南川地區溶洞及采空區地震資料針對性處理方法

孟慶利，任俊興，楊 帆

(中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院，江蘇 南京 210011)

南川地區位于四川盆地東南邊緣與云貴高原過渡地帶，地形較為復雜。區內煤礦采空區及灰巖溶洞分布比較廣泛，由于溶洞及采空區在表層地質中形成了一個范圍相當大的低速層，其激發和接收效果明顯變差，導致地震資料出現重低頻噪聲、有效信息能量極弱、信噪比極低等特征；同時野外采集階段為增加有效炮激發比例，會對溶洞及采空區位置進行變觀采集，采集的變觀造成了地震資料覆蓋次數、方位角及偏移距等面元屬性存在空間差異，在資料處理階段容易產生假頻，降低成像質量[1-3]。地震資料品質一直是制約這類區域構造精細解釋可靠性的關鍵因素，目前地震資料處理方法及流程均未根據溶洞及采空區資料的特殊性開展過針對性處理方法研究，無法保證該類區域地震資料成像精度，因此，探索灰巖溶洞及煤礦采空區地震資料的針對性處理方法，有效改善地震成像問題至關重要。

本文以南川地區溶洞及采空區為研究對象，利用地震正演模擬結合實際地震資料分析，建立一套以靜校正、弱信號恢復與補償、面元屬性規則化和深度域速度建模方法為關鍵技術的針對性處理流程。

1 區域地質概況及地震地質條件

1.1 區域地質概況

南川區塊主體位于武陵褶皺帶。該區經歷了多期構造運動，以加里東—海西期、印支期、燕山—喜馬拉雅山期構造作用影響最大。在加里東–海西期，構造活動方式以升降、拉張為主，區域上呈現隆坳相間的古構造格局，沉積特點表現為被動大陸邊緣穩定的旋回性坳陷沉積，發育海相碳酸鹽巖夾碎屑巖為主的沉積構造；印支期的大陸碰撞，由張性環境轉向擠壓，使四川盆地由被動大陸邊緣轉入前陸盆地沉積；晚燕山–喜馬拉雅期，川東南地區受SE—NW向強烈應力作用，在持續擠壓和走滑作用方式下，形成了背、向斜相間的“槽—擋”式構造特征，平面上呈“S”形或弧形的復式背、向斜褶皺(圖1)。

圖1 川東南地區構造地質簡圖Fig.1 A brief map of tectonic geology in southeast Sichuan Basin

1.2 地震地質條件

南川地區地表條件極其復雜，地表高差變化大，地表巖性以灰巖出露為主，呈條帶狀分布，灰巖地表占比約60%，局部存在大量的灰巖溶洞及煤鋁礦采空區，另外地表障礙物較多，干擾源類型多樣。該區構造作用具有遞進變形的特點，從盆內到盆外，構造變形強度逐漸變強，變形時間逐漸變早。受多期強構造改造作用，區內構造單元眾多、構造復雜、地層高陡、斷裂發育，導致地震反射波場復雜，資料信噪比低、連續性差，成像困難(圖2)。

圖2 南川地區典型三維地震解釋剖面Fig.2 Typical 3D seismic interpretation section in Nanchuan Area

2 技術方法及流程

2.1 溶洞及采空區地震資料特征分析

溶洞主要在二疊、三疊灰巖出露區比較發育，且在淺地表埋深深淺不一、分布范圍廣、往往與地表斷層及地表水滲流關聯，地震資料采集時雖然避開一些看得到的溶洞，但看不到的溶洞會給資料采集時造成較大影響。

煤礦采空區主要由二疊系灰巖出露的龍潭組含煤地層的中小煤礦開采導致的，具有連片性，分布范圍一般可以通過野外調查獲得。地震資料采集時由于變觀會造成該類區域地震資料近偏移距數據(或淺層)缺失等，為了彌補近偏移距數據往往還得在此區內尋找離散的非采空區點位進行激發，對本區的地震成像起到一定的彌補作用，但由于這些單炮穿過采空區的地震射線依然占主導作用，所以本區的地震成像效果欠佳。

