全方位局部角度域疊前深度偏移成像技術(shù)及其效果
——以大楊樹盆地為例

王 江

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

同疊后地震處理數(shù)據(jù)相對(duì)比，疊前偏移數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映地下構(gòu)造形態(tài)、巖性橫向變化[1-3]，但在地下斷裂發(fā)育、構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜、速度橫向非均質(zhì)性強(qiáng)的地區(qū)，盡管共炮檢距Kirchhoff疊前深度偏移算法對(duì)復(fù)雜速度場(chǎng)的橫向變化適應(yīng)性好、計(jì)算效率高，但由于地下構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，Kirchhoff 疊前深度偏移成像結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生地震反射運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)假像[4-5]。對(duì)于速度橫向變化大的復(fù)雜高陡構(gòu)造帶，盡管逆時(shí)偏移成像結(jié)果適應(yīng)性強(qiáng)，但是必須建立高精度的速度場(chǎng)，因此速度模型不精確的情況下仍無法保證高陡構(gòu)造帶精細(xì)成像。

大楊樹盆地位于興安嶺褶皺帶南部，面積15460km2，為一NNE向長(zhǎng)條帶狀展布的中生代斷陷盆地，盆地東西兩側(cè)均以斷裂為界，構(gòu)成盆地西緩東陡、南深北淺，且由南向北呈坳隆相間的構(gòu)造格局。大楊樹盆地經(jīng)歷了多期建造和多期改造，構(gòu)造復(fù)雜、斷裂極其發(fā)育。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，主力目的層九峰山組發(fā)育多個(gè)走向不同的斷層，形成網(wǎng)格狀的斷裂格局，同時(shí)九峰山組巖性縱、橫向變化劇烈，主要為中基性熔巖、火山碎屑巖夾礫巖、砂巖、泥巖和煤層，速度縱、橫向非均質(zhì)性強(qiáng)，致使準(zhǔn)確的速度場(chǎng)建立困難，不但繞射波難以收斂，而且反射波難以有效準(zhǔn)確歸位，復(fù)雜構(gòu)造帶無法得到高質(zhì)量的構(gòu)造成像資料，Kirchhoff 疊前深度偏移和逆時(shí)偏移得到的地震資料不但信噪比低、目的層九峰山組的地震反射特征不清，而且地震資料的分辨率也較低，無法滿足精細(xì)構(gòu)造解釋、精細(xì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和精細(xì)油藏描述的地質(zhì)需求。針對(duì)大楊樹盆地復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)條件，在準(zhǔn)確的速度場(chǎng)建立基礎(chǔ)上，地震反射波歸位精確，繞射波收斂合理，獲得高信噪比、能夠滿足地震—地質(zhì)需求的地下構(gòu)造精細(xì)成像資料是處理的重點(diǎn)。由于疊前時(shí)間偏移是在“共炮檢距域”來實(shí)現(xiàn)的，偏移成像技術(shù)仍以地面炮檢距為基礎(chǔ)，疊前偏移采用的走時(shí)算法通常為直射線或者彎曲射線追蹤理論和方法，假設(shè)地下地質(zhì)模型為各向同性介質(zhì)或者層狀各向同性介質(zhì)，但是這種假設(shè)條件在復(fù)雜地質(zhì)體、橫向速度變化大和存在各向異性的情況下造成走時(shí)計(jì)算不準(zhǔn)，從而引起動(dòng)校正和地震偏移結(jié)果產(chǎn)生誤差。不但地面接收到的方位角信息與復(fù)雜地下構(gòu)造的真實(shí)方位存在差異，而且地面炮檢距及其方位角信息同地下成像點(diǎn)處地震波場(chǎng)傳播方向也不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)地震波散射理論，通過常規(guī)“共炮檢距域”疊前偏移方法來揭示地下成像點(diǎn)與方向有關(guān)的地震波場(chǎng)特征也是困難的,炮檢距域成像方法也無法準(zhǔn)確識(shí)別地震波場(chǎng)的局部方向差異，在入射角度域疊加會(huì)引起地震成像振幅的畸變。由于大楊樹盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，建立的速度模型盡管比較合理，但是地下真實(shí)反射點(diǎn)的地質(zhì)信息也無法由傳統(tǒng)的CMP道集、共炮域道集得到的CIG 道集的地震波組特征表現(xiàn)出來，CIG 道集反映的地質(zhì)信息位置卻與地下真實(shí)反射點(diǎn)有一定的偏離距離。為了提高復(fù)雜構(gòu)造帶地震成像質(zhì)量，克服偏移過程中出現(xiàn)的地震、地質(zhì)假象,Koren 和Ravve 基于地震射線理論，將偏移孔徑內(nèi)全部的地震波場(chǎng)數(shù)據(jù)以及各個(gè)方向波場(chǎng)的方位信息應(yīng)用于局部角度域疊前深度偏移中，在角度域?qū)Τ上竦兰M(jìn)行構(gòu)建，可以得到地下成像點(diǎn)的真實(shí)方位信息。局部角度域疊前深度偏移處理不但可以提取反射角道集和傾角道集，而且還可以應(yīng)用反射角道集和傾角道集進(jìn)行速度建模和高精度地震成像，通過構(gòu)建鏡像加權(quán)因子傾角道集來提高地震反射能量，減小散射能量，從而得到復(fù)雜構(gòu)造帶的高分辨率、高信噪比地震精細(xì)成像剖面。

