叠前时间偏移与叠前深度偏移概要.docx

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叠前时间偏移与叠前深度偏移概要

叠前时间偏移与叠前深度偏移

摘要：

偏移使倾斜反射归位到它们真正的地下界面位置，并使绕射波收敛，即可以提高空间分辨率。

按所处理的地震资料是否做过水平叠加划分为叠后偏移和叠前偏移两大类。

这里主要讨论叠前偏移。

偏移方法分为时间域和深度域两类，时间偏移技术是基于横向速度变化弱的水平层状介质模型产生的，而深度偏移技术是基于横向变速的真实地质深度模型发展而来的。

这里主要介绍克希霍夫积分法叠前时间偏移、有限差分法叠前时间偏移、Fourier变换法叠前时间偏移三种叠前时间偏移方法。

在叠前深度偏移上面，主要根据其技术的发展历史，现状，及未来趋势进行叙述，并进行了不同偏移技术的成像对比。

关键字：

叠前时间偏移叠前深度偏移克希霍夫积分法

正文：

一、引言

偏移使倾斜反射归位到它们真正的地下界面位置，并使绕射波收敛，即可以提高空间分辨率。

按所处理的地震资料是否做过水平叠加划分为叠后偏移和叠前偏移两大类。

偏移方法分为时间域和深度域两类。

时间偏移技术是基于横向速度变化弱的水平层状介质模型产生的，而深度偏移技术是基于横向变速的真实地质深度模型发展而来的。

从当前技术发展的状况看，目前国内应用的叠前偏移技术基本上可以概括为以下两类。

一种是基于波动方程积分解的克希霍夫积分法叠前偏移。

这种技术，在20世纪90年代以前就在研究，目前，随着多年来持续不断地改进和完善，已经成为一种高效实用的叠前偏移方法，它具有高角度成像、无频散、占用资源少和实现效率高的特点，能适应不均匀的空间采样和起伏地表，比较适合复杂构造的成像。

目前国际上有多种较为成熟的积分法叠前成像软件，是当前实际生产中使用的主要叠前深度偏移方法。

一种是基于波动方程微分解的波动方程叠前偏移。

这种技术目前在国内的应用还处于试验阶段。

叠前时间偏移与叠后时间偏移和叠前深度偏移一样，都是基于三大数学工具，即克希霍夫积分、有限差分和Fourier变换。

二、叠前时间偏移技术

叠前时间偏移的可行性分为下面三个方面：

①实现这种技术所需的软硬件成本合理。

②对偏移速度场无过高的要求。

③配套技术比较成熟和完善。

下面简述三种时间偏移方法：

1克希霍夫积分法叠前时间偏移

该方法一般在共炮点道集上进行，对二维和三维叠前偏移做法是一致的。

（1）该方法的步骤是将共炮点i己录从接收点上向地下外推。

外

推时要先确定本道集可能产生反射波的地下空间范围，这个范围可以根据倾角、记录长度和道集的水平范围进行估算。

这个过程实际上是—个估算偏移孔径的反过程。

对向地下延拓的空问范围做一些模拟估算是必要的。

外推时使用一般Kirchhoff积分表达式：

1）、

.

