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摘 要： 摘要目前隨著油氣勘探的不斷發(fā)展，深部油氣藏受到廣泛關(guān)注，高精度深層速度建模與成像是一個亟待解決的難題。全波形反演充分利用疊前地震數(shù)據(jù)的運動學(xué)和動力學(xué)信息，具有揭示復(fù)雜地質(zhì)背景下構(gòu)造細(xì)節(jié)的能力，是目前建模精度最高的方法之一。然而，波形反演本
摘要目前隨著油氣勘探的不斷發(fā)展，深部油氣藏受到廣泛關(guān)注，高精度深層速度建模與成像是一個亟待解決的難題。全波形反演充分利用疊前地震數(shù)據(jù)的運動學(xué)和動力學(xué)信息，具有揭示復(fù)雜地質(zhì)背景下構(gòu)造細(xì)節(jié)的能力，是目前建模精度最高的方法之一。然而，波形反演本身是一個高度的非線性問題，反演易陷入局部極值不能收斂。在實際應(yīng)用時，常規(guī)全波形反演受限于炮檢距以及地震數(shù)據(jù)的有效頻帶范圍，因而對深層的反演結(jié)果并不準(zhǔn)確。與常規(guī)全波形反演相比，反射波波形反演利用反射波信息代替回折波信息，是提高深層反演質(zhì)量的有效途徑。為此，利用地下介質(zhì)的構(gòu)造信息，通過結(jié)構(gòu)張量濾波算法對梯度進(jìn)行預(yù)處理，保證反演方向正確以及反演過程穩(wěn)定。陸地資料應(yīng)用結(jié)果表明：本文方法能夠反演出更加符合地下地質(zhì)規(guī)律的高分辨率速度模型，有利于深部目的層成像與目標(biāo)評價。
關(guān)鍵詞反射波波形反演，深部油氣藏，結(jié)構(gòu)張量濾波，高分辨率速度模型，陸地資料
0序言
在油氣的勘探開發(fā)過程中，高精度、高分辨率的成像技術(shù)具有揭示復(fù)雜地質(zhì)條件背景下構(gòu)造與巖性細(xì)節(jié)信息的能力，對勘探定位具有決定性的作用。而隨著勘探程度的不斷深入，目標(biāo)區(qū)域已逐漸由中淺層轉(zhuǎn)變?yōu)樯顚映顚印５顚拥卣鹳Y料信噪比低、有效信號能量弱、速度建模精度無法滿足高精度偏移成像的精度要求，提高速度建模的精度是做好深層偏移成像的重要前提。
全波形反演技術(shù)基于波動方程理論，相對于射線理論能夠更好地描述地震波在地下介質(zhì)中的傳播過程，能夠?qū)崿F(xiàn)速度、密度、Q等多參數(shù)反演(劉斌等,2018;王慶等,2015;陳永芮,2013;楊午陽等,2013;王薇等,2013;卞愛飛等,2010;廖建平等,2011;王西文等,2013;VirieuxandOperto,2009)。
在上世紀(jì)八十年代Lailly和Tarantola提出了時間域全波形反演算法，形成了一套較為完整的理論體系(Lailly,1983;Tarantola,1984)。在九十年代Pratt將其發(fā)展到頻率域(Pratt,1999)，但受限于當(dāng)時的硬件水平,多數(shù)研究只能停留在理論階段。近些年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與處理能力的不斷提高，全波形反演實際資料應(yīng)用日趨實用化。海洋資料具有低頻信息豐富以及高信噪比等特點相比于陸地資料更適用于全波形反演，在陸地資料的實際運用中仍然存在諸多挑戰(zhàn)(丁繼才等，2017;胡光輝等，2018;Plessixetal.,2013)。