地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (2): 614-621   PDF    
厚风化层覆盖区转换波静校正方法
李彦鹏1 , 马在田1 , 孙鹏远2 , 杨海申2     
1. 同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092;
2. 东方地球物理公司, 河北涿州 072750
摘要: P-SV转换波处理与传统的P-P波处理有很大的不同,如S波静校正、CCP叠加、P-SV速度分析和偏移等,其中最大的难题就是S波静校正问题.S波速度基本不受潜水面的影响,与纵波静校正没有直接相关性,有时横波静校正量能达到纵波静校正量的十倍,用纵波静校正量乘以比例系数来解决横波静校正问题将导致较大误差.同一接收点X和Z分量存在一定的初至时差,该时差代表了P波和S波在低降速带的走时差,可以利用该时差和近地表纵横波速度比信息去除低降速带对横波的影响,得到准确的静校正量.本文利用多分量初至时差推导了较为精确的横波静校正公式,再结合共检波点叠加求取剩余静校正量的方法,形成了完整的转换波静校正配套方法.利用该方法对苏里格气田二维及三维多波地震资料进行了实际处理,数据处理结果证明了该方法的有效性,该方法尤其适用于其他方法难以奏效的风化层较厚地区的横波静校正量求解,该方法也同时考虑了长波长横波静校正问题.
关键词: 转换波      横波      静校正      初至时差     
Converted-wave static correction method for thick weathering area
LI Yan-Peng1, MA Zai-Tian1, SUN Peng-Yuan2, YANG Hai-Shen2     
1. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. BGP Inc., Zhuozhou Hebei 072750, China
Abstract: In P-SV seismic data processing, there are some aspects different from conventional P-P seismic data processing, such as S-wave static correction, CCP binning, P-SV velocity analysis and migration. Among them, the most difficult procedure is S-wave static correction. Unlike P-wave velocity, the S-wave velocity is almost unaffected by the water table and generally very low. Hence, the P-wave and S-wave static solutions are largely different from each other, sometimes S-wave statics are near ten times of P-wave's. So the approximation of the S-wave statics by simply scaling the known P-wave statics will lead to large errors and a good image can not be obtained. It has been proven that the time difference of first break between X and Z component in same receiver represents the travel time difference of P- and S-wave in weathering layer and it can be utilized to calculate S-wave statics. This paper presents an accurate statics expression with respect to the time difference of first break and some velocity ratio parameter of near surface. Combined with residual statics estimated from common receiver stack section, an integrated converted-wave static correction method has been presented. The method was applied to 2D-3C and 3D-3C data processing of Shulige gas field. The results show a good image which indicates that this method is effective for P-SV data processing. This method is especially suitable for statics estimation of thick weathering area where other methods are disabled. Long period S-wave statics are considered simultaneously..
Key words: Converted-wave      Shear-wave      Static correction      Time difference of first break     
1 引言

近年来,多波勘探得到了越来越多的重视,在岩性分析、流体识别、裂缝检测、气云区成像等方面显示出其独特优势[1-4].P-SV 波处理与传统的P-P 波有很多不同,其关键步骤通常是静校正量的求取.转换波炮点静校正可以用传统方法求得,而检波点横波静校正则需要专门的方法进行求取.因为横波与纵波在近地表传播速度差异极大,相同的位置上横波静校正量通常比纵波大2~10倍[5].与纵波相比,S波实际上不受近地表潜水面的影响(图 1),因此P波和S波静校正量不存在简单的比例关系,用纵波静校正量乘以某一系数来对横波静校正量进行近似通常是不可行的[6].