式中R为从地下（x，Y，z）点到地面点（X。

，Y。

Z。

=0）的距离。

这样求出的结果，等于从地面某个炮点激发，在地下（x，Y，z）点上接收的反射波记录。

在这个记录上有（x，Y，z）点产生的反射波

和z深度以下的界面产生的反射波。

我们应当做的是把（x，Y，z）点处的反射波放到该点上。

但是，在该点的记录还有很多其它深度点上的反射波。

因此，如何从这个点用积分公式延拓汁算出地震道u（x，Y，z，t），并从中取出用于在该点成像的波场值，这就是下一步的工作。

（2）计算从炮点0到地下R（x，z）点的地震波入射射线的走时

。

这可以用均方根速度

去除炮点至地下R点的距离近似求出。

或者用射线追踪法求取，就更准确。

用求出的下行波的走时

到

u（x，Y，z，t）的延拓记录的

时刻取出波场值作为该点的成像值。

（3）将所有的深度点上的延拓波场都如第二步那样提取成像值，组成偏移剖面就完成了—个炮集的Kirchhoff积分法偏移。

（4）将所有的炮道集记录都做过上述三步处理后进行按地面点相重合的记录相叠加的原则进行叠加，即完成了叠前时问偏移。

2有限差分法叠前时间偏移

在三维情况下，反射点轨迹变为—个旋转椭球面，该椭球是绕炮检距方向由二维条件下的椭圆旋转而成。

如果取炮检距方向为X方向，则椭球面的方程为：

2）、

通过波动方程的频散关系或波动方程的象征方程以及Fourier变

换，可以得到对应的三维波动方程：

3）、

如果炮检距方向与观测纵测线的方向成一定的口角度时需要进行

坐标变换。

新坐标系下的方程为：

4）、

用有限差分法解（4）式有一定的难度，但它是可解的。

因此对三维面积观测的数据体用该方法进行叠前时问偏移在理论上是可实现的，目前尚未使用。

虽然各个方向的共炮检距道集也可以用（3）式进行偏移而且容易实现。

但是由于要在不同的方向上抽取新的共炮检距道集，并要重新采样，同时剖面长度会长短不等，因此对处理效率会有影响。

f3）式虽然容易求解，但在炮检距方向有转角≠0时，首先要将数据沿方向和垂直方向进行内插重排，这样内插重排后的三维数据体的水平切片将是某种菱形，造成纵横测线长短不一，给处理带来不便。

如果仍按原坐标进行三维叠前偏移处理则必须用（4）式进行偏移。

3Fourier变换法叠前时间偏移

频率-波数（f-k）域叠前偏移是实现叠前时间偏移的一种有效方

法。

Li（1991）用一组常速实现了叠前偏移。

用横向不变的速度偏移常炮检距数据可以在Fourier域进行，与Kirchhoff偏移相比，它具有成像速度快，能处理陡倾角且不会产生算子假频（是一宽带算子）的特点。

