海上多次波照明分析方法

海上多次波照明分析方法

0傳統(tǒng)射線追蹤照明方法隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展和勘探目標(biāo)的復(fù)雜性，越來(lái)越多的生產(chǎn)單位和科學(xué)研究人員對(duì)地震資料的采集、處理和解釋的精度要求越來(lái)越高。在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域（如鹽下結(jié)構(gòu)、逆沖突結(jié)構(gòu)、陡坡坍塌等），地震波能量在地下空間的分布是不均勻的，地震波傳播路徑變得更加復(fù)雜，地震記錄中存在反射盲點(diǎn)和干擾噪聲。因此，如何提高復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地震資料處理的精度和成像質(zhì)量已成為地震勘探的一個(gè)難題。地震照明設(shè)計(jì)分析可以有效地將目標(biāo)區(qū)域的地震波場(chǎng)和地震數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)。選擇近地表和地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的速度模型，模擬地震數(shù)據(jù)的野外采集形式，分析研究地震波場(chǎng)的傳播規(guī)律，然后指導(dǎo)和優(yōu)化二次或多采集觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（李萬(wàn)萬(wàn)，2008；謝曉碧等，2013）。地震照明分析是指在給定地下地質(zhì)構(gòu)造模型信息的條件下,采用數(shù)值模擬的方法確定地震波在地下空間傳播時(shí)的能量分布形態(tài).地震照明主要包括基于射線追蹤的照明分析(Bearetal.,2000;MuerdterandRatcliff,2001;栗寶鵑,2007)和基于波動(dòng)方程的照明分析(Fontechaetal.,2005;裴正林,2008).早期的射線追蹤照明方法是利用射線追蹤得到地下各反射界面的覆蓋次數(shù),實(shí)現(xiàn)地下構(gòu)造照明強(qiáng)度的估計(jì).1985年,Beylkin(1985)提出了利用覆蓋次數(shù)進(jìn)行成像分辨率評(píng)價(jià),這種方法基于廣義拉東變換和波恩近似;隨后Lecomte和Gelius(1998)以及Gelius和Lecomte(2000)提出了利用射線追蹤方法計(jì)算地面散射波覆蓋次數(shù).基于射線追蹤的照明分析提供了照明方向性信息,這種方法計(jì)算速度快,但是僅反映了地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征.當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)較為均一時(shí)計(jì)算結(jié)果可靠;當(dāng)面對(duì)復(fù)雜構(gòu)造(如鹽丘、膏體等)時(shí),該方法因射線高頻近似,照明區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)陰影區(qū)和散焦區(qū),容易產(chǎn)生計(jì)算誤差(龐新明等,2016).基于波動(dòng)方程的照明分析可分為單程波照明和雙程波照明.單程波照明分析是利用單程波動(dòng)方程進(jìn)行波場(chǎng)數(shù)值模擬,實(shí)現(xiàn)照明分析.Xie等(2006)基于廣義屏單程波傳播算子和局部平面波分解法給出了照明度和定向照明度的計(jì)算方法.陳生昌等(2007b)利用單程波方程進(jìn)行了雙程地下方向照明分析,提出了一種在角度域進(jìn)行雙程地下方向照明的定量分析方法.單程波照明分析方法由于在波場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中忽略了地震波的透射損失、背向散射、多次散射以及廣角反射近似等問(wèn)題,計(jì)算地下介質(zhì)中波場(chǎng)能量并不完全.ue54estmo和Maaue54f(2003)提出了基于波動(dòng)方程有限差分法的雙程地震照明計(jì)算方法;Xie和Yang(2008)采用雙程波方程有限差分方法進(jìn)行了波場(chǎng)模擬,并在時(shí)間域采用局部慢度分析技術(shù)將波場(chǎng)分解為角度域波束,得到照明矩陣,可為逆時(shí)偏移提供照明分析.