本文基于全方位局部角度域疊前深度偏移方法和原理，在大楊樹盆地3D地震資料處理中應(yīng)用全方位局部角度域疊前深度偏移技術(shù)同時(shí)提取反射角道集和傾角道集，構(gòu)建鏡像加權(quán)因子來提高地震反射能量、減小散射能量，然后對(duì)傾角道集進(jìn)行疊加得到地下真實(shí)的成像結(jié)果，同Kirchhoff疊前深度偏移方法對(duì)比，不但復(fù)雜構(gòu)造帶精細(xì)成像，而且地震資料分辨率和信噪比都明顯提高，地震頻帶由8～78Hz 拓寬到5～88Hz，能夠滿足構(gòu)造精細(xì)解釋和勘探生產(chǎn)的地質(zhì)需求。

1 基本原理

以射線追蹤理論為基礎(chǔ)，將地面檢波點(diǎn)R收到的地下信息映射到地下局部角度域體系中進(jìn)行波場(chǎng)分解與成像是全方位局部角度域精細(xì)成像的核心。據(jù)地震運(yùn)動(dòng)學(xué)理念，由于地下任何成像點(diǎn)的地震波組特征都是由地震入射波場(chǎng)和散射波場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的，所以可以把地下成像點(diǎn)M處的地震入射波場(chǎng)和散射波場(chǎng)分解成局部平面波來表示成像點(diǎn)處地震波傳播的方向，入射射線和散射射線的傳播方向分別用兩種射線的傾角和方位角來表示，通過每個(gè)射線對(duì)將地面檢波點(diǎn)接收的地震數(shù)據(jù)映射到地下局部角度域坐標(biāo)體系中，這樣地下波場(chǎng)的局部傳播方向就可以用入射波場(chǎng)和散射波場(chǎng)的傾角和方位角來表示（圖1）。

圖1 全方位局部角度域地震反射圖

圖1中Y軸（方位角的參考方向）為正北方向，地震波入射射線和反射射線的方向由射線對(duì)的法線傾角（α1）和方位角（α2）以及射線對(duì)的開角（β1）和射線對(duì)所在平面的方位角（β2）四個(gè)地下局部角度域的角度來表示。全方位局部角度域偏移成像算法是以地震走時(shí)射線理論為基礎(chǔ)，利用射線追蹤方法由地下成像點(diǎn)M開始向地面檢波點(diǎn)R進(jìn)行走時(shí)追蹤，將地面檢波點(diǎn)R接收到的地震信息映射到地下局部角度域坐標(biāo)體系中，其映射關(guān)系為：

