利用基于模型的层析速度反演进行低幅度构造成像

2017-10-23管文胜段文胜宋小平

石油地球物理勘探 2017年1期

管文胜段文胜查明孙琦宋小平苏洲

（①中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛266580；②中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000；③帕拉代姆技术（北京）有限公司，北京100083）

管文胜*①②段文胜②查明①孙琦②宋小平③苏洲②

基于层位的层析反演在低信噪比地区无法进行层位解释，在划分速度界面时也无法保证模型精度，局限性较大；基于网格的层析反演不容易收敛到实际速度模型，且模型没有地质意义的约束，有时会产生不符合地质规律的反演结果。为此，基于模型的层析反演方法，借鉴了层位约束和全局反演优点，以地质层位为基础建立模型，在横向上沿地质层位网格进行参数更新，在纵向上层位间网格更新尺度随着模型的地质层位而变化，既解决了薄层速度建模问题，又能得到精准的高、低频速度分量和各向异性参数。其次，基于模型的层析反演将模型中地质层位的深度作为一个变量纳入层析反演数据空间，可以同时反演速度结构与反射点位置（或反射层深度），具有更高的反演精度。将基于模型的层析反演方法应用于YM工区实际资料，并通过各向异性叠前深度偏移处理，提高了速度模型精度，解决了该区低幅度构造成像问题。

低幅度构造基于模型的层析反演层析成像矩阵 VTI介质叠前深度偏移

1 引言

基于射线追踪的层析反演技术是目前叠前深度偏移最常用的速度模型建立方法，主要利用偏移和层析交替迭代的方法进行速度反演，能够恢复速度场中的高、低波数信息，被广泛用于深度域速度模型的建立［1-5］。在工业界又细分为两种具体方法：①基于层位的层析反演，主要通过在简单层状模型的多个速度界面求取射线路径和剩余延迟时进行速度反演［6］。其优点是能够表达复杂的地质模型，模型受地质构造的约束，具有地质意义；缺点是需要输入构造解释模型，在低信噪比地区无法进行层位解释，在划分速度界面时也无法保证模型精度，而且这种简单模型简化了速度模型的细节，局限性较大；②基于网格的层析反演，通过在全局求取射线路径和剩余延迟时进行速度反演，无需输入解释模型，克服了层状模型在层间速度细节刻画上的缺陷，反演精度较高，可以获得较为准确的速度场高频分量；但不容易收敛到实际速度模型［7-9］，且模型没有地质意义的约束，有时会产生不符合地质规律的反演结果。

基于模型的层析反演方法，借鉴了层位约束和全局反演优点，以地质层位为基础建立模型，在横向上沿地质层位网格进行参数更新，在纵向上层位间网格更新尺度随着模型的地质层位而变化，既解决了薄层速度建模问题，又能得到精准的高、低频速度分量和各向异性参数。其次，基于模型的层析反演将模型中地质层位的深度作为一个变量纳入层析反演数据空间，可以同时反演速度结构与反射点位置（或反射层深度），具有更高的反演精度。本文将基于模型的层析反演方法应用于YM工区实际资料，并通过各向异性叠前深度偏移处理，提高了速度模型精度，解决了该区低幅度构造的成像问题。

2 基于模型的层析基本原理

2.1 基于模型的层析速度反演原理

基于模型的层析速度反演包括一个正演过程（计算炮点、反射点、检波点的旅行时）和一个反演过程（根据旅行时和剩余时差更新速度模型）。首先建立层析成像矩阵，即通过对模型中的每一个反射点做射线追踪完成正演，一条射线路径对应一个等式，其合集即为层析成像矩阵

式中：tm为模型中的地震波旅行时；Sijk为第ijk网格中的慢度；d ijk为第ijk网格中的射线路径长度。

而实际模型中地震波会出现旅行时差，可表示为

式中：Δtm为旅行时误差；ΔSijk为第ijk网格中的慢度误差。

旅行时差Δtm可以表示为

式中：A v为d ijk组成的系数矩阵，又称灵敏因子；Δv为未知变量ΔSijk的向量。

根据偏移CRP道集中反射波同相轴的上翘或下垂，通过人工或自动拾取的方式得到剩余旅行时Δt。以共轭梯度法求解最小二乘解即可获得Δv，从而得到更新后的速度体。

在式（2）中只考虑了慢度误差对射线旅行时的影响，而忽略了速度更新对射线路径的影响。假设速度更新量为正值，反射点位置在新速度模型中的深度位置下移，导致射线路径变长，求取的速度比真实值偏高，反之亦然。因此，为了消除速度更新对射线路径长度的影响，将模型的反射点位置的深度变化代入式（1）和式（2）之和，即

