海量数据快速初至反演及应用实例

吕景峰，魏婧怡，陈建国 .

(1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072751;2.新疆大学地质与矿业工程学院资源勘查工程专业，新疆乌鲁木齐 830000)

海量数据快速初至反演及应用实例

吕景峰1，魏婧怡2，陈建国1.

(1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072751;2.新疆大学地质与矿业工程学院资源勘查工程专业，新疆乌鲁木齐 830000)

塔里木盆地主要发育沙漠、山地山前带及黄土塬等地表类型，表层结构复杂，静校正问题突出。相对于模型静校正方法而言，初至折射、层析反演静校正技术是解决复杂近地表区静校正问题的有效途径。但是随着高密度、宽方位的采集技术逐渐成为主流地震勘探技术并应用于生产后，地震初至数据剧增，严重影响了折射反演、层析反演的计算周期。本文根据初至数据冗余量大的特点，提出了一种提高反演效率的方法：首先，按照一定方式抽稀初至数据；其次，采用抽稀后的初至数据反演，获得近地表模型；再次，计算基准面静校正量；最后，在基准面静校正量的基础上，采用全部初至数据开展折射波剩余静校正，与基准面静校正之和为最终静校正量。该方法通过理论模型数据验证后能够保证静校正精度，2016年应用于目标区域的三维勘探中，取得了较好的效果。

复杂近地表；静校正；层析反演；折射反演；海量数据

塔里木盆地是我国最大的含油气盆地，总面积56×104km2，油气资源蕴含量丰富，勘探前景良好，是我国西气东输主力气源地。盆地地表类型多种多样。号称“死亡之海”的塔克拉玛干大沙漠位于盆地中部，沙漠相对高差较大，从几米直至上百米，最大可达200 m以上。盆地周边的天山、昆仑山和阿尔金山等复杂山地山前带地势起伏剧烈、地表岩性多变。位于盆地西南部的黄土塬堆积区黄土巨厚，甚至超过500 m，下伏为戈壁砾石或老地层。盆地中河流、冲沟、农田村庄密布，近地表条件十分复杂。由于地势起伏剧烈、岩性多变，风化层速度、厚度在纵、横向上变化较大，致使高信噪比原始单炮记录中的有效地震反射同相轴扭曲、错断特征明显，低信噪比原始单炮记录的初至不平直、不光滑，甚至参差不齐，静校正问题较为突出[1-3]。多年的攻关经验表明，在微测井等表层调查控制点的密度及精度满足需求的前提下，表层模型静校正方法适合表层结构较为简单、风化层速度、厚度在纵、横向上相对稳定的地区[4-8]；而在近地表条件较为复杂的地区，往往静校正完成后还会存在中、长波长静校正问题[9]。相对于微测井等表层调查资料而言，地震资料采集密度要大得多，地震初至波具有丰富的高频成分，基于初至波旅行时的反演静校正方法，理论上可同时求得长、短波长静校正量[10]，是解决复杂近地表区地震资料静校正问题最有效的方法，比如折射波校正法、层析反演法及折射波剩余静校正法等[11-14]，都能极大程度地提高地震资料的成像精度。随着对地震资料品质要求的不断提高，为进一步提高地震资料的信噪比、分辨率与保真度，同时改善偏移成像质量，高密度、宽方位三维采集技术得到了越来越广泛的应用[15-17]。高密度、宽方位三维采集技术的实施造成炮集初至数据的剧增，在海量初至数据的条件下，初至波反演静校正计算周期变长，不符合“高效采集”“降本增效”的勘探理念。

本文根据初至数据冗余量大的特点，将理论模型正演记录的初至数据进行抽道、抽炮处理后，开展初至反演对比、分析，发现在一定条件下，采用抽稀后的初至数据开展初至反演，不但能大幅提高计算效率，而且对最终计算结果的影响微乎其微。2016年，该方法应用于某复杂近地表区三维地震勘探中，取得了较好的效果。

