疊前深度偏移技術(shù)在煤田巖漿巖侵入?yún)^(qū)構(gòu)造成像中的應(yīng)用

張憲旭

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

摘要：煤田深部地層由于巖漿巖侵入導(dǎo)致煤層下覆地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)勘探區(qū)內(nèi)地表存在村莊等障礙物，施工中無(wú)法使用規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，疊后和疊前時(shí)間偏移都無(wú)法確保成像的精度和正確性，導(dǎo)致煤田地質(zhì)和地震解釋工作者對(duì)井田整體構(gòu)造以及巖漿侵入?yún)^(qū)構(gòu)造認(rèn)識(shí)不清，進(jìn)而無(wú)法有效保障煤田正常的安全生產(chǎn)。為了有效解決這一問(wèn)題，文中在處理解釋一體化的思想指導(dǎo)下，結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井和鉆井等資料，按照疊后時(shí)間域、疊前時(shí)間域以及疊前深度域的速度迭代求取和建模步驟，精確求取地層速度，使用Kirchhoff疊前深度偏移方法，完成構(gòu)造成像研究。最終結(jié)果使得深部構(gòu)造和巖漿巖侵入?yún)^(qū)地層接觸關(guān)系更加清晰，對(duì)于揭示煤田整體構(gòu)造，特別是深部巖漿巖侵入?yún)^(qū)翼部陡傾地層的構(gòu)造成像有了較大的提升。為煤田地質(zhì)工作者對(duì)井田巖漿巖侵入?yún)^(qū)構(gòu)造的正確認(rèn)識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本研究認(rèn)為，在煤田復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)開(kāi)展疊前深度偏移研究，對(duì)改善和提高巖漿巖侵入?yún)^(qū)的構(gòu)造成像是一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：煤田勘探；地震資料處理；Kirchhoff疊前深度偏移；巖漿巖侵入

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0213

文章編號(hào)：1672-9315(2015)02-0208-06

收稿日期：*2014-12-20責(zé)任編輯：李克永

基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)西安研究院技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2013XAYCX017)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05040-002)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAK04B04)；中煤科工集團(tuán)西安研究院重點(diǎn)項(xiàng)目(2014Z1D009)

作者簡(jiǎn)介：張憲旭(1979-)，男，陜西寶雞人，工程師，E-mail: zhangxianxu@cctegxian.com

中圖分類號(hào)：P 631文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Applicationofprestackdepthmigrationtechniqueinthestructureimagingofcoalfieldmagmatiteintrusionarea

ZHANGXian-xu

(CCTEG Xi’an Research Institute,Xi’an 710077，China)

Abstract：In exploration areas，the structure of coalfield deep became complicated because of the magmatic intrusion to the coal deep strata.At the same time，the regular observation system cannot be used because of the obstacles in surface such as villages.Therefore post-stack time migration and pre-stack imaging inability to ensure the imaging of accuracy and correctness.So geologists and interpreters unable to explain the whole structure and clearly understand the structures of magmatic intrusions area，further the coal mine production safety cannot be guaranteed.In order to solve this problem，we together with the interpreter combined with geological，logging and drilling data，according to the steps of building post-stack time domain，pre-stack time domain and pre-stack depth domain velocity calculation and modeling methods.We obtain the satisfied section by Kirchhoff pre-stack depth migration method.The results has a larger upgraded in the imaging quality for the whole structure of coalfield and magmatic intrusion area.It helps geologists to have a clear understanding of the structure.Our research thought that to carry out pre-stack depth migration technique in coalfield complex structure area is an effective way to improving the imaging quality of magmatic intrusion structure.

Keywords：coalexploration;seismicdataprocessing;kirchhoffpre-stackdepthmigration;magmaticintrusion

0引言

中國(guó)作為世界上煤炭消費(fèi)最大的國(guó)家，每年資源的消費(fèi)量非常巨大。隨著煤礦開(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行，埋藏深度淺、開(kāi)采難度小的資源已逐漸枯竭，開(kāi)采重心逐步向構(gòu)造更加復(fù)雜的地區(qū)轉(zhuǎn)移[1]。隨著煤田構(gòu)造的日益復(fù)雜，開(kāi)采難度和成本越來(lái)越高，受到瓦斯、水害和沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害的威脅越來(lái)越巨大。這些問(wèn)題都迫使地質(zhì)和物探工作者尋找更先進(jìn)和可靠的方法，為煤礦安全生產(chǎn)提供更多更有有效的地質(zhì)信息規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和降低成本[2-4]。

