0 引言

叠前深度偏移是一种解释性的处理过程，遵循了地质与地球物理综合研究以及地震资料处理与解释一体化的指导思想。尽管叠前深度偏移的计算量和处理成本均比时间偏移高出几倍甚至几十倍，但是它能够提供更丰富的地质信息。目前叠前深度偏移成像技术已成为克服横向速度变化大、解决复杂地质构造成像问题的有效技术^[1-2]。在复杂探区，精细的地震资料成像更寄希望于叠前深度偏移^[3]。然而要想在实际应用中获得好的深度偏移成像效果并非易事，质量好的叠前数据体、准确的偏移速度场、合适的偏移成像算法，三者缺一不可^[4]。

GeoEast-Lightning波动方程叠前深度偏移软件是集单程波方程叠前深度偏移、各向同性逆时偏移、(VTI/TTI)各向异性逆时偏移、(VTI/TTI)各向异性单程波动方程叠前深度偏移、正交各向异性逆时偏移为一体的软件系统，其逆时偏移技术可在GPU-CPU异构多核集群上运行。该软件具有炮域波动方程偏移道集生成功能，可为后续处理和地震资料岩性解释提供丰富的基础资料。并行框架使软件适用于二维、三维地震资料成像处理，在实际地震数据处理中得到了广泛的应用。

呼图壁三维工区位于准噶尔盆地南缘冲断带东部，属南缘山前三排构造带中的第三排的东端，构造形态为近东西向展布的长轴背斜，较平缓。工区内地面为农田和村镇，地形变化不大，为向北缓倾的坡地，海拔为500~600m。地震资料整体上信噪比较高，侏罗系与白垩系构造形态差异大，即浅层为背斜、深层为向斜。侏罗系及以下地层，埋深大，反射能量弱，地震资料多解性强，控圈断裂展布及组合落实难度大。

得益于GeoEast4.0版本的推出，2021年GeoEast-Lightning和速度建模软件GeoEast-Diva已经融合到GeoEast处理平台，数据高效链接，实现了统一平台下的深度域偏移成像与速度建模数据共享。在准噶尔盆地南缘呼图壁三维工区地震资料处理中的推广应用，最终GeoEast-Lightning单程波深度Q偏移成果相比其他方法的偏移成果，层间弱反射的连续性更好，频带拓宽5Hz，为高分辨率处理提供可靠的宽频数据。

1 叠前深度偏移方法及应用效果

叠前深度偏移是高精度地震勘探技术的重要组成部分^[5]。常规偏移方法假设地下介质为声波或者弹性波介质，不考虑地层介质的吸收效应。然而地层介质并非完全弹性，并且由于地层中存在流体，地震波在实际地下介质传播过程中会发生衰减，能量减弱、主频降低、相位发生变化^[6-9]。使用常规偏移方法对实际地震数据进行成像，成像精度和分辨率都不够高。

叠前深度偏移初始速度模型的建立是在常规速度分析基础上，利用该工区的地质、测井、录井信息，通过速度平滑完成^[10]。叠前深度偏移通过迭代进行速度建模，可提供较为稳定、准确的速度模型^[11]。

李振春教授曾说真振幅偏移是“在构造成像的同时，给出反射系数和震源子波的信息”^[12]。在标准情况下，真振幅偏移表现的是真实的反射信息^[13]，Q偏移是真振幅偏移的一类。目前应用于实际生产中的Q偏移方法主要有两种：波动方程保幅偏移技术、Kirchhoff积分法Q偏移技术。Kirchoff偏移是当前工业界普遍使用的深度域成像方法，但它对复杂构造的成像能力及成像精度有限，高斯束偏移(Ganssian Beam Migration，GBM)方法是一种改进的Kirchoff偏移成像方法，不仅具有射线类方法的较高的计算效率，还具有接近于波动方程类方法的成像精度。

