叠前深度偏移技术

2024年5月23日发(作者：)

叠前深度偏移技术

一、技术原理及主要技术内容

叠前深度偏移技术已由克希霍夫积分法发展到波动方程法，同时还发展了其它的偏移方法，

如：高斯束（Beam）偏移、相移屏偏移技术、转换波叠前深度偏移、各向异性叠前深度偏

移等，现把上述各种方法分述如下：

（1）克希霍夫积分法叠前深度偏移：该偏移方法一般由两部分组成：一部分是旅行时计算，

另外一部分是克希霍夫积分处理。偏移的精度主要取决于旅行时的精度。旅行时计算建立在

费马原理的基础上，即地下两点间的一切可能路径中实际路径对应于最小旅行时间。它遵循

倒转射线追踪机制，大多数情况下使用对应于体波而不是首波的射线，这样减少了偏移成像

的畸变，且输出轨迹是灵活的。新方法主要改进了原方法中单波至、不保幅的缺点，现在是

计算多波至旅行时，并且具有振幅与相位保持特性，最具代表性的方法是由以色列

PARADIGM公司发展的共反射角克希霍夫积分法，其原理与方法是：由成像点到地面采用

照明式射线追踪；在每个射线均计算旅行时、观测位置、相位旋转因子、慢度；在特定倾角

每对射线均是潜在反射；求和某成像点同一层的所有反射形成共反射成像道集；所有到达时

的振幅与相位都是保持的。

高斯射线束（Gaussian Beam）偏移方法有别于常规的克希霍夫积分法深度偏移方法，目前

只有Chevron公司使用它，它分多组射线束进行研究，采用Gaussian法振幅衰减与相位抛

物线近似等。具体讲它是将震源和接受点波场局部分解成“束”，并利用精确的射线追踪将这

些束返回地下。一个地面位置能发出几个束，不同的束对应不同的初始传播方向，每个束独

立于其他束传播，且受单个射线管引导。射线管可以重叠，所以能量能在成像位置、震源位

置及接受点位置间以多个路径传播，因此高斯射线束偏移可处理多路径。该种方法部分解决

了常规克希霍夫积分法精度不高的问题。

（2）波动方程法叠前深度偏移：该种方法研究多波至，易振幅与相位保持，精度高，但费

机时，主要方法有有限差分法（FD）与相移校正法（PSPC），它们均基于单程波动方程、

平方根算子向下延拓，并使用多个参考速度。陆地地震资料采用叠前共炮集偏移，海洋地震

资料采用共方位角偏移。另外，近年来还发展有共偏移距伪屏深度偏移等，它是在混合的空

间—波数域中求解单程波动方程。波场外推是通过常速背景介质中的相移，再用校正来适应

速度的横向变化。它在共中心点—炮检距坐标系中，基于双平方根算子做共偏移距偏移同时

向下延拓震源和接受点波场。对于三维海洋数据，限制方位角范围，以便减小维数，仅沿炮

检距--方位角平面应用伪屏算子。该方法是基于波动方程法偏移在效率和精度之间的一个好

的平衡。

（3）各向异性叠前深度偏移：深度成像依赖于速度模型的精度，如果存在各向异性，但在

速度模型建立和偏移中没考虑它，则最终的成像将是不正确的，因此确定哪一层具有地震各

向异性，并且量化其各向异性参数是非常重要的。

地震速度各向异性是由于岩石机械弹性形变的定向变化引起的。在成像中考虑各向异性，弄

清它的起因和对称系统是非常有用的。起因可能包括岩性、沉积、后期裂缝和区域应力等，

对称系统用来对各向异性的不同形式进行分类。各向异性最简单的类型是横向同性(TI)，它

由一条垂直(VTI)、水平(HTI)或倾斜(TTI)方向的单对称轴确定，当然高次对称系统同样存在，

但目前暂不论述。各向异性介质的另一种特征是相速度（在波前的法向上测定）与群速度或