1 方法原理

地震单炮记录的初至波包括直达波、折射波、回转波、绕射波及几种波组合后首先到达地表的波。其中直达波主要体现了均匀介质模型, 回折波主要体现了连续介质模型, 而折射波主要体现了层状介质模型[18]。在复杂地表区，可以根据蕴含丰富近地表信息的初至波采用折射或层析反演法获得近地表模型，给定统一基准面及替换速度计算基准面静校正量后，再通过折射波剩余静校正方法进一步提高短波长静校正精度，从而达到改善剖面成像效果的目的。

图1 折射速度分析示意图Fig.1 Refraction velocity analysis schematic diagram

1.1 折射波校正法

折射波校正法的基础是解基本折射方程[1-3,19]：

(1)

自激发点A到接收点B的初至时间tAB由3部分组成：激发点延迟时、接收点延迟时和沿炮检距的滑行时间。式(1)中炮检距XAB可以根据坐标计算获得，初至时间tAB为已知，需要求取的参数为折射速度vR、激发点延迟时tA和接收点延迟时tB。折射速度vR可以通过两个检波点对应的两个激发点的坐标及初至时间求取。图1中S1和S2为两个激发点，R1和R2为其共同的接收点，低速层速度为v0，折射速度vR可由下式计算得到：

(2)

可以看出，折射速度只与炮检距和初至时间有关，在覆盖次数较高的地震勘探中，间隔的抽稀炮检对初至，并不影响运算结果。

求得折射速度后，式(1)中只有激发点延迟时tA和接收点延迟时tB两个未知数。在多次覆盖勘探中，每个炮检对都可以列出这样的方程，形成超大的超定方程组，采用Gauss-Seidel迭代法或共轭梯度法即可求解。由于方程的数量远多于未知数的个数，可以适当抽稀炮检对初至求解，缺失的炮、检点延迟时通过已求取的延迟时内插后获得。

根据延迟时的计算公式：

(3)

当给定初始条件风化层速度v0时，可以求得风化层厚度h0；给定初始条件风化层厚度h0时，可以求得风化层速度v0。获得近地表模型后，根据基准面高程及替换速度能够计算出基准面静校正量。

1.2 层析反演法

地震走时层析成像方法是解决复杂近地表区表层建模及静校正问题最普遍应用的静校正技术[1-2,10-14,20-21]，该方法是将非线性反演问题转化为线性反演问题。首先将地下复杂介质分解为许多网格面元(通常为矩形)，给定一个假设初始模型进行正演，通过射线追踪计算从激发点到接收点之间所经过的每一个网格面元的时间；然后用模拟初至时间与实际观测初至时间的时差对模型进行修改，将时差分配到射线所经过介质的慢度上，得到一个较初始模型相对准确的速度模型再将这个速度模型作为初始模型，重复射线追踪与速度模型修正的迭代过程，直到时差小于给定的门槛值为止，这通常需要开展多次迭代才能实现。层析成像方程组为：

ΔT=LΔS

(4)

式中L——射线路径矩阵，通过射线追踪可以获得该矩阵；

ΔT——旅行时残差向量；

ΔS——慢度增量向量，是一个需要求解的列向量。其最小二乘解为：

ΔS=(LTL)-1LTΔT

(5)

在射线追踪过程中，通过地下介质网格面元的射线条数较多，根据这些射线的平均路径及走时可解析网格面元的慢度。在多次覆盖地震勘探条件下，通过地下介质网格面元的射线条数甚至达到万条以上。可见，适量减少射线(炮检对旅行时)也能够较为准确地获得网格面元的慢度。

1.3 折射波剩余静校正法

在复杂近地表区，经过表层模型、折射波校正以及层析反演基准面静校正后，仍有可能存在一定程度的中短波长静校正问题。这时可以采用折射波剩余静校正法[1-2]来进一步提高中短波长静校正精度，以改善剖面的成像效果。

