页岩气地震勘探：各向异性层析成像速度建模

众所周知，速度建模是地震资料成像处理的核心。多年来人们还是在依据不同域的道集拉平、能量叠加来判断最佳速度，产生新的速度分析手段、判别准则比较难，这就迫使人们转向求助综合地质判断正确分析速度。

这里我们从初始的时间域速度建模开始，重点介绍深度域的速度建模，简述一下整个各向异性速度建模的流程及相关技术。

1.时间域速度建模

复杂地区地震成像的关键问题是低信噪比和复杂地表情况下如何准确估计偏移速度。为此我们提出的时间域偏移速度建模思想是：对偏移速度进行常规垂向速度分析进行优化，借助于层速度与构造约束的理念开展时间偏移速度建模研究；初始时间域层速度来源于较高质量的均方根速度模型，利用约束反演的方法得到并优化时间域层速度；利用剩余速度分析和层位约束进行速度优化；利用弯曲射线叠前时间偏移方法开展叠前偏移。这里我们把叠前时间偏移作为一种偏移速度分析工具，利用它可以得到较为准确的初始速度模型。流程如图3—45所示。

图3—45　叠前时间偏移均方根速度建模流程

2.深度域速度建模

叠前深度偏移处理技术是目前解决山前带复杂构造精确成像的最佳手段。从初始模型的获得到层速度建模再到网格层析以及每个步骤的优化，都需要精细的雕刻和反复的实验，在建立好工作流程的同时注意每个细节是精确成像的关键。这里我们着重讲深度域各向异性层析成像的速度建模，其基本流程是：用层析法进行速度优化得到最终的时间域层速度模型。在此基础上开展深度域层速度模型建立与优化，同时利用井资料建立深度域各向异性参数体，并利用叠前深度偏移进行速度优化与比较。

在此，我们主要讲述Kirchhoff速度建模的方法，它是一个逐步渐进的过程，与偏移密不可分，需要通过多伦偏移迭代，每一轮生成不同的剩余量来对速度进行校正。

叠前深度偏移速度建模所需数据准备包括：精细处理后的CMP道集，叠加数据体和时间偏移数据体，叠加速度和时间偏移速度。深度域速度建模的主要思路是：

（1）以地震资料精细处理道集成果为基础，与处理解释相结合，利用叠前时间偏移数据体建立构造模型；

（2）利用叠前时间偏移建立的速度场进行转换得到深度域初始层速度—深度模型，准备初始目标线叠前偏移；

（3）根据初始层速度模型，通过试验确定偏移孔径，在此基础上开展目标线叠前深度偏移，得到共反射点成像道集；

（4）基于生成的共反射点道集，利用剩余速度延迟分析和层析成像等技术迭代修改和优化层速度—深度模型；

（5）最后用优化后的最终速度模型开展后续的各向异性速度建模。

也可以不采用沿层速度建模，尤其对于构造复杂的地质目标体，对于分层明显的地区，沿层建模具有很好的优势，对于复杂地区，我们也可以直接对全局进行网格层析，来应对分层不明显的问题，并克服沿层速度建模的层与层之间速度差别较大，层内部速度变化尤其垂向变化较小的技术不足的问题。

以沿层建模为基础，速度建模具体展开实现的步骤如下。

1）时间域构造模型建立

叠前深度偏移速度建模需要建立一个准确的构造层位模型对速度—深度地质模型的建立进行约束。为此，首先要在时间偏移数据上进行构造层位解释，时间域构造层位是否正确将直接影响层速度求取的精度和成像效果。由于叠加剖面上绕射波、断面波等纵横交错，很难拾取时间层位，故应在时间偏移剖面上尽量选取强能量的速度界面，进行构造层位解释。当然这些构造层位模型建立要基于井资料标定后开展解释，且是一个具有地质含义的层位构造模型。为了准确建立速度模型，首先由浅层到深层通过解释层位按照构造变化建立构造模型，因为它直接影响速度模型的建立精度。构造解释要遵循以下原则：通过构造解释来控制浅层—深层构造平面分布；沿界面开展层析法速度反演，将会取得界面速度分布；为了考虑地层速度分析精度，尽量选强构造层位，以此控制层速度横向变化；层位之间间隔应在300 ～500 ms，由浅到深控制层位空间变化。

2）初始层速度—深度模型的建立

层速度求取是借助于构造层位、CMP道集、时间偏移速度模型等综合完成的。层速度求取分为层速度相干反演法、叠加速度反演法、层速度转换三种。在水平层状或平缓地层的情况下，常用偏移速度转换层速度；当工区信噪比低时，速度反演是一个比较好的选择；而相干反演法不受地层倾角的限制，有比较高的精度，但是同时也需要资料有较高的信噪比。对信噪比低的地震资料常常把三种方法相结合来求取层速度。

