山区页岩气反射地震勘探数据处理技术应用研究

陈耀，喻兵良

（安徽省勘查技术院， 安徽合肥 230031）

0 引言

页岩气是从富含有机质的暗色泥页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气主要分布在沉积盆地内厚度大、分布广的页岩烃源岩地层中，其形成和富集有自身独特的特点。我国虽然蕴藏着丰富的页岩气资源，但页岩气的勘探开发还处于早期阶段。随着国民经济的快速增长，工业生产和居民生活对天然气的需求越来越大，常规油气资源的供应已日益紧缺，由此推动我国页岩气产业在近几年得到了快速发展。

在常规油气勘探过程中，地球物理方法是最经济、最有效的勘探手段。其中的地震勘探方法由于其勘探深度大、分层精度高和地震属性参数丰富而受到地球物理工作者的广泛青睐。页岩层中含气量越高，其速度和密度就越低，页岩层相对围岩具有较低的波阻抗，在地震剖面上表现为断续—弱振幅反射[1]。基于这样的深部地震地质条件，地震勘探法在查明含气页岩的埋深、厚度和构造方面同样有其独特的优势，不仅如此，地震资料中还携带有丰富的地震属性，地质解释人员可以利用这些资料来优选、分析和提取页岩气敏感属性，对页岩气“甜点”进行预测。因此，在页岩气勘探与开发过程中，地震勘探起着不可替代的重要作用。但是，我国在利用地震方法对页岩气勘探方面尚处在起步阶段，在地震勘探方法技术特别是地震资料的处理和解释方面研究及实际应用还没有形成成熟的技术[2]。基于此，本文以浙西某页岩气二维地震勘探项目为例，对山区页岩气地震勘探数据处理若干技术问题进行了深入研究，取得了较好的地震成像剖面，为下一步地质研究提供了基础资料。

1 原始地震资料特点

测区出露地层以侏罗系为主，岩性主要有凝灰岩、花岗岩、砂岩、泥岩、硅质页岩及灰岩，少部分地区有黄土砾石沉积，河滩两边有河滩砾石沉积，激发接收条件较差。但目标层位为志留—震旦系页岩，两者之间存在较长的沉积间断，其不整合接触面能形成较好的反射界面，在古生界及元古界内部不同岩性界面（如砂岩、泥岩、页岩与灰岩之间）存在一定的波阻抗差异，能产生较好的反射。

野外数据采集主要参数为：道距20m、炮距60m、排列道数480道、覆盖次数80次、最小炮检距10m、最大炮检距4790m、记录长度6s、采样间隔1ms。

由于测区地表起伏剧烈，沟深坡陡，表层岩性变化大，因此地震数据存在较大静校正问题和能量、频率差异问题。由于目的层埋藏深，深部反射波信号能量相对较弱。测区内人文干扰源多，背景干扰大，造成部分原始资料信噪比偏低。

2 关键的处理技术

2.1 复杂地表条件下静校正技术

在高陡山区采集的地震资料，不可避免地存在严重的静校正问题。如果静校正问题解决不好，将会影响资料后续处理中的干扰波压制、速度分析等效果以及成像剖面的构造形态，导致错误的解释结果。静校正是本次浙西页岩气地震资料处理中最难解决的问题，原因是近地表低降速带厚度变化大，部分地区山体老地层直接出露，另外地形变化大，地表高差大，地形条件复杂，也是造成本次资料静校正处理难度大的主要原因。在山区地震资料处理中，静校正处理是消除地表高程起伏、地表不规则影响及地下低速带引起地下界面产生的反射波时移变化的必要手段。对于静校正问题严重的地震资料，往往需要采用联合静校正方式来解决问题，即采用野外一次静校正解决低频静校正量和大数值的高频分量，采用剩余静校正方法解决残余的高频静校正量。

野外一次静校正方法比较多，早期的资料处理主要采用野外施工期间获取的小折射或微测井资料来解决低速层带来的静校正量，用高程静校正将物理点从浮动基准面校正到固定基准面。这些方法虽然具有单点测量精度高的优点，但对于山区资料来说，由于观测点较少，内插精度低，不能较好地解决非测点的静校正量，因此只能提供静校正的低频趋势和宏观模型[3]。随着处理技术的提高，静校正技术也在快速发展，目前应用最广泛的静校正量解决方法主要是折射静校正和层析静校正方法。

