黃土塬區煤系非常規氣地震勘探資料處理方法的應用研究

王樹威

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

隨著能源產業的飛速發展，煤層氣等煤系非常規氣作為一種天然氣資源在能源結構中的地位越來越重要。美國在上世紀80年代對煤層氣進行了商業性開發利用，創辦了規模龐大的煤層氣產業。煤系非常規氣包含煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣，煤層氣在煤層及其碎屑巖夾層中儲集，頁巖氣在泥巖及其內部的薄層砂質巖中儲集，致密砂巖氣在砂巖層中富集。中國地大物博，資源產量巨大，煤系非常規氣資源也十分豐富[1-3]。目前，對煤系非常規氣的開發利用程度還很低，所以進行多氣聯合勘探開發具有很好的經濟和社會效益。

我國陜西北部和山西西部的黃土塬區已經開展了煤系非常規氣的勘探、開采工作，作為調查煤系非常規氣儲層的勘探手段，地震勘探首當其沖。地震資料處理是煤系非常規氣地震勘探中非常重要的一個環節，如高分辨率處理技術、疊前深度偏移技術等[4]。但是，黃土塬侵蝕地貌區地表巨厚的黃土蓋層溝壑縱橫，高程變化劇烈，復雜的近地表結構、嚴重的高頻吸收衰減和多種類型的干擾波，導致常規處理方法獲得的地震資料信噪比和分辨率較低，無法滿足后續地震成像處理和儲層預測的需求[5]。因此，要取得信噪比高，保真性好的地震數據，應聯合應用靜校正、去噪、一致性處理等多種關鍵技術[6]。筆者以黃土塬區某個煤系非常規氣二維地震勘探項目為例，對黃土塬區煤系非常規氣地震勘探資料的處理方法進行了研究。

1 原始資料分析及處理思路

1.1 勘探區概況

區塊位于鄂爾多斯盆地中東部，是我國煤系非常規氣勘探開發的熱點區域之一，也是國內開展煤系非常規氣勘探活動最早的區域之一[7]。區內山高谷深、地形復雜。區塊的地勢總體為東高西低，屬侵蝕較為強烈的梁峁狀黃土地貌。基巖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

原始資料總體表現為：記錄面貌良好，大部分炮集記錄信噪比較好，但由于激發條件不同(有洛陽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；反射波信號很強，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”的原則進行。本區地震資料主要特點有如下幾點：

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

2)復雜多變的淺表層地震地質條件，導致局部炮間和道間存在較大的頻率及能量差異。

3)噪聲類型主要表現為強能量面波、隨機噪聲、多次折射和工業干擾等[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)原始資料品質與激發條件相關性大，基巖區資料整體信噪比較高，薄黃土區次之，厚黃土區資料品質最差。

1.3 處理思路

本勘探區的地質任務是在黃土塬區進行煤系非常規氣富集性預測，處理上除了靜校正問題，地震資料保幅處理是其中重要的一個環節。在解決激發和接收條件不同帶來的振幅和頻率差異的的基礎上，同時得到較高的縱、橫向分辨率[9-10]。因此，本次資料處理的整體思路是：

1)首先解決靜校正問題，這是構造勘探和巖性勘探的前提。

2)解決激發條件和接收條件帶來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 針對性措施

2.1 表層速度結構

工區內地表溝谷縱橫起伏變化劇烈，地形較為復雜，為了得到正確的靜校正量，必須精確求取表層速度，圖1為勘探區表層層析速度結構圖，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

勘探區原始資料的干擾波類型主要有面波、多次折射、隨機環境噪聲等[11-12]。針對上述情況，為了提高信噪比針對不同類型的噪聲進行了去噪試驗：①面波壓制，采用自適應面波衰減技術利用預測減去法壓制面波；②多次折射等線性干擾壓制，采用中值預測技術利用預測減去法對規則的線性干擾進行去除；③工業干擾去除，使用壞道剔除和預測法對工業干擾采用預測減去法進行消除；④壓制異常振幅，采用分頻異常噪音衰減技術分別在共炮點域和共檢波點域對異常噪聲進行壓制；⑤壓制隨機噪音，將數據轉換到FXY域內，利用有效信號的相似性來提高信噪比。

2.3 提高分辨率

為了解決地表激發和接收條件不同帶來的頻率差異，處理過程中地表一致性反褶積是在共炮點域、共接收點域和共偏移距域分別統計子波并進行校正處理，去掉由激發、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補償技術補償高頻成分，拓寬頻帶寬度；②在疊前使用地表一致性反褶積，對激發和接收差異帶來的頻率和振幅差異進行改善；③在疊后數據中使用譜白化技術拓寬頻帶范圍，進一步提高資料分辨率[15](圖2)。

3 關鍵環節及處理效果

3.1 靜校正處理

由于勘探區內大面積為較發育的黃土沖溝地貌，地表起伏不斷，各接收點的高程不規則分布，最大相對高差350 m左右。表層地震地質條件復雜，測線經過基巖出露區、薄黃土區、厚黃土區等不同激發和接收條件，原始單炮記錄初至波跳躍劇烈，靜校正問題突出[16-17]。

