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1、复杂构造地震成像,王真理中国科学院地质与地球物理研究所,主要内容,一、地质构造模型及地震波场特点二、地震成像技术三、复杂构造地震成像难点四、解决问题方案主能量绕射偏移五、复杂构造地震成像技术发展预测,地质构造模型,水平层状介质或称垂向变速介质 单斜介质 缝洞型介质横向快变速介质,水平层状介质及地震波场特点,V1,V2,假设地层水平层内速度均匀各向同性发育反射波及多次反射波断点有绕射波,V3,Vn,s,g,单斜介质,地层倾斜特点与水平 层状介质相似,缝洞型介质,可以看成是分块均 匀介质，块与块之 间一般没有速度差地震波场除了边界 产生反射波与绕射 波外，内波主要以 绕射波为主,横向快变速介质,V
2、1,介质间速度差异大地震波场 仍以反射波为主 断点有绕射波存在,V2,V3,复杂模型,复杂模型由简单模型叠合而成,黄桥地区构造剖面图（据中石化华东局）,地震成像技术,针对不同地质模型发展起来不同的成像技术，可以分为： 1）常规叠后地震成像技术； 2）叠前时间偏移成像技术； 3）叠前深度偏移技术,时间偏移与深度偏移,波动方程：记录的波由空间域到时间域,x,y,z,x,y,Tm,垂向单位变换,速度横无变化,时间与深度变换其实就是坐标轴变化，都是指向地下（深度）方向，单位不同,常规叠后偏移成像技术,假设：1）水平层状介质模型； 2）反射点与中心点距离远远小于最大炮间距地震波走时,如果地层有倾角,成像
3、处理步骤 1）倾角时差校正-DMO 消除与走时公式中与倾角有关的向 2）动校正-NMO 消除走时公式中与炮检距有关的项 3）共中心点叠加 把所有炮同一反射点的数据加在一起 4）叠后时间偏移,DMO,NMO,STACK,叠后时间偏移使绕射和倾斜地层归位,实现T0到Tm转换,T0-零炮检距的反射时间Tm-反射点垂直向上到达地面的时间,叠前时间偏移,常规成像处理遇到的问题 1）大倾角地层和埋藏较深的地层不能很好成像 原因是中心点与反射点间距离比较大,2）对速度横向变速适应能力差 走时计算太简单 复杂介质的走时计算也可以展开成泰勒级数的形式，但高次项不能忽略 3）很难到达同相叠加，降低资料的信噪比和成
4、像效果 PSTM：直接从原资料空间关系出发进行时间域成像处理,Tm,常用的叠前时间偏移走时计算是双平方根公式，其实就是分段单平方根走时计算之和：,叠前深度偏移,叠前时间偏移的成像质量较叠后偏移大幅提高，但没办法解决速度横向变化情况下其下地层变形问题和不成像的问题。而且，在横向变速快的情况下，在波动方程中，Tm不能代替Z。,要解决上面的问题，需要进行叠前深度偏移，也就是要将记录到的时间信号转换到深度域，这是就说必须知道地下介质的模型和速度（前面都是假设）,通过模拟波传播过程，计算走时和地面点位置，从而找到成像点所需的数据,叠前深度偏移几种方法,1）积分法 微分方程积分解 2）有限差分法 微分算子
5、差分 3）逆时偏移方法 4）相位屏法,逆时偏移,深度偏移关键,地质模型与速度-速度深度模型 决定了走时计算的精度 地质模型建立：地质知识，钻井结果，地震时间偏移结果。 速度求取：时间偏移与偏移迭代,复杂构造地震成像问题,复杂构造成像问题依旧没有完全解决 如下扬子地区，逢洞发育区等 1）地质模型建立不起来，深度偏移技术不可用，如下扬子地区； 2）偏移方法本身考虑不周全； 3）分辨率有待进一步提高。,图4-1-2 HQ02-LJ1连井线地震剖面图,HQ02-LJ2连井线地震剖面图,偏移方法分析,地震波场中有：反射波、绕射波、多次波 前面介绍的方法，都只考虑了一次反射波以及关于中点对称的绕射波。多次
