表層Q值確定性求取與空變補(bǔ)償方法

蘇 勤 曾華會(huì) 田彥燦 徐興榮 肖明圖 吳 杰

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

陸上地震勘探中，疏松表層介質(zhì)對(duì)地震波高頻成分有強(qiáng)烈的吸收衰減作用，導(dǎo)致地震資料垂向分辨率降低；由于表層巖性、速度、厚度的橫向變化，吸收衰減程度會(huì)不同，造成地震波道間能量、頻率和相位的不一致，影響同相疊加結(jié)果的橫向分辨率。地震波的吸收和頻散特性與介質(zhì)的成分、飽和度、孔隙度等密切相關(guān)，研究衰減補(bǔ)償時(shí)一般用品質(zhì)因子Q描述這種吸收與衰減的總體效應(yīng)。

目前改善地表一致性、提高分辨率的常規(guī)方法有基于地表一致性(或單道)的反褶積(含振幅補(bǔ)償)和基于深層地層的Q補(bǔ)償方法。前者基于統(tǒng)計(jì)方法，通常難以滿足假設(shè)條件，因此對(duì)消除表層影響能力有限。而且反褶積存在不同程度的保真性問題，甚至產(chǎn)生副作用[1-5]。后者忽略了表層嚴(yán)重的吸收衰減作用，因此難以獲得理想的處理成果。

近年來，對(duì)地震信號(hào)的吸收衰減研究日趨重視[6-7]，但大多數(shù)的地層Q值求取及吸收補(bǔ)償方法針對(duì)的是深層成巖介質(zhì)[8-13]，Q模型的估算難度大，存在不確定性；反Q濾波振幅補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性、補(bǔ)償結(jié)果的評(píng)價(jià)等問題都亟待解決。針對(duì)反Q濾波振幅補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性問題，Wang[14]基于Kolsky-Futterman模型，從一維波動(dòng)方程出發(fā)，考慮能量的吸收和頻散，導(dǎo)出能量補(bǔ)償和相位校正公式，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健有效的頻率域反Q濾波方法。

隨著油氣勘探領(lǐng)域?qū)Φ卣饠?shù)據(jù)精度要求的提高，學(xué)者們開始重視表層吸收補(bǔ)償問題[15-20]。尹喜玲等[18]就沙漠地區(qū)的近地表吸收規(guī)律進(jìn)行了初步探討，認(rèn)為多次反射和透射是造成近地表衰減的主要原因。于承業(yè)等[19]提出利用雙井微測(cè)井資料，通過頻移法估算近地表Q值，強(qiáng)調(diào)了近地表衰減補(bǔ)償?shù)闹匾?，指出現(xiàn)有處理系統(tǒng)的地表一致性振幅補(bǔ)償和地表一致性反褶積是定性的，不能在時(shí)間、頻率、空間三個(gè)域有效消除近地表影響。

為了有效解決表層吸收補(bǔ)償問題，本文提出了一種確定性表層Q求取和空變吸收補(bǔ)償方法。該方法基于地表一致性原理，實(shí)現(xiàn)了表層相對(duì)衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)估算、表層Q模型建立、表層Q標(biāo)定以及穩(wěn)定的空變Q補(bǔ)償，有效解決表層橫向多變的吸收問題。經(jīng)模型計(jì)算驗(yàn)證了方法的正確性和保真性，目前已應(yīng)用于新疆、青海、大慶等多個(gè)地區(qū)實(shí)際生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：該方法能合理拓寬有效頻帶并大幅提高地震數(shù)據(jù)分辨率，且不降低數(shù)據(jù)信噪比。經(jīng)表層吸收補(bǔ)償后，數(shù)據(jù)一致性更高，波組關(guān)系更加明確，地質(zhì)現(xiàn)象和構(gòu)造特征更加清楚。井標(biāo)定和屬性分析等均證明了補(bǔ)償結(jié)果的可靠性，相比常規(guī)處理方法效果明顯。

