山前带复杂构造偏移成像影响因素分析.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#山前带复杂构造偏移成像影响因素分析121*刘国昌，方刚，温睿（1.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249；52.中国地质调查局青岛海洋地质研究所国土资源部油气资源和环境地质重点实验室,青岛266071）摘要：山前带地质条件复杂，受上覆地层的影响较大，速度建模困难，地震数据有效信号弱，信噪比低，偏移成像困难。本文从山前带存在的地震地质问题入手，针对山前带地区复杂地10质构造特点，利用Lowrank有限差分逆时偏移方法研究了地震数据信噪比、速度建模误差对山前带地区地震偏移结果的影响。首先，实现了Lowrank逆时偏移方法，分析了Lowrank有限差分波场延拓方法的数值频散特征，然后根据山前褶皱带地层特点建立速度模型，利用Lowrank有限差分逆时偏移方法分析了山前带复杂构造地震成像影响因素。Lowrank有限差分计算精度高、稳定性好且计算速度快，更有利于海量数据的叠前深度偏移处理。15关键词：地震勘探；逆时偏移成像；有限差分；山前带中图分类号：P631.4文献标识码：AImpactanalysisofseismicmigrationincomplexstructuresofpiedmont12120LIUGuochang,FANGGang,WENRui(1.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249;2.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology,ChinaGeologicalSurvey,Qingdao25266071)Abstract:Inthepiedmontareawithcomplexgeologicalconditions,theinfluenceofoverlyingstrataislargerandthevelocitymodelingisdifficult.Thesignal-to-noiseratioofseismicdataislow,andmigrationimagingisdifficultforthesecomplexgeologicalobjects.Onthebasisofpiedmontcomplexstructurecharacteristics,westudiedtheeffectofsignal-to-noiseratioandvelocitymodelinginlowrank30finite-differenceinversetimemigrationofpiedmont.First,werealizedthelowrankfinite-differenceinversetimemigration,andthenanalysisthenumericaldispersioncharacteristicoflowrankfinitedifferencewaveextrapolation.Accordingtothepiedmontcharacteristics,weestablishmentavelocitymodel,anduselowrankfinite-differencereversemigrationtoanalysistheseismicimagingofcomplexstructuresinfluencefactorsofpiedmont.Thelowrankfinitedifferencehashighaccuracy,good35stabilityandfastcalculationspeed,whichismoreconducivetotheprestackdepthmigrationofmassivedata.Keywords:seismicexploration;reversetimemigration;finite-difference;piedmont0引言随着油气勘探工作的不断深入，各种复杂储层地球物理勘探日益引起勘探地球物理学家[1-3]40们的关注，其中山前带地区成为我国地球物理勘探研究的重要领域。山前带中深层探区地质条件复杂，受上覆地层的影响较大，速度建模困难，地震资料信号弱，信噪比低，一直是国内外地震偏移成像研究的重点和难点。针对山前带地震地质条件，许多学者对山前带地[4]区复杂构造成像进行了研究。王华忠等研究了山前带地震勘探成像处理方法，指出速度模[5]型是影响山前带地震成像结果的关键因素之一。程玖兵等研究了山前带地震数据的波动方基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20130007120016），国家自然科学基金青年基金（41504109）作者简介：刘国昌（1982-），男，副教授，主要研究方向：地震勘探.E-mail:guochang.liu@cup.