2018, Vol. 61
2. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院, 地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;
3. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083;
4. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司物探技术研究中心, 河北涿州 072751
2. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Sinopec Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China;
4. Research and Development Center, BGP Inc., CNPC, Zhuozhou Hebei 072751, China
多分量地震勘探能够同时获得纵波与转换横波资料，既包含了地下的构造信息，又能反映裂缝等各向异性信息以及流体特性，因而有利于隐蔽油气藏与煤炭、煤层气的勘探精度的提高(张永刚等，2004；Lu et al., 2016).20世纪90年代中后期，海上转换波地震技术的发展使得多分量地震勘探进入了发展高峰期，并从方法研究阶段开始转入工业化试验、应用阶段(黄中玉，2001).在此过程中，国外一些科研机构，如英国地质调查局、加拿大Calgary大学与美国Colorado大学在多分量地震技术的理论研究、实际应用方面积累了一些成果与成功的经验，大大推动了多分量地震技术的工业化进程(Stewart et al., 2002, 2003；徐丽萍和杨勤勇，2002).
国内多分量地震技术也近乎同期发展着，从“七五”至“十三五”，多分量地震技术一直备受关注.石油公司联合高校、科研院所进行了大量技术攻关，胜利、大庆、开滦、淮南、塔河、新场、长庆等油田与煤炭企业相继开展了多分量地震试验与生产.多分量地震数据的采集、处理、解释反演等关键技术都有所突破，尤其是多分量成像技术进步更为显著.多分量成像是多分量地震技术成功应用的关键，也是将多波地震技术用于解决实际地质问题的纽带.近几年来，多分量地震勘探的成功，都与多分量成像技术的突破有着密切的联系.
与常规纵波的成像技术相对应，多分量地震成像技术基本也可以分为三大技术体系：水平叠加成像技术、叠前时间偏移技术与叠前深度偏移技术，每类技术体系都发展了与之相匹配的速度场建模技术(赵波等，2012).多分量地震成像的目标波场主要是反射纵波(PP波)与反射转换S波(PS波).在多分量成像中，PP波的成像沿用了常规的处理技术，但是PS波以P波模式下行并以S波模式上行，射线路径的不对称以及P与S波速度场建模的相互制约性，导致PS波的成像成为多分量地震数据成像的难点(Dai and Li, 2006).与PP波相比，PS波的走时表现出比PP波更难校正的非双曲特性，这也在很大程度上影响了PS波真实反射点的定位(Li and Yuan, 2003).本文将从三大技术体系发展的角度对多分量地震成像技术的现状进行概述，并总结其存在的问题以及下一步可能存在的突破点.
1 水平叠加成像在多分量水平叠加成像中，转换波的上、下行波的不对称性，使得常规基于共中心点(common middle point: CMP)道集的速度分析、动校正和叠加技术不能适用于转换波.转换波水平叠加成像的基础是抽取共转换点道集(common conversion point: CCP)，并用CCP道集进行动校正与叠加以及叠后偏移.目前，CCP道集的抽取主要采用了两类思路：(1)由炮检坐标映射地下的转换点；(2)由地表的网格节点映射地下的反射点.
1.1 由炮检坐标映射地下的转换点由炮检坐标映射地下的转换点的思路实现方法简单，在早期的多分量地震成像中应用较多.在均匀介质下，PS波的射线关系与CCP点的位置如图 1所示，根据Snell定律，得到转换点位置满足方程
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图 1 PS波射线路径 Fig. 1 Ray path of PS-wave |
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其中，z为转换点深度，xP与xS分别震源与检波点离转换点的水平距离，x为偏移距，vP与vS分别为纵、横波速度，γ为纵横波速度比(Tessmer and Behle, 1988; 许士勇和马在田，2002).
得到方程(1)的解析解需要求解一元四次方程，计算量较大，常用迭代法求解如下(李录明和罗省贤，1997)：
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其中上标n表示迭代次数.公式(2)的初值为
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当x/z较小时，初值为方程(1)的一阶近似，是PS波转换点的渐近线，如图 2的ACCP(Asymetotic common conversion point)线.此时公式(3)可以作为转换点位置的近似解来抽取CCP道集，一般也称为ACP道集.与常规纵波的CMP道集相似，转换波的ACP道集的抽取也比较简单，只需知道ACCP点的位置后，直接将炮集记录的整道移动到对应的ACP道集中即可.基于ACP道集的转换波成像技术目前被大多数的商业处理软件采用，如Promax等(Lu and Hall, 2003)，并在早期的转换波处理中得到广泛的应用.但是ACP道集成像方法的误差较大，目前仅用来获取转换波的初叠剖面.
