复杂波场页岩气探区速度分析方法探讨

A Discussion on Velocity Analysis Method of Shale Gas Exploration Area with Complex Wave Field

摘要: XC页岩气探区波场复杂，叠加速度求取困难，采用叠加能量法进行速度分析不能满足处理要求。结合XC页岩气探区地震资料特点，重点针对信噪比低、近地表异常等因素对速度谱质量的影响，提出了针对性的技术，总结出一套精确提取XC页岩气探区地震叠加速度的方法。首先，对原始资料进行净化处理，采用多域、多方法组合压制噪音，提高信噪比；其次，应用多种剩余静校正法联合处理，最大程度减少高频静校正问题的存在，改善地震资料的品质；最后，利用瞬时相位的相关特性，应用统计相位相关法计算速度谱，提高速度求取的精度。该方法获得了较好的成像效果，特别是中深层的构造成像质量有明显改善。

Abstract: The wave field of XC Shale Gas Exploration Area was complex, and the stacking velocity was difficult to obtain. The velocity analysis by superposition energy method could not meet the processing requirements. This paper combined the characteristics of seismic data in the XC Shale Gas Exploration Area, focused on the impact of factors such as low signal-to-noise ratio and near-surface anomalies on the quality of the velocity spectrum, the targeted processing techniques and methods were proposed, a set of methods for precise extraction of seismic stack velocity in XC Shale Gas Exploration Area were summarized. Firstly, the original data were purified and the noise was suppressed by multi-domain and multi-method combination, and the signal-to-noise ratio was improved. Secondly, various residual static correction methods were used for maximally reducing the problem of high frequency static correction and improving the quality of seismic data. Finally, the relevant characteristics of instantaneous phase and the statistical phase correlation method were used to calculate the velocity spectrum, improve the precision of calculating speed. Better imaging results are obtained; especially the quality of structural imaging in the middle and deep layers is obviously improved.

1. 引言

速度分析是地震资料处理中的关键环节 [1] [2] ，速度参数不仅关系到地震资料处理中诸多环节的质量，其本身也提供了关于地下构造和岩性的重要信息。因此，获取准确可靠的速度参数是地震资料处理的中心问题。

目前，我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段，至今尚未对其潜力进行全面估算，页岩气资源有利目标区有待进一步落实，勘探开发还处于“空白”状态。为此，中石化在下扬子区页岩气 [3] 评价有利目标I类区，即XC探区部署了二维地震。其主要勘探目的是落实寒武系(中深层)页岩空间展布特征，确保获得寒武系及以上地层的反射波组，且能够分辨大于50 m的厚页岩层。从已获得的资料来看，页岩层埋深较深，波场复杂，且该区地表起伏剧烈，地震资料信噪比低。因此，地震资料处理中对速度拾取的精准度要求较高，否则会影响叠加、成像的精度。

速度分析的方法有很多，国内外很多学者对此进行了广泛而深入的研究。1969年Turhan和Koehler [4] 首先提出了将基于相似系数的相干准则运用到速度分析中；之后，De Vries和Berkhout [5] 提出了一种基于最小熵的速度分析方法，对绕射能量较强的反射波地震数据可以进行准确的速度拾取；Biondi和Kostov [6] 提出了基于特征值运算的速度分析方法；Simon [7] 提出了一种渐进的线性速度分析方法；吴树初和罗国安 [8] 提出了计算复数道相关速度谱的方法，可以增强相位的一致性；林小竹 [9] 提出的利用协方差算法求取速度谱，不但能提高速度谱的分辨率，还可以减少速度分析的计算量；另外，还有其他学者 [10] - [15] 研究了VTI介质下的速度分析方法以及层速度反演的相关算法等。1996年Morozov和Smisthson [16] 提出了基于相位相关速度分析方法，该方法利用统计假设检验方法计算速度谱，可以有效提高速度谱的分辨率；后来王德利及何樵登等 [17] 对该方法进行过研究，并取得了较好的效果；张军华等 [18] 进一步发展了相位相关速度分析方法，充分说明了该方法的优势。