如果计算的静校正量消除了地表起伏及风化层速度、厚度在纵、横向上的变化以及炮检点偏离值的影响，那么来自于同一折射层的共炮点域、共检波点域、共中心点域和共炮检距域的初至折射波的时距曲线应该是比较平直的，这是折射波剩余校正法的前提和依据[12,22]；反之，当这些域的初至折射时距曲线有不规则的变化时，说明静校正量不够准确，还存在一定的中短波长静校正量误差，可以通过时移予以校正，以减小这种不规则变化的影响，进一步提高静校正的精度。因为该方法需要在不同域进行时移校正，所以在计算过程中，不能缺失折射波每一道/炮的初至时间，否则该道/炮将没有折射波剩余静校正量。

2 理论模型数据验证

通过理论模型数据可以检查抽稀初至数据对初至波反演结果的影响程度。建立一起伏地表的正演模型，水平距离37km，深度12km(图2a)。地表高程为-1076.5～0m；风化层总厚度为15.7～156.6m；低速1100m/s、降速2200m/s，下覆为3200～4480m/s的高速。

以10m道距、10m炮距、7195-5-10-5-7195的观测系统进行波动方程正演模拟，共计获得3040炮正演单炮数据(图2b)。准确拾取每一炮的初至时间，得到R10mS10m(表示10m道距10m炮距，下同)的初至数据体，将其分别抽稀成R10mS20m，R20mS20m,…,R150mS300m的初至数据体。对抽稀后不同道距、炮距的初至数据体分别开展折射、层析反演并计算基准面静校正量，再采用所有初至数据体计算折射波剩余静校正量。

为保证对比条件单一，在折射、层析反演及静校正量的计算过程中，除不同的初至数据体为对比因素外，其他参数均相同。将R10mS10m初至数据体反演的基准面静校正量及总静校正量(包含了折射波剩余静校正量)作为标准静校正量，对比分析抽稀后不同道距、炮距的初至数据体反演计算结果与标准静校正量的误差。

图2 理论正演模型(a)及模拟单炮记录(b)Fig.2 The theoretical forward modeling (a) and the simulated single-shot record (b)

图3 抽稀成不同道距、炮距的初至数据体与所有初至数据体折射反演结果误差对比图Fig.3 Inversion result error comparison between the picked first-break data with difference group and source intervals and all the first-break data

由于折射反演最大的运算量在于速度分析和延迟时计算，所以在基准面静校正量运算过程中将初至数据体抽稀。与全部初至参与运算的结果对比(图3a)发现，初至抽稀后的折射反演结果存在误差，且初至越稀疏误差越大。当初至数据体抽稀成R30mS60m折射反演时，静校正量误差较小，为-5.7～4.2ms；但是采用R150mS300m的初至数据折射反演后，误差范围扩大到-12.9～9.5ms。初至数据抽稀后，部分激发点和接收点没有初至，因而无法获得延迟时。这些物理点的延迟时是通过内插得到的，因而无法保证其精度。物理点初至缺失的越多，内插的延迟时精度就越低，导致基准面静校正量的误差越大。通过折射波剩余静校正能够在一定程度上修正因延迟时精度低而引起的静校正量误差。折射波剩余静校正需要全部初至参与运算，但是相对于折射、层析反演而言，其运算周期非常短。在基准面静校正量的基础上，采用全部初至数据体计算折射波剩余静校正量(图3b)后，静校正量的精度得到提高，与标准静校正量相比，最大误差只有3.9ms，完全能够满足地震勘探的精度要求。