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图 2 转换点轨迹 Fig. 2 Converted point trajectory |
当x/z较大时，如图 2，较浅处的PS波的转换点偏离ACCP线较远，并无限趋近检波点位置，此时ACP抽道集技术不再适用，可以采用如下近似公式计算浅层的转换点：
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获得转换波CCP道集后，再进行动校速度分析，动校正量为
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其中，tPS为偏移距x时PS波传播时间，t0PS为PS波垂直传播时间，且
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上式为PS波走时的双平方根方程，用其做速度分析可以得到纵横波速度比谱或者横波速度谱；然后用速度分析得到的速度比重新抽取相应的CCP道集，反复迭代至速度分析得到的速度比与抽CCP道集用到的速度比一致即可.
由于纵横波速度比是随着深度变化的，因此精确的抽CCP道集需要分层或分时窗进行.从浅到深，在滑动时窗内分别计算转换点坐标；再按层分选CCP道集、速度谱拾取，如此迭代至每层的速度比与抽CCP道集的速度比一致.层位时窗的大小对抽CCP道集也存在影响，分层过细会打碎波组关系，分层过粗则会使层之间的小层成像变差.从公式(1)—(6)可以看出，在由炮检坐标映射地下的转换点的CCP抽道集与速度分析过程中，有一些缺陷是难以避免的，主要有：
(1) 计算量较大.当纵横波速度比随深度递变时，分层处理会很难实现，此时需要根据速度模型逐样点计算转换点的位置，计算效率较低.
(2) 转换点的计算依赖纵横波速度比.当纵横波速度比不准时，会将误差传递到转换点的计算上.如图 3，真实纵横波速度比为2，偏移距为1000 m，转换点的计算采用了公式(3)，可以看出较小的纵横波速度比的误差会导致转换点位置计算误差较大.
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图 3 转换点计算误差随纵横波速度比误差变化曲线 真实纵横波速度比为2，偏移距1000 m，转换点计算采用公式(3). Fig. 3 Change curve of the calculation error along with the error of P to S velocity ratio The true P to S velocity ratio is 2, the offset is 1000m and the conversion point is calculated by equation 3. |
由炮检坐标映射地下的转换点的CCP道集抽取研究还发展了一些考虑各向异性因素的方法，如Thomsen的各向异性近似解(Thomsen, 1999)等.但是由于难以得到先验的各向异性模型，该方法始终未得到成功应用.
1.2 由地表的网格节点映射地下的反射点另一类由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术主要由Wang等(1994)提出，该方法不用计算反射点的位置，实施方便，容易改造成并行算法，在工业界得到广泛应用.由图 1，根据Snell定理可得
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该公式是精确成立的，可进一步变换得到
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所以，将输入道与输出道成像相结合，可采用并行算法，在不同的计算节点上布置不同的成像面元范围，如图 4a所示，黑色虚线圈定的范围为某个计算节点进行CCP道集抽取的面元范围；输入一道地震数据，获得其炮、检点信息，在ACCP点A与接收点R之间的剖面内PS波在不同深度存在转换点，该剖面与预置成像面元边界的交点标识为：1、2、3、4，这四个交点的坐标可根据观测系统信息进行求解.
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图 4 三维观测系统下转换波面元与反射深度映射示意图 黑色虚线框圈定的范围为预置的输出成像面元范围，灰色实线框内部为三维成像的单位面元，1、2、3依次为PS波的炮点与检波点的连线与预置输出成像面元边界的交点. (a)面元映射平面图; (b)面元映射剖面图. Fig. 4 Mapping of the imaging bin for PS-wave to the reflection depth under the 3D acquisition geometry system The area marked by the red dashed rectangle is the presetting output imaging bins. The black solid rectangles denote the whole 3D imaging bins. The numbers 1, 2 and 3 denote the crossing points of the source-receiver line of the PS-wave with the edges of the presetting imaging bins. (a) Bin mapping plane graph; (b) Bin mapping profile. |
以交点2为例，震源点S与交点2的距离为xP，SR之间的距离为x，通过公式(8)可计算转换点深度z；利用深度域的纵波速度谱与速度比谱，便可以利用下式计算转换点为交点2对应的转换波的反射时间：
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用同样方法可以求出交点1、3、4对应的转换波反射时间tc1、tc3、tc4.从图 4a可以看出面元的映射关系是
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从上式可见，该方法进行CCP道集抽取可以实现地震道逐段“搬家”，计算效率较高.
Wang等(1994)给出该CCP抽道集方法中深度域纵波速度谱与速度比谱的求解方法.不同于深度域偏移中的层速度，该CCP抽道集方法中深度域纵波速度谱与速度比谱是通过将时间域的均方根速度进行时深转换得到.具体步骤是：第一步，将常规纵波处理得到的P波均方根速度通过Dix公式时深转换，得到深度域的均方根P波速度模型，同时设定一个常纵横波速度比模型，在此基础上抽取CCP道集，通过速度分析得到等效C波(converted-wave)速度；第二步，将转换波T0时间域的等效C波速度模型通过Dix公式进行时深转换，得到深度域的等效C波速度模型，并与深度域的均方根换算出纵横波均方根速度比；第三步，利用更新的深度域纵横波均方根速度比模型重新抽取转换波CCP道集，进行精确CCP道集的抽取.
