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1、Oz Yilmaz 地震资料处理第三章 速度分析、静校正和叠加3.1 引言 地震波在地层中传播，其速度是随深度而变化的。声测井记录是速度的直接测量，而地震资料提供了速度的间接测量。在勘探地震学中，初学者会遇到一大堆速度术语，它们是层速度、视速度、平均速度、均方根速度、瞬时速度、相速度、群速度、动校正速度、叠加速度和偏移速度。由地震资料获得的速度能产生最好的叠加效果，在层状介质中叠加速度与动校正速度有关。因而也就可与导出平均速度和层速度的均方根速度有关。层速度是指地震波在一个地质层中的传播速度。如同2.O节讨论的那样，两个相邻层速度差引起其界面上产生反射。 在具有一定岩石组份的地层单元内，影响层
2、速度的因素有如下几种： (1)孔隙形状； (2)孔隙压力； (3)孔隙流体的饱和度； (4)围压； (5)温度； 对上述诸因素，曾在实验室做了深入的研究。分别由Toksoz和Nur领导的MIT(麻省理工学院)和斯坦福大学的研究小组对岩石物性的研究工作被纳入调研波的衰减及与其有关的岩性研究之中。这里将引用实验室的某些研究成果。图3.1是微裂缝Bedford灰岩标本的速度与围压的关系。P-波和S-波速度随围压的增加而增大。由于上覆地层产生的围压，速度一般都是随着深度增加而增大，这是众所周知的事实。通常，在小的围压范围速度急剧增大；而在高围压范围速度趋于稳定。其原因是，当围压增加时，孔隙度小而造成速
3、度增大。但在非常高的围压下就不再有什么孔隙了，所以再增加围压也不会造成速度的明显增大。由该图还可以看出，不管围压如何，P-波速度总是大于S-波速度，这对任何类型的岩石都是正确的。同时在图3-1中还可见到孔隙中流体饱和的影响。在低围压范围内，流体饱和的岩石标本的P-波速度比干岩石标本的速度大；而在高围压范围内，两种岩石类型的速度趋于相同。值得注意的是：在饱和岩石的P-波速度不象干岩样中P-波速度那样变化快，因为流体是不可压缩的。孔隙是否充满流体，对S-波无影响。 下面我们用具有圆形孔隙的Brea砂岩标本研究速度与围庄的关系。我们仍见到速度随围压增加而增大的类似特征。这种样品与上述图3-1中样品的
4、重要区别在于速度值的范围不同。在同样的围压下，微裂隙岩石比圆孔隙岩石具有更高的速度，因为在同样的围压下，微裂隙的孔隙比圆孔隙更容易压实。 上述影响地层速度的诸因素中，最重要的是围压。这种类型的压力是随着深度而增加的上覆地层引起的，所以速度随深度而增大一般来说是确实的。然而由于孔隙压力等其它因素的影响，在某个地层中速度可能是反常的。图32是不同类型的岩石速度随深度变化的图形。具有较少上覆层的第三系碎屑岩出现在低速部位，在地表或近地表它们的速度一般在1.52.5km/s；在深度达5km以上时，速度逐渐增加到4.55.5km/s。高孔隙度碳酸岩在图的中间部位，约从3km/s开始逐渐增加到近6km/s
5、，而低孔隙碳酸岩具有较大的速度变化范围。上面已谈过，如果没有更多的孔隙空间可压缩的话，围压就不能造成速度增加。 在这一章将讨论根据地震资料估算速度。速度估算要求以非零炮检距记录的地震资料，这是 CDP记录的优点之一。有了估算的速度，我们可以反过头来对非零炮检距进行校正并把记录的数据体压缩成叠加剖面。对于单一水平层，随炮检距变化的旅行时曲线是用双曲线描述的。给定的炮检距旅行时与零炮检距旅行时之间的时差称之为正常时差(NMO)。校正正常时差要求的速度称之为动校正速度，炮检距越大，或地层介质速度越小，NMO就越大。另外，同相轴越深，NMO就越小。对于单一水平层，动校正速度等于该层的介质速度。在地层倾