灰巖溶洞區和煤礦采空區在地震資料采集和成像處理所面臨的問題是一樣的，為了敘述方便，本文以南川地區的煤礦采空區的正演模型和資料分析來說明此類區域的地震資料具有頻率低、能量低、信噪比低的“三低”特征。

2.1.1 正演模擬

針對煤礦采空區進行波動方程正演分析，根據南川地區的一條二維測線地層厚度及速度信息設計一地質模型，含有6 個沉積層和1 個異常體(采空區)，沉積層速度依次為3 800、4 600、4 800、4 400、4 800、5 000 m/s，異常體速度340 m/s，假設各層密度相等，得到的正演模型如圖3a 所示，然后在采空區上方及非采空區上方分別進行了模擬放炮(圖3)。

采空區對資料的影響是：當煤層被開采后，與相鄰地層之間的波阻抗差發生了突變，該層的反射波特征也會發生突變。根據反射原理，由于采空區相當于空氣，而空氣的波阻抗幾乎為零，因此，采空區的反射系數近似于1，這就會導致地震波無法向下傳播和向上傳播。從模擬的二維地震記錄可以看出，采空區對單炮記錄影響較大，從單炮上出現了資料盲區，目的層反射波組難以連續。

2.1.2 實際資料分析

從實際地震資料來看，位于采空區上方的地震單炮記錄表現為同相軸突然消失，不連續，低頻干擾嚴重，信噪比低，有效信號能量弱。主要原因是因為采空區對下傳能量和上傳能量都有屏蔽作用，導致了地下信息采集盲區，而且離采空區越近，影響也越大。這種位于采空區內的單炮影響資料的一致性，進而會影響疊前深度成像質量。圖4 為采空區上方典型單炮記錄，頻譜分析發現主頻在8 Hz 左右。

圖4 采空區位置單炮記錄及其頻譜Fig.4 Single shot records of goaf location and it’s spectrum

在實際資料處理過程中，將溶洞及采空區的資料剔除后進行疊加處理，與正常疊加進行對比，剔除之后的疊加剖面有些地方效果更好，也就是說這些單炮如果不做針對性的處理，反而會影響地震資料的成像效果。因此，需要采用專門的處理方法對溶洞及采空區資料進行針對性處理，來保證這一區域地震資料的成像效果。

2.2 溶洞及采空區單炮記錄統計方法

根據灰巖溶洞及煤礦采空區單炮低頻、低能量、低信噪比典型特征，對該區單炮記錄進行能量、頻率及信噪比屬性分析，通過設計門檻值進行統計，門檻值的設定最為關鍵，要結合野外施工的實際踏勘情況，確定煤礦采空區及溶洞區域的范圍，與該區域原始單炮記錄主頻和低頻信噪比(有效頻帶信號能量與低頻噪聲比值)屬性共同約束來確定門檻值，篩選出這些單炮記錄。在南川地區，認為主頻低于10 Hz，能量低于0.01，低頻信噪比低于1 的單炮記錄為采空區區域單炮，利用上述方法在南川地區統計出的灰巖溶洞及采空區單炮記錄占比達到10%。

2.3 微測井約束層析靜校正

與正常位置激發的原始單炮相比，采空區等特殊位置激發的地震單炮記錄頻率極低。地震初至波頻率的差異會導致這些位置拾取的初至時間與周圍正常初至時間存在時間差[4]，在近地表速度模型反演時，如果全部參與計算，就會降低速度模型精度，進而影響這些位置的靜校正效果。因此，在靜校正處理這一關鍵步驟，采空區等位置的重低頻單炮初至時間不能參與層析反演。