由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术可以从成像面元反推地下的反射点，一次性将一道数据映射到不同的成像面元，易于采用并行算法，而且CCP道集抽取过程中没有公式近似误差，效率与精度都得到提高.Wang等(1994)基于物理模型数据对这种由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术的精度与效果进行了验证，并指出该方法应用的限制条件：地层由浅至深的纵横波均方根速度比是缓变的.在一些地震地质条件较为复杂的区域，如山西的和顺与武乡煤层气区块，因古风化作用，在新生界底部存在较厚的低速层，导致纵横波的均方根速度以及纵横波均方根速度比均存在较为剧烈的突变和速度倒转.此时，由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术将无法适用.但是，大多数的沉积地层的地震地质条件下都能满足要求，因此由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术也成为工业界常用的转换波水平叠加技术.目前，中石化勘探开发研究院的Petro-MCS 2.0系统以及中海油研究总院的Elastic Wave Imaging系统均采用了该CCP道集抽取技术进行转换波的水平叠加成像，并进行了工业化应用.如图 5为来自中石化塔河某区块的三分量水平叠加剖面，转换波成像采用了由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术，可以看出R、T分量的转换波水平叠加获得了与纵波质量相当的成像结果.
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图 5 中石化塔河某区块的三分量水平叠加剖面 转换波成像采用了由地表的网格节点映射地下的反射点的CCP道集抽取技术. (a) Z分量CMP叠加剖面；(b) R分量CCP叠加剖面；(c) T分量CCP叠加剖面. Fig. 5 Three-component horizontal stacking sections from the Tahe area of Sinopec The converted-wave CCP imaging adopts the mapping of the surface grids to the subsurface conversion points. (a) Z-component CMP section; (b) R-component CCP section; (c) T-component CCP section. |
在转换波水平叠加剖面上可以采用常规纵波的方法进行叠后偏移，此处本文不再赘述.转换波水平叠加技术方法原理简单、容易实现，但是却有着与纵波CMP叠加类似的缺陷，即假设地下反射面是水平的或近似水平.当地下反射面存在倾角时，尤其大倾角时抽取的CCP点存在明显的误差，造成CCP道集的叠加不能同相叠加成像或成像不精确，所以适用于倾斜地层的抽CCP道集技术也是急需发展的.姚陈等(2005)提出的倾斜地层CCP抽道集技术将转换波DMO与水平叠加进行了融合，有效的解决了倾斜地层的转换点归位问题.于光明和姚陈(2007)成功将倾斜地层抽CCP道集技术应用于实际数据，并得到了更加精确的转换波成像剖面.但是该方法只对单倾斜地层有效；当存在多个倾斜地层或者地层的组合更加复杂时，该方法尚需要进一步发展.纵然如此，我们认为下一步转换波水平叠加技术的突破点依旧在多倾斜地层CCP抽道集以及与之匹配的DMO速度分析方面.
2 叠前时间偏移技术多分量叠前时间偏移技术以Kirchhoff积分为核心，发展的历程不长，但是现在已发展到各向同性和各向异性两种偏移方法，并且国内的石油部门都研发了自主知识产权的应用软件.转换波各向同性偏移方法主要有：双平方根方程Kirchhoff积分偏移(刘文卿，2007)，等效偏移距法(EOM)(Bancroft and Wang, 1994)，虚拟偏移距法(POM)(Wang and Pham, 2001, 2002)等，并且在速度场建模方面取得了重大突破.其中，双平方根方程Kirchhoff积分偏移在中石油勘探开发研究院西北分院以及中海油研究总院均已实现了工业化应用，该方法采用纵横波速度比扫描的方法获得转换波的共成像点道集，并进行速度分析，获得转换波等效均方根速度后，换算成均方根速度比模型，然后直接用转换波的双平方根旅行时方程进行Kirchhoff积分偏移.该方法建立速度比模型的精度很高，偏移效果较好，但是由于速度建模时采用了扫描法，计算量大，需要强大的并行计算集群作为依托.EOM方法与POM方法的基础都是通过构建转换波共散射点(Common scattered point: CSP)道集进行速度场的建模，对初始速度的依赖程度低，迭代次数少，是一种高效的转换波时间偏移建模技术，得到了更为广泛应用.POM方法与EOM方法相比，POM构建的CSP道集不但偏移距是等效的，炮点与检波点需要移位至虚拟炮点与检波点的位置，并且是下行波与上行波的射线参数一致.实际应用效果表明POM与EOM的效果是非常接近的.
