低信噪比、复杂地质条件下地震成像因素分析

张志立，焦艳艳，曾 梅

中国石油化工股份有限公司华东分公司物探研究院,江苏 南京 210002

近年来，叠前偏移技术作为解决复杂构造成像的有效手段越来越多的受到人们的关注，随着我国陆上勘探开发已经到了中后阶段，勘探难度加大，资料处理日趋复杂，对地震资料的成像要求也随之提高[1]。常规的叠后地震偏移以及叠前时间偏移已不能满足精细构造成像和储层描述的要求。叠前深度偏移在这方面有着不可替代的作用，基于射线理论的Kichhoff积分法叠前深度偏移在目前工业生产中应用广泛，主要优点在于计算效率高，便于目标处理，对陡倾角地层较为适应，以及对不规则采集数据的适应能力，使得它在三维叠前深度偏移应用领域一直占据主导地位，且与其匹配的偏移速度分析方法也比较成熟[2-4]。

1 方法原理

Kirchhoff积分法是以“绕射最大凸度曲线”的概念为基础建立起来的叠前深度偏移方法。它建立在波动方程Kirchhoff积分解的基础上，把Kirchhoff积分中的格林函数用它的高频近似解来替代。主要由两部分组成，旅行时计算和Kirchhoff积分。Keho等人提出的基于傍轴射线追踪技术的非递归Kirchhoff叠前偏移方法，是Kirchhoff积分的叠前偏移的算法原型。该方法将地表的地震记录直接延拓至成像点，其核心是复杂介质中的以费马原理为基础的旅行时计算[5]。

Kirchhoff叠前深度偏移成像的理论为声学标量波动方程

式中，U为地震波场； v(x,y,z)为介质速度。

标量波动方程的克希霍夫积分解：

给出了瞬时时间t在点(x,y,z)以速度v(x,y,z)在介质中传播的压力波场P(x,y,z,t)。同时克希霍夫解是惠更斯原理的数学表达，惠更斯原理是：时间t+Δt 时的压力扰动等于时间t时点震源产生的球面波的叠加。为了得到绕射叠前偏移剖面，需要计算出剖面上每个点的绕射曲线，将未偏移剖面中绕射曲线上的每个点的数据都加在一起就得到了在偏移剖面上这个点的值，如果这个点是真正的绕射曲线的顶点，则相加的结果就是与这个点有关的真正能量，如果此处只存在噪音，沿着绕射曲线的正负值基本抵消，则相加得到的结果就很小。实际上绕射叠加偏移将未偏移剖面上的每一小段都认为是绕射的一部分，即将反射层认为是一系列距离很近的绕射点的叠加。

克希霍夫偏移实际中应用的方程（2）积分解得离散形式

式中， Δx和Δy 分别为纵测线和横测线的道间距；

为在一个区域孔径A内输入波场 ）

的偏移输出。

克希霍夫积分要求：（1）计算通过三维空间变速介质的非零偏移距旅行时；（2）基于标量波动方程克希霍夫积分解，沿着计算的旅行时轨迹比例振幅并求和。求和前的振幅比例包括倾斜因子cosθ 、球面扩散因子 1/vr、振幅和相位校正的应用，它由导数算子所隐含，而且对于任何偏移，输入数据沿x和y方向的采样不足需要通过一个合适的去假频滤波器来补偿。在运用克希霍夫积分法进行三维叠前深度偏移时，旅行时的计算给数值精确性和有效性提出了挑战。

我们从克希霍夫解可以看出一致性的能量、提高信噪比以及面元均一化是对成像是如此的重要，同时从克希霍夫积分要求里也可以看出旅行时的计算速度的准确性是成像精确与否的关键因素。

2 影响成像效果的几个因素分析及解决办法

2.1 能量归一化处理

叠前偏移要求常规处理的道集数据能量一致性相对较高，为了保证最终叠前偏移的处理效果，我们进行了能量一致性的处理这种方式可以消除震源能量差异、检波器耦合差异及能量衰减对反射波振幅的影响，保持了地震波振幅能量的相对强弱关系，有利于提高振幅保真度。

2.2 提高信噪比处理

叠前偏移过程，都是直接对单道原始数据进行的。原始道上的任何一个样点幅值，不管它是信号还是噪声，都参与运算。因此抗噪性比起叠后偏移方法差的多。因此，叠前偏移算法要求原始资料的信噪比较高，反射信息全面。但是由于受到陆地地表因素以及地下复杂地质构造的影响，原始资料的品质不好，使得叠前成像的效果大打折扣。本次采取“多域分析、多域去噪、先强后弱、多次迭代、循序渐进”的思路，针对噪音的不同特点进行试验，采取针对性的技术方法，最大限度地压制噪音提高资料的信噪比，同时要保护有效信号不受损失。

在处理中进行了迭代式处理方法，在进行初次去面波处理（图1）是将衰减的噪音输出，并如处理所示将有效信息重新加到原来的数据中进行迭代（图1-2），最终保证衰减的噪音中尽可能包含更少的有效信息。

2.3 面元均一化处理

叠前偏移算法要求原始资料的观测方式比较规则，覆盖次数较高，方位角以及偏移距分布比较均匀。但是由于陆地地表复杂性，采集资料的覆盖不均匀等，都会导致偏移假频的产生，影响成像的精度。从本工区的面元覆盖统计图上看，由于在高部位，为了提高地震资料的品质而进行的加密炮，导致了覆盖次数的剧烈变化，这就要求在叠前对数据进行数据规则化，进行了偏移距分组，保证抽取的各个偏移距组不出现空道，在本次处理中每个分组中偏移距为80m共62个分组。为最终的成像效果提供了基础。