皮紅梅(2009)利用雙程波動(dòng)方程進(jìn)行波場(chǎng)外推法實(shí)現(xiàn)雙程波照明,波場(chǎng)信息較前兩種方法都豐富,采用時(shí)間域有限差分方法進(jìn)行波場(chǎng)模擬,計(jì)算得到的波場(chǎng)能量的分布更接近實(shí)際地質(zhì)情況,但是計(jì)算量較大.多次波在傳統(tǒng)地震勘探過(guò)程中被當(dāng)作干擾信息,需要對(duì)其進(jìn)行壓制.傳統(tǒng)地震照明在進(jìn)行正演模擬時(shí),同樣不考慮自由表面相關(guān)的多次波的作用,直接在模型頂端設(shè)置吸收邊界進(jìn)行消除.然而,隨著地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)多次波不止是一種干擾信息,其包含著大量的地下地質(zhì)構(gòu)造信息,有效地對(duì)其加以利用能夠大幅度提升偏移成像的效果.1993年,Berkhout(1993)在偏移理念中首次提出了包含表面相關(guān)多次波的偏移方法,這種方法避免了常規(guī)偏移算法中多次波帶來(lái)的干擾,同時(shí)利用多次波信息提升了偏移精度.隨后Berkhout和Verschuur(2011)又對(duì)多次波進(jìn)行深入研究,提出了同時(shí)利用表面相關(guān)多次波和層間多次波的全波場(chǎng)偏移理念,充分利用了地震數(shù)據(jù)的全波場(chǎng)信息.Verschuur和Berkhout(2015)指出,我們對(duì)多次波的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從常規(guī)的去除發(fā)展到了利用其進(jìn)行高精度成像的程度.多次波信息已不再是一種常規(guī)的干擾信息,它將是地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中重要的一部分.基于對(duì)多次波發(fā)展的認(rèn)識(shí),本文采用基于時(shí)間域有限差分法(AltermanandKaral,1968;Alfordetal.,1974;ue54estmoandMaaue54f,2003;CaoandWu,2009)的雙程聲波波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬,開展多次波地震照明分析研究.與傳統(tǒng)一次波照明方法相比,多次波照明的波場(chǎng)信息更為豐富、鹽下構(gòu)造照明更加清晰、照明陰影區(qū)域更小,可以對(duì)復(fù)雜構(gòu)造的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)價(jià),同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)地震偏移剖面成像質(zhì)量的目的.1時(shí)間域二階中心差分時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)根據(jù)地震波基本理論可知,二維非均勻介質(zhì)聲波波動(dòng)方程(劉志敏和包吉山,1989)的表達(dá)方式為式中u為地震波在介質(zhì)中傳播的波場(chǎng),ρ為介質(zhì)的密度,v為介質(zhì)的聲波速度,S為震源函數(shù).有限差分方法是一種常用的地震數(shù)值模擬方法,通過(guò)網(wǎng)格差分近似波動(dòng)方程算子,得到相應(yīng)的差分方程并求解,便可得到相應(yīng)的波場(chǎng)信息.利用時(shí)間域二階中心差分法來(lái)表示上述波動(dòng)方程的時(shí)間偏導(dǎo)數(shù),公式為利用Taylor級(jí)數(shù)展開空間偏導(dǎo)數(shù),用高階有限差分逼近,得到空間上關(guān)于的2n階差分近似表達(dá)式為其中:且滿足:當(dāng)x、z方向上采樣間隔相同時(shí),即Δx=Δz=h,此時(shí)差分網(wǎng)格為正方形,由(2)、(3)式可以得到二階時(shí)間-空間域有限差分的顯示格式為其中f對(duì)上述方程進(jìn)行離散后得到離散的二階時(shí)間-空間域有限差分格式為其中,u(m±1,n±1,l±1)=u(x±h,z±h,t±Δt);x=mΔx=mh;z=nΔz=nh;t=lΔt.