另外，该算子考虑了由于通过层状介质而发生折射弯曲所造成的相位和振幅变化。

另外，F-K偏移算子可以分解为NMO+DMO+ZOM，在常速偏移下，分解正确。

若速度随深度变化，这种分解对NMO+DMO部分只是近似值。

二维情况下，F-K域叠前时间偏移的向下延拓波场为：

5）、

对层状v（z）介质，传播算子

由下式给出：

6）、

，

其中，7）、

是层速度。

7式是常速频散关系的一种扩展形式。

4结语

三类叠前时间偏移方法分为有限差分法，克希霍夫积分法和频率-波数域法。

它们是各自独立发展起来的并在不断地进行自我完善。

多数情况下有限差分法波动方程偏移是求解近似波动方程的一种近似数值解法。

一般来说，网格剖分越细，精度越高，但这势必会增加计算量。

和其它两种偏移方法相比，有限差分法简单，理论和实际应用都较成熟；由于采用递推算法，在形式上能处理速度的纵、横向变化。

缺点是受反射界面倾角的限制；此外还要求等间隔剖分网格。

克希霍夫积分法偏移建立在物理地震学的基础之上，该方法能适应任意倾斜角度的反射界面；对剖分网格要求较灵活。

缺点是费时；难以处理横向速度变化；偏移噪声大，“划弧”现象严重；确定偏移参数较困难。

频率-波数域偏移求解波动方程是在频率-波数（F-K）域中进行。

频率-波数域偏移方法兼具有限差分法和克希霍夫积分法二者的优点：

计算效率高，耗时少；无倾角限制，无频散现象；精度高，计算稳定性好。

缺点是速度横向变化时，会使反射界面畸变；对偏移速度误差较敏感。

5流程

图1是叠前时间偏移处理流程。

图2是某区三维叠前时问偏移与叠后时问偏移处理效果对比。

从网2中可以看出，叠前时间偏移剖面信噪比显著提高，主要构造部位断层成像更清晰，位置更准确（图2a）。

三、叠前深度偏移技术

反褶积、叠加与偏移是地震勘探数据处理的三大主要技术。

叠前深度偏移技术的研究一直是近1O多年来全球油气地球物理勘探领域的热点。

偏移的作用是使绕射波收敛、地下界面的地震反射波归位到正确的空间位置，最终得到真实反映地下界面形态的地震图像。

与时间偏移相比，叠前深度偏移的理论体系更加完善和先进，也是目前国际上公认的解决复杂构造成像的有效途径。

由于深度偏移对速度模型精度的依赖度高且运算量大（约为时间偏移的2倍），因此这项技术的应用受到影响。

近年来，随着计算机技术和偏移方法的不断改进，深度偏移技术逐步得到推广应用，在我国东部深层和西部山前复杂构造的勘探中见到了明显效果。

1我国叠前深度偏移技术应用现状

1．1叠前深度偏移技术发展回顾

偏移方法分为时间域和深度域两类。

时间偏移技术是基于横向速度变化弱的水平层状介质模型产生的，而深度偏移技术是基于横向变速的真实地质深度模型发展而来的。

因此时间偏移不能解决速度横向变化引起的非双曲线时差问题，当横向速度变化大、超出常规时间偏移所能适应的尺度时，偏移的成像精度大为降低（这一现象由Hubral于1977年首次发现）。

这个问题立即引起国际勘探地球物理学界的关注，并开始对非均匀介质偏移方法的研究。

波动理论的引入促进了深度偏移技术的发展。

2O世纪7O年代，Claerbout首次把波动方程引入到地震波场偏移成像中，Schneider提出了基于波动方程积分解的克希霍夫积分法偏移，Gazdag和Stoh分别提出波动方程频率一波数域偏移方法，应用的都是简化形式的抛物线波动方程，即单程方程和爆炸反射面模型。

2O世纪8O年代出现了全波动方程偏移、逆时偏移成像等算法，但由于当时计算机效率低，对速度模型要求苛刻等原因，未能得到广泛应用。

到了9O年代，菲利普斯石油公司首先于1993年宣布使用叠前深度偏移技术在墨西哥湾盐下勘探获得成功，拉开了克希霍夫积分法叠前深度偏移技术成功应用的序幕，将叠前偏移技术的发展推向一次新的发展高潮。

进入21世纪，PC机群技术得到快速发展（速度达每秒万亿次以上），偏移算法不断完善，使叠前深度偏移技术规模化应用成为可能，这预示着又一次新的发展高潮即将到来。

1.2国内叠前深度偏移技术应用特点

国内叠前深度偏移技术的探索应用始于1995年胜利油田的古潜山勘探，到现在已有十余年的发展历程。

从当前技术发展的状况看，目前国内应用的叠前深度偏移技术基本上可以概括为以下两类。

1.2.1基于波动方程积分解的克希霍夫积分法叠前深度偏移

20世纪90年代以前，叠前深度偏移技术研究基本上是针对克希霍夫积分法。

随着多年来持续不断地改进和完善，克希霍夫积分法叠前深度偏移已成为一种高效实用的叠前深度偏移方法，具有高角度成像、无频散、占用资源少和实现效率高的特点，能适应不均匀的空间采样和起伏地表，比较适合复杂构造的成像。

目前国际上有多种较为成熟的积分法叠前深度域成像软件，是当前实际生产中使用的主要叠前深度偏移方法。

但是波动方程的积分解难以描述复杂的地震波场成像过程，射线理论偏移成像存在焦散和不适应多路径等问题，在地下介质速度横向变化剧烈的情况下，成像效果不好。

1.2.2基于波动方程微分解的波动方程叠前深度偏移

为解决射线理论偏移成像的不足而发展的基于波动方程微分解的波场外推偏移成像方法，通常被简称为波动方程叠前深度偏移。

根据波场外推算子估算方法不同，偏移计算方法主要分为两类：

一类为有限差分偏移方法；另一类为频率一波数偏移方法。

两类偏移方法各有特点，既可以分开使用，也可以联合使用（所谓的混合偏移）。

波动方程叠前深度偏移方法理论上比较完善，没有高频近似，保幅程度高，但对观测系统变化的适应性差、运算效率低。

目前在国内的应用还处于试验阶段。

1．3影响叠前深度成像的关键因素

叠前深度域成像技术的推广应用除偏移算法需要不断改进外，还要解决静校正、低信噪比和复杂构造建模三个技术难题。

（1）静校正技术我国地域广阔，地表和地质条件复杂，西部地区山地、沙漠造成处理中的静校正问题突出，影响到噪声压制和叠前成像的效果。

目前，解决静校正问题虽然有折射波、层析等低降速带静校正方法和初至波、反射波等剩余静校正方法，但面对地表问题十分突出的地区，如玉门的窟窿山、塔里木的西秋等，仍无法真正满足叠前处理的要求。

