近地表介質Q估計及其在塔河北部油田的應用

宋吉杰,禹金營,王 成,張 猛

(1.中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部,北京100728；2.中國石油化工股份有限公司西北分公司研究院,新疆烏魯木齊830000；3.中國石油天然氣股份有限公司大慶勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;4.中國石油化工股份有限公司勝利油田物探研究院,山東東營257100)

決定地震資料分辨率的關鍵是反射信號的有效頻帶寬度,而制約有效頻帶寬度的兩個主要因素是激發(fā)信號的能量(頻帶寬度)和信號傳播過程中的能量衰減。在能量衰減中,近地表吸收衰減的影響尤為嚴重。地層品質因子Q是表征介質中地震波衰減強弱的重要參數。在實際生產過程中,一般需要對地震資料進行有效的Q補償處理,通過補償地震波在地下介質傳播過程中的衰減,也是恢復地下地層反射系數的過程。高效Q補償處理離不開高精度的Q值估計。

為了描述大地吸收效應,1962年FUTTERMAN[1]詳細論述了巖石對地震波的吸收衰減是地層的基本特性,并基于Q與頻率無關的假設,推導出振幅吸收與相速度的頻散公式。HALE[2]在FUTTERMAN模型的基礎上提出了一種反Q濾波方法,該濾波函數的相位函數由對數振幅譜的希爾伯特變換求得;KJARTANSSON[3]基于上升時間成像原理估算地層的Q值;SCHOENBERGER等[4]利用兩口井的VSP合成記錄計算了反射波的衰減;HARGREAVES等[5]提出的反Q濾波方法都只針對相位補償,不考慮振幅的損失;WANG[6]基于KOLSKY模型,從一維波動方程出發(fā),推導了能量補償和相位校正的公式,提出了一種穩(wěn)定有效的頻率域反Q濾波方法;TANER等[7]對7種常見Q值估算方法進行了對比分析。

隨著油氣勘探對地震分辨率需求的不斷提高,近地表吸收衰減補償問題得到重視。裴江云等[8]利用面波衰減的Q模型估算近地表Q值,以消除近地表不一致性影響,恢復地震波相對振幅關系,但并未考慮相位校正的問題。尹喜玲[9]等用線性過渡體理論初步討論了沙漠地區(qū)近地表的吸收規(guī)律,認為近地表處處存在速度界面,多次反射和透射是造成衰減的主要原因。于承業(yè)等[10]、張文等[11]提出利用雙井微測井資料通過頻移法估算近地表Q值,強調了近地表衰減補償能夠在時間、空間和頻率三域內有效地消除近地表影響。

因地震波衰減機理極為復雜,故衰減參數估算的精度有限,造成相關應用的發(fā)展較為緩慢。常規(guī)近地表衰減補償主要通過地表一致性振幅補償聯(lián)合反褶積處理來實現(xiàn),難以恢復近地表空變吸收對子波能量和相位的改造,甚至可能會引起油氣儲層信息的畸變,給儲層解釋帶來假象或困難。本文在前人研究的基礎上,開展了近地表介質Q估計方法、衰減模型構建以及衰減補償處理技術的研究并將其應用于塔河北部油田的勘探開發(fā)。

1 近地表介質Q估計方法

在綜合考慮現(xiàn)有微測井Q估計及大炮初至波Q估計方法優(yōu)缺點的基礎上,提出了一種新的多井微測井與地面聯(lián)合觀測系統(tǒng),實現(xiàn)控制點的精細Q估計。同時,通過統(tǒng)計炮檢點相對衰減系數來反演相對Q值,進一步利用不同尺度的信息融合技術將兩種Q值相融合,構建近地表吸收衰減模型,通過穩(wěn)定反Q濾波實現(xiàn)近地表衰減補償。具體技術流程見圖1。

1.1 控制點精細Q估計

1.1.1 折射波法調查和透射波法調查

折射波法調查采用的觀測系統(tǒng)如圖2所示,左側設置了6口激發(fā)井(炸藥激發(fā)),右側為等道間距的接收排列(單檢波器接收),中間道位置布設一口打穿高速層的井,并設置井底道和對應的井口道接收,其基本原理是通過截取井底道直達波和井口道折射波的初至信號,基于質心頻移法求取出表層的品質因子Q。該調查數據可選取多炮共道(井底道)觀測記錄，或共炮多道(井口道)觀測記錄,基于信號隨炮檢距的變化完成高速層品質因子Q的吸收衰減調查研究。

