非線性層析技術(shù)在瓊東南天然氣水合物成像中的應(yīng)用

帥慶偉，徐云霞，文鵬飛，沙志彬，萬(wàn)曉明

1.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

天然氣水合物是一種存在于低溫、高壓環(huán)境下的甲烷聚合物。海洋天然氣水合物主要分布于水深300～4 000 m的深水盆地[1]。瓊東南盆地發(fā)育于南海北部西北端大陸邊緣，位于南海北部陸坡深水區(qū)，具有天然氣水合物形成需要的高壓低溫穩(wěn)定域環(huán)境。盆地內(nèi)具有生物成因和熱成因天然氣的巨大氣源供給條件，是重要的天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)。盆地內(nèi)具有非常豐富的泥底辟體、氣煙囪及伴生的底辟斷層、裂隙等理想的氣體運(yùn)移通道，導(dǎo)致地震反射層發(fā)生畸變，呈現(xiàn)出無(wú)反射、模糊反射、雜亂反射等特征。而瓊東南豐富的含氣特征，導(dǎo)致地震波能量被大量吸收而發(fā)生嚴(yán)重衰減，會(huì)在成像剖面上形成大量模糊、空白反射或同相軸下拉現(xiàn)象[2-6]。為了解決含氣導(dǎo)致的成像模糊、時(shí)間偏移歸位不準(zhǔn)等問(wèn)題，恢復(fù)真實(shí)的地層構(gòu)造信息，本文對(duì)瓊東南水合物資料進(jìn)行疊前深度偏移處理。

速度層析既是深度偏移的過(guò)程也是深度偏移的結(jié)果，在深度偏移中占有非常重要的作用。目前常用的速度更新主要采用線性更新，在每次速度迭代中均需要進(jìn)行一次深度偏移，重復(fù)性的偏移和拾取剩余曲率（RMO）信息會(huì)嚴(yán)重降低項(xiàng)目運(yùn)行效率，導(dǎo)致計(jì)算成本較高。另一種速度更新方法是非線性反演方法，在速度更新過(guò)程中不需要進(jìn)行多次迭代偏移，能極大地提高速度更新效率，V Farra于1988年提出基于拾取的剩余曲率進(jìn)行反偏移獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)不變量進(jìn)行非線性反演[7]，能有效提升速度反演效率；Clapp等將構(gòu)造信息加入到反演中，通過(guò)引入模型中間變量，使得反演結(jié)果具有更精細(xì)的構(gòu)造特征[8]；Emma Evans等提出在非線性層析過(guò)程中加入層位約束，可以通過(guò)硬約束和軟約束來(lái)提升斷層等構(gòu)造的速度更新精度[9]；Guillaum等提出在層析反演中加入傾角約束[10]，能極大提高速度反演精度。

考慮提升水合物成像精度、恢復(fù)真實(shí)構(gòu)造形態(tài)的同時(shí)考慮提升速度反演運(yùn)算效率，本文嘗試?yán)梅蔷€性速度層析方法對(duì)瓊東南水合物數(shù)據(jù)進(jìn)行速度建模，并進(jìn)行深度偏移處理。成像結(jié)果有效地消除了含氣導(dǎo)致的同相軸下拉現(xiàn)象，斷層等構(gòu)造特征成像清晰，有效地獲得了真實(shí)的構(gòu)造成像結(jié)果，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 非線性層析

線性層析每更新一次速度都要進(jìn)行一次深度偏移，要獲得最終理想的速度模型需要進(jìn)行多次深度偏移，使得速度更新的效率相對(duì)較低。非線性層析在速度更新過(guò)程中僅需進(jìn)行一次深度偏移，在深度偏移道集拾取剩余曲率，通過(guò)對(duì)拾取的剩余量進(jìn)行反偏移從而獲得各反射點(diǎn)的雙程走時(shí)和射線參數(shù)，然后利用這些信息在疊前域獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)不變量。將運(yùn)動(dòng)學(xué)不變量與速度模型進(jìn)行多次非線性反演，進(jìn)行模型更新，直到獲得理想的速度[11-13]。非線性層析流程如圖1所示。

本文非線性層析實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要分為4步：①剩余曲率拾取，②運(yùn)動(dòng)學(xué)反偏移，③混合模型建立，④非線性反演。

1.1 剩余曲率拾取

在共偏移距域進(jìn)行剩余曲率（RMO）拾取，其描述從零偏移距到最大偏移距深度的誤差，拾取的精度決定了后續(xù)速度層析的精度[14-16]。為保證提高拾取的精度，降低由噪聲引起的拾取誤差，首先要對(duì)共偏移距道集進(jìn)行噪聲壓制，提高資料的信噪比。同時(shí)需要對(duì)拾取后的RMO進(jìn)行質(zhì)量控制，分析拾取的剩余曲率是否與道集同相軸一致，并且要將遠(yuǎn)偏移距處畸變的拾取剔除掉，如圖2a所示。另外，在拾取RMO的過(guò)程中，也會(huì)同時(shí)生成剩余曲率（gamma）屬性體與質(zhì)量因子（semblance）屬性體，可對(duì)拾取結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行控制。gamma屬性體描述整體剩余曲率情況，藍(lán)色表示進(jìn)行深度偏移時(shí)速度偏小，紅色表示速度偏高；semblance為構(gòu)造約束屬性，值越高說(shuō)明拾取的可信度越高。通過(guò)兩屬性體的分析，可以直觀地分析出哪些部分速度偏小，哪些地方速度偏高，哪些地方拾取更為可靠，如圖2b與圖2c所示。

