渤海湾盆地老爷庙地区火山岩速度建模与成像

石文武，雍运动，吴开龙，田彦灿，王 鹏

（1.中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北唐山 063000；2.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020）

0 引言

火山岩对地震波具有极强的屏蔽作用，导致火山岩层间及下伏地层出现强反射波和多次波，另外火山岩和下伏地层通常形状不规则且物性横向变化快，导致地震波能量散射严重，因此火山岩发育地区地震波场十分复杂，地震资料品质差，高质量地震成像困难，给沉积相研究和构造精细描述造成严重影响，制约了对火山岩下伏油气藏的认识和油气藏精细勘探。如何提高火山岩发育区地震资料成像质量，业界在火山岩地区地震波的传播特征及岩下地层成像、火山岩发育区速度模型建立等方面一直进行着探索研究。裴正林等［1］对火山岩地区地震波的反射与透射特征进行了研究；Ziokowski 等［2］利用低频信息对火山岩下伏地层进行成像；佘德平等［3］分析了高速火山岩互层条件下的滤波效应；韩站一等［4］对火山岩下伏地层地震反射波场特征进行了研究，提出转换波可以更好地对火成岩岩下地层成像；张涛等［5］对火山岩深度域速度模型建立方法进行了研究，应用VSP 等先验信息建立成像速度低频分量，再利用网格层析技术对速度进行全局优化。这些主要是针对单层火山岩开展火山岩及下伏地层成像研究，而老爷庙地区火山岩具有分布广、多期次、岩性复杂的特征，而且火山岩下伏主力油层东营组储层具有极强的非均值特性，该区火山岩层内及下伏地层成像难度更大。针对渤海湾盆地南堡凹陷西北部老爷庙地区火山岩地震成像问题，王童奎等［6］采用逆时偏移技术提升了地震成像质量；吴吉忠等［7］、郭爱华等［8］通过一套稳健保幅处理技术，组合应用近地表Q补偿、地表一致性稳健反褶积、广义多次波衰减（GSMP）等技术，获得了一套较高分辨率和信噪比的成果数据，然而对于该区火山岩互层中低信噪比、弱反射特征的复杂储集层的准确成像问题研究成果比较少。

宽频、高信噪比叠前地震道集是渤海湾盆地老爷庙地区火山岩发育区速度建模与高质量成像的基础，符合实际地质规律的高精度速度模型是该地区地震资料准确成像的关键。应用“六分法”综合去噪技术和五维规则化技术在保幅前提下，逐级提高地震资料信噪比，压制噪音、抑制空间假频，再通过地质认识指导下速度模型优化与高精度约束网格层析速度建模技术建立准确的速度模型，以期为该地区地震解释和储层预测奠定基础。

1 工区概况与成像难点

1.1 工区概况

渤海湾盆地老爷庙地区位于南堡凹陷西北部，是一个典型的火山岩油气藏，现有资料表明该构造具有较大勘探潜力［9-10］。该区由于火山旋回喷发造成中深层发育3 套火山岩，每一旋回由强烈喷发、宁静喷发和间歇喷发3 个阶段组成，每个喷发阶段形成的岩性均不相同，强烈喷发以形成火山碎屑岩为主，宁静喷发以熔岩（玄武岩）为主。旋回喷发造成火山碎屑岩及熔岩与砂泥岩互层［11］，其主要油气储层是火山岩互层中的多物源、粗碎屑扇三角洲沉积层，目前已经发现了新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组等多套含油气层系。

1.2 成像难点

研究区位于河北省唐山市东南部，区内地表陆地面积占总面积的55%，盐田卤池等水域面积占约45%，大面积水域和工业障碍区导致该区的地震采集观测系统极不规则，采集脚印问题严重，工业生产干扰源多，发育面波、线性干扰和异常能量振幅，整体信噪比低；地表激发接收条件复杂，噪音发育、地震记录空间一致性弱，宽频保幅处理难度大。同时，该区在新近系馆陶组和古近系东营组、沙河街组发育多期火山岩互层，火山岩对地震波的极强屏蔽，导致火山岩下伏目的层反射波能量弱、多次波普遍发育、散射波较强，提高信噪比难度大；火山岩与围岩接触关系复杂多变，主力产油层物性横向变化非常大，难以形成连续的同相轴，刻画并建立火山岩及目的层高精度速度模型十分困难［12］。