基于水平层状均匀介质假设、以叠加成像为目的的反射波剩余静校正方法，对地震资料中所含的地形、构造和速度等信息有伤害作用，需要进一步改进，才能真正适合叠前深度偏移的需要。

（2）低信噪比数据的处理技术目前地震勘探的热点地区——东部深层和西部山前复杂构造带的地震数据大多具有相同特征：

噪声强、反射信号弱、信噪比低。

在常规处理中，叠加本身就是压制噪声的最好方法。

而叠前成像对资料的信噪比要求更高，但是因为少了叠加去噪的过程，因此，有必要强化对低信噪比资料的叠前去噪方法研究。

（3）建模技术西部山前表层复杂、地下断裂发育、速度横向变化剧烈、资料品质较差，同时面临地质构造认识不清、层速度分析误差和速度各向异性等问题，经反复多次迭代后的偏移速度模型最终误差仍然很大。

在多数情况下，速度模型对叠前深度偏移成像效果的影响超过了偏移算法的影响。

目前国际上的地球物理软件公司已充分认识到速度建模的重要性，为加强对速度建模的研究，推出了垂直、沿层、网格层析和沿层层析等建模方法，建模的精度大为提高。

1．4适用性分析

依据影响叠前深度域成像效果的因素和地震地质条件（包括表层结构和地质复杂程度），可将我国叠前深度偏移的适用性分为三种类型。

（1）适用型表层速度横向变化小、地表平缓或起伏较小、中浅层构造简单、深部构造复杂、地震资料信噪比较高的地区，主要包括我国东部地区、准噶尔盆地腹部和四川盆地的一些地区。

这类地区叠前时间偏移基本能满足中浅层地震勘探的需求，叠前深度域成像主要针对深层潜山和火成岩的地震勘探，技术的应用已比较成熟。

（2）较适用型表层速度横向变化较为剧烈、地

表相对平缓、地下构造复杂、地震资料品质较好的地区，如鄂尔多斯盆地西缘（中段）、柴达木盆地西南缘（阿拉尔断裂下盘）和北缘（冷湖地区）、塔里木盆地

库车拗陷（大北、迪那）以及四川I盆地东部等地区。

这类地区地表条件相对简单，浅层速度模型比较可靠，经以往时间域处理，构造的总体形态已比较清楚，但构造或断裂的准确形态不落实。

这些地区目前有很多是勘探的热点地区，叠前深度偏移的应用已见到成效，以塔里木盆地的迪那地区应用效果最为明显，是比较适合做叠前深度偏移的地区。

（3）试验型表层速度横向变化大、地表剧烈起伏、地下构造复杂、地震资料品质差的地区，如祁连山山前（窟窿山）、鄂尔多斯盆地西缘（南段）和塔里木盆地库车（西秋）等。

这类地区的地震资料处理同时面临静校正问题突出、资料信噪比低、构造复杂和速度建模难的问题，因此应用叠前深度偏移技术解决实际问题目前还比较困难，而必须针对具体问题开展专项研究，寻求相应的解决措施。

2应用效果展示

叠前深度偏移作为解决复杂地质构造准确成像的最佳手段，从墨西哥湾盐下构造成像获得成功到现在已经历了十几年的发展历程。

目前美国用于确定井位的地震资料，有70％左右做过深度偏移。

但是深度偏移也是地震资料处理中综合性最强、实现难度最大的处理过程，从技术配套、速度建模和偏移方法都具有极强的挑战性。

我国的深度偏移应用始于20世纪90年代初。

由于受当时认识的局限，我国东部地区的研究目标主要为中浅层勘探，深部构造成像被置于相对次要的位置，深度域成像的优势没有充分体现出来，成像结果与常规处理的成像相比，效果改善不大，因此叠前深度偏移技术曾一度被认为是可有可无的技术。