2.1 EOM方法如图 6所示，S为震源，R为接收点，M为中心点，O为成像点C在地表的投影，E为等效偏移距点，C点深度为z，x为OM距离，h为半个SR之间距离，SCR之间的走时t与SC之间的走时ts，以及CR之间的走时tr之间满足
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图 6 CSP道集映射示意图 Fig. 6 Sketch map of CSP gather mapping |
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Bancroft和Wang(1994)的研究表明，一定存在一个等效的转换波偏移速度vc，使得
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其中，he为等效偏移距OE之间距离.由上式可以得到
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通过上式可以将输入道的第i时刻的采样点等时映射到以O点为中心、OE为等效偏移距的CSP道集中，并且CSP道集中转换波的同相轴时距曲线为满足单平方根方程的双曲线.
CSP道集映射的精度受速度误差、各向异性以及地层黏弹性的影响低，误差较大的初始模型依旧能够获得成像质量较好的CSP道集.所以利用CSP道集进行转换波偏移速度场建模是稳定的，而且迭代次数少；另外，CSP道集也可以用来对转换波进行直接成像(Wang et al., 2012a).图 7为中石化西南某工区R分量的CSP道集，可见抗噪性较强.图 8为CSP道集与CCP道集叠加剖面的对比，可以看出两者波场对应很好，CSP道集叠加剖面的信噪比更高，两者成像方法主频也相当.由此可见，CSP道集成像虽然在叠加时没有依赖纵波信息，但是依然能够让转换波波场较好成像.
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图 7 中石化西南某工区R分量的CSP道集示意图 Fig. 7 R-component CSP gather fromthe Southwest area of Sinopec |
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图 8 中石化西南某工区R分量的CSP道集偏移与CCP叠加成像结果对比 (a1) R分量CCP叠加剖面；(a2) R分量CSP叠加剖面；(b1) R分量CCP叠加剖面频谱；(b2) R分量CSP叠加剖面频谱. Fig. 8 R-component comparison of CSP migration and CCP stacking fromthe Southwest area of Sinopec (a1) R-component CCP stacking section; (a2) R-component CSP migration section; (b1) Frequency spectrum of R-component CCP stacking section; (b2) Frequency spectrum of R-component CSP migration section. |
当偏移距较大时，各向同性偏移对于多分量成像来说精度不能满足勘探的需求.当地震波在地球介质中传播时，吸收衰减会导致P波与S波表现为明显的长波长各向异性；尤其是沉积岩系在地震学中经常被看作一种具有垂直对称轴的横向各向同性介质，即VTI介质(Backus，1962；Berryman，1979).转换波在VTI介质中的时间偏移成像受到广泛的关注，也成为近十年来多分量地震成像获得突破的关键点.
Thomsen(1999)较早研究转换波的VTI介质各向异性偏移成像，并提出了转换波非双曲时距曲线公式：
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其中，
Li和Yuan(2003)提出了一个新的转换波时距曲线公式，其形式与公式(14)相似，但是给出了不同于Thomsen的A4、A5的定义.广义上的A4、A5可以写为：
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其中，VPh是纵波水平方向的速度，ηeff与ξeff分别为P、S波各向异性参数.
经过Li和Yuan(2003)的改进后，转换波叠前时间偏移能够将偏移距与成像深度比达到2的排列范围很好成像，但是在更大偏移距位置处的拟合仍然有较大偏差.针对此问题，Dai和Li(2007a, 2007b)提出能适用于大偏移距的双平方根方程:
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Dai和Li(2007a, 2007b)采用反动校正CIP道集进行速度分析(简称Dai-Li方法)，并将偏移距分成三个部分进行速度场建模：在近偏移距进行传统的均方根速度分析，求解等效C波速度；用中等偏移距分析纵横波速度比，远偏移距反演各向异性参数.Dai-Li方法能够把成像的偏移距与深度比值扩大到3，大大提高了转换波的成像质量.
Dai-Li方法在国际上得到重视，并被各大地球物理服务公司采纳，例如在CGG-Veritas等商业处理软件中得到移植(Miao and Zuk, 2007).Dai-Li方法同时也被移植到中石油的GeoEast V3.0处理系统中，在国内的石油多分量地震成像中发挥了重要作用.但是，Dai-Li方法分析纵横波偏移速度与各向异性参数需要将速度谱拾取交互面板扩展成为三个，交互操作的效率低下，对硬件的要求较高，需要进行多次迭代.为了提高Dai-Li方法的效率，中石化石油勘探开发研究院将CPU与GPU协同技术引入到转换波各向异性叠前时间偏移速度分析中，如图 9所示，提高了Dai-Li方法的工业化应用程度(黄中玉等，2009).
