华南火成岩区深层地热勘探地震处理关键技术

郑浩,崔月,许璐,齐鹏

(中石化石油物探技术研究院有限公司,江苏 南京 211103)

0 引言

华南火成岩发育区有着陆缘地带的复杂构造格局和活动状态,其中地热资源丰富,近地表主要以中低温和中温水热存储,深层富含高温、高压的地热储层,是地热勘探的有利探区[1-4]。对于深层地热勘探,研究地热储层的结构、边界和空间展布至关重要。大量证据表明,在地温梯度高、温度高的地区存在近垂直深断裂[5],即地热储层常伴有断裂发育。然而,具有高陡构造形态的伴生断裂热储刻画难度较大,常规重、磁、电等勘探方法难以取得较为理想的效果。相比较而言,地震勘探具有更高的成像分辨率,可以实现深层热储精细刻画。尽管三维地震勘探采集成本较高,但部分探区已开展油气勘探,可以利用其采集的三维地震资料进行高精度成像,实现深层热储的精细刻画。相比于油气勘探,地热勘探更加注重对热储分布及边界的刻画,两者处理目标和处理方式差异较大。针对深层火成岩热储实际地质条件,目前在地震资料处理方面,应该从保低频去噪、精细化速度建模、高精度成像3方面进行关键技术研发及应用,建立具有识别深层地热构造的流程,为后续地热储层的精细刻画提供高品质数据。

首先,保低频去噪是深层热储精确成像的数据基础。目前,地震资料去噪领域出现了诸多新技术、新方法,Saad等[6]基于自编码器原理,提出了一种基于深度自编码器(DDAE)的智能化去噪方法,在随机噪声压制方面效果突出,能保护有效信号频带不受损失。Shan等[7]根据Unet网络学习传统去噪方法,通过训练后的网络模型实现地震资料有效去噪,一定程度上解决了传统智能化算法泛化性的问题。石战战等[8]提出了一种在F-X域利用低秩矩阵近似的算法对共偏移距道集进行去噪,可以实现非平稳信号的去噪处理,并同时保持低频有效信号。崔亚彤等[9]提出了一种快速自适应的非局部均值滤波技术,通过自适应算法有效区分噪声与有效信号,采用非局部的均值滤波压制低频噪声。在实用化应用方面,杜耀斌等[10]将多域去噪的方式成功应用于塔里木盆地深层探区,有效压制了低频噪声,提高了深层目的层构造成像的精度。徐颖等[11]针对塔中奥陶系低信噪比的问题,利用“六分法”的多域组合去噪技术思路与处理流程实现了碳酸盐岩储层的保低频噪声压制,相比于常规处理流程,更加注重对低频信号的保护,使深层小尺度异常体清晰度明显提升。王立歆等[12]根据超深层碳酸盐岩断控缝洞体的特点,提出了一种保低频的弱信号恢复技术,有效恢复深层能量,为高精度成像提供了基础数据。相比于油气勘探,深层地热勘探更注重对大中尺度构造的精细刻画,因此针对深层热储成像,如何在去噪过程中保护低频有效信号、压制低频噪声是关键。

另外,精细化速度模型是深层热储成像的核心。层析反演是目前深度域速度建模中常用的方法,该方法通常利用走时信息,沿波传播路径进行速度反演,将成像空间映射到模型空间[13],得到地下层速度。目前,基于射线理论的层析反演方法已经较为成熟,并在地热勘探中进行了试验,有效提高了热储结构的识别能力[14-15]。然而,传统的层析反演只能得到低波数分量,不能很好地反演得到深层热储结构特征及伴生断裂的速度。为了解决该问题,提高深层复杂构造的反演精度,通常会采用模型正则化方法进行先验信息约束。张在金等[16]提出了一种井控与构造约束条件下的网格层析速度建模技术,对断层两侧的速度进行了准确刻画。郑浩等[17-18]针对复杂构造及断裂建模难题,分别提出了基于构造导向滤波及断裂属性约束的层析速度建模技术,有效提升了速度反演的分辨率,得到了更符合地质认识的高精度速度模型,改善了成像质量。对于深层热储边界、高陡构造及复杂断裂,常规层析速度建模方法难以满足精度要求,应当采用模型正则化技术,形成一套考虑结构特征及伴生断裂的构造约束速度建模技术流程,实现深层热储边界及内幕的精细速度反演。

