叠前深度偏移技术在煤田岩浆岩侵入区构造成像中的应用

叠前深度偏移技术在煤田岩浆岩侵入区构造成像中的应用

张宪旭

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

摘要：煤田深部地层由于岩浆岩侵入导致煤层下覆地层结构复杂，同时勘探区内地表存在村庄等障碍物，施工中无法使用规则观测系统进行数据采集，叠后和叠前时间偏移都无法确保成像的精度和正确性，导致煤田地质和地震解释工作者对井田整体构造以及岩浆侵入区构造认识不清，进而无法有效保障煤田正常的安全生产。为了有效解决这一问题，文中在处理解释一体化的思想指导下，结合地质、测井和钻井等资料，按照叠后时间域、叠前时间域以及叠前深度域的速度迭代求取和建模步骤，精确求取地层速度，使用Kirchhoff叠前深度偏移方法，完成构造成像研究。最终结果使得深部构造和岩浆岩侵入区地层接触关系更加清晰，对于揭示煤田整体构造，特别是深部岩浆岩侵入区翼部陡倾地层的构造成像有了较大的提升。为煤田地质工作者对井田岩浆岩侵入区构造的正确认识打下坚实的基础。本研究认为，在煤田复杂构造地区开展叠前深度偏移研究，对改善和提高岩浆岩侵入区的构造成像是一条有效途径。

关键词：煤田勘探；地震资料处理；Kirchhoff叠前深度偏移；岩浆岩侵入

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0213

文章编号：1672-9315(2015)02-0208-06

收稿日期：*2014-12-20责任编辑：李克永

基金项目：中煤科工集团西安研究院技术创新项目(2013XAYCX017)；国家科技重大专项课题(2011ZX05040-002)；国家科技支撑计划课题(2012BAK04B04)；中煤科工集团西安研究院重点项目(2014Z1D009)

作者简介：张宪旭(1979-)，男，陕西宝鸡人，工程师，E-mail: zhangxianxu@cctegxian.com

中图分类号：P 631文献标志码： A

Applicationofprestackdepthmigrationtechniqueinthestructureimagingofcoalfieldmagmatiteintrusionarea

ZHANGXian-xu

(CCTEG Xi’an Research Institute,Xi’an 710077，China)

Abstract：In exploration areas，the structure of coalfield deep became complicated because of the magmatic intrusion to the coal deep strata.At the same time，the regular observation system cannot be used because of the obstacles in surface such as villages.Therefore post-stack time migration and pre-stack imaging inability to ensure the imaging of accuracy and correctness.So geologists and interpreters unable to explain the whole structure and clearly understand the structures of magmatic intrusions area，further the coal mine production safety cannot be guaranteed.In order to solve this problem，we together with the interpreter combined with geological，logging and drilling data，according to the steps of building post-stack time domain，pre-stack time domain and pre-stack depth domain velocity calculation and modeling methods.We obtain the satisfied section by Kirchhoff pre-stack depth migration method.The results has a larger upgraded in the imaging quality for the whole structure of coalfield and magmatic intrusion area.It helps geologists to have a clear understanding of the structure.Our research thought that to carry out pre-stack depth migration technique in coalfield complex structure area is an effective way to improving the imaging quality of magmatic intrusion structure.

Keywords：coalexploration;seismicdataprocessing;kirchhoffpre-stackdepthmigration;magmaticintrusion

0引言

中国作为世界上煤炭消费最大的国家，每年资源的消费量非常巨大。随着煤矿开采的持续进行，埋藏深度浅、开采难度小的资源已逐渐枯竭，开采重心逐步向构造更加复杂的地区转移[1]。随着煤田构造的日益复杂，开采难度和成本越来越高，受到瓦斯、水害和冲击地压等地质灾害的威胁越来越巨大。这些问题都迫使地质和物探工作者寻找更先进和可靠的方法，为煤矿安全生产提供更多更有有效的地质信息规避风险和降低成本[2-4]。