2 针对性处理技术

2.1 “六分法”综合去噪技术

渤海湾盆地老爷庙地区地震资料存在多种噪音组合，不仅包括地表复杂激发接受条件引起的面波、外源噪音、异常振幅，还有地震反射波传播至中深层火山岩地层时产生的大量多次波以及在火山岩下复杂储层产生的大量散射和噪音等，目的层信噪比极低（图1）。由于火山岩对下伏目的层信噪比的影响，在研究区压制噪音过程中不能只注重在炮域进行去噪，忽视炮域去噪后仍然存在的一些剩余噪音的问题；不能只注重对线性噪音等一些直观可见的噪音进行去除，忽视对火山岩下伏目的层产生的噪音去除，这将会导致目的层信噪比较低，无法满足目的层高质量成像的要求。因此如何在保护目的层弱反射信号基础上有效提高信噪比，是火山岩发育区去噪成功的关键。

图1 渤海湾盆地老爷庙地区火山岩发育区典型原始单炮（a）及其叠加剖面（b）Fig.1 Typical original shot（a）and stack section（b）in Laoyemiao volcanic rock development area，Bohai Bay Basin

采用“六分法”综合去噪技术，针对渤海湾盆地老爷庙地区地震资料中的干扰波特点和分布规律，选用对应的去噪方法进行逐级压制。该技术是一种宽频、保幅的去噪技术，要求保护有效的反射信息，尤其要注重保护低频弱信号，其基本思想是按照噪音的类型和特征，遵循“先强后弱、先低频后高频、先规则后随机”的顺序，对叠前地震数据进行多方法逐级组合去噪，对不同类型的噪音选取效果最佳的去噪模块和参数，采用减法逐级去噪［13］。“六分法”保幅去噪的具体成操作流程如图2 所示。

图2 “六分法”技术去噪流程Fig.2 Denoising flowchart of six division technology

具体步骤如下：

（1）炮域去噪。针对复杂地表激发接受条件带来的低频、强能量的噪音，通过异常能量振幅衰减、区域面波压制、非均匀采样相干线性噪音压制等去噪效果良好的叠前去噪方法，在炮域进行分区、分类、分频、分时、逐级去噪，去除异常能量、低频面波、剩余面波、线性噪音等强能量噪音并严格质控，初步提高地震资料信噪比（图3）。

图3 渤海湾盆地老爷庙地区炮域去噪Fig.3 Denoising in shot domain in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

（2）检波域去噪。对于无法在炮域保真去除的剩余噪音，将地震数据分选至剩余噪音与有效反射信号之间的差异明显的域进行保真去除（图4）。

图4 渤海湾盆地老爷庙地区检波域去噪Fig.4 Denoising in detection domain in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

（3）CMP 域去噪。研究区受到火山岩地层的强屏蔽作用，目的层反射能量微弱，反射信息淹没在噪音中，初步去噪后地震数据信噪比仍然无法满足目的层精细速度分析和高精度成像的要求，针对这一问题，采用四维噪音压制技术在CMP 域去除噪音。

四维噪音压制技术的基本原理：基于频率-空间域的预测去噪理论，依据地震记录中的有效波在频率-空间域具有可预测性，将三维叠前地震数据体视为纵线、CMP、偏移距、时间组成的四维数组，分别利用多道复数最小平方原理求取预测算子，再对某一特定频率成分的四维地震数据体进行预测滤波，达到衰减随机噪音的目的［14］。

