黃土塬區(qū)煤系非常規(guī)氣地震勘探資料處理方法的應(yīng)用研究

王樹(shù)威

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

隨著能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，煤層氣等煤系非常規(guī)氣作為一種天然氣資源在能源結(jié)構(gòu)中的地位越來(lái)越重要。美國(guó)在上世紀(jì)80年代對(duì)煤層氣進(jìn)行了商業(yè)性開(kāi)發(fā)利用，創(chuàng)辦了規(guī)模龐大的煤層氣產(chǎn)業(yè)。煤系非常規(guī)氣包含煤層氣、致密砂巖氣和頁(yè)巖氣，煤層氣在煤層及其碎屑巖夾層中儲(chǔ)集，頁(yè)巖氣在泥巖及其內(nèi)部的薄層砂質(zhì)巖中儲(chǔ)集，致密砂巖氣在砂巖層中富集。中國(guó)地大物博，資源產(chǎn)量巨大，煤系非常規(guī)氣資源也十分豐富[1-3]。目前，對(duì)煤系非常規(guī)氣的開(kāi)發(fā)利用程度還很低，所以進(jìn)行多氣聯(lián)合勘探開(kāi)發(fā)具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

我國(guó)陜西北部和山西西部的黃土塬區(qū)已經(jīng)開(kāi)展了煤系非常規(guī)氣的勘探、開(kāi)采工作，作為調(diào)查煤系非常規(guī)氣儲(chǔ)層的勘探手段，地震勘探首當(dāng)其沖。地震資料處理是煤系非常規(guī)氣地震勘探中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如高分辨率處理技術(shù)、疊前深度偏移技術(shù)等[4]。但是，黃土塬侵蝕地貌區(qū)地表巨厚的黃土蓋層溝壑縱橫，高程變化劇烈，復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)、嚴(yán)重的高頻吸收衰減和多種類型的干擾波，導(dǎo)致常規(guī)處理方法獲得的地震資料信噪比和分辨率較低，無(wú)法滿足后續(xù)地震成像處理和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的需求[5]。因此，要取得信噪比高，保真性好的地震數(shù)據(jù)，應(yīng)聯(lián)合應(yīng)用靜校正、去噪、一致性處理等多種關(guān)鍵技術(shù)[6]。筆者以黃土塬區(qū)某個(gè)煤系非常規(guī)氣二維地震勘探項(xiàng)目為例，對(duì)黃土塬區(qū)煤系非常規(guī)氣地震勘探資料的處理方法進(jìn)行了研究。

1 原始資料分析及處理思路

1.1 勘探區(qū)概況

區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地中東部，是我國(guó)煤系非常規(guī)氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域之一，也是國(guó)內(nèi)開(kāi)展煤系非常規(guī)氣勘探活動(dòng)最早的區(qū)域之一[7]。區(qū)內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜。區(qū)塊的地勢(shì)總體為東高西低，屬侵蝕較為強(qiáng)烈的梁峁?fàn)铧S土地貌?；鶐r地層僅出露于溝谷地帶，山頂、山梁大面積為黃土覆蓋。

1.2 資料分析

原始資料總體表現(xiàn)為：記錄面貌良好，大部分炮集記錄信噪比較好，但由于激發(fā)條件不同(有洛陽(yáng)鏟打的土孔和山地鉆打的基巖孔)單炮之間的頻率變化較大；反射波信號(hào)很強(qiáng)，有效波頻率范圍在15 Hz～70 Hz之間，主頻在33 Hz左右。資料處理本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則進(jìn)行。本區(qū)地震資料主要特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

1)工區(qū)地形起伏劇烈，最大相對(duì)高差在350 m左右，原始單炮記錄初至波跳躍劇烈，呈現(xiàn)出明顯非線性特征，靜校正問(wèn)題較大。

2)復(fù)雜多變的淺表層地震地質(zhì)條件，導(dǎo)致局部炮間和道間存在較大的頻率及能量差異。

3)噪聲類型主要表現(xiàn)為強(qiáng)能量面波、隨機(jī)噪聲、多次折射和工業(yè)干擾等[8]。其中，有效波和各類干擾波存在一定頻帶重疊，多次折射視速度與反射波視速度較為接近，去噪難度大。

