我国煤层气资源量丰富，开发利用煤层气，对改善煤矿安全生产条件、缓解常规油气供应紧张状况具有十分重要的意义(秦勇等, 2012; 张政等, 2014).煤层气地震勘探的目的是利用地震波运动学和动力学特征来研究煤岩层岩性，特别是查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度、构造，煤的分布和厚度(陈信平等, 2013)，这都要求高质量地震信号及地层速度模型.然而，我国富含煤层气地区如沁水盆地、鄂尔多斯盆地等，地表层大多为黄土覆盖且厚度变化剧烈，速度分布无规律(张政等, 2014).受地表、地貌条件的限制，导致地面地震勘探激发、接收条件差，单炮记录能量弱、信噪比低、面波和多次折射干扰严重(胡明顺，2013).逆垂直地震剖面RVSP(Reverse vertical seismic profiling)(赵茂强, 2010; 王涛, 2011; Yin et al., 2014, 2015)探测技术作为地面地震和常规垂直地震剖面VSP (Vertical seismic profiling)(朱龙生, 2003; 金红娣等, 2015)技术的延伸与拓展，采用井中激发、地面接收的观测方式，其优点是可在煤层气储层附近直接激发地震波，缩短地震波传播路径，减少近地表附近的吸收和噪声影响，接收信号具有信噪比高、波的运动学和动力学特征明显等优势(王涛, 2011; 胡明顺, 2013).结合层析成像技术(王涛, 2011; 孟凡顺, 2013; 童平, 2015)可以得到精度较高的速度资料(孟凡顺等, 2013)，为后续的静校正以及速度分析等处理工作提供准确的速度模型，本文在前人研究的基础上，建立RVSP正演地质模型(田小波等, 2004; 周黎霞和颜其彬, 2011)，对RVSP波场特征进行分析，采用层析成像方法实现模型速度场重建(刘盛东和李承华, 2003; 段心标和金维浚, 2007)，将理论研究成果运用到煤层气复杂地区，获得全区速度信息，并对实际RVSP资料进行静校正处理，效果明显，说明该方法在复杂地区重建速度模型准确可靠.

常规VSP方法采用地面激发地震波，井中不同深度接收，其检波器级数有限且价格昂贵(胡明顺, 2013; Kim et al., 2013).为了提高工作时效，降低成本，发展了如图 1所示的RVSP观测方式，即井中激发地震波，地面布置检波器进行接收(Ragozin et al., 2011; 胡明顺, 2013).井中激发地震波受地表条件和环境影响相对较小，能够弥补地面地震勘探的不足，地面检波器只接收由下而上传播的上行波，包括震源产生穿透地层的直达上行波以及由地层反射或多次反射后到达的反射上行波(胡明顺, 2013)，避开VSP波场分离难题.RVSP地面大量布设检波器有利于采用规则化观测系统，如图 2所示为RVSP地面不同观测方式俯视图，不仅提高了信噪比而且最大限度地降低了面元数据体的缺失，获得丰富的数据信息提高解释精度(Ragozin et al., 2011; 胡明顺, 2013; Kim et al., 2013).

图 1

Figure 1

图 1 RVSP观测方式示意图 Figure 1 Schematic diagram of RVSP observation ways

图 2

Figure 2

图 2 RVSP地面观测系统 (a)线型观测；(b)环型观测；(c)放射状观测. Figure 2 Surface observation system of RVSP (a)Linear observation; (b)Ring observation; (c)Radial observation.

本文在RVSP探测技术基础上，采用SIRT(Kanlı, 2009) 反演方法实现复杂地区速度重建，即以实际初至波走时与理论走时的残差作为目标函数，迭代反演速度修正值，对所述初始速度模型进行修正直至满足精度(Kanlı, 2009; Julian and Foulger, 2010; 蔡武等, 2016).具体通过以下步骤实现：

(1) 以S_j表示初始模型中的第j个网格的慢度，第k个炮点对应N_k个接收点，其中j=1, 2，…M，M为总的网格数量，k=1, 2, …, Num，Num为总的炮点数量.