如图5 所示，从研究区地震数据经四维噪音压制前［图5（a）］、后［图5（b）］的速度谱及对应的偏移道集对比可知，火山岩之下复杂储集层反射能量得到凸显，在速度谱上更加聚焦，有利于求取该层准确的速度。从规则化前［图5（c）］、后［图5（d）］对应的叠前深度偏移剖面可知，全区地震资料信噪比整体得到了提升，尤其火山岩互层内幕弱反射信息及火山岩下伏储集层成像质量明显提高。

图5 渤海湾盆地老爷庙地区四维去噪前、后速度谱及偏移剖面Fig.5 Velocity spectrum and migration section before and after 4D denoising in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

2.2 火山岩地区高精度速度建模技术

老爷庙地区火山岩岩性和岩相复杂多变，其速度在纵横向复杂多变，建立准确的深度域速度模型难度极大。由于火山岩形态复杂且具有高速特征，地震波射线在该处较为稀疏且走时缩短，应用深度域速度分析中目前最常用的层析求解法速度存在多解性，需要从声波测井等先验信息建立的比较平滑的初始速度模型开始，再通过地质认识指导，应用层析技术按照从粗到细的顺序逐步提高速度模型的精度。

（1）初始深度域层速度模型建立及沿层层析迭代

老爷庙地区火山岩大致形成于沙河街组形成期、东营组形成期和馆陶组形成期，每次火山活动间隙期都有大量沉积地层。如图6（a）所示，地层①为馆陶组（Ng）火山岩，其分布范围最大，覆盖了整个南堡凹陷，在老爷庙地区厚度为50～100 m，地层②为东营组（Ed）火山岩，分布于老爷庙地区西南部，厚度为0～50 m，地层③为沙河街组（Es）火山岩，位于主要油气层以下，对油气层地震成像影响小。本区火山岩及下伏储集层速度变化很大，声波测井曲线在火山岩地层出现多个高速，最高可达6 138 m/s，火山岩下伏沉积层速度则发生倒转，速度迅速降到3 000 m/s 以下［图6（b）］，加上火山岩岩相复杂多变，形态难以刻画，很难建立准确的火山岩深度域速度模型。

图6 渤海湾盆地老爷庙地区火山岩剖面（a）及速度范围（b）Fig.6 Section（a）and velocity range（b）of volcanic rocks in Laoyamiao area，Bohai Bay Basin

为了建立比较平滑的深度域初始模型，首先对时间域速度模型进行多次大尺度平滑，然后应用研究区内多口钻井的声波速度进行约束反演到深度域，如图7 所示，初始模型虽然精度不高，但是速度规律跟实际地质情况大致相符，有利于速度层析反演化［15］。

图7 根据渤海湾盆地老爷庙地区测井资料和均方根速度建立初始层速度模型Fig.7 Initial velocity model established by log data and RMS velocity in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

在初始模型的基础上通过叠前深度偏移、主要反射层层析迭代的方法逐步优化速度模型。层析成像就是速度最优化问题求解，须要一个深度域速度模型使目标函数最小化［15］。假设模型的目标函数为ω(m)，因为对反演问题存在解具有非唯一性，在反演目标函数中加入地质构造信息的约束条件，目标反演函数为

式中：h为偏移距为未校平的成像道集；为构造约束残差；zevents(h)为目标同向轴h处深度，m；zevents(href)为目标同向轴参考偏移距h处深度，m；minit为层位对应的初始速度，m/s；mcurrent为偏移后层位对应的速度，m/s；α为约束权系数。

通常要经过多次迭代才能使ω(m)达到最小，在每次迭代后目标函数得到更新，最终将收敛到最优结果。

（2）地质认识指导模型优化及速度扫描

老爷庙地区存在从早白垩世至新近纪多期火山岩，不同相火山岩岩性和储集类型差别大，速度在纵横向的变化大，该区沿层层析优化速度模型时往往存在速度多解性问题，需要结合地质认识排除多解性［16］。在前一步沿层层析建立的速度模型基础上，结合以往在本区岩性组合认识，对局部速度变化快的地层进行地质认识下的人工优化，给该地区一个大致合理的速度后进行速度扫描，最后建立比较准确的速度模型（图8）。