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图 9 Petro-MCS 2.0的转换波速度分析界面 Fig. 9 Interactive interface of Petro-MCS 2.0 for converted-wave velocity analysis |
为了在减少转换波速度建模的迭代次数，提高效率，国内外学者均考虑采用更加便利的方法对转换波的偏移速度与各向异性参数进行建模.Miao和Zuk(2007)在Dai-Li方法的基础上进行了改进，提出了不依赖纵波的转换波速度分析方法.杨震等(2015)在Alkhalifah等(Alkhalifa and Tsvankin, 1995; Alkhalifa et al., 1996; Alkhalifa, 1997)提出的PP波与SS波弱各向异性假设的非双曲时差曲线方成的基础上提出了新的双平方根转换波时距曲线方程：
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其中，t0P、t0S分别是零偏移距P波与S波的单程走时，xP与xS分别是震源与检波点到成像点的水平距离，VP与VS是S波的NMO速度，ηP与ηS分别是P波与S波速度的各向异性参数，θP与θS分别是P波入射角与S波出射角.该方程也可以将转换波有效动校正的偏移距与深度的比值扩展到3，有望在多分量偏移速度建模中得到突破.
总体上看，虽然转换波比纵波频率低、衰减快、信噪比更低，但是成熟的多分量叠前时间偏移技术依旧能够为实际地震勘探提供更多的可靠信息，主要体现在以下几点：
(1) 三分量偏移可以提供大量超越单一纵波的剖面信息.三分量中的Z分量可以达到常规纵波的构造成像目的，同时水平分量的成像又能弥补纵波成像的不足.如青海三湖疏松砂岩储层，纵波在气云带不成像，但是转换波却获得较好的成像效果(赵邦六，2008).在塔河沙48井区，转换波叠前时间偏移辅助识别了很多纵波剖面上不明显的碳酸盐岩储层的缝洞(邢占涛，2014；陈华，2015).在煤田领域，如开滦钱家营煤矿、淮南顾桥煤矿等，转换波偏移剖面帮助识别了大量纵波剖面没能识别的小构造(邢春颖等，2004；石瑛，2008).
(2) 转换波时间偏移剖面有利于后续裂缝的识别与储层的预测.如中石化西南某工区的致密砂岩储层、罗家泥岩裂缝储层等，利用水平分量偏移剖面的角度扫描，获得了可靠的裂缝信息(蔡希源等，2010).在胜利油田的垦71区块，多分量叠前时间偏移也为后续的速度比、弹性阻抗、多波动力学信息的解释提供了保障，并提高了剩余油预测的精度(石建新等，2006).
(3) 三分量偏移更加有利于深层介质的成像.中石化西南某工区主力气层为须家河组二段，埋深达5000 m；塔河的奥陶系灰岩缝洞储层深度超过了6000 m.对于这些深部储层，纵波与转换波的主频的差异比浅层小很多，转换波成像的质量以及携带动力学信息的能力将与纵波接近(图 5).
转换波叠前时间偏移技术的发展成熟，标志着多分量地震数据处理已经获得了里程碑的进步，并且已经在石油工业界发挥了重大作用.同时，在与之配套的多分量叠前时间偏移处理软件的研发方面，国内发展水平已经超越了国外.中石化石油勘探开发研究院多分量处理系统Petro-MCS 2.0，是一个完全以三分量地震数据结构为目标进行架构的数据处理软件系统，其中多分量叠前各向异性时间偏移技术是其核心.2012年，中石油东方地球物理公司在GeoEast软件系统架构基础上推出了MC多分量处理子系统，2016年升级至3.0版本，包括了相对完善的多分量转换波静校正、各向同性与各向异性叠前时间偏移技术与成像软件.北京多分量地震技术研究院与多波多分量研究组(MWMC)联合研发的MCPS 4.0软件系统是国内首个完全采用矢量处理技术的多分量成像系统，具备了功能完善的多波速度分析与各向异性参数反演功能.2015年，中海油研究总院研发了专门的多分量偏移速度建模与成像软件，可以基于集群并行系统进行多波速度场的高效扫描建模.然而，国际上的其他地球物理服务公司的软件系统基本上都是以单分量纵波软件系统为基础架构，在其上加入了一些转换波的偏移工具.所以，近十年来的大型多分量地震勘探生产区块都出现在中国.
虽然转换波成像技术得到长足的进步，实际应用能力也得到很大的提升，但是在实际应用领域，人们依旧发现了很多问题亟待解决，最主要的三个问题如下：
(1) 多分量时间偏移得到的PP波剖面与PS波剖面在同一地质构造的形态特征不能完全匹配，甚至发生了断层的横向偏离；
(2) 在转换波T0时间域成像的剖面具有较低的分辨率；
(3) 多波剖面的保幅性依旧难以保证.
为了解决这三个问题，其中有一些尖端技术仍在研究测试中，如层匹配多波偏移成像技术与时间域矢量偏移技术.层匹配多波偏移成像技术的关键是在纵波T0时或者深度作为纵坐标进行纵波偏移速度以及纵横波偏移速度比建模.纵波偏移速度建模可采用常规处理系统完成，纵横波偏移速度比建模之前需要先完成转换波的等效偏移速度建模.为了提高建模的精度，转换波等效偏移速度建模应不依赖任何纵波信息，避免纵波偏移速度建模过程中的误差传递.
