高空間采樣資料品質(zhì)一體化技術(shù)研究

張志林，何京國，閆玉莎，張 媛，高蘆潞

(1.中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司 山東 東營 257086;2.中石化石油工程地球物理有限公司華東分公司 江蘇 揚州 225000)

0 引 言

在“雙復(fù)雜”采集項目中，由于地表、地下條件復(fù)雜以及干擾波發(fā)育等因素，導(dǎo)致這些工區(qū)資料信噪比低和地層成像困難，使得這類地區(qū)的勘探開發(fā)嚴(yán)重受阻。以往針對低信噪比“雙復(fù)雜”地區(qū)，主要通過采用高覆蓋次數(shù)，大組合壓噪等方法來提高地震資料品質(zhì)，在地下構(gòu)造相對簡單區(qū)域，信噪比有了較大的提高，取得了一定的效果；但針對復(fù)雜高陡構(gòu)造區(qū)域，如陡傾角、大斷裂構(gòu)造等，成像效果不理想，無法達(dá)到預(yù)期效果。高空間采樣能夠比較精細(xì)的記錄地震波場，避免了空間假頻的產(chǎn)生[1-3]，不但可以達(dá)到去噪的效果，還同時保護(hù)了高頻信號，對提高構(gòu)造特征復(fù)雜的低信噪比地區(qū)的資料品質(zhì)具有非常重要的意義[4]，高空間采樣技術(shù)是目前類似地區(qū)發(fā)展必然趨勢，也是地震勘探的發(fā)展趨勢之一，但高空間采樣成本倍增，制約了該技術(shù)的進(jìn)程，而在一體化勘探中，采集資料品質(zhì)貫穿采集處理和解釋[5-6]，因此，開展基于勘探成效的高空間采樣量化分析技術(shù)研究，以滿足地質(zhì)需求為前提選擇適用技術(shù)，實現(xiàn)勘探效益最大化。

1 高空間采樣量化分析關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高空間采樣一體化資料品質(zhì)量化分析技術(shù)

在高空間采樣地震勘探中，資料品質(zhì)及相關(guān)屬性分析貫穿全過程。

1.1.1 主要軟件

采集中用于資料品質(zhì)分析的軟件主要有Kelang、SeisWay等，可以分析原始資料道集、單炮以及初疊剖面的能量、信噪比、頻率、時頻、頻時、子波以及相關(guān)等資料品質(zhì)屬性，直觀評價采集資料品質(zhì)，為處理提供依據(jù)。

處理中主要采用Grisys,Promax以及Focus,可以進(jìn)行資料的能量、頻率、信噪比、子波以及頻譜、相關(guān)等分析，主要分析道集、單炮以及最終處理剖面等資料品質(zhì)，為解釋提供高品質(zhì)的地震資料。

解釋中主要采用Landmark、Petrel軟件，它是以地質(zhì)構(gòu)造信息認(rèn)識為基礎(chǔ)，以詳細(xì)分析地震數(shù)據(jù)和井資料為手段，加載和分析地震和井?dāng)?shù)據(jù)、完成合成記錄，得到準(zhǔn)確的層位信息和斷層平面圖，然后成t0圖，最終結(jié)合精細(xì)的速度模型，輸出構(gòu)造圖以及相應(yīng)的縱波阻抗和均方根振幅圖，為后續(xù)反演做準(zhǔn)備。它也可以分析道集、純波剖面能量、頻率以及信噪比等屬性。

反演中主要采用Jason、EPS軟件，它可以利用地震道信息、子波數(shù)據(jù)、純波剖面以及井資料，包括井徑、AC、密度、聲波阻抗、電阻率等屬性信息作為硬約束，給反演可靠的地震輸入和測井輸入，針對薄層可以采用多屬性地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演Statmod MC技術(shù)進(jìn)行高精度分析，也可以分析不同目標(biāo)層的能量、頻率以及信噪比等屬性，綜合采集、處理、解釋以及后期反演等軟件可知，能量、信噪比、頻率量化分析貫穿地震勘探全過程，計算方法也有很多相似之處。

1.1.2 主要量化技術(shù)

1)能量量化分析

在能量分析和顯示中，目前主要采用平均振幅和均方根振幅這兩種方法。采集Kelang、SeisWay有平均振幅、均方根振幅和最大振幅三種顯示方式，處理和解釋中通常采用均方根振幅，計算方法與采集軟件原理相同。在反演中主要采用平均振幅顯示，可以對工區(qū)不同位置、不同目標(biāo)層進(jìn)行能量顯示。

(1)

(2)

2)信噪比量化分析

目前信噪比估算的方法有能量疊加法、頻譜估算法、功率譜估算法、相關(guān)法以及特征值法五種。在采集中，主要采用頻率域估算法計算信噪比。對每道地震記錄做傅立葉變換后，因信號和噪音對應(yīng)的頻率成份不同，在頻率域里可以將信號的主頻和噪音區(qū)分開來。我們在頻率域內(nèi)，給定一個閾值與最大振幅的值相乘，由此來確定信號的范圍，剩下的部分就作為噪音。公式如下：

