双方位地震资料联合成像处理技术在深水崎岖海底区的应用

邓 盾 邓 勇 马光克 隋 波 李潇潇 欧阳敏

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057)

0 引言

随着海上油气勘探的重点领域逐渐转向深水区、复杂构造油气藏和岩性油气藏，窄方位角勘探已满足不了勘探需求。多/宽方位角勘探具有很多优势[1-4]： 提高采集照明度，获得较完整的地震波场； 有利于识别断层、裂缝和地层岩性变化，具有较高的振幅保真度； 有利于提高复杂构造地区地震资料信噪比，改善成像效果。但是受采集成本与处理技术的约束，宽方位采集在中国海上勘探中应用较少。在当前低油价的新常态下，多方位采集既能弥补窄方位采集的不足，同时兼具宽方位采集的部分优势，是一种既有效又低成本的勘探方式，日渐受到人们的关注。

然而，随着观测方位的不同，速度随方位角的变化、与方位角相关的旅行时差、与方位相关的各向异性等问题随之产生。张保庆等[1]研究了宽方位地震资料处理技术并在陆地三维资料进行了应用，陈礼等[5]、朱江梅等[6]探讨了海上多方位地震资料处理关键技术，夏常亮等[7]探索了满足检测裂缝要求的宽方位角地震资料处理流程；Tsvankin[8]、Gerchka等[9]、Xie等[10]针对多方位及宽方位处理中方位各向异性问题开展了一系列研究；贾福宗等[11]分析了HTI裂缝介质的方位各向异性特点以及方位各向异性校正处理技术在陆地宽方位资料中的应用。

目前中国有关海上多方位地震资料常规处理仍是分方位独立处理，联合成像研究较少。本文针对南海北部深水崎岖海底区采集的双方位三维地震资料，分析了不同采集方位角地震资料的差异，采用双方位联合速度建模以及双方位各向异性深度偏移联合成像，实现了双方位三维地震资料融合处理，有效改善了崎岖海底下伏地层的成像效果。

1 不同方位角地震资料差异分析

南海北部深水区是当前油气勘探的热点和难点，陆架坡折区崎岖海底发育，水深变化剧烈，中深层地质条件复杂，常规窄方位三维地震采集难以满足地震成像和目标评价的需要[12]。针对深水崎岖海底坡折带目标勘探，琼东南宝岛凹陷在同一年度、采用相同参数沿不同方位采集了两套三维地震资料，其中一套是北西至南东方向垂直陆坡采集，另一套是南西至北东方向平行陆坡采集(图1)。

窄方位资料的观测方位角集中在有限的范围内，其速度随方位变化不大，通常可以忽略；而多方位资料的观测方位差异大，其速度随方位变化较大，不容忽视[1]。图2与图3分别为宝岛凹陷三维资料海脊和海沟处不同采集方向速度差异分析结果。从图2可以看出，海脊处平行采集较垂直采集叠前时间偏移(PSTM)成像速度偏低；从图3可以看出，海沟处平行采集较垂直采集成像速度偏高，且成像速度随方位的变化量最大超过400m/s。

图1 双方位地震采集示意图

图4和图5分别为不同采集方位的PSTM速度剖面与成像剖面。由于不同采集方位偏移速度的差异，导致成像剖面中崎岖海底下伏地层成像差异巨大。

通过对两套资料进行综合分析，发现采集方位对偏移速度以及断面、地层成像都有很大影响，可以得出以下结论：

(1)深水崎岖海底区平行陆坡采集和垂直陆坡采集PSTM成像速度差异较大，在海脊和海沟处速度趋势正好相反；

(2)单个方位PSTM成像速度不适用于双方位PSTM成像处理，两个方位的时间偏移需建立不同的偏移速度体，但各自应用不同方位成像速度会造成崎岖海底下伏地层成像的差异。

双方位采集受崎岖海底及方位各向异性的影响，导致不同采集方位速度差异较大，传统速度分析技术很难精确刻画陆坡区的速度变化，速度场建立存在一定难度。因此，双方位地震资料联合成像的难点在于如何求取一个更稳定、更具有物理和地质意义的“统一速度场”。

