第1章 深水油氣地震成像的新問題1
��1 深水油氣研究的意義近年來
，海上深水區(qū)發(fā)現(xiàn)的油氣資源儲量正在快速增長，深水油氣鉆探的水深已經(jīng)超過
3000?隨著深水油氣勘探成功率的增加，國際相關(guān)機(jī)構(gòu)陸續(xù)制定了關(guān)于深水油氣勘探理論和技術(shù)的研究規(guī)劃
，爭相挑戰(zhàn)深水油氣勘探的極限?例如，美國聯(lián)邦政府和石油公司聯(lián)合制定的深海技術(shù)開發(fā)研究計(jì)劃
，將100~500水深的深海油田相關(guān)技術(shù)作為主要研究內(nèi)容
;巴西制定了為期15年分三階段實(shí)施的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，目標(biāo)是形成
3000水深的海洋油氣田開發(fā)技術(shù)能力?全球的海洋油氣勘探表明，深水區(qū)具有更大的沉積空間
，以及沉積堆積和促使油氣成熟的熱源，也具有形成更大的油氣藏的潛力(


，我國海洋油氣勘探開發(fā)集中在陸架和淺水陸坡區(qū)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批淺水油氣田
?我國南海大于300水深的海域面積超過了200萬平方公里，周邊的文萊?馬來西亞
?菲律賓等國在南海南部海區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了規(guī)�？捎^的油氣資源(吳時(shí)國，袁圣強(qiáng)
，2005)?自2005年以來，周邊國家在南海南部的油氣產(chǎn)量已經(jīng)超過5000萬噸/年，2
006年中國海洋石油總公司在珠江口白云凹陷的深水探井(灣3-1-1，水深1480)獲得
1000億立方米資源量的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了南海深水區(qū)的巨大油氣資源潛力，南海深水區(qū)將成為我國海洋油氣的重要基地之一
?面對南海深水海域的油氣資源勘探
，現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平明顯不足，導(dǎo)致我國深水油氣的研究明顯滯后于國際水平
?關(guān)于南海深水海域油氣資源的勘探開發(fā)和評價(jià)，無論是在石油地質(zhì)還是在勘探地球物理研究方面都面臨與陸地和淺海地區(qū)不同的科學(xué)問
題
，迫切需要開展相關(guān)的研究工作?由于缺少鉆井及可見的地質(zhì)資料，勘探地震學(xué)方法及手段在深水海域油氣資源勘探研究中占有重要地位
，地震方法是獲取南海超大水深地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以及盆地結(jié)構(gòu)的有效手段
?但是南海特有的海水物理參數(shù)和海洋動力環(huán)境?崎嶇復(fù)雜的海底地貌?大水深長周期多次反射波的發(fā)育
?橫向強(qiáng)烈的非均勻結(jié)構(gòu)，對反射地震成像的方法原理提出了挑戰(zhàn)
，地震成像的困難成為制約南海油氣資源調(diào)查評價(jià)的瓶頸?本書主要討論深水油氣勘探研究中的地震成像問題
，力求突破理論方法屏障，為開發(fā)我國南海深水區(qū)油氣資源提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
?1
��2 國內(nèi)外深水油氣研究現(xiàn)狀
，深水海域油氣資源越來越多地受到各國政府和石油公司的關(guān)注
?由于深水盆地與淺海大陸架盆地在構(gòu)造幾何形態(tài)
?動力學(xué)形成機(jī)制?烴源巖分布規(guī)律及地球物理特征方面存在很大的差別，與深水油氣相關(guān)的研究工作在學(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)注
，1999)?在深水地球物理研究方面
