页岩气地震勘探技术与成像分类进展

1.偏移成像进展

在20世纪60年代以前为古典偏移成像阶段。该阶段是勘探地震学初创并缓慢发展的阶段。地震偏移成像技术是一种手工操作的制图技术，只能求得地下反射点的空间位置，而不考虑反射波的特点。其间经历了以下历程。

1）地震波成像的探索阶段

1923—1953年，勘探地震学处于初创期，勘探地震学缓慢发展，人们对地震波成像的认识还处于探索和尝试阶段，勘探地震学家对地震波传播等概念有了较为贴切的认识，其标志性事件是Rieber首次阐明了地震波传播过程、地震波速度和反射界面之间的关系。

2）波传播概念解释地震波成像阶段

1954—1959年，勘探地震学进入用波传播概念解释地震波成像的时期，其标志性事件是Hagedoorn提出地下任何一点都可以看作一个二次震源，地表记录就是地下所有二次震源产生的绕射波叠加的理念。

3）早期的计算机偏移成像阶段

20世纪60—70年代期间为早期的计算机偏移成像阶段。在该阶段随着计算机技术的出现，在古典的偏移成像方法基础上，发展了早期的计算机偏移成像技术，其中符合地震波传播原理的那些方法获得了成功。尽管这些方法使用了波前、绕射等地震波传播的Huygens原理，但只是定性的、概念性的。

4）波动方程偏移成像阶段

自20世纪70年代以来，地震偏移成像技术进入波动方程偏移成像阶段。波动方程偏移成像技术在最近40年间迅速发展并不断完善，其间发生了以下标志性事件：1971年Clearbout利用有限差分法解单程波动方程的近似式，并提出成像条件的概念；1976年，Loewnthal等提出爆炸反射面的概念，对于理解叠加剖面的偏移成像具有实际价值；1977 年，Hubral提出成像射线的概念，对认识深度偏移的本质具有实际意义；1978年，Schneide在绕射偏移法的基础上使用了波动方程解的Kirchhoff积分公式，并发展为地震偏移的波动方程积分法，使绕射偏移建立在波传播的基本原理之上，因而改善了偏移剖面，取得了良好的效果。另外，波动方程偏移技术的发展和完善与前人的努力密不可分。如马在田提出了高阶方程的分裂算法，对于提高有限差分法的偏移精度有很大贡献；Yilmaz等提出的双平方根法为叠前偏移奠定了基础。

进入21世纪以来，随着计算机技术的飞速发展以及理论研究的深入，地震偏移成像技术进入空前发展的新阶段，由波动方程偏移方法衍生出各种有效的方法技术。逆时偏移再次成为地球物理学界的热点，利用双程波动方程对波场进行延拓，避免了对波动方程的近似，将波动方程的解直接用于波场延拓中，因此在成像过程中不需对速度做近似，无倾角限制，从原理上讲可以对回转波、棱柱波等成像，并使多次反射波收敛聚焦。高斯束偏移作为Kirchhoff偏移准确而有效的替代方法，不但具有接近于波动方程偏移的成像精度，同时还保留了积分法偏移灵活、高效的特点以及对非规则观测系统良好的适应性，为焦散区、阴影区等复杂地区成像提供了便利。共聚焦点偏移能够依据等时原理和差异时移检验所用偏移速度场的正确性和成像的聚焦性，实现保幅偏移成像及AVO/AVA 分析等。此外，还有很多波动方程偏移成像方法技术，此处不再介绍。