常規(guī)全波形反演主要利用潛波重構(gòu)地下的介質(zhì)參數(shù)，陸地地震勘探受限于觀測系統(tǒng)，缺乏大偏移距數(shù)據(jù)以及低頻信息，因此全波形反演在陸地資料應(yīng)用時反演深度較淺。為了能夠提高深層的速度建模精度，Xu提出了反射波波形反演，該方法基于一階Born近似，通過偏移與反偏移在初始模型較為平滑的情況下獲取反射波信息，利用反射波代替潛波更新深層介質(zhì)參數(shù)(Xu等，2012)。但反偏移記錄與野外觀測記錄相比振幅存在較大差異，常規(guī)的L2誤差函數(shù)無法有效使用。Ma等通過動態(tài)時差校正技術(shù)求取走時信息，規(guī)避振幅差異所造成的的影響，實現(xiàn)了波動方程反射旅行時反演方法，恢復(fù)速度場低波數(shù)成分(Ma等，2013)。付繼有等基于相位擬合的互相關(guān)函降低數(shù)據(jù)振幅對反演的影響，克服了局部極值問題，提高反演過程的穩(wěn)定性(付繼有等，2016)。
全波形反演在實際資料應(yīng)用時受覆蓋次數(shù)、數(shù)據(jù)信噪比、采集規(guī)律性等因素的影響，反演結(jié)果會出現(xiàn)噪聲干擾、照明不足、同相軸不連續(xù)等問題。為了提高梯度的準(zhǔn)確性，張凱等提出了能量加權(quán)的梯度算法(張凱等，2015)，通過引入反偏移算法對梯度進(jìn)行修正，在不增加計算量的前提下進(jìn)行了照明補償。胡光輝等將構(gòu)造信息引入誤差泛函，通過構(gòu)建先驗信息模型，提高速度建模的精度，使得反演結(jié)果具有地質(zhì)意義。羅靜蕊采用層析濾波器對梯度進(jìn)行預(yù)處理，對有限采集孔徑和非均勻覆蓋信息造成的反演誤差進(jìn)行修正，改善全波形反演效果(羅靜蕊等，2018)。
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為了提高反射波波形反演在陸地實際資料的適用性，本文采用以下反演策略：通過互相關(guān)誤差函數(shù)解決反演過程中的振幅匹配問題，基于地下介質(zhì)的構(gòu)造信息應(yīng)用結(jié)構(gòu)張量濾波對梯度進(jìn)行約束，消除梯度中存在的采集腳印、化弧噪音以及同相軸不連續(xù)等問題，更準(zhǔn)確的刻畫構(gòu)造形態(tài)，使得反演結(jié)果更具有地質(zhì)意義，提高深層偏移成像的精度。最后通過實際資料測試驗證了反演策略的準(zhǔn)確性和有效性。
1反射波波形反演
1.1基于互相關(guān)誤差函數(shù)反射波波形反演
常規(guī)全波形反演的初始模型通常由射線類走時層析得到，缺少強波阻抗界面，波動方程模擬得到的波場中反射波能量相對較弱，所以常規(guī)全波形反演主要基于潛波信息。其反演深度受偏移距影響，尤其在處理陸上窄偏移距地震數(shù)據(jù)時，對中深層的重構(gòu)能力有限。為了進(jìn)一步提升中深層的建模質(zhì)量，Xu提出了反射波波形反演。
2陸地實際資料測試
陸地實際資料來源于西北某探區(qū)，主要目的是通過提高速度建模精度使得偏移結(jié)果中縫洞串珠儲層能量更加聚焦。目的層埋深接近6公里，為了節(jié)省計算內(nèi)存，提高計算效率，選取滿覆蓋50平方公里的目標(biāo)區(qū)域資料進(jìn)行測試，測試資料共計1000炮，頻帶范圍5-25hz。全波形反演由于其自身較強的非線性，對初始模型的依賴較高。本文首先采用射線類反射波走時層析技術(shù)構(gòu)建低波數(shù)初始速度模型，如圖2所示。射線走時層析基于高頻近似假設(shè)，反演模型具有豐富的低波數(shù)背景信息，分辨率相對較低。其次，由于所選工區(qū)偏移距較短，常規(guī)基于潛波信息的波形反演無法有效提高深層模型的質(zhì)量。因此，本文通過偏移與反偏移在平滑初始速度模型下重構(gòu)反射波波場，并采用互相關(guān)誤差函數(shù)削弱振幅影響，基于前期的克希霍夫疊前深度偏移結(jié)果求取結(jié)構(gòu)張量，并通過結(jié)構(gòu)張量濾波對梯度進(jìn)行預(yù)處理。