4)原始資料品質(zhì)與激發(fā)條件相關(guān)性大，基巖區(qū)資料整體信噪比較高，薄黃土區(qū)次之，厚黃土區(qū)資料品質(zhì)最差。

1.3 處理思路

本勘探區(qū)的地質(zhì)任務(wù)是在黃土塬區(qū)進(jìn)行煤系非常規(guī)氣富集性預(yù)測(cè)，處理上除了靜校正問(wèn)題，地震資料保幅處理是其中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在解決激發(fā)和接收條件不同帶來(lái)的振幅和頻率差異的的基礎(chǔ)上，同時(shí)得到較高的縱、橫向分辨率[9-10]。因此，本次資料處理的整體思路是：

1)首先解決靜校正問(wèn)題，這是構(gòu)造勘探和巖性勘探的前提。

2)解決激發(fā)條件和接收條件帶來(lái)的振幅和頻率的差異。

3)保證足夠信噪比，盡量提高縱、橫向分辨率。

2 針對(duì)性措施

2.1 表層速度結(jié)構(gòu)

工區(qū)內(nèi)地表溝谷縱橫起伏變化劇烈，地形較為復(fù)雜，為了得到正確的靜校正量，必須精確求取表層速度，圖1為勘探區(qū)表層層析速度結(jié)構(gòu)圖，可以看出速帶厚度、速度存在劇烈橫向變化。

2.2 提高信噪比

勘探區(qū)原始資料的干擾波類型主要有面波、多次折射、隨機(jī)環(huán)境噪聲等[11-12]。針對(duì)上述情況，為了提高信噪比針對(duì)不同類型的噪聲進(jìn)行了去噪試驗(yàn)：①面波壓制，采用自適應(yīng)面波衰減技術(shù)利用預(yù)測(cè)減去法壓制面波；②多次折射等線性干擾壓制，采用中值預(yù)測(cè)技術(shù)利用預(yù)測(cè)減去法對(duì)規(guī)則的線性干擾進(jìn)行去除；③工業(yè)干擾去除，使用壞道剔除和預(yù)測(cè)法對(duì)工業(yè)干擾采用預(yù)測(cè)減去法進(jìn)行消除；④壓制異常振幅，采用分頻異常噪音衰減技術(shù)分別在共炮點(diǎn)域和共檢波點(diǎn)域?qū)Ξ惓Ｔ肼曔M(jìn)行壓制；⑤壓制隨機(jī)噪音，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到FXY域內(nèi)，利用有效信號(hào)的相似性來(lái)提高信噪比。

2.3 提高分辨率

為了解決地表激發(fā)和接收條件不同帶來(lái)的頻率差異，處理過(guò)程中地表一致性反褶積是在共炮點(diǎn)域、共接收點(diǎn)域和共偏移距域分別統(tǒng)計(jì)子波并進(jìn)行校正處理，去掉由激發(fā)、接收條件不同引起的不均勻性，去掉由地表低、降速帶影響引起的子波產(chǎn)生的畸變，讓振幅譜基本趨于一致[13-14]。具體方法為：①使用Q補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償高頻成分，拓寬頻帶寬度；②在疊前使用地表一致性反褶積，對(duì)激發(fā)和接收差異帶來(lái)的頻率和振幅差異進(jìn)行改善；③在疊后數(shù)據(jù)中使用譜白化技術(shù)拓寬頻帶范圍，進(jìn)一步提高資料分辨率[15](圖2)。

3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)及處理效果

3.1 靜校正處理

由于勘探區(qū)內(nèi)大面積為較發(fā)育的黃土沖溝地貌，地表起伏不斷，各接收點(diǎn)的高程不規(guī)則分布，最大相對(duì)高差350 m左右。表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，測(cè)線經(jīng)過(guò)基巖出露區(qū)、薄黃土區(qū)、厚黃土區(qū)等不同激發(fā)和接收條件，原始單炮記錄初至波跳躍劇烈，靜校正問(wèn)題突出[16-17]。

圖1 表層層析速度結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Tomography velocity structure of the surface

圖2 原始、地表一致性和脈沖反褶積剖面對(duì)比Fig.2 Deconvolution section comparison of the original, surface consistent and pulse(a)原始剖面；(b)地表一致性反褶積剖面；(c)脈沖反褶積剖面

