TTI各向异性叠前深度偏移技术及在安场区块的应用

摘要 安场向斜构造带受复杂地表、复杂地下构造和低信噪比影响，地震成像精度与实钻吻合度较差，为解决地震资料与实钻不吻合不匹配问题，本文调研并分析了引起深度误差的各种因素，并在此基础上提出采用TTI各向异性叠前深度偏移处理技术，在已知井控条件下对目的层进行准确成像，与盲井对比深度精度达到地质要求。

关键词： 深度误差，TTI各向异性，叠前深度偏移

1  引言

安场向斜通过近年来勘探，完成了6口直导眼井钻探以及16口水平井，实钻井与三维地震资料吻合性相对较差，尤其是靶点深度及其水平轨迹产状与三维地震资料预测结果差异更甚，甚至出现相反现象，同时对断层、破碎带、裂缝等构造异常现象识别能力不足。

产生以上问题的主要原因在于成像处理，涉及两方面内容：1）成像方法的选择；2）相对应的成像速度模型的精细化。在安场三维成像处理过程中，针对上述问题，从技术调研开始，到成像方法和速度模型精细化过程，逐步达到成像精度与测井相一致。从实际处理效果分析，与盲井结果对比，成像精度达到后续地质研究的要求。

2  总体技术思路

本次处理的总体思路是：以技术调研为先导，调研分析不同类型成像方法对复杂地区成像精度的影响。在前期调研的基础上针对安场地区地震资料处理遇到的问题，采用针对性的处理方法。首先进行预处理工作，包括层析静校正，多模式叠前噪音衰减，反褶积及剩余静校正处理；然后进行叠前时间偏移和时间域模型解释；速度-深度模型分析，在此基础上进行叠前深度偏移处理。

3 深度域误差成因及解决技术

地震勘探中的地震数据的时深转换和构造成图一直是地质学家十分关心的重要内容之一。但是由于测井、VSP和地震信息的速度求取受到精度的限制，从而导致时深转换和构造成图存在多解性和误差，特别是在复杂构造、复杂非均匀速度场和低幅度构造中影响更为严重，凌云（2011）。

造成成像深度和实际深度误差的原因主要是以下几种：（1）在时间域成像准确和时间域解释正确的情况下，由于时深转换速度不准造成的误差；（2）本身时间域成像存在误差，造成时深转换不准；（3）如果是深度域成像，当速度-深度模型或者成像方法选择不合适，也可能造成深度域出现误差。在本节主要讨论不同偏移方法及时深转换方法对深度误差的影响。

3.1 不同成像方法对深度误差的影响

1、时间偏移和深度偏移对深度误差的影响

地震资料偏移就是将记录到的地震数据重新归位到（理想状态下）地下“真实”地质位置产生成像结果的处理过程。炮点在地表位置激发后，地震波以一定入射角开始向地下传播，波前面沿着传播路径到达反射层后再返回，并以一定的出射角到达地表上的检波点。地震波在地下传播过程中由于速度的垂向变化会产生射线弯曲，偏移的目的就是求得反射层的真实倾角。偏移主要通过两种方法来实现：时间偏移和深度偏移。

时间与深度偏移的主要区别在于时间偏移不考虑所有的速度横向差异，而深度偏移考虑了速度的横向变化-尽管这种横向变化不能太剧烈。具体讲，在与反射深度相近的一个长度范围内，时间偏移是假设速度横向是不变的，这类似于一维层状介质，它只是尽量将成像点偏移到更接近于其真实空间的位置，不可能指望时间偏移后的位置代表地下的真实情况。相反，深度偏移在理论上可以将成像点放回到真实的地下空间。但是，在实际工作中深度偏移并不能够真正完成上述工作。Hubral(1977)、Tieman(1984,1995)、Black(1994)、Robinson(1983)、Bartel(2006)、Cameron(2008)、Iversen(2008)等对时间偏移和深度偏移进行了详细讨论。

时间偏移射线路径是按照水平介质中的SNELL定律传播，而深度偏移则是按照倾斜介质中SNELL定律传播，另外时间偏移和深度偏移的另一个区别是时间偏移按照双程旅行时输出成像结果，深度偏移是以视垂直深度输出成像结果。如果在偏移过程中正确应用了相关地下介质参数和话（速度、倾角、各向异性），那么所得到的地球物理成像结果应该和地下真实的地质结构一致。然而不考虑各向异性的深度偏移一般不能得到真实地质深度成像结果，因此后续还要一些从地球物理到地质深度的拉伸标定。如果不能正确刻画横向速度变化特征，深度偏移同样将会导致横向和纵向位置误差，并且仍然与真实的地质深度吻合。

