OVT域疊前時(shí)間偏移在煤田高密度三維地震勘探中的應(yīng)用

蔡文芮

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著智能化礦山建設(shè)速度的不斷加快，煤礦開(kāi)采對(duì)地質(zhì)勘探精度的要求越來(lái)越高，常規(guī)三維地震勘探已經(jīng)難以滿足礦方對(duì)地質(zhì)勘探精度的要求。隨著高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和超萬(wàn)道地震儀的出現(xiàn)，以“兩寬一高”為特征的全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)已經(jīng)逐漸成為煤礦采區(qū)取地質(zhì)條件精細(xì)探測(cè)的主流技術(shù)。該方法最大的特點(diǎn)是小面元、高覆蓋次數(shù)、寬方位采集，其寬方位觀測(cè)系統(tǒng)采集了包含不同方位上的地下反射信息，增加了對(duì)地下地質(zhì)體的照明度，能夠獲得比較完整的地下波場(chǎng)信息，有利于提高小構(gòu)造的識(shí)別能力[1-2]。

為了挖掘高密度勘探寬方位信息，OVT域的疊前時(shí)間偏移成像逐漸發(fā)展起來(lái)。該方法通過(guò)將方位角信息引入到偏移成像中，能夠發(fā)揮高密度寬方位三維地震采集的優(yōu)勢(shì)，提高復(fù)雜構(gòu)造的成像精度，并為后期進(jìn)行方位各向異性分析、裂縫預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前，OVT技術(shù)在石油地震勘探領(lǐng)域中已經(jīng)取得了初步成果[3-9]。黨青寧[10]等利用OVT域疊前偏移道集進(jìn)行奧陶系碳酸鹽巖縫洞預(yù)測(cè)，夏亞良等[11]利用OVT域各向異性技術(shù)進(jìn)行非花崗巖裂縫預(yù)測(cè)，段文勝等[12]利用OVT域疊前深度偏移，不僅明顯改善了碳酸鹽巖縫洞“串珠狀”反射的聚焦效果，而且?jiàn)W陶系內(nèi)幕弱反射的連續(xù)性也得到了提高。李飛等[13]提出OVT域的體去噪法來(lái)提高地震資料的信噪比。目前煤炭全數(shù)字高密度三維地震采集的工區(qū)越來(lái)越多，但對(duì)OVT技術(shù)的應(yīng)用研究較少[14]，本次研究是以沁水煤田某區(qū)高密度寬方位三維地震采集資料為研究對(duì)象，針對(duì)區(qū)內(nèi)小陷落柱、小斷層等構(gòu)造驗(yàn)證率較低的問(wèn)題，開(kāi)展OVT域疊前時(shí)間偏移的應(yīng)用研究，對(duì)比分析經(jīng)過(guò)五維規(guī)則化、OVT域疊前時(shí)間偏移、各向異性校正前后小陷落柱、小斷層等成像變化情況。

1 OVT基本原理

OVT是Offset Vector Tile的英文縮寫(xiě)，即炮檢距向量片。是由Vermeer和Starr.J在1998年提出的[15-16]，是十字排列集的進(jìn)一步細(xì)分。在正交觀測(cè)系統(tǒng)下，抽出其中1條炮線和檢波線組成1個(gè)“十”字交叉排列，并在“十”字排列中構(gòu)建坐標(biāo)系，以接收線和炮線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，檢波線方向?yàn)閄軸，炮線方向?yàn)閅軸，沿炮線與檢波線方向進(jìn)行等間隔劃分，并編上序號(hào)，使1個(gè)十字排列數(shù)據(jù)劃分為N個(gè)小的矩形區(qū)域，每一個(gè)小區(qū)域就是一個(gè)炮檢距向量片即OVT面元，而OVT面元所在坐標(biāo)系中投影位置的序號(hào)即是它的坐標(biāo)(圖1)。

圖1 正交觀測(cè)系統(tǒng)下OVT面元?jiǎng)澐諪ig.1 OVT fragmentation method in orthogonal observation system

將全工區(qū)所有十字排列按照上述方法處理后，把相同編號(hào)的OVT面元提取出來(lái)合并在一起就構(gòu)成了OVT道集，即炮檢距向量片，也可以稱為OVT片。在三維正交觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)OVT面元的劃分，每個(gè)OVT道集在每1個(gè)CMP點(diǎn)上只有1次覆蓋，且OVT道集包含偏移距和方位角大致相同的地震道[16]。經(jīng)過(guò)OVT道集劃分后，1個(gè)CMP點(diǎn)上OVT片分組如圖2所示。