(2) 根据射线追踪方法计算第k个炮点对应的接收点的理论走时P_n，公式为

(1)

式中，a_nj表示各条射线在各个网格内的路径长度.

(3) 计算第k个炮点对应的接收点的实际初至波走时T_n和理论走时P_n之间的残差Δt_n，公式为

(2)

(4) 由公式计算慢度修正量，然后计算获得新的慢度向量s_j⁽ⁱ⁾(j=1，2，…M)，其中i表示迭代次数.

SIRT反演方法不是逐个方程对慢度向量S_j(j=1，2，…M)，而是在一次迭代中使用所有方程数据同时参加对慢度向量S_j(j=1，2，…M)的修正.在给定了慢度向量的初始值S_j⁰(j=1，2，…M)之后，第n个射线对应的慢度修正量用公式可以表示为

(3)

利用上面介绍的公式，我们将所有射线方程对同一个象素单元的慢度修正量作了平均之后，再作为这个像素单元网格的慢度修正量.因此，我们就得到了SIRT反演方法第i次迭代的慢度修正量为

(4)

其中，M_j表示射线经过第j个网格的次数，即射线密度.但进行了i次迭代修正后，第j个网格的慢度表示为

(5)

同样地，i从1开始递增，每次迭代结束判定迭代结果是否满足预定误差的要求，满足则停止迭代，不满足否则进入下一次迭代(Kanlı, 2009).

目前我们对RVSP的波场认识很大程度上都是基于常规VSP，然而由于两者观测方式不同，它们的波场特征必定存在差异.利用射线理论追踪RVSP波场传播路径，研究其运动学特征，为层析反演奠定基础.为了考查弹性波在RVSP系统中的传播规律，采用高阶有限差分算法(田小波等, 2004; 周黎霞和颜其彬, 2011)模拟分析RVSP观测系统中地震波传播特征，指导实际RVSP资料中的波场识别.

设计如图 3所示的RVSP观测层状地质模型，具体参数如表 1.RVSP观测系统参数：排列长度为1000 m，检波点沿地面布设，道间距5 m，共201道，井口水平坐标为500 m，井深600 m，炮间距10 m，从井深50 m开始，由下至上共放56炮.子波频率为80 Hz，采样间隔为0.25 ms，记录长度600 ms.本文利用试射法追踪地震波传播路径，同时采用高阶有限差分弹性波方程数值模拟方法获得RVSP波场传播快照和地震记录，对RVSP地震波的产生和传播机制进行了分析，最后拾取记录初至，用层析成像方法重建速度模型，验证该方法的可行性.

图 3

Figure 3

图 3 RVSP层状地质模型 Figure 3 Layered geological model of RVSP

表 1 (Table 1)

表 1 层状模型参数表 Table 1 Layered model parameters table

表 1 层状模型参数表 Table 1 Layered model parameters table

RVSP射线理论能够研究井中地震波传播的轨迹、反射点的分布、波场的分布范围等波的运动学特征，也是进行层析反演的基础.图 4为某炮RVSP射线追踪图，地震波经过速度界面时遵循反射、透射规律，由于井中激发离目的层较近，直达波以及反射波穿过地层路径短，能够保护地震波的运动学以及动力学特征.图 5为弹性波模拟产生的不同时间段的波场快照，RVSP获得的地震波场相对复杂，但仍然能够清晰识别直达波、反射波以及多次波等.其记录(图 6所示)相比于一般的地面地震具有较高的信噪比，面波以及地面干扰较小.

图 4

Figure 4

图 4 RVSP观测射线追踪图 Figure 4 Ray tracing of RVSP observation

图 5

Figure 5

图 5 RVSP模拟波场快照 (a)直达波；(b)反射波；(c)多次波. Figure 5 Simulate wavefield snapshots of RVSP (a)Direct wave; (b)Reflection wave; (c)Multiple wave.