，高精度的地震成像仍然是各類方法技術(shù)圍繞的核心和聚焦點(diǎn)
?(
1)近年來海底電纜多分量地震方法作為深海地震觀測的重要方式得到長足發(fā)展，隨著海底電纜觀測成本的進(jìn)一步降低
，多分量地震將成為未來深水油氣地震方法的重要手段
?同時(shí)，與多分量地震密切相關(guān)的深水轉(zhuǎn)換波成像的研究也必然是未來發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)
2)我國南海深水盆地水深超過千米，新生代沉積厚度上萬米，長偏移距地震觀測將成為一種必要的手段
?但是長偏移距地震觀測除了遇到電纜漂移的技術(shù)問題之外，傳統(tǒng)意義上地震波傳播的時(shí)距方程也表現(xiàn)出嚴(yán)重的缺陷
?近年來，地震波時(shí)距方程六階展開最優(yōu)化法的提出
，不僅使長偏移距地震波形疊加后畸變問題的研究深入開展，還對長偏移距引起的地震波速度各向異性問題探討了解決方案
(尤建軍等，2006;，1995)，長偏移距地震波時(shí)距關(guān)系的解決將對深水地震成像提供有利的技術(shù)支撐
?(
3)壓制多次反射波是深水區(qū)地震成像成功的關(guān)鍵，現(xiàn)有的拉東變換等方法主要利用多次波與反射波速度的差異
，不適合深水區(qū)強(qiáng)能量長周期地震多次波的消除?最近幾年發(fā)展的
方法?逆散射方法是消除多次波最有希望的方法
，深入的研究工作使此類方法正在從理論向?qū)嵱没�發(fā)展
可以預(yù)測，消除多次波方法研究的進(jìn)展對提高地震成像的精度一定會產(chǎn)生重要的推動作用
?(
4)南海特有的海水物理參量(溫度和鹽度)和海洋動力環(huán)境特征(風(fēng)浪?海流?內(nèi)波
)對地震波傳播的影響近年來受到極大的關(guān)注，美國和歐洲太空局以及中國科學(xué)院都在南海海域觀測到孤立內(nèi)波
海洋的物理現(xiàn)象對地震波場的畸變作用及其對地震成像精度的影響將成為地震方法中不可忽視的
一點(diǎn)
?(
5)南海深水地震成像面臨的問題十分復(fù)雜，主要因素包括海底地貌的復(fù)雜性?沉積結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性
?儲層形態(tài)的多變性，以及超大深度水體動力環(huán)境的不穩(wěn)定性等，這些因素加劇了地震波傳播的復(fù)雜性
，增大了從復(fù)雜的地震波場對有效波成像的難度?深水復(fù)雜構(gòu)造背景下二維地震方法的缺陷加深了地震成像與反演的難點(diǎn)
在南海各種觀測數(shù)據(jù)明顯不足的條件下最佳地求解未知的地質(zhì)問題構(gòu)成了成像研究的重點(diǎn)
?近年來
，波動方程疊前深度域保幅偏移方法(張宇，2006;常旭等，2008)，研究了深水崎嶇海底造成的地震波散射和橫向速度的劇烈變化
，提高了成像效果，推動了深水地震成像研究的進(jìn)展
?1��3 深水油氣地震成像研究的新問題問題
1:如何認(rèn)識復(fù)雜海底地貌情況下地震波的速度場?深水油氣地震成像首先必須解決復(fù)雜海底地貌情況下地震波速度場的建立問題
，這一問題的解決對提高波動方程疊前深度偏移的精度至關(guān)重要
，是波動方程疊前深度偏移方法體系中的關(guān)鍵問題
?目前工業(yè)界一般利用偏移速度分析的方法建立速度模型，近年來快速發(fā)展的全波形反演方法
，可以更精細(xì)地建立深度域速度模型，但如何提取地震數(shù)據(jù)中的低頻信息以保證初始速度模型的客觀性
，仍然是一個(gè)需要研究的新問題?問題
2:如何在偏移成像方法中合理補(bǔ)償深層能量?我國南海深水區(qū)崎嶇海底引起地震波散射
，超大水深引起中深層能量強(qiáng)烈衰減，如何確立有效的偏移算法
，使深水海域中深層地震波能量得到恢復(fù)，是地震成像研究遇到的新問題
?近年來，疊前深度域保持振幅偏移方法的研究可為解決這一問題提供理論基礎(chǔ)?但是
，在實(shí)際資料成像處理的過程中，疊前深度域保持振幅偏移方法還有很多技術(shù)問題需要解決
