波场延拓表层模型校正.doc

波场延拓表层模型校正李录明罗省贤( 成都理工学院油气藏地质及开发国家重点实验室)摘要李录明, 罗省贤. 波场延拓表层模型校正. 石油地球物理勘探, 2001, 36 (5) : 572 583为解决复杂表层速度变化对反射波的影响问题, 在初至波表层模型层析反演的基础上, 研究了波场延拓表层模型校正的理论方法, 形成了一套有效的计算方法。其基本原理为: 用分裂法将频 率空间域的纵波位移方程转换为基本波场延拓方程, 然后进行频散、吸收边界条件校正, 采用高 阶有限差分法求取波场延拓值; 对于波场延拓横向不变速的情况, 用相移法求解频率波数域的 单平方根方程进行波场延拓。具体作法为: 将炮集内的各接收点延拓到高速层顶界; 将炮点延 拓到高速层顶界; 用替换速度分别将接收点和炮点延拓到 cm p 位置的基准面; 进行速度分 析、动校正及叠加 (或直接进行叠前深度偏移)。理论和实际资料处理结果表明, 文中方法既可以实现双曲线的变时差校正, 又可使校正后的波场满足所在位置的波动特征。关键词 波场延拓 表层速度模型 层析反演 静校正a bstractl i l um in g an d l uo shen gx ian. surfa ce m ode l correc t ion by wa ve- f ie ld con t in ua-t ion. og p , 2001, 36 (5) : 572 583in o rde r to so lve th e p ro b lem o f in f lu en ce o f com p lica ted su rface ve lo c ity ch an ge o n ref lec t io n w ave, o n th e b a sis o f tom o g rap h ic in ve r sio n o f f ir st b reak su r2 face m o de l, th e p ap e r stu d ied th eo ry an d m e tho d fo r su rface m o de l co r rec t io n b y w ave2f ie ld co n t in u a t io n , an d fo rm ed a su it o f effec t ive ca lcu la t io n m e tho d. it s b a sic p r in c ip le s a re: p 2w ave d isp lacem en t equ a t io n in f requ en cy2t im e dom a in is t ran s2 fo rm ed a b a sic w ave co n t in u a t io n equ a t io n b y sp lit m e tho d, th en d isp e r sio n an d ab 2 so rp t io n bo u n da ry co n d it io n is ca r r ied o u t an d w ave co n t in u a t io n va lu e is o b ta in edb y u sin g h igh 2o rde r f in ite2d iffe ren ce; in a co n d it io n o f la te ra l co n stan t ve lo c ity fo rw ave co n t in u a t io n , it ca r r ied o u t b y u sin g p h a se2sh if t m e tho d to so lve sin g le2squ a re2 roo t equ a t io n in a f requ en cy2w aven um b e r dom a in. t h e co n c re te p rac t ice s a re: co n2 t in u a t io n o f rece ive r po in t o n th e ga th e r to top o f h igh 2ve lo c ity b ed; co n t in u a t io no f sho t po in t to top o f h igh 2ve lo c ity b ed; sep a ra te co n t in u a t io n o f rece ive r po in t an d sho t po in t to da tum o f cm p po sit io n b y rep laced ve lo c ity; ca r ry in g o u t ve lo c i2 ty an a ly sis, nm o co r rec t io n an d stack (o r ca r ry in g o u t p re stack dep th m ig ra t io n d i2l i l um ing , s ta te key l abo ra to ry fo r r e se rvo ir geo lo gy and d eve lopm en t e ng inee r ing, c h engdu sc ience and e ng i2nee r ing co llege, c h engdu c ity, s ich uan p ro v ince, 610059, c h ina本文于 2001 年 3 月 16 日收到。