6、波根本没有考虑。而在复杂构造地区绕射波非常发育，如果不考虑绕射波，成像的分辨率和信噪比都将降低。这是必须解决的一个问题。,反射波场,绕射波场,满足Snell定律的绕射波，在共中心点域满足双曲线规律,一般地，不满足中心点域双曲线规律,大部分绕射波被当做噪音,1）,2）,3）,反射波分辨率受限Reley准则,/4 反射波横向分辨率准则绕射具有超分辨率,断点模型,断点模型，背景速度为2600米/秒，薄层速度为3000米/秒，模型横向长度为5000米：，纵向深度为1500，薄层厚度20米，埋深500米，波长为80米。,40米,20米,10米,绕射波不能被忽视开发阶段面临的小尺度地质体的变化常常产生绕射
7、,主能量,以反射波为主的方法中忽略了主能量问题反射波能量占所有能量的80%多反射波能量是个带（非涅尔带），不能只看成是个点,走时计算,叠前时间偏移走时计算进度常常不够叠前深度偏移走时计算依赖于模型精度、算法精度,常用的叠前时间偏移走时计算是双平方根公式，其实就是分段单平方根走时计算之和：,为了提高精度加上修正项：,偏移成像关键参数分析,偏移孔径 成像速度,偏移孔径分析 偏移孔径是指成像点成像需要多少数据，直接决定成像质量。一般偏移方法中都是给一个固定的孔径，不考虑地层埋深和倾角、速度变化。这样会造成浅层合适了，深层不适应的问题。,偏移速度分析 走时计算的方法不同，对速度参数的要求就不同。在走时
8、计算方法确定的情况下，需要调整速度参数以达到最佳效果。,成像存在问题总结： 1）成像方法 没有考虑到绕射波成像的问题 2）走时 计算精度不够 3）主能量 没有考虑 4）孔径 固定孔径,问题解决方案,偏移方法 采用基于绕射理论的叠前偏移方法走时计算 采用高精度的走时方法偏移孔径 自适应变孔径主能量选择 选用炮偏移的方法，逐点选择主能量,复杂构造成像策略,首先分析地质情况，判断构造复杂性与速度复杂性 构造复杂，不一定速度横向变化快。我国大部分地区没有像墨西哥湾那样的速度复杂性做好叠前时间偏移成像 如果时间偏移不能解决问题，考虑深度偏移成像深度偏移 建立合适的速度-深度模型,基于绕射理论的主能量偏移
9、成像（反射+绕射）,绕射偏移原理走时：T=TSD+TDG,s,D,G,x,走时计算：以射线参数p、介质速度v为参数,走时计算,走时计算,射线走时计算:,走时计算精度影响,走时计算可以展开为多项式，多项式阶数越高走时计算精度越高，我们分别分析1阶、3阶、5阶多项时的偏移结果。,一阶精度走时计算偏移结果,三阶精度走时计算偏移结果,五阶精度走时计算偏移结果,CRP 道集（200，400，600，800，1000，1200）,Order5 CRP 道集（200，400，600，800，1000，1200）,炮偏移主能量选取,从绕射的观点出发，地下每个点产生的绕射都将被接收到。但是，由于波场的干涉，成像
10、过程中并不是把所有的能量都叠加在一起就能得到最好的效果。我们考虑选取能使能量增强的数据参数成像，也就是选取主要的能量进行偏移归位。,LJ02线 非主能量、高精度走时成像结果,LJ02线 主能量、高精度走时成像结果,偏移孔径选取,不同炮、同一点的波在成像后应该达到同相叠加。根据此原理确定参与成像数据的来源。可以进一步提高信噪比,LJ02线 主能量、变孔径成像结果,LJ02线 主能量、高精度走时成像结果,偏移速度,偏移速度求取与走时计算方式有关，也就是偏移的方法有关需要开发与我们方法相适应的偏移速度分析方法,初步效果,图4-1-2 HQ02-LJ1连井线地震剖面图,HQ02-LJ2连井线地震剖面图
