精细构造落实与圈闭准确描述是油气勘探开发的基本要求，其关键技术支撑在于高精度偏移成像。而速度场精度对偏移成像效果十分敏感，尤其在断层附近横向速度变化剧烈区，准确实现偏移成像仍面临挑战^[1-5]。常规的偏移成像地震资料成像往往呈现出信噪比低、地层同相轴产状失真、内幕反射能量弱等效果差的问题，导致圈闭形态及高点位置难以准确判断，给油气勘探开发部署带来极大不确定性^[6-9]。大量物理模拟试验与数值正演模型研究证实^[10-13]，断层两盘的介质速度差异性，是诱发断层阴影效应、造成构造成像失真的关键。叠前深度偏移算法可依托高精度速度模型改善断层阴影区成像质量，但成像效果完全依赖速度模型精度，单纯依靠偏移算法无法从根源上解决复杂断块成像难题。因此，构建高精度、符合地下地质规律的速度模型，是突破断层阴影带精准成像瓶颈的核心关键。

近年来，国内外科研人员针对断层阴影带成像难题开展了大量理论研究与实践，迭代优化了多项精细速度建模技术。王腊梅等^[14]挖掘拖缆采集地震数据的潜力，以最优信噪比数据作为优势信号开展精细速度建模，有效提高了构造预测精度。邓勇等^[15]利用结构张量属性准确识别断层位置，对层析反演迭代过程进行约束，最终获得高精度的速度场。彭海龙等^[16]将断层引入层析反演速度建模中，提高断层位置处速度场准确度。断控层析速度建模技术有效弥补了常规建模中断层两盘内插产生的速度偏差，精准适配断层边界的构造特征。但该技术依托走时追踪算法完成迭代运算，模型精度存在局限性，仅适配构造简单、速度横向变化平缓的地质场景，难以满足复杂断裂控制下断块油气藏的高精度勘探需求。

相较于传统建模手段，全波形反演技术是基于波动方程实现全局高分辨率背景速度场建模，利用地震波场的运动学与动力学信息，迭代精度可达波长量级，能够适配地质构造复杂、成像难度大的勘探区域，现已成为油气地球物理勘探领域精细速度建模的主流攻关方向^[17-21]。王丙钢等^[22]根据海洋资料的特点，对FWI处理过程中的参数把控和实施策略进行了讨论和实验，提出了海洋资料全波形反演实用技术。郭丽等^[23]采用了构造约束下的时间域多尺度的全波形反演方法，提升复杂构造成像精度。但该技术同样存在局限性：其连续介质假设与全局迭代特性，对断层速度突变、构造剧烈变化区适应性较差。综合现有研究成果可知，断控层析反演具备优异的断层边界约束能力，但建模精度不足；全波形反演分辨率高，却在断层速度突变区域的适配性较差，两类技术各有优劣。

因此，本文针对单一建模技术的局限性，融合两类技术优势，构建全波形反演联合断控层析反演的复合型速度建模方案。与同类联合建模技术相比，核心优势在于实现了“断层约束引导+高分辨率精细校正”的深度融合，使本方法在精度、适用性上得到了改进：精度方面，通过深度融合策略，将速度模型的分辨率提升至波长量级，同时降低断层两侧速度偏差，使断层阴影带地层同相轴产状失真问题得到显著改善，圈闭形态及高点位置判断精度提升近80%；适用性方面，突破了单一技术的适用边界，既适配构造简单区域，也能满足复杂断裂控制下低幅度断块油气藏的高精度勘探需求，同时降低了全波形反演对初始模型和地震数据信噪比的依赖，推广边界可覆盖浅中层至深层、断裂发育程度不同的各类复杂断块勘探区域，为同类油气藏的断层阴影带精准成像提供技术参考。

本次研究选取的A油田隶属于B凹陷南部隆起断裂构造带，毗邻B17富生烃洼陷，属于反向断层控制形成的断背斜构造。该油田主体位于断层下盘，早期网格层析速度模型更新未充分认识到断层两盘横向速度快速变化，导致在偏移地震剖面的断层阴影带出现同相轴“下拉”和“扭曲”畸变的现象。从偏移剖面上看（图1），构造高点位于W2井位置，靠近断层的W1井为构造低部位，而实钻下来成藏砂体W1井比W2井高（图2），构造高点落实存在差异，影响该油田的储量落实及开发井的实施，因此，亟需针对性优化断层阴影带成像技术，精准落实工区构造形态与油气储量潜力。