在偏移技術(shù)發(fā)展的初期，主要使用的是疊后偏移方法來(lái)歸位成像，但常規(guī)的疊后時(shí)間偏移理論是基于四個(gè)假設(shè)條件(均勻介質(zhì)假設(shè)、各向同性假設(shè)、平緩地表假設(shè)、水平層狀介質(zhì)假設(shè))并在水平疊加剖面基礎(chǔ)之上，采用爆炸反射面概念實(shí)現(xiàn)傾斜反射層歸位和繞射波收斂[5]。因此，疊后偏移方法無(wú)法很好解決傾斜界面的非共反射點(diǎn)疊加問(wèn)題，構(gòu)造復(fù)雜時(shí)成像往往難以歸位準(zhǔn)確。為了有效解決這一問(wèn)題，地震工作者一直進(jìn)行著不懈的努力，偏移方法也從疊后發(fā)展到疊前、從時(shí)間域發(fā)展到深度域。理論方法也有長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中有限差分方法、Kirchhoff積分方法、傅里葉變換方法和逆時(shí)偏移方法都是其中的代表[5-6]。并且近些年來(lái)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，疊前深度偏移技術(shù)逐步在實(shí)際工作中，特別是石油行業(yè)中得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)前煤田地震勘探中，疊前時(shí)間偏移技術(shù)開(kāi)展的比較少，疊前深度偏移更少涉及。但隨著勘探的不斷深入和發(fā)展，應(yīng)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的資料中出現(xiàn)了成像不準(zhǔn)和歸位不到位的現(xiàn)象[7]，因此開(kāi)展疊前深度偏移研究就顯得十分必要。

文中研究工區(qū)位于華北板塊南部，臨近郯廬斷裂系，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜?？碧絽^(qū)內(nèi)，淺部地層基本為一單斜，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單[8-10]。但在深部存在隱伏背斜構(gòu)造，并且在背斜核部有規(guī)模較大的巖體侵入，造成基底局部隆起，地下構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)關(guān)系不清楚，常規(guī)的時(shí)間域的疊后偏移方法難以應(yīng)對(duì)[11-13]。文中針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探索和嘗試。

1基本理論

地震偏移的理論已發(fā)展了較長(zhǎng)時(shí)間，上世紀(jì)60年代偏移算法起步，形成了基本的偏移理論，稱為古典偏移技術(shù)；到了70年代，基本的偏移理論和計(jì)算機(jī)相結(jié)合逐步形成了計(jì)算機(jī)偏移技術(shù)；70年代初期，美國(guó)斯坦福大學(xué)的J.Claerbout教授提出了波動(dòng)方程偏移成像的方法；1978年，F(xiàn)rench和Schneider等在繞射偏移法的基礎(chǔ)上使用了波動(dòng)方程解的Kirchhoff積分公式，發(fā)展為地震偏移的波動(dòng)方程積分法；同年Gazdag和Stolt基于傅里葉方程提出了頻率波數(shù)(F-K)偏移成像方法；1983年，Baysal等學(xué)者分別利用波動(dòng)方程偏移的準(zhǔn)確形式提出了逆時(shí)偏移方法[14]。

在這些偏移算法中，克?；舴蚍e分法以計(jì)算效率高偏移效果好等優(yōu)點(diǎn)，被石油工業(yè)所認(rèn)可。克?；舴蚍e分法疊前深度偏移利用邊界積分方法近似求解波動(dòng)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的成像，地層內(nèi)部各點(diǎn)的聲波反射系數(shù)由記錄在多維曲面上的數(shù)據(jù)加權(quán)求和來(lái)獲得，求和曲面的形狀以及求和加權(quán)系數(shù)用單個(gè)散射波傳播時(shí)的格林函數(shù)計(jì)算[9，13]。基于格林函數(shù)理論及波動(dòng)方程積分，三維疊前克希霍夫深度偏移的積分形式為

(1)

式中γ，γδ，γg分別表示成像點(diǎn)、震源點(diǎn)和接收點(diǎn)；t(γ，γδ)和t(γ，γg)分別表示成像點(diǎn)到震源點(diǎn)和成像點(diǎn)到接收點(diǎn)的走時(shí)；A(r，rδ)和A(r，rg)分別表示成像點(diǎn)到震源點(diǎn)和成像點(diǎn)到接收點(diǎn)的振幅；Z為深度，R(r)為反射系數(shù)，P為聲壓場(chǎng)。