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn45程叠前深度偏移方法，认为结合起伏地表叠前深度偏移的自地表开始的偏移速度建模方法对山前带地震成像非常重要。解决山前带地震成像、构造模式和圈闭落实问题是该领域勘探获[3]得成功的关键，叠前深度偏移是解决山前带地震成像的有效手段。地震偏移技术利用采集到的反射地震数据对地下介质进行成像，是地震勘探中的三大核心技术之一。地震偏移技术的发展提高了复杂油气田勘探的能力，同时油气田勘探难度的增[6-7]50加又促进了地震偏移技术的发展。逆时偏移是目前地震成像中成像精度最高的方法之一，适用于速度场变化剧烈的复杂构造成像，对于山前复杂褶皱带成像效果较好。逆时偏移技术[8]的提出可追溯到上世纪八十年代，起初用于叠后偏移，因其计算量较大并未在实际生产中取得广泛应用。近年来，随着计算能力的提升以及勘探区域的日益复杂，逆时偏移技术又成为地震成像技术研究的热点。逆时偏移采用数值方法求解双程波动方程，其数值求解方法的55精度和效率决定了逆时偏移的成像精度和计算时间。Lowrank有限差分是近年由Fomel等人提出的一种在波数-空间域求解波动方程的新方法，具有计算精度高，稳定性好和计算速度[9-11]快的优点。本文针对山前带地区复杂构造的特点，将Lowrank有限差分逆时偏移方法用于山前带复杂构造偏移成像中，分析信噪比和速度建模误差对地震偏移结果的影响。该方法对于我国西60部前陆盆地高陡复杂构造带地震资料的准确成像以及西部新区油气勘探具有指导意义。1波动方程逆时偏移成像波动方程叠前深度偏移成像技术能够处理变化剧烈的速度场，对于复杂构造的成像具有重要意义。逆时偏移采用双程波算子进行波场外推，能够构建出全波场的信息，从而对陡倾角构造进行准确成像，适于复杂构造的地震成像。65逆时偏移包括三个基本步骤：震源波场构建、检波波场构建和成像条件的应用，其中震源波场和检波波场的构建是利用震源子波信息和观测地震记录，通过数值求解波动方程，重新构建地震波场在地下介质中的传播过程，数值求解波动方程的精度和效率直接决定了最终逆时偏移的成像效果和计算效率。可以说，震源波场和检波波场的构建是逆时偏移实现的关键。70对于接收记录为D(xyx,,,,yt)的地震数据，其震源位于x()xyz,0,处，对其rrsssss进行逆时偏移成像，用p和p分别表示震源波场和检波波场，则沿时间正向传播的震源波FB场p可通过求解双程波动方程得到F212[]p(xx,)t)(xf(t)(1)22Fsv(x)t2222其中，v()x表示介质的速度，f()t为震源信号，。沿时间逆向传播的222xyz75检波波场p满足双程波动方程B212[]22ptB(x,)0v()xt(2)pQ(,x|txx)(,y,),y,tBz0rrss为了得到地下反射系数，在逆时偏移中需要对震源波场p和检波波场p应用成像条件，反FB[12]褶积成像条件可以得到相对保真的成像结果。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1Rpp()xxx()(),,ttdt(3)BF180其中p()x,t表示波场pt()x,的逆。反褶积成像条件存在计算不稳定的情况，互相关成像FF[12]条件不涉及除法(或求逆)的计算，计算稳定，在实际计算中通常采用该条件进行成像Rp()xxx(),()tp,tdt(4)BF[13][14]采用更好的成像条件可能得到更好的结果，如二维反褶积成像条件，光滑成像条件以[15-16]及最小平方成像条件等。85在逆时偏移的计算过程中需要沿着时间的正向和反向求解波动方程，所需计算量巨大，采用高效、高精度的波动方程数值求解方法，是提高逆时偏移计算效率的有效手段。2Lowrank有限差分波场延拓[10]利用Lowrank有限差分求解波方程，能够有效压制数值频散，采用较大的时间步长进行稳定的波场延拓，该延拓方法适用于构建逆时偏移中的震源和检波波场。公式(2)所对应90的齐次波动方程的的波数域形式为2dpˆ22vp||kˆ(5)2dt其中ikxpˆ()kx,,ttp()edx(6)[9]且k(,kkk,)，由式(5)的解析解可得波场延拓格式123ikx95p()xx,,ttpp(),tt2ˆ(kt)W(x,k)edk(7)其中混合域的算子W为Wt()cxk,)os(||kv()x(8)如果速度v与空间变量无关，公式（7）可以通过快速Fourier逆变换求解，如果速度为空间变量的函数v()x，那么公式（7）无法通过快速Fourier逆变换求解，只能通过矩阵的乘法，100因而计算量巨大。这时，我们需要对W()xk,进行近似，通过近似使公式转化为几个快速Fourier变换的形式。[9]利用Lowrank分解，W()xk,矩阵可以分解为WWAW(9)12其中WW()xk,由矩阵W的m列组成，WW(xk,)由W的n行组成，对于矩阵W可以1m2n2105进一步分解为WCB(10)23j123其中B为LNx的矩阵，其元素为cos(j1kjj)，(),,为三维的整数向量j表示空间上的距离。矩阵C可通过W和B的伪逆相乘得到。