陆域冻土区地震探测信号提取技术——以青海哈拉湖地区为例
岳航羽1,2, 张凯1,2, 王小江1,2, 王凯1,2,3, 张保卫1,2, 姜春香1,2, 李金丽1,2
1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
2.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000
3.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026
通讯作者:张凯(1985-),男,工程师,硕士,主要从事近地表地震勘探和复杂介质中面波研究工作。Email:naturekai@126.com

作者简介: 岳航羽(1989-),男,助理工程师,硕士,现主要从事地震勘探方法技术的研究与应用工作。Email:yuehangyu@igge.cn

摘要

青海哈拉湖地区的陆域冻土区天然气水合物,其埋藏深度较浅,地震有效信号往往被干扰波淹没,如何从复杂的地震波场里有效提取出与地层、水合物有关的地震反射信号是开展地震资料精细解释和天然气水合物预测工作的前提。为此,详细分析青海哈拉湖地区地震探测原始数据,总结该地区干扰噪声的类型及特点,制定地震信号提取流程,并在叠前道集上逐步采用有针对性的噪声衰减、振幅补偿、反褶积以及叠加等处理技术,压制各类干扰信息,最大程度地保留有效反射信号,提高地震资料的分辨率、信噪比和保真度,更好地为地震资料解释和有利储层预测服务。

关键词: 陆域冻土区; 青海哈拉湖; 地震信号提取; 噪声衰减; 振幅补偿; 反褶积
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1183-07
Extraction technology of seismic detection signal in land permafrost area: A case study of Halahu area in Qinghai
YUE Hang-Yu1,2, ZHANG Kai1,2, WANG Xiao-Jiang1,2, WANG Kai1,2,3, ZHANG Bao-Wei1,2, JIANG Chun-Xiang1,2, LI Jin-Li1,2
1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
2.National Modern Geological Exploration Technology Research Center,Langfang 065000,China
3.College of GeoExploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130026,China
Abstract

The natural gas hydrate in land permafrost of Halahu area in Qinghai is shallowly buried,and seismic effective signal is often submerged by the noise.Reflection signal related to the formation and hydrate can be effectively separated from the complex seismic wave,which is the foundation of seismic detailed interpretation and gas hydrate prediction.In this paper,the field data in Hahahu area are firstly analyzed,and the type and characteristics of the noise are summarized.Then,signal extraction flow is made.Some targeted technologies,such as noise attenuation,amplitude compensation,deconvolution and stack,are used for the pre-stack gathers so as to effectively suppress all kinds of noise and keep the reflected signal to the greatest extent.Seismic resolution,S/N ratio and fidelity of the results are enhanced,which help a lot for the seismic interpretation and gas hydrate prediction.

Keyword: land permafrost area; Halahu in Qinghai; seismic signal extraction; noise attenuation; amplitude compensation; deconvolution
0 引言

天然气水合物作为一种新型的潜在能源, 是煤炭、石油和天然气资源总量的两倍, 主要产于海底沉积物和陆域冻土区[1]。与海底水合物相比, 陆域冻土区水合物勘探开发条件相对简单, 因而国际上十分重视陆域冻土区天然气水合物的调查研究工作; 我国作为世界第三大冻土大国, 在陆域冻土区天然气水合物调查研究上虽然起步较晚, 但是重视程度高、研究成果显著。2008年11月在青海省祁连山南缘木里地区DK-1井发现的天然气水合物实物样品是我国冻土区首次发现天然气水合物, 同时也是世界中低纬度高山冻土区首次发现天然气水合物, 具有重要的科学意义和经济意义[2]

许多科技工作者对冻土区天然气水合物的地质与岩性特征、分布规律以及成藏模式等开展了大量工作, 认为祁连山木里地区构造、气源和温度等条件相对较好, 有利于冻土区天然气水合物勘探研究工作, 水合物储集层岩性多以粉砂岩、油页岩、泥岩和细砂岩为主, 裂隙系统对天然气水合物的分布具有重要控制作用[3, 4, 5, 6]。高原冻土区开展的浅层地震勘探工作较少, 地震勘探有效性试验主要集中在青海木里地区和西藏羌塘盆地, 野外数据采集采用多道地震数据采集系统、大吨位可控震源、高频检波器等地震勘探装备, 小道距、多道数、长排列、高采样率、高覆盖次数的浅层地震勘探观测系统以及静校正、叠前去噪、叠加、偏移等地震数据处理手段, 有利于埋藏较浅的天然气水合物的资源勘查工作[7, 8, 9, 10, 11]