最后,高效的高精度成像方法是关键。对于深层热储边界、基底及复杂断裂系统,逆时偏移技术(RTM)具有较为明显的理论优势,该方法对于高陡构造成像效果较好,但作为双程波波动方程偏移,计算量及存储量较大,规模化应用较难。针对该问题,刘守伟等[19]研发了可以应用于GPU集群的最佳匹配层边界条件逆时偏移技术。张慧宇等[20]针对海量地震数据,研发了基于GPU集群的大规模分布式逆时偏移技术,能够应用于高密度采集的地震三维数据成像,推进了该技术的实用化进程。刘立民等[21]根据起伏地表复杂构造成像中逆时偏移存在的问题,将有限元正演技术应用于逆时偏移中,进一步改善了复杂构造区逆时偏移的应用效果。目前,随着高性能硬件及并行算法的不断发展,高效RTM技术较为成熟,借助GPU加速算法,已基本实现规模化生产应用。对于华南火成岩深层热储高精度成像,应采用该算法实现高精度成像,改善热储边界及伴生断裂的成像效果。

针对上述华南火成岩深层地热地震资料处理三大关键问题,本文提出了以保低频多方法联合去噪、断控层析速度建模及高效解析波场逆时偏移技术组合的解决方案,形成了一套面向复杂岩性和构造条件下的深层地热地震资料处理技术流程。实际资料测试表明,该技术流程能够有效提升深层热储边界、基底和复杂断裂系统的成像精度,为后续地热开发有利目标优选和井位部署提供可靠的数据基础。

1 深层地热地震预处理关键技术

华南火成岩地区多类型噪声发育(图1),相干噪声和非相干噪声并存。这些噪声特征差异大,不同区域噪声类型不同,且噪声在不同域的表现特征不同。首先针对浅层噪声,通常以相干噪声为主,常规处理流程压制效果较好,去噪效果较为理想。但对于深部储层,有效信号能量弱,波场较为复杂,噪声影响较大,常规去噪流程难以有效压制。根据探区的单炮记录对噪声类型进行详细分析,建立了针对性的叠前多域分步、分类、多方法联合迭代去噪处理流程(图2),有效压制了各类型噪声,逐级提高资料信噪比。

图1 华南火成岩地区多类型噪声发育Fig.1 Kinds of noises exist in seismic data of Southern China

图2 噪声压制流程Fig.2 Workflow of seismic data denoising

1.1 自适应频散面波压制技术

频散面波介于相干噪声与非相干噪声之间,能量强、频率低,且深度越深,影响范围越大,通常以扫把状形态分布于近偏移距。在频散面波压制方面,本文采用自适应频散面波压制技术,通过迭代计算的方式调整褶积因子,修改频散面波模型,使之接近真实面波,最后通过自适应相减的方式从单炮记录中减去模拟的频散面波,达到面波压制的效果。基于华南火成岩高精度数据,建立200 m×200 m的空间频散曲线场计算频散面波模型,通过自适应相减去除频散面波,去噪效果如图3所示,可以看出,该技术能够有效压制频散面波,同时最大限度地保护有效信号不受损失。相比于常规FK滤波方法,该方法对低频信号具有更好的保护作用,有利于深层热储基底高陡构造的精确成像。

图3 频散面波压制前(a)与压制后(b)效果对比Fig.3 Comparison of surface wave noise before(a) and after(b) suppression

