柴達(dá)木盆地三湖坳陷橫波勘探中的低幅異常消除技術(shù)

王海立 鄧志文 黃漢卿 于寶華 尹吳海 馬立新 栗美華

1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司青海物探處 2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司3.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院

0 引言

三湖坳陷是柴達(dá)木盆地的主力產(chǎn)氣區(qū)，迄今已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)含氣構(gòu)造[1]。受儲(chǔ)層含氣的影響，縱波地震資料在氣區(qū)成像精度差，構(gòu)造難以準(zhǔn)確落實(shí)。而橫波則不受含氣的影響，對(duì)含氣區(qū)構(gòu)造成像具有優(yōu)勢(shì)，但橫波靜校正問(wèn)題嚴(yán)重，“低幅”異常現(xiàn)象發(fā)育，與低幅度地質(zhì)構(gòu)造相互混淆，難以區(qū)分[2-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于提高表層模型精度方法的研究工作。秦亞玲等[4]提出了用多項(xiàng)式擬合求取表層速度的思路；羅利等[5]提出了利用反射橫波探測(cè)更深地層介質(zhì)的思路；高厚強(qiáng)等[6]提出了采用分層網(wǎng)格層析迭代，提高表層模型反演精度；彭文和周熙襄[7]提出了利用瑞雷面波調(diào)查表層結(jié)構(gòu)的可行性。但是，關(guān)于橫波地震勘探中“低幅”異?，F(xiàn)象消除的研究并不多。余嘉順等[8]通過(guò)模擬低速層導(dǎo)致橫波地震時(shí)間剖面上的“低幅”異常，認(rèn)為在無(wú)有效手段對(duì)之進(jìn)行校正的情況下，實(shí)施地震測(cè)量時(shí)應(yīng)盡可能避開(kāi)這種地段；還有部分地球物理工作者提出采用高密度橫波表層調(diào)查來(lái)控制橫波表層結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而消除“低幅”異?，F(xiàn)象。

為了提高三湖坳陷構(gòu)造識(shí)別、含氣檢測(cè)及定量評(píng)價(jià)方面的精度，中國(guó)石油青海油田公司（以下簡(jiǎn)稱青海油田）2001年、2006年先后開(kāi)展了轉(zhuǎn)換波勘探（PS波），氣云區(qū)地震資料成像有所改善。李彥鵬等[9]利用同一接收點(diǎn)X和Z分量存在一定的初至?xí)r差，結(jié)合近地表縱橫波速度比信息去除低降速帶對(duì)橫波的影響，計(jì)算橫波的靜校正量取得一定效果；2009年該區(qū)首次實(shí)施了純橫波（SH波）勘探，實(shí)施了一定數(shù)量的橫波微測(cè)井，布設(shè)間距為2～3 km，通過(guò)橫波微測(cè)井，進(jìn)行橫波速度建模并計(jì)算靜校正量后，橫波剖面中、低頻靜校正問(wèn)題仍然存在；2018開(kāi)展了縱橫波雙源勘探，布設(shè)了大量橫波微測(cè)井，布設(shè)間距為500 m，仍然難以消除剖面上“低幅”異?，F(xiàn)象。實(shí)踐表明，很多低幅范圍在500 m以內(nèi)，而橫波表層調(diào)查效率低、成本高，難以大規(guī)模實(shí)施，很難控制表層橫波速度模型的變化。

2018年，三湖坳陷采用橫波可控震源激發(fā)SH波，道距較?。?0 m），初至密度高，具有較好的初至靜校正基礎(chǔ)。但是，受干擾影響，橫波單炮初至近偏移距受到污染，無(wú)法識(shí)別，導(dǎo)致存在初至空白區(qū)，影響了初至反演精度。同時(shí)，該區(qū)橫波折射層發(fā)育，存在多個(gè)高速折射界面，給橫波高速界面的選取帶來(lái)了一定困難。針對(duì)存在的問(wèn)題，筆者先通過(guò)曲線擬合對(duì)近道污染區(qū)初至?xí)r間進(jìn)行了預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了空白區(qū)初至，保證了初至層析反演所用初至數(shù)據(jù)的完整性；為了進(jìn)一步提高淺層橫波速度模型的刻畫(huà)精度，同時(shí)反演出包含多個(gè)折射層的橫波速度模型，采用面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演技術(shù)，建立了表層橫波速度場(chǎng)；最后通過(guò)基于速度譜分析的速度層位匹配選取橫波高速層界面。利用該技術(shù)組合建立了比較合理的橫波速度模型，取得了較好的靜校正效果，有效地消除了“低幅”異?，F(xiàn)象。

1 技術(shù)方法

1.1 基于曲線擬合的初至?xí)r間預(yù)測(cè)