?問題
3:如何認(rèn)識南海超大水深引起的超強(qiáng)多次反射波?在深水油氣地震成像研究中
，必須解決多次波模型的建立問題，特別是長周期的?與表面相關(guān)的多次波模型的建立
，是有效消除多次波的關(guān)鍵，同時(shí)也是突出深層能量，加強(qiáng)反射波傳播效率的關(guān)鍵
?這一問題的解決將直接影響成像質(zhì)量?近年來，多次波利用的研究得到發(fā)展
，多次波的利用可以擴(kuò)大地震波的照明范圍，使復(fù)雜構(gòu)造的照明得到補(bǔ)償?因此
，在深水油氣地震成像研究中多次波不僅僅需要消除，還需要研究對其的有效利用?問題
4:海水物理參數(shù)以及海洋動力環(huán)境是否對偏移精度造成影響?海洋的動力環(huán)境變化和海水物理性質(zhì)的差異使水層具有非均勻性特征
，導(dǎo)致聲波速度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化
?長期以來，海上油氣地震勘探對地震響應(yīng)和地震成像的研究一般忽略海水層的非均勻性
?這在水深0~50的淺海陸架海域是可行的，但是，當(dāng)水層深度超過1
000甚至到3000時(shí)，水層非均勻性的影響還可忽略嗎?面對上千米深水地震數(shù)據(jù)的成像
，這一問題應(yīng)該得到研究?綜上所述
，深水油氣地震成像研究必須針對深水區(qū)特有的問題開展研究，以滿足深水油氣勘探開發(fā)日益增長的重大需求
?第2章 疊前時(shí)間偏移成像地震偏移成像根據(jù)其在疊前或疊后實(shí)現(xiàn)的不同區(qū)分為疊前偏移和疊后偏移
，又根據(jù)其在時(shí)間域或深度域?qū)崿F(xiàn)的不同區(qū)分為時(shí)間偏移和深度偏移
?根據(jù)這兩大類區(qū)分，地震偏移方法可組合為疊加后時(shí)間偏移和疊加后深度偏移
，疊前時(shí)間偏移和疊前深度偏移?疊后偏移數(shù)據(jù)量大大減少 
，但受到數(shù)據(jù)疊加的影響，損失了地震波形的精細(xì)變化，成像精度低于疊前偏移方法
?隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高
，地震疊前偏移方法已經(jīng)成為工業(yè)界采用的主流方法?疊前時(shí)間偏移具有觀測系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)
?速度分析快捷?運(yùn)算效率高?資料成像較清晰等特點(diǎn)，至今仍然是地震偏移成像處理不可或缺的方法
?本章主要介紹地震疊前時(shí)間偏移的原理和算法以及相關(guān)參數(shù)的選擇
?2
��1 疊前時(shí)間偏移的方法原理疊前時(shí)間偏移與疊后時(shí)間偏移和疊前深度偏移一樣
，既有基于射線走時(shí)類的克�；舴蚍e分方法
，也有基于波動方程的有限差分方法和傅里葉變換法?從原理和適用性上分析
，疊后時(shí)間偏移是基于地震觀測系統(tǒng)自激自收方式，不能對傾斜地層精確成像;而疊前時(shí)間偏移是基于繞射疊加或
(1972)的反射波成像原則，能夠解決疊后時(shí)間偏移存在的問題
，適于橫向速度中等變化的介質(zhì)，對偏移速度場不是很敏感，具有較好的構(gòu)造成像效果
，能滿足大多數(shù)探區(qū)對地震資料的精度要求?所以，疊前時(shí)間偏移相對于疊后時(shí)間偏移有其獨(dú)特的優(yōu)勢
，是目前地震資料處理中非常重要的方法?本節(jié)將以克希霍夫積分法為例詳述疊前時(shí)間偏移的基本原理和算法
?2
��1��1 疊前時(shí)間偏移基本原理和算法1
�笨讼；舴虔B前時(shí)間偏移的基本原理克�；舴虔B前時(shí)間偏移是一種繞射求和的偏移方法
?它具有以下特點(diǎn):①對速度模型的要求不高
，不需要高精度的速度模型即可得到較為精確的成像效果;②對野外采集數(shù)據(jù)的適應(yīng)性很好
，能很好地處理各類采集數(shù)據(jù);③計(jì)算效率較高，尤其在使用并行的情況下能夠較大地提高效率