3）目标线叠前深度偏移

有了初始层速度模型，可以进行目标线的叠前深度偏移。目标线的选择一般要求能够控制速度的纵横向的变化，其目的是为了产生用于模型修正的CRP道集。叠前深度偏移若采用Kirchhoff积分法，其旅行时间计算方法有：Fermat法、球面Eikonal程函和波前重建等。其中Fermat法使用了直角坐标网格；而球面坐标系网格接近于真正的波前传播，提供更好的成像效果。球面Eikonal方法给出了Eikonal方程解。波前重建方法对地震波场进行重新建造，原理上它支持多路径或多到达时，但运算量巨大，目前它仅支持最短路径。偏移方法同时包括最短路径与最短时间选项，后者是缺省值。如何选择，需要依具体情况而视。

4）层析法速度模型迭代优化(www.xing528.com)

叠前深度偏移是以模型为出发点，目的是得到更清晰的地下模型，其成像过程实际上是一个不断迭代与优化的过程。利用初始的速度模型作为输入，以几条条线为间隔对每一条目标线进行叠前深度偏移，得到深度域成像道集与目标线深度偏移剖面。如果速度模型正确，则CRP道集被拉平；反之，则CRP道集存在一定的时差，深度延迟谱中存在一定的延迟量。深度延迟量是用于速度模型修正的依据，因此延迟量的计算及延迟量的拾取非常重要。延迟量计算时应慎重选取切除线及时窗大小。拾取延迟谱时，应尽量平滑，沿趋势拾取。我们主要选择沿层速度优化思路。

层析成像法速度模型优化：层析成像法是优化深度速度模型的一种全局方法，它利用每一层的剩余误差作为输入，寻找一个最优的速度模型，从而使误差最小。当层速度模型与实际情况比较接近时，进一步精细优化需要采用该方法。该方法耗费大量机时，需要做并行运算。通过同时对速度和深度进行修改，得到最终速度模型。经过模型优化后得到新的深度偏移结果，可帮助重新认识工区的地质情况，验证所采用的模型是否合理，通过进一步修改模型，使偏移成像结果更符合地下地质情况，以确保取得较好的成像效果。偏移结束后，经过做垂向剩余深度延迟分析，产生深度延迟数据体，进一步做剩余叠加；同时在成像道集上精细选取切除线，重新叠加得到最终深度偏移结果。

以上是各向同性速度建模的建议流程，在此基础上，通过井资料我们可以进行VTI各向异性速度建模。

各向异性介质是指弹性波的传播速度随方向而异的物性介质。其中VTI介质是具有垂直对称轴的横向各向同性介质。其主要特征表现在具有垂直对称轴和水平平行各向同性面。可以看出，VTI各向异性的假设较各向同性的假设更接近于实际地下介质。

Thomsen于1986年给出了表征VTI介质弹性性质的5个参数C11，C33，C44，C13，C66，其中描述P波各向异性的参数有3个：p0，ε和δ。只要求出这3个参数，就可以利用 VTI各向异性叠前深度偏移算法进行各向异性偏移。流程如图3—46所示。

图3—46　全方位各向异性（VTI）速度建模流程

各向异性参数可通过以下公式求取。

（1）计算δ

根据井分层与构造层位厚度统计，则

式中，δ为P波在垂直方向上的差异，针对VTI各向异性介质，P波横向速度比垂向速度快；ΔZI代表地层厚度；ΔZA代表井分层厚度。测井速度是垂向方向分量，地震波速度包括垂向和横向方向分量的速度，因此当不考虑各向异性介质时，测井速度小于地震速度。通常δ的范围为—0.2 ～0.5。

（2）垂向速度体计算公式

得到δ值后，代入下面的公式获得初始的各向异性层速度：

式中，为各向异性层速度；为各向同性层速度。

（3）确定ε参数

ε代表P波水平方向和垂直方向上的关系，一般操作中Epsilon值通过假设ε＝δ获取。

通过上面的一系列公式，可以得到各向异性三个参数的初始模型，同时也可以看出，这三个参数相互关联，其中后两个参数都是要通过δ值求取的，而要想获得正确的δ值，必须有准确的测井曲线建立的地质分层数据。通过各向异性参数求取偏移，从各向异性偏移得到的连井地震剖面和速度可看出误差得到有效消除，同时速度和井速度基本吻合。

求取完三个VTI参数后，VTI速度建模基本完成，真正的各向异性速度建模还需要进行TTI建模，需要再次求取方位角各倾角参数才能得以进行，这两个参数一般可以从已偏移得到的数据体中提取出来，这里不再详述。

为了增强对大的速度体模型和复杂地质体速度的层析成像的精度，网格层析成像支持多方位角更新、各向异性参数更新以及各个反射层和剩余延迟的自动拾取。该方法所有的运算（包括数据分配、自动拾取、网格层析成像运算时形成矩阵和解矩阵）均采用了PPF模式以确保庞大的运算量能高效的运行（如图3—47所示）。该方法可以克服层速度建模中同层内部纵向速度变化缓慢、横向变化较大的问题，更加适应复杂构造成像，使得速度模型与地质体更加温和。

基于网格层析的成像技术是基于层位的层析成像技术和基于实体模型的层析成像技术的有力补充，致力于把每个深度偏移CRP道集的每个较强同相轴拉平，不论同相轴是处于层位位置还是处在两层之间。

图3—47　网格层析速度模型流程