叠前深度偏移技术

叠前深度偏移技术是在深度域对每个共偏移距剖面先用已建偏移速度场进行叠前深度偏移，后从每个偏移后的共偏移距剖面抽取共反射点道集，如道集曲线被拉平，则将各道反射波叠加，这就是在深度域先偏移后叠加的技术。它既克服了地层倾角对叠后偏移叠加或偏移成像不佳的影响，又克服了速度横向变化对反射层形态畸变的影响。在时间域由于速度陷阱的存在，使地震地质解释成果与地下实际地质情况不符，这为正确客观地认识地下地质情况带来巨大困难。特别是对于逆冲构造、盐下构造和复杂的断裂构造，由于地震射线按斯奈尔定理折曲，反射波的时距曲线已非双曲线，叠后偏移在理论和实际上就不能使其正确成像，因此就不能正确地解释。为此，对复杂构造必须进行叠前深度偏移，这是物探界早已形成的共识。10多年前，其方法和算法就已成熟。但由于当时计算机发展水平和运算速度的限制，以及在建立速度深度模型上存在检验和精度问题，叠前深度偏移技术没应用到实际生产中去。1996年到现在，由于计算机技术水平和运算速度大幅度提高，基于RISC技术的并行计算机和微机群及高速计算机网络的应用，计算机运算速度达100×10⁸～1000×10⁸次/s（浮点），且成本大为降低。因而，叠前深度偏移技术为解决复杂构造的油气勘探问题开始投入实际生产。国外的一些大油公司建立了自己的叠前深度偏移系统，为本公司的复杂构造油气勘探目标服务。因此，他们所研制的叠前深度偏移技术软件系统是不出售的，也不具备商品化。

以色列PARADIGM地球物理公司的叠前深度偏移交互处理系统Geedepth，是最早推出的商品化的交互叠前深度偏移处理软件包。该软件包具有方法思路先进、完全交互化、高精度、高效率和二维叠前深度偏移可在工作站平台上运行等特点。为解决海上复杂构造的油气勘探问题，1995～1999年，中国海油先后引进二维叠前深度偏移Geodepth软件包和三维叠前深度偏移技术软件（Geovista和SIRIUS）。

在引进基础上，通过消化、吸收和结合实际的创新，在中国海域部分层速度强烈横向变化和复杂的断裂构造上，实践了二维或三维叠前深度偏移技术，获得了较好的处理效果。

一、叠前深度偏移技术描述

该技术是解决地层速度横向变化强烈和地质构造复杂地区的地震反射波正确成像、归位、消除速度陷阱的有效技术手段。但二维叠前深度偏移仍不能解决侧面波和不垂直构造走向剖面反射波正确归位问题。为了阐明叠前深度偏移的主要作用，我们设计了如图6-85(a）的地质模型，它由浅到深由3层层速度界面构成4套不同层速度的地层，其中，第二层为水平层面，之后用自激自收法作图6-85(a）地质模型的正演合成地震叠加剖面图6-85(b）。由图可见，由于受表层下凹加厚的低速层影响，水平层面下凹畸变、平层同相轴及向斜聚焦都出现了绕射波影像。用已知的速度对图6-85(b）的数据进行时间偏移，获时间偏移合成地震剖面图6-85(c），由图可见，最浅的反射层偏移效果最好，因该层的层速度是均匀无横向变化的；第二个反射层面则有下凹畸变，且有残余的绕射影响；而第三个反射层面则存在明显的成像误差。用已知的地层深度－速度模型对图6-85(b）的数据作波动方程深度偏移处理，得图6-85(d）的深度偏移剖面。由图可见，第三个反射层面的成像位置及形态与地质模型非常吻合，绕射影像也都消失。

图6-85　模型正演反射剖面的时间与深度偏移剖面比较

从以上模型正演数据的处理实例中可直观地看到，深度域偏移技术可以消除速度横向变化对时间域地震剖面造成的构造假象和同相轴的成像误差。

（一）二维叠前深度偏移技术与实践

1．基本原理和方法

基于模型的深度偏移方法，将地震资料成像处理、地震解释及正演模拟技术有机地结合在一起，以便于地震资料处理和解释人员充分地利用地质、钻井、测井及其他有关资料来指导和控制地震深度偏移处理的各个环节。该技术不但对地层速度横向、纵向变化的地质构造复杂区具有较强的适应性，而且采用了先进工作站下的X-Window和Motif环境编写程序和三维可视化技术，实施了处理与解释交互一体化。其主要技术如下。