射线速度（沿能量传播方向测得）不同，差异变化是与对称轴间的传播角度的函数。实际应

用中一般采用比刚性系数稍欠灵活的模型参数，Thomsen(1986)提取了一套参数ε、δ、γ，是

从TI 对称系统的刚度矩阵的系数之间的关系中确定出来的。它的优点是可以通过测量以特

定角度穿过岩石单元的速度估算出Thomsen参数，由它们定义用于深度偏移的速度模型。

假设能估算出各向异性参数，那么通过计算旅行时或采用偏移，应该能调节与特定对称模型

有关的定向速度变化。在克希霍夫偏移中，进行射线追踪时必须要解决群速度与相速度之间

的转换。现已证明，即使很简单的对称模型，与各向同性相比，将各向异性加入到深度模型

中，都能改善叠前深度偏移成像的结果。单靠地面地震资料通常不能精确确定各向异性参数，

必须通过把地面地震资料与井资料结合起来，去推断各向异性的大小及其对称方向。

（4）转换波叠前深度偏移：转换波为弹性波场的一部分，该波场比日常用于偏移的波场内

涵大。在数学上声波波动方程描述了压缩波（纵波）在流体中的传播。实际中，大多数地下

介质为固体，所以弹性波动方程为地震试验中发生的变化提供了更具物理意义的模型。在某

些勘探环境下，尽量将弹性传播效应作为信号而不是噪音是一件非常有意义的事。如果在反

射时发生波型转换，即将入射的纵波转换为反射横波（所谓的“C”波），那么从运动学角度

显然应该做这样的叠前偏移：对震源波场用P波速度，对接受点波场用横波速度。随着转

换波应用的增加，全弹性波偏移中应用各向异性也在增加，不仅作为另外一种速度参数，而

且还用于确定被成像岩石的裂隙方位。

地下介质通常是各向异性的，因此当各向异性程度狠大时不能被忽略。Baoniu Han给出了

两个用于垂向横向各向同性介质（VTI）转换波数据叠前偏移算法。这两个算法根据各向同

性相移加内插(PSPI)和隐式有限差分方法(FD)推导而得，他们继承了这些波场外推偏移方法

的精度。以Christoffel方程的解析解为基础，各向异性PSPI算法能够控制各向异性参数的

任意强度，而各向异性FD算法则要求弱各向异性假设，故对于较强的各向异性来说，FD

算法得到的结果精度低，而PSPI算法是成功的，因它对各向异性散射关系没有做近似。

目前这方面的主要实例有：Statfjord油田3D—4C OBC研究史例/P—S波叠前深度偏移；

Donald油田转换波各向异性3D叠前深度偏移实例等。其中后者的成像技术采用改进的垂直

电缆偏移算法进行叠前深度偏移。它对共检波点道集偏移，用波动方程向下延拓炮点到反射

层，用射线追踪计算反射层到检波点路径的旅行时。 在转换波偏移中，P波速度用于下行

波传播，S波速度用于上行波传播。它不需要人为的“转换波速度”，也不需要共转换点道集，

是一种较简单的方法。它的另外一个优点是直接进行各向异性处理，实际上各向异性偏移的

主要困难是估算各向异性速度模型，而不在于算法的实现。通过叠前偏移和速度聚焦分析的

迭代，得到最终的P波成像和P波速度模型。在保持P波速度模型不变的前提下，通过速

度聚焦分析提取各向同性的S波速度，从而得到最终各向同性转换波的成像和各向同性的S

波速度模型。为了估算各向异性模型，对P波和各向同性转换波剖面的同相轴做相关，并

调整S波速度。在调整过程中，对应的P波和S波反射层聚集到相同的位置，新的S波速

度就是各向异性模型的垂直S波速度。为了完整地确定各向异性模型，必须计算参数ε、δ，

其中转换波层间正常时差速度是转换波旅行时的函数，这一点与各向同性模型一样。

