地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 769-775   PDF    
层析建模技术在库车坳陷东秋山地区静校正应用探索
秦自耕1,2, 李子轩3, 庹先国1,4, 李怀良4, 杜小龙2    
1. 成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室, 成都 610059;
2. 中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司, 成都 610213;
3. 中石油西南油气田川中气矿, 遂宁 62900;
4. 西南科技大学, 绵阳 621010
摘要:地震走时层析建模技术是解决复杂近地表模型速度建模问题的重要技术.该方法是一种迭代反演方法, 在地震反演过程中需反复计算地震射线走时.本文采用交互初至拾取方法, 通过层析反演出近地表模型, 对比分析了走时层析反演表层模型与野外表层模型差别, 从而引入了控制点成果约束的层析反演综合建模技术.最终将野外调查成果同走时层析反演建模结合起来, 运用非线性走时层析反演技术, 通过可视图片、数据、曲线的比较, 得出如下结论:在速度纵横向变化大的复杂地区, 通过野外资料与室内处理信息交互约束, 可以为建立符合实际情况的近地表模型奠定基础, 进一步为地震采集资料静校正处理方法的确定和叠加剖面品质提高创造了条件.
关键词走时层析反演     交互初至拾取     控制点约束     静校正    
Application of chromatography modeling techniques in the Kuqa depression statics exploration area east Akiyama
QIN Zi-geng1,2, LI Zi-xuan3, TUO Xian-guo1,4, LI Huai-liang4, DU Xiao-long2    
1. Key Laboratory of Earth Exploration and Information Technology, Ministry of Education, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
2. GeophysicalProspectingCompanyofChuanqingDrillingEngineeringCo, Ltd., CNPC, Chengdu 610213, China;
3. PetroChina Southwest Oil and Gas Field Branch Sichuan Gas Field, Suining 629000, Chaina;
4. Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China
Abstract: Seismic travel-time tomography method is an important technique which is used to reconstruct complex near-surface velocity models. This is an iterative inversion method, whose process requires repeated calculations of seismic ray travel-time. In this paper, we adopt the interactive beginning method to pick up, show the near-surface model by omega system, compare and analysis the travel-time tomography inversion of surface layer model and field surface model difference. Thus we introduce the achievements of control point constraints of tomographic inversion modeling technology. In the back of the article, we put the field investigation results combined with travel time tomography inversion modeling and use non-linear travel-time tomography inversion technique. Our experiments have compared the visual image, data, curves, the following conclusion: in complex areas of variation in the speed vertical and horizontal, this method that the field data and indoor processing information interaction constraints can lay the foundation for near-surface model in line with the actual situation, this method can also be static correction of seismic acquisition data processing method of determination and the quality of stack section increase created the conditions.
Key words: travel-time tomography inversion     interaction to pick up     control point constraint     statics correction    
 0 引 言

随着地震勘探的深入发展,目前容易勘探和开发的区域很少,主要勘探任务转向了地表条件越来越复杂的区域(熊定钰,2012).这些复杂地区地形起伏大,表层岩性变化非常剧烈,低降速带厚度变化大,激发和接收条件复杂,近地表条件千差万别,导致地震反射资料不能准确成像,而且会造成扭曲的假构造.因此复杂地震勘探地区的静校正量的准确求取显得尤为重要,同时表层速度问题亟待解决.层析反演建模技术在国内外已得到广泛的研究应用(卢回忆等,2013秦宁等,2013),在国外有地面二维、三维资料透射波层析,直射线反射波加透射波层析等方法;国内主要包含有反射波层析、折射波层析、初至波层析等方法.这些富有成效的工作将我国的地震层析建模技术推到了一个新的阶段(陈国金等,2006潘兴祥等,2013范建柯,2014).层析反演建模由于其具有很好的适应介质的横向或纵向变速,可利用直达波、折射波、回折波和透射波等不同类型的初至信息,是近地表建模的常用方法.

塔里木库车坳陷东秋山地区由于地层的各向异性特征突出,该区多年的地震勘探表层建模实践表明:无论是通过野外专门的控制点调查资料建模,还是利用单炮记录的初至时间(折射、反射)层析反演建模技术,由此提供的静校正量对改善复杂山地处理成像的品质都各有优缺点,问题的关键还是反演模型和实际地质情况的吻合程度不高,能否将两种建模技术有机联合,是本文要讨论的主要内容.

