塔西南厚黄土戈壁区地震资料静校正处理技术及应用

郭念民,雷刚林,崔永福,徐凯驰,裴广平,邓建峰

(中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院，库尔勒 841000)

0 引言

复杂地表条件所引起的静校正问题是地震勘探取得突破的技术瓶颈，一直制约着地震剖面成像质量的改善[1]。近年来针对复杂地表条件的静校正技术的研究表明，基于初至信息的非线性层析反演静校正方法,对地表高程变化和地下速度规律无需特别的假设或限制，适用于各种复杂近地表条件下求取准确的静校正量，该方法已成为改善地震资料成像品质的有效手段[2-14]。

塔里木盆地西南部山地山前带地区(塔西南地区)是油气勘探的重点区域，但是地表条件复杂，勘探开发难度大，如普东地区地表条件复杂多样，普东工区整体地势呈南高北低，海拔在1 700 m～3 000 m之间，南部为黄土山，黄土厚度大，地形起伏较大；北部主要为戈壁，局部分布少量农田村庄，地形相对平坦(图1)。该地区近地表条件特点：①地表高程起伏变化剧烈，由西南向东北高程差可达一千多米；②地表及近地表岩性横向变化较大；③黄土戈壁区风化层速度和厚度横向变化剧烈。图2为工区典型位置(厚黄土区、地表高速出露区和戈壁区)的单炮，可见厚黄土区静校正问题尤为突出，近偏移距道集信息显示黄土速度较低，初至波抖动剧烈；近地表速度的横向变化加剧了静校正问题的复杂性。黄土戈壁区的复杂地表条件，给静校正问题的解决带来极大困难。

图1 工区地表条件变化示意图Fig.1 Sketch map of surface condition change

图2 不同地表位置处的单炮记录Fig.2 Shot records of different surface conditions

目前解决近地表静校正的方法主要有三类：①模型法;②折射静校正法;③层析静校正法[15]。模型法是一种基于线性内插的数学计算方法，在地表条件相对简单的地区效果较好。折射静校正法在地表起伏较小、表层速度横向均匀性较好且存在明显折射面的地区使用效果较好，计算结果稳定、计算效率高。但是折射静校正法基于水平层状介质模型假设，在地表起伏剧烈、高速层出露的地区应用效果不佳。层析静校正法可以利用初至波的全部信息，不需要区分初至波的类型，符合低速带并非严格成层的实际情况，能够可靠地反演近地表速度模型，适用于各种复杂地表条件下速度反演和静校正量的计算。该方法对中长波长静校正问题突出的地区，如低降速带巨厚的黄土区、地表起伏的复杂山地区、戈壁砾石区等应用效果较好。

在前人研究的基础上，结合塔西南地区地震勘探实例，开展了复杂地表条件静校正问题解决策略研究，提出了一套改进的层析成像静校正技术，并取得了较好的应用效果。

1 技术方法

为了解决好普东地区的静校正问题，笔者提出了改进的层析成像静校正技术工作流程，首先采用一种新的策略来精确拾取初至，根据初至可得到初始近地表层状模型，然后利用回转波层析成像技术进行不同偏移距范围的迭代反演，逐渐得到精细的近地表网格模型，并拾取等速面作为静校正量计算面，然后根据最终模型拾取等速面来计算静校正量，实际资料得到了较好的应用效果。