（1）速度－深度模型

采用弯曲界面的层状地质模型作为其速度－深度模型，层内介质的速度在纵与横向上均可变化，并支持多值界面。如盐丘、礁和逆掩断层。地质体不再需要延伸到模型的边缘，因而也不必建立零厚度层。所以，它与常规处理中的模型相比，能更准确地反映地下复杂的构造情况。

（2）层速度相干反演

基于CMP道集的层速度相干反演，是该技术的核心内容。其基本原理为射线追踪技术，运动学射线追踪方程为：

中国海洋石油高新技术与实践

式中：

中国海洋石油高新技术与实践

τ为射线时间；V为射线速度。

产生射线为：d_xi/ds=V_pi(xi为射线轨道）。d_pi/ds=1/V²·∂V/∂_xi(pi为射线参数）。

其具体实施是通过速度扫描。先从水平叠加剖面上拾取层位，或从时间偏移剖面上拾取层位，再反偏到叠加剖面上，对每一层在确定速度扫描间隔和范围后，每一速度扫描程序执行以下运算：①将叠加剖面上解释的时间局部层位的射线偏移到深度域；②射线追踪计算非双曲线走时曲线；③定量计算射线追踪非双曲走时曲线与实际走时曲线之间的相干值的大小。

所有扫描速度完成以上计算后，相干值的峰值对应的速度，即为该点所求的层速度。速度扫描可在选定的控制点上执行，也可顺层连续执行。但整条剖面必须自上而下完成速度扫描，最后得出整条剖面的速度－深度模型。

（3）基于模型动校叠加

根据所求得的速度－深度模型作射线追踪，计算CMP道集的实际时距曲线，沿该时距曲线对CMP道集进行动校叠加。因它按实际走时进行动校，而不按理论双曲线动校，从而实现了真正的同相叠加。这必使地震剖面的信噪比和分辨率优于常规地震剖面，而在速度横向变化较大和构造复杂的地区，效果会更加显著。

（4）叠前深度偏移

有如下4种技术。

a．基于模型的叠前深度成像：该技术根据速度反演所求的初始模型进行射线追踪，以求出CMP道集的实际时距曲线，然后，根据该时距曲线将CMP道集转换为CRP道集进行叠加，从而实现叠前深度偏移。该方法是用在速度求取的叠代过程中，具有占用内存少、计算速度快的优点，但不能保持振幅。

b．以Eikonal方程为基础的叠前深度偏移：该技术建立在克希霍夫积分求和偏移方法基础上，并用Eikonal方程的数值解计算其旅行时，在偏移时要提供常数或模型控制的偏移孔径。该方法成像精度高，但耗时较多，一般用在最终成像上。

c．以Turbo Eikonal为基础的叠前深度偏移：该法只是在计算旅行时时采用了插值技术，节省了大量计算时间，其他方面与Eikonal偏移方法相同。

d．波前重建叠前深度偏移：该法同样建立在克希霍夫偏移法的基础上，只是采用了不同的射线追踪方法计算旅行时。它适用于具有强首波的地区，如近盐体区。

（5）层析成像

该技术可很好地进行速度深度模型的修正，使叠前深度偏移后的CRP道集内的同相轴完全拉平。其数学模型为：

中国海洋石油高新技术与实践

式中：S_L(x,y）为介质的慢度；δ5_。为慢度的变化；δ_zi为射线交点的垂直坐标变化；

该方程有两个方面的重要应用：①沿CRP射线将偏移深度误差转换为时间误差；②加快叠前深度偏移的运算速度（只计算以反射层为中心一段时窗内的数据）。

2．处理的基本技术环节

（1)DMO处理

对于复杂构造区存在不同反射层倾角同相轴交叉，使速度能量团在速度谱上的分布分散，难于解释拾取准确速度。而DMO处理则消除了倾斜同相轴的剩余时差，从而使水平与倾斜同相轴皆能同相叠加，提高叠加质量，消除地层倾角对速度的影响，以求取更准确的速度。

（2）建立速度－深度模型

a．建立时间模型：即在叠加剖面上对比追踪解释反射层，当地质构造复杂，叠加剖面上绕射、回转波、断面波较为发育时，可在时间偏移剖面上进行反射层位对比、追踪解释，后再将解释的反射层位反偏到水平叠加剖面上。但解释的层位要按以下原则进行：

