柴达木盆地三湖坳陷横波勘探中的低幅异常消除技术

王海立 邓志文 黄汉卿 于宝华 尹吴海 马立新 栗美华

1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司青海物探处 2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司3.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院

0 引言

三湖坳陷是柴达木盆地的主力产气区，迄今已发现了多个含气构造[1]。受储层含气的影响，纵波地震资料在气区成像精度差，构造难以准确落实。而横波则不受含气的影响，对含气区构造成像具有优势，但横波静校正问题严重，“低幅”异常现象发育，与低幅度地质构造相互混淆，难以区分[2-3]。

国内外学者开展了大量关于提高表层模型精度方法的研究工作。秦亚玲等[4]提出了用多项式拟合求取表层速度的思路；罗利等[5]提出了利用反射横波探测更深地层介质的思路；高厚强等[6]提出了采用分层网格层析迭代，提高表层模型反演精度；彭文和周熙襄[7]提出了利用瑞雷面波调查表层结构的可行性。但是，关于横波地震勘探中“低幅”异常现象消除的研究并不多。余嘉顺等[8]通过模拟低速层导致横波地震时间剖面上的“低幅”异常，认为在无有效手段对之进行校正的情况下，实施地震测量时应尽可能避开这种地段；还有部分地球物理工作者提出采用高密度横波表层调查来控制横波表层结构的变化，进而消除“低幅”异常现象。

为了提高三湖坳陷构造识别、含气检测及定量评价方面的精度，中国石油青海油田公司（以下简称青海油田）2001年、2006年先后开展了转换波勘探（PS波），气云区地震资料成像有所改善。李彦鹏等[9]利用同一接收点X和Z分量存在一定的初至时差，结合近地表纵横波速度比信息去除低降速带对横波的影响，计算横波的静校正量取得一定效果；2009年该区首次实施了纯横波（SH波）勘探，实施了一定数量的横波微测井，布设间距为2～3 km，通过横波微测井，进行横波速度建模并计算静校正量后，横波剖面中、低频静校正问题仍然存在；2018开展了纵横波双源勘探，布设了大量横波微测井，布设间距为500 m，仍然难以消除剖面上“低幅”异常现象。实践表明，很多低幅范围在500 m以内，而横波表层调查效率低、成本高，难以大规模实施，很难控制表层横波速度模型的变化。

2018年，三湖坳陷采用横波可控震源激发SH波，道距较小（10 m），初至密度高，具有较好的初至静校正基础。但是，受干扰影响，横波单炮初至近偏移距受到污染，无法识别，导致存在初至空白区，影响了初至反演精度。同时，该区横波折射层发育，存在多个高速折射界面，给横波高速界面的选取带来了一定困难。针对存在的问题，笔者先通过曲线拟合对近道污染区初至时间进行了预测，弥补了空白区初至，保证了初至层析反演所用初至数据的完整性；为了进一步提高浅层横波速度模型的刻画精度，同时反演出包含多个折射层的横波速度模型，采用面波模型与多层折射分层联合约束反演技术，建立了表层横波速度场；最后通过基于速度谱分析的速度层位匹配选取横波高速层界面。利用该技术组合建立了比较合理的横波速度模型，取得了较好的静校正效果，有效地消除了“低幅”异常现象。

1 技术方法

1.1 基于曲线拟合的初至时间预测

横波勘探一般采用横波可控震源激发地震横波[10]。受地表条件和横波震源机械影响，部分近偏移距范围横波初至存在受干扰影响的污染道（可影响几十道），难以有效拾取。如果对干扰横波初至不做拾取，会存在部分连续的初至空白道，势必会降低初至层析横波速度模型的反演精度[11]，进一步影响横波地震成像的质量。

三湖坳陷采用了纵横波双源激发，同一炮点上既激发横波也激发纵波，纵波初至较为清楚，可以有效拾取。从横波单炮初至时间的统计看，横波单炮近偏移距初至时间曲线没有明显的拐点，呈现连续曲线特征。基于这一特征，提出了通过拟合曲线，预测受污染的近道横波初至时间的方法。

首先通过少量横波表层调查求取污染区浅表层纵横波速度比，根据同一炮点上可有效拾取的纵波初至时间计算浅层纵波视速度，再结合速度比计算求取横波视速度[12]；然后利用横波斜率关系求取少量近道（部分道，数量远小于污染道）横波初至时间；再拾取未受干扰影响的横波初至道；最后将求取的近道横波初至时间和可拾取的横波初至时间进行多项式曲线拟合，通过拟合曲线关系，根据偏移距大小，计算受干扰影响无法拾取的污染道的横波初至时间。如图1所示，蓝色点为计算出的近道初至时间，红色点为可拾取的初至时间，对蓝色点和红色点进行曲线拟合，黑色点是根据拟合曲线方程预测的污染区初至时间。

