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1、地震成像技术的发展现状存在问题及发展趋势地震成像技术的发展现状存在问题及发展趋势（杜炳毅 地球探测与信息技术 S11010150）随着地震勘探难度的逐渐的增加和油气藏复杂性的增加，油气勘探开发对地震勘探精度的要求越来越高。为了实现高精度的地震资料在油气勘探中的应用，近年来地震方法和技术重点发展了两个方向：一是地震成像技术，二是开发地震技术。地震成像技术发展现状地震成像技术发展现状地震成像是现代地震勘探数据处理中的重要组成部分，分为叠加成像和偏移成像。随着油气勘探难度的增加，地震成像技术得到了迅速的发展，并且成为高精度地震勘探数据处理的关键技术。地震偏移成像可以分为地震叠后偏移方法和地震叠前偏移
2、方法。叠后偏移是在共中心点叠加数据上进行零炮检距偏移，主要有叠后时间偏移和叠后深度偏移，叠后时间偏移主要包括射线偏移和波动方程偏移。而叠后深度偏移可以有效的结果构造不太复杂，横向速度变化比较大的地质体的地震成像问题，并且能够提高地震成像的计算效率，常用的叠后深度偏移有 Kirchhoff 积分法，分步傅里叶法，有限差分法以及逆时偏（RTM）法。叠前偏移是把共炮点道集记录或者共偏移距道集记录中的反射波归位到产生他的反射界面上，并使绕射波收敛到产生它的的绕射点上。也分为叠前时间偏移和叠前深度偏移。叠前时间偏移是基于绕射叠加或者 Claerbout 发射波成像原则，是一种成像射线，能够解决叠后时间偏
3、移存在的问题，叠前时间偏移的方法主要有 Kirchhoff积分法叠前时间偏移，波动方程法叠前时间偏移（包括平面波分解法叠前时间偏移和 F-K 域法叠前时间偏移） ；叠前深度偏移方法可以分为两类：第一类是基于射线理论的叠前深度偏移方法，另一类是基于波动方程理论的叠前深度偏移方法。射线法叠前深度偏移方法主要有 Kirchhoff 积分法叠前深度偏移，高斯波束叠前深度偏移；波动方程叠前深度偏移主要有 F-X 域有限差分叠前深度偏移，SSF 法波动方程叠前深度偏移，Fourier 有限差分（FFD）法波动方程叠前深度偏移，广义屏近似波动方程叠前深度偏移，基于双平方根方程的波动方程的叠前深度偏移，基于波
4、动方程的真振幅偏移，逆时叠前深度偏移。地震偏移是一种将地震信息进行重排的反演运算,以便使地震波能量归位到其空间的真实位置,获取地下真实构造图像。除了深度域构造成像外,地震偏移还为其它特殊处理提供振幅、相位等信息,用于速度估计和属性分析,建立在波动方程基础上的地震偏移成像技术代表了地震处理的极致。地震偏移最初是在水平迭加基础上进行的,目的是使倾斜界面共深度映像聚焦,使绕射波归位,即将能量还原到它们正确位置上.早期人工偏移是按照偏移空间的时距关系作图；若将共深度点剖面看作一系列绕射点组成的源反射,可用计算机实现对这些绕射点的偏移,即建立在射线理论基础上的绕射扫描迭加方法以及后来的Kirchhoff
5、 偏移.20 世纪70 年代初美国斯坦福大学以J. F. Claerbout 为首的SEP 研究小组第一个对标量波动方程提出了有限差分近似解法, 实现了地震偏移.此后建立在波动方程基础上的地震偏移成像方法如有限差分法、Kirchhoff 积分法、F - K 方法及其各种变形等方法广泛应用爆炸反射面模型(Loewenthal et al. ,1976)为波动方程偏移成像条件的建立奠定了理论基础.由于波动方程描述地震波地下传播规律,因而波动方程偏移一方面可以解决复杂介质条件下成像问题,另一方面保持了波场的动力学特征。地震偏移各种方法最初是作为时间偏移方法出现的, 目的是满足二维时间叠加剖面成图需要
