随着地震勘探的不断深入,山前带、超深层已成为重点攻关领域,但是这些地区地质结构复杂,深部经常发育特殊岩性体^[14](如火成岩、膏盐岩等),给油气开发带来很大困难。以深部膏盐岩为例,它通常具有低速特征,与围岩速度差异大,这种厚度与速度的横向变化,导致速度建模误差较大,盐下构造容易产生畸变,构造圈闭难以落实。

在速度建模领域,前期学者进行了大量的研究。目前主要包括波形反演^[5]和走时层析^[6-11]两大类。全波形反演方法基于波动理论,具备反演高波数速度信息的能力,但该方法对地震数据品质要求较高,虽然在海洋资料处理中得到越来越多的应用,但在陆地资料处理中仍无法大规模应用推广。而走时类层析成像方法对数据品质要求低、计算效率高,是目前工业界的主要速度建模方法。其中最为常用的是网格层析方法,该方法基于数据驱动,利用离散的矩形网格点对地下空间连续的介质剖分,通过解析建立的矩阵方程来反演迭代局部的速度扰动,在地层连续沉积、构造相对稳定的工区取得了较好的应用效果。但是对于深层的特殊岩性体,常规网格速度层析建模方法难以适应局部剧烈横向速度变化,速度边界难以准确刻画,反演模型精度存在较大误差。

针对以上问题,本文以深层膏盐岩为例,采用一种小尺度局部层析方法。该方法在常规网格层析基础上,构造新的速度异常体层析目标函数公式,将岩下局部剩余残差通过层析转化为特殊岩性速度更新量,实现膏盐岩体的局部速度更新,最后通过实际资料处理验证了该流程的有效性。

网格层析建模技术完全数据驱动,不需要先验地质信息,是目前最常用的建模方法。在给定了初始速度模型后,模拟记录与观测记录的走时残差可以通过慢度差沿射线的线性积分得到,即

式中: Δt代表从震源s到检波器r的旅行时残差,dl代表射线路径的微分,Δs代表初始模型与真实模型的慢度差。

将上式网格离散化,写成矩阵形式:

式中:L代表灵敏度矩阵,表示每个射线在网格内的长度。

网格层析反演时,需要通过偏移和层析交替迭代进行速度更新。首先利用深度域偏移的成像道集上求取剩余时差Δt_RMO,可以表示为,

式中:Δt_RMO代表走时残差;s代表慢度;θ、φ分别代表偏移入射角和地层倾角;Δz代表成像道集上的剩余深度差。将式(3)代入式(2)即可得到网格层析反演方程。求解该反演方程可以得到慢度更新量,再经过多轮迭代,即可得到网格层析后的背景速度。

常规的全局网格层析方法可以建立稳定的背景速度场,但是对于速度异常体,难以刻画速度突变边界,容易产生构造假象。因此利用局部层析反演方法构建速度异常体层析目标函数,实现仅对速度异常体精细反演,提升对局部速度的反演分辨率。在背景速度确定的基础上,具体实现步骤如下:

1)特殊岩性体层位解释:在局部层析前,利用初始速度模型成像结果,依据特殊岩性体与围岩明显的波阻抗界面,完成特殊岩性体顶、底层位的高精度解释,获得相对准确的分布特征,作为下一步局部层析反演的指导层位;

2)岩下道集剩余残差拾取:受特殊岩性体速度精度的影响,岩下构造难以准确成像。而成像道集上同相轴的剩余残差就是特殊岩性体速度异常信息的表征,对这部分剩余残差进行高密拾取;

3)层位约束层析反投影:构造新的速度异常体层析目标函数公式,将岩下局部剩余残差通过层析转化为特殊岩性速度更新量:

式中:z_true代表计算深度;z_pick代表拾取深度;ε₁代表平衡反演权重的系数;D代表层位约束算子;Δv代表速度更新量。其中,第一项为岩下成像道集拉平项,第二项是第一项的约束项,即利用特殊岩性体顶、底层位对速度更新量进行空间滤波,使特殊岩性体顶界面以上速度更新量为零,仅在岩性体范围内有更新量,将获得的岩体更新量与初始模型相加,即得到局部层析反演速度模型。

图1是某实际数据地震剖面,该地区地下构造复杂,深层发育低速的膏盐体,存在明显速度反转,由于膏盐体速度难以刻画,导致岩下构造成像质量较差(图1黑圈所示),膏盐体边界难以识别,影响构造圈闭的可靠性。

图2a为膏盐刻画的初始速度模型,该模型盐上沉积层速度相对准确,膏盐位置为大尺度平滑速度,需要进一步精细刻画。分别采用常规网格层析方法及局部层析方法进行精细反演,得到模型如图2b、2c所示,其中图2c为局部层析反演结果。通过对比,可以看出常规网格层析方法建模结果可以反映膏盐体的大尺度构造轮廓,但速度场较为平滑,与围岩速度边界不清晰;而局部层析反演方法除了能够得到大尺度背景速度,还能够反演得到清晰的膏盐体速度边界,速度模型精度明显提升。图3为两种方法膏盐体速度反演的更新量对比,可以看到,常规网格层析方法(图3a)由于进行全局速度更新,速度分辨率较低,围岩的高速更新量会“污染”膏盐体速度更新,导致膏盐速度边界不清晰,而局部层析方法(图3b)可以仅对局部的异常体进行速度更新,不受围岩影响。

图4为局部层析反演前后的速度模型对比,可以看出经过局部层析后,膏盐体速度得到更新,速度边界更加清晰。图5是局部层析反演前后的CIG道集对比。在速度更新前,由于膏盐体速度刻画不准确,下伏地层同相轴存在明显下掉特征(如图箭头所示)。经过局部层析反演更新后,膏盐体岩下的同相轴得到进一步拉平。图6局部层析反演前后下伏地层成像对比。可以看到,经过局部层析反演后盐体边界下掉的现象得到改善(如图箭头所示),成像更加聚焦。

图7为常规网格层析与局部层析反演膏盐体速度的水平切片对比,绿色代表低速的膏盐体,可以看出,局部层析速度建模后,膏盐体空间多尺度信息及速度的精度明显提高,细节更加清晰。图8为两种方法对应的 RTM 成像结果。可以看出,由于常规网格层析方法对膏盐体速度刻画的局限,导致盐下成像质量相对较低;而图6b中经过局部层析反演后,膏盐体成像质量显著提高,内部成像更聚焦,盐下与围岩边界成像更加清晰,黄色箭头位置断面成像更清楚,更有利于后续对构造圈闭的精细解释。

在构造复杂地区,全局网格层析方法可以解决构造背景的成像问题,但是对于膏盐岩体等特殊异常体难以准确刻画。在全局网格层析的基础上,本文采用了一种局部层析的速度建模方法。该技术通过构建速度异常体层析目标函数,将岩下局部剩余残差通过层析转化为异常体速度更新量,实现了对速度异常体精细反演,提升对局部速度的反演分辨率,可以建立更加符合地质认识的高精度速度模型,有效提升深层局部膏盐体成像质量。这也证明了对于复杂工区先采用全局网格层析建立背景速度,再利用局部层析进行细节刻画的建模思路具有较大实际应用前景。