6、斜的情况下，动校正的速度等于介质速度除以倾角的余弦。从三维角度来看，方位角是又一影响因素。由一系列水平等速层产生的依炮检距而变化的旅行时近似于双曲线，在大炮检距时，这种近似性就不适宜了。在水平层状地层的情况下，NMO速度等于到达所研究地层界面的均方根速度。在由任意倾角的地层所组成的介质中，旅行时方程变得复杂化，但在实践中，只要倾角不大，仍可用双曲线假设；当地层界面具有任意形状时，双曲线的假设就不成立了。 在实践中，往往忽略了动校正速度和叠加速度之间存在的差异。动校正速度是依据小排列双曲旅行时；而叠加速度却是依据与整个排列长度上的资料拟合最好的双曲线。不论怎样，通常认为叠加速度与动校正速度是相当
7、的。 常规速度分析是建立在双曲线假设的基础上的。我们将讨论速度分析的各种方法。在t2x2平面上，双曲旅行时方程是线性的。某反射面的t0时间和动校正速度是用与绘制在t2x2平面上的旅行时间拾取值最佳拟合的直线的截距时间和斜率的倒数求出的。估算动校正速度的另一种方法是应用一组常速度值对CDP道集作动校正，并将结果并排地显示出来，这样就可以观测同相轴被动校正拉平的程度来拾取各个同相轴的速度。我们也可以取一些相邻的CDP道集，并应用一组常速值进行叠加。根据这种常速叠加( CVS)剖面图，观察叠加效果最好的反射段来拾取速度函数。 最常用的速度分析技术是根据计算所谓的速度谱进行的，其目的是在速度一双程垂直
8、时间图上显示信号相干性的某些量度。这一课题的开创工作是由Taner和Koehler(1969)完成的。基本原理是沿着一定宽度的双曲门对CDP道集扫描，门宽依资料的主周期而定，并计算信号的相干性。有若干种相干性量度，即：在门内的所有道的振幅叠加、规一化的和非规一化的相关、能量归一化互相关求和值，以及定义为叠加输出能量与输入道能量和之比的相似性。相干性量度既可以用等值线图显示也可以作成门式脉冲图。有关速度谱的几个实际问题如速度扫描、时窗长度、部分叠加、CDP求和、切除的确定、重采样、带通滤波以及自动增益控制(AGC)，我们将要详细讨论，并演示它们在用模型CDP道集进行速度分析中的作用。 影响速度估
9、算有几种因素。排列不够长，特别对于高速或深层会产生不可靠的速度估算。叠加次数和信噪比确定了速度谱上相干峰值的质量。确定性地选择相干性量度影响着拾取方法，例如，弱层的速度拾取最好由归一化互相关取得。模型CDP道集将用于研究这些深度方面的因素。 即使在层状介质中，反射旅行时也不是理想的双曲线，这是众所周知的。造成旅行时偏离理想双曲线的主要原因是近地表的静态变化的影响，当地面高程变化严重或低速带有横向变化时，这些影响使反射双曲线畸变。尽管我们力图作野外静校正，但沿双曲线旅行时轨迹仍有残存的剩余变化，因此，在叠前必须对CDP道集作剩余静校正，这项工作在初步动校正之后作，动校正速度既可用区域速度，也可以
10、用沿剖面进行的一系列速度分析，剩余静校正之后，再做速度分析以便修改速度拾取，然后这个速度就可以用于叠加了、剩余静校正的各个阶段，我们将在3.4节和3.5节讨论。 最后要说明的一点是：叠加和偏移所要求的速度未必相同。实际上，一个简单倾斜反射面，其叠加速度是介质的速度除以倾角的余弦；而偏移速度是倾斜同相轴的上覆介质自身的速度，换句话说，叠加速度对于倾角很敏感，而偏移速度对此不敏感。在4.5节，我们将引入波场理论方法来确定偏移速度。3.2 正常时差(NMO) 我们从图33所显示的单一水平层这一简单情况入手。在给定中点M，计算沿由炮点S到深度D再返回接收点G的射线路径的旅行时t(x)，应用毕达哥拉斯准