图1 A油田过井地震剖面Fig.1 Cross-well seismic profile of Oilfield A

图2 W1井和W2井连井剖面Fig.2 Cross-well profile between Well W1 and Well W2

研究工区地震采集电缆长度为5400 m，目的层埋深区间1000~2500 m，满足FWI对低频有效信号、大偏移距的核心收敛要求。但在断层发育、速度横向突变的区域，全波形反演基于连续介质假设与全局迭代特性，天然对断层速度突变区适应性较差。而断控层析反演的核心价值是通过断层边界约束打破连续插值限制，精准还原断裂带速度突变特征，恰好弥补FWI的技术短板，准确还原断层区域的速度突变特征。

基于两类技术的互补性，本文建立全波形反演与断控层析约束相结合的联合速度建模技术思路（图3）：①以原始地震道集、层位解释数据为基础，依托全波形反演完成全局迭代收敛，输出高分辨率三维速度场，作为断控层析反演的初始先验模型，替代常规均质层速度模型，保证背景速度场精度；②将收敛后的FWI速度模型导入断控层析反演系统，结合工区精细断层解释成果，人工拾取、界定各级断层边界，构建断层约束网格，对断层两侧速度场进行分区独立约束迭代，修正断层发育区的速度畸变与迭代偏差；③引入自适应阻尼系数与残差阈值约束，阻断FWI全局微弱残差向层析反演传递，规避多级迭代累积误差；持续迭代直至走时均方根残差趋于稳定，最终输出高精度耦合速度场。

图3 全波形反演和断控约束速度联合建模流程图Fig.3 Flowchart of joint modeling with full waveform inversion and fault-constrained velocity

2.1 全波形反演速度建模技术

全波形反演（Full Wave Inversion, FWI）是目前速度场反演技术中精度最高的。该技术依托梯度类局部优化算法，不断缩小正演模拟数据与原始实测地震数据的误差阈值，迭代收敛后即可输出精准的地下介质速度场。地震正演是依托已知地下介质参数推演地震响应数据的过程，反之，基于实测地震数据反推地下介质构造与物性参数的运算过程即为地震反演。因此，正演运算过程可表示为公式（1）：

d=G(m)（1）

式（1）中各参数定义如下：d代表正演模拟的地震数据；G为用于描述地下介质模型与地震波传播特征之间的映射关系的正演算子；地下介质模型m涵盖速度、密度、弹性参数等多项地质参数，本次研究聚焦速度参数优化，暂不考量其余物性参数。对应的反演运算则通过逆算子实现地震数据到地下介质模型的反向推演：

m=G^-1(d)（2）

式（2）中为G^-1为对应G的逆算子，用于实现从地震数据到地下介质模型的反向映射。

全波形反演单次迭代流程包含两次正演运算与一次反演运算，分别为初始参数场正向波场传播、残差波场反向传播，以及波场数据分析与模型更新。从算法稳定性层面分析，若固定地震采集数据可输出唯一介质模型，且数据误差与模型误差一一对应，则反演算法具备稳定性；反之则为非稳定反演。全波形反演属于典型的高非线性、非稳定反演算法，同一组地震数据可迭代生成多个局部最优模型，只有持续迭代收敛，才能无限趋近地下真实地质模型，获取全局最优解。

全波形反演（FWI）属于典型的高非线性非稳定反演方法，其核心特征是反演解的非唯一性。同一组地震数据往往能反演出多个不同的地下介质模型，这些模型均对应FWI反演问题的局部最优解，而地下地质体真实的介质分布形态，才是该反演问题的全局最优解，也是FWI迭代优化的最终目标方向。

影响FWI效果的主要因素包括原始数据质量、子波的准确性、初始速度的准确性和炮检距的选取。结合本区的资料特等，本文采用FWI的回转波全波形反演：①低频噪声衰减，重点提高低频回转波的信噪比，同时避免了伤害有效信号；②子波估算，使用实际采集的原场子波作为FWI输入子波，提高初始子波的准确性，使正演数据和真实数据的误差求取更准确，能有效提高FWI速度反演精度与反演迭代效率；③利用初至层析反演速度模型进行近海底速度建模，提高初始速度场的准确性，更好地避免了跳周现象，使目标函数的收敛方向更准确，收敛速度更快。

从图4 FWI初始速度场和最终速度场对比可以看出，初始模型整体偏平滑，对速度横向变化刻画不足，细节信息少，分辨率低。经全波形反演迭代优化后，最终速度场分辨率显著提升，横向速度的变化明显，更贴合地下真实地质规律，有效提升了成像精度与地质可靠性。

图4 FWI初始速度场与最终速度场的对比Fig.4 Comparison between the initial velocity field and the final velocity field of FWI

2.2 断控层析速度建模技术

断层阴影问题的本质是断层两侧速度差异引起导致。传统速度建模方法难以精准刻画断裂带速度突变特征、地层错断关系以及速度场空间非均质性，成像精度受限。针对该技术短板，本文采用的断控层析速度建模技术以断裂几何先验约束为核心，融合地震走时信息、测井数据及地质解释成果，约束断层两侧速度场独立演化以匹配实际地质规律，通过层析反演迭代修正层速度与断层速度异常，实现速度场与构造形态的准确耦合。