1.2 面波反演表层模型

图1 污染区横波初至时间曲线预测图

通过曲线拟合预测弥补污染区初至空白，总体上保证了横波初至反演的完整性，但是并不能准确刻画浅层横波速度模型的速度变化。从三湖坳陷纵波单炮资料看，面波较为发育，瑞雷面波频散的规律与表层介质的结构有着密切的关系，利用瑞雷波的频散特性可为该区近地表横波速度建模提供可靠资料[13]。

根据拾取的频散曲线反演瑞雷波相速度以获取近地表横波速度。对于层状模型，瑞雷波频散曲线的正演，可由Knopoff方法计算[式（1）]得到。瑞雷波相速度（CRj）由非线性和隐式的特征方程F来确定，即

式中fj表示频率，Hz；CRj表示瑞雷波在频率为fj时的相速度，m/s； 表示各层横波速度矢量，m/s；vsi表示第i层的横波速度，m/s；n表示层数；表示各层纵波速度矢量，m/s；vpi表示第i层的纵波速度，m/s；表示各层密度矢量，g/cm3；ρi表示第i层的密度，表示各层厚度矢量，m；hi表示第i层的厚度，m。

设置一组固定模型参数（vs，vP，ρ，h）以及确切的频率方程的解CRj即为相速度。

瑞雷面波的相速度与横波速度相近，因此在探测过程中，可以用探测得到的瑞雷面波速度近似代替横波速度。可先按一定间隔在整条测线选取面波发育的纵波单炮；然后对单炮面波进行频散分析，拾取单炮的频散曲线[14]；再利用面波频散曲线迭代反演速度，得到不同位置单炮的横波速度模型（图2）。图2-a为面波频谱图，图2-b为面波反演速度曲线（蓝色为初始模型曲线，红色为反演模型结果，黑色线为拾取的频散值）；最后将这些单炮反演结果进行内插，得到整个测线上的横波表层速度、厚度信息。

1.3 面波模型与多层折射分层联合约束反演

不同频率的面波探测不同深度的地层，三湖坳陷面波探测深度一般小于50 m，不能完全满足横波表层建模的需要。因此必须联合横波初至反演建立完整的表层横波速度模型，而面波反演模型可以作为约束信息[15]，弥补浅层横波初至精度的不足。

图2 单炮的横波速度模型图

由于三湖坳陷折射层发育，难以获取稳定的折射界面，因此常规的折射静校正技术效果有限。而初至层析模型反演适应各种地震波的初至，可以更好地满足反演建模需要。但是，层析反演是一种非线性的反演方法，为了保证反演模型的准确性，需要合理的初始信息进行约束[16-18]。为了进一步提高表层初始速度模型准确性，适应三湖坳陷横波折射层发育的特点，采用了面波模型与多层折射分层联合约束反演技术：①在CMP域根据高速折射层的发育拐点，对多个折射层进行分层[19-20]，建立多层状初始横波速度模型；②在多层初始模型中嵌入面波反演表层速度、厚度信息；③进行初至层析反演最终速度。

图3-a是三湖坳陷某测线常规层析反演的横波速度模型图，没有刻画出多个折射层发育的特点。图3-b是该测线面波模型与多层折射分层联合约束反演的横波速度模型图，能反演出多个折射层的起伏特点，对模型浅层横波低速刻画得更加精细。从与横波微测井调查结果（表1）对比看，联合约束反演的结果与微测井更接近。

图3 三湖坳陷某测线横波速度模型图

表1 层析反演速度与横波微测井结果对比表

1.4 基于速度谱分析的层位匹配建模

通过面波模型与多层折射分层联合约束反演能更准确地建立表层横波速度场。但是，面对多个速度层，如何选取合适的高速层作为模型底界面呢？从三湖坳陷地震剖面看，浅层反射同向轴发育，部分反射轴能够较好追踪，说明浅层具有对应相对稳定的速度层，可作为横波模型底界面。

笔者提出了基于浅层速度匹配来确定层析反演模型底界面的方法。即通过CMP速度谱分析求取速度，与初至反演速度界面进行匹配选取高速底界面。

首先在剖面浅层观察相对稳定较能连续追踪的反射轴，确定其双程旅行时间，然后选择不同位置CMP点速度谱进行分析，从速度谱上可拾取对应能量团叠加速度值，再将叠加速度转化为层速度，即

