快速回转波近地表速度建模方法郭振波;孙鹏远;钱忠平;李培明;唐博文;熊定钰【摘要】Conventional first-arrival travel time tomography based on iterative inversion is computationally intensive and timeconsuming,especially in a large-scale data processing.In order to improve the efficiency of near-surface modeling,a fast near-surface model building with turning wave is developed by assuming that the near-surface velocity is transversely constant within the maximum offset range and varies linearly with the depth.In order to improve the accuracy of inversion,a multi-datum correction method is adopted to reduce the influence of surface undulation on the inversion results.In order to enhance the stability of inversion,a local weighted ray parameter estimation is developed to increase the robustness with respect to noise.Synthetic and real data tests verify the validity and efficiency of the proposed method.%常规基于迭代反演的初至波层析近地表速度建模方法在大规模数据处理时计算量较大、耗时多.为了提高近地表建模的效率,发展了一种回转波快速近地表建模方法.该方法假设在最大炮检距范围内近地表速度横向不变但随深度线性变化.为了提高反演精度,在算法内部采用多基准面校正方法降低地表起伏对反演结果的影响;为了增强反演的稳定性,应用基于局部加权的稳定射线参数估计方法降低初至拾取误差对反演结果的影响.理论模型数据与实际数据测试验证了方法的有效性及高效性.【期刊名称】《石油地球物理勘探》【年(卷),期】2019(054)002【总页数】8页(P261-267,前插1)【关键词】近地表;层析;速度建模;反演;静校正;回转波【作者】郭振波;孙鹏远;钱忠平;李培明;唐博文;熊定钰【作者单位】东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751;东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751;东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751;东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751;东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751;东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072751【正文语种】中文【中图分类】P6310 引言地震勘探由于激发和接收均在地表，因此需要消除地表起伏及近地表速度横向变化对反射信号的影响[1]，其主要处理方式有两种：①通过静校正技术将炮点、检波点校正到统一基准面上[2-3]，在消除近地表对反射波影响的同时也可使一些基于水平地表假设的方法(如水平叠加等)可行；②直接进行基于起伏地表的处理，在算法内部考虑近地表的影响(如起伏地表条件下的速度建模、偏移成像等)[4-5]。
不管采用哪种方式，都需要进行近地表建模，因此近地表建模方法的研究对油气地震勘探具有重要意义。
近地表建模主要利用地震记录中的初至波，可分为基于波动理论和射线理论的层析，也可分为波形层析和旅行时层析[6]。
由于观测误差、噪声等因素的影响，很难直接进行波形匹配，因此目前以旅行时层析为主[7]。
由于计算能力的限制，旅行时层析以基于射线理论的方法为主，而基于波动理论的旅行时层析还未得到大规模应用[8]。
常规的基于射线理论的旅行时层析方法(常规射线层析)[9]是基于射线追踪方程或程函方程、通过迭代求解正演旅行时与观测旅行时的最优拟合，可获取较高精度的近地表模型。
但由于需要大量的正演及反演计算，计算量较大，特别是对于目前的高密度、宽方位地震数据，限制了方法的大规模应用。
除了常规射线层析反演，还有一类方法是通过对速度分布做进一步假设构建快速近地表建模方法，该类方法在天然地震研究中广泛应用，通常用来构建一维参考模型[10]。
Diebold等[11]采用截断时间求和方法利用折射波与反射波旅行时构建一维速度模型；Rühl等[12]利用最大深度方法构建近地表模型并将其应用于静校正，实际数据测试验证了由该方法计算的长波长静校正量的准确性；Nowack[13]、Novotn等[14]、胡自多等[15]、徐涛等[16]利用 Herglotz-Wiechert方法构建近地表模型； Shi等[17]在线性速度分布假设下采用层剥离的方法进行快速近地表建模。