二、应用条件及范围

（1）克希霍夫积分法叠前深度偏移：计算效率高，适应不同的野外观测系统，能做地下目

标体或任意目标线的偏移，适合二维/三维、叠前/叠后、时间/深度等不同类型的偏移处理，

单就叠前深度偏移来说，它最适合为叠前深度偏移建立速度、深度模型；同时，由于它研究

单初至、对能量做积分求和、不适应强横向速度变化等，所以其偏移精度低，一般不用做全

数据体叠前深度偏移。鉴于目前计算效率还不很高，其他偏移方法适应性较差，近期内它仍

然是三维叠前深度偏移处理的主流技术。

（2）波动方程法叠前深度偏移：该类方法按其算法分有：有限差分法、相位移校正法、各

类相位屏计算方法等，它们均继承了各自算法的特点：有限差分法适应横向速度变化，精度

高，但费机时，有倾角限制；相位移校正法无倾角限制，计算效率高，但不适应横向速度变

化，只适应垂向速度变化，精度低；各类相位屏计算方法是针对相移法不适应横向速度变化

这一特点改造而来的同系列技术，该方法是基于波动方程法偏移在效率和精度之间的一个好

的平衡。

由于波动方程法叠前深度偏移研究多波至，用波动方程精确计算振幅，所以它的精度很高，

实践已证明它比克希霍夫积分法偏移有更好的成像结果，目前正在成为三维叠前深度偏移处

理的未来技术。但是，它很费机时，目前不易普及应用，另外它所用的方程是单程波动方程，

没考虑其他波传播特性，故不是完全精确，而是相对精确。它要求完全规则的观测系统，不

能做目标线偏移，只能做全数据体叠前深度偏移处理。该类方法已发展有适合陆地三维资料

的叠前共炮集深度偏移，它既可用于共享式内存的并行机，也可用于分布式内存的微机集群；

以及适合海洋三维资料的共方位角叠前深度偏移，它的方位角归一化需大量的内存，很难用

于微机集群。

（3）各向异性叠前深度偏移：深度成像依赖于速度模型的精度，如果存在各向异性，但在

速度模型建立和偏移中没考虑它，则最终的成像将是不正确的，因此确定哪一层具有地震各

向异性，并且量化其各向异性参数是非常重要的。

该方法适合于地层在纵横向上存在强速度变化的地区，考虑到求取各向异性模型参数，工区

内应涵盖有适量的井资料。

（4）转换波叠前深度偏移：转换波为弹性波场的一部分，该波场比日常用于偏移的波场内

涵大。在某些勘探环境下，尽量将弹性传播效应作为信号而不是噪音是一件非常有意义的事。

如果在反射时发生波型转换，即将入射的纵波转换为反射横波（所谓的“C”波），那么从运

动学角度显然应该做这样的叠前偏移：对震源波场用P波速度，对接受点波场用横波速度。

该方法是为了充分利用横波的诸多优点，又不需要专门的横波勘探，而是从入射纵波转换为

反射横波的情形来研究地下目标体，比常规的纵波研究有许多优势，特别是在一些缝洞区或

复杂的岩性变化区。如加上各向异性速度研究，此方法应该是一们研究复杂区最具前途的叠

前深度偏移技术。

三、技术功能（技术指标）

（1）克希霍夫积分法叠前深度偏移：它既可做叠前深度偏移，也可用于建立层速度—深度

模型，可按要求输出目标线的成像道集。当然，它可以做其他类型的各种偏移处理，是应用

较广的一种偏移方法。

（2）波动方程法叠前深度偏移：目前主要用于复杂地区全数据体叠前深度偏移处理，不能

用于建立层速度—深度模型。当然，也可以做其他类型的各种偏移处理。

（3）各向异性叠前深度偏移：主要是为建立各向异性层速度—深度模型求取各向异性模型

参数，所用资料有地面地震资料与井资料。做叠前深度偏移处理时方法多种多样，只要能得

到好的成像结果均可使用。