2.偏移技术分类

偏移技术由于使用计算机技术而引起了许多革命性的变化——从研究简单探测目标的几何图形发展成研究反射界面空间的波场特征、振幅变化和反射率等。反射地震方法是根据在地面上以一定方式进行弹性波激发，并在地面的一定范围（孔径）内记录来自地下弹性分界面的反射波来研究地下岩层结构及其物性特征的一种方法。因此，也可以把反射地震方法看作是一种反散射问题。就反射地震观测方式的特点而言，其成像分为两步：第一步是按照一定的方式记录到达地面的反射波；第二步是用计算机按一定的计算方法对观测数据进行处理，使之成为反映地下地质分层面位置及反射系数值的反射界面的像。地震偏移技术就是在第二步的过程中使反射界面最佳地成像的一种技术。可根据不同的标准对目前的地震偏移成像技术进行简单分类：按照所依据的理论基础，可以分为射线类偏移成像和波动方程类偏移成像；根据输入数据类型，可以分为叠前偏移和叠后偏移；根据实现的时空域，可以分为时间偏移和深度偏移；按照维数，可以分为二维偏移和三维偏移等；根据地表情况，可以分为非起伏地表偏移和起伏地表偏移；根据介质的复杂程度，可以分为声波介质偏移、弹性波偏移和各向异性介质偏移等。(www.xing528.com)

1）射线类偏移成像和波动方程类偏移成像

射线类偏移成像技术和波动方程类偏移成像技术均以波动方程为理论基础，不同之处在于：前者利用几何射线理论计算波场的振幅以及相位信息，从而实现波场的延拓成像；后者则是基于波动方程的数值解法。两类方法各具特点，一般来说，波动方程偏移具有更高的计算精度，而射线偏移则具有更高的计算效率和灵活性。射线类偏移方法可分为Kirchhoff偏移和束偏移等。波动方程类偏移方法可分为基于双平方根（DSR）方程的单程波偏移、基于单平方根（SSR）方程的单程波偏移以及基于双程波动方程的逆时偏移。除此之外，近年还出现了一种介于偏移与反演之间的最小二乘偏移方法，利用反演原理对偏移成像的过程和结果进行修正，得到一个保幅的偏移结果，笔者将在下文进行详细介绍。

2）叠前偏移和叠后偏移

地震偏移可以在叠前进行，也可以在叠后进行。叠前偏移是把共炮点道集记录或共炮检距道集记录中的反射波归位到产生它们的反射界面上，并使绕射波收敛到产生它的绕射点上。在上述过程中要去掉传播效应，如扩散和衰减等，最后得到能够反映界面反射系数特点并正确归位的地震波形剖面（偏移剖面）。叠后偏移是在水平叠加剖面的基础上进行的，针对水平叠加剖面上存在的倾斜反射层不能正确地归位和绕射波不能完全收敛的问题，采用爆炸反射面的概念解决上述问题。对比这两种偏移方法可知：叠后偏移可以处理低信噪比数据，适用于水平层状介质或者小倾角地层；叠前偏移能够解决倾角不一致地层的成像问题，但是在数据信噪比较低的情况下可能会出现成像效果较差的现象。

3）时间偏移和深度偏移

时间偏移是假设横向介质速度不变，仅仅把绕射波收敛到绕射顶点上的成像技术。在介质存在横向变速的情况下，时间偏移给出的变速层下反射界面的成像结果是畸变的。深度偏移假设介质速度任意变化，把接收到的绕射波收敛到产生它的绕射点上，在任意介质分布情况下，深度偏移给出的地下反射界面的偏移结果都是正确的。为了更好地说明时间偏移与深度偏移的区别和联系，可利用成像射线的概念来诠释两者的区别。在横向速度不变的情况下，绕射时距曲线的顶点与地下绕射点具有相同的横向坐标点。但当横向速度变化时，横向变速层下的绕射点对应的绕射时距曲线的顶点与地下绕射点不具有相同的横向坐标位置，绕射顶点的横向坐标位置向倾斜速度分界面的上倾方向偏移，偏移量的大小与横向速度变化量有关。Hubral提出了成像射线的概念：成像射线是从绕射曲线的顶点对应的地表处的横向坐标位置出发达到地下绕射点的射线。当横向速度不变时，成像射线是垂直向下的，此时绕射时距曲线顶点的横坐标位置是正确的，否则收敛后的绕射时距曲线顶点的横向位置是错误的，此时时间偏移结果也是错误的。这从理论上进一步说明了时间偏移仅适用于水平层状介质情况，而在横向变速介质情况下有必要应用深度偏移进行成像。

