OVT域疊前時間偏移在煤田高密度三維地震勘探中的應用

蔡文芮

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著智能化礦山建設速度的不斷加快，煤礦開采對地質勘探精度的要求越來越高，常規三維地震勘探已經難以滿足礦方對地質勘探精度的要求。隨著高性能計算機技術的迅速發展和超萬道地震儀的出現，以“兩寬一高”為特征的全數字高密度三維地震勘探技術已經逐漸成為煤礦采區取地質條件精細探測的主流技術。該方法最大的特點是小面元、高覆蓋次數、寬方位采集，其寬方位觀測系統采集了包含不同方位上的地下反射信息，增加了對地下地質體的照明度，能夠獲得比較完整的地下波場信息，有利于提高小構造的識別能力[1-2]。

為了挖掘高密度勘探寬方位信息，OVT域的疊前時間偏移成像逐漸發展起來。該方法通過將方位角信息引入到偏移成像中，能夠發揮高密度寬方位三維地震采集的優勢，提高復雜構造的成像精度，并為后期進行方位各向異性分析、裂縫預測提供了數據基礎。

目前，OVT技術在石油地震勘探領域中已經取得了初步成果[3-9]。黨青寧[10]等利用OVT域疊前偏移道集進行奧陶系碳酸鹽巖縫洞預測，夏亞良等[11]利用OVT域各向異性技術進行非花崗巖裂縫預測，段文勝等[12]利用OVT域疊前深度偏移，不僅明顯改善了碳酸鹽巖縫洞“串珠狀”反射的聚焦效果，而且奧陶系內幕弱反射的連續性也得到了提高。李飛等[13]提出OVT域的體去噪法來提高地震資料的信噪比。目前煤炭全數字高密度三維地震采集的工區越來越多，但對OVT技術的應用研究較少[14]，本次研究是以沁水煤田某區高密度寬方位三維地震采集資料為研究對象，針對區內小陷落柱、小斷層等構造驗證率較低的問題，開展OVT域疊前時間偏移的應用研究，對比分析經過五維規則化、OVT域疊前時間偏移、各向異性校正前后小陷落柱、小斷層等成像變化情況。

1 OVT基本原理

OVT是Offset Vector Tile的英文縮寫，即炮檢距向量片。是由Vermeer和Starr.J在1998年提出的[15-16]，是十字排列集的進一步細分。在正交觀測系統下，抽出其中1條炮線和檢波線組成1個“十”字交叉排列，并在“十”字排列中構建坐標系，以接收線和炮線交點為坐標原點O，檢波線方向為X軸，炮線方向為Y軸，沿炮線與檢波線方向進行等間隔劃分，并編上序號，使1個十字排列數據劃分為N個小的矩形區域，每一個小區域就是一個炮檢距向量片即OVT面元，而OVT面元所在坐標系中投影位置的序號即是它的坐標(圖1)。

圖1 正交觀測系統下OVT面元劃分Fig.1 OVT fragmentation method in orthogonal observation system

將全工區所有十字排列按照上述方法處理后，把相同編號的OVT面元提取出來合并在一起就構成了OVT道集，即炮檢距向量片，也可以稱為OVT片。在三維正交觀測系統，通過OVT面元的劃分，每個OVT道集在每1個CMP點上只有1次覆蓋，且OVT道集包含偏移距和方位角大致相同的地震道[16]。經過OVT道集劃分后，1個CMP點上OVT片分組如圖2所示。

圖2 OVT道集分組示意Fig.2 OVT trace set grouping diagram

OVT疊前時間偏移是以OVT面元劃分為基礎的成像處理流程的總稱，包括OVT面元劃分、OVT域五維插值、OVT域疊前時間偏移、方位時差校正等過程。其實現流程如圖3所示。

圖3 OVT疊前時間偏移實現流程Fig.3 Implementation process of OVT prestack time migration

2 OVT域疊前時間偏移實現過程

2.1 工區概況

研究區位于沁水煤田東北部，區內地表高差較大，煤層賦存平坦，但小陷落柱、小撓曲十分發育。區內地震地質條件良好，單炮信噪比較高。以往的常規地震勘探中，小陷落柱驗證率較低，尤其直徑30 m以下的小陷落柱常常得不到落實。為了進一步提高區內小陷落柱、小撓曲、小斷層等構造的成像精度，研究區引入設計面元為5 m×5 m，最高覆蓋次數149次，橫縱比接近0.65的全數字高密度三維地震，以此為基礎進行OVT疊前偏移處理的研究。