折射静校正和层析静校正都是基于初至波走时信息来计算静校正量的，两种方法都需要炮集记录有清晰且足够多的初至波信息。层析静校正适用复杂地区静校正问题，它对初至波没有要求，既可以是折射波，也可以是绕射波、反射波，因此它的适用范围更广。折射静校正对浅部模型要求比较苛刻，即低速层下有一连续的折射界面，且需要人为提供低速层速度，初至波必须是折射波，所以适用范围较窄。但当浅地表模型符合折射静校正所需条件时，折射静校正效果往往要好于层析静校正。本工区地表虽然起伏大，但资料初至波基本都是高速顶界面产生的折射波，相对比较简单，通过测试两种静校正方法，从单炮和叠加剖面对比效果分析，折射静校正效果优于层析静校正方法。图1所示，折射静校正处理后，单炮记录上由于地形和低速层引起的同相轴错动现象基本消除，叠加剖面的信噪比和同相轴的连续性都得到明显改善。

图1 折射静校正前后效果对比（左上:静校正前单炮；右上:静校正后单炮；左下：静校正前叠加剖面；右下：静校正后叠加剖面）Figure 1. Effect comparison before and after refraction static corrections（top left: single gun before static correction, top right: single gun after static correction, lower left: stack profile before static correction, lower right: stack profile after static correction）

2.2 低信噪比资料综合去噪技术

由于浙西地区页岩层埋藏深，含气页岩与围岩之间的波阻抗差异小，反射信号弱，怎样压制各种噪音，突出反射信息，是地震勘探必须面对的重要问题。虽然在数据采集阶段采取了诸如组合检波器、多次覆盖观测系统等旨在提高信噪比的措施，但这些措施对压制规则干扰的作用是有限的。要切实提高叠后资料信噪比，必须在资料的叠前处理阶段，分析有效反射信号和干扰信号的地震属性和波场特征，采取相应的措施把各种干扰波分离出来并进行压制和衰减。

图2 去噪前（左）后（右）叠加剖面对比Figure 2. Stacked profile comparison before（left）and after（right） denoising

图3 反褶积处理前（左）后（右）单炮及其频谱对比Figure 3. Comparison of single gun and its spectrum before（left） and after（right）deconvolution treatment

叠前去噪主要是压制包括面波、声波和折射多次波等线性干扰波。每一种线性干扰波都有其与有效反射波相异的物性特点，如传播速度、频率、衰减特征等。去噪过程中，根据这些特点，分别采取相应的手段来压制这些噪音。比如面波具有低频低速的特点，可以采用高通滤波和f-k 滤波相结合的方法来压制。比如声波具有振幅强、频率高、振幅衰减快和速度恒定的特点，采用分频去噪、线性噪声压制或强振幅自动识别等方法对声波压制都有较好的效果。当然，由于地震地质条件的多变性，各种干扰波也变得复杂起来，往往有多种噪声叠合在一起，而且相干噪音的许多参数与反射波相差不多，不能简单的利用这些参数来压制干扰波。要压制单炮记录上的噪声，不是使用一个方法和模块就能解决问题，需要使用多种方法和多种模块组合，在去噪的过程中，合理地安排先后顺序，采取多域（炮域、检波点域、偏移距域和t-x域、f-k域、τ-ρ域等等）、分时、分频、分类别和分区域有针对性的采用多种方法组合去噪，保护和突出各种频率的有效信号。图2是去噪前后的部分叠加剖面对比，去噪之后，低频背景和倾斜噪音得到明显的压制，突出了有效反射信号，提高了信噪比。

2.3 地震信号一致性处理技术

地震波在地下介质的传播过程中，由于受地震波本身的球面扩散以及地层吸收衰减和地表条件复杂多变的影响，振幅、频率和相位都在发生变化。比如地震波在通过低速地层时高频能量吸收严重；地表地质条件的变化导致地震子波横向上不一致；由于激发和接收因素的影响使得原始资料能量在横向上存在差异；由于地层对地震波的吸收以及地震波的透射损失使得来自中深部页岩层系的地震反射波振幅微弱等等。这些与反射系数无关的能量和频率变化，在资料处理时如不得到合理的恢复和补偿，会对含气地层和构造解释带来困惑。