层析反演的运算时间与所使用初至数据的多少有关，选用不同偏移距的初至时间开展层析反演对运算速度影响很大：采用的偏移距越大，参与运算的数据越多，同时反演获得的近地表速度场的底界就越深，因而就更加耗时。采用R10mS10m的初至数据体，分别以7km(全偏移距)、6km、5km、4km、3km、2km及1km的偏移距开展层析反演并计算基准面静校正量及折射波剩余后的总静校正量。将7km偏移距的反演结果作为标准进行对比发现，采用不同偏移距层析反演对于最终的反演结果影响非常小，基准面静校正量的误差(图4a)范围只有-1.6～2.5ms，折射波剩余静校正后误差(图4b)缩小到-1.0～2.0ms。R50mS100m的初至数据体不同偏移距层析反演对比的结果也是如此，与全排列初至反演相比，基准面静校正量误差小于3.0ms，折射波剩余静校正后误差不超过2.0ms。但是，采用不同偏移距的初至时间开展层析反演，采用的偏移距越大，就需要越多的迭代次数才能保证反演结果收敛，层析反演耗时就越长。采用7km全偏移距时经过30次迭代反演才能够收敛，而采用2km偏移距时10次迭代反演后就可以收敛。同时反演时间大为降低，计算效率提高了15倍。可见，在层析反演计算静校正量时，选用初至的偏移距范围可以遵循“够用原则”：初至时间的偏移距范围只要保证能够获取所需要的高速层速度即可，没有必要采用过大的、甚至全偏移距开展层析反演。

图4 全部初至数据体的不同偏移距与全偏移距层析反演结果误差对比图Fig.4 Tomographic inversion result error comparison between the different offsets and the full offset of all the first-break data

在保证初始模型、网格面元及平滑参数相同的条件下，统一采用2km偏移距的初至数据开展不同道距、炮距初至数据体的层析反演。与全部初至数据参与运算的反演结果对比(图5a)发现，抽稀成R30mS60m的初至数据体开展层析反演后，计算效率提高了7倍，而且基准面静校正量误差较小，仅为-3.0～2.6ms，能够满足精度需求。随着初至数据体进一步稀疏，反演误差也逐渐增大。采用抽稀成R150mS300m的初至数据体层析反演后，误差范围已扩大到-13.2～11.1ms。这是因为炮点近偏移距初至数据的缺失降低了反演极浅层速度场的精度，进而影响了最终的计算结果。经过所有初至数据体开展折射波剩余静校正后，静校正量的精度获得提高。与R10mS10m的初至数据体开展层析反演并计算基准面静校正及折射波剩余静校正后的标准静校正量对比(图5b)，R30mS60m、R90mS180m、R120mS240m、R150mS300m的初至数据体反演最终静校正量误差分别为-1.0～1.2ms、-2.0～1.4ms、-1.8～4.9ms、-7.7～6.5ms。可见，参与运算的初至数据不能太稀疏，而且需要保留一定量的近道初至数据，否则会影响最终的静校正精度。

图5 抽稀成不同道距、炮距的初至数据体与所有初至数据体层析反演结果误差对比图Fig.5 Inversion result error comparison between the picked first-break data with difference group and source intervals and all the first-break data

3 实例

2016年，塔里木盆地部署了偏前满覆盖面积120km2的某三维地震勘探，地表类型为黄土、戈壁、砂泥岩山体等。地表高差起伏较大，海拔高程为2000～3120m，最大相对高差750m。风化层厚度在2.5～300m之间，速度为400～900m/s；高速在纵、横向上不稳定，总体在2000～3800m/s区间变化。总体表现为近地表条件复杂，静校正问题突出。而且地下断裂发育、构造复杂，剖面信噪比低、成像精度差。为了提高原始资料品质，施工中采用了高覆盖(364次)、宽方位(横纵比0.53)的观测系统，单炮接收线数为28条、总计为17472道接收。高密度、宽方位采集技术的应用，使得初至数据量剧增，会导致初至折射、层析反演效率降低，若不采取针对性的技术措施，会影响后续的勘探节奏。