3.1.1 解決思路

1)通過(guò)試驗(yàn)選擇適合的靜校正方法解決野外靜校正問(wèn)題。

2)通過(guò)地表一致性中頻靜校正技術(shù)解決較大剩余時(shí)差問(wèn)題。

3)通過(guò)地表一致性高頻靜校正技術(shù)解決同相軸連續(xù)性問(wèn)題提高成像質(zhì)量。

3.1.2 方法確定

基準(zhǔn)面靜校正量計(jì)算公式為式(1)。

ΔTS=ΔTSW-ΔTSR=

(1)

式中：ΔTS為靜校正量；ΔTSW為穿過(guò)風(fēng)化層的時(shí)間；ΔTSR為校正時(shí)間；ES為高程；ESW為風(fēng)化層高程；ESR為參考基準(zhǔn)面高程；hS為井深；vW為風(fēng)化層速度；vR為風(fēng)化層下伏地層的速度。根據(jù)折射波基本理論，利用初至波的時(shí)距曲線可知，直達(dá)波對(duì)應(yīng)的時(shí)間斜率的倒數(shù)等于風(fēng)化層速度，折射波對(duì)應(yīng)時(shí)間斜率的倒數(shù)等于折射層速度。然而由于地表和風(fēng)化層起伏不平導(dǎo)致無(wú)法直接求取，為解決靜校正問(wèn)題，在正確拾取原始單炮初至的基礎(chǔ)上，選擇折射靜校正(綠山軟件)和層析靜校正(ToModel軟件)進(jìn)行靜校效果分析。

從單炮的校正效果看兩種靜校正效果差距不大。如圖3所示，從疊加剖面上來(lái)看，特別是在測(cè)線的邊界部分，層析成像存在一定問(wèn)題，折射的成像穩(wěn)定同相軸連續(xù)性好。層析靜校正在測(cè)線邊界部分由于射線密度過(guò)低，速度反演存在一定問(wèn)題，導(dǎo)致靜校正效果不佳。

因?yàn)楣^(qū)雖然地表變化劇烈，但是地下折射層只有兩層，且全區(qū)非常穩(wěn)定，在照明足夠的情況下折射靜校正和層析靜校正效果相當(dāng)，但層析在射線密度不夠的測(cè)線兩頭和變觀較大的地方校正效果不好。因此選擇折射靜校正作為此次靜校正的方法。

3.2 保幅處理

保幅處理也是黃土塬區(qū)預(yù)測(cè)煤系非常規(guī)氣富集區(qū)時(shí)一個(gè)非常重要的處理過(guò)程，具體包括相對(duì)振幅保持處理、道集規(guī)則化處理和偏移速度迭達(dá)優(yōu)化。

3.2.1 相對(duì)振幅保持處理

保幅處理是指地震資料經(jīng)過(guò)某個(gè)處理模塊或者某些處理過(guò)程，地震振幅保持不變或者成正比[18]。在地震資料處理過(guò)程中，絕對(duì)的保幅處理在實(shí)際工作中是不現(xiàn)實(shí)的[19]。因此，現(xiàn)行的保幅處理概念都是相對(duì)意義上的保幅。保幅處理是一整套成型的處理流程，貫穿地震資料處理的始末，涉及地震資料處理的各個(gè)階段，如圖4所示為采用真振幅恢復(fù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)中由于傳播過(guò)程中能量衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 折射靜校正與層析靜校正疊加剖面對(duì)比Fig.3 Stack section comparison of the refraction static correction and tomographic static correction(a)折射靜校正；(b)層析靜校正

圖4 球面擴(kuò)散補(bǔ)償前、后單炮和能量衰減曲線對(duì)比Fig.4 Single shot and energy attenuation curve comparison before and after the spherical spreading compensation(a)球面擴(kuò)散補(bǔ)償前單炮和能量衰減曲線；(b)球面擴(kuò)散補(bǔ)償后單炮和能量衰減曲線

3.2.2 道集規(guī)則化處理

由于工區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜、溝谷縱橫，野外采集中的炮點(diǎn)無(wú)法做到均勻分布，過(guò)障礙物和村莊時(shí)都存在較大變觀，造成了覆蓋次數(shù)和偏移距分布的不均勻。