图 6

Figure 6

图 6 RVSP单炮记录及初至拾取 Figure 6 Single shot record and first break pick of RVSP

采用能量比法对模拟记录初至进行交互拾取(如图 6)，根据模型参数以800~5000 m/s速度范围建立层析反演初始梯度速度模型，用5 m×5 m网格大小对模型进行网格划分，采用弯曲射线SIRT算法进行反演迭代，得到反演射线路径密度如图 7，RVSP观测方式射线正交系数相对较大，对提高反演速度的准确性和精度十分有利.图 8为迭代10次后的最终速度模型，与射线密度保持较好一致性，射线密度越大(图 7黑色虚线内)的地方，反演速度更能接近模型地层信息.层析成像方法重建的速度模型，纵向分层较好，横向上具有连续性，与正演模型吻合.受煤层低速影响，第二层速度反演结果偏低，且部分与煤层重叠，在远离井口处较明显，但在近井口段RVSP层析反演结果准确可靠.由于RVSP观测方式的改变易导致深部射线较少，易形成盲区.

图 7

Figure 7

图 7 RVSP速度模型重建射线密度图 Figure 7 Ray density of RVSP velocity model reconstruction

图 8

Figure 8

图 8 RVSP层析反演速度模型 Figure 8 Tomographic inversion velocity model of RVSP

为了进一步验证该技术在复杂地质条件下的适用性，以西部某矿区地质条件为背景，在模型1基础上进行复杂模型RVSP速度重建研究.如图 9所示的起伏地表复杂地质模型，地表最大高程差为120 m，并且其中存在两个不同尺寸的采空区异常，埋深约400 m，左侧采空区较小尺寸为30 m(宽)×50 m(高)，中心点水平位置为360 m，右侧采空区较大尺寸为60 m(宽)×80 m(高)，中心点水平位置为650 m，模型具体参数如表 2.RVSP观测系统参数及采集参数与模型1保持一致.

图 9

Figure 9

图 9 复杂模型 Figure 9 Complex model

表 2 (Table 2)

表 2 复杂模型参数表 Table 2 Complex model parameters list

表 2 复杂模型参数表 Table 2 Complex model parameters list

图 10为复杂模型下RVSP射线追踪，当直达波以及反射波射线穿过采空区异常时，路径明显发生改变，势必导致在RVSP记录上出现异常.图 11为某炮模拟产生的不同时间段的波场快照，其地震记录同样存在直达波、反射波以及多次波等，由于地形起伏以及采空区的存在，地震波传播路径较复杂，图 11b所示地震波穿过采空区异常时产生了绕射波，这对速度重建工作带来难题.然而RVSP震源置于地下，更接近构造异常，此时采空区异常产生的绕射波场清晰可辨.RVSP勘探地震射线只经过地层一次，决定了其高信噪比的特点；其次，RVSP记录多为上行波，这就比常规VSP勘探简单易于识别.

图 10

Figure 10

图 10 复杂模型RVSP射线追踪 Figure 10 RVSP ray tracing of complex model

图 11

Figure 11

图 11 RVSP波场快照 (a)直达波和反射波；(b)绕射波和多次波. Figure 11 Snapshot of RVSP wave field (a)Direct wave and reflection wave; (b)Diffraction wave and Multiple Wave.

同样以800 m/s作为层析反演初始梯度速度模型的起始值，速度约束范围为800~5000 m/s，建立初始速度模型，采用5 m×1 m进行网格划分，运用SIRT反演算法反复迭代直到满足精度，获得如图 12的速度模型.图 12中以蓝绿黄红色标表示速度递增，我们可以看到层析反演结果纵向分层较好，横向上由于采空区的存在，在煤层附近速度场不连续，而且左侧采空区尺寸较小，在速度场中反应不太明显，只能定性解释其位置，同时其周围产生了一些假异常区.而右侧较大的采空区反应较明显，其位置和大小与正演模型资料相吻合.经过RVSP探测正反演理论研究，采用RVSP技术能够有效重建复杂地区速度模型，甚至有效识别该区域煤矿采空区.

