Velocity modeling under joint constraint of multiple structural attributes: a case study of Enping Sag in Pearl River Mouth Basin
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摘要: 复杂断块区域的高精度速度建模是解决成像剖面中断层阴影问题的有效方法。以南海珠江口盆地恩平凹陷A构造区域速度建模为例，发展了一种基于层位、断层以及倾角等多种构造属性联合约束的建模方法。该方法首先根据当前的地质认识，结合已有的钻井资料建立初始速度模型，然后将断层、层位及能体现断裂特征的倾角等构造属性联合约束在层析反演的过程中，最终可迭代得到精细的速度模型。该方法可更准确地保留住断层两侧速度的差异性，与实际地层更加吻合。基于所得速度模型的地震深度偏移成像处理显示，成像剖面中断层阴影区成像更加连续，断点清晰，成像质量明显优于老资料。Abstract: High precision velocity modeling in complex fault block area is an effective method to solve the problem of fault shadow in imaging profile. We developed a velocity modeling method based on the joint constraints of multiple structural attributes, including horizon, fault, and dip for the structural region A in the Enping Sag, Pearl River Mouth Basin, South China Sea. In the method, the initial velocity model is established based on existing drilling data and available geological knowledge, and then the joint constraints of structural attributes reflecting fault characteristics are added into the tomographic inversion. Finally, the refined velocity model can be obtained iteratively. It can retain more accurately the velocity difference between the two sides of the fault, and more consistent with the actual stratigraphic units. The seismic depth migration imaging processing based on the velocity model shows that the imaging of the fault shadow area in the imaging section is more continuous, the breakpoint is clear, and the imaging quality is obviously better than the old data.
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0. 引言
地震资料中的断层阴影是指出现在断层下盘的不可靠成像三角区，在地震剖面上表现为同相轴的抖动、“上拉”或“下掉”、道集出现“S”形扭动等。FAGIN[1]在1996年通过模型正演分析研究时已指出，断层两侧的速度横向变化是造成断层阴影带的根本原因，叠前深度偏移方法结合准确的速度模型可以解决断层阴影成像问题。速度模型的精度一直制约着成像效果，近年来，国内外学者在如何求解准确速度场方面进行了深入研究。基于层析反演建立更新速度模型的方法较为常用[2-10]，该类方法可以得到趋势较为合理的速度模型，但相对比较平滑。为实现速度模型突变，特别是断层两侧的速度，万弘等[11]尝试加入地震中对断裂敏感的倾角属性约束；王新领等[12]基于正则化理论在层析反演过程中实现断层和层位约束；彭海龙等[13]、孙成禹[14]、孙夕平等[15]、吴大奎等[16]以及姜岩等[17]在层析反演过程中为了使速度更新不能跨越断面而引入了断层控制。
