叠前深度偏移技术及其应用的发展历程

叠前深度偏移技术及其应用的发展历程

引言

地震偏移技术是现代地震勘探数据处理的三大基本技术之一，其目的是实现反射界面的空间归位和恢复反射界面的波场特征、振幅变化和反射系数，提高地震空间分辨率和保真度。随着油气勘探开发的进一步深入，油气勘探的重点转向复杂地表和复杂地质条件的区域。复杂构造区地震资料质量通常较差, 且横向速度变化剧烈,叠前时间偏移成像往往得不到精确的地下构造形态, 叠前深度偏移是解决复杂构造成像的有效工具。近年来，随着计算机的发展，尤其是并行计算机的出现，使得计算量庞大的三维地震资料叠前深度偏移成为可能。叠前深度偏移在解决复杂地质构造成像问题的同时能够提高资料信噪比和分辨率，压制多次波以及突出深层反射；不仅如此，与传统的时间域地震剖面相比，深度域成像的地震剖面更具地质意义。叠前深变偏移的广泛研究和应用，对于在复杂地质环境中提高地震勘探的能力将是极大的促进。

一、叠前深度偏移技术发展

常用的时间偏移技术是基于横向速度变化弱的水平层状介质模型产生的，而深度偏移技术是基于横向变速的真实地质深度模型发展而来的。因此时间偏移不能解决速度横向变化引起的非双曲线时差问题，当横向速度变化大、超出常规时间偏移所能适应的尺度时，偏移的成像精度大为降低(这一现象由Hubral P于1977年首次发现)。这个问题立即引起国际勘探地球物理学界的关注，并开始对非均匀介质偏移方法的研究。波动理论的引入促进了深度偏移技术的发展。2O 世纪7O年代，Claerbout 首次把波动方程引入到地震波场偏移成像中，Schneider 提出了基于波动方程积分解的克希霍夫积分法偏移，Gazdag 和Stolt 分别提出波动方程频率一波数域偏移方法，应用的都是简化形式的抛物线波动方程，即单程方程和爆炸反射面模型。2O世纪8O年代出现了全波动方程偏移、逆时偏移成像等算法，但由于当时计算机效率低，对速度模型要求苛刻等原因，未能得到广泛应用。到了9O年代，菲利普斯石油公司首先于1993年宣布使用叠前深度偏移技术在墨西哥湾盐下勘探获得成功，拉开了克希霍夫积分法叠前深度偏移技术成功应用的序幕，将叠前偏移技术的发展推向一次新的发展高潮。PC机群技术得到快速发展(速度达每秒万亿次以上)，偏移算法不断完善，使叠前深度偏移技术规模化应用成为可能。

1、为什么要做叠前深度偏移技术

油气开发所依据的地质模型是深度域的，而地震观测和处理一般是在时间域中进行。由于空间速度变化特别是横向速度变化使地震波能量传播严重畸变，而地质构造在时间域和深度域中的表现又是不一样的，特别是在复杂构造或横向变速情况下其差异很大。因而，在复杂构造或横向变速情况下，时间域处理无法正确地揭示深度一层速度场信息，时间偏移不能正确处理速度界面产生的绕射，从而导致同相轴的错位和不聚焦，以至不能产生正确反映反射层位置的成像，甚至有时根本得不到反射信号的成像；相比之下，叠前深度偏移成像能够对非常复杂的数据进行信号的成像，可以修正陡倾地层和速度变化产生的地下图象的畸变。其主要原因是：常规时间域处理的正常时差校正和共中心点叠加假定中未计及由大速度差引起的射线路径弯曲效应，这时时间域处理步骤有损于有效信号；叠前深度偏移可作弯曲射线的校正，能使反射能量聚焦，正确确定同相轴的空间位置。叠前深度偏移可用于解决断层阴影、逆掩断层、发杂断块、高倾角构造、盐丘、盐下构造、基地构造、礁体、近地表问题、复杂速度场、低幅度构造、高速层下的弱反射、浮动基准面和水底不规则的地质现象的成像问题。