图 12

Figure 12

图 12 反演速度模型 Figure 12 Inversion velocity model

沁水盆地某煤层气勘查区大面积被黄土覆盖，地形起伏剧烈，浅表层速度结构变化较大，勘探区内有两个主采煤层，上层煤厚约5 m，埋深为1221 m，含30 cm厚的夹矸，下层煤厚约3 m，埋深为1270 m.该地区常规地面地震对高信噪比采集处理技术要求较高，且无法获得区域内速度信息.RVSP勘探方法，由于井中激发地震波传播路径短，能够减弱地震波在黄土层中的能量损失，并且面元内数据量远远高于地面地震，具有经济高效的优势.采用RVSP勘探方法结合层析成像技术重建勘查区速度模型，将得到的速度模型成果运用于该地区静校正处理，获得较好效果，验证了重建速度模型的准确性.

如图 13所示RVSP勘探布置3条地面测线L1、D1和D2，钻孔位于L1与D2测线交点处.以D2线为例进行分析，图 14为D2线地表高程及RVSP观测系统示意图，图中蓝线表示高程，红色点表示炮点，钻孔右侧地势相对平坦但黄土层较厚，左侧部分基岩出露但地形起伏剧烈，给施工带来较大困难.本次施工地面采用10 Hz六串两并检波器蹲点接收，道间距10 m，共350道，受地形影响部分段无法布设检波器(红色框处)；井中震源排列深度范围为140~870 m，由深往浅逐点激发，炮间距10 m，共74炮，每炮平均药量2 kg，仪器采样间隔0.25 ms，记录长度1500 ms.

图 13

Figure 13

图 13 RVSP地面测线布置俯视图 Figure 13 Vertical view of RVSP surface line arrangement

图 14

Figure 14

图 14 D2测线观测系统剖面示意图 Figure 14 Schematic diagram of D2 observation system section

RVSP勘探从原始单炮记录(图 15)分析，受浅层面波和多次波干扰影响小，由于地震波传播距离短，其能量较强，优于该地区地面地震资料，但仍受地表因素影响，其初至直达波弯曲，反射波连续性较差，静校正工作至关重要.而该地区速度模型精度直接影响静校正处理及速度分析效果.采用人机交互的滑动时窗能量比法对资料进行初至拾取以保证精度后，结合实际地质资料，确定速度约束范围为600~5000 m/s建立初始梯度速度模型，网格采用5 m×5 m进行层析反演，重建D2测线速度场(如图 16)，图中钻孔右侧黄土层较厚，低降速带分层明显，左侧黄土层较薄，部分段基岩出露，与实际地质情况基本符合，为后续RVSP资料处理提供了精确的速度模型.图 17为层析反演的弯曲射线路径，与图 16速度场保持较好的一致性.

图 15

Figure 15

图 15 原始单炮记录 Figure 15 Original single shot record

图 16

Figure 16

图 16 RVSP重建速度模型 Figure 16 Velocity model reconstruction of RVSP

图 17

Figure 17

图 17 RVSP速度模型重建射线密度图 Figure 17 Ray density of RVSP velocity model reconstruction

为了验证该方法的准确性，利用RVSP重建的速度场对D2测线进行静校正处理，如图 18为静校正后的单炮记录.与图 15对比分析，层析静校正前反射波断裂，形成假断层，静校正后恢复双曲线形态(图中蓝色标记处)，直达波初至变得平滑.左边红色标记部位没达到理想的效果，初步分析是由于排列较长，远处射线密度较少，在反演计算时由深部速度插值，导致速度偏高，这就造成实际计算得出的静校正量偏大.建议采用多井联合观测提高勘探精度.

图 18

Figure 18

图 18 层析静校正后单炮记录 Figure 18 Single shot record after Tomographic static correction

本文从理论研究到实际应用，逐步深入探讨煤层气勘探RVSP层析成像方法在复杂地区速度模型重建中的应用，得到的速度模型解决了复杂地区地震资料处理的部分难题，研究过程中得到以下几点认识：RVSP技术在复杂地区勘探存在诸多优势，但是单孔激发方式在远道和深部射线密度较少，成像精度不够，易形成勘探盲区，建议增加排列长度或进行多孔联合勘探；本文重点研究RVSP重建速度模型，能够对煤层气地震资料处理解释提供速度信息，但煤层气勘探还应对RVSP地震数据进行属性分析和反演方面的研究，只有同时解决了构造和岩性问题，才能够准确地预测煤层气丰度，为煤层气开发利用提供可靠的地质依据.