在海量初至数据的前提下，初至数据冗余量大，可以通过稀疏初至数据体的方法来提高折射、层析反演静校正的计算效率，具体过程如下：

(1)采用人机交互方式拾取单炮的初至波旅行时间，在保证精度的前提下，形成初至数据库；

(2)通过整理SPS文件的方法对初至数据库进行操作，将全部的初至数据体稀疏成隔炮、隔线、隔道的初至数据体；

(3)采用抽稀后的初至数据体分别开展折射、层析反演获得近地表模型并计算基准面静校正量；

(4)在基准面静校正量的基础上，运用全部初至数据体开展折射波剩余静校正计算，并分别应用到时间初叠现场处理剖面上对比静校正效果。

在施工前期，对攻关线束(SW1-14束线)的3156炮地震数据按照上述方法分别开展折射及层析反演并最终计算静校正量。应用到现场处理剖面时发现，与模型法静校正(图6a)相比，折射静校正(图6b)与层析静校正(图6c)的精度明显提高。因为该区折射层速度不稳定、变化大，所以在一定程度上限制了折射静校正技术的发挥；而层析反演适应各种复杂近地表条件，因而应用层析静校正的剖面在浅、中层有效地震反射成像效果更好。甲方认为该剖面可以满足地震勘探的需求，后续生产不需再开展试验对比，沿用攻关线束方法即可。

在后续地震勘探采集工作顺利进行的前提下，再采用所有初至数据体分别开展折射、层析反演、计算最终静校正量，并将结果作为标准静校正量，与采用本方法的结果对比。结果发现采用隔炮、隔线、隔道初至数据体反演后的总静校正量误差很小，折射(图7a)、层析(图7b)反演总静校正量误差分别为-3.5～3.7ms和-3.6～1.9ms，这样的静校正精度完全可以满足地震勘探的需求，采用本方法能够极大地提高计算效率。以本次开展的层析反演为例，总计3156炮、每炮28线共17472道接收的初至数据体，采用全部初至、6km偏移距开展反演需要28h；而稀疏数据体、3km偏移距层析反演只需要3h即可完成。

4 认识

(1)在保留一定量的近道初至数据前提下，适当稀疏初至数据体开展折射、层析反演并计算基准面静校正量后，采用所有初至数据进行折射波剩余静校正，能够在保证静校正精度的前提下，大幅提高反演效率。

(2)开展层析静校正量计算时，初至数据的偏移距选取可以遵循“够用原则”，只要采用初至数据的偏移距范围可以获得所需要的高速层速度，就能够满足层析反演的近地表模型及静校正的精度要求。

图7 抽稀后初至数据与所有初至数据体初至反演结果误差对比图Fig.7 The first-break inversion result error between the picked first-break data and all the first-break data volume

(3)在多次覆盖的前提下，一般二维采用抽稀2～4倍道/炮距、三维采用隔炮/线/道的初至数据体开展初至反演计算基准面静校正后，采用全部初至开展折射波剩余静校正计算，能够保证最终计算的静校正精度。

[1]MikeCox.Staticcorrectionsforseismicreflectionsurveys[M].Tulsa:SEG,1999:74-75,235-241,347-349.

[2]SheriffRE,TanerMT,KoehlerF,etal.Extractionandinterpretationofcomplexseismictrace[C].ProceedingsoftheSixthAnnualConventionaloftheIndonesianPetroleumAssociation,1977:305-316.

[3] 陆基孟.地震勘探原理[M].东营:石油大学出版社,1993.

[4] 吕景峰,李军武,王剑.库车复杂地表区静校正技术应用及效果[J].非常规油气,2015, 2(2):1-4.

[5] 罗英伟,段卫星,徐维秀,等.几种静校正方法的研究与比较[J].油气地球物理,2010,8(1):34-39.

[6] 张新东,吕景峰,蔡明,等.一种适用于复杂山地山前带的表层调查方法[J].天然气勘探与开发,2015,38(2):35-37,42.

[7] 罗英伟,杨晶,段卫星,等.几种静校正方法比较研究[J].石油仪器,2010,24(5):41-43.