在偏移技术发展的初期，主要使用的是叠后偏移方法来归位成像，但常规的叠后时间偏移理论是基于四个假设条件(均匀介质假设、各向同性假设、平缓地表假设、水平层状介质假设)并在水平叠加剖面基础之上，采用爆炸反射面概念实现倾斜反射层归位和绕射波收敛[5]。因此，叠后偏移方法无法很好解决倾斜界面的非共反射点叠加问题，构造复杂时成像往往难以归位准确。为了有效解决这一问题，地震工作者一直进行着不懈的努力，偏移方法也从叠后发展到叠前、从时间域发展到深度域。理论方法也有长足的进步，其中有限差分方法、Kirchhoff积分方法、傅里叶变换方法和逆时偏移方法都是其中的代表[5-6]。并且近些年来伴随着计算机技术的蓬勃发展，叠前深度偏移技术逐步在实际工作中，特别是石油行业中得到快速的应用和发展。当前煤田地震勘探中，叠前时间偏移技术开展的比较少，叠前深度偏移更少涉及。但随着勘探的不断深入和发展，应对复杂构造地区的资料中出现了成像不准和归位不到位的现象[7]，因此开展叠前深度偏移研究就显得十分必要。

文中研究工区位于华北板块南部，临近郯庐断裂系，构造相对复杂。勘探区内，浅部地层基本为一单斜，构造相对简单[8-10]。但在深部存在隐伏背斜构造，并且在背斜核部有规模较大的岩体侵入，造成基底局部隆起，地下构造复杂，结构关系不清楚，常规的时间域的叠后偏移方法难以应对[11-13]。文中针对这一问题进行探索和尝试。

1基本理论

地震偏移的理论已发展了较长时间，上世纪60年代偏移算法起步，形成了基本的偏移理论，称为古典偏移技术；到了70年代，基本的偏移理论和计算机相结合逐步形成了计算机偏移技术；70年代初期，美国斯坦福大学的J.Claerbout教授提出了波动方程偏移成像的方法；1978年，French和Schneider等在绕射偏移法的基础上使用了波动方程解的Kirchhoff积分公式，发展为地震偏移的波动方程积分法；同年Gazdag和Stolt基于傅里叶方程提出了频率波数(F-K)偏移成像方法；1983年，Baysal等学者分别利用波动方程偏移的准确形式提出了逆时偏移方法[14]。

在这些偏移算法中，克希霍夫积分法以计算效率高偏移效果好等优点，被石油工业所认可。克希霍夫积分法叠前深度偏移利用边界积分方法近似求解波动方程来实现地震数据的成像，地层内部各点的声波反射系数由记录在多维曲面上的数据加权求和来获得，求和曲面的形状以及求和加权系数用单个散射波传播时的格林函数计算[9，13]。基于格林函数理论及波动方程积分，三维叠前克希霍夫深度偏移的积分形式为

(1)

式中γ，γδ，γg分别表示成像点、震源点和接收点；t(γ，γδ)和t(γ，γg)分别表示成像点到震源点和成像点到接收点的走时；A(r，rδ)和A(r，rg)分别表示成像点到震源点和成像点到接收点的振幅；Z为深度，R(r)为反射系数，P为声压场。

2处理流程

叠前深度偏移实质上是一种解释性的处理流程，遵循了地质与物探综合研究以及地震资料处理与解释一体化的指导思想[15]。实际处理中，结合钻井、测井及地质资料，依据地震反射理论理，按照叠加速度、叠前时间域垂向RMS速度、时间域横向RMS速度和深度域层速度的求取顺序，逐次推进，精确求取速度模型，尽可能地保证偏移结果的正确性。图1为本次叠前深度偏移处理流程，体现了逐次求取，循环往复，一次比一次更接近真实的处理思想。

图1　叠前深度偏移流程 Fig.1　Pre-stack depth migration process

3深度偏移处理

3.1地质概况和处理难点

研究工区位于永城地区某煤矿，位于华北板块南部，近邻郯庐断裂系，区域内浅部地层总体走向北北东向，倾向为北西向，基本为一单斜构造，断裂、褶皱和褶曲发育(如图2)。区域内主要含煤地层为二叠系山西组与下石盒子组地层，埋深410m左右，煤层平均厚度为11.84m.深部地层受到隐伏背斜的控制，在燕山期有较大规模的岩浆侵入，侵入部位多发生在沿背斜构造核部。勘探区内地势相对平坦，地形高差很小，激发条件较好，单炮信噪比较高。风化层较为稳定，折射静校正效果较好。但勘探区内有村庄等障碍物，存在较大变观，覆盖次数和偏移距分布不均匀，导致了部分浅层出现“天窗”，特别是火山岩侵入的部位结构关系不清楚，常规地震资料处理方法很难求取准确的速度资料，偏移成像效果无法保证。