横波静校正方法可以分为两大类:一类是基于建立速度模型再求取静校正量的方法,另一类是基于数据直接得到静校正量的方法.模型法主要依赖于近地表速度模型,速度模型的建立主要有三种方法,第一种是利用单炮记录上的面波频散关系反演表层横波模型[7],该方法反演深度受到面波频宽的制约,不适用于厚层速度反演;第二种是基于非转换型的横波折射波来反演近地表横波速度[8]的方法,由于转换波数据上非转换型的横波折射波难以拾取,该方法的实用性较低;第三种是利用横波小折射或微测井获得观测点的近地表速度变化曲线,在工区通过一定密度的控制点来内插形成表层速度模型进而求取静校正量,是纵波野外静校正方法的沿用,受观测点数量的限制,表层调查方法很难解决横波短波长静校正问题.基于地震数据本身的静校正方法包括共检波点叠加相干法[9]和Monte-Carlo 模拟退火静校正法等.Schafer[10]曾经详细对比了多种静校正方法,在共接收点叠加剖面上求取静校正量的方法得到了最好的处理效果,但需要很多的手工操作,而且仅适用于构造较为简单的情况;折射波静校正方法得到了较好的处理效果,长波长分量也得到了较好的求解,但由于拾取横波折射初至,也需要很多的手工操作,而且横波折射并不总能看到,Monte-Carlo模拟退火法得到了中等的处理效果,尽管手工操作较少,但却很耗费机时.潘树林等[11]提出对共接收点叠加道相干法施加构造改正提高该方法的精度和对复杂构造的适应性,需要进行转换波动校正叠加处理,而转换波叠加受速度的影响较大,需要反复迭代处理.

在纵波激发的三分量地震数据中,XZ分量的初至时间非常接近,因此有时会被误认为是相同类型的波场.实际上,上行纵波在穿过高速顶面时由于存在很大的速度差异会转换为横波,Z分量接收的主要是上行纵波的能量,而X分量主要接收的是上行横波的能量.李彦鹏[12]指出XZ分量的初至时差包含了横波静校正的信息,可以根据这些时差来求解横波静校正;杨海申等[13]在此基础上推导了利用两分量初至时差,结合纵波延迟时求取横波延迟时并建立横波近地表模型,进而求取横波静校正量,该方法较好地解决了横波的长、短波长静校正问题,但对于纵波模型具有一定的依赖性,而且实际上近地表纵、横波界面并不完全对应;Heelan[14]研究了计算折射波振幅强度的方法,Hall[15]对非转换型折射波和转换型折射波进行了介绍,对其传播的运动学规律进行了简要描述.最近几十年关于折射波的研究都是集中于研究非转换折射波(PPP 折射波、SSS 折射波)[16-19],对转换型折射波的研究很少,Liu[20]对转换型折射波的传播理论和规律进行了系统分析,指出纵波在滑行过程中出射形成强转换横波的有利条件是上覆介质横波速度比下伏介质横波速度要小很多,并利用转换型横波折射计算了横波延迟时,进而得到了横波静校正量.本文详细推导了利用纵波与转换型PPS 折射波的初至时差直接求取精确的横波静校正量的公式,公式中的速度比是区域上的约束值,并不需要逐个点给出.论文还结合共检波点叠加剩余静校正方法形成了配套的、适用于风化层较厚地区的转换波静校正解决方案,该方法仅需要速度比控制参数,不依赖于近地表速度模型精度,而是主要依赖于地震数据获取纵波与转换型PPS波折射初至的时差,是一种混合型转换波静校正方法.

苏里格气田从2002 年开始进行了大量的2D-3C 与3D-3C 勘探.这些多波勘探的主要目的是通过转换波确定河道砂体和气砂岩的分布,评估PS数据能否用于岩性预测以便区分河道砂体与泥岩.本文提出的转换波静校正方法在该区进行了实际应用,取得了明显的效果,证明了该方法的适用性.

2 方法原理

象其他的转换波静校正方法一样,该方法假设我们已经得到了精确的最终纵波静校正解.纵波和转换波的炮点静校正量应该一致,只有接收点的静校正量需要求解.

典型的近地表结构一般由厚度不同的风化层构成,存在潜水面时,潜水面以上一般速度较低,潜水面以下纵波速度明显增高,而横波速度受孔隙流体影响很小,速度仍然较低,只有到达岩层时,速度才有明显增高.因此一般来讲,横波静校正量总是明显大于纵波,且二者相关性很小.