2.2 數據預處理

OVT疊前時間偏移前必須做好疊前數據的預處理。針對此次工區的特點重點采取針對性措施：①應用層析反演靜校正消除地形高差帶來的影響；②針對高密度三維地震數據低頻豐富、噪音重、信噪比低等特點，開展循序漸進的多域噪音壓制技術；③整個處理過程中不使用影響振幅相對關系的模塊，不使用區域濾波等直接損失低頻信號的處理模塊，做到預處理后數據的保真、寬頻、保幅。

OVT疊前時間偏移最關鍵的一步就是OVT面元的劃分，經過面元的劃分，將數據抽取到OVT域進行處理。理想的OVT(炮檢距向量片)道集是一個全區單次覆蓋體。在三維正交觀測系統中，為了保證每一個CMP面元上、不同OVT道集中只有一道，抽取OVT道集所定義的炮檢距在INLINE和CROSSLINE方向的范圍為是兩倍的炮線距和2倍的檢波線距(圖4)。

圖4 五維規則化前后OVT片覆蓋次數圖對比Fig.4 Comparison of OVT film coverage times before and after five-dimensional regularization

圖4(a)是數據經過OVT面元劃分后其中一個OVT片的覆蓋次數圖，可以看出，OVT道集中大多數CMP點的覆蓋次數為1，面元劃分參數比較合理，但是仍存在少量覆蓋次數突變的區域，這是由于變觀造成的覆蓋次數不均勻。

2.3 五維規則化

在三維地震數據采集中，工區不可避免地會遇到各種障礙物，施工中通常會采用在障礙物周邊加密炮點、加大偏移距、大排列接收等方法來使障礙物下覆蓋次數達到設計要求，但這種方法會帶來近偏移距數據缺失、淺層覆蓋次不足、炮檢點分布不均勻等問題。這種數據的空間采樣不均勻，使得偏移成像時引入強噪聲，淺部同相軸連續性變差。為了提高后續偏移成像效果，應當進行規則化處理來改善數據的空間采樣屬性。

五維規則化是一種OVT域的數據規則化。在OVT域道集內，每道數據具有相同的偏移距和方位角，相鄰道之間具有較好的相關性，更有利于規則化。該方法是將地震數據分選到OVT域，以炮線、檢波線、方位角、炮檢距、時間5個方向的傅里葉譜作為約束條件，定義缺失道的自然屬性，將所有的地震道全部重構，進而消除地震數據在覆蓋次數、炮檢距和方位角的突變，使其分布更加均勻，滿足OVT疊前時間偏移的要求，改善波動方程偏移效果。

五維規則化前后CMP道集對比如圖5所示。從圖5中可以看出，規則化后道集質量明顯提高，近偏移距及遠偏移距的能量得到了補償，道集能量更加均衡，淺層同相軸更加連續。缺失的道得到了較好的恢復，且恢復出來道的振幅和頻率與相鄰道都有較好的一致性。

圖5 五維規則化前后CMP道集對比Fig.5 CMP gather before or after 5D regulation

2.4 OVT域疊前時間偏移技術

實際的地下介質是各向異性的，當采集方位角較小的情況下，這種各向異性通常可以忽略。而高密度三維地震數據方位角的分布范圍一般較大，如果繼續忽略方位角的變化，會降低成像精度。因此，在處理過程中應當考慮地震波隨方位的變化。常規偏移是將所有地震道按炮檢距進行分組，在共偏移距的同心圓上對所有的地震道進行道積分，最終輸出一個加權結果，偏移后的數據丟失了與方位有關的信息。OVT域疊前時間偏移與常規偏移都采用克希霍夫積分法偏移法，但是偏移時數據分組方式不同。

OVT域疊前時間偏移是以炮檢距向量片(OVT)為單位，對每個OVT道集獨立偏移。由于每個OVT道集是有著特定的偏移距和方位角的單次覆蓋向量體，因此，偏移后保留了數據的方位角屬性，使偏移后的數據能夠反映出地震波隨方位角變化所產生的變化。常規疊前時間偏移與OVT疊前時間偏移后道集對比如圖6所示。圖6(a)為常規疊前時間偏移后的CRP道集，圖6(b)為OVT疊前時間偏移后的矢量道集，圖中藍色曲線表示偏移距，紅色曲線表示方位角，可以看出常規偏移后丟失了方位角信息，而經過OVT偏移后，方位角信息得到了很好的保存。并且可以看出，隨著方位角的周期性變化，反射同相軸也發生了周期性的“抖動”，這種高頻時差被認為是由于方位各向異性引起的剩余時差[17-18]。一方面，可以提取道集中的同相軸抖動來進行地層的各向異性分析、裂縫檢測等；另一方面，這種抖動現象的存在會造成不同相疊加，降低對小構造的分辨率。為了提高小構造的成像效果，處理中需要消除這種現象。