2、叠前深度偏移技术在国内应用

目前国内应用的叠前深度偏移技术基本上可以概括为两类:基于波动方程积分解的克希霍夫积分法叠前深度偏移和基于波动方程微分解的叠前深度偏移技术。

20世纪90年代以前，叠前深度偏移技术研究基本上是针对克希霍夫积分法。随着多年来持续不断地改进和完善，克希霍夫积分法叠前深度偏移已成为一种高效实用的叠前深度偏移法，具有高角度成像、无频散、占用资源少和实现效率高的特点，能适应不均匀的空间采样和起伏地表，比较适合复杂构造的成像。目前国际上有多种较为成熟的积分法叠前深度域成像软件，是当前实际生产中使用的主要叠前深度偏移方法。但是波动方程的积分解难以描述复杂的地震波场成像过程，射线理论偏移成像存在焦散和不适应多路径等问题，在地下介质速度横向变化剧烈的情况下，成像效果不好。为解决射线理论偏移成像的不足而发展的基于波动方程微分解的波场外推偏移成像方法，通常被简称为波动方程叠前深度偏移。根据波场外推算子估算方法不同，偏移计算方法主要分为两类：一类为有限差分偏移方法；另一类为频率一波数偏移方法。两类偏移方法各有特点，既可以分开使用，也可以联合使用(所谓的混合偏移)。波动方程叠前深度偏移方法理论上比较完善，没有高频近似，保幅程度高，但对观测系统变化的适应性差、运算效率低。目前在国内的应用还处于试验阶段。

二、叠前深度偏移的应用

1 叠前深度偏移预处理

叠前深度偏移所需要输入的地震资料是常规处理中提供的CMP道集，该道集处理质量的好坏将直接影响叠前偏移最终成果的质量，所以做叠前偏移时决不能忽略前序的常规地震资料处理。

在常规地震资料处理中，必须严格做好野外静校正、叠前去噪、振幅补偿、反褶积、速度分析和剩余静校正等基础工作，严格按地震资料处理规范把好质量关。这里特别要强调的是一定要做好叠前去噪，因为噪音的影响将使偏移的划弧现象严重，影响偏移效果。所以应尽量在叠前利用不同域的去噪手段消除噪音，提供一个最佳的CMP道集，为叠前偏移打好基础。

2 克希霍夫叠前深度偏移的基本原理

假定某空间（x，y，z）有一个输出位置，对于任一给定的输入道，如果在该输出位置有一个点散射，那么它出现在检波器位置的记录上的旅行时间等于从震源到散射点并返回到检波器的旅行时间之和。为了获取该散射点偏移后的图象，首先要计算出该旅行时间，然后再用旅行时间将输入道振幅(相位和振幅调整之和)加到输出深度点位置。所有输入道都重复这个处理过程，如果一同相轴确实在输出位置，那么将这些振幅相加，便产生叠前深度偏移图象。该技术建立在叠前的精细预处理和反复的速度模型叠代基础之上，其技术关键是射线追踪走时的计算和偏移成象。因此，建立正确的深度域层速度模型是该技术应用成功的保证。

在构造复杂区，速度纵横向变化大，叠后偏移不满足Snell定律，因此不能进行正确的反射波偏移成像；而叠前深度偏移能解决速度纵横向变化剧烈的地震资料准确成像的问题。

复杂地区地震成像遇到的主要问题首先是地表高程变化大，低速层速度横向不稳定；其次是地下构造复杂、高陡倾角地层、逆冲断裂带和断层屏蔽区、新老地层交错，速度模型难以建立。要建立一个合理的地质模型保证正确成像，在叠前深度偏移处理中，必需建立合理的时间模型，求取准确的层速度场，以提高剖面成像效果。时间模型是以地震资料为基础，通过处理解释而产生。利用射线追踪方法计算理论道集记录，并把它与实际道集进行相关，通过最大相关道求取层速度进而确定层速度——深度初始地质模型。有了初始速度模型后，确定射线的路径和分布范围，并以此范围为控制边界，计算射线分布范围内各射线的偏移方向和偏移量，在此基础上选用克希霍夫积分求和法进行叠前深度偏移，并生成共反射点道集，再利用剩余延迟分析、层析成像等技术，修改和优化层速度一深度