圖2 OVT道集分組示意Fig.2 OVT trace set grouping diagram

OVT疊前時(shí)間偏移是以O(shè)VT面元?jiǎng)澐譃榛A(chǔ)的成像處理流程的總稱，包括OVT面元?jiǎng)澐帧VT域五維插值、OVT域疊前時(shí)間偏移、方位時(shí)差校正等過(guò)程。其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 OVT疊前時(shí)間偏移實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Implementation process of OVT prestack time migration

2 OVT域疊前時(shí)間偏移實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 工區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水煤田東北部，區(qū)內(nèi)地表高差較大，煤層賦存平坦，但小陷落柱、小撓曲十分發(fā)育。區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)條件良好，單炮信噪比較高。以往的常規(guī)地震勘探中，小陷落柱驗(yàn)證率較低，尤其直徑30 m以下的小陷落柱常常得不到落實(shí)。為了進(jìn)一步提高區(qū)內(nèi)小陷落柱、小撓曲、小斷層等構(gòu)造的成像精度，研究區(qū)引入設(shè)計(jì)面元為5 m×5 m，最高覆蓋次數(shù)149次，橫縱比接近0.65的全數(shù)字高密度三維地震，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行OVT疊前偏移處理的研究。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

OVT疊前時(shí)間偏移前必須做好疊前數(shù)據(jù)的預(yù)處理。針對(duì)此次工區(qū)的特點(diǎn)重點(diǎn)采取針對(duì)性措施：①應(yīng)用層析反演靜校正消除地形高差帶來(lái)的影響；②針對(duì)高密度三維地震數(shù)據(jù)低頻豐富、噪音重、信噪比低等特點(diǎn)，開(kāi)展循序漸進(jìn)的多域噪音壓制技術(shù)；③整個(gè)處理過(guò)程中不使用影響振幅相對(duì)關(guān)系的模塊，不使用區(qū)域?yàn)V波等直接損失低頻信號(hào)的處理模塊，做到預(yù)處理后數(shù)據(jù)的保真、寬頻、保幅。

OVT疊前時(shí)間偏移最關(guān)鍵的一步就是OVT面元的劃分，經(jīng)過(guò)面元的劃分，將數(shù)據(jù)抽取到OVT域進(jìn)行處理。理想的OVT(炮檢距向量片)道集是一個(gè)全區(qū)單次覆蓋體。在三維正交觀測(cè)系統(tǒng)中，為了保證每一個(gè)CMP面元上、不同OVT道集中只有一道，抽取OVT道集所定義的炮檢距在INLINE和CROSSLINE方向的范圍為是兩倍的炮線距和2倍的檢波線距(圖4)。

圖4 五維規(guī)則化前后OVT片覆蓋次數(shù)圖對(duì)比Fig.4 Comparison of OVT film coverage times before and after five-dimensional regularization

圖4(a)是數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OVT面元?jiǎng)澐趾笃渲幸粋€(gè)OVT片的覆蓋次數(shù)圖，可以看出，OVT道集中大多數(shù)CMP點(diǎn)的覆蓋次數(shù)為1，面元?jiǎng)澐謪?shù)比較合理，但是仍存在少量覆蓋次數(shù)突變的區(qū)域，這是由于變觀造成的覆蓋次數(shù)不均勻。

2.3 五維規(guī)則化

在三維地震數(shù)據(jù)采集中，工區(qū)不可避免地會(huì)遇到各種障礙物，施工中通常會(huì)采用在障礙物周邊加密炮點(diǎn)、加大偏移距、大排列接收等方法來(lái)使障礙物下覆蓋次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但這種方法會(huì)帶來(lái)近偏移距數(shù)據(jù)缺失、淺層覆蓋次不足、炮檢點(diǎn)分布不均勻等問(wèn)題。這種數(shù)據(jù)的空間采樣不均勻，使得偏移成像時(shí)引入強(qiáng)噪聲，淺部同相軸連續(xù)性變差。為了提高后續(xù)偏移成像效果，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行規(guī)則化處理來(lái)改善數(shù)據(jù)的空間采樣屬性。

五維規(guī)則化是一種OVT域的數(shù)據(jù)規(guī)則化。在OVT域道集內(nèi)，每道數(shù)據(jù)具有相同的偏移距和方位角，相鄰道之間具有較好的相關(guān)性，更有利于規(guī)則化。該方法是將地震數(shù)據(jù)分選到OVT域，以炮線、檢波線、方位角、炮檢距、時(shí)間5個(gè)方向的傅里葉譜作為約束條件，定義缺失道的自然屬性，將所有的地震道全部重構(gòu)，進(jìn)而消除地震數(shù)據(jù)在覆蓋次數(shù)、炮檢距和方位角的突變，使其分布更加均勻，滿足OVT疊前時(shí)間偏移的要求，改善波動(dòng)方程偏移效果。