1 方法原理

首先利用野外表層吸收調(diào)查數(shù)據(jù)的直達(dá)波計(jì)算調(diào)查點(diǎn)的表層實(shí)測(cè)Q值。在沒有表層實(shí)測(cè)Q值的情況下，也可利用表層調(diào)查的速度模型計(jì)算近似Q值：基于共炮檢域統(tǒng)計(jì)迭代求出炮檢點(diǎn)相對(duì)衰減系數(shù)，并結(jié)合表層旅行時(shí)得到表層相對(duì)Q值；再利用實(shí)測(cè)Q值或近似Q值對(duì)相對(duì)Q值的大小和空間變化趨勢(shì)進(jìn)行標(biāo)定，得到表層Q場(chǎng)；最后利用表層Q場(chǎng)和表層旅行時(shí)，通過有效穩(wěn)定的Q補(bǔ)償算法對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行表層Q空變補(bǔ)償。表層吸收補(bǔ)償即相當(dāng)于將炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)從地表延拓至高速頂界的過程。該方法流程如圖1示。

圖1 表層Q空變補(bǔ)償流程

1.1 求表層實(shí)測(cè)Q值

實(shí)測(cè)Q值的求取是表層吸收補(bǔ)償方法研究的基礎(chǔ)，其結(jié)果對(duì)計(jì)算整個(gè)工區(qū)的Q值起著約束標(biāo)定作用。利用微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)井底道和地面道直達(dá)波的頻率屬性和振幅屬性，通過改進(jìn)的峰值頻移法或譜比法計(jì)算實(shí)測(cè)Q值[13,19-20]。

改進(jìn)峰值頻率頻移法：表層對(duì)地震波的吸收會(huì)導(dǎo)致峰值頻率由高變低，通過分析井底道峰值頻率fw到地面道峰值頻率fg的移動(dòng)可反演調(diào)查點(diǎn)的表層Q值，如圖2所示。改進(jìn)峰值頻率頻移法結(jié)合了質(zhì)心頻率頻移法和峰值頻率頻移法的優(yōu)點(diǎn)，目的是先求質(zhì)心頻率fwc，再通過式(1)將質(zhì)心頻率換算成峰值頻率fw，提高算法的穩(wěn)定性。

圖2 峰值頻率頻移法示意圖

(1)

峰值頻率頻移法的計(jì)算公式為

(2)

頻譜比率法(改進(jìn)的譜比法)：表層對(duì)地震波的吸收還會(huì)造成振幅減弱，譜比法通過分析井中道振幅A0與地面道振幅A的比值計(jì)算Q值

(3)

圖3 譜比法示意圖

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)先評(píng)價(jià)吸收調(diào)查記錄是否可用。由于表層的吸收作用，地面道信號(hào)相對(duì)井底道信號(hào)其振幅明顯更弱，主頻明顯降低。有時(shí)由于采集中井中道的耦合不好，所求出的Q值比較大，這樣的值不可用。野外表層Q值調(diào)查點(diǎn)的設(shè)計(jì)密度應(yīng)以能控制區(qū)域的表層Q的長(zhǎng)波長(zhǎng)變化為宜。

對(duì)于表層較厚的沙漠區(qū)，也可以利用多項(xiàng)式擬合質(zhì)心頻移法估算近地表Q值[19]。

1.2 表層相對(duì)Q值

表層吸收會(huì)造成反射信號(hào)的振幅減弱。若表層速度低或旅行時(shí)長(zhǎng)，則表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收特征，這種吸收衰減具有地表一致性特點(diǎn)，把這種比例關(guān)系定義為相對(duì)衰減系數(shù)，作為求取表層相對(duì)Q值的重要屬性參數(shù)。具體方法為：先對(duì)原始數(shù)據(jù)去噪，選取給定時(shí)窗內(nèi)信噪比較高的反射同相軸數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算每道的均方根振幅，然后統(tǒng)計(jì)求取共炮檢點(diǎn)的平均振幅，迭代求出炮檢點(diǎn)相對(duì)衰減系數(shù)R，并結(jié)合表層旅行時(shí)、根據(jù)譜比法得到表層相對(duì)Q值。