2. 速度分析基本原理

常用求取叠加速度的方法有2种：速度扫描和速度谱。一般来说，速度扫描法的工作量大且繁琐，而速度谱的求取方法相对更易实现，在速度分析中应用速度谱求取叠加速度的方法更为广泛，同时也对各波组的识别提出了更高的要求。该次研究主要对叠加能量法和统计相位相关法两种方法进行了对比。

2.1. 叠加能量法

叠加能量法是常用的常规速度分析法。固定零偏移距时间d₀进行速度扫描，当扫描速度等于均方根速度时，地震记录的反射信号相位相同，对应最大叠加能量的速度就是要提取的速度。进行速度分析所用的判别准则为平均振幅准则，当平均振幅A能够获得最大值时所对应的速度即为叠加速度。

平均振幅A可以定义为：

$A=\frac{1}{N}{\displaystyle {\sum }_{j=1}^M\left({\displaystyle {\sum }_{i-1}^N{f}_{i,j+r_i}}\right)}$ (1)

其中，M = T/Δt。

式中：N为地震记录的总道数，个；M为总采样点数，个；T是总采样时间，ms；Δt是采样间隔，ms；r表示与动校正存在一定关系的延迟量，1；r_i为第i道的延迟量，1；f_i,j为第i道、第j个采样点的反射波振幅，dB； $f_{i,j+r_i}$ 为第i道、延迟后的第j个采样点的反射波振幅，dB。

2.2. 统计相位相关法

实践证明叠加能量法的抗噪性能较差 [18] ，在页岩气复杂构造区，采用叠加能量法很难提供准确的速度。该次研究利用瞬时相位的相关特性，采用统计相位相关法计算速度谱 [17] 。根据统计假设检验原理，建立2个检验假设(设为R和W)，再根据常规叠加能量的瞬时信息和能量函数计算速度谱。逐点计算速度谱，可以避免与时窗有关的时间分辨率损失，在提高时间分辨率方面明显优于叠加能量速度分析法。算法如下：

1) 设输入的道集为u_ij，表示第i道、第j个采样点。设初始时间为t₀，选定其对应的速度v进行动校正，此时可以得到校正后的道集，再应用Hilbert变换法求取u_ij的瞬时振幅A_ij和瞬时相位μ_ij。

2) 将整个道集分为若干部分，即样点分布分为c组，样点的相位表示为 ${\mu }_{is}\left(i=1,2,\cdots ,n_s;s=1,2,\cdots ,c\right)$ ，且 ${\displaystyle {\sum }_{s=1}^c{n}_s}=M$ ，求取统计量R和W：

$R=\sqrt{{\left({\displaystyle {\sum }_{s=1}^c{U}_s}\right)}^2+{\left({\displaystyle {\sum }_{s=1}^c{W}_s}\right)}^2}$ (2)

$W=2\left({\displaystyle {\sum }_{s=1}^c\frac{R_s^2}{n_s}}-\frac{R^2}{M}\right)$ (3)

其中， $U_s={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{n_s}\cos {\mu }_{is}},W_s={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{n_s}\sin {\mu }_{is}},R_s=\sqrt{U_s^2+W_s^2}$ 。

R假设检验与W假设检验是判断t₀及所选定的v正确与否的标准。当R检验假设概率分布是单峰分布时，代表t₀及所选定的v正确；当W检验假设概率分布在不同偏移距范围内，且都是相同的单峰分布时，代表t₀及所选定的v正确。

3) 计算常规叠加能量的瞬时信息S_B(t, v)：

$S_{\text{B}}\left(t,v\right)=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{M}B\left[{\displaystyle {\sum }_{j=1}^N{u}_{ij}\left(t,v\right)}\right]}}{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{M}L\left\{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^{N}B\left[u_{ij}\left(t,v\right)\right]}\right\}}}$ (4)

式中：u_ij(t, v)为动校正后信号的振幅，dB；t为第i道、第j个采样点道集对应的采样时间，ms；v为第i道、第j个采样点道集对应的速度，m/s；B是瞬时振幅算子，1；L是低通滤波因子，1。

4) 计算能量函数S_RWB：

$S_{\text{RWB}}=\left(\frac{R}{W}\right)S_{\text{B}}$ (5)