1.2 异常振幅噪声压制技术

面波压制后,单炮记录中还存在有异常道、野值干扰等非相干噪声,对地震成像影响较大。根据不同数据域中有效信号与噪声的差异,本文采用频率域噪声压制技术分别将数据分选到炮域、检波点域及CMP域进行异常振幅去噪,有效压制非相干噪声,从而进一步提升去噪效果。该技术的关键是选取合理的时窗确定压噪阈值,从而保护有效信号,去除异常振幅类的非相干噪声,这里选取处理时窗为1 000 ms,门槛值为15,去噪效果如图4所示。显然,通过该技术处理后,异常振幅得到有效压制,信噪比显著提升。

图4 异常振幅噪声压制前(a)与压制后(b)效果对比Fig.4 Comparison of abnormal amplitude noise before(a) and after(b) suppression

1.3 非规则相干噪声压制技术

在进行面波、非相干噪声压制后,还会存在部分非均匀线性干扰,这里采用非均匀线性噪声压制技术进一步提高数据的信噪比,改善数据品质。该技术基于不规则的炮点/检波点采集数据驱动,设计抗假频F-X滤波器获取地震道对应的线性噪声模型,通过匹配相减从叠前记录中去除噪声,分频压制线性噪声。根据原始资料分析,这里选取的两组线性干扰速度区间分别为100～600 m/s及500～1 000 m/s,滤波频率为25 Hz,有效信号保护的速度区间为1 600～2 000 m/s,去噪效果如图5所示。可以看出,该技术能有效压制残余的部分非均匀线性噪声,进一步改善了叠前数据品质,为后续深层热储成像提供了高品质数据。

图5 非规则相干噪声压制前(a)与压制后(b)效果对比Fig.5 Comparison of irregular coherent noise before(a) and after(b) suppression

1.4 叠前五维规则化技术

地震采集受地形和地表因素影响,炮点和检波点变观严重,数据在空间上不规则,容易产生空间假频等现象。对数据进行五维规则化处理后,不规则观测系统的炮检点归位到理论设计点位,能够有效防止空间假频现象,进一步提升数据信噪比。叠前五维规则化技术基于防假频傅里叶变换,在线域、点域、时间域、炮检距域、方位角域五维空间进行插值,通过对每一个频率依据最小视速度确定出重构数据的带宽,然后从不规则地震数据的空间傅里叶系数中估计出重构数据的空间傅里叶系数,将估计的傅里叶系数进行非规则傅里叶反变换,重构出目标观测系统地震数据,达到规则化目的。该技术适用于深层热储复杂陡倾角数据,能够有效改善假频问题,解决变观引起的数据缺失,改善地震数据叠加及成像质量。在处理华南火成岩地震资料时,通过参数优选测试,最终确定时间方向插值时窗为100 ms,主测线和联络线方向插值时窗均为12 m,偏移距插值时窗为1 000 m,方位角插值时窗为180°。图6a、b分别为叠前五维规则化处理前后的叠加效果对比,可以看出,经过五维规则化处理后,信噪比进一步提升,高陡构造刻画更加清晰,叠加质量明显改善。

图6 叠前五维规则化前(a)、后(b)效果对比Fig.6 Comparison of matching pursuit Fourier interpolation before(a) and after(b) application

2 断控层析速度建模技术

针对华南火成岩局部高速异常及深层热储基底、断裂体速度建模难题,本文采用了断控层析速度建模技术,有效改善火成岩速度异常、热储基底及复杂断裂带的速度反演精度。

通常,深度域高斯束层析目标函数可以表示为:

(1)

式中:S(m)表示速度模型空间下的目标函数;ztrue表示成像道集拉平时的真实成像深度;zpick表示目前尚未拉平的成像道集对应的拾取深度。断控层析速度建模技术通过成像道集深度差反投影到速度空间,实现速度反演,达到速度建模的目的。该技术对于大尺度构造速度建模效果较好,但对小尺度异常体及复杂断裂刻画精度不足。在此基础上,本文加入不等式层析正则化项及断控正则化项,通过利用测井速度约束和构造先验信息约束进一步提高了速度反演精度,实现了面向华南火成岩区的高精度速度建模。