图2　勘探区内主要构造示意图 Fig.2　Structural diagram of the exploration area

3.2资料处理

针对上述处理难点，按照叠前深度偏移处理流程，根据实际资料特点，采用了一些针对性的技术手段，优选了关键性参数，对研究区资料进行了处理研究，确保了最终深度偏移结果的可靠性和准确性。

3.2.1观测系统权重计算

研究区内存在障碍物，采集施工中出现较大变观，导致观测系统覆盖次数和偏移距不均匀，这会对最终偏移效果有一定影响。在这种情况下，进行叠前深度偏移之前，需要根据偏移距和方位角的实际情况调整观测系统权重，以弥补覆盖次数不足和不规则的观测系统对叠前深度偏移的影响。

图3　观测系统权重计算 Fig.3　Observing system weight calculation

3.2.2预处理

对于叠前深度偏移方法而言，叠加之前的常规处理流程都属于预处理范畴，并对预处理流程中的一些环节提出了更为严格的要求，其中重点需要对以下几个环节进行调整

1)静校正：常规流程使用的是固定基准面静校正，这种方式存在在静校正量较大时，求取的叠加速度偏低，导致正确的层速度求取存在问题。为了避免这样的情况，需要使用浮动基准面静校正方法进行校正，在偏移之前，数据应用短波长分量，道头记录长波长分量。

2)噪声压制：在预处理过程中需要对于面波、声波和随机干扰等能量尽量压制，特别对大振幅的噪声应尽量消除干净，以便减少偏移噪声，提高偏移质量，但对于绕射波来说，需要加以保护。

3)振幅保真：由于偏移是一个能量归位的过程，如果能量失衡，将直接影响偏移的正确性。因此需要严格控制振幅的相对关系，避免在去噪过程中使用如FK或AGC等不保真的模块，尽量保护好有效振幅信息，这是保证偏移效果的关键。

图4为研究区内某一单炮在预处理阶段经去噪声处理前后的对比。处理后，近偏移距面波能量基本完全被压制掉，且处理前后信号做到了不失真。这些对于后续的正确偏移打下了良好的基础。

图4　预处理前后单炮数据 Fig.4　Ashot data before and after preprocessing

3.2.3时间域速度分析和模型构建

偏移的核心是速度的精确求取和建模，直接决定了偏移结果中能量是否正确归位。为得到正确的地层速度，需结合地质、测井、钻井等资料，在每一步的速度求取中尽量做到精确，以确保时间域的偏移效果和深度偏移构建的初始模型更为逼近真实。其中时间域内的速度分析包括

1)叠加速度分析：通过速度扫描和速度谱迭代分析得到。这两种方式需要相互结合，速度扫描在宏观上对构造进行把控，速度谱在微观上进行不断的迭代和微调。

2)建立无构造的初始RMS(均方根)速度模型：通过上一步得到的叠加速度，可以获得RMS速度模型，对数据进行叠前时间偏移，求取CRP道集，并在CRP道集上进行垂向剩余速度分析，实现对速度的微调。

3)建立基于层位的RMS速度拾取和模型，在偏移数据体上拾取层位，并在层位信息的指导下，利用CRP道集在水平方向做剩余速度分析。

4)修改基于层位的初始RMS速度体：利用得到的时间偏移域道集和沿层构造模型，基于剥层法逐层对模型和速度进行更新。

图5　时间域速度更新前后剖面图 Fig.5　Time-domain velocity profile before and after the update

经过上述4步的速度分析之后，得到更新后的时间域速度模型(图5)，可以看出，更新之后的速度去除了虚假的构造现象，纵横向变化更加自然，更符合一般地质规律。

3.2.4深度域速度分析和模型构建

速度的精确求取对于叠前深度偏移显的尤为重要，这是因为速度不仅仅决定着成像质量还决定着时深转换的正确与否，决定最终偏移成像的正确性。速度求取的方法主要包括

1)初始深度模型建立。初始模型需要尽量逼近真实的地下情况，如果初始模型不合理，更新过程中可能逼近一个局部最优解，而不是真实解。为了得到比较可靠的初始速度模型，需要在叠前时间偏移过程中，尽量精确拾取基于层位的RMS速度。在此基础上，使用DIX公式使用逐层剥离的工作方式，从浅到深逐层将RMS速度转换成层速度，再通过比例或图偏移的方法将时间偏移域的层位转换到深度域，从而构建初始的深度域层速度模型。

