基于高斯射线束的叠前深度偏移在断裂带成像中的应用——以渤海海域辽东湾地区为例

张志军

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

0 引言

地震偏移最初的建立是以射线理论为基础的[1-2]，形成了绕射扫描迭加方法，但并没有考虑地震波的动力学特征，因此其成像精度受到了很大限制。随着地震波动理论引入地震波场偏移成像中[3-4]，地震成像精度和成像质量都有了很大提高。

高斯射线束偏移方法是弹性波方程集中在射线附近的高频渐进时间调和解，采用高斯射线束法计算出的地震波场同时具有运动学和动力学特征。基于高斯射线束的叠前深度偏移不但可以克服诸如焦散区等射线法失效区域的奇异性问题，而且避开了标准射线方法的多路径问题。高斯射线束偏移利用射线束叠加保留了大部分波至时间，从而克服了标准射线方法在焦散面附近振幅急剧、不固定变化的缺陷，在构造复杂的地方也能获得较好的成像效果。

在 20世纪 80年代，Cerveny等[8]将电磁学领域的高斯射线束方法引入地球物理领域，并将其成功用于波场正演中。自Raz[9]提出束叠加方法后，高斯束开始在地震偏移成像中得到了进一步研究和应用。Hill[10]提出了适用于共偏移距、共方位角道集的叠前高斯束偏移方法。由于该方法对观测系统的适应性不足，Nowack等[11]针对该方法提出了共炮域的高斯束叠前偏移方法，该方法首先根据接收点射线参数对共炮数据进行局部倾斜叠加，然后根据炮点射线参数进行地下点的成像。国内许多学者也在高斯束叠前偏移方面进行了大量研究和应用。王志亮等将高斯束偏移方法运用到渤海LD16-17区[12]，通过实际资料的应用对比得出高斯束偏移的信噪比更高、断层更加清晰、中深层成像能量更强。蔡杰雄等[13]从射线中心坐标系得到高斯束公式出发，按照运动学射线追踪、动力学射线追踪及高斯束偏移三部分系统介绍了高斯束偏移方法的实现过程。谢飞等[14]推导了叠前偏移的频率域计算公式，并给出了时间域的实现方法和角度域共成像点道集的计算方法。

本文针对辽东湾地区辽东凸起中北段高陡复杂断裂带内地层倾角大且产状多变、断层成像不准确、断层组合关系不清楚等问题，利用高斯射线束叠前深度偏移方法对该区进行了地震资料偏移成像，获得了满意的效果，该结果对指导该区下一步油气勘探将有重要意义，且对渤海油田相似构造带的研究具有一定的借鉴意义。

1 研究区地质概况

本次研究的靶区位于渤海油田的辽东湾探区。随着渤海油田勘探进程的进一步加快，辽东湾探区的勘探工作已经逐步深入到高陡复杂断裂带地区，主要包括辽西凹陷东陡坡带、辽中凹陷中央走滑反转带及辽中凹陷东陡坡带，并在这些区域快速找到了一大批油气田及含油气构造。从规模上来看，该类型构造的油气田及含油气构造数量已经占本探区的一半以上。

该区构造具有以下特点：1）主要位于凹陷的陡坡带或走滑断裂两侧，地层倾角较大；2）断层比较发育，断面角度一般都比较大；3）圈闭一般都靠大断裂遮挡，闭合幅度较大，构造最高点一般离边界大断裂较近；4）大断层两盘地层年代差别比较大，从而造成两盘地层速度横向差别比较大。

基于这些特征，钻探该类型构造对井位设计提出了很高要求——既要考虑尽量钻探到构造高部位，又要与边界大断层保持一定的距离，避免直接钻入潜山。因此，在地震解释中合理把握地层产状以及准确定位断层尤为重要，而对地震解释来讲地震资料的正确成像是关键。

LD构造区位于渤海辽东湾海域辽东凸起南端，东面和南面紧邻辽中生油凹陷，郯庐走滑断裂贯穿该区，石油地质条件优越，油气资源丰富，勘探前景十分看好。尽管近年来LD构造区发现了一些含油气构造，由于该区地震资料品质较差，致使仍没有获得令人满意的油气勘探及评价效果。其主要原因在于，该区地下地层地质情况复杂及成岩成层差等多因素导致地震资料成像品质总体较差，较大地影响了构造的落实和储层预测的精度，对评价井位的部署、油气藏评价工作开展均有所羁绊。