地震波場(chǎng)的差分方程解須滿足穩(wěn)定性條件為其中v2多次波照明分析地震照明方法是對(duì)地震波在地下傳播過(guò)程中受地下地質(zhì)構(gòu)造影響而產(chǎn)生的能量空間分布規(guī)律的定量研究.地震波由震源激發(fā)向地下傳播,受地下地質(zhì)構(gòu)造的影響,地震波的分布并不是均勻恒定的.當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)某一界面的能量比較強(qiáng)時(shí),經(jīng)該界面反射的地震波能量也就強(qiáng),地表檢波器接收到的地震信號(hào)信噪比就比較高,后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與解釋時(shí)獲得的結(jié)果就會(huì)更好;反之,當(dāng)?shù)竭_(dá)某一界面的波場(chǎng)能量較弱時(shí),地震記錄中該界面的信噪比就會(huì)比較低,后期處理與解釋中該界面就會(huì)不清晰.當(dāng)?shù)叵碌刭|(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜時(shí),由于地層的聚焦和散焦作用,震源激發(fā)的地震波場(chǎng)在地下傳播過(guò)程中會(huì)受到嚴(yán)重的干擾,導(dǎo)致波場(chǎng)能量在地下空間分布極其不均,傳統(tǒng)一次波照明方法在此種情況下所計(jì)算出來(lái)的能量分布就不能有效反應(yīng)地下實(shí)際波場(chǎng)的真實(shí)分布.隨著勘探技術(shù)的發(fā)展和地震數(shù)據(jù)處理方法的提升,多次波信息越來(lái)越受人們重視.多次波與一次反射波相比,在介質(zhì)中傳播路徑更多、更長(zhǎng),可以到達(dá)一次波無(wú)法到達(dá)的照明陰影區(qū),而且一般情況下多次波的反射角小于一次反射波(BerkhoutandVerschuur,2003),對(duì)地下構(gòu)造信息的刻畫度相對(duì)較高,因此多次波照明對(duì)復(fù)雜地下構(gòu)造背景下目標(biāo)體的照明效果要優(yōu)于傳統(tǒng)一次波照明.地震波照明強(qiáng)度是波場(chǎng)能量在空間的分布,而地震正演模擬是用來(lái)預(yù)計(jì)地震波場(chǎng)隨空間和時(shí)間的變化.采用波動(dòng)方程進(jìn)行地震照明分析時(shí),常采用點(diǎn)震源激發(fā),在不考慮檢波器接收到的散射能量強(qiáng)度時(shí),即只考慮震源的照明強(qiáng)度,即為單向照明.此次研究為表明多次波對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造的照明效果,所以采用單向照明方法進(jìn)行波場(chǎng)計(jì)算.震源激發(fā)的波場(chǎng)以相應(yīng)震源的格林函數(shù)表示,則在地下某一點(diǎn)(x,z)的照明能量E(x,z)可以表示為其中G(X,Z,ω本文選用時(shí)間域有限差分方法進(jìn)行波場(chǎng)模擬,依據(jù)帕斯維爾(Parserval)定律,在時(shí)間域計(jì)算的信號(hào)總能量等于在頻率域計(jì)算的信號(hào)總能量,將頻率域計(jì)算的波場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成在時(shí)間域波場(chǎng)的能量,公式為其中N采用等式10的波場(chǎng)能量計(jì)算方法,分別對(duì)地下介質(zhì)中波場(chǎng)的一次波、多次波的傳播能量進(jìn)行計(jì)算,就能獲取對(duì)應(yīng)的地下能量分布情況.3多次波照明分析為了測(cè)驗(yàn)多次波的波場(chǎng)照明效果,采用單一高速火山侵入體模型進(jìn)行試驗(yàn),如圖1.模型為尺寸為1.5km×2km,網(wǎng)格間距Δx=Δz=5m,即模型網(wǎng)格個(gè)數(shù)為300×400,震源采取雷克(Ricker)子波,主頻為20Hz,炮點(diǎn)位置為x=900m,z=15m.