式中：M——地下地震成像點(diǎn)位置；

S——炮點(diǎn)位置；

R——檢波點(diǎn)位置。

由于映射過程中來自所有方向的地震射線都要參與地震成像，為降低數(shù)據(jù)運(yùn)算要求，在計(jì)算過程中進(jìn)一步將映射分解為傾角和反射角兩種互補(bǔ)的角度域道集。

在傾角成像道集中，地震成像點(diǎn)M的反射率是α1和α2對(duì)β1和β2的積分：

在反射角成像道集中，地震成像點(diǎn)M的反射率是β1和β2對(duì)α1和α2的積分：

式(2)和(3)中：Kα、Kβ——傾角積分和反射角積分的核函數(shù)；

H——傾斜因子，其數(shù)值與射線對(duì)開角β1的大小成反比。

因此，對(duì)于地下每一個(gè)成像位置，每種角度域成像道集都是α1和α2對(duì)β1和β2、β1和β2對(duì)α1和α2的積分，應(yīng)用積分式(2)和積分式(3)就可以得到全方位局部角度域的反射角道集和傾角成像道集。

在實(shí)際全方位局部角度域地震資料處理過程中，應(yīng)用反射角道集來建模，應(yīng)用傾角道集疊加來進(jìn)行地震精細(xì)成像。對(duì)傾角道集通過提取鏡像加權(quán)因子，提高地震反射能量，而將散射能量減小，提高地震資料的信噪比，獲得高精度的地震成像資料。如果想獲得突出斷層、溶洞散射能量的地震反射特征剖面時(shí)，只要提取相反的加權(quán)因子即可突出斷層、溶洞的地震波組特征；而反射角道集不但包括來自地下不同方位的地震—地質(zhì)信息，而且淺層反射角的角度范圍比中深層反射角的角度范圍更大，更利于建立淺層速度模型。

2 大楊樹盆地復(fù)雜斷裂帶地震資料處理

2.1 大楊樹盆地地震地質(zhì)條件

大楊樹盆地構(gòu)造上位于大興安嶺褶皺帶，與松遼盆地緊鄰，地表多為火山巖覆蓋，地形起伏較大，平均地面海拔200～400m，相對(duì)高差為65～200m。野外采集觀測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①覆蓋次數(shù)較高、面元適中，有利于提高地震資料分辨率；②炮檢距相對(duì)適中，在保證目的層信噪比的同時(shí)也對(duì)分辨率有益；③方位角較寬，炮檢距分布較為勻稱，有利于速度分析。但是主力目的層九峰山組地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，巖性橫向變化劇烈，致使準(zhǔn)確的速度場(chǎng)建立困難，不但繞射波難以收斂，而且反射波難以有效準(zhǔn)確歸位，構(gòu)造復(fù)雜帶內(nèi)部無法得到高質(zhì)量的構(gòu)造成像。

2.2 深度域速度建模

針對(duì)大楊樹盆地復(fù)雜的地下構(gòu)造形態(tài)，在精細(xì)速度建模基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造帶反射波歸位準(zhǔn)確、繞射波收斂合理，獲得高信噪比和高分辨率的復(fù)雜構(gòu)造成像結(jié)果是處理的核心。在速度建模過程中主要包括：①在地震互相干建立的初始速度建模基礎(chǔ)上，應(yīng)用Kirchhoff積分法在共炮檢距成像道集上對(duì)速度模型進(jìn)行迭代優(yōu)化，即“Kirchhoff PSDM+網(wǎng)格層析建?！?，這個(gè)迭代循環(huán)以道集拉平和剩余延遲歸零為目標(biāo)進(jìn)行速度更新；②再應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層析方法對(duì)速度模型進(jìn)行優(yōu)化，借助共角度域道集對(duì)速度模型開展剩余延遲分析，即以“全方位角成像偏移+多方位層析建?！?，利用方位—反射角道集系統(tǒng)進(jìn)行多方位速度分析進(jìn)一步使得剩余延遲歸零，建立最終成像所需要的速度模型。

2.3 地震成像關(guān)鍵參數(shù)