圖1 近地表介質吸收衰減補償技術實現(xiàn)流程

圖2 折射波法調查觀測系統(tǒng)示意

透射波法調查采用了多井微測井觀測系統(tǒng),如圖3 所示,與常規(guī)的雙井微測井[12-13]不同之處在于多出了4口低速層井中道接收井。激發(fā)方式采用雷管。工作原理是在激發(fā)井中高速層內激發(fā),鄰近接收井中的高速層井中道和地面井口道分別獲得高速層直達地震波和透射波,兩者初至波形的差異實際上就是由近地表的吸收衰減引起的。與上述折射波法計算出的高速層品質因子Q相結合,即可計算出低速層的等效品質因子Q。對于低速層厚度不太大的地區(qū),該方法可同時完成表層結構調查。井深以打穿高速層為宜(塔河地區(qū)采用20m,因為該區(qū)低速層厚度小于10m),接收井距離激發(fā)井4m,其它4口井間距2m。在離激發(fā)井最近的一口接收井內,距離高速層頂面2m處設置一個檢波器。為了更精細地研究低速層吸收情況,圖3右側設置了不同深度的低速層井中道,并在井底各插入一個檢波器,其埋深可以參照表層結構調查結果。

為了取得可靠的吸收衰減調查記錄,要確保井中道的檢波器不漏電,與井底地層耦合良好;放炮前要做背景檢測,擇“靜”采集。記錄評價的準則:井中道地震波振幅遠強于地面井口道,主頻遠高于地面井口道,初至區(qū)無干擾。

上述兩種方法所求取的Q值可以相互印證,主要差異在于激發(fā)子波的不同(炸藥和雷管)。

圖3 透射波法(多井微測井)調查觀測系統(tǒng)示意

1.1.2 質心頻移法Q估計

質心頻移方法[14-15]是基于地震子波傳播中出現(xiàn)的子波質心頻率向低頻端移動這一特征進行Q值估算的方法。振幅比法及譜比法等常用方法主要利用地震波振幅信息對Q值進行估算。振幅受幾何擴散、反射、透射等效應的影響較大,僅由振幅衰減難以準確估算非彈性介質對地震波的吸收情況。而子波振幅譜質心頻率下降或波形加寬等衰減特征受上述因素影響較小[16],因此,質心頻移法較振幅比法和譜比法可以獲得更加穩(wěn)定可靠的Q估計。

共炮多道(地面道)或多炮共道(井底道)記錄的初至波可用來估計高速層Q值,通常采用不同炮檢距的兩道初至波,基于質心頻移法求取Q值。

高速層中接收的直達波子波作為參考子波,令參考子波振幅譜為S(f),則在低速層中接收子波的振幅譜R(f)表示為:

(1)

式中:G(f)為幾何擴散、反射、透射傳播過程中相位累積及儀器響應等效應;H(f)描述非彈性介質對振幅的吸收效應。令入射波振幅譜S(f)為Gaussian型展布,即:

(2)

沿傳播路徑對Q值逐層進行估算[7]:

(5)

對于品質因子為Q,旅行時為t的表層而言,(5)式可寫為:

(6)

1.2 相對Q值估計

疊前Q補償處理通常需要輸入各檢波點的近地表Q值,即需要建立表層Q模型,而利用微測井數據只能得到調查點的Q值,而工區(qū)內各檢波點的Q值只能通過地面地震數據來求取。地震初至波未經地下界面反射,由炮點激發(fā)經表層到達檢波點,其橫向振幅、頻率和波形差異主要由表層變化引起。我們提出了一種穩(wěn)定統(tǒng)計性反演估計方法,具體如下:先利用地表一致性振幅補償模塊,再通過高斯塞德爾迭代將初至能量的差異分解為炮點、檢波點和偏移距三項差異,計算炮點、檢波點相對衰減系數r,最后利用譜比法通過相對衰減系數r、參考頻率和表層旅行時t求得相對Q值。