层匹配多波偏移的速度建模将多波剖面的层位解释与速度模型的建立融合在一起，先通过叠前时间偏移得到纵波T0时间域的纵波剖面以及转换波T0时间域的转换波剖面，然后在两者剖面上进行匹配层位的拾取，获得纵横波速度比的初始模型.如图 10所示，Petro-MCS 2.0提供了基于纵横波剖面的层位匹配交互模块，可以为建立的纵横波速度比模型进行质量监控.该过程可以在井约束下实施，以提高初始模型的精度.基于多波层位解释得到的纵横波速度比初始模型，将纵波与转换波同时在纵波时间域内抽取成像道集，通过速度分析进一步提高纵横波速度比模型的精度.最后，同时在纵波时间域内偏移纵波与转换波，以得到层位相互匹配的多波剖面，并直接用来进行后续的多波对比解释与属性的提取，无需在解释中再进行转换波层位的压缩.
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图 10 Petro-MCS 2.0的纵横波速度比解释界面 左：PS波剖面；中：拾取的纵横波速度比；右：PP波剖面. Fig. 10 Interactive interface of Petro-MCS 2.0 for P to S velocity ratio interpretation Left: PS-wave section; middle: pick-up P to S velocity ratio; right: PP-wave section. |
层匹配多波偏移将多波的层位解释与压缩提到偏移的前面来完成，在偏移过程中考虑子波整形、频率匹配、振幅和极性等方面的问题，工作量比常规叠前时间偏移多出很多，但是降低了后续多波地震解释的难度.从整体上看，层匹配多波偏移是一种由地质目标驱动的偏移技术，建立了多波偏移技术与地质解释之间的桥梁，受到了石油工业界密切关注.中石化石油勘探开发研究院的多波重点实验室将DIW(Dynamic image warping，动态图像规整)技术引入到层匹配多波偏移速度建模中，从图形学的角度使得纵波与转换波实现自动匹配，省去了大量的层位拾取的人工交互工作，提高了层匹配多波偏移的精度(Dave, 2013).如图 11为中石化西南某区块基于DIW的层匹配多波偏移剖面，纵波与转换波均在纵波T0时间域内匹配成像，可以看出各目的层的PP波与PS波波场对应良好，构造以及层位关系对应较好.
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图 11 中石化西南某区块基于DIW的层匹配多波偏移剖面 (a) PS波; (b) PP波. Fig. 11 Layer matched multi-component migration sections based on DIW from the Southwest area of Sinopec |
多分量叠前深度偏移能够适应更为复杂的地质情况，利用地层深度的唯一性特点对转换波在深度域进行成像，有利于提高成像的精度，也有利于后续的多波解释与反演.基于声学理论，纵波的叠前深度偏移技术稍加改造，均可用于转换波的偏移.但是，由于受限于多分量深度域建模技术，横波层速度的深度域建模一直都是个难题；对于转换波来说，纵波深度域层速度模型的误差会传递给转换波的深度偏移，这也导致了目前很少能够看到高质量的实际数据的转换波深度剖面.虽然，转换波的深度偏移尚存在较大的问题，但是近几年的发展也是显而易见的，具有代表性的方法有基于射线理论的深度偏移以及波场延拓方法.
3.1 基于射线理论的多分量深度偏移与传统纵波Kirchhoff积分偏移相比，多分量Kirchhoff积分深度偏移涉及P与S波射线追踪两个部分.多分量Kirchhoff积分深度偏移一般从成像面元出发，分别向地表进行P与S波路径的逆向追踪.对于PP波成像来说，基于P波走时表，根据目标面元匹配全部的入射波与反射波路径，并将对应PP波的波场归位到目标面元上.PS波成像的方法与PP波类似，不同之处在于PS波的下行波用P波走时表，而上行波用S波走时表，并定位目标面元对应的PS波射线路径，对PS波的波场进行归位.多分量Kirchhoff积分深度偏移由于实施过程简单，易于并行实现，已经成为主要的多分量叠前深度偏移技术.东方地球物理公司的GeoEast V3.0系统已经推出具有工业化应用能力的多分量Kirchhoff积分深度偏移模块，并在青海三湖区块进行了生产应用.中石化西南分公司勘探开发研究院研发了多分量Kirchhoff积分深度偏移软件包，并在多个区块进行了试应用.如图 12为中石化西南某工区Kirchhoff叠前深度偏移剖面，可见各目的层波场反射对应较好，尤其在新851井钻遇的背斜位置，三分量波场的构造形态一致.