rec t ly).t h eo ry an d rea l da ta p ro ce ssin g re su lt s show ed th a t th e m e tho d in th e p ap e r bo th can rea lize h yp e rbo lic co r rec t io n fo r va r ia ted t im e d iffe ren ce an d m ak e w ave2 f ie ld af te r co r rec t io n sa t isfy w ave ch a rac te r in th a t po sit io n.key word s: w ave2f ie ld co n t in u a t io n , su rface ve lo c ity m o de l, tom o rap h yc in ve r sio n , sta t ic co r rec t io n引言随着地震勘探区域地表条件的复杂化, 复杂的表层问题对地震勘探的影响已成为地震勘探领域急需攻克的难题之一。众所周知, 复杂表层的速度变化会对表层以下的反射波传播时间 产生影响, 从而严重影响反射波成像。目前解决该问题的一般方法是假设表层存在一定厚度的 低速层, 当地震波从高速层出射到低速层时, 由于速度界面折射作用, 反射波射线在低速介质 中近似于垂直传播到地表接收点。 因此, 可根据低速层速度、厚度、地表高程、基准面及高速层 速度, 用垂直射线法计算出表层低速带的影响时差并进行静校正。静校正对于同一地震道的反 射波, 不论其来自深层或浅层, 静校正量均相同。在实际地震勘探中, 表层速度模型结构很复杂, 许多地区很难满足静校正的假设条件。 例 如, 当表层的低速层不明显, 存在降速带或表层速度变化近似于连续介质时, 对于来自不同层 位的反射波以及在不同炮检距位置接收的反射波, 射线并非都以垂直传播路径通过表层, 并且 不同的表层速度结构使不同道接收的地震波的射线方向发生变化, 射线方向的变化使波在表 层的传播路径不同, 从而表层对各地震波传播时间的影响是不一样的。要解决如此复杂的表层 问题, 仅用建立在射线理论上的静校正量计算方法显然是无能为力的。 因此, 本文在初至波表 层模型层析反演1 的基础上, 研究了波场延拓表层模型校正理论和方法, 以求解决常规静校正无法解决的问题。方法原理根据波动理论, 地震波无论在深层或浅层的传播规律均满足波动方程。如果已知表层速度模型, 通过求解波动方程延拓地震波场, 则可再现波在表层的传播过程。因此, 用波场延拓的方 法将非规则地表激发和接收的地震波延拓到某一稳定高速层界面上, 作为该高速层界面上激 发和接收的地震波场, 即可消除表层速度变化对地震波的影响, 而且这种消除处理以波动理论 为基础, 能自适应各种复杂的速度模型和波的传播路径, 从而可解决表层曲射线校正和变时差 校正的难题。在静校正处理中还有一个基准面校正问题, 当选取的基准面与地表相距较远时, 基准面校 正时差比较大。 常规的静校正是将地震记录进行整体时移, 实际上这种做法会破坏波场特征, 对波动方程叠前偏移处理非常不利。 我们可用以下的理论模型计算说明这一问题。图 1 是在地面激发和接收, 用射线追踪正演的 7 层水平界面的反射波炮集记录。若将基准面设在第一层界面位置, 用常规静校正处理只能将各道都减去一个时差, 虽可使零偏移距的道校正到零时间, 但校正后的反射波双曲线形态和特征仍保持为校正前反射深度处的形态和特征。若用波场延拓方法处理, 其结果为图 2。对比图 1 和图 2 可见, 图 1 中第一层的反射双曲线在图 2 中成为直线 (直达波) , 该结果与在第一层界面上激发、接收的波应是直达波的结论是一致的。波场延拓方法能将第一层同相轴为双曲线的反射波校正为直达波, 以下各层的反射双曲线也随激发、接收平面的移动而发生相应变化。 若在图 2 的基础上, 用波场延拓方法再将基准图 1射线正演反射波炮集记录图 2 图 1 炮集记录波场延拓到第一层界面面向上移动一个距离, 其结果为图 3, 直达波又变成了同相轴为双曲线的反射波。 理论和实验充分说明, 波场延拓表层模型校正不仅能克服非规则表层对反射波传波时间的影响, 而且在基 准面移动过程中能对不同深度的波场进行校正, 使其满足所在位置的波场特征, 为叠前波动方 程偏移奠定基础。