橫波勘探一般采用橫波可控震源激發(fā)地震橫波[10]。受地表?xiàng)l件和橫波震源機(jī)械影響，部分近偏移距范圍橫波初至存在受干擾影響的污染道（可影響幾十道），難以有效拾取。如果對(duì)干擾橫波初至不做拾取，會(huì)存在部分連續(xù)的初至空白道，勢(shì)必會(huì)降低初至層析橫波速度模型的反演精度[11]，進(jìn)一步影響橫波地震成像的質(zhì)量。

三湖坳陷采用了縱橫波雙源激發(fā)，同一炮點(diǎn)上既激發(fā)橫波也激發(fā)縱波，縱波初至較為清楚，可以有效拾取。從橫波單炮初至?xí)r間的統(tǒng)計(jì)看，橫波單炮近偏移距初至?xí)r間曲線沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，呈現(xiàn)連續(xù)曲線特征。基于這一特征，提出了通過(guò)擬合曲線，預(yù)測(cè)受污染的近道橫波初至?xí)r間的方法。

首先通過(guò)少量橫波表層調(diào)查求取污染區(qū)淺表層縱橫波速度比，根據(jù)同一炮點(diǎn)上可有效拾取的縱波初至?xí)r間計(jì)算淺層縱波視速度，再結(jié)合速度比計(jì)算求取橫波視速度[12]；然后利用橫波斜率關(guān)系求取少量近道（部分道，數(shù)量遠(yuǎn)小于污染道）橫波初至?xí)r間；再拾取未受干擾影響的橫波初至道；最后將求取的近道橫波初至?xí)r間和可拾取的橫波初至?xí)r間進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，通過(guò)擬合曲線關(guān)系，根據(jù)偏移距大小，計(jì)算受干擾影響無(wú)法拾取的污染道的橫波初至?xí)r間。如圖1所示，藍(lán)色點(diǎn)為計(jì)算出的近道初至?xí)r間，紅色點(diǎn)為可拾取的初至?xí)r間，對(duì)藍(lán)色點(diǎn)和紅色點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，黑色點(diǎn)是根據(jù)擬合曲線方程預(yù)測(cè)的污染區(qū)初至?xí)r間。

1.2 面波反演表層模型

圖1 污染區(qū)橫波初至?xí)r間曲線預(yù)測(cè)圖

通過(guò)曲線擬合預(yù)測(cè)彌補(bǔ)污染區(qū)初至空白，總體上保證了橫波初至反演的完整性，但是并不能準(zhǔn)確刻畫(huà)淺層橫波速度模型的速度變化。從三湖坳陷縱波單炮資料看，面波較為發(fā)育，瑞雷面波頻散的規(guī)律與表層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，利用瑞雷波的頻散特性可為該區(qū)近地表橫波速度建模提供可靠資料[13]。

根據(jù)拾取的頻散曲線反演瑞雷波相速度以獲取近地表橫波速度。對(duì)于層狀模型，瑞雷波頻散曲線的正演，可由Knopoff方法計(jì)算[式（1）]得到。瑞雷波相速度（CRj）由非線性和隱式的特征方程F來(lái)確定，即

式中fj表示頻率，Hz；CRj表示瑞雷波在頻率為fj時(shí)的相速度，m/s； 表示各層橫波速度矢量，m/s；vsi表示第i層的橫波速度，m/s；n表示層數(shù)；表示各層縱波速度矢量，m/s；vpi表示第i層的縱波速度，m/s；表示各層密度矢量，g/cm3；ρi表示第i層的密度，表示各層厚度矢量，m；hi表示第i層的厚度，m。

設(shè)置一組固定模型參數(shù)（vs，vP，ρ，h）以及確切的頻率方程的解CRj即為相速度。

瑞雷面波的相速度與橫波速度相近，因此在探測(cè)過(guò)程中，可以用探測(cè)得到的瑞雷面波速度近似代替橫波速度?？上劝匆欢ㄩg隔在整條測(cè)線選取面波發(fā)育的縱波單炮；然后對(duì)單炮面波進(jìn)行頻散分析，拾取單炮的頻散曲線[14]；再利用面波頻散曲線迭代反演速度，得到不同位置單炮的橫波速度模型（圖2）。圖2-a為面波頻譜圖，圖2-b為面波反演速度曲線（藍(lán)色為初始模型曲線，紅色為反演模型結(jié)果，黑色線為拾取的頻散值）；最后將這些單炮反演結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插，得到整個(gè)測(cè)線上的橫波表層速度、厚度信息。

1.3 面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演

不同頻率的面波探測(cè)不同深度的地層，三湖坳陷面波探測(cè)深度一般小于50 m，不能完全滿足橫波表層建模的需要。因此必須聯(lián)合橫波初至反演建立完整的表層橫波速度模型，而面波反演模型可以作為約束信息[15]，彌補(bǔ)淺層橫波初至精度的不足。