图2 海脊处垂直(a)和平行(b)陆坡采集速度及道集对比

图3 海沟处垂直(a)和平行(b)陆坡采集速度及道集对比

图4 垂直(a)和平行(b)陆坡采集偏移速度剖面对比

图5 垂直(a)和平行(b)陆坡采集PSTM剖面对比

2 双方位地震资料联合成像技术

在时间域，由于双方位资料速度差异极大，导致不同方位构造成像存在差异。这种方位速度差异不仅是由方位各向异性引起的，更多是由崎岖海底在时间域引起的速度畸变造成的，且随着采集方位的不一致速度畸变的程度也不同，必须在深度域进行各向异性偏移才能在一定程度上消除这种差异[13-16]。

通过综合分析认为，双方位处理面临的最大挑战为：不同方位资料传播路径差异带来的速度估计问题及各向异性表征问题。因此，本文针对性地研究了双方位联合速度建模技术以及双方位各向异性深度偏移联合成像技术。

2.1 各向同性联合速度建模

建立准确的速度模型是提高地震成像品质的关键，基于常规的层析成像速度反演得出的速度模型有可能不是唯一的，特别是在地质条件复杂区。若是采用单方位叠前深度偏移(PSDM)处理思路(图6)分别对不同方位资料进行初始速度建模及迭代更新，最终将难以得到一个统一的速度场，进而导致不同方位资料中同一套地层存在两个不同的地震深度，此外，不同方位资料还可能存在构造成像差异。

分析认为，针对双方位地震资料求取准确速度模型的关键是建立合理的初始速度模型及利用双方位地震资料联合反演速度，即双方位联合速度建模方法(图7)，主要包括以下步骤：①将多方位数据按方位角划分成多个扇区，对每个扇区的数据用同一初始速度模型进行PSDM；②对生成的各个方位的共成像点(CIP)道集分别拾取剩余时差(RMO)；③根据每个方位的剩余时差各自进行射线追踪建立层析方程组；④将所有方位的方程组联立在一起进行联合层析反演，得到速度模型的更新量，进入下一轮的偏移和速度反演；⑤经多次迭代更新，获得适用于多方位资料的各向同性深度域速度模型。

常规建模方法不能利用方位角信息，本文通过联合速度建模将方位信息用于速度反演过程，从数学上减少了速度模型求取的多解性，能够得到常规建模方法不能反演出的小尺度中高频速度细节，得到更高分辨率、更加稳定的层析更新结果(图8)，使最终得到的各向同性深度域速度模型更加合理。

图6 单方位PSDM速度建模流程

图7 双方位联合PSDM速度建模流程

图9为PSDM联合建模后不同采集方位资料的成像结果。在PSTM剖面上，不同方位资料的构造成像存在较大差异，而通过联合速度建模得到的统一的各向同性速度模型一方面消除了崎岖海底引起的速度畸变，另一方面通过联合反演提高了速度精度，因此不同方位资料的PSDM成像剖面中构造形态基本一致，但还需解决不同方位的各向异性差异进一步改善成像效果。此外，由于利用双方位联合层析提高速度反演的稳定性，因此降低了后续各向异性参数估计的多解性。

图8 单方位(a)与双方位(b)层析剩余速度剖面对比

2.2 双TI介质各向异性PSDM融合成像

在多方位地震资料中，随着观测方位角的不同，与方位相关的各向异性、与方位角相关的旅行时差等问题随之产生。由于地下介质的方位各向异性性质，造成地震波在地下沿不同方向传播速度不同。因此，对多方位资料进行联合成像，还需分析方位各向异性导致的差异。

地壳介质的地震各向异性主要是由地下周期性的薄互层和定向裂隙引起的。常见的各向异性介质主要为横向各向同性介质和正交各向异性介质，在理论上可分别用TI介质(包括VTI介质、HTI介质和TTI介质)和OA介质描述[17]。VTI介质一般认为由周期性薄互层形成，HTI介质一般认为是由平行排列的垂直裂隙产生。当薄互层中发育有垂向裂隙或同一地层中发育了两套相互正交的裂隙系统时，通常将这种地层视为正交各向异性(OA)介质。因此，VTI介质模型和HTI介质模型都可看作是OA介质模型的特例。对于包含有垂向裂隙的薄互层或包含有多组正交裂隙系统的各向同性地层，正交各向异性介质模型更具有一般性，它是与实际地层相符的最简单的各向异性模型[18-19]。