式中vn表示第n层的均方根速度（即叠加速度），m/s；tn表示第n层的单程旅行时间，s；vi表示第i层的层速度，m/s；Δti表示第i层顶底单程旅行时间差，s。

图4 CMP点速度谱拾取示意图

图4 为200 ms处稳定反射轴的速度谱图，从速度谱上拾取对应能量团（黄色箭头所示）叠加速度值，再采用式（2）将叠加速度转化为层速度，这一层速度可近似作为稳定高速速度层，这样就得到浅层稳定速度层某一点近似的速度值。将不同位置CMP点速度求取后与联合约束层析反演速度模型进行匹配，速度分布主要落在某一横波速度层曲线上，则选择该速度层为所需要的横波高速层界面。如图5所示，3条不同颜色曲线代表3个速度层，CMP点的速度（红色散点）与速度层2（红色曲线）更为接近。因此该区选择速度层2为横波模型高速层界面。

图5 面波模型与多层折射分层联合约束反演速度图

2 应用实例

柴达木盆地三湖坳陷第四系生物气蕴藏丰富，气区的所有纵波地震剖面都具有“低幅、低频、时间下拉”的现象（图6-a），该特征在较长的一段时间内指导了该区的天然气勘探，钻探取得了极大的成功，先后发现了台南、涩北等气田。但随着勘探的深入，近地表速度异常也可以造成“低幅”现象[21-22]，按照该特征确定的钻探井出现了很多失利，使得勘探陷入困境。为此，对该区的“低幅”异常进行了深入的研究，利用纯横波在恢复构造结构方面取得了进展，消除了含气引起的低幅异常现象，对气区构造进行了较好的恢复（图6-b）。但是同样可以看到，尽管气区成像质量得到大幅提升，但是受表层影响，横波反射同相轴并不十分光滑，幅度较小的扭曲现象依然存在（图6-b红色箭头所示），说明横波静校正问题没有完全解决，小幅度“低幅”异常现象在横波剖面上仍然存在，必须把近地表结构引起的此类“低幅”异常现象甄别出来并加以消除。

图6 三湖坳陷含气区纵波与横波剖面对比图

首先针对横波近道受污染的初至进行预测，弥补空白初至道，保证初至层析反演的完整性[23]。图7是某横波单炮曲线拟合方程，通过拟合方程计算空白道初至时间。图8是预测前（图8-a）后（图8-b）的横波初至对比，通过预测弥补了近道23道空白道初至时间，保证了横波初至的完整性。

图7 三湖坳陷横波单炮横波初至时间曲线拟合图

图8 三湖坳陷横波单炮初至预测前后对比图

通过拟合曲线预测，弥补了初至空白对反演结果的影响，但是这种弥补很难精准确反演表层结构的特征，为了进一步提高浅层横波速度精度，采用面波反演浅层横波速度。由于同一炮点上采用了双源激发（纵波、横波各激发一次），纵波面波更为清楚。因此可采用纵波单炮进行面波频散谱的拾取，提高频散曲线拾取精度。图9-a是通过频散曲线进行面波反演的浅层横波速度模型，对浅层低速变化刻画较为清晰；图9-b是采用面波频散曲线反演获得的横波速度模型与多层折射分层联合约束层析反演的最终横波速度模型。从模型上看，浅层横波速度较低，各速度界面的低幅起伏刻画的更清楚。最后通过与不同位置CMP层速度进行匹配，选取合理的速度界面计算静校正量。图10是联合反演应用效果，常规横波静校正前的横波剖面（图10-a）存在“低幅”扭曲现象，经过笔者所述静校正方法应用后，横波剖面（图10-b）反射同向轴更为连续光滑，“低幅”现象得到了较好的消除。

图9 三湖坳陷浅层横波速度模型图

图10 横波叠加剖面不同方法静校正效果对比图

3 结论

三湖坳陷近地表速度模型不准导致的“低幅”异常现象，在成像剖面上与低幅度构造成像不容易区分。相对于纵波，横波速度更低，这种现象在横波成像剖面上更为突出。为了解决三湖坳陷横波勘探中的横波静校正问题，笔者采用了如下组合技术。

1）采用曲线拟合技术预测污染区横波初至时间，弥补近道横波初至空白，可以保证层析反演模型的完整性。

2）利用瑞雷波的频散特性反演建模可为该区浅层横波速度提供可靠资料，提高浅层模型精度。

3）针对该区横波折射层发育的特点，通过面波模型与多层折射分层联合约束反演，能更准确地反演该区表层横波速度场，在CMP速度匹配分析的基础上，建立更为合理的横波模型。

4）建立的近地表横波速度模型，静校正应用后，较好地消除了近地表引起的低幅异常现象，得到了满意的横波剖面效果。