圖1 非線性層析流程Fig.1 Flow chart of non-linear tomography technology

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)反偏移

運(yùn)動(dòng)學(xué)反偏移即將拾取的RMO深度誤差以及gamma與semblance等屬性參數(shù)進(jìn)行反偏移，涉及到的概念為圖偏移，圖偏移能夠?qū)r(shí)間域的層位轉(zhuǎn)換到深度域，在時(shí)間域里拾取的層位能夠提供2種信息：例如在一個(gè)偏移剖面中，有一法向入射的射線如圖3a所示，通過(guò)射線能夠計(jì)算雙程旅行時(shí)；與法向入射有一定夾角的射線如圖3b所示，與法向入射相比有一定的時(shí)間坡度。通過(guò)這個(gè)拾取，就能找到沿產(chǎn)生這種射線的入射點(diǎn)XNR，也因此能夠通過(guò)圖偏移獲得實(shí)際的速度模型。在模型更新過(guò)程中，能夠消除速度模型對(duì)原來(lái)的深度域觀測(cè)模型的依賴，從而提升模型更新的效率。

圖2 剩余量拾取a.道集中 RMO 拾取量，b.剩余曲率屬性，c.質(zhì)量因子屬性。Fig.2 The remaining quantity picking up a.RMO quantity is picked up from gathers，b.gamma attribute，c.semblance attribute.

圖3 運(yùn)動(dòng)學(xué)反偏移原理Fig.3 Principle of kinematic reverse migration

1.3 混合模型建立

目前主流速度模型為網(wǎng)格模型，網(wǎng)格單元的大小控制了每一層內(nèi)速度的變化，以及各地層之間的接觸關(guān)系。一個(gè)精細(xì)的網(wǎng)格，能夠精確地定義各層之間的位置，但需要非常大的數(shù)據(jù)空間。而混合模型包含了地質(zhì)單元與許多地震屬性，每一層都被定義為一個(gè)獨(dú)立的屬性體。由于屬性體中網(wǎng)格單元的大小與層位位置無(wú)關(guān)，單元網(wǎng)格的大小可以定義得大一些，因此，混合模型比傳統(tǒng)的網(wǎng)格模型更加節(jié)省資源；較之用網(wǎng)格來(lái)定義每一層的屬性，混合模型采用樣條插值思想，在保證模型精度的前提下，能夠大大縮減模型大小[9,17-18]，如圖4所示。假設(shè)一維速度模型如圖4a所示，均勻分割的網(wǎng)格模型如要真實(shí)地還原速度模型，則需要較小的網(wǎng)格（圖4b），較為稀疏的網(wǎng)格則不能真實(shí)接近速度模型如圖4c所示，但采用樣條插值思想，卻能用較為稀疏的網(wǎng)格點(diǎn)真實(shí)地還原速度模型（圖4d）。

所包含的屬性信息包括骨架信息與傾角信息等，傾角信息是在初始深度偏移疊加剖面上做最小二乘搜索離散的局部地層斜率數(shù)據(jù)體，產(chǎn)生兩個(gè)三維離散地層斜率數(shù)據(jù)體，分別為投影到主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向的地層斜率[19-21]。圖5為主測(cè)線方向的地層傾角剖面顯示，藍(lán)色表示地層傾向沿北東方向，紅色表示沿北西向，白色表示地層較平，由圖可見(jiàn)，計(jì)算的傾角與實(shí)際構(gòu)造吻合較好，能夠?yàn)榉蔷€性反演提供良好的約束。

圖4 樣條插值思想a.一維速度模型，b.小網(wǎng)格還原速度情況，c.大網(wǎng)格還原速度情況，d.樣條插值還原速度情況。Fig.4 Spline interpolation a.1D velocity model，b.small grid reduction velocity model，c.big grid reduction velocity model，d.spline interpolation reduction velocity model.