本文以珠江口盆地恩平凹陷A构造速度建模为例，发展了一种层位、断层结合倾角等多种构造属性联合约束的建模方法。此方法不仅可以更准确地保留断层两侧速度的差异性，还可利用高分辨率非线性层析速度反演，迭代更新出更为精细的、与实际地层更加吻合的速度模型，断层阴影改善效果明显。
1. 研究区概况及地震资料情况
A构造位于珠江口盆地恩平凹陷南部隆起断裂构造带与番禺断裂带之间的转换带中，构造低幅、低缓，是发育在基底古隆起上的翘倾断背斜构造，受南侧和东侧2条晚期断层控制，走向分别为NWW和NNW向[18-20]。该构造主控断层活动分2个阶段：早期（文昌—恩平期）活动性强，生长指数1.22，该期活动控制了古隆起背景；晚期断层活动频繁，活动系数1.14～1.31，但强度逐渐趋弱。油气勘探的主要目的层系为珠江组—下韩江组，埋深较浅，岩性主要为古珠江三角洲平原-前缘相带砂泥岩互层。
研究区内地震资料为2018年采集，测线方向垂直于断层走向，老地震资料断面不清晰，断层阴影带内构造高部位存在上拉畸变现象，影响该低幅构造落实，断层阴影带的成像品质待进一步改善（图1）。
2. 基于多构造属性联合约束的速度建模方法
研究区重点是复杂断控油气藏。目前在复杂构造区域一般应用叠前深度偏移解决复杂速度偏移成像问题。叠前深度偏移速度建模主要分两大步：①建立较准确的初始速度-深度模型；②利用层析成像技术反复迭代修正速度模型，直至速度-深度模型精确度满足需要为止。
为了改善断层阴影问题需有高质量的深度偏移道集和成像剖面，本文着重针对以下两点入手：①建立较准确的地下地质情况的初始速度模型，以更快速收敛、逼近准确速度；②进行高精度网格层析，并在层析反演过程中加入构造属性等约束共同迭代更新速度模型。具体技术流程如图2。
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图 2 基于多构造属性联合约束的速度建模方法流程Figure 2. The process of velocity modeling under the constraints of multiple structural attributes2.1 基于叠前深度成像速度分析和地质约束的初始速度模型建立
该地区存在的主要地质问题为：断层阴影严重，断层下伏地层产状不真实，圈闭形态和面积存在较大不确定性；分辨率低，不利于构造解释；速度横向上存在变化，不利于构造形态落实。其地震数据特征为：分辨率较低，多次波严重，信噪比需要提高，断面成像模糊。针对该地区的地质构造和地震数据特征，设计合适的数据处理步骤，以获取初始叠前深度偏移速度模型，具体处理步骤如图3。
基于叠前深度偏移速度分析得到的初始速度模型，采用趋势速度地质约束法对其进行优化，即基于对该区域的地质认识，根据其沉积特征及速度横向变化规律，并结合地震速度与断层数据、钻井分布与测井速度、井震速度匹配关系等信息，选择合适的速度插值算法，从而得到更为精确的初始速度模型，具体步骤如下：①开展海水速度扫描，确定准确的水体速度；②全局速度扫描（宏观速度更新-大网格500 m×500 m×200 m），找出区域速度规律与大尺度速度异常；③加载测井速度，优选可靠井点，基于测井速度建立纵向速度变化趋势函数，并基于测井速度纵向速度趋势（图4）沿层进行校正；④选择合适的层位、断层建立地质约束体，减少速度插值的任意性（图5）；⑤结合速度趋势线进行约束构建本区平滑的初始速度场（图6）。
2.2 基于构造属性约束的高精度非线性层析反演
走时层析成像的数学表达为沿射线路径的拉东变换，即利用走时误差沿射线路径反投影的方式来估计慢度扰动，从而实现慢度场的重构。
基于程函方程正演得到的旅行时间与实际初至时间的差可以表示为：
$$ \mathrm{\Delta }d(s,d)={\int }_{L(s,d)}\mathrm{\Delta }m(x,y,{\textit{z}})\mathrm{d}l $$ (1) 式中：
$ \mathrm{\Delta }d(s,d) $ 为从炮点$ \mathrm{s} $ 到检波点$ \mathrm{d} $ 的旅行时残差；$ \mathrm{\Delta }m(x,y,{\textit{z}}) $ 为三维空间坐标为$ (x,y,{\textit{z}}) $ 处的剩余慢度；$ G(s,d) $ 为从炮点$ \mathrm{s} $ 到检波点$ \mathrm{d} $ 的射线路径，将（1）式慢度模型离散化，则：$$ \mathrm{\Delta }d(s,d)={\sum }_{i}^{N}\mathrm{\Delta }{m}_{i}(x,y,{\textit{z}})\mathrm{\Delta }{g}_{i} $$ (2) 式中：