1 走时层析反演建模技术

地震走时层析反演建模技术是针对复杂地区的静校正提出来的一种解决近地表速度建模问题的迭代反演方法(2010,井西丽;卢回忆等,2013).当低降速带速度和特征厚度纵横向变化剧烈时,地震的初至时间(直达波、折射波等)不能用简单的距离和时间关系表达,可通过将近地表划分为若干速度单元,假定高密度单元内速度为恒值,依据非线性走时方程(公式1)反演出近地表速度结构公式为

其中l:排列长度;x:炮检距;Z深度.公式1是一个非线性函数,将给定的初始模型线性化可得到

此式就是波形走时的折射成像矩阵,这里f0=f0(p0),是通过模型p0得到的走时向量,J l是m×n维的雅克比矩阵,Δ p 是模型参数的扰动向量.

设实际观测的走时t0与模型计算的走时tc之差为Δ t,将Δt按泰勒级数展开,忽略高次项,写成矩阵形式为

为了得到准确的近地表速度模型,需要进行多次迭代运算,直到结果满足收敛条件为止.

在以前研究方法成果的基础上(魏嘉,2007),通过采集数据的运算实践,总结出走时层析反演建模实现过程如图 1所示:

图 1 走时层析反演结构框图Fig. 1 Travel-time tomography inversion structure diagram

地震走时反演法实现建立激发点与检波点之间的介质特征时,需要两个关键数据:一是静校正模型深度在100 m以内,必须有近炮点附近的数据,在与深度相当的炮检距内,数据越多,反演精度越高;二是复杂山地初至时间拾取的质量.

第一个关键数据经常会由于施工设计中道距固定,无法改变,在此不作纵深研究.

第二个关键参数,在单道工作品质相同的条件下,可采用人工或自动拾取.以库车坳陷东秋山地区采集项目为例,对其DQ05-190线的单炮,如果采用人工拾取,其结果精度高,但耗时长;如果采用能量比法进行计算机自动拾取,由于该线地形起伏剧烈、近地表结构复杂,大炮初至极其不规则,部分地段拾取的初至不准确(图 2).因此,采用了交互初至约束拾取,达到理想效果.实践证明该方法是符合靶区特点的有效方法之一.

图 2 单炮初至自动拾取Fig. 2 Single shot early map to automatically pick

利用拾取的初至,按照图 1所示流程,经反演得出该测线的近地表模型,如图 3所示.

图 3 DQ05-190线层析反演模型Fig. 3 Tomographic inversion model of DQ05-190 line

为验证反演模型的精度,将反演模型与控制点进行对比.表 1列出了两种方法的表层结构速度值和厚度值,可以直观对比走时层析反演表层模型与野外表层模型差别.

结合地质横剖面反演模型和内插模型对比如图 4所示,可以看出:山体段、戈壁段厚度差异很小,反映的近地表速度厚度结构趋势是相同的.在相同的山前两翼地段都出现了低速堆积带;在山前两翼的冲积区速度差异比较大,主要原因是采用控制点成果建立测线模型时,模型取的是各岩层段的平均高速度,不能准确反演横向速度的变化(2012,张兵;2014,桑运云).

图 4 反演模型和内插模型对比图Fig. 4 Inversion model and interpolation model comparison diagram
2 控制点成果约束的层析反演综合建模技术

由于控制点建模和层析反演建模有自己的优势,因算法不同反演模型可能会存在一些差异.在层析反演结果的基础上(图 3),我们尝试在走时层析法下确定如下约束条件:①该线两翼山前砾石段的控制点表层调查数据厚度阀值,②确立划分的地下网格单元内地震波射线走时最小路径,③选取能平滑连接地下单元网格同一射线的光滑度.以利在山前两翼速度差异地层段,修正层析反演模型,进而来提高该线的反演模型的精度.

表 1 两种方法的表层结构速度值和厚度值对比表 Table 1 Surface structure speed value and thickness values comparison table of the two methods

图 5是山前段走时层析反演和加入控制点约束后的厚度差异,从图可以看出,山前段的表层结构复杂多变,目前任何单一的方法都有其局限性,单一方法建立的近地表厚度与实际情况会存在差异.