圖5 主測(cè)線方向的地層斜率剖面Fig.5 Stratigraphic inclining profile in the direction of inline

1.4 非線性反演

非線性層析，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全三維層析反演更新速度模型，每一次模型更新均是一個(gè)正、反演迭代的過(guò)程，主要包括兩個(gè)部分：正演模擬，以產(chǎn)生速度模型的RMO曲線；反演模擬，即擾動(dòng)和建模RMO之間的線性關(guān)系，從而產(chǎn)生模型更新[22-23]。正演和反演是反復(fù)迭代進(jìn)行的，直到最后的RMO量足夠低。

圖6a與圖6b分別為初始速度模型和最終速度模型所計(jì)算的RMO量統(tǒng)計(jì)直方圖，橫坐標(biāo)為gamma值，縱坐標(biāo)為gamma值對(duì)應(yīng)的拾取個(gè)數(shù)，gamma為1說(shuō)明偏移道集很平；gamma小于1則速度偏小，道集上翹；gamma大于1則速度過(guò)大，道集下拉。最終速度模型相對(duì)初始速度模型而言，gamma值更趨近于1，說(shuō)明速度更加準(zhǔn)確。

2 應(yīng)用效果分析

在前期道集精細(xì)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合瓊東南海域天然氣水合物相對(duì)的地球物理特征以及地質(zhì)構(gòu)造特征，應(yīng)用非線性層析方法對(duì)該區(qū)速度模型進(jìn)行多次非線性速度層析，提升速度模型精度和深度偏移成果質(zhì)量。整個(gè)層析過(guò)程中僅進(jìn)行一次深度偏移，大大提升了速度層析的速度。

圖7是水合物目標(biāo)區(qū)的一條主測(cè)線的疊前時(shí)間偏移剖面，BSR的強(qiáng)振幅特征刻畫(huà)清晰。在水合物穩(wěn)定域之下，由于含有豐富的氣體，導(dǎo)致地震反射同相軸出現(xiàn)下拉現(xiàn)象，不利于進(jìn)行BSR之下的地質(zhì)構(gòu)造解釋，不利于建立精細(xì)的水合物相關(guān)地質(zhì)模型。圖8為利用非線性層析技術(shù)獲得速度模型后，獲得的深度偏移成果，水合物分布位置約在1 900 m，水深約為 1 700 m，可知該區(qū)域水合物分布較淺，為海底以下200 m左右；水合物之下的含氣區(qū)域，由于速度模型準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)深度偏移，由含氣導(dǎo)致的同相軸下拉現(xiàn)象消除，恢復(fù)了真實(shí)的地層特征；且基底的陡傾角特征更加真實(shí)可靠。

圖9為非線性層析前后速度對(duì)比圖，圖9a為cdp29350處的速度曲線對(duì)比圖，初始深度域?qū)铀俣饶Ｐ蜑榫€性趨勢(shì)，不能較好地區(qū)分速度增大和減小區(qū)域；更新后的曲線能很明顯地分析出速度的變化趨勢(shì)，更利于進(jìn)行含水合物和含氣區(qū)域的分析；圖9b與圖9c分別為進(jìn)行深度偏移的初始模型與經(jīng)過(guò)非線性層析后的最終模型在深度2 200 m處的切片顯示。切片顯示中速度值域范圍為 1 508～2 000 m/s，藍(lán)色為低速度值，紅色為高速度值。速度層析以后的速度切片中有更多的細(xì)節(jié)特征，對(duì)由含氣導(dǎo)致的低速異常范圍刻畫(huà)更加清晰，低速異常值范圍約為1 650～1 750 m/s，通過(guò)更新后的速度，能更加直觀地對(duì)水合物及游離氣的空間分布范圍進(jìn)行刻畫(huà)。

圖6 RMO 量統(tǒng)計(jì)直方圖a.初始速度模型計(jì)算的RMO量統(tǒng)計(jì)直方圖，b.最終速度模型計(jì)算的RMO量統(tǒng)計(jì)直方圖。Fig.6 RMO quantity statistical histogram a.statistical histogram of RMO quantity calculated by initial velocity model，b.statistical histogram of RMO quantity calculated by final velocity model.

圖7 主測(cè)線疊前時(shí)間偏移剖面Fig.7 Prestack time migration profile along inline

圖8 主測(cè)線疊前深度偏移剖面Fig.8 Prestack depth migration profile along inline

圖9 非線性層析前后速度切片對(duì)比a.層析前后速度曲線對(duì)比，b.初始速度切片，c.非線性層析后速度切片。Fig.9 Comparison of velocity slices before and after nonlinear tomography a.the comparison of velocity curves before and after tomography，b.initial velocity slice，c.Velocity slice after nonlinear tomography.

3 結(jié)束語(yǔ)

非線性層析充分運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)不變量信息，能有效避免速度層析過(guò)程中的多次迭代深度偏移，能夠極大提高速度層析的效率；且非線性層析過(guò)程中采用混合模型方式，有效地融入傾角、地層骨架等地震屬性信息，采用樣條插值的模式進(jìn)行模型建立，能有效地減小模型空間，提升模型層析精度。

在實(shí)際天然氣水合物資料應(yīng)用中，非線性層析獲得的速度模型能有效地對(duì)速度異常體進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)；基于此進(jìn)行的深度偏移，其成果能有效地消除含氣導(dǎo)致的地層同相軸下拉現(xiàn)象，恢復(fù)含氣區(qū)域的地層真實(shí)形態(tài)；能有效地對(duì)傾角區(qū)域進(jìn)行清晰成像，使得地下地質(zhì)構(gòu)造特征更加真實(shí)可靠。