砂岩型铀矿勘探的浅层三维地震资料针对性处理方法

2020-12-16雷安贵孙章庆董兵波高树生

世界地质 2020年4期

雷安贵，孙章庆，董兵波，高树生

1.中石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010；2.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

国际原子能机构2013年公布统计结果表明89%的砂岩型铀矿与含油气盆地共生。中国伊利盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地以及二连盆地发现的大型或超大型铀矿床也不例外[1]。随着砂岩型铀矿勘探开发的不断深入，地震勘探技术越来越受到铀矿地质工作者的关注。而相比于石油、煤炭领域[2--4]，地震勘探技术应用于砂岩型铀矿勘查的时间较晚，经验不足。在国内砂岩型铀矿勘探中，只针对重点地区开展了少量二维浅层地震资料采集、处理、解释及储层预测工作[5--7]，而国外也只是在个别地区针对铀矿勘查进行了少量三维采集。其原因在于铀矿勘探相对于石油勘探是低成本勘探。因此，怎样将油田采集的高成本三维地震资料应用于铀矿勘查就显得尤为重要。

2000年之前，铀矿地震勘探技术的应用研究成果很少，仅有核工业北京三所(现核工业北京地质研究院)等少数单位从事该方面的技术试验和理论研究。进入21世纪，随着铀矿勘查投入不断增加，核地矿系统单位应用地震勘探技术在最主要的三大产铀盆地(伊犁盆地、鄂尔多斯盆地和二连盆地)开展了一定量的砂岩型铀矿二维地震勘探工作，取得了一定的技术研究成果和应用成效[8]。2012年核工业北京地质研究院徐贵来等针对二连盆地铀矿埋藏浅等特征，提出了二连盆地砂岩型铀矿超浅层地震数据处理技术，拓展了浅层地震数据处理的思路，其使用低频检波器接收地震波尽量保留面波信息，利用面波数据反演浅层速度，但是反演的深度有限，精度有待提高[9]；2014年，潘自强等针对伊犁盆地地震数据处理中的关键技术方法进行了较深入研究，主要包括静校正、叠前叠后去噪、反褶积、速度分析、偏移等处理过程及相关处理参数的试验，建立了合理的处理流程，进行实测数据处理，取得较好的效果[10]；2015年，吴曲波等在二连盆地开展了核地矿系统第一片三维地震工作，面积10.89 km2，建立了一套较适用于砂岩型铀矿的三维地震勘探技术体系，从此也翻开了核工业系统三维地震的新篇章[11]；2015年和2016年，吴曲波等以二连盆地齐哈日格图凹陷为试验区，开展基于锤击震源的小折射地表调查试验研究，得到了一套适用于该区的锤击小折射法的观测系统参数，并开展了实际地表调查工作，锤击小折射解释结果与井炮小折射记录的解释结果、钻孔资料和高密度电法测量结果具有较好的对应关系，精度较高，据此建立了一套快速、有效、经济的地表调查方法[12--13]； 2016年，吴曲波等针对鄂尔多斯盆地北部砂岩型铀矿地震勘探的难点，开展地震数据采集、处理和解释技术试验及应用研究，通过大量的野外地震勘探和处理解释试验工作，总结了适用于该区砂岩型铀矿的地震探测技术手段，提高了地震方法在该区砂岩型铀矿勘查中的应用效果[14]。

这些研究工作对于推进砂岩型铀矿地震勘探技术的进步和应用效果的提升，均作出了一定的贡献。但是，相比于常规石油和煤炭地震勘探，砂岩型铀矿地震勘探过程中却存在勘探目标层埋藏浅、地震资料信噪比低、有效地震信息较微弱和“甜点”识别难度较大等问题[15]。此外，在目前已有的面向砂岩型铀矿的地震勘探技术研究工作中，专门针对已进入铀矿开发阶段的松辽盆地钱家店典型矿床的相关研究工作却很少。松辽盆地钱家店典型矿床覆盖着面向油气勘探与开发而采集的三维地震资料，这为该项技术的研究奠定了很好的数据基础。近些年辽河油田在辽河外围的铀矿勘探中进行了大胆尝试，针对浅层地震资料的特点，采用相应技术手段，处理了一批以浅层为目的的三维地震资料。但是到目前为止，还没有形成一系列针对砂岩型铀矿勘探的浅层地震数据处理方法。鉴于此，笔者专门针对该问题开展分析浅层地震资料处理存在问题及处理难点，并提出一系列针对性处理方法，分析了这系列方法的处理效果。