图 5 DQ05-190控制点约束的折射层析厚度反演建模:厚度图(段的柱状显示)Fig. 5 DQ05-190 control points constrained inversion modeling of refraction tomography thickness: thickness map(columnar segment display)

图 6是该测线的有控制点约束和无控制点约束反演结果的横向速度曲线对比,走时层析反演的山前带层速度变化剧烈,主要是由于地下散射造成初至波的类型复杂,也说明山前沉积介质是变速结构,通过加入该段野外控制点低降速段解释成果的约束阀值后,建立的山前低降速层是较平滑的低速界面,也未能引起山体岩层段的速度变化

图 6 DQ05-190控制点约束的折射层析反演建模:浅层速度模型Fig. 6 Refraction tomographic inversion modeling of DQ05-190 control point constraints: shallow velocity model

图 7是高速顶层速度曲线,细细比较有控制点约束和非控制点约束结果,两者变化趋势基本一致.但前者的速度曲线模型平滑,其在野外选定激发深度和计算模型静校正量方面也更实用.

图 7 DQ05-190控制点约束的折射层析反演建模:高速顶层速度模型Fig. 7 Refraction tomographic inversion modeling of DQ05-190 control point constraints: the top speed velocity model

为验证控制点成果约束模型和走时层析反演模型的精度将反演算法中正演输出的初至时间与实际拾取的初至时间进行比较.图 8是约束前输出的初至时间,图 9是约束后演输出的初至时间.可以看出,约束后输出的初至时间与实际拾取的初至时间吻合度更好.

图 8 约束前正演输出初至曲线Fig. 8 Forward output of the first arrival curve without constraints

图 9 图 9 约束后正演输出初至曲线Fig. 9 Forward output of the first arrival curve within constraints

图 10是应用野外模型和约束层析建模二种方法所形成的该线低频静校正量对比曲线,可以看出,两种方法的静校正量在山前带明显存在差异.

图 11是将两种静校正量分别应用到同条测线地震采集数据的静校正处理中所获得的水平叠加剖面,通过对比两种叠加剖面效果(图 11),可以看出,山体段约束层析法对构造形态刻画得更清晰,反射同相轴更连续,浅层反射能量更强,波组特点明显(尚新民,2014).从该例可以看出,在复杂山地地区,需要综合应用多种静校正方法.

图 10 野外和约束静校正量曲线Fig. 10 Wild and constraints static correction curve

图 11 图 9 DQ05-190线野外和约束层析静校正叠加剖面比较Fig. 11 Compare the wild and constraints chromatography Static correction stacked section of DQ05-190 line
3 结 论 3.1     在速度纵横向变化大的复杂地区,采用野外控制点信息与层析反演模型交互约束,才能为分段建立符合实际情况的近地表模型奠定基础.

