叠前时间偏移与叠前深度偏移

叠前时间偏移与叠前深度偏移摘要：偏移使倾斜反射归位到它们真正的地下界面位置，并使绕射波收敛，即可以提高空间分辨率。按所处理的地震资料是否做过水平叠加划分为叠后偏移和叠前偏移两大类。这里主要讨论叠前偏移。偏移方法分为时间域和深度域两类，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。这里主要介绍克希霍夫积分法叠前时间偏移、有限差分法叠前时间偏移、Fourier变换法叠前时间偏移三种叠前时间偏移方法。在叠前深度偏移上面，主要根据其技术的发展历史，现状，及未来趋势进行叙述，并进行了不同偏移技术的成像对比。关键字：叠前时间偏移叠前深度偏移克希霍夫积分法正文：一、引言偏移使倾斜反射归位到它们真正的地下界面位置，并使绕射波收敛，即可以提高空间分辨率。按所处理的地震资料是否做过水平叠加划分为叠后偏移和叠前偏移两大类。偏移方法分为时间域和深度域两类。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。从当前技术发展的状况看，目前国内应用的叠前偏移技术基本上可以概括为以下两类。一种是基于波动方程积分解的克希霍夫积分法叠前偏移。这种技术，在20世纪90年代以前就在研究，目前，随着多年来持续不断地改进和完善，已经成为一种高效实用的叠前偏移方法，它具有高角度成像、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。一种是基于波动方程微分解的波动方程叠前偏移。这种技术目前在国内的应用还处于试验阶段。叠前时间偏移与叠后时间偏移和叠前深度偏移一样，都是基于三大数学工具，即克希霍夫积分、有限差分和Fourier变换。二、叠前时间偏移技术叠前时间偏移的可行性分为下面三个方面：①实现这种技术所需的软硬件成本合理。②对偏移速度场无过高的要求。③配套技术比较成熟和完善。下面简述三种时间偏移方法：1克希霍夫积分法叠前时间偏移该方法一般在共炮点道集上进行，对二维和三维叠前偏移做法是一致的。(1)该方法的步骤是将共炮点i己录从接收点上向地下外推。外推时要先确定本道集可能产生反射波的地下空间范围，这个范围可以根据倾角、记录长度和道集的水平范围进行估算。这个过程实际上是—个估算偏移孔径的反过程。对向地下延拓的空问范围做一些模拟估算是必要的。外推时使用一般Kirchhoff积分表达式：1)、dxdytvRtyxuvRtyxuRvRvtzyxUA),0,,(),0,,(cos21),,,(0000π2/122020)()(//coszyyxxzRz.式中R为从地下(x，Y，z)点到地面点(X。，Y。,Z。=0)的距离。这样求出的结果，等于从地面某个炮点激发，在地下(x，Y，z)点上接收的反射波记录。在这个记录上有(x，Y，z)点产生的反射波和z深度以下的界面产生的反射波。我们应当做的是把(x，Y，z)点处的反射波放到该点上。但是，在该点的记录还有很多其它深度点上的反射波。因此，如何从这个点用积分公式延拓汁算出地震道u(x，Y，z，t)，并从中取出用于在该点成像的波场值，这就是下一步的工作。(2)计算从炮点0到地下R(x，z)点的地震波入射射线的走时dt。这可以用均方根速度rmsv去除炮点至地下R点的距离近似求出。或者用射线追踪法求取，就更准确。用求出的下行波的走时dt到u(x，Y，z，t)的延拓记录的dt时刻取出波场值作为该点的成像值。(3)将所有的深度点上的延拓波场都如第二步那样提取成像值，组成偏移剖面就完成了—个炮集的Kirchhoff积分法偏移。(4)将所有的炮道集记录都做过上述三步处理后进行按地面点相重合的记录相叠加的原则进行叠加，即完成了叠前时问偏移。2有限差分法叠前时间偏移在三维情况下，反射点轨迹变为—个旋转椭球面，该椭球是绕炮检距方向由二维条件下的椭圆旋转而成。如果取炮检距方向为X方向，则椭球面的方程为：2)、mmtvzyxtvh222222224)/411(通过波动方程的频散关系或波动方程的象征方程以及Fourier变换，可以得到对应的三维波动方程：3)、mmtuvzuyuxutvh2222222222224)41(如果炮检距方向与观测纵测线的方向成一定的口角度时需要进行坐标变换。新坐标系下的方程为：4)、mtuvzuyxuCyuBxuA22222222224111用有限差分法解(4)式有一定的难度，但它是可解的。因此对三维面积观测的数据体用该方法进行叠前时问偏移在理论上是可实现的，目前尚未使用。虽然各个方向的共炮检距道集也可以用(3)式进行偏移而且容易实现。但是由于要在不同的方向上抽取新的共炮检距道集，并要重新采样，同时剖面长度会长短不等，因此对处理效率会有影响。f3)式虽然容易求解，但在炮检距方向有转角≠0时，首先要将数据沿方向和垂直方向进行内插重排，这样内插重排后的三维数据体的水平切片将是某种菱形，造成纵横测线长短不一，给处理带来不便。