1 难点分析与针对性处理方法

1.1 存在问题及处理难点

与油气藏相比，砂岩型铀矿埋深要浅的多，辽河外围砂岩型铀矿床埋深100～700 m。因此，以油气勘探为目的的地震处理成果用于砂岩型铀矿勘探，主要存在问题：浅层覆盖次数低、信噪比低、分辨率低，且切除往往不够精细，难以满足浅层砂岩型铀矿勘探需要。

根据浅层地震资料的特点以及铀矿勘查对地震资料的要求，面向砂岩型铀矿勘探的浅层三维地震资料处理主要存在的难点：

(1)静校正问题。静校正问题的存在会导致同相轴相位不一致，从而降低地震资料信噪比和分辨率[16--17]，而且静校正误差对中、高频的影响更大，试验数据分析4 ms的静校正误差能导致中、高频部分频率降低15 Hz±，而中浅层地震资料又恰恰是一些中、高频的响应。因此，解决好资料中的静校正问题，特别是中、高频部分的静校正问题是浅层资料处理中一个非常关键的环节。

(2)近地表高频吸收衰减问题。近地表介质沉积疏松，速度、厚度横向变化大，对地震波有强烈的吸收作用，高频成分衰减更加严重，导致地震记录分辨率降低[18--20]。另外，由于近地表介质的空变吸收和频散作用，会造成子波能量和相位的不一致，影响叠加成像以及保真度，特别是对于浅层资料有着更为明显的影响。

(3)叠前数据规则化处理。地震数据采集过程中，由于采集方式的不规则，地震中采集到的中小偏移距信息较少，浅层资料覆盖次数偏低，特别是在一些地表障碍区无法进行有效采集，浅层豁口较大。因此必须借助后期室内处理，通过叠前数据规则化插值处理，弥补浅层资料采集不足，从而提高浅层资料的信噪比和分辨率。

(4)反褶积处理及叠后拓频处理。反褶积的作用主要是提高地震资料横向一致性和纵向分辨率，在保证一定信噪比的前提下，尽可能地提高资料的分辨率，同时又保持好反射同相轴的波组特征，以利于构造解释和岩性反演处理，反褶积处理和叠后拓频处理是提高浅层资料分辨率的关键技术。

针对上述存在的问题及处理难点，详细阐述针对性处理方法，包括：精细模型法静校正、近地表吸收补偿方法、串联反褶积方法、叠前数据规则化方法和叠后拓频处理方法这5个方面的内容。

1.2 针对性处理方法

针对目的层地震资料的特点以及砂岩型铀矿勘探的需求，需要在常规地震资料处理的基础上，开展专门的针对性处理方法。

1.2.1 精细模型法静校正

在做好精细的常规的数据预处理、观测系统定义等工作基础上，鉴于辽河外围地震资料静校正问题突出，需要做好静校正处理。辽河外围资料原始单炮直达波具有频率低、波形发散快、初至之前干扰严重及视速度不唯一的特点，给表层模型的精确建立带来困难，且会导致计算出的静校正量严重失真。为解决这一技术难题，处理中采用微测井方法求取的静校正低频分量，并结合折射波方法求取的高频分量来消除静校正问题对地震资料品质的影响。

在折射波静校正量计算之前，准确地求取近地表速度模型是关键。在此，采用表层模型法静校正为主，多系统联合，互相验证的方式。其中表层模型法静校正是采用小波变换与Lipschitz指数计算相结合的方法自动拾取初至时间；利用拾取的初至信息，采用遗传算法和梯度法相结合的非线性反演方法求取走时等效的近地表模型，遗传算法保证全局收敛，梯度法则提高了计算速度。此外，选择合适的基准面，利用所求取的等效模型能够计算得到准确的静校正量[21]。精细模型法静校正有以下几个特点：①采用梯度--遗传算法相结合，不依赖初始模型就能准确求取近地表模型，同时保证快速的全局收敛；②采用小波奇异值法自动拾取初至，具有很好的抗干扰能力，提高了初至拾取的效率与精度；③只用较少的初至信息即可求取高精度的近地表模型，极大地减少了初至拾取工作量。

a.原始叠加剖面；b.折射波静校正后的剖面。图1 折射波静校正应用前后叠加效果对比Fig.1 Comparison of pre-stack and post-stack effects in refraction wave static correction