R相當(dāng)于譜比法中衰減前、后的能量比值。檢波點(diǎn)位置的R與表層Q值之間的關(guān)系式為

(4)

式中：t表示旅行時(shí)，根據(jù)表層模型求得；f表示地震波主頻，可根據(jù)去噪后頻譜分析計(jì)算得到；scale表示調(diào)節(jié)系數(shù)，該系數(shù)可改變Q的趨勢(shì)大小，逼近于實(shí)測(cè)Q值。

實(shí)際工作中對(duì)R做異常值過濾處理，由式(4)可以推導(dǎo)出表層Q值為

(5)

1.3 表層Q場(chǎng)的建立

基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求取的實(shí)測(cè)Q值及通過大炮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)求取炮檢點(diǎn)表層的相對(duì)Q值，采用圖4給出的表層Q約束標(biāo)定流程可實(shí)現(xiàn)相對(duì)Q值的標(biāo)定約束，并建立表層空變Q場(chǎng)，標(biāo)定結(jié)果不改變表層Q值的短波長(zhǎng)，但校正了表層Q值的長(zhǎng)波長(zhǎng)問題。

除表層Q值外，表層旅行時(shí)也是表層Q補(bǔ)償?shù)闹匾獏?shù)，可通過靜校正計(jì)算得到。具體過程如圖4所示。

圖4 表層Q約束標(biāo)定流程圖

求得了每個(gè)炮檢點(diǎn)的Q和t，也就完整地建立了表層Q模型和補(bǔ)償參數(shù)，為疊前數(shù)據(jù)表層Q空變補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。

1.4 表層Q補(bǔ)償

建立表層Q場(chǎng)后，用穩(wěn)定的表層補(bǔ)償算法就可以對(duì)疊前數(shù)據(jù)在頻率域進(jìn)行表層Q空變補(bǔ)償

(6)

Wang[14]提出了穩(wěn)定的Q補(bǔ)償算法，對(duì)振幅項(xiàng)做了改進(jìn)，提出穩(wěn)定的振幅補(bǔ)償量

上述Q補(bǔ)償算法的穩(wěn)定性體現(xiàn)在可以通過增益限制控制補(bǔ)償?shù)念l帶范圍，防止高頻噪聲的過分補(bǔ)償。由于補(bǔ)償量隨頻率和時(shí)間的增大逐漸增大，通常的補(bǔ)償算法都會(huì)對(duì)高頻端過分補(bǔ)償，造成噪聲過量、信號(hào)失真，而Wang[14]采用對(duì)完全吸收的頻率成分不再進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟呗?，避免了?duì)高頻噪聲的過量補(bǔ)償。該算法的另一優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償振幅的同時(shí)也可調(diào)整相位，可以同時(shí)解決地層吸收造成的地震波能量損失和頻散問題。

算法中的參數(shù)scale對(duì)補(bǔ)償起著重要作用，在實(shí)際工作中需要根據(jù)具體情況給定合理的值。圖5是參數(shù)scale中心頻率對(duì)相位調(diào)整項(xiàng)的影響。由圖可見，中心頻率發(fā)生變化時(shí)，相位調(diào)整量也隨之變化，僅僅在頻率為ωh時(shí)相位不做調(diào)整，其他情況都需要調(diào)整。

圖5 相位調(diào)整量隨中心頻率的變化曲線

圖6是在固定Q、t的情況下，給定不同Glim時(shí)的振幅補(bǔ)償曲線。由圖可見，Glim控制了拐點(diǎn)頻率(即截止頻率fh)，在實(shí)際數(shù)據(jù)補(bǔ)償中控制高頻端的補(bǔ)償量，因此合理設(shè)定Glim能降低補(bǔ)償結(jié)果中的噪聲水平。圖7和圖8分別為不同表層Q值、相同旅行時(shí)的振幅和相位補(bǔ)償曲線，也進(jìn)一步說明了表層Q補(bǔ)償算法的自適應(yīng)性。