3.2      为库车坳陷大山地地震采集资料静校正处理方法的确定和提高叠加剖面品质提供了可行性思路. 
参考文献
[1] Chen G J, Cao H, Wu Y S, at al.2013,Effects of velocity contrast on the quality of crosswell traveltime tomography and an improved method[J]. Chinese Journal Geophysics. (in Chinese), 49(3):915-922.
[2] Fan J K, Wu S G.2014, P-wave seismic tomography of the Manila subduction zone[J]. Chinese Journal Geophysics. (in Chinese), 57(7):2127-2137.doi: 10.6038/cjg20140709.
[3] Hou H C. 2009, The Research and Application of the Deep Seismic Reflection Profiling in Orogens in West China. [D]. Chinese Academy of Geological Sciences.
[4] Jing X L. Tomography modeling for complex media and tests on models[J]. Oil Geophysical Prospecting . (in Chinese), 45(1):66-71.
[5] Jing Y H. 2009, Seismic first arrival wave travel-time tomography and near surface velocity model[D].Chang'an University.
[6] Li Q Z.1994, The way to obtain a better-resolution in seismic prospecting[M]. Beijng: Petroleum Industry Press.
[7] Lu H Y, Liu Y K, Chang X. 2013, MSFM-based travel-times calculation in complex near-surface model[J]. Chinese Journal Geophysics. (in Chinese), 56(9):3100-3108, doi: 10.6038/cjg20130922.
[8] Lu M J, Wang Y G. 2011, The Principle of Seismic Exploration[M]. (in Chinese), Beijing: Petroleum University Press
[9] Pan X X, Qin N, Qu Z P, et al.2013, Tomography velocity modeling and application of pre-stack depth migration[J]. Progress in Geophys. (in Chinese),28(6):3080-3085,doi:10.6038/pg20130632.
[10] Huang J P, Li Z C, Liu Y J. etal. 2013, The least square pre-stack depth migration on complex media[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 28(6) s 2977-2983, doi: 10. 6038/pg20130619.
[11] Qin N, Li Z C, Zhang K, et al. 2013, Joint tomography inversion of image domain for elastic vector wavefield[J]. Chinese Journal Geophysics. (in Chinese),56(9):3109-3117,doi:10.6038/cjg20130 923.
[12] Qing N, Li Z C, Yang X D, et al. 2013, Pre-stack joint migration velocity modeling with multi-stage optimization[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 28(1):0320-0328,doi:10.6038/pg20130135.
[13] Wei J.2007, Review of geologic model building techniques[J]. Progress in Exploration Geophysics. (in Chinese), 30(1):1-6.
[14] Shang X M. 2014, Static Correction in Tome-Lapse Seismic Data Processing[J]. Geophysical & Geochemical Exploration.(in Chinese),38(1): 162-165,doi:10.11720/j.issn.1000-8918.2014.1.30.
[15] Sang Y Y, Sun J X, Jiao S P, et al. 2014, Shortest path ray-tracing based on parabolic travel-time interpolation in irregular topography[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum. (in Chinese), 53(2):142-147.
[16] Xiong D Y. 2012, Static Methods on Rugged Topography: Investigation and Application[D].Chengdu University of Technology.
[17] Xiong Z. 2002, The idea of seismic data processing complex[M]. (in Chinese), Beijing: Petroleum Industry Press.
[18] Zhang B, Xu Z T, Wang H Z, et al. 2012, Common imaging gathers tomography velocity inversion and model building in foothill area[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum. (in Chinese), 51(6):591-596.
[19] 陈国金,曹辉,吴永栓,等.2006,速度差对井间走时层析成像质量的影响及改进方法[J].地球物理学报,49(3):915-922.
[20] 范建柯,吴时国.2014,马尼拉俯冲带的地震层析成像研究[J]. 地球物理学报,57(7):2127-2137.doi: 10.6038/cjg20140709.
[21] 侯贺晟.2009,中国西部造山带深地震反射剖面探测技术方法应用研究[D].中国地质科学院博士论文.
[22] 井西利.2010, 复杂介质的层析建模及模型反演[J].石油地球物理勘探, 45(1):66-71.
[23] 景月红. 2009,地震初至波走时层析成像与近地表速度建模[D].长安大学硕士论文.
[24] 李庆忠.1994,走向精确勘探的道路[M].北京:石油工业出版社.
[25] 卢回忆,刘伊克,常旭. 2013,基于MSFM的复杂近地表模型走时计算[J]. 地球物理学报, 56(9):3100-3108. doi: 10.6038/cjg20130922.
[26] 陆孟基,王永刚.2011,地震勘探原理[M].北京: 石油大学出版社.
[27] 潘兴祥,秦宁,曲志鹏,等.2013,叠前深度偏移层析速度建模及应用[J].地球物理学进展, 28(6):3080-3085, doi: 10.6038/pg20130632.
[28] 黄建平,李振春,刘玉金,等. 2013, 复杂介质最小二乘叠前深度偏移成像方法[J].地球物理学进展, 28(6) :2977-2983,doi: 10.6038/pg20130619.
[29] 秦宁,李振春,张凯,等.2013,弹性矢量波成像域联合层析反演[J]. 地球物理学报,56(9): 3109-3117. doi: 10.6038/cjg20130923.
[30] 秦宁,李振春,杨晓东,等.2013,叠前多级优化联合偏移速度建模[J].地球物理学进展,28(1):0320-0328, doi:10.6038/pg20130135.
[31] 尚新民. 2014,时延地震处理中的近地表静校正技术[J]. 物探与化探, 38(1):162-165. doi:10.11720/j.issn.1000-8918.2014.1.30.
[32] 桑运云,孙军晓,焦淑萍,等.2014,起伏地表下基于抛物插值的最短路径射线追踪[J].石油物探,53(2):142-147.
[33] 魏嘉.2007,地质建模技术[J]. 勘探地球物理进展, 30(1):1-6.
[34] 熊定钰.2012,复杂地表静校正方法研究及应用[D].成都理工大学博士论文.
[35] 熊翥. 2002, 复杂地区地震数据处理思路[M] .北京:石油工业出版社.
[36] 张兵,徐兆涛,王华忠,等.2012,山前带地震数据共成像点道集层析速度反演建模方法研究[J]. 石油物探,51(6):591-596.