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图 12 中石化西南某工区Kirchhoff叠前深度偏移剖面 黑色竖线表示新851井的轨迹. (a) Z分量; (b) R分量; (c) T分量. Fig. 12 Prestack depth migration sections from the Southwest area of Sinopec The black vertical lines denote Xin851 well trajectory. |
Kirchhoff积分偏移的基础是纵波与横波的运动学射线追踪.而运动学射线追踪是一种高频近似法，能量全部集中在射线上，射线周围没有能量分布，而且在传播过程中没有发散，只会在有射线出射的检波点面元位置可以接收到信号，所以想得到稳定连续的地震记录，需要足够密集的射线条数，使得每一个接收点面元内都有射线出射.而高斯射线束射线追踪在传播过程中沿垂直于中心射线方向有能量分布，中心射线出射地表时不仅在出射点能接收到信号，周围检波点同样可以接收到信号.利用高斯射线束方法进行动力学射线追踪时，只需要出射适当的几条中心射线束，就可以覆盖整个反射界面，使得每一个检波点都会接收到地震信号，获得稳定的地震波场(Han et al., 2013a, 2013b, and 2014).图 13分别为PSV波传统Kirchhoff积分偏移及与高斯束偏移结果的对比，多波高斯束偏移均获得了更好的成像结果，且弯曲界面成像准确，层位清晰；尤其在红色椭圆框标识的位置，高斯束偏移成像噪声更小.
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图 13 PSV波叠前深度偏移剖面 (a) Kirchhoff偏移；(b)高斯束偏移. Fig. 13 Prestack depth migration sections of PSV-waves (a) Kirchhoff migration; (b) Gauss-bean migration. |
基于波场延拓理论的纵波叠前深度偏移技术已经发展成熟，在复杂构造成像中表现出比Kirchhoff积分偏移更高的精度.波场延拓理论包括双程波延拓与单程波延拓两套体系.单程波延拓方法由于计算效率相对较高，成为三维多分量地震数据叠前深度偏移研究的主要方法，并且已经发展到各向异性偏移(Pedersen et al., 2010).单程波波场延拓方法将波场分解为下行波与上行波波场两个部分，分别用纵波速度模型与横波速度模型进行转换波的叠前深度偏移.Xie和Wu(2005)用单程波弹性广义屏算子实现了多分量叠前深度偏移.Nolte(2005)研究了VTI介质中转换波的傅里叶有限差分偏移方法.李录明和罗省贤(1998, 2005)将相移法应用于多分量叠前深度偏移中，并获得了较好的实际数据应用效果.
目前双程波波场延拓的主要方法是逆时偏移，避免了传统单程波偏移中的角度限制，可以适用于更加复杂的速度结构.Chang和McMechan(1987)较早实现了Z、X两分量地震数据的有限差分逆时偏移，并应用于实际数据.底青云和王妙月(1997)研究了弹性波长的有限元逆时偏移技术.张美根与王妙月(2001)将弹性波有限元逆时偏移技术发展到各向异性.Sun等(2006)将弹性波的波场延拓拆解成散度(标量)与旋度(矢量)两个部分，纵波采用散度部分逆时成像，横波采用将矢量场转换为标量场的方式进行逆时成像.何兵寿和张会星(2006)从矢量波场的角度研究了多分量逆时偏移算法.Du等(2012, 2014, 2017)对弹性波波场进行了分解，并对转换波的极性进行了校正，提高了转换波以及横波的逆时偏移效果.毕丽飞等(2015)将高斯束方法与逆时偏移进行了结合，获得较好的实际应用结果.Duan和Sava(2015)对转换波的极性进行了一致性处理，构建了标量成像条件进行转换波的逆时偏移.Wang等(2016)研究了各向同性以及各向异性介质中的波场分解方法，并用于弹性波的逆时偏移.Feng和Schuster(2017)用弹性波最小二乘逆时偏移反演了纵横波阻抗.多分量逆时偏移需要庞大的内存以及计算量，现有研究主要针对理论模型；但是，随着计算机技术的进步，GPU加速技术使得逆时偏移算法的计算效率大大提高，也推动了多分量逆时偏移应用的进程.
3.3 矢量偏移现有的多分量深度域偏移成像方法大多数是以标量波场理论为基础，其中多分量逆时偏移虽然考虑了地震波场的矢量特性，但是最终成像时将矢量场进行了标量化处理.由于地下介质的方位各向异性是广泛存在的，多分量地震勘探研究的波场是来自方位各向异性介质的矢量波场，而标量波场理论无法用来描述介质的各向异性特性，所以基于标量场理论的偏移方法将不利于后续提取高精度的岩性、物性以及各向异性信息(Crampin, 1981, 1985).
