A Discussion on Velocity Analysis Method of Shale Gas Exploration Area with Complex Wave Field

Yuan Du

Research Institution of Exploration and Development, East China Company, SINOPEC, Nanjing Jiangsu

Abstract The wave field of XC Shale Gas Exploration Area was complex, and the stacking velocity was difficult to obtain. The velocity analysis by superposition energy method could not meet the processing requirements. This paper combined the characteristics of seismic data in the XC Shale Gas Exploration Area, focused on the impact of factors such as low signal-to-noise ratio and near-surface anomalies on the quality of the velocity spectrum, the targeted processing techniques and methods were proposed, a set of methods for precise extraction of seismic stack velocity in XC Shale Gas Exploration Area were summarized. Firstly, the original data were purified and the noise was suppressed by multi-domain and multi-method combination, and the signal-to-noise ratio was improved. Secondly, various residual static correction methods were used for maximally reducing the problem of high frequency static correction and improving the quality of seismic data. Finally,the relevant characteristics of instantaneous phase and the statistical phase correlation method were used to calculate the velocity spectrum, improve the precision of calculating speed. Better imaging results are obtained; especially the quality of structural imaging in the middle and deep layers is obviously improved.

Keywords Complex Wave Field, Velocity Analysis, Phase Correlation, Velocity Spectrum

1. 引言

速度分析是地震資料處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1] [2]，速度參數(shù)不僅關(guān)系到地震資料處理中諸多環(huán)節(jié)的質(zhì)量，其本身也提供了關(guān)于地下構(gòu)造和巖性的重要信息。因此，獲取準(zhǔn)確可靠的速度參數(shù)是地震資料處理的中心問題。

目前，我國頁巖氣資源調(diào)查與勘探開發(fā)還處于探索起步階段，至今尚未對其潛力進(jìn)行全面估算，頁巖氣資源有利目標(biāo)區(qū)有待進(jìn)一步落實，勘探開發(fā)還處于“空白”狀態(tài)。為此，中石化在下?lián)P子區(qū)頁巖氣[3]評價有利目標(biāo)I類區(qū)，即XC探區(qū)部署了二維地震。其主要勘探目的是落實寒武系(中深層)頁巖空間展布特征，確保獲得寒武系及以上地層的反射波組，且能夠分辨大于50 m的厚頁巖層。從已獲得的資料來看，頁巖層埋深較深，波場復(fù)雜，且該區(qū)地表起伏劇烈，地震資料信噪比低。因此，地震資料處理中對速度拾取的精準(zhǔn)度要求較高，否則會影響疊加、成像的精度。

速度分析的方法有很多，國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛而深入的研究。1969年Turhan和Koehler [4]首先提出了將基于相似系數(shù)的相干準(zhǔn)則運用到速度分析中；之后，De Vries和Berkhout [5]提出了一種基于最小熵的速度分析方法，對繞射能量較強的反射波地震數(shù)據(jù)可以進(jìn)行準(zhǔn)確的速度拾??；Biondi和Kostov[6]提出了基于特征值運算的速度分析方法；Simon [7]提出了一種漸進(jìn)的線性速度分析方法；吳樹初和羅國安[8]提出了計算復(fù)數(shù)道相關(guān)速度譜的方法，可以增強相位的一致性；林小竹[9]提出的利用協(xié)方差算法求取速度譜，不但能提高速度譜的分辨率，還可以減少速度分析的計算量；另外，還有其他學(xué)者[10]-[15]研究了VTI介質(zhì)下的速度分析方法以及層速度反演的相關(guān)算法等。1996年Morozov和Smisthson [16]提出了基于相位相關(guān)速度分析方法，該方法利用統(tǒng)計假設(shè)檢驗方法計算速度譜，可以有效提高速度譜的分辨率；后來王德利及何樵登等[17]對該方法進(jìn)行過研究，并取得了較好的效果；張軍華等[18]進(jìn)一步發(fā)展了相位相關(guān)速度分析方法，充分說明了該方法的優(yōu)勢。

