页岩气地震勘探技术-全方位角度域成像与分析技术

全方位地下角度域波场分解与成像提出一种新的地下角度域地震成像机制，生成并提取地下角度依赖的反射系数。这一成像机制可使地球物理学家直接在地下局部角度域（Local Angle Domain，LAD）以一种连续的方式利用全部记录到的地震数据，产生两类互补的全方位共像点角度道集：倾向与反射成像角度道集。这种来自两类角度道集的完整信息，可确定出精确的高分辨率的可靠的速度模型以及储层表征。方向角度道集分解能够实现真实三维各向同性/异性地质模型下的镜像与绕射成像，可以同时突出强调连续的构造界面和不连续的地质对象，如断层和小尺度裂缝。在地下发射界面上的每个点的倾角、方位角和连续性等构造属性能够从方向角度道集中提取得到。而反射角度道集则把发射系数显示为反射面开角和反射开面的方位角的函数。这些角度道集在实际的局部反射界面附近特别有意义，因为在局部反射界面附近时反射角的计算与导出的背景镜像方向有关。反射角度道集用来自动拾取全方位角度域的剩余动校正量（Residual Moveouts，RMO），与导出的地下反射层位的背景方向信息一起为各向同性/异性层析速度建模提供一系列完整的输入数据。而全方位、入射角度依赖的振幅变化则可应用于可靠且精确的振幅随入射角和方位角变化分析（AVAZ）和储层表征。全方位地下角度域波场分解与成像技术对于复杂构造下部的成像与分析特别有效，如盐下和玄武岩下、高速碳酸盐岩下、浅层低速气口袋下部成像等；此外还可用于精确的方位各向异性成像与分析，为裂缝检测和储层表征提供最优的技术解决方案。

当前，地球物理学界和工业界研究与强调直接生成地下反射点的共像点角度道集的重要性，而不是广泛采用的地表偏移距成像道集，特别是在存在地下多值路径的复杂地质条件下，直接生成地下真正反射点的共像点角度道集尤其重要。

尽管角度域成像的有关理论已经相当完善，但是在数值实现方面，特别是适用于大尺度3D模型，或者用于高分辨率储层成像，仍然存在极大的挑战。Korenet等发展了共反射角度偏移（Common Ref lection Angle Migration，CRAM）方法，在实际复杂3D地质条件下，提出一种基于射线的角度域真振幅偏移的一种GRT类型及其数值实现。不同于传统基于射线的成像方法，CRAM方法的射线追踪从地下成像点向上到地表，单程绕射射线向所有的方向追踪，形成一系列的射线对，用于将地表地震记录的数据映射为反射角度道集。

全方位地下角度域波场分解与成像方法是对CRAM方法的一个扩展，用于成像的数据在局部角度域分解成两个互补的全方位角度道集，它们互相结合，能够以一种连续的方式处理全方位信息，提供一种更加完善的地下角度域地震成像方法，并且能够生成与提取地下角度依赖反射系数的高分辨率信息。从两类角度道集中得到的完整的系列信息能够区分连续的构造界面和不连续的对象，比如断层和小尺度裂缝，也可以进行更加精确的高分辨率可靠的速度建模及储层表征。

本节论述全方位地下角度域波场分解与成像中方向与反射成像道集的生成与应用。首先给出方法原理，生成两个互补角度道集的出发点，重点强调两种道集的应用可以获得全新的信息。然后阐述全方位地下角度域分解方法，得到方向和反射角度域道集，给出两类角度道集生成的详细数学推导，并描述新的三维柱状道集如何构造，在油田实例部分，给出实际数据计算的例子，包括陆上和海上资料，展示采用方向角度道集进行不同类型加权能量叠加的效果，以及从全方位反射角度道集中提取丰富的信息，进行地震波运动学和动力学分析。最后给出有关结论。在全方位地下角度域波场分解与成像基础上，进一步定义地下局部角度域LAD的分量，推导出适用于一般各向异性介质和转换波的从入射和散射慢度矢量到局部角度的变换公式，或者反推公式。

1.局部倾斜叠加和射线束控制

高斯束偏移方法已经成功得到实现，有效改善了复杂地质条件下基于Kirchhoff偏移的成像效果，特别是解决了多值路径问题。快速射线束偏移目前已普遍采用，尤其是用于只存储和使用能量束的速度建模。这些射线束偏移需要在偏移之前对记录的地震道进行预处理。

射线束的构造主要基于一种局部逐渐减弱的倾斜叠加方法，正常情况是在粗的网格上进行，主要取决于输入数据的主频。局部倾斜叠加方法通常可以提高信噪比，因此可以改善构造成像的连续性。注意，每一个射线束的同相轴都和旅行时间、炮点接收点面积及方向等相关联。本方法能同时实现射线束的生成与偏移。但是，在整个分解和成像的阶段，射线束是不断地在生成和偏移的，对于每个射线对，一系列在积分范围内的围绕源射线的炮点和相应的在接收射线附近的检波点都被读取，进行倾斜叠加。