2處理流程

疊前深度偏移實(shí)質(zhì)上是一種解釋性的處理流程，遵循了地質(zhì)與物探綜合研究以及地震資料處理與解釋一體化的指導(dǎo)思想[15]。實(shí)際處理中，結(jié)合鉆井、測(cè)井及地質(zhì)資料，依據(jù)地震反射理論理，按照疊加速度、疊前時(shí)間域垂向RMS速度、時(shí)間域橫向RMS速度和深度域?qū)铀俣鹊那笕№樞?，逐次推進(jìn)，精確求取速度模型，盡可能地保證偏移結(jié)果的正確性。圖1為本次疊前深度偏移處理流程，體現(xiàn)了逐次求取，循環(huán)往復(fù)，一次比一次更接近真實(shí)的處理思想。

圖1　疊前深度偏移流程 Fig.1　Pre-stack depth migration process

3深度偏移處理

3.1地質(zhì)概況和處理難點(diǎn)

研究工區(qū)位于永城地區(qū)某煤礦，位于華北板塊南部，近鄰郯廬斷裂系，區(qū)域內(nèi)淺部地層總體走向北北東向，傾向?yàn)楸蔽飨?，基本為一單斜?gòu)造，斷裂、褶皺和褶曲發(fā)育(如圖2)。區(qū)域內(nèi)主要含煤地層為二疊系山西組與下石盒子組地層，埋深410m左右，煤層平均厚度為11.84m.深部地層受到隱伏背斜的控制，在燕山期有較大規(guī)模的巖漿侵入，侵入部位多發(fā)生在沿背斜構(gòu)造核部?？碧絽^(qū)內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦，地形高差很小，激發(fā)條件較好，單炮信噪比較高。風(fēng)化層較為穩(wěn)定，折射靜校正效果較好。但勘探區(qū)內(nèi)有村莊等障礙物，存在較大變觀，覆蓋次數(shù)和偏移距分布不均勻，導(dǎo)致了部分淺層出現(xiàn)“天窗”，特別是火山巖侵入的部位結(jié)構(gòu)關(guān)系不清楚，常規(guī)地震資料處理方法很難求取準(zhǔn)確的速度資料，偏移成像效果無(wú)法保證。

圖2　勘探區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造示意圖 Fig.2　Structural diagram of the exploration area

3.2資料處理

針對(duì)上述處理難點(diǎn)，按照疊前深度偏移處理流程，根據(jù)實(shí)際資料特點(diǎn)，采用了一些針對(duì)性的技術(shù)手段，優(yōu)選了關(guān)鍵性參數(shù)，對(duì)研究區(qū)資料進(jìn)行了處理研究，確保了最終深度偏移結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.2.1觀測(cè)系統(tǒng)權(quán)重計(jì)算

研究區(qū)內(nèi)存在障礙物，采集施工中出現(xiàn)較大變觀，導(dǎo)致觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋次數(shù)和偏移距不均勻，這會(huì)對(duì)最終偏移效果有一定影響。在這種情況下，進(jìn)行疊前深度偏移之前，需要根據(jù)偏移距和方位角的實(shí)際情況調(diào)整觀測(cè)系統(tǒng)權(quán)重，以彌補(bǔ)覆蓋次數(shù)不足和不規(guī)則的觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)疊前深度偏移的影響。

圖3　觀測(cè)系統(tǒng)權(quán)重計(jì)算 Fig.3　Observing system weight calculation

3.2.2預(yù)處理

對(duì)于疊前深度偏移方法而言，疊加之前的常規(guī)處理流程都屬于預(yù)處理范疇，并對(duì)預(yù)處理流程中的一些環(huán)節(jié)提出了更為嚴(yán)格的要求，其中重點(diǎn)需要對(duì)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整

1)靜校正：常規(guī)流程使用的是固定基準(zhǔn)面靜校正，這種方式存在在靜校正量較大時(shí)，求取的疊加速度偏低，導(dǎo)致正確的層速度求取存在問(wèn)題。為了避免這樣的情況，需要使用浮動(dòng)基準(zhǔn)面靜校正方法進(jìn)行校正，在偏移之前，數(shù)據(jù)應(yīng)用短波長(zhǎng)分量，道頭記錄長(zhǎng)波長(zhǎng)分量。

2)噪聲壓制：在預(yù)處理過(guò)程中需要對(duì)于面波、聲波和隨機(jī)干擾等能量盡量壓制，特別對(duì)大振幅的噪聲應(yīng)盡量消除干凈，以便減少偏移噪聲，提高偏移質(zhì)量，但對(duì)于繞射波來(lái)說(shuō)，需要加以保護(hù)。