2.3.1 偏移孔徑

偏移孔徑是地震精細(xì)成像中最為關(guān)鍵的參數(shù)，偏移孔徑與最大成像傾角有關(guān)。較小的孔徑意味著較少的數(shù)據(jù)操作和運(yùn)算，減少由于偏移引起的噪聲，而陡傾角的成像需要大孔徑，限制孔徑的偏移將不利于陡傾角的成像，影響斷點(diǎn)、斷面的成像質(zhì)量，但較大孔徑不但增加處理周期而且在偏移求和中也會(huì)引入偏移噪聲（如畫弧等），導(dǎo)致信噪比的降低。通過偏移孔徑值測(cè)試對(duì)比，認(rèn)為12km×12km比較適合本區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶的陡傾角成像。

2.3.2 反假頻參數(shù)

為了避免Kirchhoff偏移求和軌跡的算子傾角太陡產(chǎn)生算子假頻問題，影響偏移成像質(zhì)量。沿著算子軌跡求和的地震道采樣序列需滿足Nyquist采樣準(zhǔn)則，偏移前對(duì)地震輸入數(shù)據(jù)做反假頻濾波處理，確保輸入數(shù)據(jù)不存在高于fmax的頻率成分。通過反假頻參數(shù)的偏移結(jié)果測(cè)試（0.5,0.75,1.0,1.25），當(dāng)反假頻參數(shù)較大時(shí)，地震資料的信噪比、連續(xù)性較好，但分辨率會(huì)有所降低。考慮目的層地震成像的分辨率，反假頻參數(shù)選擇1.0。

2.3.3 最大傾角

通過40°～58°范圍的最大傾角參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，隨著最大傾角的增大傾角道集能量逐漸減弱，設(shè)定最大成像范圍在58°左右。由于斷層處繞射傾角范圍較大，參數(shù)較小時(shí)有大傾角散射不能成像。當(dāng)最大傾角參數(shù)較小時(shí)，同相軸信噪比、連續(xù)性較好，但是斷層分辨率受損。綜合比較，陡傾角噪聲在特定區(qū)間最強(qiáng)（47°～51°），認(rèn)為選擇目的層深度（2000～3000m）最大傾角58°適合大楊樹盆地復(fù)雜構(gòu)造帶陡傾角成像。

2.3.4 最大開角

通過最大開角44°和34°參數(shù)(道集分別為400、600、800、1000 和1200)測(cè)試，當(dāng)最大開角參數(shù)較大時(shí)，遠(yuǎn)道拉伸較多，導(dǎo)致成像剖面噪聲較重；當(dāng)最大開角參數(shù)較小時(shí)，遠(yuǎn)道反射信息受損失。綜合比較，認(rèn)為選擇目的層深度（2000～3000m）最大開角34°合理。

2.4 加權(quán)成像

利用全方位局部角度域偏移方法的成像優(yōu)勢(shì)，在精細(xì)的速度模型建立基礎(chǔ)上，首先通過地震射線追蹤將地面接收到的地震信息映射到地下局部角度域坐標(biāo)系中；其次將全方位局部角度域地震入射波場(chǎng)和散射波場(chǎng)分解與解析；最后對(duì)傾角成像道集加權(quán)疊加精細(xì)構(gòu)造成像。應(yīng)用全方位局部角度域深度偏移方法對(duì)大楊樹盆地3D地震資料進(jìn)行處理，并與常規(guī)的Kirchhoff積分法進(jìn)行了比較。在全方位局部角度域系統(tǒng)中得到全方位反射角道集的同時(shí)也可以得到疊加成像的全方位傾角地震成像道集。全方位傾角成像道集包含地震反射能量、地震散射能量和繞射能量等三種能量，通過對(duì)傾角道集進(jìn)行鏡像加權(quán)來分離地震反射和繞射能量，降低散射相關(guān)能量振幅值,增強(qiáng)傾角道集內(nèi)鏡像方向相關(guān)的振幅，得到的鏡像傾角道集不但反射能量強(qiáng)，而且消除了散射和繞射能量，對(duì)鏡像傾角道集疊加后可增強(qiáng)連續(xù)結(jié)構(gòu)界面同相軸,獲得高精度復(fù)雜區(qū)域的無繞射成像剖面，得到高精度反射波成像剖面。