（4）转换波叠前深度偏移：主要做转换波叠前深度偏移，用横波信息研究复杂地区的岩性

特征，所用方法主要有有限差分法与相移插值法等。当然，也可以引入各向异性速度研究。

通过上述各种叠前深度偏移方法，我们可以得到复杂区好的成像结果，提高钻探成功率。

四、研究进展情况

从目前的发展来看，叠前深度偏移方法主要采用柯西荷夫积分法，它的优点是计算效率高，

野外观测无任何限制，也就是对野外适应能力强，且能较好的适应大倾角偏移，具有抗假频

能力，同时，该方法也存在诸多的缺点：偏移结果降频严重，实现保幅偏移较难，使用宏观

地质模型决定了它不适合研究地质构造细节，但在目前计算能力下，它不失为一种有效可行

的三维叠前深度偏移方法。为了得到更好的成像效果，近一时期国内外研究工作者通过两种

途径来改进现有偏移方法的不足：一种途径是对现有的柯西荷夫法在旅行时计算和偏移方法

方面进行改进，如：首波旅行时计算向基于波场重建三维程函方程式旅行时解过度，其中考

虑了多个射线，并且是利用体波旅行时、保幅处理、基于模型的孔经定义等，如此改进后的

成像结果其构造细节更加清楚；第二种途径是彻底改变偏移方法，借助于高性能的

PC_CLUSTER微机集群，采用叠前波动方程偏移方法进行偏移，其成像结果更好！这方面

的最新进展是：海上资料利用共方位角波动方程偏移，陆地资料采用叠前共炮集波动方程偏

移，并且这些方法均投入了实际试用中。由于国内各油田单位在计算机硬件方面大大落后于

国外，所以在波动方程偏移方面较国外落后。可喜的是，国内已于2002年8月完成了首块

陆上三维叠前波动方程偏移（大庆区块）的处理任务，其成像效果明显好于柯西荷夫方法，

但其代价是相当大的，计算量约等于或大于10倍的柯西荷夫偏移方法。该方法除计算量大

之外，炮集边界效应较强，对低信噪比资料会产生不利的影响，所以此项技术仍属于探索阶

段，还需要进行不断的努力研究下去。

波动方程相移法近年来的发展也较快。众所周知，相移法具有保幅、适应大倾角、无条件稳

定、计算效率高等优点，同时存在一些难题：不适应横向变速；因做F-K变换要等间隔，

故不适应非规则采集。为了适应横向变速的要求，曾提出了三种改进相移偏移的方法，它们

是：最简单的stolt拉伸法；另一种是直截了当地用横向常速做多次相移偏移，并根据其结

果内插一个复合数据体（PSPI）；第三种方法是用横向常速做常规相移校正（PSPC），并根

据横向变速情况多次校正到满意为止，较简单的是一次相位校正（PSPC1），它相当于在有

限差分偏移中的透镜项，二次相位校正（PSPC2）是把PSPC1和一个二次项合并在一起，

其校正效果取决于空间位置和倾角，它要比PSPC1花更多的处理时间。其中相移插值方法

（PSPI）较典型，它适应弱横向变速，但不保幅，如想适应剧烈横向速度变化，那么插值工

作量就非常大，计算效率降低。为此国内外研究者围绕着相移法发展了多种变异方法：1）

分步富氏变换混合偏移法，其延拓算子采用相移法（针对横向不变速或弱变速）与有限差分

法（针对横向变速）混合使用；它使用Born反演法，不需要插值，保持振副，但仍属于弱

横向变速型。2）扩展局部式Rotivy富氏变换偏移法，采用Rotivy反演法，由于Rotivy近

似属指数型计算方法，有计算方便的特点；局部的含义是使用了小层概念，只考虑横向变速，

不考虑纵向变速，其适应横向变速较方法1）有所增强，但仍属于弱横向变速型。3）多参

考速度下扩展局部式Rotivy富氏变换偏移法，其适应横向变速进一步增强，但仍属于弱横