令G表示NL的矩阵2xGWAC(11)1110则有-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnixkpp()xx,,tt()tt2(eWx,k)ptˆ(k,)dk33Lixjjkikx(12)mjjmjjixkjj112(Gmxk,)ep()eetˆ(,)dkm1利用Fourier变换的平移性质可得Lp()xx,,ttpGt()(ttx,()(mp)[xL,,pxRt)](13)m1123123其中x(,,)xxxx(,,)xxx。L1lll12323Rlll112323115可以发现，公式(13)与常规的有限差分形式类似，但是其差分系数G是通过Lowrank近似由波数-空间域算子求得的，相对于常规的有限差分方法，Lowrank有限差分方法具有较高的精度，可用较大时间步长进行波场延拓，更适用于逆时偏移中的波场延拓。3山前带模型建立与偏移成像分析我们建立了与我国西部陆地构造特征相似的山前速度模型（图1），该模型由多个不整120合面与断层组成，地层起伏大，速度横向变化剧烈，常规的射线类成像方法难以对其准确成像。本文采用Lowrank逆时偏移方法对该模型进行偏移成像，分析逆时偏移成像方法对山前带复杂构造成像的影响因素。图1山前带速度模型125Fig.1Velocitymodelofpiedmontarea图2给出了对山前带模型（图1）采用不同方法正演构建得到的正演波场，比较常规有限差分和Lowrank方法得到的正演波场，可以看出常规有限差分得到的波场存在数值频散（图2箭头所示），而Lowrank有限差分方法能够有效压制频散，得到精度较高的地震波场。[10]130Song等比较了Lowrank有限差分方法和常规有限差分方法的频散曲线，有限差分方法仅在零频率处精度较高，随着频率增大，频散误差显著增大，而Lowrank方法，在较宽的频率范围内都具有较高的精度，这是Lowrank有限差分方法能有效压制数值频散的原因。\-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（a）(b）135图2不同方法正演得到的波场；（a）常规有限差分正演波场；（b）Lowrank有限差分正演波场Fig.2Thewavefieldobtainedbydifferentmethods;(a)Thefinitedifference;(b)Lowrankfinitedifference山前带地区地下构造复杂，褶皱强烈，断层发育，地层产状变化大。这些客观条件势必造成地下地震波场复杂，信噪比低，速度建模和成像困难。为了研究信噪比对山前带地区140成像结果的影响，我们在模拟地震炮记录（图3a）中加入了不同水平的噪音（图3）。图4比较了对含不同程度噪音的数据进行Lowrank逆时偏移得到的成像结果。图4a为无噪音数据得到偏移成像结果，对复杂构造的成像准确，同相轴清晰。图4b为加少量噪音的数据偏移得到的成像结果，虽然记录中含有随机噪音，但是逆时偏移采用互相关进行成像，并且采用了多炮数据多次覆盖技术，能够很好的压制随机噪音。图4(c)为加大量噪音的数据偏移得到成145像结果，在地震单炮记录中（图3c），有效信号几乎被噪声淹没，从偏移成像结果来看，由于噪音水平很高，严重影响了Lowrank逆时偏移的结果，尤其是中深层倾角比较大的区域，成效效果非常差，这也说明了山前带地区采集噪声对偏移成像影响较大，叠前有效的噪声衰减对山前带地区偏移成像非常重要。150(a)(b)(c)图3（a）模拟的无噪声单炮记录；（b）加少量噪声炮记录；（c）加大量噪声炮记录Fig.3(a)Thenoisefreesingleshotgather;(b)NoisyshotgatherwithhighSNR;(c)NoisyshotgatherwithlowSNR155(a)(b)-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn(c)图4不同噪声水平Lowrank逆时偏移结果的比较。（a）无噪音记录成像结果；（b）含有少量噪音记录的偏移结果；（c）含有大量噪音记录偏移结果160Fig.4ComparisonofLowrankinversetimemigrationresultsatdifferentnoiselevels.(a)Theresultsofnoisefreedata;(b)Theresultswithasmallamountofnoise;(c)Theresultswithalargeamountofnoise为了测试速度建模对山前带模型Lowrank逆时偏移成像结果的影响，我们给出了偏移速度场不准确时的成像结果。首先我们研究光滑速度模型对成像结果的影响。比较图5b和准确165速度场的偏移结果图4a，速度场的轻度光滑对成像结果影响不大。相对于图5a所示的速度场，图6a的速度场光滑程度较重，光滑后的速度场在横向上变化较小，从图6b所示的成像结果可以看出，当速度不准确时，对浅层成像质量的影响较小，但深层构造难以准确成像（图6b箭头所示处）。然后我们分析速度场偏大和偏小对山前带模型成像结果的影响。图7给出了速度场为准确速度场110%和90%时的成像结果。当速度场整体偏大或者偏小时，深层的绕170射能量不收敛，导致成像效果较差。