在疊前偏移過(guò)程中，如果存在覆蓋次數(shù)及偏移距分布不均勻、局部振幅中存在大值干擾以及信噪比的橫向不均勻等因素時(shí)，造成偏移劃弧的現(xiàn)象，道集內(nèi)劃弧嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致AVO信息遭到破壞，會(huì)造成局部振幅異常，屬性提取無(wú)法滿足巖性勘探的要求。為了解決這些問(wèn)題，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化處理來(lái)彌補(bǔ)這些缺陷。本次處理過(guò)程中，使用三維空間插值方法，在炮點(diǎn)域、檢波點(diǎn)域和cdp域三個(gè)方向做數(shù)據(jù)重構(gòu)，完成因?yàn)楦采w次數(shù)不均勻、偏移距不均勻和信噪比不均勻等造成的缺陷，如圖5所示為數(shù)據(jù)規(guī)則化前后的cdp道集和疊前時(shí)間偏移效果?？梢钥闯?，在數(shù)據(jù)規(guī)則化處理后，疊前時(shí)間偏移crp道集上的劃弧現(xiàn)象基本消除且能量均衡。

3.2.3 偏移速度場(chǎng)的迭代優(yōu)化

解決靜校正問(wèn)題時(shí)的表層速度，偏移速度也是地震資料處理中很重要的參數(shù)之一，其精確度直接影響到動(dòng)校正的效果及疊加成像的質(zhì)量。為此，可通過(guò)循環(huán)迭代，不斷提高拾取精度。在本次處理過(guò)程中共進(jìn)行了3輪次偏移速度分析。

由于采用了三次速度分析迭代，道集和能量譜逐步得到改善，所獲得的速度精度和穩(wěn)定性都得到提高(圖6)。由圖6可以看出,由于采用了三次速度分析迭代，道集和能量譜逐步得到改善，所獲得的速度精度和穩(wěn)定性都得到提高，經(jīng)過(guò)偏移速度重新拾取、剩余均方根速度分析和拾取、水平剩余速度拾取，不斷的對(duì)偏移速度場(chǎng)進(jìn)行迭代優(yōu)化更新，偏移速度場(chǎng)趨勢(shì)合理、偏移后CRP道集同相軸基本得到拉平。

圖5 規(guī)則化處理前、后、疊加偏移后道集對(duì)比Fig.5 Trace gather comparison before and after the generalized algorithm, after the stack migration(a)規(guī)則化處理前道集；(b)規(guī)則化處理后道集；(c)疊加偏移后道集

圖6 CRP道集拉平情況Fig.6 CRP trace gather flattening condition(a)速度改善前；(b)速度改善后

圖7 最終疊前時(shí)間偏移剖面Fig.7 The last pre-stack time migration section

3.3 效果分析

圖7所示為本次煤系非常規(guī)氣二維地震勘探精細(xì)處理得到的最終疊前時(shí)間偏移剖面，由圖7可以看出最終獲得了非常好的保幅疊前時(shí)間偏移成果。保幅偏移道集能量更為均衡，道集上偏移劃弧現(xiàn)象少，偏移噪音減少，同相軸拉平效果好，道集上同相軸變化能夠真正反映振幅變化，為疊前道集反演、AVO反演提供高質(zhì)量道集。

4 結(jié)論

黃土塬區(qū)二維地震勘探資料處理任務(wù)涉及煤系非常規(guī)氣勘探，對(duì)振幅保真要求很高，但是地表高程和激發(fā)條件橫向變化快，振幅、頻率和信噪比都變化劇烈，處理工作難度很大。為了達(dá)到勘探要求的精度，處理過(guò)程中，對(duì)于靜校正處理和保幅處理兩個(gè)方面重點(diǎn)進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的工作，并取得了理想的效果。

1)在全區(qū)折射層穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，折射靜校正很好地解決了靜校正問(wèn)題。

2)針對(duì)煤系非常規(guī)氣勘探的要求，處理工作中堅(jiān)持振幅保真的思想，盡最大可能恢復(fù)和保持了資料的振幅響應(yīng)特征，為后續(xù)波阻抗反演和AVO反演提供了借鑒。