根据Hall[15]对非转换型折射波和转换型折射波传播的运动学规律的描述和Liu[20]对转换型折射波的定量分析,由于存在较大的波阻抗差,折射纵波在风化层底部(即高速层顶界)将会产生较强的上行横波并主要被水平分量接收(图 1).XZ分量的初至时差代表风化层中纵、横波的走时差,包含了横波静校正的信息,可以用来求解横波检波点静校正量.

图 1 上行P波与S波在近地表传播的几何关系图 Fig. 1 The geometry relationship of upgoing P- and S-wave travel in the near surface

为方便起见,我们把风化层看作一层(图 1),XZ分量的初至时差dt应该为

(1)

这里Vs0Vp0是风化层P波与S波速度,Vp1是高速层的P波速度,tEDtCEtCD代表ED,CEandCD段的走时.(1)式可以看出dt等于P 波与S波的延迟时之差.利用斯奈尔定律$\frac{1}{{{V}_{\text{p}1}}}\text{=}\frac{\sin \alpha }{{{V}_{\text{p0}}}}\text{=}\frac{\sin \beta }{{{V}_{\text{s}1}}}$,(1)式可以写为

(2)

这里αβ 分别是P波与S波的出射角,由于近地表风化层速度较低,出射角较小,可以近似认为DHDGh0,这时有

(3)

这里h0 是风化层厚度,γp0 =Vs0/Vp0,方程(3)可以表示为

(4)

根据这一关系,风化层校正可以写为

(5)

这里Vs1是高速层横波速度,γs1 =Vs0/Vs1.速度比参数可以通过横波微测井获得,该区近地表条件的变化主要表现为风化层厚度的变化,前面表达式的速度比参数相对稳定,可以近似为常数,因此只需要少量的微测井调查就可以了.当Vp0Vs1时,上式进一步简化为

(6)

S波的高程校正部分与P波类似,可以表示为

(7)

这里ed是基准面高程,es是地表高程.总的横波检波点静校正量可以表示为

(8)

利用上式可以得到较为准确的横波检波点静校正量,在此基础上还需进行横波剩余静校正.由于经过前面的静校正处理,剩余静校正量一般较小,可以采用动校正后共检波点叠加与平滑后模型道相关的方法获得准确的剩余静校正量,为获得准确的静校正量,该步骤可以进行多次迭代,直到满意为止.

另外,由于近地表横波速度极低,当采用中间放炮的野外观测方式时,对于不同方向的炮点的同一检波点,其静校正量也有一定的差异,这就是所谓的静校不静问题,需要在前面处理步骤的基础上进行非地表一致性剩余静校正.

3 实际数据处理

为了验证该方法的有效性和实用性,我们对苏里格气田的二维和三维三分量资料进行了实际处理.该区由草原、沙丘和碱滩覆盖.根据多分量微测井解释结果,近地表主要由第四系流沙和粘土覆盖,近地表可以分为三层[21]:潜水面顶部是没有压实的流沙与粘土,纵波速度500~800m/s, 横波速度大约是250m/s, 厚度大约3~10m;潜水面以下是含水流沙或粘土,纵波速度大约是1600~2100m/s, 横波速度400~500 m/s, 厚度是5~80 m;风化层以下是高速砂岩,其纵波速度大约是2300~2700m/s, 横波速度大约是1100~1300m/s.我们可以看到风化层底部界面上、下的横波速度差相当大(图 2).

图 2 近地表速度结构下波传播与波型转换示意图 Fig. 2 Wave propagation and conversion in near surface

在苏里格气田,横波静校正量经常大于100ms.现有软件不能解决大静校正量问题.现有的反射波和折射波静校正理论在这里应用较为困难.反射波静校正方法主要基于反射同相轴的光滑性和连续性,只能得到静校正的短波长分量.横波的折射波静校正方法需要进行横波折射的拾取,而横波折射常常被纵波与转换波波场能量所掩盖,因此这种方法很难实用.