青海哈拉湖地区作为寻找天然气水合物的一个新区, 其所在的哈拉湖坳陷是南祁连盆地内面积最大的坳陷, 现已开展了高精度地震探测天然气水合物的试验研究[12]。该区域的陆域天然气水合物储层相对较浅, 通常埋藏深度在500 m以内, 地震反射波往往出现在单炮记录的近道, 并且基本被面波、声波、震源干扰等完全“ 淹没” , 加之外源机械干扰以及层间多次波等干扰波影响, 单一方法的数据处理手段已经无法满足地震资料精细解释对数据处理的要求, 干扰波类型主要与研究区域的地表形态、采集环境及地下地层结构等因素密切相关[13, 14, 15], 况且业界对青海哈拉湖冻土区地震资料处理的研究工作较少。

文中首先针对青海哈拉湖地区陆域冻土区地震探测信号的资料特点及难点进行详尽分析, 重点针对高原冻土区地震资料中存在的各类干扰噪声制定合理并有针对性的处理流程; 然后, 在原始地震叠前道集上使用不同的方法组成的处理流程, 对该研究区内地震资料中不同的噪声干扰进行针对性的压制, 逐步剔除各类干扰噪声的影响, 最大程度地保留与该研究区地层、水合物等相关的地震有效反射信号, 为有利区域预测提供可靠的数据支持; 最后, 利用叠加处理和叠后数据频谱分析说明地震探测信号提取技术对最终结果的改善程度。

1 研究区概况

哈拉湖位于青海省海西蒙古族藏族自治州东北部, 在天峻县与德令哈市之间, 北纬38° 18', 东经97° 35', 海拔4 078 m。本研究区位于哈拉湖东南方向, 为高原永久冻土区, 区域内地势较平坦, 海拔 4 200~4 300 m之间, 地形起伏不大。研究区内未涉及到基岩出露, 浅层地表主要为松散的风化沉积物、厚度在5 m以内, 地震纵波波速为500~900 m/s; 下伏地层为含砾石的季节性冻土层(夏季波速约为1 000~2 000 m/s, 冬季波速约为2 000~3 000 m/s); 再往下为永久冻土层, 厚度在30~120 m之间, 波速约为2 500~3 000 m/s; 下伏高速岩层的速度在3 000~4 000 m/s甚至更高。为了更好地获取高信噪比、高分辨率的地震资料, 地震勘查采用KZ28AS大型可控震源和Sercel428XL遥测地震采集系统, 采集参数:道距4 m, 炮距8 m, 接收道数800道, 最高覆盖次数200次。

图1 青海哈拉湖研究区地理位置示意

2 原始数据分析

青海哈拉湖地震探测信号提取的效果将直接影响后续地震资料解释的精细程度, 这就要求在提高地震探测信号的信噪比和分辨率的同时, 要尽可能减少对有效信号的损害, 保留原始记录中有效信号的原貌。图2为该研究区域内的原始单炮记录, 是典型的陆域冻土区天然气水合物地震勘探资料。通过观察不难发现青海哈拉湖高原冻土区地震原始资料各类干扰噪声发育、信噪极低, 从原始单炮记录的面貌上看, 存在较强的面波干扰、声波干扰、外源机械振动、可控震源谐振干扰、层间多次波以及背景随机噪声干扰等, 部分记录虽然可见较强的有效反射同向轴, 但波组连续性不强, 严重影响了地震数据记录的质量, 无法满足地震资料解释和有利勘探区预测的要求。因此, 在提取该区地震有效探测信号前, 要对原始数据中的各类干扰噪声进行详细分析。

图2 青海哈拉湖地区典型地震勘探原始单炮记录①— 声波干扰; ②— 面波干扰; ③— 可控震源谐振干扰; ④— 外源机械振动; ⑤— 层间多次波; ⑥— 有效反射波

在青海哈拉湖冻土区, 地震有效反射波与各类噪声干扰在视速度、频率、能量以及干扰范围等存在差异, 这也是后续进行制定有针对性的数据处理手段提取有效地震反射信号的基础。通过细致地分析发现: 该研究区内的声波干扰的视速度为340 m/s,

面波干扰的视速度为1 050 m/s, 可控震源谐振干扰的视速度为1 870 m/s, 有效反射波的视速度为2 500 m/s; 外源机械干扰的频率主要集中在50 Hz, 在单炮记录中主要干扰某几道到某几十道范围, 在青海哈拉湖高原冻土区地震野外采集过程中, 这种外源机械振动主要来自于地震采集过程发电机的影响; 由于高原冻土层的存在, 使得层间多次波较发育, 并且其在形态上与地震有效反射波相似, 不易与有效波区分。