·要选取界面两侧速度差异明显的层位，同一速度层的底界面进行对比追踪。海底面、不整合面及其向外延伸的整合面则构成统一的速度底界面。

·应选取反射品质好，即反射层的能量强又可连续对比追踪的速度界面进行时间模型的建立。为进行综合分析，要尽可能与常规地震解释的层位一致。

·层位拾取应作平滑。在断层处可沿断层面自然过渡到另一盘。对于剖面上发育的前积层系、河道、大套泥岩中连续性差的褶皱层等可包含于可靠对比追踪的大套层中，以消除人为解释的影响。

b．单点层速度反演及顺层连续层速度反演：每层层速度反演分两步进行。第一步沿层等距或非等距选取一些控制点做单点速度反演，并通过对“速度分布直方图”、“实际道集动校图”、“理论时距曲线与实际道集叠合图”及“射线路径分布图”等各种图的综合分析，确定速度反演结果的正确性及合理性，并经试验选取相干函数分析时窗及参加运算的偏移距范围。第二步顺层进行连续反演，对浅层取CMP间隔为5，深层CMP间隔为10。顺层分析成果表明，每层的层速度分布均有一定规律，即使在时间剖面的杂乱反射地带，仍可根据变化趋势确定其分布情况，如图6-86所示。

图6-86　顺层连续层速度反演

c．建立深度－速度模型：根据所建的时间模型和层速度反演结果，逐层用射线追踪方法，把时间界面转化为深度界面，最终计算产生速度－深度模型或地质模型。

d．快速叠前深度偏移：它以速度－深度模型和经过偏移距归一处理的CMP道集为输入，并依据主力射线的分布范围确定偏移孔径而进行偏移。在处理迭代过程中，反复使用该法成像，以达修正速度－深度的目的。

e．速度－深度模型的修正：它是叠前深度偏移处理中最重要和工作量最大的处理作业。因深度偏移的结果是否准确直接依赖于速度－深度模型是否符合地下客观实际情况，因此，除按深度域成像原理，检查叠前深度偏移后沿线的CRP道集是否拉平外，还依赖以下原则：

·反射同相轴的接触关系是否合理，断面波是否归位，绕射波、回转波是否收敛。

·速度－深度模型与本地区的速度和地层深度是否吻合，其变化趋势是否合理。

·根据地震地质解释人员对本区地质构造等地质特征的认识，判断其成像结果是否正确。

根据以上原则，对速度－深度模型按从浅到深的顺序逐层修改，并将上一次深度偏移结果作为下一次偏移的模型，进行数次迭代，直到最终确定出最佳速度－深度模型和深度域偏移成果。图6-87是最终模型，用它得到符合实际情况的叠前深度偏移剖面。

f．最终叠前深度偏移：规则的Eikonal深度偏移用于处理的最后阶段。其偏移精度高于Turbo Eikonal法，但后者运算速度比它快9倍。

图6-87　乐东22-1构造泥底辟速度－深度模型

3．处理流程

如图6-88所示。

图6-88　二维叠前深度偏移处理流程

由处理流程可见，二维叠前深度偏移技术采用了模型正、反演相结合的反复迭代技术，整个处理流程是模型正、反演技术反复迭代的运算过程。体现了叠前偏移处理技术是由一系列配套技术所构成的一环套一环、一扣套一扣、缺一不可的系统处理技术。

（二）三维叠前深度偏移技术与实践

如设地震记录波场为M(x,y,0,t）；地震波的传播速度为V(x,y,x）；地下地质属性（界面反射系数）为E(x,y,z）;W(x,y,z）为地震子波，则可建立如下数学模型。

岩性属性

中国海洋石油高新技术与实践

地层形态属性

中国海洋石油高新技术与实践

由上述数学模型可知，三维叠前深度偏移的基本原理是：在三维立体空间通过建立其速度－深度模型，并用克希霍夫积分法进行深度域的偏移处理，以使三维地震数据体反演为三维立体空间深度域地层分布形态的地质构造数据体。其具体实施方法是，使用已知地震反射层位和常规处理的叠后时间或深度偏移速度场，由浅层到深层逐层根据已知反射层的时间和速度，用射线追踪方法生成共反射点道集，然后，解释共反射点道集，并依据共反射点的剩余时差，修改速度和反射层，使共反射点道集的同相轴拉平。这样经过多次对速度和反射层深度的修改即迭代处理，最终可求得反射层的速度 V(x,y,z）和深度H(x,y,z）模型。使用这两个模型和深度域克希霍夫积分法作波动方程偏移，即完成三维叠前深度偏移处理。得处理结果E(x,y,z），它可正确地反映复杂构造的形态。其处理流程如图6-89所示。