(3)

在處理和解釋信噪比量化分析中主要采用互相關(guān)法?；ハ嚓P(guān)法的依據(jù)是：對于相鄰地震道，信號具有相關(guān)性，而噪聲不具有相關(guān)性。計算公式如下：

(4)

通過分析可以看出，可以去掉分母項，直接計算分子，即相干值。得到公式：

(5)

然后通過下式對相干值對相干值做均方根振幅統(tǒng)計得到信噪比值。

在Jason反演量化分析中，充分利用實際地震道能量與無噪音背景的目標(biāo)合成記錄能量，通過這兩者之差計算出剩余噪音，從而計算最終的信噪比值。公式如下：

Fseismic=S/N×Lp(seismic-synthetic)

(6)

SNR=20×log10(RMSSeismic/RMSresiduals)

(7)

3)頻率量化分析

在高空間采樣頻率量化計算中，采集、處理、解釋計算方法原理相同，主要采用傅里葉變換公式。對連續(xù)時間信號f(t)進(jìn)行抽樣，得到抽樣函數(shù)f(kT)，根據(jù)離散傅里葉變換公式(DFT)各取頻譜函數(shù)與抽樣函數(shù)的一個周期，得到公式：

(8)

n=0，1，2……，N-1

f(kT)為連續(xù)信號的抽樣函數(shù)，其頻譜為頻率的周期函數(shù)。

在反演頻率計算中目前一般采用零相位子波，公式如下：

(9)

t1為零相位起始時間，t2為零相位終止時間。

結(jié)合不同方法，以資料品質(zhì)分析為主線，以量化分析為手段，針對高空間采樣地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行一體化分析。

1.2 基于高空間采樣地質(zhì)目標(biāo)的一體化分析技術(shù)

在高空間采樣后期勘探中，確定一個井位往往需要可靠的均方根振幅、相位、頻率、反演、物性等量化屬性。縱向上，可以通過井資料進(jìn)行精確控制，橫向上尋找圈閉需要什么樣的地震資料進(jìn)行描述？理論上，資料品質(zhì)越高越好，對地層的描述更加精細(xì)，但隨之成本投資也愈來愈大。因此，如何結(jié)合地質(zhì)任務(wù)、井資料、以往地震資料以及成本投資確定目標(biāo)資料品質(zhì)？甚至如何根據(jù)高空間采樣采集、處理、解釋、反演等之間關(guān)系提取高空間采樣一體化量化公式？如圖1所示為基于高空間采樣地質(zhì)目標(biāo)的一體化流程，具體實現(xiàn)步驟如下：

圖1 基于地質(zhì)目標(biāo)一體化分析流程

第一步，根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、地質(zhì)目標(biāo)、井資料完成目標(biāo)層合成記錄。

第二步，結(jié)合理論地質(zhì)任務(wù)、合成記錄、Jason反演以及老資料確定處理之后的最佳目標(biāo)信噪比頻率范圍。

第三步，將正演和反演有機(jī)結(jié)合，驗證復(fù)雜目標(biāo)層特征形態(tài)、頻率、能量、信噪比與反演的吻合度。

第四步，根據(jù)不同目標(biāo)層的深度和資料品質(zhì)情況，提取高空間采樣一體化量化公式，下面公式是在SQX工區(qū)，結(jié)合處理提取的相關(guān)系數(shù)。

反演目標(biāo)信噪比=采集資料信噪比×處理系數(shù)×1.25

反演目標(biāo)主頻=采集資料主頻×處理系數(shù)×1.86

通過前面分析，反演方法本身的局限性。由于地震測井聯(lián)合反演是基于模型的反演方法，初始模型的建立是基于水平層狀介質(zhì)模型的，這與非均質(zhì)性極強(qiáng)的西部探區(qū)非均勻質(zhì)強(qiáng)，比如SQX碳酸鹽巖縫洞型儲層的實際情況相差較大，致使波阻抗反演結(jié)果橫向分辨率較低(即橫向連續(xù)性較好)，因此，建立非均勻質(zhì)強(qiáng)的正演模型與其結(jié)合進(jìn)行彌補完善。

通過前面分析，采用地質(zhì)目標(biāo)一體化地質(zhì)目標(biāo)量化分析技術(shù)可以提前確定預(yù)采集資料品質(zhì)范圍，為下一步高空間采樣觀測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的選取提供更直觀的指導(dǎo)和可靠的依據(jù)。

1.3 基于高空間采樣預(yù)采集工作量觀測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選技術(shù)

