叠前深度域偏移成像技术及其应用.docx

叠前深度域偏移成像技术及其应用马国东( 中国煤炭地质总局, 北京 100039)摘 要: 根据“西部煤炭资源高精度三维地震勘探技术”项目中对国内外各种深度域偏移成像方法和特点的调研成果, 对各类深度域成像的算法和特点进行了总结, 指出不同深度域成像算法选取原则主要依据构造复杂程度和横向 速度变化情况。结合克希霍夫叠前三维深度域偏移模块说明深度域偏移原理和工作流程, 并以实例说明叠前深度域 成像能够解决因第四系地层厚度剧烈变化造成的下覆煤层赋存形态被扭曲、深度误差大、断层平面位置不准确等问 题。该实例中, 叠前深度域成像划分的煤层深度比时间域偏移剖面解释结果向下移动 40 多 m, 钻探结果证实其解释 的煤层深度和断层位置比较准确。关键词: 深度域成像; 克希霍夫; 速度模型; 叠前深度偏移; 地震资料解释中图分类号: P631.4文献标识码: A从世界范围来看, 随着勘探区复杂程度的日益加深和深度域偏移对复杂地区精确成像所带来的经 济效益日益显著, 复杂地区的成像正从时间域偏移 转向深度域偏移, 从二维偏移转向全三维偏移。目前我国油田各大计算站相继引进了各种深度 域偏移程序, 在实际工作中也取得了大量的成果。而 我们煤田地震勘探界目前对深度域处理刚刚起步, 这一方面有煤田地质构造特征的原因, 也有我们研 究水平和经济基础的原因, 计算机运算能力和高昂 的软件费用限制了煤田地震勘探单位对该项新技术 的使用。但发展这些先进技术以适应未来竞争的需 要, 是煤田地震勘探技术人员的迫切任务。通过大量 调研, 认为克希霍夫积分法叠前深度域偏移算法计 算效率较高而且对计算机硬件要求不高。时输出, 适应横向速度变化, 速度模型看上去像地质构造, 服从斯奈尔定律( 弯曲射线) , 对速度场非常敏 感, 具有 90以上的偏移倾角, 复杂速度场中倾向 测线能正确成像和成本低。二维叠前深度偏移( v( x, z) ) 算法有克希霍夫 法( 在炮点域的炮检距上, 用旅行时计算) 、有限差分 法( f- x) 、高斯射束法、平面波法。输出为深度域的特 点是服从斯奈尔定律( 射线弯曲) , 能对复杂速度场 中倾向射线正确成像, 适合于高速体下成像及深度 估算等; 以深度或垂直双程旅行时输出的特点是适 应横向速度变化, 速度模型看上去像地质构造, 服从 斯奈尔定律( 弯曲射线) , 偏移倾角可大于 90, v( x, z) 算法需要速度模型, 成本较高。三维叠后深度偏移( v( x, y, z) ) 算法有一步法 或两步法、克希霍夫( t- x- y) 旅行时计算、Gazdag 的 相移加插值法、Stoffa 分步法、Claerbout 带薄透镜项 有限差分( f- x- y) 法、Hale- McCellan 法。其特点是按1深度域偏移成像方法1.1 各类深度域成像的算法和特点目前按二维、三维和叠前、叠后可将深度域偏移 分为二维叠后深度偏移、二维叠前深度偏移、三维叠 后深度偏移和三维叠前深度偏移。二维叠后深度偏移( v( x, z) ) 算法有根据旅行 时计算的克希霍夫算法、带薄透镜项的 Claerbout 有 限差分( f- x) 法、Stoffa 分步法、Gazdag 的相移插值法和波束控制法等。其特点是以深度或垂直双程旅行深度或垂直双程旅行时输出,真三维叠后深度域偏移, 服从斯奈尔定律, 假设前提为适当的零炮检距叠加。三维叠前深度偏移( v( x, y, z) ) 算法有克希霍 夫( t- x- y) 旅行时间计算和有限差分( f- x- y) 法。