断控速度建模将断层曲面作为速度场间断边界，构建带断层约束的层析反演目标函数，兼顾走时残差拟合与构造正则化约束，本次断控层析反演采用约束阻尼最小二乘迭代算法，表达式如下：

式（3）中：L为地震走时正演算子；v为待反演层速度矢量；d为实际地震拾取走时；δ₁为光滑正则化系数，抑制速度场过度畸变；δ₂为断层构造约束权重系数；C(v)为断层边界间断约束算子，可实现断层上下盘速度场解耦更新；v_prior为全波形反演获得的速度模型。

具体实现流程如下：①结合测井速度与地震走时数据，将全波形反演构建得速度作为初始背景速度场；②依据网格模型开展射线追踪正演计算，统计模拟走时与实际拾取走时的残差；③将断层几何约束算子嵌入迭代方程，对走时残差进行反向投影，分层分区更新上下盘速度参数；④引入阻尼系数抑制迭代发散，完成单次模型更新；⑤循环迭代并持续缩减走时均方根残差，直至残差降幅小于预设阈值、模型趋于收敛，终止迭代并输出最终速度场。

通过对比图5速度场可知，常规速度建模未融入断层边界约束，断层两侧速度场分布呈现均一化趋势，无法精准刻画出断层两侧速度异常，出现速度突变特征模糊，导致成像出现明显速度失真，难以匹配实际地质速度规律。与传统网格层析相比，图5b展示的断控网格层析方法更注重层位与断层之间的错断关系。该方法在反演过程中加入了专门针对断层的约束项，并以断层为边界，将被断层穿过的求解网格拆解为两个区域分别进行速度更新，更好的刻画和保留断层两侧速度突变特征，使得速度场分布与实际地质速度规律更吻合。

图5 常规速度场与断控速度场对比Fig.5 The comparison between the conventional velocity field and the fault-constrained velocity field

A油田实际地震资料处理过程中，采用回转波全波形反演。与传统深度偏移剖面（图6a）相对比，本次采用的全波形和断控层析联合速度建模得到的深度偏移剖面（蓝色箭头处），断层阴影带内地震轴出现的“下拉”等畸变成像现象得到较大改善，信噪比也得到明显改善，断面更加清晰。

图6 不同方法速度模型地震成像对比Fig.6 Comparison of seismic imaging using velocity models from different methods

提取W1井实测数据开展精度校验，对比常规建模速度曲线、联合建模速度曲线与测井实测速度曲线可知（图7），全波形反演联合断控层析建模输出的速度曲线(图7中红色曲线)，与测井实测数据(图7中黑色曲线)匹配度更高，垂向分辨率更优异，可精准捕捉地层微小速度变化，精细刻画地下地层与断裂构造特征。

针对联合速度建模偏移剖面开展构造圈闭解释，与常规偏移资料深度构造相比，虽然整体构造埋深变化不大，但是不同速度模型偏移成像落实后的构造形态发生了较大的变化。常规速度偏移资料主要目的层H1层构造形态为自圈，高点在W1井北东方向（图8a）。而联合速度建模偏移资料主要目的层H1构造形态为断鼻构造，构造高点位置由北东方向W2井偏移到靠近南部断层位置W1井位置，断层附近的真实构造也获得了一定的恢复（图8b）。基于该数据体，后续A油田开发井的实施也证实了断层附近构造存在抬升，通过对后验井（开发井）实钻地层深度与构造深度的误差进行统计可知，最大构造误差由原来的12~15 m减小到3 m左右，构造研究精度提高了80%，说明该技术的可靠性。

图7 W1井处不同速度对比Fig.7 Comparison of different velocities at Well W1

图8 使用不同速度模型的H1层深度构造对比Fig.8 Comparison of depth structure of H1 layer using different velocity models

1）全波形反演与断控层析反演联合建模技术，融合了全波形反演高分辨率与断控层析边界约束的双重优势，有效解决了复杂断层区域速度界面突变刻画难题，经深度偏移成像处理后，大幅改善深层断层阴影带构造畸变问题，提升构造解释与圈闭评价的可靠性。

2）复合型建模技术可有效提升B凹陷A断块深层构造成像精度，突破了单一技术的适用边界，降低钻井轨迹与实际地质构造的偏差，既适配构造简单区域，也能满足复杂断裂控制下低幅度断块油气藏的高精度勘探需求，推广边界可覆盖浅中层至深层、断裂发育程度不同的各类复杂断块勘探区域，可为同类油气藏的断层阴影带精准成像提供技术参考。