圖2 單炮的橫波速度模型圖

由于三湖坳陷折射層發(fā)育，難以獲取穩(wěn)定的折射界面，因此常規(guī)的折射靜校正技術(shù)效果有限。而初至層析模型反演適應(yīng)各種地震波的初至，可以更好地滿足反演建模需要。但是，層析反演是一種非線性的反演方法，為了保證反演模型的準(zhǔn)確性，需要合理的初始信息進(jìn)行約束[16-18]。為了進(jìn)一步提高表層初始速度模型準(zhǔn)確性，適應(yīng)三湖坳陷橫波折射層發(fā)育的特點(diǎn)，采用了面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演技術(shù)：①在CMP域根據(jù)高速折射層的發(fā)育拐點(diǎn)，對(duì)多個(gè)折射層進(jìn)行分層[19-20]，建立多層狀初始橫波速度模型；②在多層初始模型中嵌入面波反演表層速度、厚度信息；③進(jìn)行初至層析反演最終速度。

圖3-a是三湖坳陷某測(cè)線常規(guī)層析反演的橫波速度模型圖，沒(méi)有刻畫(huà)出多個(gè)折射層發(fā)育的特點(diǎn)。圖3-b是該測(cè)線面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演的橫波速度模型圖，能反演出多個(gè)折射層的起伏特點(diǎn)，對(duì)模型淺層橫波低速刻畫(huà)得更加精細(xì)。從與橫波微測(cè)井調(diào)查結(jié)果（表1）對(duì)比看，聯(lián)合約束反演的結(jié)果與微測(cè)井更接近。

圖3 三湖坳陷某測(cè)線橫波速度模型圖

表1 層析反演速度與橫波微測(cè)井結(jié)果對(duì)比表

1.4 基于速度譜分析的層位匹配建模

通過(guò)面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演能更準(zhǔn)確地建立表層橫波速度場(chǎng)。但是，面對(duì)多個(gè)速度層，如何選取合適的高速層作為模型底界面呢？從三湖坳陷地震剖面看，淺層反射同向軸發(fā)育，部分反射軸能夠較好追蹤，說(shuō)明淺層具有對(duì)應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定的速度層，可作為橫波模型底界面。

筆者提出了基于淺層速度匹配來(lái)確定層析反演模型底界面的方法。即通過(guò)CMP速度譜分析求取速度，與初至反演速度界面進(jìn)行匹配選取高速底界面。

首先在剖面淺層觀察相對(duì)穩(wěn)定較能連續(xù)追蹤的反射軸，確定其雙程旅行時(shí)間，然后選擇不同位置CMP點(diǎn)速度譜進(jìn)行分析，從速度譜上可拾取對(duì)應(yīng)能量團(tuán)疊加速度值，再將疊加速度轉(zhuǎn)化為層速度，即

式中vn表示第n層的均方根速度（即疊加速度），m/s；tn表示第n層的單程旅行時(shí)間，s；vi表示第i層的層速度，m/s；Δti表示第i層頂?shù)讍纬搪眯袝r(shí)間差，s。

圖4 CMP點(diǎn)速度譜拾取示意圖

圖4 為200 ms處穩(wěn)定反射軸的速度譜圖，從速度譜上拾取對(duì)應(yīng)能量團(tuán)（黃色箭頭所示）疊加速度值，再采用式（2）將疊加速度轉(zhuǎn)化為層速度，這一層速度可近似作為穩(wěn)定高速速度層，這樣就得到淺層穩(wěn)定速度層某一點(diǎn)近似的速度值。將不同位置CMP點(diǎn)速度求取后與聯(lián)合約束層析反演速度模型進(jìn)行匹配，速度分布主要落在某一橫波速度層曲線上，則選擇該速度層為所需要的橫波高速層界面。如圖5所示，3條不同顏色曲線代表3個(gè)速度層，CMP點(diǎn)的速度（紅色散點(diǎn)）與速度層2（紅色曲線）更為接近。因此該區(qū)選擇速度層2為橫波模型高速層界面。