本文通过假设速度随深度线性变化发展了一种快速的回转波近地表建模方法。
通过在算法内部采用多基准面校正降低地表起伏对反演结果的影响，提高反演精度；应用基于局部加权的稳定射线参数估计方法降低初至拾取误差对反演结果的影响，增强反演的稳定性。
理论模型数据与实际数据测试验证了方法的有效性及高效性。
1 方法原理1.1 基本原理假设在最大炮检距范围内近地表速度横向不变但随深度线性变化，此时近地表的速度变化趋势可表述为v(z)=v0+gz(1)式中： v0为地表速度； z为深度； g为速度梯度。
在该介质中传播的地震波称为回转波。
给定射线入射角度θ、起始坐标(x0，z0)可导出其射线路径、炮检距、初至时间的理论表达式(图1)。
具体来说，其射线路径为一圆弧，圆心位于点[18](2)半径为(3)式中p=sinθ/v为射线参数。
相应地可求得对应的炮检距H及初至时间t(4)对于速度反演，已知炮检距、初至时间，求取地下不同位置处的速度参数。
假设速度水平横向不变，地震波的传播射线参数保持不变，可据此求得回转点处的速度为图1 地震波在速度随深度线性变换介质中的传播路径(5)由式(2)和式(3)可求得回转点的深度为(6)射线参数p可由初至时间估算；地表速度v0由近炮检距数据计算或由先验信息给定。
速度随深度变化的梯度通过求解目标函数(7)获得。
式中W为加权因子，调整炮检距项(第一项)与时间项(第二项)的权重。
当炮检距单位为m、时间单位为s时，加权因子W设为1000，以均衡由于不同测量单位固有的加权效应。
利用式(5)～式(7)可获取一个炮检距—初至时间对所对应回转点的速度及其深度。
通过在由近及远的炮检距范围内进行初至反演，可获取由浅到深的速度参数；通过对不同空间位置点进行相同的处理，可获取整个三维空间的速度参数。
给定离散的空间网格，将相应的速度参数投影到对应的网格点上，然后进行对应的速度内插、平滑等处理，可得到规则网格点上最终的速度参数。
1.2 多基准面初至时间校正由于上述方法基于水平地表假设，起伏地表情况下需要将其校正到水平基准面上。
如图2所示，本文通过两方面的策略保持校正精度：①将数据抽至CMP道集后再进行后续的处理，保证炮检点的空间局部性；②根据地表起伏的情况，针对不同的炮检距范围利用不同的基准面进行高程校正，尽量缩小校正时间以减少高程校正带来的误差。
一般情况下，近炮检距范围采用CMP点处的高程作为反演的基准面，远炮检距范围内采用炮检点的平均高程作为反演基准面。
图2 多基准面校正示意图1.3 基于局部加权的稳定射线参数估计射线参数又称为视慢度，可通过估算炮检距—初至时间曲线不同点的斜率获取。
射线参数估计的精度及稳定性直接影响最终的反演结果。
本文提出了一种基于局部加权的稳定射线参数估计方法，可有效降低初至拾取误差、异常值的影响，实现相对稳定的射线参数估计。
对于一个CMP道集，利用一个固定宽度的窗口沿炮检距—初至时间进行滑动，对平滑窗内的数据进行直线拟合[19]，所拟合直线的斜率即为该平滑窗中心位置对应的射线参数，如图3a所示。
利用这种直线拟合的方式可消除小的拾取误差对射线参数估计的影响，但是对于大的拾取误差容错能力较弱。
借鉴Cleveland[20]局部加权平滑的相关思想，本文在直线拟合的过程中引入局部加权减少大的拾取误差对射线参数估计的影响。
基于局部加权的直线拟合，可以表述为求解目标函数[20](8)式中： N为平滑窗内的点数； tk、Hk为第k个点处的初至时间与炮检距； t0、p分别为所拟合直线的截距时间与斜率(即射线参数)； wk为第k个点处的加权系数。
稳定的参数估计方法主要分为两步：①将所有点处的加权系数wk 设为1，首先进行常规线性拟合；②计算所有点与拟合直线的距离，根据给定的可容许的最大时间差Δtmax，重新设置其加权系数为(9)利用新的加权系数再进行一次线性拟合，消除异常初至对射线参数估计的影响，如图3b所示。
图3 射线参数估计示意图(a)射线参数整体估计方法示意图； (b)基于局部加权的拟合方法(线2)与常规拟合方法(线1)的对比2 理论数据测试为了说明本文方法的有效性，选用Amoco静校正基准测试模型[21](图4)进行理论数据的测试。
该模型包含了大部分常见的近地表地质构造，如高速层出露(区域A)、局部高速、低速异常体(区域B)、浅层低速层(区域C)、近地表复杂构造(区域D)及极浅层低速体(区域E)等，可在一定程度上说明该方法对不同近地表地质构造的适应性。
图4 Amoco静校正基准测试模型原有模型横向范围为50km，纵向深6km，由于本文只进行近地表模型的建立，因此只截取了浅部3.2km的部分模型进行测试。
模型纵、横向采样间隔均为5m，横向共10001个采样点，纵向共647个采样点，最大速度为5760 m/s，最小速度约为800m/s。
观测数据共1998炮，炮点以25m的间隔均匀分布于地表以下10m处，第一个炮点位于横向位置10m处。
按照陆上采集方式布设观测系统，最大炮检距为7.5km，检波点间距为10m。
为了避免初至拾取巨大的工作量以及拾取误差对分析的影响，利用有限差分求解程函方程计算得到各个检波点处的初至时间作为反演的输入。
本文方法反演的速度模型如图5所示。
对比图4与图5可知，本文方法除了在复杂构造区域(图4中D标识区域)反演效果较差外，其余部分反演结果与真实模型形态均相似。