圖1 表層層析速度結構圖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)通過試驗選擇適合的靜校正方法解決野外靜校正問題。

2)通過地表一致性中頻靜校正技術解決較大剩余時差問題。

3)通過地表一致性高頻靜校正技術解決同相軸連續性問題提高成像質量。

3.1.2 方法確定

基準面靜校正量計算公式為式(1)。

ΔTS=ΔTSW-ΔTSR=

(1)

式中：ΔTS為靜校正量；ΔTSW為穿過風化層的時間；ΔTSR為校正時間；ES為高程；ESW為風化層高程；ESR為參考基準面高程；hS為井深；vW為風化層速度；vR為風化層下伏地層的速度。根據折射波基本理論，利用初至波的時距曲線可知，直達波對應的時間斜率的倒數等于風化層速度，折射波對應時間斜率的倒數等于折射層速度。然而由于地表和風化層起伏不平導致無法直接求取，為解決靜校正問題，在正確拾取原始單炮初至的基礎上，選擇折射靜校正(綠山軟件)和層析靜校正(ToModel軟件)進行靜校效果分析。

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，從疊加剖面上來看，特別是在測線的邊界部分，層析成像存在一定問題，折射的成像穩定同相軸連續性好。層析靜校正在測線邊界部分由于射線密度過低，速度反演存在一定問題，導致靜校正效果不佳。

因為工區雖然地表變化劇烈，但是地下折射層只有兩層，且全區非常穩定，在照明足夠的情況下折射靜校正和層析靜校正效果相當，但層析在射線密度不夠的測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預測煤系非常規氣富集區時一個非常重要的處理過程，具體包括相對振幅保持處理、道集規則化處理和偏移速度迭達優化。

3.2.1 相對振幅保持處理

保幅處理是指地震資料經過某個處理模塊或者某些處理過程，地震振幅保持不變或者成正比[18]。在地震資料處理過程中，絕對的保幅處理在實際工作中是不現實的[19]。因此，現行的保幅處理概念都是相對意義上的保幅。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階段，如圖4所示為采用真振幅恢復技術，對數據中由于傳播過程中能量衰減進行補償。

圖3 折射靜校正與層析靜校正疊加剖面對比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 球面擴散補償前、后單炮和能量衰減曲線對比Fig.4 Single shot and energy attenuation curve comparison before and after the spherical spreading compensation(a)球面擴散補償前單炮和能量衰減曲線；(b)球面擴散補償后單炮和能量衰減曲線

3.2.2 道集規則化處理

由于工區內地形復雜、溝谷縱橫，野外采集中的炮點無法做到均勻分布，過障礙物和村莊時都存在較大變觀，造成了覆蓋次數和偏移距分布的不均勻。

在疊前偏移過程中，如果存在覆蓋次數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，造成偏移劃弧的現象，道集內劃弧嚴重，會導致AVO信息遭到破壞，會造成局部振幅異常，屬性提取無法滿足巖性勘探的要求。為了解決這些問題，需要對數據進行規則化處理來彌補這些缺陷。本次處理過程中，使用三維空間插值方法，在炮點域、檢波點域和cdp域三個方向做數據重構，完成因為覆蓋次數不均勻、偏移距不均勻和信噪比不均勻等造成的缺陷，如圖5所示為數據規則化前后的cdp道集和疊前時間偏移效果。可以看出，在數據規則化處理后，疊前時間偏移crp道集上的劃弧現象基本消除且能量均衡。

3.2.3 偏移速度場的迭代優化

解決靜校正問題時的表層速度，偏移速度也是地震資料處理中很重要的參數之一，其精確度直接影響到動校正的效果及疊加成像的質量。為此，可通過循環迭代，不斷提高拾取精度。在本次處理過程中共進行了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定性都得到提高，經過偏移速度重新拾取、剩余均方根速度分析和拾取、水平剩余速度拾取，不斷的對偏移速度場進行迭代優化更新，偏移速度場趨勢合理、偏移后CRP道集同相軸基本得到拉平。

圖5 規則化處理前、后、疊加偏移后道集對比Fig.5 Trace gather comparison before and after the generalized algorithm, after the stack migration(a)規則化處理前道集；(b)規則化處理后道集；(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氣二維地震勘探精細處理得到的最終疊前時間偏移剖面，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反演提供高質量道集。

4 結論

黃土塬區二維地震勘探資料處理任務涉及煤系非常規氣勘探，對振幅保真要求很高，但是地表高程和激發條件橫向變化快，振幅、頻率和信噪比都變化劇烈，處理工作難度很大。為了達到勘探要求的精度，處理過程中，對于靜校正處理和保幅處理兩個方面重點進行了認真細致的工作，并取得了理想的效果。

1)在全區折射層穩定的基礎之上，折射靜校正很好地解決了靜校正問題。

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