图3—51给出高斯束的示意图，为简化，只显示单个炮点，实际上在每个源射线周围，需要处理一群炮点。每个射线的积分范围分别通过局部菲涅耳带进行估算。设菲涅耳带是围绕中心源射线和中心接收射线的圆形区域在地球表面的椭圆形投影，主半轴分别表示为：

图3—51　单个炮点高斯束偏移示意图

蓝色的圆圈（看上去是个椭圆）是中心射线到点处射线束的正常交叉剖面，而红色的椭圆则是蓝色圆圈在采集地表的投影，代表菲涅耳带，红色椭圆的主半轴等于蓝色圆圈的半径，次半轴取决于到达点中心射线的倾角υ1surf。

其中参数σ′近似几何扩散，单位是［σ′］＝m2/s。

对于每个射线（源与接收点），次半轴和主半轴之比由相速度在地表处的倾角υ1surf决定，RFmin/RFmaj＝cosυ1surf，椭圆区域的离心率为ξF＝sinυ1surf。这样，积分范围的面积AF＝πRFminRFmaj可从每条射线的Jacobian矩阵J和记录数据的主频进行计算。用于局部叠加的斜率分别从源射线PS和接收射线PR的慢度矢量获取。局部逐渐减弱的倾斜叠加同相轴可由下式构造：

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其中Nf为归一化因子，ΔS＝｛Δxs，Δys，Δzs｝，ΔR＝｛ΔxR，ΔyR，ΔzR｝分别是沿着采集地表z＝z（x，y）菲涅耳带范围里局部面积内叠加地震道对应的炮点和检波点当前位置与中心位置之间的位移量。U（S0+ΔS，R0+ΔR，t+Δτ）是记录的地震数据，t＝t（M，S0，R0）是中心射线的双程旅行时，ftaper（ΔS，ΔR）是高斯锥，Δτ是位置移动对应的旅行时间校正量，如式（3—87）所示。

这样，在偏移之前统一先构造偏移射线束，采用构造的局部射线束对每个射线对和每个点进行偏移，理论上比标准的射线束偏移更加准确。射线束控制的方法又可用于衡量倾斜叠加之前待用子波的一致性（或相似性），确保只偏移有能量的同相轴。

2.镜像性倾角道集

本方法的主要目的是能够提供一种方法沿地震倾角道集将反射能量和总的散射波场进行有效的分离。其基本思想是：一般认为在实际的镜像（反射）倾向中，υ*1、υ*2对于所有的开角γ1和开面方位角γ2沿反射同相轴的一致相干性（相似性）比其他非反射方向计算的相干性要大。为估算每个方向的相干性，要计算两个辅助的方向角度道集、能量和照明度。通过所有反射角度对核函数进行积分，计算能量方向角度道集：

其中核函数Kυ和倾斜度因子H分别由式（3—73）和式（3—72）定义。注意到三个方向角度道集：地震Iυ（M，υ1，υ2）、能量Eυ（M，υ1，υ2）和照明度Nυ（M，υ1，υ2）都是在同一成像过程中计算得到的。镜像性道集则通过下式计算：

3.倾角道集的应用：高清构造成像

全方位方向角道集可以用来镜像叠加，提高地震资料成像的信噪比及精度，它是一个将真实反映地层倾角的CRP道集进行叠加的过程。也可以进行离散叠加成像，得到的成像体可以提供更加清晰的断裂成像，对寻找一些微小断裂有很大的帮助，从而实现高清构造成像。在进行高清构造成像前，我们需要针对数据做倾向分析，来查看地层大约在哪个倾角角度范围。实例详见第3.5节，这里简述一下高清构造成像的相干加权原理。

图3—52　倾角道集高清构造成像的两种方法

镜像能量加权叠加是针对全方位共倾角道集的不同倾角道集进行加权叠加，其公式如下：

式中，Nυ指方向球面上的面元数；p是振幅加权系数。

能量的相干性，我们可以类比一下时间域速度建模时的速度谱，相干性最强的点即是理论上准确的速度点，这里相干性最强的点理论上则是真正的反射点能量。镜像加权则是加强相干性强的能量，如图3—52（b）所示，可以提高地质构造成像的精度。散射叠加是镜像加权叠加的反过程，如图3—52（a）所示，通过散射加权叠加，可以突出地下地层的断层和细微断裂，以及碳酸盐的溶洞等特殊散射体。

简言之，全方位地下角度域分解与成像方法是一套全新的深度域成像方法，可以产生连续的全方位角度域成像道集。在地下局部角度域引入一套4个角度，描述入射和反射射线的方向与地下局部角度之间的正变换和逆变换。尽管这里给出的是基于射线的方法，但是这套理论对于波动方程偏移成像也是适用的。得到的两个互补的方向角度道集和反射角度道集，传递出地下模型高分辨率信息，尤其是创新的方向角度道集，能够自动提取地下地质体的几何属性，如倾角、方位角和连续性（镜像性）等，也能够通过加权镜像或绕射能量产生不同类型的偏移叠加成像结果。对每个成像点独立进行全方位角度域分解，可对研究区域和相应的地震数据的范围、局部性和方向等进行很好的控制和定制。因此，这套成像系统可以用于局部目标导向的直接高分辨率储层成像，也可用于全局全部数据体海量地震数据的偏移成像。