图3 低信噪比资料初至拾取流程图Fig.3 Flow of first break pick-up for low SNR

1.1 高效高精度初至拾取技术

研究区为塔西南地区复杂山地黄土塬区，地震数据质量差别大，一致性差，很难找到一种适合所有单炮数据的拾取方法。这里采用了一种自动拾取和人工校正相结合的方法(图3)。

在拾取初至之前，先对炮集数据施加野外静校正量，再采用随空间和炮检距变化的速度进行线性校正，使炮集初至信息更加平缓，从而有利于自动拾取和人工判别修改校正；如果炮集初至信噪比低、发育旁瓣，则进行基于俞氏子波的初至优化与整形。目前普遍使用的且有效的初至拾取方法，可以分为两类：①基于单道振幅突变的方法(如阀值法、能量比法和边缘检测法等)；②基于相邻道波形相似的互相关方法，前者适合信噪比较高的数据，一般采用全自动的实现方法，后者适合信噪比较低的数据，采用人机交互的实现方法。不管是哪类方法，都要求初至数据有一定的信噪比。对于信噪比低的数据，如果旁瓣发育，容易导致拾取串层，从而引入错误的初至时间，俞氏子波的主频高，旁瓣小，这一点对于初至整形尤其重要，采用基于俞氏子波的初至子波优化整形技术,可以提高初至波信息自动拾取精度和拾取效率。从图4可以看出，经过俞氏滤波进行优化和整形后的数据信噪比高，更容易进行自动拾取，而对于拾取精度仍不高的道集数据，再进行人工复查修改校正。

拾取初至是层析反演静校正的基础工作，也是成功的关键。在初至拾取策略上，先拾取信噪比相对较高的偏移距内初至，利用该偏移距内的初至信息计算初始层析静校正量，应用初始层析静校正量于原始单炮后，再拾取所有偏移距初至，这样得到所有偏移距初至后再去掉初始层析静校正量。在技术上，采用基于俞氏子波的初至子波优化整形技术和相邻道波形相似的互相关方法的初至拾取技术。通过初至拾取策略和拾取技术的综合应用，能够高效、准确地拾取初至信息，为层析反演奠定数据基础，有利于提高静校正处理的精度和可靠性。

图4 某单炮经过线性校正后的数据与俞氏滤波后的数据Fig.4 Data after linear correction and YU filtering of shot(a)线性校正后数据;(b)俞氏滤波后数据

1.2 基于回转波的层析反演方法

回转波层析反演技术无需对地表高差、低降速带速度以及折射界面做特定的假设限制，它是一种将地表模型作为任意介质处理的弯曲射线回转波初至反演方法，能够适应地表结构较复杂的地区计算准确的校正量。回转波层析反演的基本原理,首先建立近地表反演的地震走时方程：

(1)

式中：S(x,z)为地下介质的速度模型；T为初至波的走时；dl为射线路径的微分。

根据实际地震记录所拾取的初至时间反演近地表速度模型。式(1)离散后，可表达为如下代数方程组的矩阵形式：

T=LS

(2)

其中:T为炮检点旅行时矩阵;L为射线路径矩阵;S为速度矩阵。通过建立速度矩阵的初始模型S′，能够追踪射线路径矩阵L和炮检点旅行时矩阵T′。对比正演旅行时T0和实际旅行时T′，能够计算出旅行时差ΔT。速度矩阵修正量ΔS可表示为：

ΔT=LΔS

(3)

用ΔS对S′进行修正，通过多次迭代即可得到真实的速度矩阵S。

实际求解过程中首先要建立一个初始模型，将地下分成网格单元，从激发点到接收点的射线通过地下网格单元，假设每个单元的速度是恒定的，使用射线追踪法计算模拟的初至时间，然后通过不断修改速度模型，使实际和计算的初至时差达到最小。通过将一个大规模的非线性最小二乘问题线性化并反复迭代求取近地表速度模型从而实现反演的优化过程，层析反演的流程图如图5所示。

回转波层析反演计算中,采取偏移距逐步增大精细层析反演迭代法可很好地约束浅层模型。分偏移距层析反演的起始偏移距和偏移距增量大小的选择很重要，直接影响反演精度和反演效率。起始偏移距和偏移距增量大小的选择,主要依据工区的近地表速度及速度的变化规律，如果表层速度较小、速度变化梯度较小，就需要选择较小的起始偏移距和偏移距增量，反之需要选择较大的起始偏移距和偏移距增量。

偏移距从小到大的初至大致反映从浅到深的浅层速度模型，从较小偏移距初至开始层析反演，在前一次层析反演最终模型收敛较好的基础上，逐步增大较大偏移距进行初至层析反演迭代，将前一次最终模型作为下一次层析反演的初始模型，能够相对固定浅层速度，相当于从浅到深逐步精细更新浅层速度模型，通过多次迭代即可得到真实的速度矩阵S。