为了定量对比分析时间偏移和深度偏移的特性，建立一个简单的模型（Ian F.2009）：浅层是一个海底峡谷，中间有多个长速层，深层有一水平界面，如图3-1-1所示。

图3-1-1 用于产生和偏移合成数据的层速度模型

图3-1-2 应用正确模型的均方根速度对合成数据进行叠前时间偏移的剖面（转换到深度域）

在叠前时间偏移剖面上（图3-1-2），海底和较浅反射层的成像是可以接受的，但是当地震波穿过多个速度变化平缓的倾斜层时出现了明显的射线弯曲现象，时间偏移的深层成像失真严重。相反，叠前深度偏移成像结果与原模型的地质结构较为接近（图3-1-3）。

图3-1-3 应用准确层速度模型对合成数据进行叠前深度偏移的剖面

2、不同深度域成像方法对深度误差的影响

从前节分析中可以看到，当存在剧烈的横向速度变化时，即便是准确的成像速度场，时间偏移也不能真正解决地下复杂构造准确成像问题，它仅仅是对地下复杂构造的一种近似解决，用此结果进行构造解释，然后再进行时深转换，得到的地层真实深度是不准确的，特别是复杂构造部位，时间域地层反射轴形态是扭曲的，原本水平的地层在时间域成像中被扭曲成立波浪状，并且波组特征也发生了变化，很难在此成像结果上进行时间域的同相轴追踪，更难以进行准确的时深转换。

从上面分析也可以看出，在准确速度模型条件下，深度偏移能够准确反映地下构造形态，但是，这里的前提条件是地下介质是各向同性的，然而，实际地下介质大多为各向异性的，即：在某一个位置，地震波速度随传播方向的变化而变化。由于地下介质各向异性的性质，偏移需要考虑各向异性的影响，从而确保同相轴的准确归位。例如，对于水平层状介质，地震波的传播速度在水平方向大于垂直方向，地表激发和接收点接收到的地震波具有较大的横向传播分量，由地震方法求得的速度往往比通过测井测到的垂向速度高，所以，如果忽略这些各向异性的影响，深度偏移成像结果的深度将比实际的深度要深（在各向同性偏移过程中不能简单地降低偏移速度，因为如果这样的话，尽管深度是“正确”的，但是无法使绕射波收敛、断面波归位，成像也会变得模糊不清）。

图3-1-4是某地区各向异性成像的例子（Keith Hawkins,2001），通过对比各向同性偏移和各向异性偏移的CRP道集可以看到一个重要现象：这两个道集都是水平的，但是它们的深度是不同的，应用较低速度（垂向速度）进行各向异性偏移，成像深度较浅但是地质上是正确的，而应用地震方法求取的速度（速度较高）进行偏移也能将远炮检距道集校平，但同相轴的深度较深。图3-1-5是对应的成像结果，图中井柱上的标注指示了盐丘底部同相轴的真实位置。

图3-1-4各向同性PSDM（左）和各向异性PSDM（右）道集对比

两个道集都得到较好的校平，但是左是应用较高的速度进行的各向同性偏移的结果，成像深度变深，而右是应用较低的速度进行的各向异性偏移的结果，成像深度较浅（Lawkins等，2001）

图3-1-5与上图道集对应的成像结果

左图为各向同性PSDM，右图为各向异性PSDM，井的标定是真实的地层深度，各向异性PSDM与井吻合较好，但在各向同性PSDM的结果上，井的标定比成像深度浅了（Lawkins等，2001）

图3-1-6各向同性PSDM（左），各向异性PSDM（右）结果

井的标定是真实的地层深度，各向异性PSDM与井吻合较好，但在各向同性PSDM的结果上，井的标定比成像深度浅了，针对断层成像各向异性结果也好于各向同性结果（沈水荣等，2015）