該模型上層速度為2000m/s,下層速度為3000m/s,高速體速度為4500m/s,在高速體正下方、水平反射界面(z=900m)上有一簡(jiǎn)單突起,該突起即為選定鹽下照明構(gòu)造.為了驗(yàn)證照明效果,使用時(shí)間域有限差分法分別計(jì)算多次波照明能量與傳統(tǒng)一次波照明能量,并取兩者能量差值進(jìn)行對(duì)比.高速體對(duì)波場(chǎng)傳播的屏蔽致使高速體下方波場(chǎng)能量變得很弱,并且由于高速體的邊界作用產(chǎn)生兩個(gè)與震源反向的照明陰影區(qū).以上這兩點(diǎn)在多次波照明與傳統(tǒng)一次波照明能量分布中均存在,如圖2a、b.對(duì)比圖2a、b得出,多次波照明方法波場(chǎng)能量強(qiáng)度明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)一次波照明方法,鹽下照明陰影區(qū)明顯減少,鹽下構(gòu)造邊界照明能量基本連續(xù).而傳統(tǒng)一次波照明方法凸起的能量是不連續(xù)的,受高速體屏蔽影響較大.圖2d為選取照明目標(biāo)構(gòu)造所在深度的水平能量分布譜曲線,由上至下依次為多次波照明能量、照明能量差值、一次波照明能量.分析z=875m震源照明能量譜,多次波照明方法所計(jì)算得到的鹽下構(gòu)造能量明顯高于傳統(tǒng)一次波照明方法,照明效果較好.因此對(duì)于高速體下方的目標(biāo)照明工作來(lái)講,多次波照明的效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)一次波照明方法.4鹽下地震照明分析在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造上(諸如鹽下構(gòu)造、陡傾斷層、逆沖推覆構(gòu)造等)高精度成像已成為當(dāng)今石油物探界的一個(gè)重點(diǎn)課題.由于高速鹽體的遮擋作用、斷點(diǎn)繞射的散焦作用、觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化程度、偏移成像算法的精度等限制使得復(fù)雜構(gòu)造成像很困難.本文以Pluto模型為例,通過(guò)多次波照明與傳統(tǒng)一次波照明方法對(duì)比,觀察并分析兩者在鹽下構(gòu)造與陡傾斷層的照明效果,并簡(jiǎn)單闡述多次波照明對(duì)采集方案的優(yōu)化.Pluto模型如圖3所示,模型尺寸大小為9.525km×38.1km,模型內(nèi)存在三處(左、中、右)較厚高速鹽體,在中間鹽體下方存在多個(gè)陡傾斷層、尖滅及褶皺等復(fù)雜構(gòu)造,此處為主要照明目標(biāo)區(qū)域.該模型網(wǎng)格間距為dz=dx=15.24m,網(wǎng)格尺寸為625×2500,炮點(diǎn)水平位置從xs=5km開始,每隔5km放一炮,直至xs=35km結(jié)束,震源選取雷克(Ricker)子波,中心頻率為20Hz.計(jì)算每炮的一次波照明能量與包含多次波的照明能量,并提取深度為z=5.2km(模型中黑線所示)的水平能量分布譜.進(jìn)行單炮數(shù)據(jù)的多次波照明與一次波照明對(duì)比,得到兩者間的區(qū)別以及多次波照明在復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行照明工作的優(yōu)勢(shì).進(jìn)行炮與炮之間對(duì)比,得到放炮位置對(duì)鹽下構(gòu)造照明情況的影響以及對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化方案,使鹽下構(gòu)造成像工作更加有效地順利進(jìn)行.選取其中兩組具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這兩組炮點(diǎn)位置分別為xs=10km、15km.選取炮點(diǎn)位置為xs=10km,在該處地震波向下傳播過(guò)程中受地下厚層鹽體屏蔽作用最小,有效的減小一次波照明和多次波照明方法受觀測(cè)位置的影響而產(chǎn)生的差別.