煤矿采区三维地震叠前时间偏移处理技术研究.doc

0引言 随着煤田勘探工作的不断深入,煤田地震勘探也逐步由东部平原区转向西部戈壁、沙漠、山地勘探,勘探目标也由简单构造向复杂构造、陡倾角、逆掩推覆构造及岩性勘探方向转移。这些变化对煤矿采区三维地震勘探技术提出了许多新的挑战,出现了很多新的技术问题,例如“山区静校正技术、陡倾角区偏移成像技术、复杂构造情况下的成像技术”等等,常规的处理手段特别是偏移方法已不能很好的解决这些实际问题。 目前,解决陡倾角复杂构造成像问题的有效方法是叠前时间偏移及叠前深度偏移技术,从理论上讲叠前深度偏移技术是解决复杂构造成像最有效的 方法,但由于方法本身的制约因素较多,特别是对于速度场的精度要求过高,处理周期长、处理成本及处理硬件的要求高,再加上煤田三维地震勘探的自身特点,叠前深度偏移技术在煤田勘探领域未能得到很好的推广。与叠前深度偏移相比,叠前时间偏移容易实现、计算成本低、效率高,对偏移速度场的要求较深度偏移低,能够适应各种观测系统,对输入数据没有特殊要求,处理方式方便灵活,在构造复杂、速度横向变化不大的情况下有较好的成像效果。因此,叠前时间偏移技术在近年来得到迅速发展,并在煤田三维地震勘探领域得到了很好的应用,现已逐步发展成为煤田三维地震资料处理中一项常规处理技术。 本文结合以往煤田三维地震勘探工程实例,从叠前偏移技术的理论基础、实现方法、主要优点、关键技术及使用条件进行了分析,通过工程应用效果对比得出叠前偏移技术是目前煤矿复杂地质条件下值得推广的一项处理技术。 基金项目煤炭科学研究总院西安研究院技术创新基金项目 2010XAYCY011资助。 作者简介李刚1978,男,陕西凤翔人,工程师,硕士研究生,从 事煤矿采区三维地震地震勘探应用技术研究。 收稿日期2010-05-12责任编辑孙常长 煤矿采区三维地震叠前时间偏移处理技术研究 李刚 煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安710054 摘要依据Kirchhoff 积分法叠前时间偏移处技术的基本原理,探讨了该技术的实现方法及技术特点,并对其叠前去噪、振幅补偿、反褶积、多次波衰减、均方根速度场求取与优化、偏移孔径选取等关键技术的使用条件进行了系统分析。通过实际资料处理结果对比可知,Kirchhoff 积分法叠前时间偏移比叠后时间偏移处理结果包含的地震信息更加丰富,复杂构造区成像更好,断层及断点空间位置更准确。应用效果表明,在地层横向速度变化不大的情况下,三维地震叠前偏移技术是解决煤矿采区陡倾角复杂构造成像问题的有效方法。关键词煤矿采区;三维地震;叠前时间偏移;复杂构造;陡倾角中图分类号P631.4 文献标识码A A Study on Coalmine Winning District 3D Seismic Prestack Time Migration Processing Technology Li Gang Xian Branch,China Coal Research Institute,Xian,Shaanxi 710054 AbstractBased on basic principle of the Kirchhoff integral prestack time migration processing technology,discussed realization way and technical characteristics of the technology and systematically analyzed operating conditions of key technologies including prestack denoising,amplitude compensation,deconvolution,multiple wave attenuation,root-mean-square velocity field extraction,optimization and aperture selection etc.Through actual data processed results comparison can see,seismic ination in prestack time migration processed result is more abundant than that of poststack time migration processed result,better imaging