叠前深度Q偏移首先需求取Q场。Q场的建立主要有三种方式。①利用拟合的Q-v公式，将层速度场转换为Q场。②应用VSP井资料建立Q场。GeoEast系统中Q估计模块利用零井源距VSP资料截取的下行子波数据及拾取的初至时间，利用频谱拟合法计算Q值，并在地震层位和速度信息的约束下进行横向插值，获得三维空间的Q场。该技术适用于开发程度高的探区。③深度域高精度Q场建立。该方法主要利用GeoEast-Diva软件进行Q层析反演，其流程与三维网格层析反演速度建模类似。呼图壁三维工区地层相对平缓，Q场差异不大，本文主要利用经验公式法在速度和层位的约束下建立Q场，进行几种偏移方法的对比。

1.1 数据准备及偏移基准面选取

目前叠前深度偏移技术还不能消除近地表高频扰动对深度偏移的不利影响，因此在时间域预处理中必须消除道间时差引起的高频静校正量，高信噪比的叠前数据有利于深度域速度建模和叠前偏移成像^[14]。在深度偏移输入数据准备阶段，首先做好道集的预处理工作，主要包括叠前噪声压制、反褶积、高精度动静校正迭代。由于呼图壁三维采集时间较早，面元较大，故利用五维插值进行叠前规则化处理。通过精细的叠前处理，基本上消除了原始资料的采集因素、干扰波及子波的影响，为叠前深度偏移的开展奠定良好的基础。

偏移基准面选取需遵循：浮动面上的炮集数据需符合地表一致性，即数据中每个物理点只有一个高程值。GeoEast-Lightning目前可支持浮动面、地表小平滑面以及统一基准面上的偏移。对地表进行平滑，把基准面建立在圆滑地表面上，近似实现从起伏观测面上直接进行叠前深度偏移，是目前GeoEast-Lightning波动方程起伏地表叠前深度偏移处理常采用的方法。而实际生产中，Kirchhoff偏移直接在浮动面进行偏移，不做数据基准面的校正。

1.2 Kirchhoff叠前深度Q偏移

Kirchhoff叠前深度Q偏移是一种基于射线追踪理论的偏移方法，求取地震波旅行时和振幅是Q偏移的核心问题。由速度场和Q场构造的复波速场可以表示为

$ c(\boldsymbol{x}, \omega)=c_0(\boldsymbol{x})\left[1-\frac{\mathrm{i}}{2 Q(\boldsymbol{x})}+\frac{1}{\pi Q(\boldsymbol{x})} \ln \frac{\omega}{\omega_0}\right] $

(1)

式中：x为空间位置；c₀(x)为速度场；Q(x)为品质因子；ω为圆频率；ω₀为参考频率。复旅行时可表示为

$ T_{\mathrm{c}}(\boldsymbol{x}, \omega)=T(\boldsymbol{x})-\frac{\mathrm{i} T^*(\boldsymbol{x})}{2}-\frac{T^*(\boldsymbol{x})}{\pi} \ln \frac{\omega}{\omega_0} $

(2)

式中：T(x)是声波介质中以速度c₀求得的旅行时；T^*(x)为振幅补偿项，其计算公式为

$ T^*(\boldsymbol{x})=\int_l \frac{1}{c_0 Q} \mathrm{~d} l $

(3)

式中l表示射线路径。式(2)中右端第一项包含偏移的运动学信息，可以通过常规的声波介质中旅行时计算方法求取(如射线追踪法或求解程函方程的方法)；第二项为振幅衰减补偿项；第三项为相位校正项。吸收衰减补偿项依赖于T^*(x)，包含了Q^-1沿着射线路径的积分^[14]。

当式(1)式中Q很小时，第三个指数项趋于无限大，叠前Q深度偏移结果中深层会出现较强的高频噪声，影响成像效果。

本文应用GeoEast软件中的叠前Q深度偏移模块。该模块通过增益限制解决中、深层吸收补偿的稳定性问题。常规的积分法叠前偏移是在时间域完成地震记录的偏移处理，而Q补偿的积分法偏移需要在频率域完成相位和振幅补偿，目前在实际资料处理中的效率是传统方法的1/4左右。