?基于繞射求和原理的偏移方法是在輸入空間上搜索所有的能量
，只要繞射源(惠更斯二次震源)存在，那么在輸出空間中就能標(biāo)出它的確切位置
?對空間中的每一點(diǎn)，在相應(yīng)的空間中沿著它的惠更斯二次震源繞射曲線軌跡進(jìn)行搜索
，把搜索到的各點(diǎn)振幅加起來，然后放到空間中的這個(gè)點(diǎn)上?也就是說
，繞射求和就是沿著雙曲線軌跡，直接作振幅疊加，這里的疊加雙曲線(即求和軌跡)是受速度函數(shù)控制的?假設(shè)速度-深度模型為水平層狀介質(zhì)，則速度函數(shù)即為雙曲線頂點(diǎn)的均方根速度
?這里的是對于深度偏移而言的，在時(shí)間偏移前后，就像剖面中所見那樣
，振幅的和值實(shí)際上被放在空間中了，這里的是偏移后該點(diǎn)所在位置的時(shí)間
?在進(jìn)行繞射求和之前，必須考慮如下三個(gè)因素?(
1)振幅隨角度變化的傾斜因子或方向因子?它表示為傳播方向與垂直軸之間夾角的余弦
?(
2)球面擴(kuò)散因子?它在二維波動空間中用1表示，在三維波動空間中用1表示(
這里表示偏移速度，表示炮點(diǎn)到成像點(diǎn)的距離)?(
3)子波整形因子?對二維偏移，設(shè)計(jì)一個(gè)45°常相位譜，振幅譜正比于頻率平方根;對三維偏移
，這個(gè)因子的相移為90°，振幅譜與頻率成正比?克希霍夫偏移的實(shí)用方法有兩種
:一個(gè)為輸出道觀點(diǎn)，另一個(gè)為輸入道觀點(diǎn)，如圖
2��1��1和圖2��1��)所示?圖
2��1��1 輸出道觀點(diǎn) 圖2��1��2 輸入道觀點(diǎn)所謂輸出道觀點(diǎn)就是把零偏移距剖面或者非零偏移距剖面上的脈沖輸出到成像空間
中等時(shí)面對應(yīng)的可能的地下反射點(diǎn)上
，反射同相軸上任意點(diǎn)都可以看成是一個(gè)脈沖，把脈沖響應(yīng)能量擴(kuò)散到一系列等時(shí)面上
，所有等時(shí)面對應(yīng)的可能的反射面的包絡(luò)構(gòu)成地下反射界面
?輸入道觀點(diǎn)是地下界面上的每一點(diǎn)都可以認(rèn)為是一個(gè)繞射點(diǎn)
，它們在入射波的激勵(lì)下產(chǎn)生廣義繞射
，地下的一個(gè)繞射點(diǎn)對應(yīng)到記錄上就是一條繞射雙曲線?對于每個(gè)繞射點(diǎn)
，計(jì)算繞射時(shí)距曲線，按此關(guān)系把時(shí)距曲線的能量疊加到繞射頂點(diǎn)上，繞射頂點(diǎn)的連線就是真正的反射界面
?2
�笨讼；舴虔B前時(shí)間偏移的具體算法標(biāo)量波動方程的克�；舴蚍e分解
:��2��
2+��2��2+��2��2-1 2(��2��2=0(2��1��1)是惠更斯原理的數(shù)學(xué)
?在方程(2��1��1)中，為在介質(zhì)中以速度傳播的壓力波場
?惠更斯原理表述如下:在時(shí)間時(shí)的壓力擾動是點(diǎn)震源在時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的球面波的疊加
?分析圖
2��1��3中在位置的點(diǎn)繞射源的幾何形態(tài)，以及在繞射源激發(fā)產(chǎn)生的繞射波場在表面區(qū)域
的觀察結(jié)果?實(shí)際上，表面區(qū)域只是閉合面的一部分，是閉合面上的觀察窗口
?為了方便，我們將觀察表面區(qū)域上的檢波點(diǎn)位置犚(0，0，0
)定為坐標(biāo)系原點(diǎn)?圖
2��1��3 從標(biāo)量波動方程的克�；舴蚍e分解得到的點(diǎn)繞射(陶杰，2011)為了計(jì)算方便
，將在時(shí)間方向上對波場應(yīng)用傅里葉變換:
，ω為角頻率?逆變換給出如下:
=0(2��1��4)式中
(2��1��5)我們可以直觀地表述在閉合面
上的觀察結(jié)果是震源產(chǎn)生的?這種說法的數(shù)學(xué)表述是高斯散度定理
:∫