沈水荣（2015）在某油田的三维地震资料处理中（图3-1-6），分别采用各向同性叠前深度偏移和各向异性叠前深度偏移获得的结果。通过对比可以看到：各向异性叠前深度偏移结果的资料品质得到了较大程度的提高；大断层的位置有一定的横向位移，归位更为准确；地层倾角信息与测井结果更加吻合；构造形态与地质认识更趋一致．通过WA井相关地质层位的地震偏移深度与实钻深度对比及误差分析，各向异性叠前深度偏移结果与钻井的吻合程度更高。在叠前各向异性深度偏移的结果之上，设计了一口大斜度井WB，目的是落实构造翼部形态，确定油水界面。各钻遇地质层位深度与深度偏移结果在中浅层误差不到10米，而深层M5的误差也在20米以内。

因此，各向异性深度偏移是解决复杂构造深度误差的有效方法，在后续的处理中具体讨论TTI各向异性深度偏移在本研究区的具体应用。

3.2 复杂构造区引起时深转换误差的因素

在横向速度变化剧烈的地区，时间偏移天然造成成像的时间误差，因此地球物理学者希望通过时深转换来校正由速度横向变化剧烈导致时间剖面上出现的构造假象。

张华军（2003）、唐必瑞（2005）、李来林（2004）、王玉庆（2006）等学者对此进行过多方面研究，特别是郝守玲（2008）等利用实际具有横向变化的物理模拟实验进行详细分析。他们所用物理模型有三层介质组成（图3-2-1）第一层为均匀水平低速层（v1=1480m/s），第二层是横向变速层，顶面为水平，底面是弯曲界面，形成一背斜构造，速度值从左侧线性递增到右侧，最终速度增加1000m/s左右；第三层为均匀（v3=2650m/s），底部为水平，目的是观测上覆变速层对其的影响。

图3-2-1横向变速物理模型（郝守玲，2008）

图3-2-2对应于上图模型的时间偏移结果（郝守玲，2008）

图3-2-2为时间偏移剖面，从图中可以看到，经过时间偏移处理后，散射波收敛，但断裂带的影响依然清晰可见，断裂带下T2和T3 缺失，形成了反射空白区。从时间偏移剖面来看，受速度横向变化的影响T2 的形态已与深度域模型完全不同，深度域中的构造高点应该位于偏移剖面的CDP456附近，但在偏移剖面中却没有反映出来；在CDP418附近，T2有一个小的向上隆起，很象是一个背斜，但这只是一个假象，它是由上覆层层速度变化造成的。速度模型底界面是一个水平均匀介质层的底面，但受上覆介质速度横向变化和裂缝散射带的影响，界面反射T3不仅不连续，还缺失了一部分，位于剖面中部和右部的T3也变成了倾斜界面。可见，反射界面对速度的变化非常敏感。速度变化对时间剖面的影响很大，在时间剖面上出现的假构造和假断层，希望通过时深转换来校正由速度横向变化剧烈导致时间剖面上出现的构造假象，那么时深转换是否真的能恢复构造形态呢？

时深转换的关键是速度场的建立。转换成深度构造图主要有以下方法：1）由t0 构造图转换得到。先绘制出反射层的t0 构造图，再绘制该层的平均速度平面分布图，将二者相乘得到深度构造图；2）利用井点处的速度资料外推生成空间三维平均速度场，然后把时间数据体转换到深度域。得到深度数据体，绘制各目的层的深度构造图；3）建立层速度模型，利用层速度进行时深转换图。图3-2-3是采用第一种方法进行时深转换得到的深度剖面，图3-2-4是利用经过平滑后的模型层速度进行时深转换得到的深度剖面。将物理模型的地层界面叠合在剖面相应的层位上。从两幅图中可以看出设计的T2和T3 构造形态都没能得到恢复，背斜形态完全被改变了，单一连续的水平界面依然不连续。

以上分析可以得出如下结论，在横向速度变化复杂的地区，时间偏移及形成的构造图，不能真正地实现与地下构造相一致。

图3-2-3用平均速度场进行时深转换得到的深度结果（郝守玲，2008）

图3-2-4用模型速度场进行时深转换得到的深度结果（郝守玲，2008）

4  基于TTI各向异性叠深度偏移技术及实现过程

在石油勘探领域，横向各向同性介质（Transversely Isotropy, TI)是最常用来描述实际地质体的各向异性介质（Fedorov,1968Helbig,1994)．TI介质是一种关于对称轴无限对称的各向异性介质，它是地壳中最常见的各向异性介质类型．上地壳定向排列的微裂隙被认为是上地壳各向异性的起源（Crampin,1984)等，它表现出的各向异性性质为HTI介质，即对称轴平行于地面的TI介质．下地壳及沉积盆地的各向异性被认为是由水平叠加的薄层引起的（Backus,1962）等，它表现出的各向异性性质为VTI 介质，即对称轴垂直于地面的TI介质．TTI介质（倾斜对称轴）是TI介质的一般形式，它比各向同性介质及VTI介质更加接近真实的地层结构．因此采用三维TTI介质的叠前深度偏移是目前解决复杂构造成像的最有效手段之一，也一直是国内外地震领域中的热点研究方向之一。