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2 高斯射线束及其性质

从理论上讲，如果波动方程叠前深度偏移没有高频近似，则保幅程度高，能够实现复杂构造和高陡倾断层的高精度成像。在过去的10 a里，基于标准射线法的Kirchhoff积分偏移一直是工业界叠前深度偏移的主要方法，当地下介质速度横向变化剧烈时，在焦散面附近该方法将导致振幅无限制的迅速变化。单程波方程的有限差分偏移具有倾角限制，采用双程波方程的逆时偏移可以使复杂构造的陡倾角成像，但是它可能产生来自速度模型的冗余反射，且计算量较大。

为了克服标准射线方法和波动方程方法的某些局限性，Cerveny等人研究提出了一种将波动方程和射线理论相结合的方法——高斯射线束法。该方法计算出的地震波场同时具有运动学和动力学特征，不但可以克服诸如焦散区等射线法失效区域的奇异性问题，而且避开了标准射线方法的多路径问题，它不像最短时间旅行时法和最大能量旅行时法只取一个旅行时，高斯射线束偏移通过对射线束叠加保留了大部分波至时间，从而克服了标准射线方法在焦散面附近振幅急剧、不固定变化的缺陷，在构造复杂的地方也能保证正常成像[15-18]。高斯射线束偏移方法是对标准射线偏移方法的改进，是波动方程集中于射线附近的高频渐进时间调和解。

3 高斯射线束叠前深度偏移

针对渤海海域辽东湾LD地区的地质特征和地震资料的特点，对该资料进行了高斯射线束叠前深度偏移处理，处理流程见图 1[19-30]。

3.1 高质量叠前深度偏移道集的准备

高质量的输入地震数据是做好三维建模和深度偏移的前提。预处理流程的设计以得到高信噪比的道集为原则，在进行预处理时要求尽量保留地震波的动力学和运动学特征。

图1 高斯射线束叠前深度偏移处理流程

由于叠前成像方法要求原始地震资料的信噪比较高，针对本区浅海区数据中多次波严重的问题，采用了一套完整的去多次波技术以较好地去除多次波。对大部分与海底相关的短周期多次波，采用浅水去多次波技术（SWD）来去除；剩余的水面相关的长周期多次波采用二维SRME进行去除；剩余的鸣震采用τ-p域的反褶积处理去除。三维面元均化和区块拼接后进行Radon域去多次波处理。

同时还对地震资料进行了如下叠前预处理：零相位化处理，测线内接收器振幅校正，相邻道混道处理，地表一致性振幅校正，剩余静校正处理等，最终得到了高质量的预处理资料。这就为深度-速度模型的建立奠定了良好的资料基础。

3.2 精细的深度-速度模型的建立

三维叠前深度偏移的关键是建立高精度的速度模型，成像质量直接依赖于地下宏观层速度模型的精度。考虑到对目的层成像时叠前深度偏移对深度-速度模型的敏感性，本次深度偏移速度模型建立时充分结合地质信息，在建立初始速度模型后用多种方法对该模型进行修正优化（见图2）。

3.2.1 初始速度模型的建立

初始速度模型由最终叠前时间偏移速度转换而来。层速度作为重要的地层参数之一，反映了地层沉积、构造、岩性等多方面的信息。本次层速度的求取，首先利用叠前时间偏移的均方根速度转换获得层速度，然后对层速度进行一定的平滑处理，最后该层速度转换到深度域作为深度域初始速度模型（见图3）。

图2 深度-速度模型更新示意

3.2.2 各向同性层析速度反演

建立深度-速度初始模型后，利用共成像点道集内剩余曲率进行速度场反演。为了提高反演的精度，使用分层反演，由浅至深逐层反演。第1次速度模型更新范围是从海底到层位Ⅰ，第2次速度模型更新范围是从海底到层位Ⅱ，第3次速度模型更新范围是从海底到层位Ⅲ，最终得到各向同性速度场（见图4）。