2. 速度分析基本原理

常用求取疊加速度的方法有2種：速度掃描和速度譜。一般來說，速度掃描法的工作量大且繁瑣，而速度譜的求取方法相對更易實現(xiàn)，在速度分析中應(yīng)用速度譜求取疊加速度的方法更為廣泛，同時也對各波組的識別提出了更高的要求。該次研究主要對疊加能量法和統(tǒng)計相位相關(guān)法兩種方法進(jìn)行了對比。

2.1. 疊加能量法

疊加能量法是常用的常規(guī)速度分析法。固定零偏移距時間d0進(jìn)行速度掃描，當(dāng)掃描速度等于均方根速度時，地震記錄的反射信號相位相同，對應(yīng)最大疊加能量的速度就是要提取的速度。進(jìn)行速度分析所用的判別準(zhǔn)則為平均振幅準(zhǔn)則，當(dāng)平均振幅A能夠獲得最大值時所對應(yīng)的速度即為疊加速度。

平均振幅A可以定義為：

其中，M = T/Δt。

式中：N為地震記錄的總道數(shù)，個；M為總采樣點數(shù)，個；T是總采樣時間，ms；Δt是采樣間隔，ms；r表示與動校正存在一定關(guān)系的延遲量，1；ri為第i道的延遲量，1；fi,j為第i道、第j個采樣點的反射波振幅，dB；,iijrf+為第i道、延遲后的第j個采樣點的反射波振幅，dB。

2.2. 統(tǒng)計相位相關(guān)法

實踐證明疊加能量法的抗噪性能較差[18]，在頁巖氣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，采用疊加能量法很難提供準(zhǔn)確的速度。該次研究利用瞬時相位的相關(guān)特性，采用統(tǒng)計相位相關(guān)法計算速度譜[17]。根據(jù)統(tǒng)計假設(shè)檢驗原理，建立2個檢驗假設(shè)(設(shè)為R和W)，再根據(jù)常規(guī)疊加能量的瞬時信息和能量函數(shù)計算速度譜。逐點計算速度譜，可以避免與時窗有關(guān)的時間分辨率損失，在提高時間分辨率方面明顯優(yōu)于疊加能量速度分析法。算法如下：

1) 設(shè)輸入的道集為uij，表示第i道、第j個采樣點。設(shè)初始時間為t0，選定其對應(yīng)的速度v進(jìn)行動校正，此時可以得到校正后的道集，再應(yīng)用Hilbert變換法求取uij的瞬時振幅Aij和瞬時相位μij。

2) 將整個道集分為若干部分，即樣點分布分為c組，樣點的相位表示為 μis( i = 1 ,2,… ,ns;s = 1,2,… ,c )，

R假設(shè)檢驗與W假設(shè)檢驗是判斷t0及所選定的v正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)R檢驗假設(shè)概率分布是單峰分布時，代表t0及所選定的v正確；當(dāng)W檢驗假設(shè)概率分布在不同偏移距范圍內(nèi)，且都是相同的單峰分布時，代表t0及所選定的v正確。

3) 計算常規(guī)疊加能量的瞬時信息SB(t, v)：

式中：uij(t, v)為動校正后信號的振幅，dB；t為第i道、第j個采樣點道集對應(yīng)的采樣時間，ms；v為第i道、第j個采樣點道集對應(yīng)的速度，m/s；B是瞬時振幅算子，1；L是低通濾波因子，1。

4) 計算能量函數(shù)SRWB：

最后，根據(jù)第3)步和第4)步求得的值，計算速度譜。

3. 應(yīng)用實例效果分析

影響速度分析精度的因素很多[19] [20] [21] [22] [23]，如疊加次數(shù)、排列長度、信噪比和靜校正等。XC頁巖氣探區(qū)地震資料信噪比低、近地表異常都會對速度譜質(zhì)量有影響，導(dǎo)致速度譜的分辨率過低，難以識別有效波組的能量團。為此，筆者進(jìn)行了深入研究和分析，并提出了針對性的處理技術(shù)和方法。