6、,后来为满足横向变速情况下成像精度需要, 发展了深度偏移方法(Hubral 1977,Larner 1981)。近20 年来, 偏移方法又发展到了三维和叠前偏移,三维叠前深度偏移代表地震偏移的发展水平. 当今各种各样的偏移技术方法极为丰富, 如时间偏移、深度偏移、二维、三维、迭前、迭后; 如使用共炮集、共方位角道集、面炮方法实现等等.偏移算法也多种多样.实际应用中根据具体情况和要求选取相适应的方法. 考虑如此复杂而庞大的内容, 本文只对波动方程地震偏移中核心算法。波场延拓和成像的现状与进展进行阐述, 并对其发展趋势进行展望.波动方程地震偏移成像方法的研究现状波动方程地震偏移成像方法的研究现状波
7、动方程地震偏移成像的各种方法都是建立在波场反向外推基础上,按照算法实现的原理可以分为两大类: 基于射线理论的偏移方法和基于波场延拓的偏移方法10。基于射线的Kirchhoff 积分类方法, 依靠射线追踪获得成像所需的旅行时,不受反射界面顷角限制, 计算效率高,灵活,但在复杂地质条件下,多值走时使射线追踪难于获得正确旅行时,导致成像效果较差.此外,基于射线的方法缺少动力学信息如振幅等.基于波场延拓的方法,如有限差分法、F-K 方法等,物理概念清晰,自然解决了多值走时问题,能够更为精确成像.这类方法包括由双程波动方程导出的逆时偏移,由单程波动方程导出的各种方法.实质上,建立在波动方程基础上的Kir
8、chhoff 积分方法与波场外推的F-K方法、有限差分方法数理基础相同。已证明在常速介质中Kirchhoff 积分方法与F-K方法的波场外推公式完全等价,而有限差分方法使用波动方程的各种近似,其波场外推公式除相位精度外,形式与前两者基本相同,是它们的近似式.然而,由于波场反向外推的实现算法不同,导致它们各自不同的特点.1. 1 Kirchhoff 积分类偏移方法积分类偏移方法Kirchhoff 积分法波动方程偏移建立在波动方程Kirchhoff 积分解 11 的基础上, 把Kirchhoff 积分中的格林函数用它的高频渐进解( 即射线理论解) 来代替.其基本过程包括从震源和接收点同时向成像点进
9、行射线追踪,然后按照相应的走时从地震记录中拾取子波并进行叠加,如果对所有的路径计算出的走时都正确,对所有记录数据的叠加结果会在某些部位产生相对较大的值, 这些值给出地下界面( 即反射体位置)。Schneider( 1978)建立了Kirchhoff积分偏移的波动方程理论基础,Bleistein( 1987) 将Kirchhoff积分方法拓展到求解反射系数,进一步推进到偏移后的参数估计.虽然Kirchhoff 积分公式是严格的波动方程分解, 但它的实现是利用波动方程的零阶高频渐近近似(射线方程),这种近似只有在t 时刻的圆频率较大时才合理,因而源点或接收点的几个波长以内的绕射点不能正确成像,存在
10、焦散区.其次,在复杂介质中,由于速度不均匀和高频近似,绕射点与源点和接收点之间的传播距离要远大于几个波长,这种大距离反向外推波场,就存在多重路径问题,造成旅行时求取困难,近年来人们不断改进旅行时求取方法Audebert et al ( 1997) 对这些方法进行了总结和对比。由Kirchhoff 积分法成像时对绕射面扫描到的数据,没有考虑频率成份, 绕射面较陡部分在它扫过未偏移数据平坦部分时,将对地震子波进行重采样,造成算子假频.Gray (1992)和Lumleyet al. (1994) 提出减少绕射面段陡部分扫描到子波频率成份,克服了这个问题。归纳起来, Kirchhoff积分法偏移成像
11、局限为:(1) 分辨率随着深度的增加而变差,从而导致对深部结构分辨率降低,这一现象源于利用射线解近似格林函数时对菲涅尔带的影响;(2)成像信息中缺乏正确的振幅信息,这一现象源于射线近似在复杂介质中存在焦散、多重路径和干涉等问题.为了保持灵活性，同时提高Kirchhoff积分偏移的精度,Hill( 1990, 2001)提出了高斯束偏移方法。该方法将源点和接收点的波场局部分解为“束”导回地下.几个束可能来自不同地面位置, 且不同束指向不同的初始传播方向.每一束由各自射线管引导,独立于其他束传播.射线管可以重叠,这样能量可以通过多个路径在像点位置与源点和接收点之间旅行,解决了多路径问题Bevc(1