直到1998年前后，大庆油田勘探深层火山岩构造遭遇到时间偏移成像精度较低和构造形态畸变等问题，遂将三维叠前深度偏移技术应用到兴城北、徐家围子等地区的地震资料处理中，得到能真实反映地下构造形态的地震成像，基本查清了勘探与开发过程中遇到的断层阴影、火山岩、气柱等问题，才使叠前深度偏移技术在东部深层的应用走向规模化。

类似的情况在我国西部也遇到过。

西部是我国寻找油气储量的重点接替领域，由于地表结构和地下构造的双重复杂性，地震勘探遇到很大困难，迫切需要物探技术的新突破。

在这种情形下，叠前深度偏移被寄予了厚望。

早期的叠前深度成像工作，由于对处理难度估计不足，选择了我国最复杂的地区进行试验（如窟窿山等地区），在很多技术问题没有解决（如处理技术不配套，建模方法不成熟，偏移算法相对落后等）的情况下，成像的效果不太满意，因此对这项技术的实用性产生过怀疑。

近年来通过调整勘探思路，采用循序渐进、逐步实施的方案，试验对象从相对简单的地区入手，深度域成像很快在西部地区见到成效，如在吐哈、大北等地表及地下构造复杂、地层横向速度变化剧烈的地区，见到比较明显的效果。

同时还初步形成了一套适合复杂地表和复杂构造地区的叠前深度偏移处理流程，完善了配套技术，其中包括静校正、叠前去噪、速度一深度模型建立及优化。

目前中国石油集团公司拥有的叠前深度偏移技术已逐步形成比较完整的技术系列，由中间参考面和地表出发的叠前深度偏移技术，在很多地区见到了明显效果。

处理的资料从二维过渡到三维，处理的规模不断扩大，工作量逐年增加，叠前深度偏移的作用逐渐被接受并开始受到重视。

到2006年叠前深度偏移技术的应用已涵盖了大庆、新疆、塔里木、辽河、华北、大港、冀东、青海、吐哈、玉门等各个油田。

2.1西部地区应用实例

大北地区为塔里木盆地库车拗陷典型的山前盐下高陡构造，地表为高大山体，地下为逆掩推覆构造。

1999年完钻的大北1井获得高产工业气流，揭示了该区发育大型气田的良好勘探前景，是国家“西气东输”工程和库车地区加快天然气勘探的首选目标之一。

2005年三维地震勘探后，由于该区地层横向速度变化大，时间偏移不准，应用时间偏移资料成图与钻井揭示矛盾突出。

通过克希霍夫积分法叠前深度偏移后，大北1井的构造高点南移了1400～1500m，断点北移，与钻井结果相吻合，从根本上改变了对该区地质结构的认识，恢复了地下基本构造形态（图3），指导了气藏评价工作。

迪那地区与大北地区情况相似，由于逆掩推覆作用，速度横向变化剧烈，造成时间偏移成果构造形态变形，应用叠前深度偏移处理后，改善了成像质量，构造高点北移2800m（图4），进一步完善了对油藏的认识。

图3、塔里木盆地库车凹陷大北地区T8反射层顶界面构造图对比

a、原构造图b、叠前深度偏移构造图

图4、塔里木盆地库车凹陷迪纳地区叠前深度偏移效果对比

a、叠后时间偏移剖面b、叠前深度偏移剖面

东部地区应用实例

松辽盆地深层火成岩的天然气储层具有埋藏深，地层倾角变化打，非均质性强的特点。

因此，识别火山岩体，岩相及储层的难度大。

但是通过采用克希霍夫叠前深度偏移技术不仅可以明显改善地震资料的成像质量，提高火成岩内幕和边界的预测精度，而且能够有效地圈定出有利目标区。

冀东凹陷任丘潜山边界断裂高陡，内幕复杂，边界断裂城乡不准，内幕反射与生油凹陷接触关系不清楚，使潜山勘探井位难以落实，通过应用叠前深度偏移处理，边界断裂得到准确成像，落实了有利潜山圈闭。