图8 渤海湾盆地老爷庙地区地质认识指导下优化突变区速度Fig.8 Velocity optimized in the abrupt change area under the guidance of geological knowledge in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

以东营组为例，其火山岩下伏地层由于物性横向变化非常大难以形成连续的同相轴，很难应用速度层析技术求得该层准确速度。直接应用层析的方法建立的速度模型在该地层速度约为3 800 m/s，但是根据已有的地质认识可知，东营组火山岩下伏地层应该是速度较低、非均质极强的储集层，因此需要根据该层测井速度给估算一个大致地震成像速度（约3 100 m/s）后进行速度百分比扫描，根据成像质量选取该层恰当的成像速度（图9）。

图9 渤海湾盆地老爷庙地区地质认识指导下速度优化后成像变化Fig.9 Imaging changes after velocity optimization by geological knowledge in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

（3）高精度网格层析速度优化技术

对主要反射层逐层层析迭代的速度建模方法能够建立可靠的背景速度模型，对该模型在地质认识指导下进行速度优化，优化后在速度变化快的区域准确度有所提高，但老爷庙地区火山岩与围岩接触关系复杂多变，储集层速度横向变化快，目的层准确成像需要更高精度的速度模型。三维网格层析技术是一种全局优化速度技术，可以优化更小尺度速度精度，具有优化层间速度和局部速度变化的特点。利用沿层层析建立的速度模型作为高精度网格层析迭代的初始模型，通过逐渐减小空间网格尺度的策略，经网格层析迭代逐步提高速度模型的精度。具体步骤为：拾取全局剩余延迟，建立剩余旅行时残差矩阵，通过最小平方算法求解最终剩余速度。

地震走时一定的情况下，一个小的速度扰动，在深度域将会产生一个剩余量与之对应，在网格层析中，先求取使远偏道集拉平的剩余速度Δvi［17］

式中：为地层的真实深度，m；zh为炮检距h处的深度，m；θ为反射的方位角，（°）；φ为倾角，（°）；v为背景速度，m/s。

令z0为零偏处的深度，为了得到真实速度，必须使zh-z0最小，则

为了得到Δvi，利用式（3）在每个网格点逐点求解，得到每个网格点的速度变量后再插值，得到剩余速度体，将这个剩余速度体与初始速度相加得到网格层析更新后的速度模型，通过多次迭代，最终得到一个高精度的速度模型［18］（图10）。

图10 渤海湾盆地老爷庙地区高精度网格层析前（a）、后（b）的速度场Fig.10 Velocity field before（a）and after（b）grid tomography in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

2.3 五维规则化技术

受勘探工区地表激发接收条件的限制，老爷庙地区地震数据空间采样极不规则，覆盖次数空间差异引起采集脚印现象，偏移容易产生假频和划弧现象，导致成像质量低和振幅不保真，造成后续反演和解释精度降低，因此有必要在偏移成像前对数据进行规则化处理。

基于傅里叶变换进行地震数据重构方法是目前被广泛应用的保幅规则化方法，其核心是计算正确的傅里叶系数［19］。数据的不规则缺失，导致在计算傅里叶系数时误差较大，在较高频率（或波数）存在振荡现象，在计算傅里叶系数时采用防假频算法能够消除频谱泄露，对无泄露的频谱进行反变换得到缺失数据。

近年来，广泛应用的匹配追踪傅里叶防假频插值（MPFI）算法是一种反假频傅里叶插值［20］，这种算法依靠真实坐标数据驱动，算子由基于一个目标道周边有限的输入道计算得到，因此算子更好地反映数据的局部倾角，不会引起混波，也不会影响空间分辨率，能适应不均匀的数据，可以保持振幅。在实现数据规则化运算过程中，MPFI 的基本思路是将非规则采样的数据变换到F—K 域，拾取第一次变换的最大K，再将其反变换到T—X 域，将原始数据与第一次反变换的数据相减，所得的结果再次进行F—K 变换，拾取这次最大的K，再将其反变换成T—X 域，将原始数据与之相减，如此反复迭代求取完所有能量的单频波F—K 谱。这样每一个单频波的F—K 谱都是规则采样的，反变换到T—X 域，得到规则采样的数据，完成插值功能［21］。