此外，為了提高迭代收斂速度，改善反演質(zhì)量，本文采用截斷牛頓法進(jìn)行迭代尋優(yōu)，該方法無需直接表示Hessian矩陣，能夠有效節(jié)省內(nèi)存。圖3是經(jīng)過五次迭代后的反演速度，從水平切面中可以看出，與圖2所示的初始速度相比，全波形反演結(jié)果有更豐富的速度細(xì)節(jié)信息。為進(jìn)一步對比初始速度與反演速度，截取inline方向上的垂直切面。圖4a是初始速度模型的垂直切片，圖4b是全波形反演結(jié)果的垂直切片。圖4.b與圖4.a相比可知，本文方法能夠刻畫更豐富的速度信息，反演的速度更加符合地質(zhì)規(guī)律，清晰地刻畫出縫洞速度異常體(如圖4b紅色箭頭所示)，說明本文方法具有的較高分辨率。
為驗證全波形反演對改善目標(biāo)區(qū)域偏移成像質(zhì)量的有效性，分別基于射線層析速度與全波形反演速度進(jìn)行克希霍夫疊前深度偏移。從圖5的對比中可以看出，相較于射線層析，本文方法由于反演的速度精度更高，偏移歸位更加準(zhǔn)確，構(gòu)造成像更加合理，地層可追蹤性更強(圖5中紅色箭頭所示)，從圖6中也可以看出，基于本文方法反演速度的縫洞串珠儲層成像能量更加聚焦，分辨率更高(紅色圓圈所示)，更利于目標(biāo)評價工作。在相同偏移算子的情況下，證明了本文方法具有較高的精度，更有利于目的層成像。
3結(jié)論與討論
影響深層地震成像質(zhì)量的因素有很多，包括偏移算子的精度、速度模型的準(zhǔn)確性以及采集方式等多個方面。建模技術(shù)的推進(jìn)對提高深層成像質(zhì)量至關(guān)重要。全波形反演從疊前地震數(shù)據(jù)出發(fā)，充分利用數(shù)據(jù)的運動學(xué)和動力學(xué)信息，是目前地球物理領(lǐng)域研究的熱點。近些年來隨著計算機硬件水平的提高與全波形反演理論研究的不斷深入，全波形反演技術(shù)在實用化方面已經(jīng)取得了較大的突破，基于全波形反演的高精度速度模型從而提高偏移成像的質(zhì)量已經(jīng)在多個工區(qū)得到應(yīng)用。但陸上地震勘探資料偏移距范圍較小、低頻信息缺失、各類噪聲干擾嚴(yán)重，全波形反演工作的進(jìn)展較為緩慢，尤其是深部的反演效果一直不理想。
本文提出了一種面向深層的反射波波形反演策略，通過偏移與反偏移在初始模型缺少高波數(shù)層位信息的情況下重構(gòu)反射波信息，用反射波替代潛波更新深層介質(zhì)參數(shù)。采用互相關(guān)目標(biāo)函數(shù)，降低振幅能量差異的影響，提高迭代過程的穩(wěn)定性。基于克希霍夫疊前深度偏移剖面求取結(jié)構(gòu)張量矩陣和各向異性擴散濾波對梯度進(jìn)行預(yù)處理，能夠壓制各類噪音并使得同相軸更加連續(xù)，使得反演結(jié)果符合地質(zhì)規(guī)律，有效提高迭代收斂速度。三維陸地實際資料測試表明，本文提出的陸上地震資料反演策略能夠得到高分辨率的速度模型，改善深部目的層成像質(zhì)量，有利于目標(biāo)評價。——論文作者：孫思宇，胡光輝，何兵紅，杜澤源，徐文才