我们首先利用三分量微测井解释获得近地表平均速度比等参数,微测井记录显示近地表横波速度远小于纵波速度,这也说明了为什么横波静校正量很大.调查显示该点高速顶在深57 m 处,γs1 ≈0.45,γp0≈0.25.

接着是求取XZ分量的初至时差,纵波初至易于拾取,但转换横波初至一般受纵波初至强能量干涉难以拾取.由于每个检波点的纵波、转换横波初至时差相对稳定,通过两分量互相关后共检波点叠加(图 3)拾取相关极值时间可以得到稳定的时差,工作量也大大减少.

图 3 两分量初至互相关共检波点叠加记录 Fig. 3 Common receiver stack protile of 2C cross correlation

在得到初至时差及速度比等参数后,利用公式(5)可以求得风化层校正量,最后利用(8)式可以得到包含长波长的横波静校正量值.之后利用共检波点叠加平滑法再求得剩余横波静校正量,这样就完成了横波静校正.为了获得更好的成像效果,建议针对正负偏移距分开求取剩余静校正量并分别应用.

在苏里格气田的三维三分量勘探工区,东部地表平坦,但静校正量却很大,从三维静校正量的平面绘图可以看出风化层下的古河床形态显而易见(图 4).X分量炮集静校正效果如图 5所示,静校正前后共检波点叠加对比如图 6 所示,可以看出静校正后转换波反射明显变得更加光滑,速度谱能量更加聚焦(图 7),风化层影响被去掉,处理结果变好.

图 4 3C3D工区地表高程(a)与横波静校正量(b)绘图 Fig. 4 Elevations (a) and S-wave statics (b) map of 3C3D area
图 5 X分量静校正前(a)、后(b)单炮对比结果 Fig. 5 X component shot gather before (a) and after (b) static correction
图 6 P-SV波静校正前(a)后(b)的共检波点叠加剖面 Fig. 6 P-SV common receiver stack section before (a) and after (b) static correction
图 7 静校正应用前(a)与应用后(b)的转换波速度谱对比 Fig. 7 P-SV velocity analysis before (a) and after (b) static correction

在此基础上,炮点、检波点剩余静校正量利用共炮点叠加和共检波点叠加的排齐法获得,图 8 为剩余静校正应用前后的共检波点叠加剖面,可以看出剩余静校正后反射波变得更加光滑.由于近地表横波速度极低,当采用中间放炮的野外观测方式时,对于同一检波点,不同方向炮点计算的检波点静校正量也有一定的差异,即存在所谓的静校不静问题,需要在前面处理基础上进行非地表一致性剩余静校正,即正、负偏移距数据分别计算剩余静校正并分开进行应用.

图 8 剩余静校正应用前(a)与应用后(b)的共检波点叠加剖面 Fig. 8 P-SV common receiver stack section before (a) and after (b) residual static correction

在对实际数据应用该横波静校正方法以后还进行了动校正和CCP叠加等后续处理,最终叠加效果(图 9)显示横波静校正问题已经得到很大程度的解决.

图 9 P-P()与P-SV(b)波最终成像对比 Fig. 9 P P (a) andP-SV (b) final stack section after static correction
4 认识与结论

对于转换波静校正处理,已经有很多静校正方法,但均存在不同程度的局限性.本文在初至时差静校正方法的基础上推导了更为准确的计算方法,并在苏里格气田的多波数据上进行了应用,取得了较为明显的效果.初至时差静校正方法非常适用于厚风化层覆盖区,该方法的主要特点在于:

(1) 同时求解长波长与短波长静校正量;

(2) 对纵波近地表模型依赖程度低,仅需要速度比等控制参数;

(3) 主要利用两分量初至时差信息,对资料信噪比依赖程度很低;

(4) 与地下构造复杂程度无关.

该方法主要适用于有较厚风化层的地区,而这些地区也往往是横波静校正量难以求取的地区.对于高速层出露区或无明显的低速层与高速层界面的地区,宜采用其他方法.

致谢

本文研究内容得到东方地球物理公司和长庆油田分公司的大力支持,在此表示衷心感谢!

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