最后，根据第3)步和第4)步求得的值，计算速度谱。

3. 应用实例效果分析

影响速度分析精度的因素很多 [19] [20] [21] [22] [23] ，如叠加次数、排列长度、信噪比和静校正等。XC页岩气探区地震资料信噪比低、近地表异常都会对速度谱质量有影响，导致速度谱的分辨率过低，难以识别有效波组的能量团。为此，笔者进行了深入研究和分析，并提出了针对性的处理技术和方法。

3.1. 速度分析的预处理

3.1.1. 提高信噪比处理

信噪比低会降低速度谱的分辨率，不利于速度拾取，限制速度分析的精度。因此，为确保速度分析精度，需要进行地震资料的净化处理。

针对面波、异常振幅、线性进行多域、多方法组合进行压制，有效提高了地震资料信噪比，保护了目的层系的反射波组，最大限度地保留了有效波，确保无过度去噪现象。图1是XC页岩气探区某单炮去噪前、后对比图，可以看出，噪音得到了很好的压制，有效波同相轴清晰可见，反射层有效信息凸显出来，信噪比明显提高。图2为去噪前、后的叠加剖面对比图，可以看出，通过地震资料净化处理后，剖面同相轴连续性加强，信噪比显著改善。

Figure 1. The single shot result before (a) and after (b) denoising

图1. 去噪前(a)、后(b)单炮记录

Figure 2. The profile correlation before (a) and after (b) denoising

图2. 去噪前(a)、后(b)剖面对比图

3.1.2. 剩余静校正处理

高频静校正量的存在可以导致CMP道集同相轴的扭曲，相关特性变差，影响计算能量函数，从而影响速度分析精度，导致求取的速度不准确。

高频静校正量的求取一般依赖多种剩余静校正方法联合解决。XC页岩气探区地震地质条件非常复杂，炮检点布设困难，一定程度上存在炮检点位移现象，且地下介质非均质性强，地震波传播路径复杂。而地表一致性剩余静校正假设地层为水平层状介质，不能满足实际处理的需要。所以实际资料处理中，在采用地表一致性剩余静校正的基础上，通过外部模型控制进行非地表一致性剩余静校处理，最大程度地减少了高频静校正问题的存在，进一步消除了同一CMP道集内各道的残余时差，改善了地震资料的品质。

图3为剩余静校正前、后剖面对比图，可以看出，经过剩余静校正后，叠加剖面上的反射波组更加清晰、连续，同时信噪比得到了很大提高。

Figure 3. The profile correlation before (a) and after (b) residual static calibration

图3. 剩余静校正(a)、后(b)剖面对比图

3.2. 统计相位相关法速度谱的求取

在做好常规处理的基础上，采用上述两种方法进行速度谱求取。通过叠加能量法与统计相位相关法速度谱的对比分析(图4)可知，在统计相位相关法计算的速度谱中，深层的速度能量聚焦性好，能量团更集中，速度趋势走向合理，速度易于确定，明显优于叠加能量法。

Figure 4. The velocity spectrums of different velocity analysis methods

图4. 不同速度分析方法的速度谱

图5是采用叠加能量法和统计相位相关法的叠加剖面对比图，通过对比可以看出，采用统计相位相关法的叠加剖面上，仍保持了相同的浅层地质特征，而中深层的构造成像质量明显改善，同相轴连续性增强，波组特征清楚，层间信息丰富。

Figure 5. The stack profiles of different velocity analysis methods

图5. 不同速度分析方法的叠加剖面

4. 结语

通过对速度分析方法的研究分析，在近地表高差大、岩性差异大、页岩层埋深大、波场复杂的区域，统计相位相关法计算速度谱的效果较好。该方法利用相位信息，不但可以识别较弱波组，且计算过程中不受边界效应影响，纵向的时间分辨率和横向的速度分辨率均较高，抗噪性强，速度谱能量团易于区分，明显优于叠加能量法。应用统计相位相关法的最终成像效果好，中深层的波组成像质量得到了明显提高，满足了复杂波场页岩气探区的勘探要求，为类似探区勘探提供了借鉴。