如图1所示，从外围陆东地区实际地震资料应用效果来看，采用微测井方法求取的静校正低频分量结合折射波方法求取的高频分量和多次自动剩余静校正迭代处理，基本消除了近地表异常引起的静校正问题。对比分析静校正前(图1a)、后(图1b)的地震剖面，可以清晰地发现，经过本文静校正处理后的地震剖面同相轴更加连续，明显去除了由于近地表问题引起的静校正问题。尤其如图1所示的白色矩形圈定的区域，经过静校正后的地震剖面同相轴连续性更好，更符合地质理论上的地层形态，为后续其他处理环节打下了基础。

1.2.2 近地表吸收补偿方法

近地表层吸收和频散主要与Q值和传播时间这两个量有关，若传播时间相同，则Q值越大吸收越小；若Q值相同，则传播时间越大吸收越大[22]。由于表层结构的空间变化较大，因此表层Q值和传播时间必然存在一定的空间变化，除了补偿表层吸收和进行相位校正外，表层补偿的一个重要目的是改善表层空变吸收引起的波形不一致。因此，首先要求取该地区的表层空变Q值和传播时间。

在此，采用改进的峰值频率偏移法来计算表层Q值。该方法利用地震数据的频率属性，比利用振幅属性的方法稳定性更好；且在求取数据峰值频率时，采用先求主频，通过主频与峰值频率之间的转换公式求峰值频率，进一步提高了方法的稳定性。方法在采用稳定补偿方法的同时补偿能量吸收和校正相位，对能量的补偿引入了稳定因子，有效限制了高频噪音的补偿。处理中获取的表层Q值，与表层结构相关性好，符合表层结构的空间变化规律。

a.补偿前；b.补偿后。图2 近地表补偿前后偏移效果对比Fig.2 Comparison of migration effects before and after near surface compensation

如图2所示，从实际资料的补偿效果来看，近地表吸收补偿方法通过对数据相位的调整，合理恢复了波形形态；针对表层的空变吸收补偿，采用自适应计算增益限制参数的方法，大大改善了数据的一致性。最重要的是该方法合理拓宽了有效频带，补偿提高了分辨率。如图2a和b所示，对比分析近地表吸收补偿前(图2a)、后(图2b)，尤其是图2中白色矩形圈定的区域，经过近地表吸收补偿后的剖面，高频成分得到了明显的补偿，进而使地震数据的分辨率有了大幅度的提高，这对后续砂岩型铀矿的储层描述尤为重要，因为其大多成藏于沉积盆地的薄互层地层中。

1.2.3 串联反褶积方法

在反褶积试验中分别对单道预测反褶积、相位反褶积及多道地表一致性预测反褶积等方法与参数进行试验。在反褶积试验中，坚持一个原则，在保证目的层位信噪比的基础上，尽可能提高分辨率，拓宽频带。单道的反褶积往往由于资料信噪比低，提取的地震子波抗干扰能力弱，无法满足这样的要求。而多道地表一致性反褶积提取的地震子波抗干扰能力强，能消除共炮点、共检波点、共CMP点和共炮检距域中在振幅、相位上的差异，使整个工区单炮记录在振幅、相位上保持一致。经过反复试验，最终采用如下两个方案：①利用地表一致性反褶积改善地震子波的横向一致性；②利用预测反褶积达到展宽频带、提高分辨率的目的。

a.原始数据；b.地表一致性反褶积后；c.串联预测反褶积后；d.上述a(黑色曲线)、b(红色曲线)、c(蓝色曲线)地震数据对应的频谱曲线。图3 反褶积前、后的地震剖面及频谱分析Fig.3 Seismic profile and spectrum analysis before and after deconvolution