其 特点是按深度或垂直双程旅行时输出、真三维叠前 深度偏移、服从斯奈尔定律、最佳的成像方法1.2 偏移成像方法的选取 可根据要解决问题的复杂程度和经济效益选择相应的偏移成像方法, 若构造简单, 速度变化不大, 用叠后时间偏移; 若构造简单, 但速度横向变化大, 则应选择叠后深度偏移; 若构造复杂, 但速度横向变 化不大, 则可选用叠前时间偏移; 只有当构造复杂,基金项目: 国家重大产业技术开发专项项目资助( 发改办高技 20051255) ;国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划( 973)项 目 资 助( 2006CB202200) 。作者简介: 马国东 ( 1963) , 男, 1984 毕业于中国矿业大学 , 高级工 程师。责任编辑: 孙常长速度横向变化图 1 偏移方法选择原则图示Figur e 1 A schematic diagr am of migr ation methods selection pr inciple图 2 克希霍夫积分法叠前深度域偏移流程图Figur e 2 Flowchar t of Kir chhoff integr al pr estack depth migr ation中 国 煤炭 地 质第 20 卷54线所观测到的地震波场之和。在深度域假设某点( x, y, z) 为这个反射点的一 个输出点。为了得到该点的反射输出, 需要在该点 ( x, y, z) 周围输入相当数量的输入道, 经过该点的反 射经过不同的路径到达不同的检波器。从震源经反 射点返回到检波器的旅行时间等于从震源到反射点 的旅行时加上反射点到检波器的旅行时, 因此为了 获取该反射点偏移后的图像, 首先我们要计算出旅 行时间, 然后根据这个时间将输入道振幅偏移到输 出深度点道的位置上, 所有输入道都重复这个过 程, 最后将深度点的振幅进行累加求和。如果确实 是一个强反射点, 并且速度正确的话, 这些振幅就会 同相叠加, 相互加强, 得到一个聚焦很好的强能量输 出, 否则就会相互抵消, 得到一个弱振幅输出。2.2 克希霍夫积分法叠前深度域偏移的主要步骤和 流程克希霍夫积分法叠前深度域偏移主要包括初始 模型建立、旅行时计算、克希霍夫偏移求和、深度速 度模型修正, 其流程如图 2 所示。2.3 叠前深度域偏移成像技术应用成果利用克希霍夫积分法叠前深度域偏移软件, 率 先处理了两块煤田三维地震勘探资料, 克服了煤田 地震资料叠加次数低, 偏移距范围小, 难以求取准确且速度横向变化大时, 才选用叠前深度域偏移, 以上原则如图 1 所示。1.3 叠前深度域偏移成像的主要优点 深度域偏移将地面接收到的时间记录转换成以空间坐标表示的地质构造剖面, 在效果上, 深度域偏 移相当于时间偏移与折射校正和时深转换的总和, 并克服了时间域的固有缺点, 因此它具有时间域成 像不可比拟的优势。深度域成像技术是基于模型的 正、反演相结合的处理方法, 将地震成像、模型模拟 和解释融于一体, 成像结果即为深度剖面。深度域偏 移能够获得准确的偏移归位效果, 其成像点与地质 模型绕射点位置完全一致, 成像位置准确。深度域成 像能够解决速度横向复杂变化问题和克服上覆地层 对下伏地层的不利影响。叠前深度域偏移能够克服 共中心点叠加的缺陷, 实现真正的共反射点叠加, 使 图像清晰, 位置准确。2 克希霍夫叠前深度域偏移2.1 克希霍夫叠前深度域偏移的基本原理 在各种波动方程的深度域偏移算法中, 每种算法都有自己的特点, 它们对解的相对精度和计算机 的运行时间有不同的影响。克希霍夫偏移程序可应 用于大角度倾斜层和剧烈横向速度变化的情况。同 时还较好地顾及了介质的曲界面、强折射面对地震 波射线的折射效应。