对于水平层状介质，地震波的传播速度有水平方向大于垂直方向的特征，地表炮点激发和接收点接收到的地震波具有较大的横向传播分量，由地震方法求得的速度往往比通过测井测到的垂向速度读高。

4.1 基于TTI各向异性的叠前深度偏移基本原理

通常的PSDM成像算法都假设速度-深度模型为各向同性。 但是，地下的沉积岩可能表现出明显的各向异性，这是由存在周期性薄层沉积，粘土含量，裂缝的方向，原始应力和晶体的优选取向（Crampin等，1984）。 基于各向同性的地震成像介质可能导致（a）测井数据与地震数据不匹配；（b）地震成像质量差；以及（c）确定错误勘探目标（艾萨克和劳顿，1999）。 为了改善质量，应修改算法以包括各向异性的影响。

根据Kirchhoff叠前偏移成像原理，地下 点P(x,z)处的成像波场为：

（1）

其中：A为保幅算子，P为地表记录到的波场值，也就是地震记录

令

（2）

这里Vd和Vu是下行波和上行波速度场，在PSDM中就是速度-深度模型中的速度，根据所用速度不同，进行不同方法的的走时计算，从而进行进行各向同性或者各向异性叠前深度偏移处理。在TTI各向异性介质中，速度变为如下形式：

    （3）

这里：ф是群角，θ是对称轴相对于垂直方向（TTI介质的倾斜角）的旋转角（由该点处的地层倾角和方位角确定），利用以上TTI的群速度，进行TTI各向异性的走时计算，然后进行TTI各向异性叠前深度偏移处理

4.2 TTI各向异性叠前深度偏移具体实现过程

1）根据测井、录井分层，在叠前时间偏移结果上进行模型解释

2）进行小于30°反射角的小角度道集的各向同性PSDM速度分析，得到各向同性速度场V0；

3）根据成像深度和井中实际深度对比，得到初始的一个各向异性参数。计算公式如下：

形成三维体；

4）建立各向异性速度

5）初始化ε = δ，进行各向异性网格层析，确定最终ε、δ和各向异性速度体；

6）进行VTI PSDM 处理，进行方位角和倾角扫描，三维插值，形成体；

7）利用公式（3）得到TTI介质中速度场。

8）进行目标线及过井线TTI深度偏移处理，拾取深度误差，进行精细各向异性层析反演，确定最终速度-深度模型。

9）利用以上得到的最终TTI的群速度，加上各向异性参数进行TTI各向异性的走时计算，然后进行TTI各向异性叠前深度偏移处理。

5 安场向斜构造带三维地震资料TTI各向异性处理

5.1 各向同性叠前深度偏移处理

1）首先进行精细叠前时间偏移处理，在此基础上进行时间域层位解释，本区解释层位共11层（8主层+3辅助层），8套主层从上往下依次是夜郎组底、梁山组底、石牛栏组底、五峰-龙马溪组底、奥陶系、娄山关组底、清虚洞组底和寒武系底，如图5-1-1是过井解释剖面，图5-1-2是时间域构造模型。

图5-1-1 时间域主要解释层位

图5-1-2 时间域构造模型

2）各向同性速度-深度模型建立及构造层析速度分析

利用已经迭代好了叠前时间偏移RMS速度场，进行约束速度反演产生瞬时层速度，与构造模型结合进行必要的编辑平滑、在井控速度及分层数据综合约束下，建立合适的初始层速度模型(图5-1-3)。然后进行目标线深度偏移，利用产生的CRP道集拾取沿层剩余深度延迟，再进行剩余RMS速度构造层析，结果产生更新的深度层速度（图5-1-4）。至此可以接着再进行新一轮的目标线深度偏移，当新产生的CRP道集同相轴仍然没有被拉平时，就得重复上述层析的整个过程，直到新的层速度已经能使偏移的CRP道集拉平为止。