图6-89　三维叠前深度偏移处理流程

由图可见，我们所实践的三维叠前深度偏移技术系列包括如下几项。

1．三维地震资料常规处理配套技术

叠前深度偏移前处理技术系列，采用了三维地震资料常规处理配套技术。这些技术主有定位与地震数据道合并、振幅补偿、海平面校正、子波反褶积、面元均化、NMO速度分析、DMO速度分析和叠加、三维叠加速度场、叠前时间偏移叠加、建三维偏移速度场、三维插值、三维最终偏移、滤波、动平衡、去噪和多次波等。上述处理的目的是为三维叠前深度偏移提供较高质量的偏移数据体、速度场和地层构造的初始模型。

2．建立地层的深度和速度模型技术

该技术是叠前深度偏移的核心和关键技术，它决定叠前深度偏移是否能解决复杂构造清晰成像和准确归位的问题。我们实践了图6-90所示的叠前深度偏移速度－深度模型建立方法。该速度分析技术适用于较复杂的地下介质，对反射波时距曲线没有双曲线的假设条件，但只用了反射波的时间信息，信噪比低时其旅行时难于准确拾取，以及由于反射波旅行时等于深度/速度，使层析的解具有多解性。因此，对地震数据体在叠前必须将噪声和多次波削弱，使其信噪比大于1。同时要用地质、钻井等先验知识对解进行约束，实施处理、解释，与地质人员有机结合，以实现地震资料处理解释与地质一体化。

图6-90　三维叠前深度偏移速度－深度模型建立方法流程

由图6-90可见，在建立叠前深度偏移速度场的技术中，主要用了如下技术。

（1）射线跟踩方法

该方法不仅是波场研究的基础，而且是地震资料叠前深度偏移的有力工具。它以精确射线跟踪为基础，随波阵面运行而自动生成计算单元，无需事先对模型进行剖分，也无需求解射线路径与计算单元数值边界的相交点，从而省去了大量的非线性迭代过程，具有较高的计算精度和计算效率。

（2）偏移速度分析方法

基于Kirchhoff积分理论的偏移速度分析，其基本原理是：若在叠前深度偏移中使用了正确的速度－深度模型，则在偏移后的共反射点道集上反射同相轴位于同一深度，呈水平形态；反之在偏移后的共反射点道集上反射同相轴必出现深度不一的弯曲形态。如图6-91和图6-92所示。

图6-91　初始速度－深度模型叠前深度偏移的输出

图6-92　最终速度－深度模型叠前深度偏移的输出

由两图可见，速度不准的初始速度模型，其叠前深度偏移剖面成像不佳，地质构造形态不清，难于解释，且CRP道集上的同相轴深度不一，呈弯曲形态。而用射线跟踪层析法所获较准确的速度模型所作的叠前深度偏移剖面则成像清晰，地质构造形态和逆掩断层易于解释，其CRP道集上的同相轴基本上都拉平了。因此，利用上述特征可判断所求速度是否准确。速度－深度模型建立实现的过程可分为如下3步：①对选定的位置点给出一系列的层速度，进行共炮检距剖面段的叠前深度偏移，并以该位置点的共反射点道集一致性来确定层速度的取值；②对多个位置点进行A的处理，可获多个位置点的层速度，并对这些层速度作平滑处理可得层速度分布；③根据层速度分布进行叠前深度偏移，并从偏移结果中拾取深度分布，从而完成速度－深度模型的建立。

3．叠前深度域偏移成像技术

在高精度速度－深度模型基础上，利用Kirchhoff积分偏移方法进行最终的叠前深度偏移，后抽取共反射点道集叠加成像，从而获得高质量的深度域地震偏移叠加剖面。但目前这种方法是不保持振幅的，所以，叠前深度偏移产生的CRP道集还不能用于AVO分析和地层属性的反演处理。

4．处理参数选取

（1）层位拾取

要以主要速度层的反射同相轴作为模型的速度界面，实践证明，这样选取的层位其可靠性高，稳定性好。而要做到正确的选取，必须在地震资料地震地质解释专家指导下进行。

（2）速度模型选取

在建模过程中，要特别注意的是，横向速度的梯度变化或界面形态的梯度变化不能很大，即两者的梯度变化不能出现锯齿形态，否则偏移后的剖面波组很乱，无真实感。因此，要对速度模型作适当的修饰性处理。