圖6 常規疊前時間偏移與OVT疊前時間偏移后道集對比Fig.6 Comparison of trace sets after conventional prestack time migration and OVT prestack time migration

2.5 方位各向異性時差校正

由于各向異性時差的存在，處理中要對這種時差進行校正。OVT域方位各向異性校正的方法主要有2種，分別為速度模型迭代法和相干譜拾取法。此次采用速度模型迭代法。具體實現方法分為3個步驟：剩余時差的拾取、方位各向異性速度場反演、方位各向異性校正。①通過輸入OVT偏移道集生成的疊后道作為模型，在一定時窗內域道集內各道做互相關處理，并根據互相關系數最大原則，得到每個互相關時窗中點的剩余時差與相關系數。②根據自動拾取的剩余時差與相關系數，利用最小平方根算法來估算出方位各向異性速度。方位各向異性速度可由快速場、慢速場和慢速方位場來表示。通過時差拾取反演出的快速場、慢速場、極慢速方位場如圖7所示。③使用反演得到的各向異性速度場對道集進行方位各向異性校正，消除同一共反射點道集內由于方位差異所造成的反射波旅行時剩余時差。

圖7 方位各向異性速度場Fig.7 Azimuthal anisotropic velocity field

方位各向異性校正前后道集對比如圖8所示。圖8(a)為CMP250方位各向異性校正前的OVT道集，可以看出，隨著方位角的周期性變化，同性軸呈現周期性抖動，說明存在方位各向異性現象。圖8(b)為方位各向異性校正后的OVT道集，可以看出同相軸“抖動”特征消失，同相軸被校平，道集質量變好，同相軸連續性增強。方位各向異性校正前疊加剖面如圖9所示。圖9(a)為各向異性校正前疊加剖面，圖9(b)各向異性校正后疊加剖面，對比表明，校正后疊加剖面，斷點位置更加清晰。說明OVT疊前偏移道集經過各向異性校正，解決了面元不同相疊加問題，提高了成像精度。

圖8 方位各向異性校正前后道集對比Fig.8 OVT gather before or after azimuth anisotropy correction

圖9 方位各向異性校正前疊加剖面Fig.9 Stacked section before or after azimuth anisotropy correction

3 實際資料處理效果分析

為了驗證OVT域疊前時間偏移對小陷落柱的成像效果，選取1條過3個陷落柱的剖面，從左到右依次為陷落柱1、陷落柱2、陷落柱3。相比常規疊前時間偏移剖面(圖10(a))，OVT域疊前時間偏移并進行各向異性校正后的剖面(圖10(b))，陷落柱1邊界顯示更加清晰。常規疊前時間偏移剖面中呈現假斷層現象的陷落柱2也得到了很大的改善，體積較小的陷落柱3底部“串珠狀”更聚焦。這是由于OVT疊前時間偏移考慮了地震波的傳播方向，并通過各向異性校正消除了方位角變化引起的同相軸周期性“抖動”現象，使剖面分辨率得到提升。除此之外，由于OVT疊前時間偏移前進行了五維規則化，變觀和炮點不均勻造成的近偏缺失數據得到了彌補。因此，OVT疊前時間偏移剖面淺層同相軸連續性增強，成像有了較大的改善。由于OVT疊前時間偏移能夠衰減多次波[6]，可以發現OVT疊前時間偏移剖面500 ms處多次波也得到了一定程度衰減。經過進一步的頻譜分析發現，OVT域處理后的偏移剖面，低頻成分更豐富，頻帶更寬，更加有利于后續的屬性分析和反演。常規偏移剖面與OVT域疊前時間偏移剖面頻譜對比如圖11所示。

圖10 常規偏移剖面與OVT域疊前時間偏移剖面對比Fig.10 Offset domain or OVT domain prestack time migration profile

圖11 常規偏移剖面與OVT域疊前時間偏移剖面頻譜對比Fig.11 Spectrum of offset domain or OVT domain prestack time migration

4 結論

OVT域疊前時間偏移技術在全數字高密度三維地震勘探中具有明顯的優勢。

(1)OVT疊前時間偏移后的數據保留了方位角信息，為后續各向異性分析提供了數據基礎。

(2)經過方位各向異性校正后，道集得到了校平，最終疊加剖面中的斷點位置、陷落柱邊界更加清晰。

(3)經過OVT域五維規則化后的偏移剖面，淺層連續性增強，成像效果得到了改善。

(4)OVT域疊前時間偏移后振幅保真性高，波形自然，陷落柱邊界更清晰，“串珠狀”更聚焦，陷落柱得到了較好的成像。

(5)OVT域疊前時間偏移是能夠較好提高煤田高密度數據的成像效果，具有較好的推廣價值。