地震勘探中通常以時間和空間來度量采樣的密度，分別被稱為時間采樣率和空間采樣率。時間采樣率由尼奎斯特采樣定律確定；空間采樣率由空間采樣間隔原理決定：只有當(dāng)?shù)卣鹦盘柮總€頻率的波長內(nèi)有兩個以上的采樣點時，才能保證地震資料在空間上具有良好的空間分辨率。

高空間密度采樣通過小道距、不組合、高覆蓋次數(shù)的采集方式，較精細(xì)地記錄了地震波場，避免了空間假頻尤其是低頻線性干擾的生產(chǎn)，也降低了組合檢波帶來的高頻弱小信號的能量損失，以提供頻率成分豐富、能量均衡的高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)[7-8]。由于現(xiàn)今采用單點、小道距的高密度地震采集技術(shù)的成本高，所以推廣應(yīng)用難度較大。但是可以借助該技術(shù)的思路發(fā)展高空間采樣技術(shù)，通過提高空間采樣密度，從而提高對小段塊、薄儲層、小砂體及小尺度孔洞等的識別能力。目前普遍采用以單位平方公里的道數(shù)來反映空間采樣的連續(xù)性(道密度指數(shù))，即：

(10)

式中：TD為道密度,道/km2；A為排列片有效面積,m2；LS為接收線距,m；SX為垂直接收線方向炮距,m；RX為道距,m。

從資料的疊加成像分析，地面的炮道密度不能直接反映波場的連續(xù)采集程度，應(yīng)根據(jù)空間采樣的主要指標(biāo)(面元)和疊加效果的主要指標(biāo)(覆蓋次數(shù))來決定采樣密度，即

M=(A/B)F

(12)

式中：M為密度指數(shù)；A為單位面積,1 km2；B為單個面元面積；F為單個面元覆蓋次數(shù)。常用的道密度計算公式：

(12)

覆蓋次數(shù)與疊加效果有關(guān)，覆蓋次數(shù)越高則疊加剖面信噪比越高。偏移成像效果與采樣密度有關(guān)，即面元越小，成像精度越高。從以上公式和理論分析中得出，采樣密度大小主要由覆蓋次數(shù)和面元兩個方面決定。覆蓋次數(shù)增加，疊加剖面的信噪比越高；面元大小與偏移成像效果有關(guān)，面元越小，地震子波主瓣與旁瓣振幅值比值越大，成像效果越好。因此，可以將采樣密度公式從覆蓋次數(shù)和信噪比的關(guān)系轉(zhuǎn)換成信噪比與子波主瓣與旁瓣之比的函數(shù):

(13)

通過道密度公式轉(zhuǎn)換，就可以在設(shè)計之前借助資料品質(zhì)分析這條主線來提前確定道密度，為后期勘探效益最大化奠定基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用效果分析

采用基于勘探成效的高空間采樣量化分析技術(shù)對TH6-7區(qū)進(jìn)行驗證分析，確定奧陶系滿足解釋需求品質(zhì)信噪比為13～13.4，主頻在27 Hz左右。預(yù)采集資料信噪比為3～5，主頻24 Hz左右。結(jié)合該區(qū)實際資料，初步確定覆蓋次數(shù)(145～190次)和面元(15 m ×15 m)。對不同方案造價進(jìn)行定量分析，確定了面元15 m×15 m、覆蓋次數(shù)176次、32線×34炮×374道的采集方案，從最終的高空間采集效果可以看出，采用該方案后，塔河6-7區(qū)目標(biāo)層反射清晰，洞縫體刻畫清楚，而且工程造價與項目投資吻合，達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖2所示。

在2017年塔里木STGL工區(qū)采用一體化的設(shè)計思路，設(shè)計了3OL6S，面元25×25，道密度1 440 000的觀測系統(tǒng)。

圖2 TH6-7區(qū)不同觀測方式剖面對比

3 結(jié)論與認(rèn)識

通過基于勘探成效的高空間采樣量化分析技術(shù)研究獲得以下認(rèn)識：

1)資料品質(zhì)分析貫穿整個勘探全過程，以資料品質(zhì)分析為主線，結(jié)合地質(zhì)目標(biāo)一體化分析可以提前確定高空間采樣預(yù)采集資料品質(zhì)。

2)結(jié)合預(yù)采集資料品質(zhì)進(jìn)行論證可以確定高空間采樣觀測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。

3)高空間采樣成像效果與炮檢距屬性關(guān)系比較密切，與炮點密度和檢波點密度關(guān)系不是很明顯。在高空間采樣面元、覆蓋次數(shù)固定及保證成像效果的條件下，可以根據(jù)地震地質(zhì)條件和工程造價高低優(yōu)選炮密度和檢波點密度。

4)在詳細(xì)分析工區(qū)地震地質(zhì)條件、設(shè)備狀況和成本投資之后，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化為手段可以優(yōu)選高空間采樣最佳觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)勘探效益最大化。