in complicated structure areas,more accurate fault spatial locations.The application effects have demonstrated that,in condition of strata transverse velocity variation is moderate,the 3D seismic prestack time migration technology is an effective to solve coalmine winning district steep dip angle complicated structure imaging issue. Keywordscoalmine winning district;3D seismic prospecting;prestack time migration;complicated structure;steep dip angle 中国煤炭地质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol.23No.01Jan .2010 第23卷1期2011年1月 文章编号1674-1803201101-0043-04 doi 10.3969/j.issn.1674-1803.2011.01.10 第23卷 中国煤炭地质 1叠前时间偏移的理论基础 当地层几何形状比较复杂,速度横向变化大时, 应用常规的叠后时间偏移技术难以得到理想的成像 效果,而叠前时间偏移处理技术是利用叠前道集及 均方根速度场,故能够将各个地震数据道偏移到真 实的反射点位置,形成共反射点道集,在此基础上再 进行叠加,可提高偏移成像精度;此外,叠前时间偏 移方法的迭代过程也能使最终得到的速度场精度与 振幅保真度优于叠后时间偏移,这样不仅有利于进 一步提高构造解释精度,而且可确保叠前属性提取 与叠后地震数据反演结果的真实可靠。叠前时间偏 移虽然仍无法从根本上解决地下构造成像问题成 像点与绕射点的偏移,但它基于绕射叠加或者 Claerbout反射成像原则,是一种射线成像DMO是 法向射线成像,适用于υz介质和横向速度中等 变化的介质,且对偏移速度场不敏感,从理论上取消 了输入数据为零炮检距的假设,避免了正常时差校 正NMO后的共中心点CMP道集叠加所产生的 畸变,比叠后时间偏移保存了更多的叠前地震信息; 叠前偏移后的叠加是共反射点的叠加,依据的模型 是任意的非水平层状介质,因此叠前偏移的图像比 叠后偏移在空间位置上更准确。 2叠前时间偏移的实现方法 虽然实现叠前时间偏移的方法很多,但在实际 资料处理中,常用方法主要还是Kirchhoff积分法。 Kirchhoff积分法偏移的基础是应用波动方程的 Kirchhoff分解来解决反射层的偏移问题。一般情况 下,它不受反射界面倾角的影响,是当前应用较广的 一种偏移方法。 众所周知,当介质为均匀、各向同性且完全弹性 时,纵波波动方程为 坠2u 坠x2坠2u 坠y2 坠2u 坠z2 1 υ2 坠2u 坠t2 , 它的Kirchhoff积分解的形式为 ux,y,z,t1 2π乙 A0乙 ux0,y0,z0,t0坠 坠z0δt-t0-r/υ r r r r r d x d y, 式中,ux,y,z,t为波场函数值,v为波的传播速度, A0为地面观测平面,ux0,y0,z0,t0为波场地面观测值,δt-t0为在tt0时震源激发形成的δ脉冲函数,r 为波传播的距离,t0是波从地下点x,y,z到达地面x0,y0,z0沿射线路径的传播时间。对于叠前时间偏移,要同时将炮点和检波点向下延拓。采用Berryhill 波场延拓的求和公式 ux,y,z,t1 π ∑βz r F*ux0,y0,z0,tt0, 式中,β是加权因子;F是滤波因子。做叠前时间偏移时,有z0,所以叠前时间偏移的计算公式可以写成 ux,t1 π ∑βSβGτ2 t S t G F S*F G*ux0,0,t St G, 式中S为炮点,G为接收点,τ是时间深度坐标,地面τ0,t St G是信号从震源经反射点回到接收点的旅行时。 3叠前时间偏移的理论特色 从Kirchhoff积分法叠前偏移成像处理技术与常规的叠后处理相比不难得出,三维地震叠前时间偏移具有以下三大理论特色 ①解决了原共中心点CMP道集中大倾角反射点的分散问题,对改进复杂构造偏移成像效果明显。 ②对偏移速度的正确性有了定量的判别准则共反射点CRP道集拉平准则。 ③在速度方面,直接求取均方根RMS速度,提高了速度场和最终构造成图的精度。 ④在处理过程中,回避了双曲线假设和自激自收的假设,最大限度还原了地震波的真实传播路径,提高了资料处理的精度。 4叠前时间偏移的主要优点 ①三维叠前时间偏移技术对与解决陡倾角情况下地震成像问题具有良好的效果。 ②三维叠前时间偏移是叠前全偏移,具有振幅保持特性好,各向异性适应好的特点。 ③三维叠前时间偏移得出的三维成像数据体,可作为三维零偏移距振幅反演的输入,来估算地下介质的波阻抗模型。 ④三维叠前时间偏移的CRP道集可以用来进行叠前振幅反演,得出振幅随偏移距的变化AVO属性; ⑤三维叠前时间偏移所得到的三维均方根速度场,通过Dix变换能够转换为层速度场来指导时深转换。 5叠前时间偏移的关键技术 5.1叠前预处理技术 ①叠前多域去噪技术。针对面波,采用时频域压制面波的手段来压制低频面波的干扰;针对斜干扰,在τ-p域进行压制,提高中深层资料的信噪比;对随机能量干扰、野值,应用区域异常能量压制处理技术,采用多道识别、单道处理的策略,对地震资料进 44 1期 行逐时窗分析、分频对记录的振幅进行综合统计,以加权中值为识别参量,识别出噪声在进行处理。 ②能量补偿与调整技术。为了消除波前能量随着地震波传播距离增加而衰减的差异。通过球面几何补偿方法,在时间域对中深层能量进行补偿。同时利用地表一致性振幅补偿方法,消除由于地表激发和接收条件不同造成的反射波振幅纵、横向能量的差异,从而达到地表一致性的振幅均衡。 ③多次波衰减技术。针对资料采集过程中所产生的多次波问题,在资料采集过程中通过拉大检波器组合间距的方式进行多次波压制。处理过程中前期主要采取叠加法、速度区分法、反褶积法进行多次波衰减,对于深层残存的多次波,采用f-k域滤波进行去除。 ④反褶积技术。采用地表一致性反褶积和反Q 滤波以及预测反褶积方法的串联组合,提高分辨率和抗干扰能力,达到了分辨率和信噪比的和谐统一,获取了较好的处理效果。 5.2速度场的求取及优化 5.2.1叠前偏移速度场的求取 叠前偏移成像的精度主要依赖于速度分析精度及速度模型的正确性。叠前偏移的速度建模,以 DMO速度为初试速度,通过不同百分比速度扫描多次迭代技术和交互速度分析建模技术,以层速度模型符合地质规律、CRP道集拉平、偏移结果与测井资料吻合为基准图1,按照处理解释一体化思路,对速度模型进行了严格的质量控制,建立准确的速度模型。 5.2.2叠前偏移速度成的优化 在建立相应速度场以后,为了求取更为准确的速度场,一般采取以下几项优化措施 ①通过叠前噪音压制与剩余静校正、DMO改善速度谱质量; ②加密速度分析空间网格10m10m,增加速度分析时间方向的拾取密度,来建立较理想的速度模型; ③常、变速扫描结合道集与速度谱,准确拾取速度; ④精细偏移速度模型修正一般需要23次迭代调整,确保速度拾取精度等。通过上述优化及相应的质量监控措施可以得到较为准确的速度场图2。5.3关键参数选择 偏移孔径是叠前偏移中的一个重要参数,若偏移孔径过小,偏移剖面将损失陡倾角同相轴,改变振幅的强弱关系,把噪音特别是深层噪音偏移成假的水平同相轴;偏移孔径过大,又会增加计算量,增加成本,更重要的是会降低低信噪比资料的偏移质量。资料处理过程中,偏移孔径首先根据理论公式 R1 4 υ2t21 2 tanθ 姨, tanθD ipυc/2000X, 式中R为偏移半径,θ为地层倾角,X为最大炮间距。估算在此基础上,开展孔径偏移试验。一般在浅层实际使用的孔径要比理论值大一些,这样可获得陡倾角的同相轴成像;在深层实际使用的孔径要比理论值小一点,避免偏移孔径过大时深部的噪音影响到浅层成像。 6叠前偏移技术的适用条件 叠前时间偏移处理技术在速度场横向变化幅度不大条件下,对于陡倾角、复杂构造区的三维地震成像技术具有良好的效果,因此,叠前时间偏移技术既有优势,也有局限,在实际应用中应注意其应用条件,以便更好地发挥这项技术的优势。 6.1数据的要求 叠前时间偏移是在叠前道集上实现地震数据的偏移成像,因此对原始地震数据要求较高。有些要求虽然可以通过处理手段得到部分满足,但归根结 图1叠前CRP道集 Figure1Prestack CRP gathers 图2叠前偏移的速度场 Figure2Prestack migration velocity field 李刚煤矿采区三维地震叠前时间偏移处理技术研究45 图3叠前偏移处理效果图 Figure 3Prestack migration processed results chart 底,叠前偏移对数据的要求主要应该在采集过程中就得到保障。 