首先,为进一步提高局部火成岩的反演精度,本文引入了不等式层析正则化技术,利用测井速度及地震相分布得到区域速度范围界限,实现对火山岩速度异常体的速度范围“软约束”,提高了局部火成岩速度建模精度:

(2)

式中:vmax、vmin分别是通过测井资料获得的该层段的速度最大、最小值;I为对数分界函数,可以表示为该项通过压缩反演零空间,实现更加精细的速度约束反演。

在此基础上,为进一步提高深层热储边界、复杂断裂等高陡构造的速度建模精度,这里引入断控算子进行先验信息约束,那么目标函数可以表示为

(3)

式中:F表示断控正则化算子,该算子通过引入断裂、基底边界等构造信息实现模型更新量Δm的先验约束。目前F有多种构建方式,本文采用最优路径寻优算法计算断控算子F,实现正则化约束[17]。

利用式(3)即可实现针对深层热储成像的精细速度建模,该技术与常规深度域偏移速度建模流程基本一致,通过输入CMP道集进行叠前深度偏移,输出偏移剖面和偏移距域成像道集进行层析反演。区别在于该技术通过在反演过程中加入测井速度范围及构造等先验信息约束实现更加精细的速度建模,具体流程如下图7所示。

图7 断控层析速度建模技术流程Fig.7 Workflow of fault-guided velocity tomography

通过以上技术流程即可实现面向深层热储的高精度层析速度建模,该技术的关键在于准确地提取成像道集RMO,从而获得ztrue与zpick;同时利用井资料及火成岩相信息构建不等式约束项I;利用成像数据体获取热储边界、断裂等信息计算断控正则化算子F,构建层析反演目标泛函数;最后通过共轭梯度法求解,得到精细速度模型。采用该流程经过四轮建模迭代完成靶区速度建模工作,成像道集基本拉平。

本文采用时间域RMS速度,通过DIX公式转换为层速度,利用时深转化结合大平滑操作建立初始速度模型,见图8a。通常初始速度准确性较差,成像结果相对不准确,构造信息不可靠,因此,第一轮层析反演(反演网格为400 m×400 m)使用常规无约束信息的速度反演;经过两轮反演可以得到相对准确的低频背景速度场,此时速度低波数信息较为可靠,但缺乏中波数信息,表现为反演结果整体较好,大尺度构造信息较为可靠,但细节不足,如图8b所示;因此,第三、四轮反演(反演网格为100 m×100 m)采用断控层析速度建模技术,通过引入大尺度层位、断裂等构造信息实施构造约束,对速度局部细节进行精细反演,得到精细速度模型,如图8c所示。本次建模采用无约束—大尺度构造约束—小尺度断控层析的建模策略,依据道集的拉平度判断每次更新的有效性与合理性,最终实现成像道集拉平(图9),得到高精度速度模型。图10a、b分别是初始速度模型(图8a)和最终速度模型(图8c)的成像效果对比,可以看出,通过多轮迭代后,图10b中成像结果反射层位同相轴更加连续,断裂刻画更加清晰,基底成像质量明显提升。

a—初始模型深度域速度;b—无约束大尺度层析速度;c—构造约束小尺度层析速度

a—初始模型深度域成像道集;b—无约束大尺度层析成像道集;c—构造约束小尺度层析成像道集

a—图8a速度模型对应的PSDM成像剖面;b—图8c最终速度模型对应的PSDM成像剖面

3 保低频逆时偏移技术

逆时偏移是一种可以适用于陡倾角构造成像的双程波波动方程偏移技术。该技术通过多年的发展和实用化打磨,目前已基本实现实际资料的规模化应用。为了兼顾计算效率与成像质量,本文就华南火成岩深层热储成像问题,开展实用化的保低频逆时偏移方法研究及应用测试,采用解析波场隐式分解的成像条件,形成了高效稳定的保低频逆时偏移成像技术及流程,达到了保低频成像效果,显著改善了成像质量。