图5-1-3 初始速度-深度模型建立

图5-1-4 构造层析及速度-深度优化

2）网格层析进行各向同性速度-深度模型精细调整

基于构造层析受网格精度的限制，尤其当工区面积较大时，增加构造层析的网格精度(通常要求的纵横向网格密度为400米～800米)受现有单节点机器内存条件的制约，如果网格密度精度不够，必然造成层析对速度更新能力的不足，单从这点说，就有必要使用一种能充分利用机器集群系统资源、从而增加层析精度的层析方法，这种新的方法就是下面使用的基于各向异性的网格层析。

网格层析能充分利用多节点内存及CPU资源，这使得增加层析密度的精度成为可能，本次在最后一次的网格层析中 ，使用的密度达到300米*300米，这样的密度在基于单节点构造层析中是难以实现的。

图5-1-5 网格层析进行精细化速度分析

网格层析通常首先利用较为准确的速度进行叠前深度整体偏移，在产生的体偏叠加数据中提取构造属性及层间层位信息，在CRP道集上拾取相对剩余RMS速度并产生剩余场。然后对这些信息、包括偏移的层速度体进行集合，创建“pencil”数据库(图5-1-5)。最后，利用pencil数据库进行网格层析(创建层析矩阵、解矩阵)，最终进一步调节细层速度、更新整个速度场(图5-1-5)，进一步使深度偏移后的某些局部CRP道集同相轴变得更为平直，如校平程度仍不理想，需要继续相同步骤的网格层析迭代。

5.2 针对安场构造的TTI各向异性叠前深度偏移处理技术方案

根据以上调研和分析，当速度存在各向异性时，无论各向同性速度分析多么准确，都无法得到合理的成像结果，因此必须做各向异性速度分析。针对安场构造，采用以下处理方法：

本次提供的5口井含有分层数据，录入工区建立了井数据库，看图5-2-1。利用这5口井计算目的层的值。然后利用各向同性速度算出各向异性速度、求准epsilon、构造倾角、方位角属性，最后执行各向异性深度偏移（图5-2-2）。

图5-2-1 安场5口井位置及分层数据图示

图5-2-2 求取TTI各向异性参数体，进行TTI各向异性叠前深度偏移处理 

5.3 针对安场构造的TTI各向异性叠前深度偏移处理效果分析

经过TTI各向异性叠前深度偏移处理之后，总的构造格局差别不大。但构造、断裂细节有差别：深度剖面尤其在奥陶系、寒武系内幕上成像、接触关系、断裂显得干脆些。TTI深度偏移在越深部位，成像就越有优势，特别是与14个井段直井段和水平井段的深度吻合度高。图5-3-1，及图5-3-2，表5-3-1表明TTI各向异性深度偏移成像精度与井匹配较好，满足后续的解释要求。

图5-3-1 AY1-1HF井TTI叠前深度偏移结果与井轨迹对比

图5-3-2 AY3HF井TTI叠前深度偏移结果与井轨迹对比

表5-3-1 TTI各向异性叠前深度偏移成像深度域井深对比

6  认识和结论

原处理资料深度上与井对比误差较大，因此提高深度域成像精度是本次处理着力需要解决的关键问题。深度偏移最关键的是求准速度模型，包括各向异性参数，才能保证好的成像效果及准确的深度成像。在本次叠前深度偏移技术公关研究过程中，最终产生的偏移剖面除了各层成像层次清楚、断点断裂相对老剖面较丰富清晰之外，井震深度也很吻合误差较小：

1）重视初始速度的建模：初始速度模型建模尤为关键，直接关系到后续速度模型层析更新的处理成效。所以除了以地震速度为驱动的基本RMS速度资料、并加以合理编辑平滑之外，还需要充分利用井速度等资料加以井控约束建模，保证各层初始速度的相对准确及合理性。

2）准确求取各向异性深度误差参数：在层析迭代求准各向同性速度后，需要进行各向异性参数求取，其中最关键是求准井震深度误差，需要做到两点：其一是井分层数据准确可靠性，其二是地震层标定要准确无误。

3）充分测试各偏移参数：包括偏移孔径、反假频系数、偏移组距、偏移切除及偏后精细切除（因三叠系埋深很浅，可以充分保留浅层有效反射信息）。。

参 考 文 献

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