高原凍土地表地震勘探技術及應用

摘" 要：青藏高原是國家的能源戰略后備區之一，油氣資源儲藏豐富，但表層凍土發育，地震波場復雜，油氣地震勘探面臨諸多挑戰。針對青藏高原凍土地表特點，一是采用“低頻可控震源激發、高密度寬線觀測、長排列+小組合接收”技術，克服凍土對中深層的反射能量屏蔽和噪音干擾，降低地震工程作業對環境的影響；二是通過低信噪比初至處理技術、高精度約束層析反演技術、空變多域初至波剩余靜校正技術提高凍土地表初至拾取精度和層析反演模型精度，解決凍土表層速度劇烈變化帶來的靜校正問題；三是采用基于凍土層有效反射頻帶的去噪技術、基于AMT反演約束的凍土層速度拾取技術、基于分偏移距疊加成像的精細切除技術，有效去除凍土地表噪音影響，指導速度拾取和精細切除。上述技術可以獲得高品質的地震資料，為油氣及礦產資源等地震勘探奠定堅實的基礎。

關鍵詞：凍土；低頻震源；靜校正；地震成像；青藏高原

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0178-04

Abstract： The Qinghai-Tibet Plateau is one of the national energy strategic reserve areas， which is rich in oil and gas resources， but the surface permafrost is developed， the seismic wave field is complex， and oil and gas seismic exploration is faced with many challenges. In view of the surface characteristics of the permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau， first， the techniques of \"low frequency vibroseis excitation， high density wide line observation， long arrangement + small combination reception\" are adopted to overcome the reflection energy shielding and noise interference of the middle and deep layers of the permafrost. Reduce the impact of seismic engineering operations on the environment. Second， low SNR first arrival processing technology， high-precision constrained tomography inversion technology and space-varying multi-domain first arrival residual statics technology are used to improve the accuracy of first arrival picking and tomographic inversion model， and solve the static correction problem caused by drastic changes in permafrost surface velocity. Thirdly， denoising technology based on effective reflection band of frozen soil layer， velocity picking technology based on AMT inversion constraint and fine cutting technology based on sub-offset superposition imaging are adopted to effectively remove the influence of frozen soil surface noise and guide velocity picking and fine cutting. The above-mentioned techniques have obtained high-quality seismic data and laid a solid foundation for seismic exploration of oil， gas and mineral resources.

Keywords： permafrost; low frequency source; static correction; seismic imaging; Qinghai-Tibet Plateau

近年來，由于青藏高原的特殊戰略地位和中國能源安全戰略的調整，國家高度重視青藏高原的能源勘探工作。然而，青藏高原的強烈隆升，造就了高寒（平均海拔4 000 m以上，溫度-10～-40 ℃）缺氧（含氧量60%-70%）的惡劣生態環境、異常復雜的油氣地質條件，對傳統的油氣地震勘探技術的適用性帶來巨大挑戰：一是生態脆弱環境自我修復能力差，傳統的鉆井炸藥激發和大規模的機械化施工等作業方式對環境傷害大；二是表層凍土發育，凍土對地震波能量屏蔽嚴重，中深層反射能量弱，造成地震資料信噪比極低，地震成像難度極大。圍繞淺層凍土帶地震勘探，以提高資料信噪比和利于環保的采集方法為基礎，通過開展高密度寬線觀測、寬頻激發接收、凍土帶靜校正研究及淺層凍土帶成像處理研究，基本形成了適合高原凍土帶的地震勘探技術，為油氣及礦產資源勘探提供了資料基礎和技術支撐。

1" 技術方法

1.1" 凍土地表地震采集技術

青藏高原凍土帶分為季節性凍土和永久性凍土。季節性凍土隨溫度變化而變化，夏季溫度高，凍土會解凍，冬季氣溫降低，凍土冰凍固結。一般分布在季節性河流、向陽山坡，縱向厚度大都在0～200 m以內。夏季速度低（1 000～2 000 m/s），冬季速度高（2 000～4 000 m/s）；永久性凍土在天氣回暖之時，氣溫仍然在凍點以下， 凍土處于固結狀態，主要分布在相對較高海拔低溫區、背陽山坡，縱向厚度（0～300 m），速度高（可達4 000 m/s以上）、強非均質性明顯、空變劇烈[1]。