式中Δd ijk为模型中射线路径长度变化分摊到第ijk网格中的长度。略去高阶项ΔSijkΔd ijk，则式（4）变为

式（5）既考虑了速度误差的影响，也考虑了反射点位置的深度变化，因此更加合理。式（5）又可表示为

在VTI介质中，式（6）表示为

式中：ε、δ为VTI介质各向异性参数；Aδ、Aε分别为δ、ε的系数矩阵；Δδ、Δε分别为δ、ε的误差向量；A z为由Sijk组成的系数矩阵；Δz为Δd ijk的向量，即模型中反射点深度变化向量，通过求解该变量，即可反演模型中地质层位的深度（图1）。

2.2 各向异性速度分析

Thomsen［10］于1986年给出了表征VTI介质弹性性质的5个参数，并对其进行定义和描述，其中描述P波各向异性的参数为VP、ε和δ，其中VP表示P波的垂直方向传播速度，ε为P波各向异性的度量，δ值决定了P波在垂直方向附近相速度的各向异性程度。随后，人们对VTI介质的各向异性速度进行了研究［11，12］。

对某一套地层，通过合成记录标定可以得到顶、底反射时差，用单程时差与已知的地震层速度相乘得到层厚度ΔZI（未考虑各向异性），而实际的测井记录则准确记录了该套地层的顶、底深度，考虑了各向异性影响的真实层厚度表示为ΔZA，则

在分析地震资料的各向异性时，一般基于弱各向异性假设，即纵波速度取决于参数δ和ε，当ε=δ时，简化为椭圆各向异性。因此在获取了各向异性参数δ后，先假设ε=δ，进行基于VTI介质的初始叠前深度偏移，然后进行ε迭代，以求取准确的ε参数。

3 基于模型的层析成像速度模型建立方法

3.1 初始层速度模型的建立

3.1.1 浅层速度建模

由于覆盖次数低、炮检距较小的原因，在YM工区近地表难以获得准确、可靠的剩余延迟，也就难以求取层速度。浅层速度模型的误差会累积影响到深层目的层的成像。为此，采用微测井信息约束大炮初至的层析反演，弥补了应用反射波方法求取近地表速度的缺陷，得到的浅层速度场更加可靠。

图1 网格层析反演（a）与模型层析反演（b）网格尺度对比

3.1.2 中深层速度建模

YM工区的中深层构造相对简单，可采用模型约束反演方法得到初始层速度。通过对叠前时间偏移处理得到的较准确的均方根速度场进行约束，建立一个模型约束的瞬时速度场。具体步骤为：首先建立初始的低频趋势模型速度场，然后对每一个反演的垂向函数，假设局部变化是一维模型，再使用最小二乘基本原理求解反问题。

3.2 基于模型的层析速度更新与优化

结合前面介绍的基本原理，基于模型的层析速度建模步骤如下。

（1）以近地表速度高速顶为分界面，将由大炮初至层析速度模型得到的浅层速度和由模型约束反演得到的中深层速度进行拼接，并作为初始速度进行速度迭代。

（2）计算旅行时并利用Kirchhoff积分法进行叠前深度偏移，通过大量CMP道集振幅样点的不断归位，使真正反射点位置的振幅不断叠加，从而提高信噪比。

（3）根据区域地质情况，在深度域地震数据体或时间域偏移数据体上选取测井声波速度变化的界面进行地震解释层位拾取，这样的层位通常对应地震强反射同相轴，信噪比较高，获得的剩余延迟可靠。在模型的地质层位上按固定间隔选取反射点（图1蓝色圆点）进行射线追踪，可以大量减少反射点数量，节约计算量。

（4）通过交互方式和试验确定合适的参数，如深度误差值（深度偏移资料深度与实钻井深度差）等，在研究区CRP偏移道集上进行批量应用，以获得剩余延迟。

（5）在层位模型、偏移数据体、剩余延迟体、层速度体、δ体、ε体以及地震反射层属性数据体（倾角体、方位角体、连续性体等）的基础上建立数据库。

（6）对每一个反射点进行射线追踪完成正演，其中每一条射线路径对应一个等式，从而建立层析反演的层析成像矩阵（式（5））。

（7）求解层析成像矩阵，更新每个网格的速度（式（7）、式（8）），得到初步迭代的各向异性速度体、δ体和ε体。

（8）经过层析速度反演的多次迭代，完成层析正演和反演过程，直至近道集基本拉平、剩余延迟为零，并输出最终的各向异性速度体、δ体、ε体以及各向异性叠前深度偏移数据体。