图3 初始速度场

图4 各向同性速度场层析成像反演流程

3.2.3 各向异性速度场的估计

由于普通的沉积层道集基本是水平的，而高倾角基底道集向上弯曲，从射线路径上看，是因为水平速度大于垂直速度，所以必须引入各向异性速度场，这样可使垂直速度与数据叠加匹配效果更好。引入各向异性速度后，拾取道集内剩余曲率和剖面上构造倾角进行射线追踪，然后以反演更新的速度场使剩余曲率最小为原则，建立新的速度模型。引入各向异性速度场后陡倾角地层（潜山顶面）的成像质量得到改善（见图5），同相轴连续性明显变好。

3.2.4 偏移速度百分比扫描

速度分析的精度直接影响着叠前深度偏移结果的优劣，经过以上速度分析数次迭代后，速度误差尽管很小，但对于速度变化过于剧烈、信噪比低的资料（基底以下噪声多，同相轴不清楚），难以进行道集内剩余曲率准确拾取，所以采用不同的百分比速度进行扫描以确定最终要使用的偏移速度。

通过在剖面内拾取不同百分比的速度，反演新的基底速度以使同相轴能量达到最强，此时获得的深度-速度模型，即为在偏移时要使用的速度模型。

3.3 确定合适的偏移参数

陡倾角成像主要由偏移孔径和最大采集时间决定，通过对偏移算法中的关键参数反复试验对比，选取合适的参数，以确保尽可能多的可靠信息参与偏移（见图6）。最终确定主要偏移参数：偏移孔径为6 km，最大角度为90°，为防假频将步长设为12.5 m×25.0 m。

图5 引入各向异性速度场前后叠加剖面

图6 深度域叠加剖面和陡倾角面的射线追踪示意

4 应用效果分析

根据上述流程及试验确定的偏移参数，对辽东湾LD地区的2块三维地震资料进行了高斯射线束叠前深度偏移处理。图7为高斯射线束叠前深度偏移剖面与Kirchhoff叠前时间偏移剖面的对比。

图7 LD地区测线A的联络线叠前深度偏移纯波剖面

由图7对比分析可以看出，高斯射线束叠前深度偏移剖面质量明显优于Kirchhoff叠前时间偏移成像质量。叠前时间偏移成果的陡倾角边界大断层成像模糊，并且伴有边界断层下降盘地层向潜山内“冲入”的现象，给该区的断裂模式及构造形态的认识上带来了很大的困难。而在叠前深度偏移剖面上，中浅层断点清晰，断面形态清楚，波组关系合理；深层归位准确，特别是高陡倾角的辽中一号走滑断层及其下降盘的构造成像质量得到了较大的提高；同时潜山形态清晰，潜山及其内幕清楚，层间信息丰富，消除了构造假象，较好地解决了速度横向变化引起的陡倾角地层偏移归位不准的问题。

同时，为了便于研究Kirchhoff法叠前深度偏移与高斯射线束叠前深度偏移效果对比，用同一速度模型对相同输入的叠前地震数据分别做了Kirchhoff叠前深度偏移和高斯射线束叠前深度偏移处理（见图8）。

由图8可以清楚地看出，高斯射线束叠前深度偏移的陡倾角断面波成像效果较Kirchhoff偏移更好，各层资料反射丰富，波形活跃，波组特征清楚，特别是中深层同相轴成像更加清晰，信噪比更高，同时构造细节及接触关系清楚，能够反映浅、中、深层的构造形态及断裂展布情况。

5 结论

1）高斯射线束叠前深度偏移技术是解决高陡复杂构造成像的一种有效手段，能够满足像辽东湾LD区这样复杂地区的构造成像需要，提供更为准确的构造信息，提高井位部署的成功率，是一项应用前景非常广阔的技术。

2）与常规叠前时间偏移相比，高斯射线束叠前深度偏移成像精度更高，获得的地震波动力学信息更加丰富，资料保幅性较好，为后续的岩性勘探及地震反演来研究储层奠定了良好的基础。

3）在高斯射线束叠前深度偏移中速度模型的精度至关重要，因此精细的速度分析和正确的地质层位解释是取得良好成像的关键环节。

4）高斯射线束叠前深度偏移是一项与地震资料处理、解释密切相关的工作，在此过程中需要处理、解释人员密切配合，才能得到满意的结果。

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