1）低頻可控震源激發技術。針對高原高寒氣候影響生態環境脆弱、高原區特有凍土層引起地震波下傳激發能量屏蔽和地震波吸收衰減快的勘探難題，突破以往中、深井炮激發思路，利用低頻信號穿透性強、衰減慢的特點[2]，在青藏高原采用低頻可控震源激發方法，并優化了可控震源關鍵參數，適當縮窄掃描頻寬，增加凍土帶有效頻帶反射能量，如圖1所示1.5～72 Hz掃描更能增加有效頻帶能量，提高了對環境保護的程度，杜絕了炸藥對地表的破壞，也克服了凍土層能量屏蔽，中深層目的層的弱反射信息能量提高了1.5倍以上。

2）高密度寬線二維觀測技術。針對羌塘盆地褶皺地層和逆掩斷層發育，復雜變形構造地震資料難以成像的難題，開展數值模擬正演分析，明確了通過長排列觀測，有效增加陡傾地層、斷層的反射信息；針對復雜波場、低信噪比資料難以建立速度場，通過增加橫向覆蓋次數提高繞射波收斂度和散射波壓制能力；針對大斷層和陡地層的能量屏蔽，通過大幅度提高覆蓋密度[3]，為提高陡構造帶疊前偏移成像質量奠定基礎；在高密度基礎上，增加二維觀測系統的橫向孔徑，為改善褶皺高陡成像質量提供條件。

3）小組合接收技術。首次利用盒子波試驗，在室內抽取共接收點道集（圖2），從中分析見到相應的干擾波，通過雷達圖掃描等分析，可得到干擾波的傳播方向、能量、視速度、視波長等信息[4]，如圖3所示某炮的干擾波方向（沿著觀測方向0°）分布方位圖，驗證了凍土帶地表散射干擾波的多方向性，同時采用小道距接收，形成了基于噪音特點的小組合接收技術，轉變了噪音壓制思路。實踐證明，采用單串檢波器方形小組合與高密度寬線觀測系統相結合實現了室內外一體化壓制噪音，也極大地降低了野外工作量和對環境的損害。

1.2" 高原凍土帶靜校正

1）低信噪比初至處理技術。一是通過在振幅域、頻率域、頻率波束域等方面，平衡凍土地表初至振幅差異，剔除非初至波干擾，適應凍土帶初至波場的復雜性，提高初至可辨度；二是通過與相鄰炮對應的道垂直疊加，消除干擾，增加初至信噪比；三是對初至遭到隨機噪音污染的單炮、嚴重衰減的單炮，借用自身或者相鄰炮對應道初至進行延拓，適應凍土帶初至衰減嚴重的情況，拓寬初至拾取范圍。

2）高精度約束層析反演技術。采用CMP域分層約束反演技術，利用初至數據的空間連續性，在CMP域選擇合理的CMP段控制空間速度的快速變化[5]，適應凍土帶速度空變嚴重的情況，有效控制凍土橫向速度的變化；同時采用多尺度網格層析反演技術，提高反演的穩定性和精度，適應凍土帶速度波場復雜、異常體發育的情況，提高對速度的刻畫精度；采用限偏移距層析反演技術，針對不同區域凍土速度高低特點，采用相應的初至偏移距范圍來反演，適應凍土地表低速帶薄、速度高的情況，提高淺表層模型反演精度。

3）空變多域初至剩余靜校正技術。針對凍土帶速度的空變特點，選擇不同的初至偏移距范圍計算剩余靜校正，解決凍土帶不同偏移距存在的高頻靜校正問題；采用多域初至波剩余靜校正技術，通過多域統計迭代，保證剩余量的穩定性和減少異常值，解決凍土帶速度空變引起的高頻靜校正，凍土淺層靜校正問題得到了較好的解決（圖4）。