图 3 图 2 炮集记录波场向上延拓到某一基准面波 场 延 拓 方 法为能适应非规则地表和复杂表层速度结构的处理, 用于表层模型校正的波场延拓采用频率空间域高阶有限差分方法, 而在常速替换处理时, 采用频率波数域相移法。频率空间域高阶有限差分算法 基本延拓方程 已知频率空间域的纵波方程为52 p52 p2 p5z 2 + 5x 2 + v 2 (x , z ) =0(1)式中 p = p (, x ) 为地震记录 g ( t, x ) 的一维傅里叶变换。 用分裂法可得延拓方程5p i =(2)5z v (x , z ) pv 2 (x , z )52a j25x 25p i =(3)52 pv 2 (x , z )5zv (x , z )1 +bj25x 2式 (3) 为 x 方向的二阶微分方程, 以迭代方式多次应用该方程, 可得到高阶微分方程。当 j = 1,2, , 及 n = 5 时, x 方向的阶数可达到 2n , 分别适应 65、80、87、89及 90倾角的波场延拓。式中 a j 和 bj 为系数。式 (3) 也可写成v 2 (x , z )ia j v (x , z ) 52 p5p5z1 +=(4)bj25x 2采用对称隐式 ( ran k 2n icho lso n ) 的差分格式, 式 (4) 的差分方程为52p z + 1 =52p z , 1 +x -ix x1 +x + ix x(5)x , x式中: 52 为 x 方向的二阶中心差分; x、x 分别为xbj v 2 (x , z )x =2 x 2ia j z v (x , z )(6)x =2x 2求解 p z + 1x , 即可实现波场延拓。具有消除频散的波场延拓方程有限差分延拓方法的缺点是频散现象严重, 具有消除频散的波场延拓方程为 1 v 2 (x , z )ia j v (x , z ) 52 p5p5z1 + +=(7)bj2 5x 2iv f式中 v f 为倾角滤波速度。加吸收边界条件的延拓方程对方程加吸收边界条件后的波场延拓方程为v 2 (x , z )a j v (x , z ) 52 p5p5z1 -= -(8)bj) 2i - 5x 2( i -式中 为边界吸收系数 (该方程仅在边界使用)。频率波数域的相移波场延拓算法当波场延拓横向不变速时, 即 v = v (z ) 时, 可用相移法进行波场延拓。根据频率波数域单平方根方程式12dp = i v (z ) k x1 -(9)pdzv (z )采用相移法波场延拓公式eik x zp k x , z + z ; =p k x , z ; (10)进行波场延拓。 式 (9)、式 (10) 中 k x 为波数。处理方法及流程, 表层速度模型为 v (x , z ) , 稳定的高速层设炮点和接收点坐标分别为 x s , z s 和 x r , z r顶界坐标为 x h , z h , 基准面坐标为 x n , z n 。替换速度用 v 0 表示。波场延拓校正均在炮集记录上进行, 其基本方法是先将炮集内的各接收点延拓到高速层顶界, 再将炮点也延拓到高速层顶界, 然后用替换速度分别将接收点和激发点延拓到 cm p 位置的基准面。经这种方法处理后已同时完成了高频分量时差和低频分量时差的校正, 后续处理只需进行速度分析、动校及叠加, 或者直接进行叠前深度偏移。 该方法的处理流程可用图 4 表示。525x 2525x 2525x 2图 4 波场延拓表层模型校正处理流程图应用效果根据上述理论和方法研制的软件处理了两条地震测线, 并将波场延拓校正与射线时差校正结果进行了对比, 同时还将由层析反演表层模型计算的静校正量与野外静校正量处理的结 果作了对比。图 5a 是对测线 1 用初至波表层模型层析反演方法反演的表层速度模型, 黑色以下的分界 线为地形线, 其表层速度纵、横向均存在非规则变化, 用该模型对全测线的炮集记录进行了波 场延拓处理。测线 1 的基准面为浮动基准面。图 5b 21、5c21 是用该测线野外静校正量进行常规 静校正处理的两段叠加剖面; 图 5b 22、5c22 是在层析反演表层速度模型基础上, 用射线方法计 算的静校正量校正后的同位置两段叠加剖面; 图 5b 23、5c23 是在层析模型基础上进行波场延 拓表层模型校正后的两段叠加剖面。由对比可见, 层析模型的射线法处理结果明显优于常规静 校正处理结果, 而波场延拓校正法又优于射线法。图 6a 是对测线 2 用初至波表层模型层析反演方法反演的表层速度模型。 图 6b 21 是用该 测线野外静校正量处理的一段叠加剖面; 图 6b 22 是在层析反演表层速度模型基础上, 用射线 方法计算的静校正量校正后的同位置叠加剖面; 图 6b 23 是在层析模型基础上用波场延拓对各炮集记录进行表层模型校正后的叠加剖面。