疊前深度偏移層析速度反演技術(shù)在鹽礦溶腔探測中的應(yīng)用

周海娟，肖 濤，陳 耀，熊強(qiáng)青，張 麗

(1.安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥230031；2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 物化探大隊(duì)，江西 南昌 330201)

1 引 言

地震偏移技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)反射界面的空間歸位，恢復(fù)反射界面的波場特征及反射系數(shù)、振幅變化，提高地震空間的分辨率和保真度[1]。時(shí)間偏移在處理速度界面產(chǎn)生的繞射存在一定的局限，往往會(huì)導(dǎo)致同相軸的錯(cuò)位和不聚焦，以致不能正確反映出復(fù)雜構(gòu)造區(qū)反射位置的成像[2, 3]。自從菲利普斯石油公司首先在墨西哥灣鹽下勘探宣布使用成功后[4]，深度偏移技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展而得到廣泛的推廣應(yīng)用，學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為疊前深度偏移技術(shù)在用于解決復(fù)雜斷塊、逆掩斷層、高傾角構(gòu)造、鹽丘、鹽下構(gòu)造、復(fù)雜速度場、低幅度構(gòu)造等地質(zhì)現(xiàn)象的成像問題上有巨大的優(yōu)勢(shì)[5]。

中鹽東興鹽化公司自建井開采到現(xiàn)在，因受水溶技術(shù)開采影響，鹽礦層內(nèi)形成大量的溶腔，導(dǎo)致開采發(fā)生了幾次溶腔地面塌陷，大部分開采井因未達(dá)設(shè)計(jì)開采資源量而被迫停用，造成了鹽礦資源的大量浪費(fèi)[6]。2005年至2015年期間先后在塌陷區(qū)外進(jìn)行了五期二維地震勘探，通過地震資料解釋成功地預(yù)測兩處塌陷區(qū)的位置，為鹽礦區(qū)開采提前預(yù)警，降低風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)前五期的二維地震成果資料分析發(fā)現(xiàn)，在頂板完整狀態(tài)下，溶腔的具體形態(tài)與反射波組異常區(qū)范圍存在較大差異，為充分利用資源，必須查明已開采井溶腔的空間形態(tài)、溶腔的連通情況及平面最大邊界的應(yīng)用效果，為下一步開采建井設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。近幾年在東興鹽礦東段采用三維地震方法探測鹽礦溶腔，取得了顯著的勘探效果[7]。鹽礦溶腔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，周圍存在大量的繞射波，而東興鹽礦地震勘探二維和三維資料一直在時(shí)間域進(jìn)行處理，考慮疊前深度偏移技術(shù)在鹽下復(fù)雜構(gòu)造成像上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為此開展深度域的疊前偏移在鹽礦溶腔的進(jìn)一步應(yīng)用研究工作，對(duì)查明溶腔“真”空間形態(tài)和發(fā)展情況具有重要的地質(zhì)意義。

2 鹽礦溶腔的特征

由于鹽巖礦層的物理性質(zhì)存在一定差異，產(chǎn)狀復(fù)雜多變，存在多層難溶的砂巖互層，且受多種因素的影響，開采井溶腔形態(tài)非常復(fù)雜。根據(jù)巖鹽的溶蝕規(guī)律及井開采方式、以及溶腔發(fā)展的力學(xué)規(guī)律，巖鹽的溶蝕方式一般是以上溶為主，側(cè)溶次之，下溶緩慢[7]，溶蝕的速度和方向往往會(huì)存在一定的差別，致使形成的溶腔在地震波上反映的形態(tài)、大小存在較大差異，溶腔在地震剖面上反映出主要特征如下：溶腔周圍反射波組凌亂，中間的鹽巖反射波頻率略低，受溶腔的發(fā)展影響，鹽層有的底板完整，頂板被破壞，有的頂板和底板反射都被破壞，最為典型的是“眼球狀”顯示，距離較近的溶腔存在相互連通現(xiàn)象(圖1)。

圖1中的溶腔在不同位置的反射波特征大體相似，溶腔的內(nèi)部出現(xiàn)較強(qiáng)反射，頻率較周圍波組略低；溶腔的下部出現(xiàn)弧形延遲繞射波、剩余波，由于繞射波收斂的程度不同，繞射波相互交叉干涉；同相軸錯(cuò)斷、交叉合并，振幅變強(qiáng)，相位扭曲。由于溶腔的形態(tài)大小不同，產(chǎn)生了不同的反射波組，特別是繞射波很發(fā)育。在實(shí)際資料處理中繞射波能否得到真正收斂，很大程度取決于數(shù)據(jù)速度體的準(zhǔn)確性，速度模型的正確與否與其精度的高低有關(guān)，并會(huì)直接影響偏移成像的效果。

圖1 不同溶腔在時(shí)間剖面上的特征顯示Fig.1 The characteristics of different cavities in the time profile

3 層析速度反演技術(shù)