结合YM工区实际情况，确定了基于模型层析速度反演的VTI各向异性叠前深度偏移流程（图2）。

图2 基于模型层析速度反演的VTI各向异性叠前深度偏移流程

4 应用实例及效果分析

TLM盆地YM工区三维地震资料于2006年采集，覆盖次数为48，目的层为白垩系巴西改组。叠前时间偏移资料表明，该区存在一个北东向的低速带，发育一个大型低幅度断背斜构造（图3a），在该构造有利部位部署的第一口井（1号井）即获得突破。为加快该构造的评价，在该构造的3个高部位同时部署了3口评价井（2、3、4号井），评价井的设计高点海拔比1号井高20～30m，完钻后3口井的实际海拔比1号井低20～30m，因而相继失利（图3b）。经综合研究认为，由于工区速度复杂，没有考虑各向异性，因而造成假构造的低速带，导致钻探失利。因此，针对速度变化大、存在低速陷阱等各向异性突出的地区，需采用基于模型层析速度反演的VTI介质叠前深度偏移技术，以提高低幅度构造成像质量和精度，并发现和落实与断层相关的低幅度构造。

图3 YM工区各向同性速度平面图（a）和构造图（b）图a中红色区域为低速区，图b中红色区域为背斜构造区

从CRP道集上看，通过模型层析反演反复迭代后，CRP远道集被明显拉平，目的层段能量聚焦，信噪比得到提高（图4b）。

基于模型的层析反演在求取速度模型时，考虑到每个深度成像点，同时速度的更新以地质层位为对象，在不同层位依据剩余延迟情况获得不同的速度变化值，速度精度得以提高，地质界面速度发生了明显变化（图5）。

式（8）表明：当各向同性速度大于各向异性速度时，δ＞0；当各向同性速度小于各向异性速度时，δ＜0。分析YM工区更新迭代后的δ体及ε体数据表明（图6），目的层段的δ、ε值小于零（黄色至红色范围），表明各向同性速度小于各向异性速度，可能会造成异常低速区，使深度域构造图的深度比实际深度小，从而出现假构造（图3）。

图7为各向同性、基于模型速度反演的各向异性深度域成像剖面。由图可见：各向同性深度域剖面（图7a）与基于模型速度反演的各向异性深度域剖面（图7b）的整体构造形态基本一致，但后者（图7b）的信噪比更高，波组特征清楚，断面成像清晰可靠，目的层段的储层内部反射特征明显，低幅度构造成像质量好于前者（图7a），有利于识别岩性圈闭；从地震地质标定来看，各向异性深度域剖面（图7b）的古近系底（Bot_E）和白垩系巴西改组顶（Bot_K1bs）、底（Bot_K1bx）的层位深度比各向同性深度域剖面（图7a）的大。

图4 各向同性（a）和各向异性（b）道集

图5 初始速度（a）、模型层析迭代更新速度（b）

图6 各向异性参数δ体（a）和ε体（b）

图7 各向同性（a）、基于模型速度反演的各向异性（b）深度域成像剖面

图8 各向同性、各向异性叠前深度偏移与实钻的深度数据

图8为各向同性、各向异性叠前深度偏移与实钻的深度数据。由图可见，基于模型层析速度反演的VTI各向异性叠前深度偏移的深度数据与钻井深度数据基本一致，而各向同性叠前深度偏移的深度比钻井深度小。因此，基于模型层析的各向异性偏移可以满足YM工区的低幅度构造的地震成像精度需求。图9为YM工区叠前深度偏移各向异性速度场和构造图。由图可见，1号井处于构造高点上，2、3、4号井处于构造斜坡部位，证实北部的低速带不存在。

5 结束语

基于模型的层析反演方法具有以下优点：

（1）模型受地质层位约束，即在横向上是沿地质层位的网格进行速度和各向异性参数更新，尤其在纵向上层间网格尺度随着地质层位而变化，解决了薄层速度建模问题，避免了单一网格尺度层析成像可能产生的射线覆盖程度过低的问题。同时这种多尺度层析方法具有粗网格和细网格的剖分，既兼顾层析成像的分辨率和精度，又能得到精准的高、低频速度分量和各向异性参数；

（2）基于模型的层析反演将模型的地质层位深度值作为一个变量纳入层析反演，即对速度结构与反射点位置（或反射层深度）同时反演，具有更高的反演精度，接近地下实际速度模型，与钻井深度更加吻合，使偏移成像质量更高；

（3）在迭代更新过程中，模型考虑了地层中的各向异性特点，如δ、ε等反映速度各向异性的参数，符合地下介质的实际情况。

总之，基于模型的层析反演方法解决了低速陷阱、速度横向变化大的各向异性问题，得到的各向异性叠前深度偏移体的地质现象清晰、可靠，断层归位准确，其深度与钻井深度差别小，落实了与断层相关的低幅度构造。该方法有具有使用方便、计算效率高的特点，适合工业化推广应用。

图9 YM工区叠前深度偏移各向异性速度场（a）和构造图（b）

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