图5松辽盆地深层叠前深度偏移及叠后时间偏移的效果对比

a、叠前深度偏移剖面b、叠后时间偏移剖面

图6冀东凹陷任丘潜山叠前时间偏移及叠后深度偏移效果对比

a、叠前时间偏移剖面b、叠前深度偏移剖面

3发展方向

叠前深度偏移已在中国石油集团公司的油气勘探中取得明显进展。

就深度偏移的技术本身，仍面临许多需要解决的技术问题。

一是各向异性速度建模与成像，由于我国西部地区逆冲断裂发育，老地层出露地表，浅、中、深层速度横向变化非常剧烈，在这种速度突变地区，逆冲三角带成像问题非常突出，研究各向异性速度建模和成像技术已成为当务之急。

二是能量均衡问题，纵观目前的叠前成像剖面，地层反射波成像的能量非常不均匀，强弱差距很大，产生的原因有照明问题，也有地震数据信噪比差异大和偏移前数据能量不均衡等因素。

三是波动方程偏移方法的优化，基于波场传播的波动方程偏移成像效果明显好于基于射线传播的偏移，但由于运算效率的问题，目前难以普及推广，因此有必要开发新的偏移算法。

当前，中国石油集团公司正进行叠前时间偏移技术的推广应用，并取得了很好的效果。

叠前深度偏移技术应用则处于规模应用准备阶段。

可以优先选择地震资料品质较好、地表条件较简单、地下构造认识较明确的具备叠前深度偏移条件的复杂构造区域开展处理应用，逐步推动工业化生产。

首先是我国东部、准噶尔盆地腹部和四川盆地的一些地区。

由于中浅层构造比较简单，地震资料信噪比较高，深部构造以上的速度模型比较可靠，叠前深度偏移对中、深部的潜山和火成岩成像，一般可以见到比较明显的效果。

目前的常规处理和建模技术基本上满足叠前处理和速度建模的需要，基本适于推广应用。

其次是鄂尔多斯盆地西缘中段、柴达木盆地西南缘阿拉尔断裂下盘和柴北缘冷湖地区、塔里木盆地库车拗陷大北等地区。

这些地区的地表条件相对简单、地震资料品质较好、浅层速度模型比较可靠、构造的总体结构比较清楚，主要面临如何深化地质认识、解决局部构造和断裂破碎带的准确成像。

在这类地区，常规去噪流程基本可以满足叠前处理的需要，但静校正和各向异性速度建模技术还存在待解决的问题。

目前虽然叠前深度偏移在一些地方见到明显效果，但要大规模推广，还需要做进一步试验。

最后是祁连山山前（窟窿山）、鄂尔多斯盆地西缘（南段）、塔里木盆地库车拗陷的西秋等静校正问题突出、资料信噪比低、构造复杂、速度建模困难的地区。

这些地区叠前深度域成像技术可能一时还难以解决问题。

从处理角度看，无论是静校正、叠前去噪、各向异性速度建模等处理方法，还是基本的地质认识，目前都达不到叠前深度偏移的要求，要取得明显进展比较困难。

现阶段的地震资料处理还应以时间域成像为主，结合一些试验性的叠前深度域成像处理。

虽然叠前深度偏移技术在国内某些地区的应用遇到一些困难，但随着这项技术在算法和建模等方面的不断改进和完善，再加上在全球应用的经验积累，坚信这项技术必将成为解决我国西部等探区复杂构造成像的主要偏移技术。

结论：

通过对该方法的理论基础研究和实际应用效果

的分析，得出如下结论：

（1）叠前偏移技术可以明显提高成像精度，已经成为提高勘探成功率、降低勘探开发风险的主导技术。

（2）速度横向变化不大的地区做叠前时间偏移处理还是比较合适的，但在速度横向剧烈变化的地区应该做叠前深度偏移处理。

（3）用于叠前偏移的地震数据应有较高的信噪比，振幅均衡，而且静校正问题必须得到较好解决。

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