在厚黄土复杂近地表条件下，表层纵、横速度变化较大，采用传统的等深面作为静校正计算面会带来一定的误差，笔者采用拾取替换速度为2 500 m/s的等速面层位作为静校正计算面，相比于从高程平滑面向下300 m的等深面来计算得到静校正量更加精确。

图5 层析反演流程图Fig.5 Flow of tomographic inversion

图6 初至拾取示意图Fig.6 Sketch map of picking up first break(a)拾取3 500 m偏移距内初至;(b)计算应用初始静校正后拾取所有初至;(c)去掉初始静校正量得到真正初至

2 实例研究及效果

普东工区复杂地表(南部黄土山、中间山前带、北部戈壁滩)带来了初至拾取难度大的问题，采用高效高精度初至拾取技术，可以较好地解决复杂地表的地震资料初至拾取问题，如图6所示：①利用这里方法首先拾取3 500 m偏移距内初至信息；②利用3 500 m偏移距内的初至计算初始层析静校正量；③应用初始层析静校正量于原始单炮，再拾取所有偏移距初至；④得到的所有偏移距初至并去掉初始层析静校正量；⑤利用最终完整的全偏移距初至信息计算层析静校正。

经过高效高精度初至拾取和多次层析反演迭代，很好地解决了工区内由于地形复杂、地表起伏较大、低降速带厚度不均以及横向速度变化较大带来的静校正问题。回转波层析成像技术能够更好地拟合初至时间，从而更加充分地挖掘初至时间所隐含的地球物理信息；该技术在纵向上分层更加细化，同时能够精确地反映出横向速度的变化；该技术能够有效解决地表复杂区的静校正问题，同时通过反演求取精确的浅层速度模型，确保低幅度构造的真实性，提高地震资料的成像质量。本工区浅层黄土层厚度不均，速度的横向变换较大，拾取替换速度2 500 m/s的等速面层位作为静校正计算面比沿高程平滑面向下300 m的等深面更精确。

图7为常规4 500 m偏移距常规层析反演和本文方法从300 m到4 500 m偏移距(起始偏移距为300 m，偏移距增量为300 m)15次迭代层析反演的最终模型对比，常规4 500 m偏移距层析反演结果中无法对浅层低速黄土层的速度精细刻画，分偏移距15次迭代层析反演结果对浅层低速黄土层速度刻画更加清晰。图8为常规层析反演和本文分偏移距15次迭代层析反演结果的射线密度对比，本文方法在南部黄土山区射线密度分布更为合理。

图9为层析静校正前后单炮对比，可以看出初至得到很好改善，静校正问题得到有效解决。由图10可以看出，改进的层析反演方法得到的最终静校正量应用后的叠加剖面在南部黄土山区浅层(方框区域)和普东构造区(椭圆区域)叠加成像都得到了更好的结果。

图7 常规方法和本文改进方法的最终模型对比Fig.7 Final model comparison between conventional method and improved method in this paper(a) 常规方法;(b)本文改进的方法

图8 常规方法和本文改进方法最终模型的射线密度对比Fig.8 Contrast of ray density of final model between conventional method and improved method in this paper(a)常规方法;(b)本文改进的方法

图9 本文改进方法静校正应用前后的单炮记录对比Fig.9 Shot records comparison before and after static correction application using this paper method(a)静校正应用前;(b)静校正应用后

图10 常规层析反演方法和本文改进方法静校正应用后的叠加剖面对比Fig.10 Stack section comparison after static correction application between conventional method and improved method in this paper(a)常规层析反演方法;(b)本文改进方法

3 结论及认识

准确的初至拾取是山地区层析反演静校正的基础，笔者采用高效高精度初至拾取技术很好地解决了该问题；通过分偏移距多次迭代回转波层析成像技术相比常规的层析反演静校正技术，不仅能够精细地反映横向速度变化，而且纵向上的分层也更加精细；对于复杂山地区资料，拾取稳定的等速面比高程平滑面向下延伸的等深面作为静校正计算面更加精确，得到的成像质量更好。塔西南厚黄土戈壁区普东三维资料实际应用效果证明，本文改进的层析成像静校正技术是非常有效的，该技术可以在其他复杂地表区的静校正处理中进行推广应用。