五維規(guī)則化前后CMP道集對(duì)比如圖5所示。從圖5中可以看出，規(guī)則化后道集質(zhì)量明顯提高，近偏移距及遠(yuǎn)偏移距的能量得到了補(bǔ)償，道集能量更加均衡，淺層同相軸更加連續(xù)。缺失的道得到了較好的恢復(fù)，且恢復(fù)出來(lái)道的振幅和頻率與相鄰道都有較好的一致性。

圖5 五維規(guī)則化前后CMP道集對(duì)比Fig.5 CMP gather before or after 5D regulation

2.4 OVT域疊前時(shí)間偏移技術(shù)

實(shí)際的地下介質(zhì)是各向異性的，當(dāng)采集方位角較小的情況下，這種各向異性通?？梢院雎?。而高密度三維地震數(shù)據(jù)方位角的分布范圍一般較大，如果繼續(xù)忽略方位角的變化，會(huì)降低成像精度。因此，在處理過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮地震波隨方位的變化。常規(guī)偏移是將所有地震道按炮檢距進(jìn)行分組，在共偏移距的同心圓上對(duì)所有的地震道進(jìn)行道積分，最終輸出一個(gè)加權(quán)結(jié)果，偏移后的數(shù)據(jù)丟失了與方位有關(guān)的信息。OVT域疊前時(shí)間偏移與常規(guī)偏移都采用克希霍夫積分法偏移法，但是偏移時(shí)數(shù)據(jù)分組方式不同。

OVT域疊前時(shí)間偏移是以炮檢距向量片(OVT)為單位，對(duì)每個(gè)OVT道集獨(dú)立偏移。由于每個(gè)OVT道集是有著特定的偏移距和方位角的單次覆蓋向量體，因此，偏移后保留了數(shù)據(jù)的方位角屬性，使偏移后的數(shù)據(jù)能夠反映出地震波隨方位角變化所產(chǎn)生的變化。常規(guī)疊前時(shí)間偏移與OVT疊前時(shí)間偏移后道集對(duì)比如圖6所示。圖6(a)為常規(guī)疊前時(shí)間偏移后的CRP道集，圖6(b)為OVT疊前時(shí)間偏移后的矢量道集，圖中藍(lán)色曲線表示偏移距，紅色曲線表示方位角，可以看出常規(guī)偏移后丟失了方位角信息，而經(jīng)過(guò)OVT偏移后，方位角信息得到了很好的保存。并且可以看出，隨著方位角的周期性變化，反射同相軸也發(fā)生了周期性的“抖動(dòng)”，這種高頻時(shí)差被認(rèn)為是由于方位各向異性引起的剩余時(shí)差[17-18]。一方面，可以提取道集中的同相軸抖動(dòng)來(lái)進(jìn)行地層的各向異性分析、裂縫檢測(cè)等；另一方面，這種抖動(dòng)現(xiàn)象的存在會(huì)造成不同相疊加，降低對(duì)小構(gòu)造的分辨率。為了提高小構(gòu)造的成像效果，處理中需要消除這種現(xiàn)象。

圖6 常規(guī)疊前時(shí)間偏移與OVT疊前時(shí)間偏移后道集對(duì)比Fig.6 Comparison of trace sets after conventional prestack time migration and OVT prestack time migration

2.5 方位各向異性時(shí)差校正

由于各向異性時(shí)差的存在，處理中要對(duì)這種時(shí)差進(jìn)行校正。OVT域方位各向異性校正的方法主要有2種，分別為速度模型迭代法和相干譜拾取法。此次采用速度模型迭代法。具體實(shí)現(xiàn)方法分為3個(gè)步驟：剩余時(shí)差的拾取、方位各向異性速度場(chǎng)反演、方位各向異性校正。①通過(guò)輸入OVT偏移道集生成的疊后道作為模型，在一定時(shí)窗內(nèi)域道集內(nèi)各道做互相關(guān)處理，并根據(jù)互相關(guān)系數(shù)最大原則，得到每個(gè)互相關(guān)時(shí)窗中點(diǎn)的剩余時(shí)差與相關(guān)系數(shù)。②根據(jù)自動(dòng)拾取的剩余時(shí)差與相關(guān)系數(shù)，利用最小平方根算法來(lái)估算出方位各向異性速度。方位各向異性速度可由快速場(chǎng)、慢速場(chǎng)和慢速方位場(chǎng)來(lái)表示。通過(guò)時(shí)差拾取反演出的快速場(chǎng)、慢速場(chǎng)、極慢速方位場(chǎng)如圖7所示。③使用反演得到的各向異性速度場(chǎng)對(duì)道集進(jìn)行方位各向異性校正，消除同一共反射點(diǎn)道集內(nèi)由于方位差異所造成的反射波旅行時(shí)剩余時(shí)差。