为了解决上述问题，首先应用球面扩散补偿技术和弹性衰减补偿技术对来自中深部的反射波能量从纵向上进行合理恢复。其次，采用地表一致性振幅补偿技术对炮点、检波点振幅进行补偿，消除由激发、接收因素引起的横向能量差异，使横向能量均衡，从而使工区资料能量在纵横向上达到协调一致。另外，为了弥补高频信号的损失，扩展频带宽度，提高资料纵向分辨率，采用了地表一致性反褶积和多道预测反褶积串联使用的方法。应用地表一致性反褶积抗干扰能力强，调整子波振幅的优势，消除地表差异对地震子波的影响。应用多道预测反褶积对子波的压缩能力强的特点，压缩子波，扩展频宽（图3），改善波组特征[4]。消除不同区块间或不同单炮间的子波及相位的影响，尽量保证处理中整个数据体的子波一致。

2.4 偏移成像处理技术

下寒武统荷塘组是本区主要页岩气勘探目标层，该套地层起伏较大，部分地区产状陡峭，断裂构造发育，构造变形剧烈。当地下界面存在角度时，CMP 叠加成像位置与实际反射点位置会有不同程度的移动，在断点处会产生绕射波，断面位置不准确，向斜产生回转波等。为了使反射点回归到正确位置上去，必须做好偏移成像工作。

以数据叠加为节点，可以将偏移成像分为叠后偏移和叠前偏移。叠后偏移是建立在地下介质是水平均匀层状介质、地层横向速度连续变化、地震波是最短直射线路径的前提之下。由于本区地下构造复杂、横向速度变化大，共中心点道集中的反射波旅行时已不再是双曲线形式，共中心点叠加的结果也不完全等价于自激自收的零炮检距剖面，叠后偏移已不能使地下构造正确成像。

图4 叠加剖面（左）和叠前时间偏移剖面（右）对比Figure 4. Comparison of the stack profile（left）and the prestack time migration profile（right）

叠前偏移依据的模型是任意的非水平层状介质，因此，叠前偏移资料比叠后偏移在空间位置上更准确。叠前偏移有叠前时间偏移和叠前深度偏移两种方法。叠前深度偏移适合复杂构造偏移归位，但它需要高信噪比资料作为基础，否则得不到好的成像效果，甚至会出现错误的结果。在地层倾角较大但横向速度变化不剧烈的情况下,叠前时间偏移能够把存在于每一记录道中的反射波能量转移到它真实的地下位置处[5]。虽然叠前时间偏移对资料信噪比也有要求，但不像深度偏移那样苛刻，含气页岩层虽然横向起伏大，但横向速度变化不是十分剧烈， 叠前时间偏移能够取得较好的成像效果（图4）。

叠前时间偏移的关键参数其一是偏移速度场。偏移速度场是在资料常规处理阶段建立的初始速度模型的基础上，通过叠前时间偏移与速度分析反复迭代的方法来优化得到的均方根速度场，它能够最大限度的逼近地下介质的速度，从而使CRP 道集全部拉平。叠前时间偏移另一个关键参数是偏移孔径，偏移孔径是用于积分计算的区间，是影响叠前时间偏移效果的重要参数。过大的偏移孔径不仅增加计算工作量，而且引进了偏移噪音，降低信噪比，影响到偏移结果的质量；而偏移孔径过小，则陡倾角地层反射得不到充分成像。根据本区的构造特点测试了1000m、3000m、5000m、7000m、9000m 等参数，综合考虑偏移剖面的波组特征和信噪比等诸多因素，最终选定了偏移孔径采用5000m。叠前时间偏移的其他参数，比如偏移角度、反假频系数等对偏移成像效果都有较大的影响，需要根据各自的规律通过测试进行选择。

3 效果分析

本区炮集记录初至波为浅层折射波，能量较强，一致性较好，采用初至波折射静校正方法很好地解决了由于地形和低速层带来的静校正问题，同相轴连续性得到很大改善。处理中注意了地表一致性振幅和子波的处理，既消除了由于表层因素造成的子波差异，又保持了地震反射固有的频率响应，在保持一定信噪比的前提下成像剖面的分辨率得到提高。采用叠前时间偏移方法对资料进行成像处理，保障了层位和构造的准确归位，处理结果真实地反映了该区地质结构和地下构造特征，为页岩气储层地震识别与综合评价技术提供基础。

4 结论

我国页岩气资源丰富，具有良好的勘探前景。目前我国页岩气勘探技术还处于实验研究和探索阶段，作为页岩气勘探最有效的地球物理方法，反射地震方法不仅能圈出页岩的规模与埋深，还可以评价页岩层储气能力。山区页岩气地震资料处理的重点须放在静校正、叠前去噪和偏移成像等关键处理步骤上，只有这样才能确保最终成像资料既能真实反映页岩气含气地层及构造形态，又有较高的纵横向分辨率，满足地层和构造内部细节描述和含气预测的需求。