圖2是在精細(xì)的速度模型建立基礎(chǔ)上，應(yīng)用常規(guī)Kirchhoff疊前深度偏移和全方位局部角度域疊前深度偏移方法得到的地震剖面對(duì)比，全方位局部角度域疊前偏移成像效果好于Kirchhoff 疊前深度偏移,復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到準(zhǔn)確成像、斷點(diǎn)有效歸位,特別是陡傾角成像方面全方位局部角度域疊前偏移的優(yōu)勢(shì)比Kirchhoff法偏移更明顯。主要表現(xiàn)為目的層九峰山組內(nèi)部得到精細(xì)成像，不但地震反射同相軸連續(xù)、信噪比提高、反射能量聚焦，而且地震反射波歸位準(zhǔn)確、繞射波收斂合理、陡傾角深大斷裂和疊瓦狀構(gòu)造的地震反射特征更加清晰，有利于大楊樹盆地構(gòu)造特征的整體認(rèn)識(shí)。

圖2 Kirchhoff偏移剖面（左）與全方位局部角度域偏移剖面（右）對(duì)比

通過全方位局部角度域疊前深度偏移處理，大楊樹盆地3D 地震資料不但地震剖面構(gòu)造成像質(zhì)量明顯改善，而且地震資料的分辨率和信噪比也得到明顯提高，經(jīng)全方位局部角度域疊前深度偏移處理后不但保持了原始地震數(shù)據(jù)時(shí)頻關(guān)系和波組特征，而且保真、保幅。在大楊樹盆地3D地震資料處理過程中，將傾角道集和反射角道集分別作為成像道集和建模道集。對(duì)于傾角道集，通常提取鏡像加權(quán)因子，使得反射能量獲得一個(gè)大的加權(quán)值，而散射能量獲得一個(gè)小的加權(quán)值，從而增強(qiáng)信噪比和反射能量，獲得了高精度的成像剖面，地震數(shù)據(jù)主頻提高，頻帶拓寬了13Hz（由8～78Hz拓寬到5～88Hz），層間地震反射信息豐富，在頻帶有效拓寬同時(shí)，不但保持了地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻特性和相對(duì)振幅關(guān)系，而且經(jīng)全方位局部角度域疊前深度偏移處理后地震弱反射特征增強(qiáng)、地震頻帶雙向展寬，高頻端振幅能量增高、頻率提高的同時(shí)，低頻端頻率也有效地拓展了3Hz。而Kirchhoff法偏移剖面因同時(shí)含有反射能量、散射能量和繞射能量，常規(guī)處理三種反射相互干涉、分離困難，致使復(fù)雜斷裂帶成像效果差，同全方位局部角度域疊前深度偏移剖面相比主頻低，頻寬窄。

3 結(jié)論

（1）在速度變化劇烈、地質(zhì)模式復(fù)雜的構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，全方位局部角度域疊前深度偏移精細(xì)地震成像方法適應(yīng)性強(qiáng)，能夠使反射波歸位準(zhǔn)確、繞射波收斂合理。

（2）在淺層全方位反射角道集角度范圍寬、信噪比高，有利于淺層速度建模與模型優(yōu)化，通過對(duì)傾角道集進(jìn)行鏡像加權(quán)得到的鏡像傾角道集不但反射能量強(qiáng)，而且消除了散射和繞射能量。大楊樹盆地3D 地震資料經(jīng)全方位局部角度域疊前深度偏移處理后,地震數(shù)據(jù)頻帶拓寬了13Hz，能夠滿足構(gòu)造精細(xì)解釋和勘探生產(chǎn)的地質(zhì)需求。

（3）在相同速度模型下，在陡傾角成像方面，全方位局部角度域偏移方法的成像精度比Kirchhoff偏移更有優(yōu)勢(shì)，可以有效地得到反射波的構(gòu)造成像。