如图3所示，地表一致性反褶积从共炮点、共检波点、共偏移距和共中心点4个分量统计子波，消除不同炮点、检波点、偏移距和中心点等因素引起的子波波形畸变，从而调整子波振幅谱，使之趋于一致，同时可以使低信噪比资料的信噪比有所改善(图3b)。在统一子波，保证资料信噪比前提下，采用地表一致性反褶积和预测反褶积组合逐级压缩子波，在提高了地震资料纵向分辨率的同时，又较好地保持了地震资料的信噪比，实现了信噪比和分辨率的平衡(图3c)。如图3d所示，对比分析原始数据(图3d黑色曲线)、地表一致性反褶积(图3d红色曲线)后和串联预测反褶积(图3d蓝色曲线)后的地震数据的频谱图，可以发现地表一致性反褶积的频带宽度在低频和高频段部分都有一定程度的提高，而串联上预测反褶积后的频带宽度在低频和高频段均有更大幅度的提高。综上所述，串联反褶积对地震数据的纵向分辨率的提高有很大的帮助。

1.2.4 叠前数据规则化方法

浅层地震资料由于覆盖次数低，受地表条件及采集方式影响大。因此，针对浅层资料的叠加、成像处理一定要做好叠前数据的规则化处理，避免数据不规则导致的横向振幅相对关系失真或是产生偏移画弧假象，并可能因此最终导致铀储层认识上的错误，造成严重后果[23]。

a.规则前；b.规则后。图4 规则化处理前后偏移效果对比Fig.4 Comparison of migration effects before and after regularization processing

如图4所示，本次研究中采用了共偏移距矢量体面元划分以及相应的数据规则化处理技术，取得了很好的效果。共偏移距矢量体面元划分主要是通过扩大共偏移距范围，增加方位角控制，从而使规则化处理后的数据更精确，避免了以往面向油气储层的地震资料处理中没有方位角控制的规则化处理对断层及微构造影响较大的缺点。另外，本次所采用的数据规则化技术则主要是通过抗假频傅里叶数据重构，对矢量体面元上缺失的道进行插值重构，然后再反变换回去规则化输出。该方法保真效果好，能有效解决中小偏移距数据缺失产生的振幅失真或偏移画弧现象，从而使铀储层关键部位的断裂、断点成像更加精确可靠。对比分析数据规则化前(图4a)、后(图4b)的地震剖面，可以清晰地发现：原始地震数据中缺失的部分被重构了出来，并且重构部分和相邻的原始数据之间没有明显的差异性，规则化的数据更加的完整，这对后续地震数据的解释非常重要，尤其是对面向浅层目标层的砂岩型铀矿的精细构造解释和储层描述更为重要。

1.2.5 叠后拓频处理方法

根据铀矿勘探地质需求，采用匹配追踪法拓频处理技术，对浅层低信噪比资料的拓频处理。该方法采用基于Mallat提出的匹配追踪法的维格纳能量分布，对信号进行时频分析。可以较精确并直观地给出各道中时频分布情况，由于有效波在时频能量分布图中具有特征，因此很容易从能量分布图中识别出有效波，并提取各道有效波的时间范围[24]。

a.拓频前地震剖面；b. 拓频后地震剖面；c.拓频前(黑色曲线)、后(红色曲线)地震数据的频谱分析。图5 叠后拓频前后剖面对比及目的层频谱分析对比图Fig.5 Comparison of cross sections before and after post-stack frequency expanding and comparison of spectrum analysis of target strata

如图5所示，该技术的优势是低频不损失，频带得到了极大拓宽，处理后的波形特征和波组特征自然，无高频谐振现象。从拓频处理后的定量分析结果上也得到了充分的验证：对比分析图5a和5b，发现拓频处理后浅层目的层的分辨率得到大幅提升，主频由原来老剖面30 Hz±(图5c黑色曲线)提高到新剖面的60 Hz±(图5c红色曲线)；同时频带宽度也有大幅度提高，由原来的0～70 Hz(图5c黑色曲线范围)提升到了0～120 Hz(图5c红色曲线范围)。

a.老剖面；b.新剖面。图6 处理前后剖面对比图Fig.6 Comparison of cross sections before and after processing

2 处理效果及应用

如图6所示，通过上述针对性的浅层目标处理，浅层铀矿勘探目的层的信噪比和分辨率得到了大幅提升。对比分析处理前后的新(图6b)、老(图6a)成果地震剖面可以清晰的发现：各目的层的波组特征更明显，层间信息更丰富。尤其对比分析图6a和6b中，白色矩形框圈定的区域，新处理后地震剖面的信噪比和分辨率均有很大程度的提高，新处理后的成果剖面能更加满足后续面向砂岩铀矿勘探的层位追踪对比度，为后续的构造解释、铀储层反演和矿体预测打下坚实的基础。