11、则，作为炮检距函数的旅行时方程为： t2(x)t2(0)x2/V2 (3.1)x是炮检距，V是反射界面上方介质的速度。注意深度点D到地面投影与中点M一致，但当界面倾斜时两者是不吻合的，方程(3.1)在双程时间一炮检距平面上描绘了一条双曲线。由于所有的与每个炮检对有关的射线路径都由同一“深度点”D反射，所以它也表示了共深度点(CDP)道集。图33中炮检距范围是03150m，道距50m，反射层上方介质速度为2264m/s，该CDP道集中的所有道代表来自同一深度点反射。在某一炮检距的双程时间t(0)与零炮检距双程时间t(0)之间的时差取决于炮检距x和反射界面上方介质速度V，该时差叫正常时差(NMO)
12、。正是这种正常时差为通常应用的速度估算技术提供了依据。若知道了炮检距X和双程时间t(x)和t(0)，便可根据方程(3.1)计算速度。 一旦估算了用于双曲时差方程(3.1)的速度，我们就可以对图3.4中炮检距作动校正。经动校正的道集中的所有道叠加就可获得特定的CDP位置的叠加道，图35描述了双曲时差校正涉及到的数值方法，其基本思想是根据原始CDP道集上的振幅值A在经动校正后的道集上找到振幅值A1。给定t(0)、x 和V(NMO)值，便可根据方程(3.1)计算出t(x)，我们假定是1003ms，如果采样间隔是4ms，这个时刻就相当于第250.75个样点，因此我们必须用相邻的整数样点的振幅计算这一时
13、刻的振幅值。通常在实践中采用二次内插，它需要四个采样，即t(x)值两边各两个，如图35所示。 tNMO=t(x)=t(0)-t(0)1+()21/2-1 (3.2) 动校正量由t(x)-t(0)绘出。 我们取一个实际的速度函数并用方程(3.2)计算两个不同炮检距的动校正量，其结果列在责3.1。 对于不同炮检距的动校正量 表3-1tNMO,St(0),s VNMO,m/s x1000m x2000m0.25 2000 0.309 0.780O.5 2500 0.140 0.443 1 3000 0.054 0.201 2 3500 0.020 0.080 4 4000 0.008 0.031 速
14、度函数是随深度增加的一种实际类型(VNMO是t(0)即相当于深度的双程时间的函数)。由表可见，NMO随着炮捡距而增加，随深度而减小，并且对于高速值NMO较小。 如上所述，如果在NMO方程中采用恰当的速度，随炮检距变化的双曲反射旅行时曲线得以校正，若由于应用的速度比水平层位的实际介质速度高而使双曲线未完全校平，这叫做动校正量不足。相反，速度用低了便会造成校正量过头。在方程(3.2)中应用许多等速值对输入的CDP道集作动校正。将该反射双曲线校平得最佳的速度就是正确的NMO校正和叠加道集内的全部地震道的速度。另外，对于单一水平反射面的简单情况下，该速度也等于该反射面以上的介质速度。 水平层状地层的正常时差 我们现在研究由水平恒速地层组成的介质情况，如图3-6。每层有一定的厚度，它可以根据双程零炮检距时间来确定。这些地层的层速度为V1、V2，VN，此处N为地层序号，研究由炮点S到深度点D再返回接收点R的射线路径，与中点M处的炮检距x有关，Taner和Kohler定义的旅行时间方程如下 t2(x)C0 C1x2C2x4C3x6 (3.3)式中C0t(0)，C11/V2rms，C2、C3为复杂的高次项，它依赖于层厚度和层速度，Vrms是到达深度点D的反射层的均方根速度，它被定义为V2rms= (3.4)其中ti是穿过第I层的速度的双程时间，且(t0)=，若近似