[8] 吕景峰,周冰峰,邸江伟.库车复杂地表区伪三维表层建模与静校正技术[J].物探化探计算技术,2015,37(6):773-777.

[9] 李卫忠,SalehA.Al-Maghlouth,AdnanHashem,等. 基于模 型的复杂地表区静校正方法[J].石油地球物理勘探,2010,45(6):797-801.

[10] 齐春艳,陈志德,刘国友,等．大庆长垣油田近地表模型约束折射波层析静校正[J].石油地球物理勘探,2013,48(1):22-30.

[11] 李继光.不同复杂近地表校正技术分析与应用[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2010,32(1):223-227,231.

[12] 宋常洲,高建华.复杂地区静校正方法研究[J].石油地球物理勘探,2007,42(增刊):127-131.

[13] 林伯香, 孙晶梅, 刘清林.层析成像低速带速度反演和静校正方法[J].石油物探,2002,41(2):136-140.

[14] 王淑玲.约束层析静校正方法应用效果分析[J].石油物探,2012,51(4):383-387.

[15] 王学军,于宝利,赵小辉,等.油气勘探中“两宽一高”技术问题的探讨与应用[J].中国石油勘探2015,20(5):41-53.

[16] 凌云,高军,孙德胜,等.宽/窄方位角勘探实例分析与评价(一)[J]. 石油地球物理勘探,2005,40(3):305-308.

[17] 凌云,吴琳，陈波，等.宽/窄方位角勘探实例分析与评价(二)[J]. 石油地球物理勘探,2005,40(4):423-427.

[18] 李录明,罗省贤.复杂三维表层模型层析反演与静校正[J]. 石油地球物理勘探, 2003,38(6):636-641.

[19] 杨海申,蒋先艺,高彦林,等.复杂区三维折射静校正技术与应用效果[J].石油地球物理勘探, 2005,40(2): 219-225.

[20] 于豪.折射波静校正与层析静校正技术适用性分析[J].地球物理学进展,2012,27(6):257-2584.

[21] 李宇,杨德义,邓辉,等初至旅行时层析反演近地表模型精度分析[J].石油地球物理勘探,2011,46(2):221-225.

[22] 王新红,刘成斋,贺振华,等.多域迭代折射静校正及其应用[J].石油物探,2001,40(4): 56-61.

Fast Initial Inversion of Massive Data and Its Application

Lv Jingfeng， Wei Jingyi， Chen Jianguo

(1.BureauofGeophysicalProspectingInc.,CNPC,Zhuozhou,Hebei072751，China; 2.ResourceProspectingEngineering,GeologyandMineralEngineeringCollege,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830000,China)

Tarim Basin mainly develops desert, mountain piedmont belt and loess plateau as its main surface types.It is complex in surface structure, resulting in prominent static correction problems. Compared with the model static correction method, the first-break refraction and the tomographic inversion static correction technique are effective ways to solve the static correction problems of complex near-surface area.However, since the high-density wide-azimuth acquisition technology is becoming the mainstream seismic exploration technology and has been applied to production, the seismic first-break data has increased rapidly in number, which has greatly affected the calculation period of refraction and tomographic inversions. In this paper, a method to improve the inversion efficiency is proposed based on the highly redundancy characteristics of first-break data.Firstly, pick up the first-break data in a certain way; Secondly, compute the datum statics; Then get near-surface model;Finally based on the datum statics, perform the refraction wave residual static correction using all the first-break data and its sum with the datum static correction is the final statics. This method can ensure the accuracy of static correction after being verified with the theoretical model data. It has achieved good results after being applied in the 3D survey in the target area in 2016.

complex near surface; static correction; tomographic inversion; refraction inversion; mass data

P631.4

A

*第一作者简介：吕景峰(1975—)，男，高级工程师，1998年毕业于大庆石油学院，一直从事野外地震勘探研究工作。邮箱：lvjingfeng@cnpc.com.cn.