11、,LJ02线 主能量、高精度走时成像结果,LJ02线 主能量、变孔径成像结果,常规叠后偏移修饰后结果,绕射波成像（纯绕射）,绕射波成像优点 高探测能力，或称高灵敏度、高感觉能力 绕射波成像数据对于研究小断层、岩性横向变化、潜山内幕、火山岩内幕等等非常有利,断点模型,断点模型，背景速度为2600米/秒，薄层速度为3000米/秒，模型横向长度为5000米：，纵向深度为1500，薄层厚度20米，埋深500米，波长为80米。,主频：32.5赫兹,40米,20米,10米,模型参数,速度模型 (X5米),炮点在8000米处,单炮记录,直达波,气层顶界面反射波,气层底界面反射波,气层边界产生的绕射波,炮点在
12、5000米处,炮点在8000米处,炮点在10000米处,共偏移距剖面,偏移距为零,偏移距为500米,a) zero-offset section over a plane reflector segment with a small fault. Note diffractions from the fault and the edges of the reflector. c) decomposition of zero-offset into edge diffractions and a finite number of elementary diffractions. e) edge
13、diffractions. b), d), f) migrated image of the data in the left panels.,绕射波成像原理 原理等同于基于绕射理论的叠前偏移，所不同的是输入数据中不能包含反射波。绕射波成像的关键 反射波与绕射波的分离实现方式 主能量部分主要包含反射波，非主能量不能主要是绕射波。反射波能量一致性强，变化慢，绕射波能量各道变化快。,过夏72井inline剖面,过夏72井绕射波成像剖面-石炭-二叠系断裂、裂缝系统发育,下步研究重点下步研究重点 1）完善有关算法方法； 2）研究与算法相适应的偏移速度场建立方法； 3）开展基于绕射理论的深度偏移研究；
14、4）完善绕射波成像方法，开展绕射波成果的认识与解释研究,复杂构造地震成像技术发展预测,面向的介质复杂性及计算技术的发展决定了地震成像技术的发展方向计算机技术的发展： 1）GPU（Graphics Processing Unit） 图形处理器，或称高级显卡，相比于CPU有超强的计算能力。CPU 几个核，GPU几百个核。一个GPU的计算能力是CPU的几十倍甚至几百倍。,2）FPGA（Field Programmable Gate Array) 可编程门阵列 集成了许多逻辑单元，用户可以控制各个单元实现并行计算。计算能力与GPU相当,成像技术发展预测： 构造复杂意味着模型的精细、波场的复杂，成像的运
15、算量打打增加 一些技术将实用化： 1）基于绕射理论的成像技术 算法包括差分法的逆时偏移技术、积分法的绕射偏移技术与逆时偏移技术，随机介质模型的波传播理论与成像技术等，能够处理复杂的波场（可以同时处理反射、绕射、多次）成像技术,2）深度偏移技术的精度将会提高并将更多的应用 严格地讲，地下速度都是横向变化的。由于运算速度和精度的问题，限制了它的应用。就像上世纪80末90年代初一样，由于计算能力的限制，叠前时间偏移技术没有大规模应用，随着PC-Cluster技术的发展，早就成了常用的技术。 精度的提高主要体现在算法方面。以前许多算法为了提高计算速度丧失了精度。,3）地质模型的精度和速度分析的精度将大大提高 现在地质模型的精度不够，只是进行了大套的分层，不利于地质体精细刻画与物性研究。 速度分析的精度与地质模型相关，与走时计算的精度有关。,谢谢 ！请多提宝贵意见！,