圖7 方位各向異性速度場(chǎng)Fig.7 Azimuthal anisotropic velocity field

方位各向異性校正前后道集對(duì)比如圖8所示。圖8(a)為CMP250方位各向異性校正前的OVT道集，可以看出，隨著方位角的周期性變化，同性軸呈現(xiàn)周期性抖動(dòng)，說(shuō)明存在方位各向異性現(xiàn)象。圖8(b)為方位各向異性校正后的OVT道集，可以看出同相軸“抖動(dòng)”特征消失，同相軸被校平，道集質(zhì)量變好，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)。方位各向異性校正前疊加剖面如圖9所示。圖9(a)為各向異性校正前疊加剖面，圖9(b)各向異性校正后疊加剖面，對(duì)比表明，校正后疊加剖面，斷點(diǎn)位置更加清晰。說(shuō)明OVT疊前偏移道集經(jīng)過(guò)各向異性校正，解決了面元不同相疊加問(wèn)題，提高了成像精度。

圖8 方位各向異性校正前后道集對(duì)比Fig.8 OVT gather before or after azimuth anisotropy correction

圖9 方位各向異性校正前疊加剖面Fig.9 Stacked section before or after azimuth anisotropy correction

3 實(shí)際資料處理效果分析

為了驗(yàn)證OVT域疊前時(shí)間偏移對(duì)小陷落柱的成像效果，選取1條過(guò)3個(gè)陷落柱的剖面，從左到右依次為陷落柱1、陷落柱2、陷落柱3。相比常規(guī)疊前時(shí)間偏移剖面(圖10(a))，OVT域疊前時(shí)間偏移并進(jìn)行各向異性校正后的剖面(圖10(b))，陷落柱1邊界顯示更加清晰。常規(guī)疊前時(shí)間偏移剖面中呈現(xiàn)假斷層現(xiàn)象的陷落柱2也得到了很大的改善，體積較小的陷落柱3底部“串珠狀”更聚焦。這是由于OVT疊前時(shí)間偏移考慮了地震波的傳播方向，并通過(guò)各向異性校正消除了方位角變化引起的同相軸周期性“抖動(dòng)”現(xiàn)象，使剖面分辨率得到提升。除此之外，由于OVT疊前時(shí)間偏移前進(jìn)行了五維規(guī)則化，變觀和炮點(diǎn)不均勻造成的近偏缺失數(shù)據(jù)得到了彌補(bǔ)。因此，OVT疊前時(shí)間偏移剖面淺層同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，成像有了較大的改善。由于OVT疊前時(shí)間偏移能夠衰減多次波[6]，可以發(fā)現(xiàn)OVT疊前時(shí)間偏移剖面500 ms處多次波也得到了一定程度衰減。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的頻譜分析發(fā)現(xiàn)，OVT域處理后的偏移剖面，低頻成分更豐富，頻帶更寬，更加有利于后續(xù)的屬性分析和反演。常規(guī)偏移剖面與OVT域疊前時(shí)間偏移剖面頻譜對(duì)比如圖11所示。

圖10 常規(guī)偏移剖面與OVT域疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比Fig.10 Offset domain or OVT domain prestack time migration profile

圖11 常規(guī)偏移剖面與OVT域疊前時(shí)間偏移剖面頻譜對(duì)比Fig.11 Spectrum of offset domain or OVT domain prestack time migration

4 結(jié)論

OVT域疊前時(shí)間偏移技術(shù)在全數(shù)字高密度三維地震勘探中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(1)OVT疊前時(shí)間偏移后的數(shù)據(jù)保留了方位角信息，為后續(xù)各向異性分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)經(jīng)過(guò)方位各向異性校正后，道集得到了校平，最終疊加剖面中的斷點(diǎn)位置、陷落柱邊界更加清晰。

(3)經(jīng)過(guò)OVT域五維規(guī)則化后的偏移剖面，淺層連續(xù)性增強(qiáng)，成像效果得到了改善。

(4)OVT域疊前時(shí)間偏移后振幅保真性高，波形自然，陷落柱邊界更清晰，“串珠狀”更聚焦，陷落柱得到了較好的成像。

(5)OVT域疊前時(shí)間偏移是能夠較好提高煤田高密度數(shù)據(jù)的成像效果，具有較好的推廣價(jià)值。