3.1. 速度分析的預(yù)處理

3.1.1. 提高信噪比處理

信噪比低會降低速度譜的分辨率，不利于速度拾取，限制速度分析的精度。因此，為確保速度分析精度，需要進(jìn)行地震資料的凈化處理。

針對面波、異常振幅、線性進(jìn)行多域、多方法組合進(jìn)行壓制，有效提高了地震資料信噪比，保護(hù)了目的層系的反射波組，最大限度地保留了有效波，確保無過度去噪現(xiàn)象。圖1是XC頁巖氣探區(qū)某單炮去噪前、后對比圖，可以看出，噪音得到了很好的壓制，有效波同相軸清晰可見，反射層有效信息凸顯出來，信噪比明顯提高。圖2為去噪前、后的疊加剖面對比圖，可以看出，通過地震資料凈化處理后，剖面同相軸連續(xù)性加強，信噪比顯著改善。

Figure 1. The single shot result before (a) and after (b) denoising圖1. 去噪前(a)、后(b)單炮記錄

Figure 2. The profile correlation before (a) and after (b) denoising圖2. 去噪前(a)、后(b)剖面對比圖

3.1.2. 剩余靜校正處理

高頻靜校正量的存在可以導(dǎo)致CMP道集同相軸的扭曲，相關(guān)特性變差，影響計算能量函數(shù)，從而影響速度分析精度，導(dǎo)致求取的速度不準(zhǔn)確。

高頻靜校正量的求取一般依賴多種剩余靜校正方法聯(lián)合解決。XC頁巖氣探區(qū)地震地質(zhì)條件非常復(fù)雜，炮檢點布設(shè)困難，一定程度上存在炮檢點位移現(xiàn)象，且地下介質(zhì)非均質(zhì)性強，地震波傳播路徑復(fù)雜。而地表一致性剩余靜校正假設(shè)地層為水平層狀介質(zhì)，不能滿足實際處理的需要。所以實際資料處理中，在采用地表一致性剩余靜校正的基礎(chǔ)上，通過外部模型控制進(jìn)行非地表一致性剩余靜校處理，最大程度地減少了高頻靜校正問題的存在，進(jìn)一步消除了同一CMP道集內(nèi)各道的殘余時差，改善了地震資料的品質(zhì)。

圖3為剩余靜校正前、后剖面對比圖，可以看出，經(jīng)過剩余靜校正后，疊加剖面上的反射波組更加清晰、連續(xù)，同時信噪比得到了很大提高。

Figure 3. The profile correlation before (a) and after (b) residual static calibration圖3. 剩余靜校正(a)、后(b)剖面對比圖

3.2. 統(tǒng)計相位相關(guān)法速度譜的求取

在做好常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，采用上述兩種方法進(jìn)行速度譜求取。通過疊加能量法與統(tǒng)計相位相關(guān)法速度譜的對比分析(圖4)可知，在統(tǒng)計相位相關(guān)法計算的速度譜中，深層的速度能量聚焦性好，能量團更集中，速度趨勢走向合理，速度易于確定，明顯優(yōu)于疊加能量法。

Figure 4. The velocity spectrums of different velocity analysis methods圖4. 不同速度分析方法的速度譜

圖5 是采用疊加能量法和統(tǒng)計相位相關(guān)法的疊加剖面對比圖，通過對比可以看出，采用統(tǒng)計相位相關(guān)法的疊加剖面上，仍保持了相同的淺層地質(zhì)特征，而中深層的構(gòu)造成像質(zhì)量明顯改善，同相軸連續(xù)性增強，波組特征清楚，層間信息豐富。

Figure 5. The stack profiles of different velocity analysis methods圖5. 不同速度分析方法的疊加剖面

4. 結(jié)語

通過對速度分析方法的研究分析，在近地表高差大、巖性差異大、頁巖層埋深大、波場復(fù)雜的區(qū)域，統(tǒng)計相位相關(guān)法計算速度譜的效果較好。該方法利用相位信息，不但可以識別較弱波組，且計算過程中不受邊界效應(yīng)影響，縱向的時間分辨率和橫向的速度分辨率均較高，抗噪性強，速度譜能量團易于區(qū)分，明顯優(yōu)于疊加能量法。應(yīng)用統(tǒng)計相位相關(guān)法的最終成像效果好，中深層的波組成像質(zhì)量得到了明顯提高，滿足了復(fù)雜波場頁巖氣探區(qū)的勘探要求，為類似探區(qū)勘探提供了借鑒。

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