1.3 信息融合與近地表Q模型構建

計算得到了野外調查估計的Q值和大炮統(tǒng)計反演的Q值,前者是精細的、低波數的和絕對的;后者是統(tǒng)計的、高波數的和相對的。利用信息融合策略,對不同來源、不同尺度和不同精度的數據進行融合,起到絕對Q約束相對Q、高波數Q補充低波數Q的作用,并提高最終結果的精度和可靠性,由此建立起一個精確的近地表Q模型。

本著先標定、后插值、再計算的原則,該方法具體實現(xiàn)的3步解決方案如下:①基于吸收理論譜比法求取調查點上的標定因子;②采用協(xié)克里金插值方法將標定因子內插到接收點;③再由譜比法計算每個接收點Q值。上述3步法達到了信息融合的目的,也實現(xiàn)了近地表Q模型的構建。

1.4 近地表Q補償處理方法

近地表Q模型建立之后,就可以對疊前數據在頻率域進行近地表Q補償處理,通過振幅補償項和相位補償項構成完整的反Q濾波,由波動方程推導的補償算式如下:

(7)

式中:U(τ,ω)為未經Q補償的頻率域數據,即對輸入地震道數據進行傅氏變換的結果;U(τ+Δτ,ω)為Q補償后的頻率域數據;τ為傳播時間;△τ為表層旅行時;ω為角頻率,是地震頻帶內與最高頻率有關的調諧頻率。

近地表Q補償輸入的是疊前數據,實現(xiàn)上有著比深層Q補償更大的難度,需要在提高分辨率的同時兼顧信噪比原則。因此,基于穩(wěn)定的策略,本文引用了WANG[6]提出的穩(wěn)定反Q濾波方法。WANG對振幅項做了如下改進:

(8)

式中:Λ(ω)為穩(wěn)定的振幅補償量;σ2是穩(wěn)定因子;β為經驗穩(wěn)定公式。

(9)

式中:Glim為增益限制,單位dB,是一個可調整的參數;ωh為中心頻率(角頻率),也是一個可調整的參數,跟地震波頻帶的最高頻率有關系;γ=(2/π)·tan-1(1/2Q);t為表層旅行時。

上述反Q濾波算法穩(wěn)定性體現(xiàn)在可以通過增益的門檻值控制補償的頻帶范圍,防止對高頻噪聲的過分補償。由于補償量是隨頻率和時間的增大逐漸增多,通常的補償算法都會對高頻端過分補償,造成噪聲過量、信號失真,而WANG[6]采用的策略是對吸收嚴重的頻率成分不再進行補償,這樣可以避免對高頻噪聲的過量補償。該算法的另一優(yōu)點是補償振幅的同時調整相位,這解決了近地表吸收衰減造成的地震波能量損失和頻散問題。

算法中可調整的參數如增益限制Glim、中心頻率ωh,對補償也起著重要作用。在實際補償工作中需要根據數據的具體情況及試驗效果選擇合理的參數。增益限制Glim的選擇從兩方面入手,一方面依據期望補償后頻寬的指標來估算,另一方面依據補償后數據的頻譜和信噪比來定,過小則補償效果不理想,過大則會導致高頻噪聲放大、信噪比降低;中心頻率ωh通常要稍高于實際地震資料有效頻帶的上限值(以dB譜-20Hz上限值為參考),保證吸收補償充分作用于有效頻帶內。

2 實際應用及效果分析

研究區(qū)位于塔河北部,面積約為300km2。區(qū)內地表主要有浮土、農田與河灘。近地表低速帶沉積松散,干燥疏松,厚度變化范圍6～10m,整體速度較低,平均約400m/s。表層介質對地震波的高頻信號有強烈的垂向吸收衰減作用,導致地下反射信號的有效頻帶變窄,如圖4所示,地面道接收的地震波相較于井中道有強衰減現(xiàn)象;并且表層橫向吸收衰減的差異很容易造成地震道間反射信號的振幅差異和相位不一致。該區(qū)儲層是白堊系的碎屑巖和奧陶系的碳酸鹽巖,因高頻信息的保真成像關乎薄層砂體的刻畫和縫洞串珠成像的可靠性,故上述近地表吸收衰減問題將直接影響有效儲層預測。也就是說,近地表吸收衰減是該研究區(qū)勘探開發(fā)的瓶頸。該區(qū)以往主要通過地表一致性振幅補償和反褶積方法進行地表一致性處理,但這種處理對于吸收補償作用不明顯。采用本文提出的基于信息融合的近地表介質Q估計方法及穩(wěn)定的反Q濾波處理技術,利用調查點精細Q值約束相對Q值整合建立的近地表Q模型,通過反Q濾波實現(xiàn)近地表衰減補償,提高了地震資料的分辨率。