另外，如果重低頻單炮分布比較集中，那么一定要確保范圍內有可以控制近地表速度變化的微測井信息，利用有效的地震記錄初至時間和微測井信息約束進行近地表速度反演，求取的近地表速度模型精度會更高(圖5)。足夠的微測井信息一方面可以約束速度模型的趨勢，另一方面可以提高采集變觀造成的局部炮點缺失位置和工區邊界位置的近地表速度精度，使得這些區域求取的靜校正量更加準確。從剖面上看，采空區位置應用微測井約束層析靜校正后的地震波組更連續。

圖5 微測井約束前后近地表速度模型及疊加剖面Fig.5 Near surface model and stack section before and after static correction using micro log constrained tomography

2.4 弱信號提取與補償

灰巖溶洞及煤礦采空區單炮記錄中有效信息具有弱振幅、弱連續性等特點，這些信號容易在數據處理中隨干擾波一同被壓制，采用分頻噪聲壓制+奇異值分解(SVD)方法可以實現信噪分離并保護有效信號。具體的實施思路為：由于強低頻干擾是影響SVD 法效果關鍵因素，所以在應用奇異值分解法之前應注意把低頻強干擾去干凈。首先要進行噪聲頻帶分析，根據分析結果將噪聲優勢頻帶信息分離出來，然后對低頻噪聲進行壓制，將該部分頻帶的有效信息提取出來與有效頻帶信號進行重構。將低頻噪聲壓制后，在CMP 域應用奇異值分解方法對有效信號進行識別、提取。

SVD 方法利用的是有效信號具有相關性的特點，地震數據經SVD 分解后，會按結構特征和能量大小分解為若干個特征值，如果剔除環境噪聲的特征值，保留有效信號的特征值并進行重建，就可以提高資料的信噪比[5-7]，實現有效信號的提取。將弱信號識別提取后，再結合井資料及野外實測結果求取能量吸收衰減系數(改變傳統的利用速度曲線法)進行能量、頻率補償，最終可以提高弱信號的信噪比與連續性(圖6)。

圖6 針對性處理前后CMP 道集Fig.6 CMP gathers before and after targeted processing

2.5 疊前五維數據規則化

在野外采集階段為增加有效炮激發比率，會合理避開已知的溶洞及采空區位置進行變觀采集。采集的變觀造成了地震資料覆蓋次數、方位角及偏移距等面元屬性存在空間差異，在資料處理階段容易產生假頻、降低成像質量，為了改善成像質量，必須進行數據規則化處理。以往常用的規則化技術分為面元均化技術和加權補償技術，前一種優點是消除了面元覆蓋次數差異，面元內炮檢距分布均勻，但該方法修改原始地震道真實坐標，易導致偏移出現空間假頻；后一種利用求取和應用比例因子，消除面元能量差異，不改變原始覆蓋次數，但不能彌補缺失偏移距[8-10]。疊前五維數據規則化基于真實空間坐標，充分利用數據不同維度信息，重新定義觀測方式，彌補了采集客觀不足問題，改善面元屬性。該技術是基于反假頻傅里葉變換，適用于任意不規則觀測系統，適應假頻嚴重或構造復雜陡傾角數據。通過線域、點域、時間域、炮檢距域、方位角域五維空間的插值和重構實現數據規則化。具體實現過程為：①對數據進行離散傅里葉變換；② 選取最大能量的傅里葉譜成分；③將該傅里葉譜成分加入“估算譜”上；④ 對該傅里葉譜成分進行反傅里葉變換，并按照輸入位置輸出迭代結果；⑤ 從原始輸入數據中減去該次迭代結果，進行下一次迭代；⑥ 最后，對最終“估算譜”通過反傅里葉變換輸出到期望位置。

圖7 為五維規則化處理前后的偏移剖面對比，可以看到，疊前五維規則化處理技術的應用消除了由于面元屬性不均勻導致的偏移畫弧現象，改善了采空區下方目的層的成像效果。

2.6 基于構造約束的網格層析速度建模

溶洞及煤礦采空區地震資料具有頻率低、能量低、信噪比低的“三低”特征，再加上該區地下構造非常復雜，導致依靠常規的速度能量譜無法建立準確的偏移速度模型。基于構造約束的網格層析方法采用先進的層析反演算法結合解釋層位的約束，可以精細地刻畫速度的異常變化，從而對速度進行精細調整和約束，提高速度模型的精度。