因此，山前带复杂构造偏移成像对偏移速度场精度要求较高，对于速度场的误差较敏感，偏移速度场的准确程度直接影响了最终Lowrank逆时偏移成像结果的优劣。(a)(b)175图5轻度光滑速度场成像。（a）光滑速度模型；（b）Lowrank逆时偏移成像结果Fig.5Theimagingresultusingmildsmoothvelocity.(a)Smoothvelocitymodel;(b)Lowrankinversetimemigrationimagingresults(a)(b)180图6重度光滑速度场成像。（a）光滑速度模型；（b）Lowrank逆时偏移成像结果。Fig.6Theimagingresultusingseveresmoothvelocity.(a)Smoothvelocitymodel;(b)Lowrankinversetimemigrationimagingresults-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn185(a)(b)图7不同速度场Lowrank逆时偏移成像结果，（a）110%偏大速度场；（b）90%偏小速度场Fig.7TheresultsofLowrankreversetimemigrationimagingfromdifferentvelocityfields,(a)110%largevelocityfield;(b)90%smallvelocityfield190逆时偏移中震源波场和检波波场的构建都需要求解双程的波动方程，计算量很大。相对于常规的有限差分方法，Lowrank有限差分方法在求解波动方程时的精度和稳定性更好，因此可以选用较大的时间步长构建震源和检波波场，从而在保证精度的前提下，节省计算量。在本算例中，Lowrank逆时偏移采用1.5ms的时间间隔，单炮偏移平均耗时77.02s。为了避免数值频散，常规有限差分法逆时偏移，需要选择1ms的时间间隔，单炮偏移需要109.34s。相195对于常规逆时偏移Lowrank逆时偏移的计算效率提高了42%。4结论本文在Lowrank逆时偏移基础上，分析了山前带复杂构造成像中的信噪比和速度模型两个关键性问题。本文采用的Lowrank逆时偏移方法与常规的有限差分方法相比，能够很好的压制数值频散，可用较大时间步长进行波场延拓，计算精度高、稳定性好且计算速度快，更200有利于海量数据的深度偏移处理。地震资料的信噪比和速度模型的精度是影响山前带复杂构造偏移成像质量的主要因素，随着地震数据信噪比的降低，山前带复杂构造偏移成像结果也会变差，速度模型变的不准时，也会大大降低成像质量。因此叠前提高信噪比技术和高精度速度场建模技术是影响山前带地震资料处理成像效果的关键技术，叠前高保真去噪和高精度建模对山前带复杂构造逆时偏移具有重要的意义。205[参考文献](References)[1]熊翥．我国西部山前冲断带油气勘探地震技术的几点思考[J]．勘探地球物理进展，2005,28(1):1-4.[2]赵殿栋．地球物理在油气勘探开发中的作用[M]．北京：石油工业出版社，2009.[3]潘宏勋，方伍宝，李满树．南方山前带Ｂ区地震速度建模及偏移成像[J]．石油地球物理勘探，2013,48(4):526-530.210[4]王华忠，刘少勇，杨勤勇，等．山前带地震勘探策略与成像处理方法[J]．石油地球物理勘探，2013,48(1):151-159.[5]程玖兵程玖兵,刘玉柱,马在田,等.山前带地震数据的波动方程叠前深度偏移方法[J].天然气工业,2007,27(2):38-39.[6]SymesW.Reversetimemigrationwithoptimalcheckpointing[J].Geophysics,2007,72(5):SM213-SM221.215[7]杨勤勇，段心标，逆时偏移技术发展现状与趋势[J]，石油物探，2010,49(1):92-98.[8]BaysalE.,KosloffD.,SherwoodW.Reversetimemigration[J].Geophysics,1983,48(11):1514-1524.[9]FomelS.,YingL.,SongX.SeismicWaveExtrapolationUsingLowrankSymbolApproximation[J].GeophysicalProspecting,2013,61(3):526-536.[10]SongX.,FomelS.,YingL.LowrankFinite-DifferencesandLowrankFourierFinite-Differencesfor220SeismicWaveExtrapolationintheAcousticApproximation[J].GeophysicalJournalInternational,2013,193(2):960-969.[11]FangG.,FomelS.,DuQ.,HuJ.LowrankSeismicWaveExtrapolationonaStaggeredGrid[J].Geophysics,-7- 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