2.1 吸收衰減調查記錄

為了對近地表結構及衰減特性進行詳細調查,本區(qū)共設計完成近地表結構調查點484個,吸收衰減調查點6個。圖4對比了某衰減調查點折射波法采集的記錄(圖4a)和透射波法采集的記錄(圖4b),可以看出,高速層井中道(藍色波形)初至清晰干脆,振幅強、頻率高(該特征也作為評價吸收衰減調查資料是否合格的重要依據),高速層井中道和地面道初至信號之間、高速層井中道和其右側相鄰的低速層的井中道初至信號之間均構成較大的反差。圖4中地面道之間隨炮檢距的增大初至波的衰減規(guī)律性越發(fā)明顯。

2.2 近地表Q模型

表1為基于6個吸收衰減調查點所得的井中與地面記錄,采用質心頻率法估算得到的近地表低速層Q值?？梢钥闯?近地表Q值整體偏小,變化范圍為2.0～3.5。

圖4 折射波法采集的地震記錄(a)和透射波法采集的地震記錄(b)對比

表1 6個吸收衰減規(guī)律調查點的Q值

圖5是基于表層結構調查數據建立表層模型求取的接收點表層旅行時t的平面分布圖(圖5a)和信息融合后接收點近地表Q值分布圖(圖5b)?？梢钥闯?所求Q值與表層旅行時t有較好的反比對應關系,即表層旅行時t小,相對吸收小,Q值大,這也表明該區(qū)所求Q值符合客觀衰減規(guī)律。

2.3 近地表Q補償效果

圖6對比了近地表吸收衰減補償前后的單炮記錄和相應目的層段反射波的振幅譜。可以看出,通過近地表吸收衰減補償,單炮記錄波組特征橫向連續(xù)性得到改善,目的層縱向分辨率得到較大提高,在不降低信噪比的前提下,有效頻帶得到了合理拓寬。進一步對比反射波的振幅譜可見,補償后的反射波頻帶展寬超過20Hz。

圖7對比了兩種處理方法得到地震疊加成像剖面,圖7a是采用地表一致性振幅補償和反褶積聯(lián)合處理得到的疊加剖面;圖7b是近地表Q補償處理得到的剖面?？梢钥闯?Q補償后地震剖面分辨率顯著提高,圖7b中目的層的弱反射連續(xù)性得到加強。

圖5 檢波點表層旅行時(a)與信息融合后檢波點表層Q值(b)的平面分布

圖6 Q值補償前(a)、后(b)的單炮記錄對比及Q值補償前(c)、后(d)的目的層反射波振幅譜對比

圖7 地表一致性振幅補償和反褶積聯(lián)合處理剖面(a)和近地表Q補償處理剖面(b)的對比

3 結論

本文提出一種基于信息融合的近地表介質Q估計方法以及穩(wěn)定的反Q濾波處理技術,在此過程中得到以下結論和認識:

1) 基于多井微測井與地面聯(lián)合觀測記錄,采用質心頻率法可以實現(xiàn)調查點近地表Q值的精細估計,不失為一種近地表衰減調查或Q估計的有效方法技術。

2) 基于地面地震記錄通過穩(wěn)定統(tǒng)計性反演可以獲得近地表相對Q值平面分布。

3) 利用信息融合策略,本著先標定、后插值、再計算的3步法方案,實現(xiàn)調查點近地表Q值與相對Q值的有機融合,構建精細的近地表衰減模型,為進一步衰減補償處理奠定基礎。

4) 塔河北部油田實際應用結果表明采用不同尺度Q值融合的近地表衰減模型構建方法,并借助于改進的穩(wěn)定反Q濾波方法可使目的層反射波頻帶展寬超過20Hz,極大地提高了地震資料分辨率。

目前該方法僅基于近地表為層狀結構的假設,對于非層狀結構的情況還需要繼續(xù)探索,以增強方法的適應性。

參 考 文 獻

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