4）二维偏移和三维偏移

三维偏移与二维偏移相比，其优势非常明显：首先，地球介质本身就是三维的，二维偏移仅仅是对地球介质信息量和处理方式的一种简化处理，要想达到对地球介质的最佳成像效果，需要应用全三维采集方式和处理方式；其次，对于地下某一成像点来讲，三维偏移能够提供来自更多方位角的数据信息，不容易产生偏移假象；再者，对于某些特殊构造，二维偏移成像很难，必须通过三维偏移才能进行准确成像，例如盐丘的侧向反射问题。当然，从计算成本和实现难度来讲，三维偏移比二维偏移的计算成本和研究成本均要高很多。因此，在某个探区使用何种偏移方法，需要综合考虑各方面的影响因素来选择。

5）非起伏地表偏移和起伏地表偏移

陆上地震勘探往往会遇到复杂的地表条件，如沙漠、戈壁、山地等地区，此时近地表速度的横向变化以及起伏的地表对地震数据采集和处理造成了很大困难。在常规处理中，通常采用高程基准面静校正方法消除地形起伏的影响，这种方法隐含着一个明显的基本假设条件——地表一致性假设，即在地表起伏不大，低速带横向速度变化缓慢的地区，地下浅、中、深层的反射经过低速带时，几乎遵循同一路径近乎垂直入射至地表，这时它们的静校正量基本相等，用简单的垂直时移进行校正，其处理精度是足够的。在地表起伏剧烈且横向速度变化较大的山地等地区，地表一致性假设不满足，地震波经地下地层的反射在到达地表时的射线将不再垂直地表，因此这种简单的时移不能消除地形的影响，因而在偏移成像时就不能准确地反映地下地质构造，尤其对于斜层和陡倾的反射层，将造成过偏移或欠偏移的现象。在实际地震资料处理中，常常采用修改偏移速度场的方法应对这种情况，这仅仅是一种权宜之计，没有操作标准，只能凭借处理人员的经验。由此可见，基准面校正加非起伏地表偏移的成像精度有待商榷。此外，复杂的近地表形态、剧烈的横向速度变化和较高的近地表速度，会使地下反射记录发生畸变，使用非起伏地表偏移方法不能进行精确的深度成像，导致成像结果产生较大偏差。在这种情况下，一般需要考虑采用针对起伏地表的偏移成像方法和技术。

6）声波介质偏移、弹性波偏移和各向异性介质偏移

当今业界使用的大部分偏移算子都是基于地球介质为均匀、各向同性的声介质的假设下经过一定的近似得到的，因此其应用有一定的局限性。大量的研究已经证实地球介质存在各向异性，不考虑介质各向异性的偏移算子必然会带来一些在反射点归位方面的不可估计的错误。因此，研究弹性波以及各向异性介质偏移十分必要。在时间偏移中，利用各向同性算法对各向异性模型进行成像后我们发现：在叠后时间偏移剖面上，倾斜反射层在横向上存在定位误差，定位误差是上覆层各向异性平均非椭圆率、反射层倾角和上覆各向异性层厚度的函数；绕射没有完全收敛，在反射界面的端点上有绕射尾巴。随后，我们进一步给出如下结论：在极化各向异性介质中，所有纵波的时间域处理可以只用两个成像参数（水平层的时差速度和非椭圆率）来实现，从而为规模化应用带来方便。在各向异性介质条件下，采用传统的各向同性深度偏移算法会引起偏移误差，如用各向同性算法对横向各向同性（TI）介质的物理模型数据进行构造成像会产生误差，在大倾角情况下误差更大。此外，各向异性成像方法还有许多问题需要探讨与研究，如各向异性介质中相速度与群速度表征、频散关系的建立、均匀各向异性弹性波成像算子的求取以及非均匀各向异性介质成像问题等。