（3）速度的精确拾取

由深度域的CRP道集图6-93可见，叠前深度偏移对速度是很敏感的，在550ms附近有一反射层，其速度为99%时反射同相轴基本拉平，成像最佳。而其速度为98%和100%时，反射同相轴拉不平，成像不佳。这说明速度相差1%，其成像结果差别较大，因此，精确地拾取速度是提高深度偏移质量的技术保证。

图6-93　深度域的CRP道集图

（4）偏移孔径的选取

该参数是叠前深度偏移处理中的主要参数之一，它的大小直接影响偏移噪声和成像如何。如偏移孔径过小，陡度大的层位得不到正确成像，而偏移孔径过大就要降低信噪比。因而，要通过认真地试验选取最佳的偏移孔径。在渤中28-2构造通过多种偏移孔径的试验，确认在inline方向上使用500，在Crossline方向上使用20°效果最好。

二、应用效果分析

（一）南海莺歌海盆地泥底辟应用

为解决南海莺歌海盆地泥底辟在时间域偏移地震剖面上，地震反射层杂乱，成像不好，有速度陷阱，其中深层反射同相轴明显下拉，从而形成构造圈闭等地质问题，在乐东22-1构造区作了二维叠前深度偏移处理，处理结果如图6-94所示。

由图6-94(a）和（b）的对比可见，深度偏移反射层成像大大地优于时间偏移的反射层成像，且塔形泥底辟构造两翼在时间偏移剖面上的下凹已基本消除，这说明叠前深度偏移消除了速度陷阱而形成的地质构造假象，较正确地反映了泥底辟构造的真相。

图6-94　乐东22-1构造叠前时间与深度偏移成果比较

（二）渤海锦州27-33构造应用

为解决渤海锦州27-33构造，其基底隆起右翼的大断层及其与下降盘地层的接触关系和构造形态在时间偏移剖面上不清楚的问题，用二维深度偏移技术作了处理，处理成果如图6-95(b）。由时间偏移剖面图6-95(a）与深度偏移剖面图6-95(b）的对比可见，在深度偏移剖面上，其隆起右翼大断层成像清晰了，归位准确合理了，其与下降盘地层正牵引的接触关系和断崖扇体的外形都清楚了。

图6-95　锦州27-33构造叠前时间与深度偏移成果比较

（三）渤海渤中28-2断裂构造应用

为解决渤中28-2断裂构造在三维时间偏移剖面上，其中深层反射层和断层成像及归位问题，以确定落实渤中28-2的断裂构造形态，用三维叠前深度偏移技术作了80km²的处理，处理剖面如图6-96(b），水平切片如图6-96(d）。

由图6-96(b）与（a）和图6-96(d）与（c）的对比分析可见，三维叠前深度偏移数据体具有中深反射层成像清晰、断面波强而归位合理的特点，特别改善了基底及其下内幕大倾角反射层的成像清晰度，使基底及其下地层结构、构造形态易于对比追踪解释、断裂构造形态和断层的分布更加清楚了。

图6-96　渤中28-2断裂构造三维叠前时间与深度偏移成果比较

图6-97　渤中25-1三维叠前深度偏移技术处理图

（a)inline190测线三维时间偏移剖面；（b)inline190测线三维叠前深度偏移结果经转换得到的时间偏移剖面

（四）渤中25-1断裂构造应用

为解决渤中25-1断裂构造在三维时间偏移剖面上，其中深层反射层和断层成像和归位问题，以更精确落实该构造的形态，为开发可行性研究提供可信的依据，用三维叠前深度偏移技术作了约80km²的处理。其处理剖面如图6-97(b），水平切片如图6-98。由图6-97(b）与（a）的对比分析可见，三维叠前深度偏移剖面具有中深层信噪比较高、反射层和断面波成像清晰、归位合理等特点，特别改善了基底及其下内幕反射层的可对比追踪性。由图6-98(a）与（b）对比分析可见，三维叠前深度偏移的水平切片，信噪比高所反映的主断层和沙河街组二段主力含油气砂岩储集体——扇三角洲的分布形态十分清楚。

总之，实践和模型验证，叠前深度偏移技术是解决因速度横向变化，在时间域造成的地质构造假象和改善复杂断裂构造、地层和断层反射成像、正确归位的有效技术手段。

图6-98　扇三角洲的分布形态图