第1章 深水油氣地震成像的新問(wèn)題1
��1 深水油氣研究的意義近年來(lái)
，海上深水區(qū)發(fā)現(xiàn)的油氣資源儲(chǔ)量正在快速增長(zhǎng)，深水油氣鉆探的水深已經(jīng)超過(guò)
3000?隨著深水油氣勘探成功率的增加，國(guó)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(zhēng)相挑戰(zhàn)深水油氣勘探的極限?例如，美國(guó)聯(lián)邦政府和石油公司聯(lián)合制定的深海技術(shù)開(kāi)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?jī)?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(kāi)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(guó)海洋油氣勘探開(kāi)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(guó)南海大于300水深的海域面積超過(guò)了200萬(wàn)平方公里，周邊的文萊?馬來(lái)西亞
?菲律賓等國(guó)在南海南部海區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了規(guī)模可觀的油氣資源(吳時(shí)國(guó)，袁圣強(qiáng)
，2005)?自2005年以來(lái)，周邊國(guó)家在南海南部的油氣產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)5000萬(wàn)噸/年，2
006年中國(guó)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(guó)海洋油氣的重要基地之一
?面對(duì)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(guó)深水油氣的研究明顯滯后于國(guó)際水平
?關(guān)于南海深水海域油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)，無(wú)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(wèn)
題
，迫切需要開(kāi)展相關(guān)的研究工作?由于缺少鉆井及可見(jiàn)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(dòng)力環(huán)境?崎嶇復(fù)雜的海底地貌?大水深長(zhǎng)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(duì)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(píng)價(jià)的瓶頸?本書(shū)主要討論深水油氣勘探研究中的地震成像問(wèn)題
，力求突破理論方法屏障，為開(kāi)發(fā)我國(guó)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(guó)內(nèi)外深水油氣研究現(xiàn)狀
，深水海域油氣資源越來(lái)越多地受到各國(guó)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(dòng)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(lèi)方法技術(shù)圍繞的核心和聚焦點(diǎn)
?(
1)近年來(lái)海底電纜多分量地震方法作為深海地震觀測(cè)的重要方式得到長(zhǎng)足發(fā)展，隨著海底電纜觀測(cè)成本的進(jìn)一步降低
，多分量地震將成為未來(lái)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(lái)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)
2)我國(guó)南海深水盆地水深超過(guò)千米，新生代沉積厚度上萬(wàn)米，長(zhǎng)偏移距地震觀測(cè)將成為一種必要的手段
?但是長(zhǎng)偏移距地震觀測(cè)除了遇到電纜漂移的技術(shù)問(wèn)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(lái)，地震波時(shí)距方程六階展開(kāi)最優(yōu)化法的提出
，不僅使長(zhǎng)偏移距地震波形疊加后畸變問(wèn)題的研究深入開(kāi)展，還對(duì)長(zhǎng)偏移距引起的地震波速度各向異性問(wèn)題探討了解決方案
(尤建軍等，2006;，1995)，長(zhǎng)偏移距地震波時(shí)距關(guān)系的解決將對(duì)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(zhǎng)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(lèi)方法正在從理論向?qū)嵱没�發(fā)展
可以預(yù)測(cè)，消除多次波方法研究的進(jìn)展對(duì)提高地震成像的精度一定會(huì)產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用
?(
4)南海特有的海水物理參量(溫度和鹽度)和海洋動(dòng)力環(huán)境特征(風(fēng)浪?海流?內(nèi)波
)對(duì)地震波傳播的影響近年來(lái)受到極大的關(guān)注，美國(guó)和歐洲太空局以及中國(guó)科學(xué)院都在南海海域觀測(cè)到孤立內(nèi)波
海洋的物理現(xiàn)象對(duì)地震波場(chǎng)的畸變作用及其對(duì)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(wèn)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(chǔ)層形態(tài)的多變性，以及超大深度水體動(dòng)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(chǎng)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)明顯不足的條件下最佳地求解未知的地質(zhì)問(wèn)題構(gòu)成了成像研究的重點(diǎn)
?近年來(lái)
，波動(dòng)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(dòng)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(wèn)題問(wèn)題
1:如何認(rèn)識(shí)復(fù)雜海底地貌情況下地震波的速度場(chǎng)?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(chǎng)的建立問(wèn)題
，這一問(wèn)題的解決對(duì)提高波動(dòng)方程疊前深度偏移的精度至關(guān)重要
，是波動(dòng)方程疊前深度偏移方法體系中的關(guān)鍵問(wèn)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(lái)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(wèn)題?問(wèn)題
2:如何在偏移成像方法中合理補(bǔ)償深層能量?我國(guó)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(wèn)題
?近年來(lái)，疊前深度域保持振幅偏移方法的研究可為解決這一問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)?但是
，在實(shí)際資料成像處理的過(guò)程中，疊前深度域保持振幅偏移方法還有很多技術(shù)問(wèn)題需要解決
?問(wèn)題
3:如何認(rèn)識(shí)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(wèn)題，特別是長(zhǎng)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(wèn)題的解決將直接影響成像質(zhì)量?近年來(lái)，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(duì)其的有效利用?問(wèn)題
4:海水物理參數(shù)以及海洋動(dòng)力環(huán)境是否對(duì)偏移精度造成影響?海洋的動(dòng)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(zhǎng)期以來(lái)，海上油氣地震勘探對(duì)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(guò)1
000甚至到3000時(shí)，水層非均勻性的影響還可忽略嗎?面對(duì)上千米深水地震數(shù)據(jù)的成像
，這一問(wèn)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(duì)深水區(qū)特有的問(wèn)題開(kāi)展研究，以滿足深水油氣勘探開(kāi)發(fā)日益增長(zhǎng)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(lèi)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(cè)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(lèi)的克�；舴蚍e分方法
，也有基于波動(dòng)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(cè)系統(tǒng)自激自收方式，不能對(duì)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(wèn)題
，適于橫向速度中等變化的介質(zhì)，對(duì)偏移速度場(chǎng)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(duì)地震資料的精度要求?所以，疊前時(shí)間偏移相對(duì)于疊后時(shí)間偏移有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)
，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(duì)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(duì)野外采集數(shù)據(jù)的適應(yīng)性很好
，能很好地處理各類(lèi)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(duì)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(lái)，然后放到空間中的這個(gè)點(diǎn)上?也就是說(shuō)
，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(duì)于深度偏移而言的，在時(shí)間偏移前后，就像剖面中所見(jiàn)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(dòng)空間中用1表示，在三維波動(dòng)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(duì)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(duì)三維偏移
，這個(gè)因子的相移為90°，振幅譜與頻率成正比?克�；舴蚱�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(duì)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(duì)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?cè)谌肷洳ǖ募��?lì)下產(chǎn)生廣義繞射
，地下的一個(gè)繞射點(diǎn)對(duì)應(yīng)到記錄上就是一條繞射雙曲線?對(duì)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(dòng)方程的克希霍夫積分解
:��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(chǎng)
?惠更斯原理表述如下:在時(shí)間時(shí)的壓力擾動(dòng)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(chǎng)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(dòng)方程的克希霍夫積分解得到的點(diǎn)繞射(陶杰，2011)為了計(jì)算方便
，將在時(shí)間方向上對(duì)波場(chǎng)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(shuō)法的數(shù)學(xué)表述是高斯散度定理
:∫