12、997)也提出一种解决多路径方法.该方法先向下应用标准的非递归Kirchhoff偏移方法将记录偏移到地表以下多个波长深度处.在这个深度范围内认为多值走时不很严重,Kirchhoff积分方法可以较精确进行.接着在该深度处采用Kirchhoff基准面方法(Berryhill,1984)计算一个向下延拓的波场.然后将这个波场用于下一个有限范围深度内Kirchhoff 偏移.经过这些Kirchhoff偏移和向下延拓的结合,完成偏移.这种方法通过分级办法处理多路径问题, 但只对二维实用。1.2 基于波场延拓的波动方程偏移方法基于波场延拓的波动方程偏移方法Kirchhoff 积分偏移采用地表所有记录数据单
13、一整体空间褶积计算每一个点的像,并且地表位置与像点位置之间通常只采用一个路径, 基于波场外推的波动方程偏移方法递推地从前一个深度的波场计Z算深度的波场,自然考虑到每个深度可能的绕射点与每个源点ZZ或接收点的多重路径,因而可以在较为复杂介质条件精确成像。随着偏移技术的发展,波场外推偏移成像从最早单一的T - X域实现,发展为诸如T-K 、F-K 、F-X 、域、小波变换域等多种域实现偏移P方法.偏移方法包括由双程波方程导出偏移方法,如T-X 域有限差分法, 逆时偏移方法；以及基于单程波方程近似解的各种方法.1.2.1 T-X 域或波数域有限差分方法域或波数域有限差分方法( F-D)有限差分法波动
14、方程偏移是最早提出的一种波场延拓波动方程偏移方法。这种方法直接对T-X 波动方程进行坐标变换并略去二阶导数项, 得到变换后的简化的波动方程,然后再利用有限差分方法求解波动方程, 进行成像.当地面已知波场向地面下延拓至反,0,P xt射点Q( x, z)时,波场函数P( x, z, t)的旅行时t#为波从震源到反射点Q ( x,z)的下行传播时间23.F - X域有限差分偏移方法存在一些固有的困难 18 :由于空间离散化造成的数值频散, 导致不同频率的波以不同的速度传播,从而造成成像的误差和人为假象； 由于矩形网格划分导致的三维数值各向异性,造成沿不同方向波传播速度不同.用差分方程近似替代偏微分
15、方程, 可分为隐格式和显格式两大类. 隐格式求解困难, 但精度高,对倾角较大情况偏移效果好. 隐格式有限差分偏移自Claerbout(1971) 提出15有限差分偏移以来得到充分发展,马在田( 1982)和张关泉( 1986)分别提出高阶方程降阶方法, 有效地解决了隐式有限差分方法难以高角度成像问题, 但是没有考虑到降低计算量的问题 35, 37 .李志明的双线性变换和三维隐式有限差分多方向分裂算法中各项异性的补偿是隐式有限差分偏移方法的出色工作 27 .显格求解较容易,快速,但精度较低,对大倾角适应性差.显式有限差分法由Berkout提出 26,Holberg和Hale( 1999)在二维情
16、况下有效解决了该算法的稳定性 2,Blacquiere进一步将其推广到三维2 .对近似方程中x 做Fourier 变换到波数域,可进一步得到近似方程,再利用有限差分求解.基于波场外推的波动方程偏移方法(尤其是F - D方法)与Kirchhoff 积分偏移方法在偏移孔径处理上存在显著差异 2 。Kirchhoff 偏移方法通过绕射曲线对输入道叠加或将输入采样散布到输出道.波场外推偏移从记录地表将整个波场向下延拓,如果需要较大孔径,这个孔径必须作为一部分包含在整个计算内,换句话说即使记录地表这些道位置处没有能量,在所有深度偏移运算也必须包含所有的输出道.这就导致额外巨大计算量,在三维叠前深度偏移中, 难于经济适用。1. 2. 2 逆时偏移逆时偏移( Reverse time migration)逆时偏移也是一种应用有限差分求解波动方程实现波场延拓的方法,它不是深度域外推,而是进行时间外推,求解双程波声波或弹性波方程, 并且允许波向各个方向传播.这种方法没有倾角限制, 精度较高. 它的计算方法正好与地震正演模拟