3 信号提取流程

在对陆域冻土区地震探测信号提取前, 需要不断地试验各步骤的前后顺序以及参数选择, 制定出一套适用于高原冻土区地震资料的信号提取流程, 如图3所示即为青海哈拉湖高原冻土区地震探测信号提取流程图。首先, 确定该研究区地震原始数据中各类干扰噪声的类型, 明确每类噪声的特点; 其次, 采用有针对性的信号提取技术, 包括噪声衰减、振幅补偿、反褶积, 逐步对各类干扰噪声进行剔除, 比较各环节前后的差异, 达到最大程度地保留有效地震反射信息、提高资料的信噪比和分辨率的目的; 最后, 通过叠加处理进一步说明地震探测信号提取对最终结果的改善, 更好地为地震资料解释服务。

图3 青海哈拉湖高原冻土区地震探测信号提取流程

4 有效信号提取

从叠前地震道集入手, 利用多步噪声衰减技术剔除声波干扰、面波干扰、可控震源谐振干扰等噪声干扰; 利用地表一致性振幅补偿和真振幅恢复技术分别从横向和纵向上均衡整个单炮记录的能量; 利用串联预测反褶积和多道反褶积技术去除层间多次波和外源机械振动, 最终到达逐步实现对该研究区内有效反射信号的精确提取。

4.1 噪声衰减

青海哈拉湖高原冻土区的地震单炮记录上有多种噪声叠合在一起, 要衰减单炮记录上的噪声, 绝不是使用一种方法就能够解决问题的, 而是需要使用多种方法组合的方式。采用FOCUS5.4地震数据处理平台相应的多步噪声衰减模块进行噪声衰减处理, 通过调试不同参数和方法组合, 确定了包括高能噪声衰减、F-K滤波、空间时间域滤波、带通滤波、低频低速面波衰减、时频域噪声衰减、信号增强等在内的方法, 在不同频率、不同视速度、不同能量范围以及不同函数域下逐步衰减噪声干扰, 旨在重点剔除掉原始地震记录中的声波干扰、面波干扰、可控震源谐振干扰以及部分外源机械振动干扰。

图4所示为某单炮记录噪声衰减前后的效果对比图, 图4a中噪声衰减前的红色、绿色和蓝色箭头分别所指示的面波干扰、声波干扰和可控震源谐振干扰在图4b中得到了有效压制, 被“ 淹没的” 有效反射波得到了清晰地显现, 反射波同向轴的连续性更好, 双曲线特征明显, 信噪比得到提高, 特别是0.4 s、0.6 s和1.2 s处的反射波同向轴表现得尤为明显, 在一定程度上达到了保留地震有效信号、压制部分干扰噪声。

图4 某单炮记录噪声衰减前(a)后(b)效果对比

4.2 振幅补偿

地震波在高原冻土区地下介质传播过程中受到球面扩散和大地吸收作用等因素的影响而发生地震波能量衰减, 同时受到激发条件、接收条件等因素的影响造成地震波能量的空间差异。为了消除这些不利因素, 采用FOCUS5.4地震数据处理平台中对应的振幅补偿模块, 主要从真振幅恢复和地表一致性振幅补偿两个方面对地震道集进行处理。真振幅恢复的目的在于从纵向上消除与反射系数无关的地震波能量损耗和能量差异, 使中深层的反射能量得到合理恢复; 而地表一致性振幅补偿是根据统一规定的振幅归一化标准计算补偿因子, 再应用在各个地震道上, 目的在于使各个地震道之间在横向能量上更加均衡。

图5a和5b分别为某单炮记录振幅补偿前、后的效果对比, 通过比较不难发现振幅补偿处理后整个单炮记录能量更加均衡, 红色和绿色箭头所指处的反射波同向轴连续性更好; 此外, 单炮记录上的中深层能量得到有效恢复, 部分有效反射信息清晰可见, 即高原冻土区地震单炮记录纵向和横向上的能量在一定程度上都得到了合理地恢复。

图5 某单炮记录振幅补偿前(a)后(b)效果对比

4.3 反褶积

受地表地质条件的影响, 地震子波形态(振幅谱和相位谱)在传播过程中往往发生变化。为此, 在保证资料信噪比的前提下, 要采取针对性的反褶积技术措施。反褶积在地震子波整形、压缩子波、提高资料纵向分辨率的同时, 对层间的多次波、虚反射等有很好的压制作用。反褶积质量的好坏直接关系到叠加剖面的质量和成像效果, 为此采用FOCUS5.4地震数据处理平台中串联预测反褶积和多道反褶积模块, 旨在剔除层间多次波的同时提高地震记录的纵向分辨率。