解析波场隐式分解的逆时偏移成像条件通常可以表示为:

(4)

式中:s+(t,x,y,z)表示t时刻在位置(x,y,z)处炮点产生的正传播场,r+(t,x,y,z)表示t时刻在位置(x,y,z)处检波点产生的反传播场,Tmax表示最大延拓时间。基于波场分解,正反传波场均可分解为上、下行波场的形式:

(5)

(6)

通过上式即可实现解析波场成像条件下的逆时偏移成像,相比于基于互相关成像条件的逆时偏移技术,该技术能有效避免同向波场相关带来的低频噪声,从而保护数据中的低频信息,达到保低频效果,这对于提高深层热储基底及复杂高陡断裂成像质量具有重要意义。基于同一套速度模型偏移,利用预处理后的单炮记录作为输入,采用最大偏移距为8 000 m的偏移孔径进行RTM成像,图11展示了克希霍夫PSDM成像结果与本文采用的保低频逆时偏移成像效果对比,可以看出,相比于克希霍夫偏移(图11a),逆时偏移结果(图11b)对断裂刻画更加清晰,断点干脆,整体成像信噪比提升,热储基底及内幕成像质量明显改善。

图11 克希霍夫偏移(a)与保低频RTM偏移(b)效果对比Fig.11 Comparison of Kirchhoff migration(a) and RTM migration(b)

4 华南火成岩区实际处理效果

实际资料选自中国华南某火成岩发育区,该区资料浅中层沉积环境相对稳定,速度变化较小;深层波场复杂,信噪比较低,受陡倾角构造的影响,纵、横向速度变化大,速度建模及成像困难。

为解决火成岩区热储边界、断裂成像刻画难题,采用本文建立的地震成像技术流程(图12)进行应用测试。

图12 面向复杂岩性和构造条件下的深层地热地震资料处理关键技术流程(图中黄色位置为关键性技术)Fig.12 The key processing flow for deep geothermal imaging(the yellow position in the figure is the key technology)

图13a及14a是采用常规处理流程得到的最终成像结果,可以看出,面向油气勘探的常规处理流程在浅层碎屑岩储层成像效果较好,地层刻画较为清晰,连续性较好,但在深层断裂及基底成像质量较差,缺乏低频信息,高陡构造及复杂断裂系统刻画不足。图13b及14b是采用本文提出的针对性处理流程得到的最终成像结果,相比于前期处理结果(图13a、14a),本期处理以深层热储边界、基底及内部复杂断裂系统刻画为主要目标,成像结果能够更加精确地反映深层热储信息,深层热储边界(图13b)及内幕细节(图14b)成像质量明显改善,有利于后续地热储层的精细构造解释及圈闭落实。

图13 前期处理结果(a)与本期处理结果(b)基底边界成像效果对比Fig.13 Boundary imaging comparison of previous imaging results(a) and current imaging results(b)

图14 前期处理结果(a)与本期处理结果(b)基底内幕成像效果对比Fig.14 Basement insider imaging comparison of previous imaging results(a) and current imaging results(b)

5 结论

地震资料处理是一项复杂的系统工程。对于不同地质目标,应具体问题具体分析。面向华南火成岩深层地热勘探地震资料处理,本文围绕深层热储地震资料信噪比低、构造复杂、陡倾角发育几个关键问题,通过保低频联合去噪、断控速度建模及解析波场逆时偏移技术组合应用,建立了面向华南火成岩深层热储地震资料的针对性处理流程。实际处理效果显示了本文技术流程能够显著改善深层热储边界、内幕复杂断裂系统的成像质量,为后续热储刻画提供了高品质成像数据,具有较好的推广应用价值。