如果仍按原坐标进行三维叠前偏移处理则必须用(4)式进行偏移。3Fourier变换法叠前时间偏移频率-波数(f-k)域叠前偏移是实现叠前时间偏移的一种有效方法。Li(1991)用一组常速实现了叠前偏移。用横向不变的速度偏移常炮检距数据可以在Fourier域进行，与Kirchhoff偏移相比，它具有成像速度快，能处理陡倾角且不会产生算子假频(是一宽带算子)的特点。另外，该算子考虑了由于通过层状介质而发生折射弯曲所造成的相位和振幅变化。另外，F-K偏移算子可以分解为NMO+DMO+ZOM，在常速偏移下，分解正确。若速度随深度变化，这种分解对NMO+DMO部分只是近似值。二维情况下，F-K域叠前时间偏移的向下延拓波场为：5）、),,,(),,,()exp(),,,(zkkSzkkDhikmikdkdkzhmPhmhmhmhm对层状v(z)介质，传播算子),,,(zkkShm由下式给出：6）、)],,,(exp[),,,(zkkizkkShmjjhm，其中，7）、])()([2),,,(2222hmjhmjhmjkkkkkkzjzkkjjzzjjvk2jv是层速度。7式是常速频散关系的一种扩展形式。4结语三类叠前时间偏移方法分为有限差分法，克希霍夫积分法和频率-波数域法。它们是各自独立发展起来的并在不断地进行自我完善。多数情况下有限差分法波动方程偏移是求解近似波动方程的一种近似数值解法。一般来说，网格剖分越细，精度越高，但这势必会增加计算量。和其它两种偏移方法相比，有限差分法简单，理论和实际应用都较成熟；由于采用递推算法，在形式上能处理速度的纵、横向变化。缺点是受反射界面倾角的限制；此外还要求等间隔剖分网格。克希霍夫积分法偏移建立在物理地震学的基础之上，该方法能适应任意倾斜角度的反射界面；对剖分网格要求较灵活。缺点是费时；难以处理横向速度变化；偏移噪声大，“划弧”现象严重；确定偏移参数较困难。频率-波数域偏移求解波动方程是在频率-波数(F-K)域中进行。频率-波数域偏移方法兼具有限差分法和克希霍夫积分法二者的优点：计算效率高，耗时少；无倾角限制，无频散现象；精度高，计算稳定性好。缺点是速度横向变化时，会使反射界面畸变；对偏移速度误差较敏感。5流程图1是叠前时间偏移处理流程。图2是某区三维叠前时问偏移与叠后时问偏移处理效果对比。从网2中可以看出，叠前时间偏移剖面信噪比显著提高，主要构造部位断层成像更清晰，位置更准确(图2a)。三、叠前深度偏移技术反褶积、叠加与偏移是地震勘探数据处理的三大主要技术。叠前深度偏移技术的研究一直是近1O多年来全球油气地球物理勘探领域的热点。偏移的作用是使绕射波收敛、地下界面的地震反射波归位到正确的空间位置，最终得到真实反映地下界面形态的地震图像。与时间偏移相比，叠前深度偏移的理论体系更加完善和先进，也是目前国际上公认的解决复杂构造成像的有效途径。由于深度偏移对速度模型精度的依赖度高且运算量大(约为时间偏移的2倍)，因此这项技术的应用受到影响。近年来，随着计算机技术和偏移方法的不断改进，深度偏移技术逐步得到推广应用，在我国东部深层和西部山前复杂构造的勘探中见到了明显效果。1我国叠前深度偏移技术应用现状1．1叠前深度偏移技术发展回顾偏移方法分为时间域和深度域两类。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Stoh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。进入21世纪，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，这预示着又一次新的发展高潮即将到来。1.2国内叠前深度偏移技术应用特点国内叠前深度偏移技术的探索应用始于1995年胜利油田的古潜山勘探，到现在已有十余年的发展历程。从当前技术发展的状况看，目前国内应用的叠前深度偏移技术基本上可以概括为以下两类。1.2.1基于波动方程积分解的克希霍夫积分法叠前深度偏移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方法，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。1.2.2基于波动方程微分解的波动方程叠前深度偏移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。1．3影响叠前深度成像的关键因素叠前深度域成像技术的推广应用除偏移算法需要不断改进外，还要解决静校正、低信噪比和复杂构造建模三个技术难题。(1)静校正技术我国地域广阔，地表和地质条件复杂，西部地区山地、沙漠造成处理中的静校正问题突出，影响到噪声压制和叠前成像的效果。目前，解决静校正问题虽然有折射波、层析等低降速带静校正方法和初至波、反射波等剩余静校正方法，但面对地表问题十分突出的地区，如玉门的窟窿山、塔里木的西秋等，仍无法真正满足叠前