圖5 面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演速度圖

2 應(yīng)用實(shí)例

柴達(dá)木盆地三湖坳陷第四系生物氣蘊(yùn)藏豐富，氣區(qū)的所有縱波地震剖面都具有“低幅、低頻、時(shí)間下拉”的現(xiàn)象（圖6-a），該特征在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)指導(dǎo)了該區(qū)的天然氣勘探，鉆探取得了極大的成功，先后發(fā)現(xiàn)了臺(tái)南、澀北等氣田。但隨著勘探的深入，近地表速度異常也可以造成“低幅”現(xiàn)象[21-22]，按照該特征確定的鉆探井出現(xiàn)了很多失利，使得勘探陷入困境。為此，對(duì)該區(qū)的“低幅”異常進(jìn)行了深入的研究，利用純橫波在恢復(fù)構(gòu)造結(jié)構(gòu)方面取得了進(jìn)展，消除了含氣引起的低幅異?，F(xiàn)象，對(duì)氣區(qū)構(gòu)造進(jìn)行了較好的恢復(fù)（圖6-b）。但是同樣可以看到，盡管氣區(qū)成像質(zhì)量得到大幅提升，但是受表層影響，橫波反射同相軸并不十分光滑，幅度較小的扭曲現(xiàn)象依然存在（圖6-b紅色箭頭所示），說(shuō)明橫波靜校正問(wèn)題沒(méi)有完全解決，小幅度“低幅”異?，F(xiàn)象在橫波剖面上仍然存在，必須把近地表結(jié)構(gòu)引起的此類“低幅”異?，F(xiàn)象甄別出來(lái)并加以消除。

圖6 三湖坳陷含氣區(qū)縱波與橫波剖面對(duì)比圖

首先針對(duì)橫波近道受污染的初至進(jìn)行預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)空白初至道，保證初至層析反演的完整性[23]。圖7是某橫波單炮曲線擬合方程，通過(guò)擬合方程計(jì)算空白道初至?xí)r間。圖8是預(yù)測(cè)前（圖8-a）后（圖8-b）的橫波初至對(duì)比，通過(guò)預(yù)測(cè)彌補(bǔ)了近道23道空白道初至?xí)r間，保證了橫波初至的完整性。

圖7 三湖坳陷橫波單炮橫波初至?xí)r間曲線擬合圖

圖8 三湖坳陷橫波單炮初至預(yù)測(cè)前后對(duì)比圖

通過(guò)擬合曲線預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了初至空白對(duì)反演結(jié)果的影響，但是這種彌補(bǔ)很難精準(zhǔn)確反演表層結(jié)構(gòu)的特征，為了進(jìn)一步提高淺層橫波速度精度，采用面波反演淺層橫波速度。由于同一炮點(diǎn)上采用了雙源激發(fā)（縱波、橫波各激發(fā)一次），縱波面波更為清楚。因此可采用縱波單炮進(jìn)行面波頻散譜的拾取，提高頻散曲線拾取精度。圖9-a是通過(guò)頻散曲線進(jìn)行面波反演的淺層橫波速度模型，對(duì)淺層低速變化刻畫(huà)較為清晰；圖9-b是采用面波頻散曲線反演獲得的橫波速度模型與多層折射分層聯(lián)合約束層析反演的最終橫波速度模型。從模型上看，淺層橫波速度較低，各速度界面的低幅起伏刻畫(huà)的更清楚。最后通過(guò)與不同位置CMP層速度進(jìn)行匹配，選取合理的速度界面計(jì)算靜校正量。圖10是聯(lián)合反演應(yīng)用效果，常規(guī)橫波靜校正前的橫波剖面（圖10-a）存在“低幅”扭曲現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)筆者所述靜校正方法應(yīng)用后，橫波剖面（圖10-b）反射同向軸更為連續(xù)光滑，“低幅”現(xiàn)象得到了較好的消除。

圖9 三湖坳陷淺層橫波速度模型圖

圖10 橫波疊加剖面不同方法靜校正效果對(duì)比圖

3 結(jié)論

三湖坳陷近地表速度模型不準(zhǔn)導(dǎo)致的“低幅”異常現(xiàn)象，在成像剖面上與低幅度構(gòu)造成像不容易區(qū)分。相對(duì)于縱波，橫波速度更低，這種現(xiàn)象在橫波成像剖面上更為突出。為了解決三湖坳陷橫波勘探中的橫波靜校正問(wèn)題，筆者采用了如下組合技術(shù)。

1）采用曲線擬合技術(shù)預(yù)測(cè)污染區(qū)橫波初至?xí)r間，彌補(bǔ)近道橫波初至空白，可以保證層析反演模型的完整性。

2）利用瑞雷波的頻散特性反演建模可為該區(qū)淺層橫波速度提供可靠資料，提高淺層模型精度。

3）針對(duì)該區(qū)橫波折射層發(fā)育的特點(diǎn)，通過(guò)面波模型與多層折射分層聯(lián)合約束反演，能更準(zhǔn)確地反演該區(qū)表層橫波速度場(chǎng)，在CMP速度匹配分析的基礎(chǔ)上，建立更為合理的橫波模型。

4）建立的近地表橫波速度模型，靜校正應(yīng)用后，較好地消除了近地表引起的低幅異?，F(xiàn)象，得到了滿意的橫波剖面效果。