疊前深度偏移技術(shù)就是根據(jù)地震資料，利用射線追蹤方法計(jì)算理論道集記錄，并把它與實(shí)際道集進(jìn)行相關(guān)，通過最大相關(guān)道求取層速度深度初始地質(zhì)模型；根據(jù)初始速度模型，確定射線的路徑和分布范圍，并以此范圍為控制邊界，計(jì)算射線分布范圍內(nèi)各射線的偏移方向和偏移量[8]，利用層析速度反演等技術(shù)[9]，不斷修改和優(yōu)化層速度深度模型，用優(yōu)化后的速度模型即真速度模型對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊前偏移，得到最終的疊前深度偏移結(jié)果。疊前深度偏移成像的精度取決于速度模型的準(zhǔn)確性，為此層析速度反演技術(shù)在深度域疊前成像過程中起到了十分重要的作用。

圖2 層位拾取示意圖Fig.2 The schematic diagram of layer pick up

層析速度反演技術(shù)首先需要基于時(shí)間域剖面上拾取層位，對(duì)每一層位進(jìn)行網(wǎng)格化，并建立層位模型，由層位模型轉(zhuǎn)向建立層速度模型，通過射線方向和路徑原理對(duì)層速度模型不斷迭代，直至速度模型逼近真實(shí)速度的過程。

3.1 層位拾取及網(wǎng)格化

首先需要在時(shí)間域剖面上進(jìn)行層位解釋，三維數(shù)據(jù)層位解釋往往需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行閉合，在次剖面上拾取幾條控制線，再回到主測線上精確拾取較為明顯的速度界面作為層位。東興鹽礦三維疊前深度偏移研究工區(qū)共71條主測線，根據(jù)資料本身特點(diǎn)，整個(gè)工區(qū)成層性較好，波組清晰，速度界面明顯，根據(jù)主要層位界面和構(gòu)造走向，在研究工區(qū)的主測線10～70，每間隔5條測線解釋了5個(gè)主要層位hh1～hh5(圖2)和一個(gè)控制層位，每一個(gè)層位代表相同或者相近的速度界面。在三維數(shù)據(jù)體按照一定間隔拾取每一個(gè)標(biāo)定的層位后，需要對(duì)每一個(gè)層位進(jìn)行網(wǎng)格化，并建立層位模型(圖3)，再沿每一個(gè)層位提取層速度，建立時(shí)間域的層速度模型，通過時(shí)間域的層位模型比例到深度域，形成各層的層速度模型，再通過時(shí)深轉(zhuǎn)化產(chǎn)生由層位約束的深度域初始層速度模型。

圖3 層位的三維可視化顯示Fig.3 The 3D visualization of layers

從圖3層位的三維可視化顯示可以看出，工區(qū)沿xline點(diǎn)號(hào)方向，速度整體變化趨勢(shì)平緩，為左低右高，層位速度之間的界限清晰，hh1～hh4的4個(gè)層位沿層方向速度起伏變化不大，跨越溶腔范圍的層位hh5速度起伏較大，呈現(xiàn)“≈型”。沿iline測線方向的小號(hào)頭，因小斷層分布較密，層位模型上顯示速度界面縱向方向有起伏。整個(gè)工區(qū)層位三維模型顯示立體直觀，基本反應(yīng)出地下地質(zhì)速度界面的變化情況。

3.2 層速度模型更新

由初始的深度域?qū)铀俣葓?，進(jìn)行目標(biāo)線的疊前深度偏移，產(chǎn)生目標(biāo)線深度偏移的剖面和道集文件，根據(jù)深度域道集上目的層位是否拉平及深度偏移剖面上層位的連續(xù)性、斷層歸位是否到位、斷點(diǎn)是否清晰、構(gòu)造是否清楚等特征來判斷層速度模型的準(zhǔn)確性。運(yùn)用基于層位層析成像技術(shù)來更新深度域?qū)铀俣饶Ｐ?，首先需要在目?biāo)線上產(chǎn)生層速度譜，在層速度譜上沿層拾取剩余速度[10]，再對(duì)拾取的剩余速度網(wǎng)格化并建模，產(chǎn)生剩余延遲的模型，根據(jù)此模型和初始的層速度場，用基于層位層析成像方法完成層速度更新，產(chǎn)生更新后的層速度場。

由于時(shí)間域解釋的層位模型是定性的，則需要把時(shí)間域解釋的層位由新的層速度約束來進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生深度域新的層位模型，再根據(jù)新的深度層位模型和層速度場，沿層提取層速度，此速度場即為第一次基于層位層析成像后的層速度場。

根據(jù)基于層位層析成像完成深度域?qū)铀俣雀潞?，得到第一次迭代后的速度場，用于目?biāo)線深度偏移，再根據(jù)深度偏移剖面和道集判斷是否需要再進(jìn)行下一步迭代過程，如此反復(fù)，得到準(zhǔn)確的深度域?qū)铀俣葓鲇糜谡麄€(gè)數(shù)據(jù)體的深度偏移。圖4為層析速度反演處理流程圖。

