高原凍土地表地震勘探技術(shù)及應(yīng)用

摘" 要：青藏高原是國(guó)家的能源戰(zhàn)略后備區(qū)之一，油氣資源儲(chǔ)藏豐富，但表層凍土發(fā)育，地震波場(chǎng)復(fù)雜，油氣地震勘探面臨諸多挑戰(zhàn)。針對(duì)青藏高原凍土地表特點(diǎn)，一是采用“低頻可控震源激發(fā)、高密度寬線觀測(cè)、長(zhǎng)排列+小組合接收”技術(shù)，克服凍土對(duì)中深層的反射能量屏蔽和噪音干擾，降低地震工程作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響；二是通過(guò)低信噪比初至處理技術(shù)、高精度約束層析反演技術(shù)、空變多域初至波剩余靜校正技術(shù)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(lái)的靜校正問(wèn)題；三是采用基于凍土層有效反射頻帶的去噪技術(shù)、基于AMT反演約束的凍土層速度拾取技術(shù)、基于分偏移距疊加成像的精細(xì)切除技術(shù)，有效去除凍土地表噪音影響，指導(dǎo)速度拾取和精細(xì)切除。上述技術(shù)可以獲得高品質(zhì)的地震資料，為油氣及礦產(chǎn)資源等地震勘探奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：凍土；低頻震源；靜校正；地震成像；青藏高原

中圖分類號(hào)：U455.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(lái)，由于青藏高原的特殊戰(zhàn)略地位和中國(guó)能源安全戰(zhàn)略的調(diào)整，國(guó)家高度重視青藏高原的能源勘探工作。然而，青藏高原的強(qiáng)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(tài)環(huán)境、異常復(fù)雜的油氣地質(zhì)條件，對(duì)傳統(tǒng)的油氣地震勘探技術(shù)的適用性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)：一是生態(tài)脆弱環(huán)境自我修復(fù)能力差，傳統(tǒng)的鉆井炸藥激發(fā)和大規(guī)模的機(jī)械化施工等作業(yè)方式對(duì)環(huán)境傷害大；二是表層凍土發(fā)育，凍土對(duì)地震波能量屏蔽嚴(yán)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(huán)保的采集方法為基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)展高密度寬線觀測(cè)、寬頻激發(fā)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(shù)，為油氣及礦產(chǎn)資源勘探提供了資料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1" 技術(shù)方法

1.1" 凍土地表地震采集技術(shù)

青藏高原凍土帶分為季節(jié)性凍土和永久性凍土。季節(jié)性凍土隨溫度變化而變化，夏季溫度高，凍土?xí)鈨觯練鉁亟档?，凍土冰凍固結(jié)。一般分布在季節(jié)性河流、向陽(yáng)山坡，縱向厚度大都在0～200 m以內(nèi)。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(shí)，氣溫仍然在凍點(diǎn)以下， 凍土處于固結(jié)狀態(tài)，主要分布在相對(duì)較高海拔低溫區(qū)、背陽(yáng)山坡，縱向厚度（0～300 m），速度高（可達(dá)4 000 m/s以上）、強(qiáng)非均質(zhì)性明顯、空變劇烈[1]。

1）低頻可控震源激發(fā)技術(shù)。針對(duì)高原高寒氣候影響生態(tài)環(huán)境脆弱、高原區(qū)特有凍土層引起地震波下傳激發(fā)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(fā)思路，利用低頻信號(hào)穿透性強(qiáng)、衰減慢的特點(diǎn)[2]，在青藏高原采用低頻可控震源激發(fā)方法，并優(yōu)化了可控震源關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)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(duì)環(huán)境保護(hù)的程度，杜絕了炸藥對(duì)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(cè)技術(shù)。針對(duì)羌塘盆地褶皺地層和逆掩斷層發(fā)育，復(fù)雜變形構(gòu)造地震資料難以成像的難題，開(kāi)展數(shù)值模擬正演分析，明確了通過(guò)長(zhǎng)排列觀測(cè)，有效增加陡傾地層、斷層的反射信息；針對(duì)復(fù)雜波場(chǎng)、低信噪比資料難以建立速度場(chǎng)，通過(guò)增加橫向覆蓋次數(shù)提高繞射波收斂度和散射波壓制能力；針對(duì)大斷層和陡地層的能量屏蔽，通過(guò)大幅度提高覆蓋密度[3]，為提高陡構(gòu)造帶疊前偏移成像質(zhì)量奠定基礎(chǔ)；在高密度基礎(chǔ)上，增加二維觀測(cè)系統(tǒng)的橫向孔徑，為改善褶皺高陡成像質(zhì)量提供條件。