向变速型，有时达不到相移插值方法（PSPI）的精度。4）变频多参考速度下扩展局部式Rotivy

富氏变换偏移法，变频指局部区域内变化频率，这样在上述各种特点的基础上进一步提高计

算效率，但不适应地表起伏条件下非规则采集，如要使用必须先从地表延拓到固定平面再应

用。

在大多数沉积盆地中地层均表现出方位各向异性特征，另外定向排列的垂直裂缝也表现出强

烈方位各向异性特征，这些地区恰好是油气富集区，因此提取各向异性参数是深入研究地震

波成像与精细描述油藏特征的迫切课题。在解决纵波成像模糊带方面，转换波完成了对模糊

带储层顶部和底部地层的清晰成像，转换波在改善盐下成像质量方面也有巨大潜力。各向异

性速度分析能改善大偏移距转换波的时差校正质量，同时得到较为稳定的Thomsen参数。

考虑到各向异性影响的转换波叠前深度偏移，使得成像质量更加准确，利用叠前方位处理强

化转换波图象和属性，有利于岩性识别与检测裂隙。

五、中试或现场先导试验内容

1． 转换波各向异性三维叠前深度偏移试验：

Donald油田3D—4C勘探项目

主要目的：在墨西哥湾浅层气云对常规P波资料的成像有明显的影响，4C海底电缆技术可

接受到转换波，转换波可成功穿过气云成像。

采集试验：99年采集，块状3D观测：炮线与电缆正交，船与电缆的间隔近430米，产生

110次叠加，25*25面元，最大偏移距6000米。

处理结果：转换波剖面上浅层气云及其下面反射波清晰成像，比P波资料的成像有明显的

改进（图1）。

2． 转换波三维叠前深度偏移试验：

Statfjord油田3D—4C勘探项目

主要目的：对东侧复杂构造提供更好的构造成像资料，并改进主油田的岩性和流体分类。原

先由于多次波严重，导致常规地震资料的质量变差，借助于多波勘探来改善资料质量。

采集试验：炮点覆盖面积100平方公里，检波点覆盖面积10平方公里。4C采集于97年进

行，用8条5公里长4C海底检波器电缆，线距300米，检波点间隔25米，炮点方向平行

电缆，炮点间隔25米，对P—P波资料这种设计最大覆盖次数1800次，面元25*25。

处理结果：通过对4C资料处理，成像结果比常规单分量纵波资料有明显改进，这说明包含

充分的P—S波信息资料，可以对构造进行可靠的聚焦成像(图2)。

六、工业化应用前景分析与评价

叠前深度偏移技术是目前最好的复杂地区成像技术。近年来，借助于高性能计算机技术的发

展，它在复杂地区特别是盐下成像方面取得了巨大的成功，从而深受勘探家们关注。提供给

解释员的复杂构造清晰图像，使得钻探成功率大大提高，既缩短了勘探周期又降低了勘探成

本，使得该项技术具有很大的工业化应用前景。

克希霍夫方法是当今最广泛使用的叠前深度偏移技术，它具有适应性好、效率高、能同时得

到成像道集与偏移结果等优点。随着保幅克希霍夫方法叠前深度偏移技术的推广与应用，它

的成像精度在不断地提高。

波动方程偏移算法隐式地适应多射线路径、振幅保持，在适当情况下比克希霍夫方法叠前深

度偏移有更好的精度。但由于其计算量极大，代价非常昂贵，与克希霍夫方法比它并不产生

商品化的结果，正处在发展阶段，可预见：先使用克希霍夫方法进行层速度建摸，再用波动

方程法做全数据体偏移将会成为一种最佳的叠前深度偏移方式。

转换波各向异性三维叠前深度偏移现处于试验阶段：一是求各向异性模型参数较难，二是得

到转换波需要特别的采集方式。尽管该方法理论上很合理，但应用起来却有很大难度，不过

可喜的是已在部分地区见到较好的试验结果。