3)振幅保真：由于偏移是一個(gè)能量歸位的過(guò)程，如果能量失衡，將直接影響偏移的正確性。因此需要嚴(yán)格控制振幅的相對(duì)關(guān)系，避免在去噪過(guò)程中使用如FK或AGC等不保真的模塊，盡量保護(hù)好有效振幅信息，這是保證偏移效果的關(guān)鍵。

圖4為研究區(qū)內(nèi)某一單炮在預(yù)處理階段經(jīng)去噪聲處理前后的對(duì)比。處理后，近偏移距面波能量基本完全被壓制掉，且處理前后信號(hào)做到了不失真。這些對(duì)于后續(xù)的正確偏移打下了良好的基礎(chǔ)。

圖4　預(yù)處理前后單炮數(shù)據(jù) Fig.4　Ashot data before and after preprocessing

3.2.3時(shí)間域速度分析和模型構(gòu)建

偏移的核心是速度的精確求取和建模，直接決定了偏移結(jié)果中能量是否正確歸位。為得到正確的地層速度，需結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井、鉆井等資料，在每一步的速度求取中盡量做到精確，以確保時(shí)間域的偏移效果和深度偏移構(gòu)建的初始模型更為逼近真實(shí)。其中時(shí)間域內(nèi)的速度分析包括

1)疊加速度分析：通過(guò)速度掃描和速度譜迭代分析得到。這兩種方式需要相互結(jié)合，速度掃描在宏觀上對(duì)構(gòu)造進(jìn)行把控，速度譜在微觀上進(jìn)行不斷的迭代和微調(diào)。

2)建立無(wú)構(gòu)造的初始RMS(均方根)速度模型：通過(guò)上一步得到的疊加速度，可以獲得RMS速度模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前時(shí)間偏移，求取CRP道集，并在CRP道集上進(jìn)行垂向剩余速度分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的微調(diào)。

3)建立基于層位的RMS速度拾取和模型，在偏移數(shù)據(jù)體上拾取層位，并在層位信息的指導(dǎo)下，利用CRP道集在水平方向做剩余速度分析。

4)修改基于層位的初始RMS速度體：利用得到的時(shí)間偏移域道集和沿層構(gòu)造模型，基于剝層法逐層對(duì)模型和速度進(jìn)行更新。

圖5　時(shí)間域速度更新前后剖面圖 Fig.5　Time-domain velocity profile before and after the update

經(jīng)過(guò)上述4步的速度分析之后，得到更新后的時(shí)間域速度模型(圖5)，可以看出，更新之后的速度去除了虛假的構(gòu)造現(xiàn)象，縱橫向變化更加自然，更符合一般地質(zhì)規(guī)律。

3.2.4深度域速度分析和模型構(gòu)建

速度的精確求取對(duì)于疊前深度偏移顯的尤為重要，這是因?yàn)樗俣炔粌H僅決定著成像質(zhì)量還決定著時(shí)深轉(zhuǎn)換的正確與否，決定最終偏移成像的正確性。速度求取的方法主要包括

1)初始深度模型建立。初始模型需要盡量逼近真實(shí)的地下情況，如果初始模型不合理，更新過(guò)程中可能逼近一個(gè)局部最優(yōu)解，而不是真實(shí)解。為了得到比較可靠的初始速度模型，需要在疊前時(shí)間偏移過(guò)程中，盡量精確拾取基于層位的RMS速度。在此基礎(chǔ)上，使用DIX公式使用逐層剝離的工作方式，從淺到深逐層將RMS速度轉(zhuǎn)換成層速度，再通過(guò)比例或圖偏移的方法將時(shí)間偏移域的層位轉(zhuǎn)換到深度域，從而構(gòu)建初始的深度域?qū)铀俣饶Ｐ汀?/p>

2)速度求取和模型更新。經(jīng)DIX公式轉(zhuǎn)換獲得的初始層速度具有一維性，在縱橫向上都欠精確。采用層析成像技術(shù)作為速度模型優(yōu)化處理的主要手段，在橫向CRP道集之上逐層拾取剩余延遲差作為輸入數(shù)據(jù)，以CRP道集是否校平為判別標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮層位深度和層速度兩個(gè)參數(shù)，對(duì)深度模型進(jìn)行微調(diào)的手段。需要注意的是，層析成像法是在求取局部最優(yōu)解的基礎(chǔ)之上的，如果初始深度模型構(gòu)建的不合理，迭代的結(jié)果將會(huì)求取一個(gè)局部最優(yōu)解，即使CRP道集完全較平，層位模型仍有可能背離地下的真實(shí)情況。