3）小組合接收技術(shù)。首次利用盒子波試驗(yàn)，在室內(nèi)抽取共接收點(diǎn)道集（圖2），從中分析見(jiàn)到相應(yīng)的干擾波，通過(guò)雷達(dá)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(zhǎng)等信息[4]，如圖3所示某炮的干擾波方向（沿著觀測(cè)方向0°）分布方位圖，驗(yàn)證了凍土帶地表散射干擾波的多方向性，同時(shí)采用小道距接收，形成了基于噪音特點(diǎn)的小組合接收技術(shù)，轉(zhuǎn)變了噪音壓制思路。實(shí)踐證明，采用單串檢波器方形小組合與高密度寬線觀測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外一體化壓制噪音，也極大地降低了野外工作量和對(duì)環(huán)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(shù)。一是通過(guò)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(yīng)凍土帶初至波場(chǎng)的復(fù)雜性，提高初至可辨度；二是通過(guò)與相鄰炮對(duì)應(yīng)的道垂直疊加，消除干擾，增加初至信噪比；三是對(duì)初至遭到隨機(jī)噪音污染的單炮、嚴(yán)重衰減的單炮，借用自身或者相鄰炮對(duì)應(yīng)道初至進(jìn)行延拓，適應(yīng)凍土帶初至衰減嚴(yán)重的情況，拓寬初至拾取范圍。

2）高精度約束層析反演技術(shù)。采用CMP域分層約束反演技術(shù)，利用初至數(shù)據(jù)的空間連續(xù)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(yīng)凍土帶速度空變嚴(yán)重的情況，有效控制凍土橫向速度的變化；同時(shí)采用多尺度網(wǎng)格層析反演技術(shù)，提高反演的穩(wěn)定性和精度，適應(yīng)凍土帶速度波場(chǎng)復(fù)雜、異常體發(fā)育的情況，提高對(duì)速度的刻畫(huà)精度；采用限偏移距層析反演技術(shù)，針對(duì)不同區(qū)域凍土速度高低特點(diǎn)，采用相應(yīng)的初至偏移距范圍來(lái)反演，適應(yīng)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(shù)。針對(duì)凍土帶速度的空變特點(diǎn)，選擇不同的初至偏移距范圍計(jì)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(wèn)題；采用多域初至波剩余靜校正技術(shù)，通過(guò)多域統(tǒng)計(jì)迭代，保證剩余量的穩(wěn)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(wèn)題得到了較好的解決（圖4）。

1.3" 凍土層地震成像處理技術(shù)

1）基于凍土層有效反射頻帶的去噪技術(shù)。由于凍土層埋藏淺，在淺表層覆蓋次數(shù)低，低頻面波、高頻折射和異常振幅信號(hào)混雜，現(xiàn)有的處理方法很難將這些噪聲壓制干凈。通過(guò)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(chǔ)上，注重保護(hù)低頻，通過(guò)多域、多方法、分區(qū)域聯(lián)合去噪，遵循先強(qiáng)后弱，先隨機(jī)后規(guī)則的原則，最大限度地去除噪音能量，突出有效信號(hào)能量，達(dá)到盡可能提高凍土底界地震反射信號(hào)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(jiàn)有效反射。

2）基于AMT反演約束的凍土層速度拾取技術(shù)。在最大限度保留近道信號(hào)的基礎(chǔ)上，合理地對(duì)拉伸畸變進(jìn)行切除，消除拉伸畸變對(duì)成像和速度分析的影響。通過(guò)AMT反演并結(jié)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(nèi)對(duì)其進(jìn)行多方面的速度分析，可以得出研究區(qū)凍土層的一個(gè)大概速度，以此速度為基準(zhǔn)，對(duì)淺表層進(jìn)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(xì)切除技術(shù)。凍土層反射偏移距范圍的精細(xì)切除技術(shù)。凍土層所在淺表層偏移距范圍小，對(duì)切除非常敏感，切除多了極易將凍土層的反射信號(hào)切掉，造成凍土層的地震信號(hào)不成像；切除少了則會(huì)留下較多拉伸畸變，在地震剖面上表現(xiàn)為拉伸畸變的成像，而非有效反射信號(hào)的成像。通過(guò)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(dǎo)精細(xì)切除[6]。

2" 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)以上技術(shù)措施的實(shí)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(lái)看，主要目的層反射特征清楚，淺層構(gòu)造輪廓清晰。圖6為羌塘盆地凍土帶某地區(qū)相同位置新（圖6（a））老（圖6（b））地震剖面，采用本次技術(shù)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(xù)性好，可連續(xù)對(duì)比追蹤，為后期的資源勘探開(kāi)發(fā)奠定了較好的資料基礎(chǔ)。

3" 結(jié)束語(yǔ)

采用低頻可控震源激發(fā)，解決了該區(qū)凍土層引起地震波場(chǎng)下傳能量屏蔽和激發(fā)能量弱的問(wèn)題，有效降低勘探成本和環(huán)境保護(hù)壓力；采用高覆蓋、小組合、小道距寬線長(zhǎng)排列觀測(cè)技術(shù)提升淺層凍土及褶皺地層成像品質(zhì)；初至層析反演綜合靜校正技術(shù)，有效解決了凍土地表強(qiáng)非均質(zhì)結(jié)構(gòu)引起的長(zhǎng)短波長(zhǎng)靜校正問(wèn)題；疊前多域綜合噪聲壓制、精細(xì)處理成像配套技術(shù)有效提高了凍土層地震剖面成像質(zhì)量。

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