它在层状介质模型下的三维深 度域偏移计算公式为:u( x1, y1, z, t) = cos 2k v2u( x, y, z=0, t=r / v )2dxdy( 1)t式中 x 和 y 为地面上的座标; z 为深度; t 为偏移场在点( x1, y1, z1) 上的双程旅行时; r=为 z 轴与连 接( x1, y1, z1) 点和( x, y, z=0) 点的直线间的夹角。上式可以最终归结为根据给定孔径的绕射波空间时距曲a、时间域偏移成像结果 b、深度域偏移成像结果 图 3 煤田三维叠前深度偏移煤层形态准确归位成像实例Figur e 3 Examples of 3D pr estack depth migr ation coal seam configur ation accur ate imaging nor malization6 期马国东: 叠前深度域偏移成像技术及其应用55深度速度模型的困难, 获得了较为理想的深度偏移数据体。图 3 为三维叠前深度域偏移煤层准确归位 成像实例。左图为时间域偏移成像结果, 右图为 深度域偏移成像结果。可以看到由于第四系新地 层厚度剧烈变化造成时间剖面煤层的倾向与实 际地层倾向相反, 使时间域偏移归位越偏越远, 下覆煤层赋存形态被扭曲, 深度误差很大, 断层 平面位置不准。而深度域成像能够解决速度横向 复杂变化问题和克服上覆地层对下伏地层的不利 影响和克服共中心点叠加的缺陷, 使煤层形态和 断层位置准确。将全区对比解释后, 划分煤层的深 度比时间域偏移剖面解释结果向下移动 40 多 m,钻探结果证实根据深度域偏移剖面解释的煤层深度和断层平面位置可靠, 为煤炭采区设计提供了更加 准确的地质资料。大, 影响深度偏移成像的质量。为此 Beasley 等 2 提出了“零速度层”的基于地表的叠前深度偏移方法。 Reshef 3 提出了更精确的基于地表的“逐步累加”波 场延拓叠前深度偏移方法。这类基于起伏地表的叠 前深度偏移方法显然比常规的波动方程叠前深度偏 仪移方法精度高。国内一些石油勘探研究所正在开 发类似软件, 煤炭地震勘探技术人员也应密切关注 和跟踪。3 结语叠前深度域偏移是一种有效的复杂地质构造成 像方法, 其中基于波动方程的克希霍夫积分算法是 目前最常用的算法, 它计算效率高, 能够处理炮点和 检波点位置不规则的数据集, 能够适应陡倾角和速 度横向变化大的情况。能够克服时间域处理的固有 缺陷, 使复杂构造能够准确归位成像, 特别能够提高 煤矿采区地震勘探精度, 加速了处理解释一体化进 程。通过应用实例说明该项技术确实能够克服上覆 地层对下伏煤层的不利影响, 提高煤层深度和断层 解释精度, 是解决煤矿构造问题的希望所在, 具有广 泛的应用前景。上述常规的波动方程叠前深度偏移是在水平基 准面上实现的, 其输入地震数据已经了高程静校正 处理。对于地表起伏很大的西部地区( 如山地、黄土 塬) 的地震资料来说, 这种处理的误差可能还会比较参考文献: 1 张文生, 张关泉, 马在田. 混合法三维平面波合成叠前深度偏移 J .自然科学进展, 2004, 14( 2) . 2 王秀荣.叠前时间偏移技术在煤田地震资料处理中的应用 J .中 国煤田地质, 2006, 18( 5) . 3 柳眉, 马国东.叠前深度偏移技术 J .中国煤田地质, 1998, 10( 1) . 4 王磊, 何伟.煤矿采区三维地震勘探技术的回顾与展望 J . 中国 煤田地质, 2003, 15( 6) . 5 Beasley CJ, Lynn W. 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