員交互參與、結(jié)合才可以實(shí)現(xiàn)模型某些特殊的設(shè)計(jì)要求。

相關(guān)模型和正演模擬數(shù)據(jù)計(jì)劃在《石油地球物理勘探》期刊網(wǎng)站發(fā)布，網(wǎng)址為：www.ogp-cn.com或www.ogp-cn.com.cn。

在模型建立與數(shù)值模擬過程中，得到了東方物探公司采集技術(shù)支持中心、物探技術(shù)研究中心、研究院很多領(lǐng)導(dǎo)和專家的大力支持與指導(dǎo)，北京藍(lán)創(chuàng)時(shí)代石油科技公司專家金山為該項(xiàng)目的成功提出了很多寶貴的建議，在此一并表示衷心的感謝！

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（本文編輯：宜明理）

作者簡介

李培明教授級(jí)高級(jí)工程師，1966年生；1989、1994、2010年分別獲同濟(jì)大學(xué)地球物理專業(yè)學(xué)士學(xué)位、海洋地質(zhì)專業(yè)碩士學(xué)位、固體地球物理專業(yè)博士學(xué)位；現(xiàn)為東方物探公司首席專家，《石油地球物理勘探》主編，長期從事地震資料采集、處理方法研究及軟件研發(fā)。