图6所示为某单炮记录反褶积前后的效果对比, 图6a中红色和蓝色箭头所指的层间多次波经过串联预测反褶积和多道反褶积模块处理后得到有效压制, 如图6b所示, 同时反射波同向轴变细, 地震记录的分辨率得到提高。

图6 某单炮记录反褶积前(a)后(b)效果对比

该研究区内的外源机械振动干扰在f-k谱上的能量条带主要分布在50 Hz附近, 并且与有效反射波能量范围及频率范围都存在着部分重合, 虽然容易识别但是较难剔除, 利用单一频率噪声衰减方法无法完全将外源机械振动剔除干净, 同时还会伤及有效反射波能量。为此, 在信号提取过程中需要在F-K滤波的基础上结合预测反褶积方法, 利用两者在相关性上的差异, 采用合理的预测步长, 消除外源机械振动对地震记录的影响, 图7a和图7b分别为某单炮记录上外源机械振动衰减前和衰减后局部放大对比。如图7b中红色箭头所示的外源机械振动得到了有效剔除。

图7 某炮记录上外源机械振动衰减前(a)后(b)局部放大对比

5 叠加效果对比

经过上述有针对性的地震有效反射波信号提取处理, 原始数据的分辨率、信噪比和保真度都得到显著提高, 为了进一步说明处理效果对最终结果的改善程度, 将信号提取前(原始叠加)和信号提取后两部分数据进行叠加处理和叠后数据频谱分析。

图8是利用本套资料进行原始叠加和信号提取后再叠加的地震剖面效果对比。从叠加剖面的整体效果上来看, 经过地震有效信号提取后的叠加剖面的波组特征更加清晰、地层连续性更好、分辨率更高、构造形态更加明显、更多的地质细节得到显现, 十分有利于冻土区天然气水合物的地震解释以及有利层位的预测工作。如图8a和8b中蓝色箭头所指区域的地层, 经过信号提取后得到了显现; 绿色箭头所指的构造界面在图8b上更为明显; 此外, 图8a中两个红色椭圆形框圈定区域中的部分地质信息在图8b中得到了显现。

图9a、图9b分别为原始叠加剖面频谱与信号提取后的叠加剖面频谱, 从两者的频谱对比中不难发现采用信号提取技术后地震叠加剖面的有效频带宽度得到了拓展, 主频得到了提高, 从35 Hz提升到了50 Hz, 频谱效果对比进一步佐证了采用有针对性的地震有效反射波信号提取技术对地震原始数据质量的改善。所得结果十分有利于青海哈拉湖地区的地震资料精细解释工作, 并且为该区域天然气水合物有利区的预测提供了高质量的地震数据保障。

图8 原始叠加剖面(a)和信号提取后的叠加剖面(b)效果对比

图9 原始叠加剖面频谱(a)和信号提取后的叠加剖面频谱(b)对比

6 结论

文中以青海哈拉湖地区为应用实例, 研究地震探测信号提取技术对陆域冻土区原始地震资料的应用效果, 分析并总结该研究区地震原始资料特点及难点, 利用FOCUS5.4地震数据处理平台, 采用针对性有效信号提取技术, 组合各类处理手段压制噪声干扰, 最大程度地保留有效反射波。

1) 采用多步噪声衰减, 利用噪声干扰与有效反射波在频率、视速度、函数域、干扰范围等的差异, 重点对面波干扰、声波干扰、外源机械振动、可控震源谐振干扰进行压制, 提高地震资料的信噪比; 利用真振幅恢复和地表一致性振幅补偿从横向和纵向上均衡整个单炮记录的能量, 进一步恢复中深层能量, 使有效反射信息清晰可见, 一定程度上有利于振幅的保真度; 串联预测反褶积和多道反褶积, 旨在剔除地震记录中的层间多次波和外源机械振动, 同时提高地震记录的分辨率;

2) 叠加效果和叠后频谱分析进一步佐证了有效反射波信号提取技术对地震原始数据质量的改善, 采用信号提取后的叠加剖面波组特征更加清晰、地层连续性更好、分辨率更高、构造形态更加明显、更多的地质细节得到显现; 同时, 拓展了有效频带宽度, 主频也得到了提高, 逐步实现了对该研究区地震信号的精确提取, 为研究区地震资料精细解释及天然气水合物富集区域预测提供真实可靠的数据支持。

(本文编辑:叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

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