$ \mathrm{\Delta }{g}_{i} $ 为第$ i $ 个网格空间内的射线距离。所有炮检点射线残差形成一个稀疏线性方程组：
$$ \mathrm{\Delta }d=G\mathrm{\Delta }m $$ (3) 这样，射线层析反演过程就从一个非线性关系变成了线性问题。由于实际矩阵规模较大，一般采用迭代法解这个线性方程组。对于实际资料而言，G是一个病态的大型稀疏矩阵，反演求解存在很强的不适定性，为满足稳定性，一般只能选取光滑解。
为提升层析反演的精度，本文采用预条件正则化方法来应用断层和层位等信息约束层析反演，预条件矩阵可采用如下方式定义：
$$ \mathrm{\Delta }m=Su $$ (4) 式中：
$ S $ 为人工定义断层或层位的预条件算子，这里设计为一个和层位等信息相关的去噪算子；$ u $ 为期望的预条件解。将公式（4）带入公式（3）有：
$$ GSu=\mathrm{\Delta }d $$ (5) 先求解方程（3）， 将求解结果代入公式（4）即可得到最终的解
$ \mathrm{\Delta }m $ 。如何构建约束预条件矩阵是预条件正则化的关键点之一，本工区采用构造属性约束，其是将拾取的RMO信息、倾角及方位角信息、层位信息通过几何反偏移得到不变量，层析反演时利用给定的初始速度模型通过几何偏移将不变量偏移到初始速度对应的空间位置，然后基于网格层析反演更新速度模型。利用不变量信息，避免了以往每次更新速度后需要开展的网格点偏移步骤，极大地提高了速度模型更新效率，为获得精度更高的速度模型提供了可能。影响非线性层析反演的主要因素包括：构造、剩余时差（RMO）、地层倾角、地层方位角、相干信息、振幅信息、速度信息（图7）。
速度模型的优化迭代处理可分为4步：①自动拾取层位。利用已有的叠前深度剖面来求取具体的相关属性，即方位角属性、连续性属性及倾角属性等，然后再利用这些属性和深度偏移剖面来进行具体的自动层位拾取。②计算剩余延迟剖面。交互式参数调整、批量式计算具有高精度快速拾取的特点。③提取反演数据库。根据偏移剖面、倾角属性、连续性属性、方位角属性以及剩余速度体而提取出的反演数据库。④利用提取的反演数据库建立层析反演矩阵，并利用全局寻优的算法解矩阵，从而产生更新后的新深度域层速度体。
层位、倾角、测井速度的加入对非线性网格层析反演过程中速度模型更新量进行了有效的约束，能够较好的保持速度横向变化，使构造趋势与速度模型更为吻合，确保深度偏移的构造更真实（图8）。
3. 处理效果分析
经过了多轮层析迭代，偏移速度逐渐准确、偏移剖面质量逐渐提高，剩余速度逐渐变小，剩余速度变化量逐渐合理，迭代后速度场变化与地下地质构造更加吻合，更适宜于深度偏移成像处理。
老数据共成像点道集（CIG）和基于所得速度模型的CIG分别如图9a、b所示。由图9可知，新数据CIG中的断层位置同相轴更加水平且更连续，显示出新数据在断层位置具有更好的成像效果。
由该工区老剖面（图10a）和基于所得速度模型的深度偏移剖面（新剖面）（图10b）可知，新剖面断层归位清晰可靠，断点、断面干脆清晰，断层阴影区成像精度高，新剖面的整体成像精度明显优于老剖面。
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图 10 断控建模前后成像剖面对比Figure 10. Comparison of sections before and after imaging of fault-controlled modeling4. 结论
（1）针对复杂断块区域的高精度速度建模问题，发展了一种基于层位、断层以及倾角等多种构造属性联合约束的建模方法，可迭代得到更能精确反映断层两侧速度差异性的高精度速度模型，与实际的地层更加吻合。
（2）对恩平凹陷A构造地震数据的成像处理显示，本文方法能够有效改善断层阴影区的成像质量。利用新处理资料落实了该低幅构造边部形态及主力油层的油水界面，证明该构造高部位的存在潜力。
（3）本文方法对勘探开发阶段受断层阴影影响的低幅构造精细评价具有推广意义，同时有望在其他复杂断块构造区域的成像处理中得到成功应用。
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图 2 基于多构造属性联合约束的速度建模方法流程
Figure 2. The process of velocity modeling under the constraints of multiple structural attributes
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