圖4 層析速度反演處理流程Fig.4 Tomographic velocity inversion processing flow chart

采用層析速度反演技術(shù)是速度模型更新優(yōu)化處理的重要手段[11]，以CRP道集是否被拉平作為判別標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到層速度和層位深度兩個(gè)重要參數(shù)，對(duì)深度模型進(jìn)行微調(diào)。圖5為經(jīng)過層析速度反演深度域速度更新前后剖面圖。圖5左側(cè)為初始層速度模型，淺層速度界面邊界模糊，小斷層處速度分層變化不明顯，存在速度突變現(xiàn)象；右側(cè)是經(jīng)層析成像速度優(yōu)化后速度模型，成層性好，速度縱橫向變化過渡自然，速度界面十分清晰，特別是小斷層處的速度變化刻畫得十分精細(xì)，構(gòu)造符合地質(zhì)規(guī)律。

圖5 深度域速度更新前后剖面Fig.5 Depth domain profile before and after velocity update

圖6 偏移剖面對(duì)比 Fig.6 Migration sections comparision

4 應(yīng)用效果分析

通過層位層析成像技術(shù)[12-18]建立了準(zhǔn)確的深度域?qū)铀俣饶Ｐ?，?duì)整個(gè)數(shù)據(jù)體進(jìn)行了疊前深度偏移處理，考慮到東興鹽礦資料的目的層相對(duì)較淺，受速度橫縱向影響相對(duì)較小，為了精確地刻畫出溶腔的形態(tài)和大小，建立層速度模型的橫縱向網(wǎng)度需要相對(duì)較小，才能使溶腔的繞射波收斂更加精確到位。疊前深度偏移成像整體效果較好：斷點(diǎn)干脆，斷層面刻畫很清晰，波組連續(xù)光滑，層次分明，特別是溶腔的特征反映明顯，繞射波收斂到位，溶腔底部波組沒有出現(xiàn)相位交叉和虛反射現(xiàn)象。從測線中選擇其中一條有代表性剖面，將疊前時(shí)間偏移和疊前深度偏移進(jìn)行對(duì)比。圖6是疊前時(shí)間偏移和疊前深度偏移剖面對(duì)比圖。

從圖6中可以看出，剖面上都顯示有5個(gè)溶腔，位置和形態(tài)基本相同，溶腔1和5相似度較高，深度偏移的溶腔頂部層位接觸關(guān)系清晰、斷點(diǎn)干脆、頂部蓋層完整性更好。疊前時(shí)間偏移圖6(a)中溶腔2和3，溶腔3和4，基本上是獨(dú)立，不連通，3個(gè)溶腔底部和側(cè)面還殘存一些繞射波沒能歸位，剩余波有一些交叉現(xiàn)象，溶腔2和4的頂部波組凌亂，不完整。而疊前深度偏移圖6(b)中溶腔整體完整清晰，特征明顯，溶腔底部的繞射波收斂到位。其中溶腔2、3、4基本是連通的，且溶腔的頂部完整，底部繞射波收斂到位；且各個(gè)溶腔均呈現(xiàn)出類似標(biāo)準(zhǔn)的“眼球狀”構(gòu)造，溶腔形態(tài)完整，溶腔與四周巖層接觸關(guān)系清晰，一致性較好。疊前深度偏移圖6(b)中溶腔4、5之間的波組光滑清晰，成層性好。通過比較，疊前深度偏移結(jié)果更加有利于圈定各個(gè)溶腔的最大平面邊界、溶蝕面和平均溶蝕高度；其剖面波組光滑，斷點(diǎn)明顯比疊前時(shí)間偏移的結(jié)果干脆、清晰。

5 結(jié) 論

通過對(duì)東興鹽礦溶腔發(fā)育區(qū)采用基于層位層析速度反演疊前深度偏移，得出以下結(jié)論：

1)在鹽礦區(qū)采用深度域疊前偏移研究溶腔的變化情況，通過層析速度反演技術(shù)不斷修正和優(yōu)化深度域?qū)铀俣饶Ｐ?，利用疊前深度偏移目標(biāo)線道集層位是否校平作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)層速度局部和敏感位置進(jìn)行橫縱向調(diào)整，不斷提高速度模型的精度，為后續(xù)的深度偏移打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)深度偏移技術(shù)應(yīng)用在東興鹽礦地區(qū)溶腔成像效果要明顯優(yōu)于疊前時(shí)間偏移。疊前深度偏移成果剖面的信噪比高，斷層斷面清晰，能更加精確地刻畫出溶腔的形態(tài)、邊界、溶蝕的面積和高度，大量的繞射波得到很好的收斂，歸位準(zhǔn)確，剖面同相軸連續(xù)性得到改善，成像更加清晰，更能真實(shí)反映出溶腔構(gòu)造形態(tài)。

3)應(yīng)用層析速度反演疊前深度偏移成像技術(shù)，在鹽礦溶腔探測上取得了明顯的效果，為鹽礦地區(qū)溶腔的發(fā)展方向及內(nèi)部連通情況、鹽層頂板破壞程度及溶腔的展布規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。