圖6　深度域速度更新前后剖面圖 Fig.6　Depth-domain velocity profile before and after the update

圖6為經(jīng)過(guò)上述2步速度分析前后，得到的更新前后深度域速度模型對(duì)比，左側(cè)為初始速度模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在速度突變現(xiàn)象；經(jīng)層析成像速度優(yōu)化，變?yōu)橛覀?cè)所示最終速度模型，速度縱橫向變化自然，成層性好，構(gòu)造符合一般地質(zhì)規(guī)律，其三維空間展布如圖7所示。

圖7　疊前深度偏移三維速度模型 Fig.7　3D pre-stack depth migration velocity model

3.2.5偏移孔徑的選擇

在疊前深度偏移處理中，偏移孔徑的選擇也很重要，一般成像目標(biāo)越深，傾角越大，偏移孔徑就越大。偏移孔徑取得過(guò)小，小傾角構(gòu)造成像效果好，信噪比較高，但陡傾角構(gòu)造成像效果較差；偏移孔徑過(guò)大，陡傾角構(gòu)造成像效果較好，但同相軸的連續(xù)性變差，分辨率和信噪比降低，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間。在實(shí)際處理中，需要根據(jù)資料先計(jì)算構(gòu)造傾角，再利用理論公式計(jì)算偏移孔徑理論值，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，確定實(shí)際偏移孔徑。偏移孔徑的理論公式為

(2)

式中vrms為RMS(均方根)速度；t為雙程旅行時(shí)；θ為地層傾角。

3.2.6處理解釋一體化

通常地震勘探中處理和解釋是相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分，然而在本地區(qū)，因?yàn)榈叵虑闆r復(fù)雜，地下波場(chǎng)復(fù)雜，單純靠處理人員，可能會(huì)誤入到一個(gè)局部最優(yōu)化的假象中，導(dǎo)致最終的解釋失敗。因此在實(shí)際研究中，解釋人員根據(jù)井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)背景提供層位解釋，參與速度模型的建立，使得初始模型盡可能接近地下真實(shí)構(gòu)造，減少了迭代次數(shù)，對(duì)層位和地層速度不斷迭代更新，從而最大可能的保證偏移結(jié)果的正確性。

3.3實(shí)際處理效果

通過(guò)上述處理手段和方法，最終獲得了研究區(qū)疊前深度域處理成果。同常規(guī)疊后時(shí)間偏移、疊前時(shí)間偏移相比較(圖8)，3種偏移方法對(duì)于淺層近水平地層成像差別很小，但是對(duì)于巖漿侵入的區(qū)域，偏移成像效果有一定的差異：疊后偏移剖面(圖8(a))對(duì)地層隆起的部位地層整體成像較為混亂，接觸關(guān)系不清晰，數(shù)據(jù)難以解釋；疊前時(shí)間偏移(圖8(b))在巖漿侵入?yún)^(qū)背斜隆起的頂部能量歸位較好，與上覆地層接觸關(guān)系清晰，但對(duì)于深部地層仍無(wú)法取得較好的成像；疊前深度偏移剖面(圖8(c))對(duì)地層整體成像都有較大改善，隆起部位與上覆地層的接觸關(guān)系清楚，特別是對(duì)深部巖漿侵入?yún)^(qū)翼部陡傾地層歸位清楚，整體結(jié)構(gòu)清晰，成像質(zhì)量有較大的提高，為解釋人員準(zhǔn)確識(shí)別地下地質(zhì)構(gòu)造提供了高質(zhì)量的處理成果。

圖8　剖面對(duì)比 Fig.8　Sections comparison (a) 疊后時(shí)間偏移　(b) 疊前時(shí)間偏移　(c) 疊前深度偏移

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)煤田巖漿巖侵入?yún)^(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)的疊前深度偏移研究得出以下幾點(diǎn)結(jié)論

1)疊前深度偏移對(duì)巖漿侵入地區(qū)導(dǎo)致的復(fù)雜構(gòu)造的整體成像和局部地層成像精度都有一定的提高；

2)在觀測(cè)系統(tǒng)不規(guī)則的地區(qū)，適當(dāng)改變觀測(cè)系統(tǒng)權(quán)重對(duì)偏移效果有一定的改善；

3)在疊前深度偏移過(guò)程中，速度準(zhǔn)確求取和建模是整個(gè)成像的核心。需要在處理解釋一體化的思想指導(dǎo)下，結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井和鉆井資料，按照疊后時(shí)間域、疊前時(shí)間域以及疊前深度域的速度迭代求取和建模步驟，才能取得正確的結(jié)果。

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