6.1.1一定的信噪比 一定的信噪比是做好叠前时间偏移处理的基础。在原始资料信噪比较低的情况下,往往难以收到预期效果,甚至会出现叠前时间偏移处理效果不如叠后时间偏移的情况。虽然目前叠前去噪技术比较成熟,能有效地消除或压制多种噪声的大部分能量,但在去噪的同时,或多或少会对信号能量和波形特征造成损害,如果去噪过重,损害会更大。因此,在地震资料采集过程中,应在保证一定覆盖次数的基础上,尽可能地通过优化激发因素、提高激发耦合效率来增加震源下传能量,并通过有效的震检组合技术来压制规则干扰,提高原始地震资料的信噪比。 6.1.2均匀的面元属性 叠前时间偏移将共中心点CDP道集映射为共反射点CRP道集,因此要求地震数据具有均匀的面元属性,即目的层的有效覆盖次数均匀、炮检距分布均匀、方位角分布均匀。从数学角度而言,只有在面元属性均匀的情况下,才能保证映射的可靠性和精确度,并且均匀的面元属性也有利于提高偏移速度的求取精度。虽然面元属性均化技术可以在一定程度上弥补数据不规则的不足,但毕竟效果有限,而且一般都会损害分辨率,因此应在采集时尽可能地通过优化观测系统设计的办法来达到面元属性均匀的目的。 6.1.3较小方形面元 较小面元意味着较密集的空间采样,这有利于提高偏移能量聚焦程度。方形面元更符合三维勘探原理,更有利于解决复杂断块的成像。 6.1.4足够的最大炮检距 最大炮检距过小,难以保证偏移速度模型求取的精度。最好根据模型正演来确定有效绕射能量的最大炮检距分布范围,在采集设计中予以保证。 6.2软硬件要求 叠前时间偏移运算量巨大,如某地震数据体满覆盖面积3km 2、覆盖次数24次、采样间隔1ms 、记录长度1.5s 、成像输出面元5m 10m ,用主频为 2.4GHz 的计算机进行偏移处理,叠后时间偏移只需1个CPU 工作 3.2h 即可完成,而叠前时间偏移用12个CPU 的微机集群需要25.3h 才能完成,所需机时是叠后时间偏移的9 4.87倍。因此,叠前时间偏移 处理除要求软件系统具有便利的偏移速度交互分析功能、大容量数据处理能力、高速并行处理能力、充分利用内存资源能力、实时作业监控功能等外,还要求硬件价格便宜、计算速度快且效率高、采用分布式 并行运算系统以及可支持并行机软件和硬件外设等,目前微机集群具有这些优点,成为叠前时间偏移处理的首选机型。 6.3处理过程的监控要求 作为一项数据处理技术,毫无疑问,叠前时间偏移处理技术可以应用于任何条件下的地震数据处理,不过,忽视了地质、地球物理条件的应用,容易形成误导,最终导致勘探的失误。所以在资料的处理过程中,处理人员必须时刻牢记所要寻找的地质目标、所要完成的地质任务,通过严格的质量监控,做到“地震解释与资料处理同步进行”,在认清层位的情况下进行有针对性的处理,这样才能够有的放矢,建立合理的流程,选择合适的参数,进而取得良好的处理效果。 7应用效果分析 2009年我们承担了西部某矿区的三维地震勘探工作,该区具有地层倾角大3850、煤层层数多可采煤层5层、煤层厚度及间距变化大煤层厚度从30m 到0.8m 不等,主采煤层的间距从60m 到130m 不等、地质构造复杂多变正断层和逆断层发 育,断层密度大,以逆断层分布为主,区内最大的逆断层F 16断层落差400m ,上下两盘穿插约350m 等难点,采用常规叠后偏移处理技术很难取得较好的勘探效果,采用叠前时间偏移处理以后,每层反射波的品质得到了明显的提高。 图3和图4分别是常规叠后偏移效果图和叠前 偏移处理效果图,通过对比可以看出,叠前时间偏移剖面,不论从目的层的连续性还是煤层露头位置及煤层与新生界底界面的不整合关系来说,叠前偏移剖面较叠后偏移剖面都有明显的改善,特别是对于煤层间距的变化情况反映明显,反射波波组关系清晰图中黑色圆圈内部。 下转第54页 由此可见,对于构造复杂区,三维地震叠前时间偏移能够取得良好的效果。 8结论 通过对于三维地震叠前时间偏移技术的理论基础、实践方法、应用条件及关键技术等方面知识的系统研究,结合相关应用效果分析不难看出,在煤矿采区,针对复杂构造地区和陡倾角地区,在做好精细预处理、准确求取速度场及选取合理处理参数的基础上,应用叠前时间偏移技术,可以准确解释断层位置和断块之间的关系,提高勘探精度,解决叠后时间偏移在复杂地区成像质量不高的问题。三维地震叠前偏移技术在今后我国煤矿采区三维地震勘探过程中有着很好的应用前景。 参考文献 [1]李庆忠,张进.岩性油气田勘探河道砂储集层的研究方法[M].山东青岛中国海洋大学出版社,2006. 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