2)速度求取和模型更新。经DIX公式转换获得的初始层速度具有一维性，在纵横向上都欠精确。采用层析成像技术作为速度模型优化处理的主要手段，在横向CRP道集之上逐层拾取剩余延迟差作为输入数据，以CRP道集是否校平为判别标准，同时考虑层位深度和层速度两个参数，对深度模型进行微调的手段。需要注意的是，层析成像法是在求取局部最优解的基础之上的，如果初始深度模型构建的不合理，迭代的结果将会求取一个局部最优解，即使CRP道集完全较平，层位模型仍有可能背离地下的真实情况。

图6　深度域速度更新前后剖面图 Fig.6　Depth-domain velocity profile before and after the update

图6为经过上述2步速度分析前后，得到的更新前后深度域速度模型对比，左侧为初始速度模型，结构简单，存在速度突变现象；经层析成像速度优化，变为右侧所示最终速度模型，速度纵横向变化自然，成层性好，构造符合一般地质规律，其三维空间展布如图7所示。

图7　叠前深度偏移三维速度模型 Fig.7　3D pre-stack depth migration velocity model

3.2.5偏移孔径的选择

在叠前深度偏移处理中，偏移孔径的选择也很重要，一般成像目标越深，倾角越大，偏移孔径就越大。偏移孔径取得过小，小倾角构造成像效果好，信噪比较高，但陡倾角构造成像效果较差；偏移孔径过大，陡倾角构造成像效果较好，但同相轴的连续性变差，分辨率和信噪比降低，同时还会耗费大量计算时间。在实际处理中，需要根据资料先计算构造倾角，再利用理论公式计算偏移孔径理论值，经过反复测试，确定实际偏移孔径。偏移孔径的理论公式为

(2)

式中vrms为RMS(均方根)速度；t为双程旅行时；θ为地层倾角。

3.2.6处理解释一体化

通常地震勘探中处理和解释是相对独立的两个部分，然而在本地区，因为地下情况复杂，地下波场复杂，单纯靠处理人员，可能会误入到一个局部最优化的假象中，导致最终的解释失败。因此在实际研究中，解释人员根据井数据和地质背景提供层位解释，参与速度模型的建立，使得初始模型尽可能接近地下真实构造，减少了迭代次数，对层位和地层速度不断迭代更新，从而最大可能的保证偏移结果的正确性。

3.3实际处理效果

通过上述处理手段和方法，最终获得了研究区叠前深度域处理成果。同常规叠后时间偏移、叠前时间偏移相比较(图8)，3种偏移方法对于浅层近水平地层成像差别很小，但是对于岩浆侵入的区域，偏移成像效果有一定的差异：叠后偏移剖面(图8(a))对地层隆起的部位地层整体成像较为混乱，接触关系不清晰，数据难以解释；叠前时间偏移(图8(b))在岩浆侵入区背斜隆起的顶部能量归位较好，与上覆地层接触关系清晰，但对于深部地层仍无法取得较好的成像；叠前深度偏移剖面(图8(c))对地层整体成像都有较大改善，隆起部位与上覆地层的接触关系清楚，特别是对深部岩浆侵入区翼部陡倾地层归位清楚，整体结构清晰，成像质量有较大的提高，为解释人员准确识别地下地质构造提供了高质量的处理成果。

图8　剖面对比 Fig.8　Sections comparison (a) 叠后时间偏移　(b) 叠前时间偏移　(c) 叠前深度偏移

4结论

通过对煤田岩浆岩侵入区实际数据的叠前深度偏移研究得出以下几点结论

1)叠前深度偏移对岩浆侵入地区导致的复杂构造的整体成像和局部地层成像精度都有一定的提高；

2)在观测系统不规则的地区，适当改变观测系统权重对偏移效果有一定的改善；

3)在叠前深度偏移过程中，速度准确求取和建模是整个成像的核心。需要在处理解释一体化的思想指导下，结合地质、测井和钻井资料，按照叠后时间域、叠前时间域以及叠前深度域的速度迭代求取和建模步骤，才能取得正确的结果。

参考文献References

[1]逄雯．叠前时间偏移技术在煤田地震勘探中的应用研究[D]．西安：西安科技大学，2010.

PANGWen.Theapplicationofprestacktimemigrationtechnologyincoalmineseismicexploration[D].Xi’an：Xi’anUniversityofScienceandTechnology，2010.

[2]张宪旭，马劲风，程建远．深部煤层的AVO属性分析[J]．煤炭学报，2009，34(9)：1 180-1 183.

ZHANGXian-xu，MAJin-feng，CHENGJian-yuan.AVOattributesofdeepcoalseam[J].JournalofChinaCoalSociety，2009，34(9)：1 180-1 183.