在三分量地震勘探中，有一个基本假设：浅层低速带的存在导致纵波主要被垂直分量接收、横波则主要被水平分量接收.三分量偏移成像时，常常用Z分量当成P波处理、X分量(或者R分量)当成SV波处理.所以，现有的多分量偏移成像技术大多是基于两分量数据的，另一个水平分量Y分量(或者T分量)被当成SH波，直接套用了SV波的处理流程.标量偏移技术没有考虑地震波的矢量振幅特征，直接基于声学理论对波场进行成像.与标量偏移不同，矢量偏移技术强调矢量场参与偏移，而不是单一分量或单一波的独立偏移，共有两种实现方法：1)三分量波场同时偏移，在偏移中利用散度和旋度的分解实现波场的分离，输出纯P、S1、S2波剖面；2)先在叠前进行矢量P、S1、S2的分离，并恢复各自波场的矢量振幅，再分别对三个波场进行偏移.
矢量偏移技术首先由Kuo和Dai(1984)年提出，用于两分量数据的同时深度域成像.Kuo的方法经过改造后能够实现X、Y、Z三个分量数据的同时偏移(Dai and Kuo, 1986)，这项技术在胜利、轮南、汪家屯的多分量转换波地震勘探中得到很好的应用(秦福浩等，1988)，但是该偏移方法针对的波场是P、SV、SH波，但是没有考虑到更为复杂的各向异性，如裂缝问题.在偏移过程中实现三分量地震数据的矢量分离对速度模型的依赖很大，但是由于矢量波场的混杂，利用没有进行波场分离的三分量数据进行速度建模会导致很大的误差.目前，矢量偏移技术考虑的是在叠前先将P、S1、S2波分离，然后利用真振幅的单波波场进行偏移速度建模与成像.Lu等(2012)提出了采用仿射坐标系旋转变换法合成真振幅的纵波与转换波，为矢量偏移技术的突破提供了可能性.
3.4 多分量深度偏移速度建模与纵波叠前深度偏移速度建模相比，转换波深度偏移速度建模的研究相对落后，目前尚没有形成具有工业化应用标准的软件包.现有的转换波深度偏移速度建模技术基本上是从纵波技术的基础上发展起来的，主要包括：剩余曲率法以及角度域分析法.
剩余曲率法通过叠前深度偏移获得偏移距域的共成像点道集，通过剩余曲率分析来更新速度场.李录明(1998)发展了相移法转换波叠前深度偏移速度建模技术.Rosales等(2002)研究了基于Stolt偏移的剩余曲率分析法建立转换波的深度域速度模型.韩建光等(2013)研究了基于弹性波Kirchhoff积分偏移的剩余曲率速度分析方法.一般来说，当地质模型不复杂时，偏移距域的剩余曲率法能够满足转换波偏移速度建模的精度要求；但是，当地质模型较为复杂时，偏移距域的剩余曲率法会在多路径情况下产生假象，而角度域的共成像点道集则能克服该问题.Sava和Fomel(2005)利用转换波伪角度域共成像点道集进行速度分析.Rosales等(2008)采用波动方程偏移提取转换波角度域共成像点道集.杜启振等(2011)发展了角度域多波深度偏移速度建模方法，在模型数据上获得了较好的效果.
另外，也有一些学者尝试通过多分量地震数据全波形反演的技术获得多波深度偏移速度模型.但是，该技术并没有实现预期的期望值，也未能发展出成熟的建模技术.从整体上看，多分量深度偏移速度建模技术目前依旧是个瓶颈，未能对深度偏移起到很好的支撑作用.
4 讨论与结论目前，多分量成像技术发展迅速，大大推动了多分量地震技术的工业化进程.与国外相比，中国的能源产业部门更加重视多分量成像技术的发展.尤其是在成像软件研发方面，中国的科研机构与石油公司推出了专门针对多分量地震数据成像的软件系统，而国外的商业化地震处理系统由于不愿意放弃发展多年的常规纵波处理系统，仅仅是在常规纵波处理软件的基础上，增加了几个针对多分量处理的模块，这也限制了多分量地震技术在国外的发展.
中国与国外不同，国外的石油公司，如BP、壳牌等，一般更看重勘探条件简单的油气藏.而中国的油气田勘探条件复杂，很多老油田已经进入勘探的中后期，勘探目标也转向剩余油、非常规油气藏以及深部油气藏等勘探难度较大的油气藏.针对这些勘探目标，多分量地震技术表现出的优势更加明显，这也使得多分量地震技术在中国具有广阔的应用前景.所以多分量成像的研究依旧具有很大的扩展空间.
在多分量成像技术研究领域，各向异性偏移技术成为过去十年国际地球物理勘探届最为令人瞩目的成果之一.但是针对裂缝介质的多分量偏移技术目前尚没有很好的成果，目前的对策是在不同的方位角区间里进行等效处理，并对裂缝介质引发的HTI效应进行补偿.该方法没有在偏移中考虑裂缝介质及其填充物引发的地震波矢量振幅的变化，导致后续地质解释的误差.所以我们认为，未来十年多分量成像技术的前沿阵地在于HTI与VTI效应叠合的多波矢量偏移技术，包括时间域与深度域的偏移.
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