对比常规Kirchhoff叠前深度偏移与Kirchhoff叠前深度Q偏移剖面(图 1)可见，后者整体分辨率高于前者，衰减的能量得到有效补偿，反射轴细节更清晰，偏移效果更好。

1.3 高斯束偏移技术

高斯束偏移方法是一种改进的射线类偏移方法，结合了动力学特征，考虑了射线的多路径问题，可克服积分法偏移精度不高的问题，还保留了积分法偏移高效、灵活的特点，相比波动方程偏移，计算效率大大提高。高斯束偏移所使用的格林函数是一系列高斯波束的叠加，每条高斯波束代表地下局部波场且为处处正则的，此特点使该偏移方法不存在波场的奇异性区域。炮域的高斯束偏移过程可以分为以下3个步骤：①确定一系列波束中心位置；②对于炮点和接收点的波束中心，求取不同方向的平面波分量；③对于地下成像点，将炮点和接收点对应的高斯波束进行互相关成像。图 2为Kirchhoff积分法和高斯射线束叠前深度偏移剖面对比，可以发现，高斯射线束叠前深度偏移剖面的断裂特征刻画更清晰。

1.4 单程波叠前深度Q偏移

波动方程叠前深度偏移又可分为单程波叠前深度偏移和双程波叠前深度偏移。基于单程波方程的偏移方法是将声波方程沿深度方向分解为上、下行独立传播的方程，优点是可以沿深度方向进行递推运算，该偏移方法耗时较短，效率高，适应于大多数具有一定倾角的地层的成像。在实际资料应用过程中，计算量小，所占存储资源也较少。呼图壁工区速度分布稳定，并无强对比速度场中所产生的回转波和棱镜波等复杂波型，较适应于单程波方程的偏移方法，有效的规避了该方法的不足之处。Q偏移中几个参数需要特别注意：①速度模型对应的频率；②Q模型；③最大增益控制(例如20、50dB), 需要进行多次试验。

Kirchhoff积分法偏移理论基础^[13]是把其积分中的格林函数用它的高频近似解替代，这种近似处理决定了该方法本身存在缺陷，分辨率会随着深度的增加而逐渐降低，影响中深层成像品质。

对比Kirchhoff叠前深度偏移与单程波叠前深度偏移剖面(图 3)，可以明显看出，从深度4000m左右开始，前者在速度变化较快的背斜顶部位置，成像质量明显变差，特别是对断裂的刻画能力较弱，而单程波叠前深度偏移成像效果则有明显的改善，对断裂特征的刻画较清晰；在深层7000~8000m的目的层喀拉扎组和侏罗系煤层，在信噪比稍低的部位，前者画弧严重，后者波组特征更明显；前者的背景干扰强，后者偏移噪声较弱，背景干净。

对比单程波叠前深度偏移与单程波叠前深度Q偏移剖面(图 4)可以看出，二者的构造形态成像效果相当，但后者对弱反射层的刻画能力更强，分辨率更高(箭头所示)。

2 结论

应用GeoEast-Lightning叠前深度偏移软件对准噶尔盆地南缘呼图壁三维地震资料进行处理，通过对深度偏移效果分析得到了如下认识。

(1) 常规Kirchhoff偏移方法在强吸收区不能有效恢复振幅，且同相轴相位发生畸变，不能准确成像，剖面分辨率较低。

(2) 叠前深度Q偏移能有效补偿振幅衰减，提高地震资料的分辨率与构造解释的可靠性。

(3) Q偏移方法对噪声十分敏感，尤其是高频噪声，因此在应用Q偏移之前应该做好资料的去噪处理，尽量提高高频段的信噪比。当高频段信噪比较低时，应对正指数项进行截断，以免过分放大噪声。

(4) 随着并行计算机规模的扩大，特别是GPU机器的推广，依托GeoEast-Lightning软件的波动方程叠前深度偏移必将得到更广泛的应用，在提高复杂地质体成像、提高地震勘探成功率方面发挥更重要的作用。