2.4 速度模型的建立

在叠前深度偏移过程中，速度模型建立是最关键的环节，随着偏移成像算法日趋完善，影响偏移效果的主要因素就是速度模型的正确与否。在构造复杂，地震资料的信噪比低的时候建立高精度的速度模型其难度很大，这正是目前需要解决的问题。在实际应用中，我们在考虑实用性的同时研究建立速度模型的技术。主要包含初始速度模型的建立和速度模型的修改与验证。

图1 初次去面波处理Fig.1 Initial remove surface wave

图2 初次衰减掉的噪音后单炮记录返回数据Fig.2 Return data of single shot record after initial denoising

图3 去噪效果对比图Fig.3 Comparisonmap after denoising

由于偏移速度分析就是利用偏移对速度的敏感性，利用偏移成像误差来修正速度误差。它们这种相互依赖和影响，使得偏移速度分析成为一个迭代过程。利用由速度误差引起的偏移成像误差进一步修正速度模型。评判偏移遮度分析的原则主要源于Claerbout的时间一致成像原理，主要有零时间成像深度与零偏移距成像深度一致准则、共成像点道集拉平准则、等旅行时准则。其中共成像点道集拉平准则应用的比较多，借用叠前偏移结果共成像点道集来进行速度分析。从这个角度讲，地震成像就是速度估计和偏移这两个相互依赖的过程。正如上面所述，通过叠前时间偏移建立的速度模型可以作为叠前深度偏移的初始速度模型。但最好的时间偏移速度未必是最好的叠前深度偏移速度，叠前时间偏移速度是一个非常平滑的长波场速度，因此需借助叠前深度偏移求取适于深度偏移的短波场层速度。

图4 叠前时间偏移和叠前深度偏移速度分析道集和速度谱Fig. 4 Velocity analysis gathers and velocity spectrum of pre-stack timemigration and pre-stack depthmigration

图5 依次为最终叠前时间偏移速度场、第一次叠前深度偏移速度场、最终叠前深度偏移速度场Fig.5 Followed by fi nal pre-stack timemigration velocity fi eld, fi rst pre-stack depthmigration velocity fi eld, fi nal pre-stack depthmigration velocity fi eld

图4为叠前时间偏移道集及速度谱和叠前深度偏移道集及速度谱对比，从道集上来看，叠前深度偏移道集上信息更加丰富，同相轴更加清楚，表现在速度谱上能量比较强。用这个深度道集经过多次分析，用分析好的速度再去进行深度偏移，直到在深度偏移道集上没有剩余时差，同相轴拉平。图5是迭代后最终的速度场在不同深度的显示，比起初始速度场，这个速度场增加了更多细节的刻画。

从效果来看 (图6)：①最终的成果资料主要目的层反射同相轴连续性更好，反射特征更加稳定，较好地落实了某某等构造，断裂带大断层和小断层的位置及产状特征，明确了断层两翼波组的对应特征。该成果资料结构清楚、全区易于解释，有利于该地区构造—岩性圈闭的精确描述。②本次叠前深度偏移处理的成果剖面较好地获得了各反射层信息，反射背景干净，波形自然，相位连续，波组能量特征稳定。断层断面成像清晰，断点干脆，断面两侧波组关系对应好，与地层的接触关系清楚，小断距断层的成像也十分清晰，波组错断明显，解释的多解性少，该地震资料相比于以往成果资料的品质有了明显的提高。③高精度叠前深度偏移处理技术具有较好的振幅保真性，成果资料振幅的变化符合地下岩性变化的特征，整体上资料的信噪比和分辨率都较高，尤其是目的层阜宁组波组特征较好，层间信息丰富。剖面上地层超覆、剥蚀、尖灭等地质现象成像清晰，满足了对小断层、小断距地质现象的识别和判断。

图6 叠前时间偏移和叠前深部偏移效果对比图Fig.6 Comparisonmap of pre-stack timemigration and pre-stack depthmigration

3 结论

基于射线理论的Kichhoff积分法叠前深度偏移在目前工业生产中应用广泛，主要优点在于计算效率高，便于目标处理，对陡倾角地层较为适应，以及对不规则采集数据的适应能力，使得它三维叠前深度偏移应用领域一直占据主导地位，且与其匹配的偏移速度分析方法也比较成熟。但它固有的缺点是成像精度低、容易产生假频、振幅不保真以及多路径问题。

与Kichhoff叠前深度偏移相比，波动方程叠前深度偏移不用考虑走时和振幅，通过波场延拓来实现，其成像精度高，振幅保真。今后的叠前偏移成像技术将朝着保幅偏移算法研究、速度估计、速度模型建立和可视化方法研究；弹性波(或转换波)波动方程偏移方法研究三个方向发展。由于偏移成像结果要用于AV0、AVA等属性分析，速度估计及岩石物性研究，要求必须进行遵从地震波传播规律的保幅偏移成像，预计进行波动方程的逆时偏移后其效果更加理想。

[1] 潘宏勋，方伍宝.地震速度分析方法综述[J]，勘探地球物理进展，2006，29（5）:325-333.

[2] 胡 英，张 研，陈立康.速度建模的影响因素与技术对策[J]，石油物探，2006（9）:503-507.

[3] 罗银河，刘江平，董桥梁，等.Kirchhoff 弯曲射线叠前时间偏移及应用[J]，天然气工业，2005（8）:35-37.

[4] 罗银河，刘江平，俞国柱.叠前深度偏移述评[J]，物探与化探,2004，28（6）:540-545.

[5] 陈志德，刘振宽，李成斌.高精度克希霍夫叠前深度偏移及并行实现[J].大庆石油地质与开发，2001，20（3）:64-66.