测线 2 的基准面是设在地形最高处的水平基准面,图 6b 21 和图 6b 22 的处理仅作了高频时差校正, 而图 6b 23 所作过的波场延拓处理已将炮点、接收点均校正到了水平基准面。 测线 2 的处理效果与测线 1 的处理效果结论相同。图 5a测线 1 层析反演表层速度模型图 5b 21测线 1 常规静校正处理叠加剖面段一图 5b 22测线 1 层析表层模型射线法静校正处理叠加剖面段一图 5b 23 测线 1 波场延拓表层模型校正叠加剖面段一图 5c21测线 1 常规静校正处理叠加剖面段二图 5c22 测线 1 层析表层模型射线法静校正处理叠加剖面段二图 5c23 测线 1 波场延拓表层模型校正叠加剖面段二图 6a测线 2 层析反演表层速度模型图 6b 21测线 2 常规静校正处理叠加剖面段图 6b 22 测线 2 层析表层模型射线法静校正处理叠加剖面段图 6b 23测线 2 波场延拓表层模型校正叠加剖面段结论理论和实际资料处理结果表明, 在表层速度模型层析反演的基础上, 用波场延拓的方法消除表层速度变化的影响是解决地震资料处理中复杂地表问题的有效途径。 该方法既可实现曲 射线的变时差校正, 提高叠加剖面质量, 又可使校正后的波场满足所在位置的波动特征, 为叠前波动方程偏移奠定良好的基础。参 考 文 献123456李录明, 罗省贤, 赵波. 初至波表层模型层析反演. 石油地球物理勘探, 2000, 35 (5) : 559 564马在田. 高阶方程偏移的分裂算法. 地球物理学报, 1983, 26 (4)李志明等. 一种理想的二维波场深度延拓法. 石油地球物理勘探, 1990, 25 (5) : 517 528张文生, 张关泉, 郝现军. 混合法深度偏移及吸收边界条件. 石油物探 1999, 38 (3)李录明, 罗省贤. 相移加校正叠前深度偏移及偏移速度分析. 石油地球物理勘探, 1997, 32 (1) : 57 67d ie t ich r and t hom a s r. fo u r ie r f in ite2d iffe rence m ig ra t io n. g eop hy s ics, 1994, 59 (12)(本文编辑: 刘勇)作者介绍王华忠 副教授, 1964 年生, 分别于 1991 年和 1997用地球物理专业博士学位。长期从事地震数据处理方法研究。现任石油地球物理勘探局副总工程 师, 并兼任石油物探学会副主任。黄捍东 高级地质师, 1964 年生, 1984 年毕业于华北石油学校地质专业。 1994 年获石油大学应用地 球物理专业硕士学位, 2000 年获成都理工学院 地球探测与信息技术专业博士学位。现在石油大 学 (北京) 博士后流动站从事复杂油气藏储层地 球物理方法的研究工作。李国发 高级工程师, 1966 年生, 1987 年毕业于长春地质学院。一直从事地震资料处理及地震资料处 理新方法研究工作, 发表论文 5 篇。 现任大港油 田物探公司副总工程师, 同时在石油大学攻读博 士学位。李火车 工程师, 1966 年生, 1989 年毕业于成都地质学院应用地球物理系物探专业。一直从事地震资 料解释和石油地质研究, 发表论文多篇。 现在中 原油田勘探开发科学研究院工作。张立新 工程师, 1967 年生, 1990 年毕业于西南石油学院勘探系物探专业。曾从事辽河盆地复杂地表 地震采集技术研究与攻关、多波多分量地震采集 技术研究、以及三维 v sp 技术试验与研究工作, 获得多次奖励。现主要从事开发地震技术的理论 研究、方法试验与综合分析工作, 同时在石油大 学 (东营) 攻读在职物探专业硕士学位。杨德洲 高级工程师, 1966 年生, 1988 年毕业于石油大学物探专业, 1999 年 11 月获石油大学矿产普 查与勘探专业硕士学位。长期从事国家“八五”重 点科研攻关项目所属四级课题“苏南地区地震勘 探方法攻关研究”工作, 多次获得局科技进步奖, 发表论文 10 余篇。 现在江苏石油勘探局物探技 术研究院从事江苏地区地震资料解释与综合研 究工作。孙志华 高级工程师, 1966 年生, 1988 年毕业于江汉石油学院石油地质专业, 1991 年获中国地质大 学 (北京) 石 油 地 质 专 业 硕 士 学 位, 2001 年 获 石 油大学 (北京) 地球科学系矿产资源与勘探专业 博士学位。现在石油地球物理勘探局地研中心从 事地震资料综合解释工作。年获同济大学应用地球物理硕士和博士学位。曾提出优化系数的波动方程波场外推算子、动态规 划法任意速度分布情况下三维地震波走时计算 方法、炮点全偏移距域共方位角叠前深度偏移 成像方法。现在同济大学海洋地质与地球物理系 从事科研与教学工作。程玖兵 硕士研究生, 1974 年生, 1997 年毕业于大庆石油学院, 2000 年 2 月获同济大学理学硕士学位。曾参与国家自然科学基金项目。现在同济大 学攻读博士学位。郭 栋 工程师, 1967 年生, 1991 年毕业于成都地质学院石油地质勘查专业。长期从事地震资料综合解释、油藏描述、油气地质和地球物理勘探综合 研究工作, 参与胜利