本次规则化在五维空间数据插值，考虑到时间、CMP 坐标（x，y）、炮检距和方位角变化，确保叠前数据随着炮检距和方位角都能保持相对振幅。图11 是老爷庙地区规则化前、后观测系统和覆盖次数图，规则化前，由于大量障碍物的存在导致炮检点位置极不均匀，覆盖次数不稳定，采用五维MPFI 规则化后炮检点位置和理论设计位置一致，覆盖次数与满覆盖次数一致。

图11 渤海湾盆地老爷庙地区数据规则化前、后炮点分布位置（a）及局部放大显示（b）（规则化前炮点分布位置为蓝色，规则化后炮点分布为绿色）Fig.11 Distribution of shot points before and after data regularization（a）and partial enlarged display（b）in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

图12 为数据规则化前、后叠加剖面，因为规则化前缺少部分近道数据，导致剖面浅层局部缺失［图12（a）中红色框线所示］，目的层信噪比和成像质量较低［图12（a）中黑色环线所示］，规则化很好地重构了这些地区的波场，填充了浅层缺失信号［图12（b）中红色框线所示］，有利于浅层的速度求取和成像，而且目的层信噪比大幅提升，层间信息以及绕射波叠加成像质量明显提高［图12（b）中黑色环线所示］。

图12 渤海湾盆地老爷庙地区数据规则化前（a）、后（b）叠加剖面Fig.12 Stack section before（a）and after（b）data regularization in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

对比规则化处理前与规则化处理后地震数据在目的层（2 200 ms）附近的叠加切片（图13）可知，规则化处理后，目的层采集脚印问题得到彻底解决，构造特征更加清晰。

图13 渤海湾盆地老爷庙地区规则化前（a）、后（b）道集在2 200 ms 时间切片Fig.13 Slices of past（a）and current（b）denoising results at 2 200 ms in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

3 叠前成像效果

对渤海湾盆地老爷庙地区采用本文方法处理后的深度偏移剖面比常规方法处理后的剖面，火山岩互层内部信噪比明显提高，成像质量大幅提升［图14 中红圈部分所示］，浅层小断裂成像更加清晰，深层断面成像及深层地层接触关系都要明显更好［图14 中箭头所示］。本次方法处理成果井-震标定在深度域与钻井结果的吻合程度更高（图15）。

图14 渤海湾盆地老爷庙地区常规处理（a）与本次处理（b）成像对比Fig.14 Imaging comparison between previous processing（a）and current processing（b）in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

图15 渤海湾盆地老爷庙地区常规处理与本次处理成果深度域井-震标定Fig.15 Well-seismic calibration in depth domain of previous and current processing results in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

对比本次处理成果井-震误差（表1），深度域成像误差小于1%，有效地提高了深度域成像的精度。

表1 渤海湾盆地老爷庙地区井-震误差统计Tabel 1 Deviation statistics of well-seismic in Laoyemiao area，Bohai Bay Basin

4 结论

（1）在渤海湾盆地老爷庙地区，采用“六分法”去噪技术可以保幅去除由地表复杂激发接受条件引起的面波、外源噪音、异常振幅；四维去噪技术能去除火山岩下伏复杂储层产生的大量散射和噪音，增强火山岩之下有效波的能量，最终获得保真高信噪比道集。

（2）采用沿层层析建立速度模型，并以地质认识为基础进行人工干预速度变化，以此作为高精度网格层析迭代的初始模型，通过逐渐减小空间网格尺度的策略，经网格层析迭代能逐步提高速度模型的精度。

（3）在偏移成像前对数据进行规则化处理，应用五维空间匹配追踪傅里叶防假频插值（MPFI）算法，能确保叠前数据随着炮检距和方位角都能保持相对振幅，彻底解决目的层采集脚印问题。