從波場(chǎng)傳播結(jié)果分析來(lái)看:(1)多次波由于多次反射,傳播路徑較長(zhǎng),覆蓋區(qū)域更廣;(2)在多次波照明中照明陰影區(qū)要明顯減少,對(duì)比圖4a、b及圖5a、b右側(cè)鹽體周圍的照明情況,一次波方法有很少的地震波能夠到達(dá)這個(gè)位置,而在多次波照明方法中,可以清晰的看到鹽體的外圍輪廓,實(shí)現(xiàn)了很好的照明;(3)地震波在傳播過(guò)程中由于高速鹽體的遮擋致使較少能量到達(dá)鹽體下部,在鹽體上方能量較為集中,傳統(tǒng)一次波與多次波均有該種情況,在中部鹽體下方,多次波由于入射能量較強(qiáng),鹽下照明能量也比例地得到了增加,圖4d、5d中由上至下依次為多次波能量曲線、照明能量差值曲線、一次波能量曲線,由圖4d、5d能曲線在采樣點(diǎn)約為nx=1100~1600一段中可以看出,多次波照明能量、一次波照明能量、兩能量之差三者之間的變化趨勢(shì)是一致的.選取炮點(diǎn)位置為xs=15km,在該處地震波傳播受到高速鹽體的遮擋作用,鹽體下方的構(gòu)造將會(huì)產(chǎn)生波場(chǎng)照明的陰影區(qū).整體來(lái)看該炮點(diǎn)產(chǎn)生的大范圍特征與炮點(diǎn)在xs=10km相似,同樣具有上述的一些特征.對(duì)中部鹽體下方照明情況分析來(lái)看,由于照明目標(biāo)與震源方向在鹽體長(zhǎng)軸方向,傳統(tǒng)一次波照明受鹽體屏蔽影響很大,地震波能量很難穿透鹽體,造成鹽下構(gòu)造目標(biāo)區(qū)域以及長(zhǎng)軸方向上均為一次波照明的陰影區(qū);而多次波多次反射,能夠有效的繞過(guò)鹽體,減弱鹽體屏蔽作用,多次波能夠有效地對(duì)這部分陰影區(qū)實(shí)現(xiàn)照明.由圖5d能量譜中鹽體下方照明目標(biāo)的多次波照明能量與傳統(tǒng)照明能量、兩者差值可以明顯看出,多次波照明能量與能量差基本一致,傳統(tǒng)照明能量基本為0,即多次波能夠到達(dá)一次波無(wú)法到達(dá)的陰影區(qū).在野外地震資料采集中,對(duì)鹽體下方目標(biāo)照明效果差的炮集記錄,目的層的反射結(jié)果雜亂,能量較弱且分布不均;對(duì)于照明效果好的炮集記錄,目的層的反射同相軸會(huì)相對(duì)連續(xù)且能量較強(qiáng).由以上分析認(rèn)為,復(fù)雜構(gòu)造背景下一次波的照明效果要明顯不如多次波照明效果.為驗(yàn)證上述分析結(jié)果,模擬在Pluto速度模型地表放炮,炮點(diǎn)位置為xs=10km,15km時(shí)的炮集記錄,記錄時(shí)間長(zhǎng)度為12s,采樣時(shí)間間隔為1ms,道間距為15.24m.分析這兩炮集記錄可以看出:由于模型尺寸以及炮點(diǎn)位置選擇,左側(cè)、中部鹽體響應(yīng)較強(qiáng),而右側(cè)鹽體由于距離炮點(diǎn)較遠(yuǎn),并沒(méi)有被記錄,由兩炮地震記錄可以看到左側(cè)鹽體與中部鹽體響應(yīng)較好.多次波照明較傳統(tǒng)照明波場(chǎng)豐富很多,同相軸能量也有很大提升.從地表10km處放炮的炮集記錄(圖6)看出,黑色圈內(nèi)為左側(cè)、中部的兩個(gè)巖體下方構(gòu)造的地表響應(yīng),地表為吸收邊界時(shí),研究目標(biāo)的同相軸能量很弱、斷斷續(xù)續(xù);而在地表為自由邊界時(shí),同相軸連續(xù)性很好、能量很強(qiáng),與前文理論分析結(jié)果相吻合.對(duì)于方框內(nèi)的所攜帶鹽下構(gòu)造信息是在地表為吸收邊界時(shí)所沒(méi)有的,對(duì)應(yīng)區(qū)域幾乎空白.炮點(diǎn)在15km時(shí),如圖7,由于鹽體遮擋作用,地表為吸收邊界時(shí)鹽體下方的構(gòu)造響應(yīng)(大方框)能量很弱,同相軸的連續(xù)性很不好,而在地表為自由邊界時(shí)的鹽體下方的包含多次波的響應(yīng),同相軸連續(xù)性好且能量明顯增強(qiáng),而且所攜帶的構(gòu)造信息也是一次波所沒(méi)有的.這樣的結(jié)果和上文理論分析所得出的結(jié)果一致.對(duì)于傳統(tǒng)照明分析來(lái)說(shuō),炮點(diǎn)xs=15km的信息對(duì)成像貢獻(xiàn)很小,比xs=10km貢獻(xiàn)要小很多,而從多次波照明結(jié)果來(lái)看,該處多次波攜帶的信息甚至要比炮點(diǎn)xs=10km更加豐富.由以上結(jié)果可知,一次波照明方法對(duì)采集系統(tǒng)的評(píng)價(jià)以及優(yōu)化并不完全