1.3" 凍土層地震成像處理技術

1）基于凍土層有效反射頻帶的去噪技術。由于凍土層埋藏淺，在淺表層覆蓋次數低，低頻面波、高頻折射和異常振幅信號混雜，現有的處理方法很難將這些噪聲壓制干凈。通過頻率掃描，確定凍土層地震反射信息的主要頻帶范圍，在此基礎上，注重保護低頻，通過多域、多方法、分區域聯合去噪，遵循先強后弱，先隨機后規則的原則，最大限度地去除噪音能量，突出有效信號能量，達到盡可能提高凍土底界地震反射信號信噪比的目的。如圖5所示，去噪后單炮（圖5（b））相較去噪前單炮（圖5（a））淺層可見有效反射。

2）基于AMT反演約束的凍土層速度拾取技術。在最大限度保留近道信號的基礎上，合理地對拉伸畸變進行切除，消除拉伸畸變對成像和速度分析的影響。通過AMT反演并結合層析反演可以確定凍土層的大致范圍，在疑似凍土層范圍內對其進行多方面的速度分析，可以得出研究區凍土層的一個大概速度，以此速度為基準，對淺表層進行精確的速度掃描，使拾取的速度更加精確，成像更加可靠。

3）基于分偏移距疊加成像的精細切除技術。凍土層反射偏移距范圍的精細切除技術。凍土層所在淺表層偏移距范圍小，對切除非常敏感，切除多了極易將凍土層的反射信號切掉，造成凍土層的地震信號不成像；切除少了則會留下較多拉伸畸變，在地震剖面上表現為拉伸畸變的成像，而非有效反射信號的成像。通過不同范圍偏移距疊加，確定凍土層成像最好的偏移距范圍，指導精細切除[6]。

2" 應用實例

通過以上技術措施的實施，在羌塘盆地獲得了較理想的地震資料，從獲得的地震剖面來看，主要目的層反射特征清楚，淺層構造輪廓清晰。圖6為羌塘盆地凍土帶某地區相同位置新（圖6（a））老（圖6（b））地震剖面，采用本次技術新采集地震剖面從淺到深各目的層反射層次齊全，褶皺地層成像改善明顯，凍土底界同相軸連續性好，可連續對比追蹤，為后期的資源勘探開發奠定了較好的資料基礎。

3" 結束語

采用低頻可控震源激發，解決了該區凍土層引起地震波場下傳能量屏蔽和激發能量弱的問題，有效降低勘探成本和環境保護壓力；采用高覆蓋、小組合、小道距寬線長排列觀測技術提升淺層凍土及褶皺地層成像品質；初至層析反演綜合靜校正技術，有效解決了凍土地表強非均質結構引起的長短波長靜校正問題；疊前多域綜合噪聲壓制、精細處理成像配套技術有效提高了凍土層地震剖面成像質量。

參考文獻：

[1] 于寶華，寧宏曉，王海立，等.高原凍土帶表層結構特點及靜校正技術[A].SPG/SEG北京2016國際地球物理會議電子文集[C].中國石油學會石油物探專業委員會（SPG）、國際勘探地球物理學家學會（SEG）：石油地球物理勘探編輯部，2016：7.

[2] 陶知非.低頻地震激發中的能量問題[J].物探裝備，2018，28（2）：71-73.

[3] 李忠雄，尹吳海，蔣華中，等.羌塘盆地高密度高覆蓋寬線采集技術試驗[J].石油物探，2017，56（5）：626-636.

[4] 王飛，裴金梅，劉鳳智，等.羌塘盆地尼瑪地區盒子波分析[J].物探與化探，2018，42（2）：352-357.

[5] 王海立，王永生，武威威，等.高原雙復雜山地近地表建模技術研究[J].科技創新與應用，2022，12（33）：60-62，66.

[6] 武威威，王紅博，胡杰，等.青藏高原凍土層地震資料處理方法探討[A].CPS/SEG北京2018國際地球物理會議暨展覽電子論文集[C].中國石油學會（CPS）、國際勘探地球物理學家學會（SEG）：石油地球物理勘探編輯部，2018：3.