由于OA介质与VTI介质模型具有相似的弹性系数矩阵，两者的速度分析也存在许多类似之处[20-22]，Tsvankin[8]将Thomsen参数推广到OA介质(图10)，对OA介质三个对称面内的各向异性参数进行了定义。虽然正交各向异性更接近于实际介质，但是P波成像就需要7个参数，而此次研究工区仅两个方位信息无法确定7个参数。依据在正交各向异性介质条件下，每个方位可用一个独立的TI 各向异性等价近似[23]，本文采用双TI介质各向异性方法解决双方位各向异性问题(图11)，即建立一个统一的速度模型、两套独立的方位各向异性参数。具体实现步骤为： ①采用联合反演得到的速度模型对不同方位数据分别进行各向同性偏移，然后基于偏移得到的多方位道集结合井资料分别估算每个方位的各向异性参数(δ和ε)； ②对不同方位的各向异性参数分别进行反演更新[24]； ③采用联合反演速度场与更新后的各向异性参数对每个方位分别进行各向异性偏移； ④对不同方位偏移后道集进行与倾角和方位角相关的旅行时差校正[25]，将校正 后道集进行叠加成像。

图10 正交各向异性介质对称平面的定义[8]

图12为单方位PSDM成像与双方位PSDM融合成像效果对比，通过联合速度建模以及双TI介质各向异性PSDM处理，融合后的成像剖面综合了不同采集方位的成像优势，其中崎岖海底下伏地层成像更可靠(红色箭头所指处)，同时在断面成像(蓝色箭头所指处)及中深层地层连续性(黑色箭头所指处)上均有较大改善，与地下真实构造更加吻合。

图11 双TI介质各向异性示意图

图12 单方位PSDM成像与双TI介质各向异性PSDM融合成像对比(a)垂直陆坡采集单方位PSDM剖面； (b)平行陆坡采集单方位PSDM剖面； (c)双TI介质各向异性PSDM融合成像剖面

3 处理效果分析

双方位地震观测使各个方向的波场采样充分，增加了复杂构造区的采集照明度，有利于提高信噪比以及速度分析精度，从而得以改善地震成像效果。在崎岖海底、高陡构造和复杂断块成像等方面具有明显优势并已得到实践验证。

针对琼东南盆地宝岛凹陷崎岖海底区采集的双方位地震资料，通过采用双方位联合层析建模技术以及双TI介质各向异性PSDM融合处理技术进行处理后，反射信息更加合理清晰(图13)，中深层信噪比得到提高，同相轴更加连续、稳定(图14)，同时有效改善了陆坡下方模糊区的成像效果，地层连续性增强(图15)。

通过融合处理，综合了两个方位的成像优势，使成像效果达到最优，为后续构造解释及目标综合研究提供了高品质的地震资料。

图13 单方位(左)与双方位(右)成像效果对比(一)

图14 单方位(左)与双方位(右)成像效果对比(二)

图15 单方位(左)与双方位(右)成像效果对比(三)

4 结论

(1)南海北部陆坡区海底变化剧烈，地质构造复杂，受崎岖海底及方位各向异性影响较大，传统速度分析技术很难精确刻画陆坡区的速度变化，需通过双方位地震资料联合成像求取一个更稳定、更具有物理和地质意义的“统一速度场”；

(2)双方位采集不仅可以改善波场照明，更有利于速度估计的稳定性。本文采用双方位联合层析速度建模+双TI介质各向异性PSDM融合处理的思路解决了双方位联合成像问题，提高了速度建模精度，实现了双方位地震资料的融合处理，有效改善了崎岖海底下伏地层成像效果，是一种有效、可行的技术方案。

通过本文研究，双方位地震观测在崎岖海底、复杂构造区成像等方面的优势得到了体现与验证。对于已采集三维资料的地区，可根据实际地质情况并结合经济能力，有针对性地开展多方位甚至宽方位地震数据采集与处理，有效改善有利目标区的成像质量。