[3]余钰蔚，朱仕军，朱鹏宇，等．薄互层AVO响应特征分析[J]．西安科技大学学报，2014，34(6)：731-736.

SHEYu-wei，ZHUShi-jun，ZHUPeng-yu，etal.AnalysisofseismicAVOresponseforthininter-layerreservoir[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2014，34(6)：731-736.

[4]汤红伟．煤矿采区三维地震叠前深度偏移技术研究[J]．中国煤炭地质，2011，23(9)：62-65.

TANGHong-wei.Astudyon3Dprestackdepthmigrationincoalminewinningdistricts[J].CoalGeologyofChina，2011，23(9)：62-65.

[5]王喜双，梁奇，徐凌．叠前深度偏移技术应用与进展[J]．石油地球物理勘探，2007，42(6)：728-732.

WANGXi-shuang，LIANGQi，XULing.Applicationandprogressofprestackdepthmigrationtechnology[J].OilGeophysicalProspecting，2007，42(6)：728-732.

[6]黄元溢，罗仁泽，王进海,等．几种叠前深度偏移技术效果的对比[J]．物探与化探，2011，35(6)：799-803.

HUANGYuan-yi，LUORen-ze，WANGJin-hai，etal.Acomparisonoftheapplicationeffectsofseveralprestackdepthmigrationtechniques[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2011，35(6)：799-803.

[7]张建伟，强芳青，贺振华，等．三维叠前深度偏移在复杂断裂区的应用[J]．天然气工业，2004，24(3)：52-54.

ZHANGJian-wei，QIANGFang-qing，HEZhen-hua，etal.Applicationof3-Dprestackdepthmigrationincomplicatedfaultareas[J].NaturalGasIndustry，2004,24(3)：52-54.

[8]罗省贤，李录明．三维叠前深度偏移速度模型建立方法[J]．石油物探，1999，38(4)：1-6.

LUOSheng-xian，LIMing-lu.Velocitymodelconstructionmethodsfor3-Dprestackdepthmigration[J].GeophysicalProspectingforPetroleum，1999，38(4)：1-6.

[9]陈志德，刘宽，李成斌．三维叠前深度偏移速度分析及蒙特卡洛自动层速度拾取[J]．地球物理学报，2002，45(2)：246-253.

CHENZhi-de，LIUKuan，LICheng-bin.3Dpre-stackdepthmigrationvelocityanalysisandautomaticmontecarlovelocitypickingindepth[J].ChinaJournalofGeophysics，2002，45(2)：246-253.

[10]杜业波，朱筱敏，王赟,等．叠前深度偏移技术在QMQ地区成像中的应用[J]．煤田地质与勘探，2011，39(3)：63-66.

DUYe-bo，ZHUXiao-min，WANGYun，etal.ApplicationofprestackdepthmigrationinQMQarea[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2011，39(3)：63-66.

[11]乐友喜，袁青，薛志刚，等．基于屏方法的弹性波叠前深度偏移[J]．煤田地质与勘探，2009，37(6)：58-62.

YUEYou-xi，YUANQing，XUEZhi-gang，etal.Elasticwaveprestackdepthmigrationbasedonscreenmethod[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2009，37(6)：58-62.

[12]卢宝坤，时维成，王立业．基于单程波波动方程的起伏地表叠前深度偏移技术[J]．煤田地质与勘探，2012，40(6)：72-78.

LUBao-kun，SHIWei-cheng，WANGLi-ye.One-waywaveequationpre-stackdepthmigrationfromirregularsurface[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2012，40(6)：72-78.

[13]高远，王琦，董守华,等．煤田三维地震叠前深度偏移技术及其应用[J]．煤田地质与勘探，2011，39(3)：71-73.

GAOYuan，WANGQi，DONGShou-hua,etal.Thetechnologyofcoal3Dprestackdepthmigrationanditsapplications[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2011，39(3)：71-73.

[14]李学聪．叠前深度偏移技术的应用研究[D]．北京：中国地质大学，2006.

LIXue-cong.Theapplicationresearchofpre-stackdepthmigrationtechnique[D].Beijing：ChinaUniversityofGeosciences，2006.

[15]陈生昌．波动方程叠前深度偏移成像与速度建模方法研究[D]．上海：同济大学，2002.

CHENSheng-chang.Researchonmethodsforwaveequationpre-stackdepthmigrationandvelocitymodelconstruction[D].Shanghai：TongjiUniversity，2002.