1) 網格層析反演方法原理

地震層析反演速度分析就是利用層析反演技術對地震道集中存在剩余時差進行反演處理，進而得到速度模型更新量。基于射線理論的層析反演稱為射線層析，在給定初始慢度場的條件下，層析反演速度分析利用射線追蹤模擬地震波的傳播路徑并將共成像道集的剩余時差沿射線路徑進行更新，就可以得到慢度更新量和更新后的慢度場，完成速度模型的一次迭代更新[11-13]。

層析速度反演首先要有一個較好的初始速度模型，進而通過疊前深度偏移得到偏移道集和剖面，再對成像道集拾取剩余深度差，建立層析方程，最后通過射線追蹤利用迭代法求解離散的大型稀疏方程組，得到速度修正量，進而更新初始速度模型，進行新一輪迭代[14-17]。

2) 構造約束網格層析速度建模

常規網格層析速度建模技術只包括初始速度建模與模型的優化迭代和更新2 個過程，在求解層析方程的過程中多解性非常大，迭代收斂速度也較慢，對構造復雜部位或道集數據信噪比較低的區域難以求解正確的速度值[18-21]。構造約束網格層析速度建模是在構造解釋的基礎上，利用解釋層位對網格層析反演進行合理的約束，可以精確刻畫速度的變化，從而對速度進行精細調整和約束，提高復雜部位速度反演精度。構造約束網格層析速度建模技術包括構造建模、初始速度建模與網格層析速度優化迭代和更新三個過程。

圖8 為南川地區常規網格層析與構造約束網格層析建立的深度域偏移速度模型，可以看到采用構造約束后，在地層高陡位置和采空區低信噪比位置速度模型的精度進一步提高，更符合地質規律。

圖8 不同網格層析方法建立的偏移速度模型Fig.8 Velocity models established by different grid tomography

2.7 針對性處理流程

根據前面所述針對性處理方法，形成了溶洞及采空區位置提高地震資料品質的針對性處理流程(圖9)。

圖9 采空區地震資料針對性處理流程Fig.9 Flow of targeted processing of seismic data of goafs

3 應用效果

圖10 為南川地區煤礦采空區位置常規處理疊前深度偏移成像與針對性處理后疊前深度偏移成像效果和信噪比對比。可以看到在Inline 和Xline 兩個方向常規處理位于煤礦采空區地段的地震波組特征不清楚，連續性較差，經本文方法處理后的剖面，波組連續性得到明顯改善，信噪比提高且反射特征非常清晰，為后續精細構造解釋和頁巖氣水平井軌跡設計提供了高質量的地震資料。經過本區的鉆井資料驗證，針對性處理成果與已鉆井信息吻合較好，證明了本文所述的針對性處理方法可以有效提高溶洞及采空區位置成像精度。

圖10 常規與針對性處理偏移剖面及其信噪比對比Fig.10 The migrated migration section and signal-to-noise ratio by conventional processing and by targeted processing

4 結論

a.影響疊前地震成像精度的因素為地震資料的品質和偏移速度模型的精度兩方面。提高灰巖溶洞及煤礦采空區位置資料品質的關鍵是要解決好該區域的靜校正、信噪比和面元屬性規則化問題，在此基礎上采用構造約束網格層析速度建模技術精細刻畫速度模型，可以提高該區域的地震成像精度。

b.本文根據溶洞及采空區地震資料特點，提出的微測井約束層析靜校正、弱信號提取與補償、疊前五維數據規則化和構造約束網格層析速度建模方法，在南川地區取得了較好的應用效果，能夠有效提高該區的地震成像精度，可以在類似區域進行推廣應用。