圖6 增益限制Glim對(duì)振幅補(bǔ)償量影響曲線

圖7 相同旅行時(shí)(t=60ms)、不同Q值時(shí)的振幅補(bǔ)償曲線

圖8 相同旅行時(shí)(t=60ms)、不同Q值時(shí)的相位補(bǔ)償曲線

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型1

為了測(cè)試方法的正確性及適應(yīng)性，利用理論模型進(jìn)行正、反演論證。參照一口實(shí)際井的數(shù)據(jù)建立黏彈模型。圖9是表層速度模型和Q模型，表層Q是橫向變化的。通過波動(dòng)方程正演獲得二維地震數(shù)據(jù)，利用本文方法對(duì)數(shù)據(jù)求取相對(duì)衰減系數(shù)、建立表層Q模型并驗(yàn)證表層Q補(bǔ)償。圖10為正演Q值和反演相對(duì)Q值曲線，可見兩者吻合較好。圖11是模型正演、反褶積、表層Q補(bǔ)償?shù)兰邦l譜對(duì)比圖。需要說明的是試驗(yàn)采用的是地表一致性反褶積，參數(shù)是經(jīng)掃描后優(yōu)選得到的。模型1的計(jì)算結(jié)果證明了本文法求取Q值及表層Q補(bǔ)償是準(zhǔn)確且穩(wěn)定的。

圖9 表層速度理論模型(上)和Q值理論模型(下)

圖10 理論模型正演Q值(藍(lán)色)和反演相對(duì)Q值(紅色)

圖12為模型正演、反褶積、表層Q補(bǔ)償疊加剖面及模型合成記錄對(duì)比圖，剖面中內(nèi)嵌的藍(lán)色信號(hào)為合成記錄(模型)?？梢钥闯霰韺観補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)與合成記錄吻合性更好，分辨率更高。進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的保真性。

2.2 模型2

模型2來自于實(shí)際的表層吸收調(diào)查數(shù)據(jù)。圖13為吸收調(diào)查的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方式示意圖，通過激發(fā)井和接收井構(gòu)成雙微測(cè)井調(diào)查，分別取井底道與地面道信號(hào)，用頻移法或譜比法求取野外實(shí)測(cè)Q值。用得到的實(shí)測(cè)Q值補(bǔ)償?shù)孛娴溃c井底道對(duì)比如圖14所示?？梢钥闯觯旱孛娴老鄬?duì)與井底道的衰減更顯著、振幅更弱、主頻更低，經(jīng)反演Q值補(bǔ)償?shù)男盘?hào)與井底道的信號(hào)很相似。模型2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，表層吸收嚴(yán)重的信號(hào)經(jīng)衰減處理后，通過表層補(bǔ)償可以近似得到恢復(fù)。

圖11 模型正演、反褶積、表層Q補(bǔ)償?shù)兰邦l譜對(duì)比圖

圖12 理論模型正演、反褶積、表層Q補(bǔ)償疊加剖面與模型合成記錄對(duì)比圖

圖13 吸收調(diào)查的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方式示意圖

圖14 表層吸收調(diào)查數(shù)據(jù)與Q補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)比

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)例1

實(shí)例1數(shù)據(jù)來自中國(guó)西部典型丘陵地區(qū)，該區(qū)地表發(fā)育兩個(gè)大型沖積扇，表層縱、橫向速度和厚度變化較大，且淺層干燥，導(dǎo)致近地表有效信號(hào)高頻吸收衰減嚴(yán)重，對(duì)中深目的層地震資料成像、儲(chǔ)層描述、砂體識(shí)別、流體檢測(cè)等造成很大影響。

圖15為表層Q值曲線及Q空變補(bǔ)償處理前、后單炮及頻譜對(duì)比圖。從圖15b可以看到，補(bǔ)償后的記錄中淺、中、深層有效反射信噪比、分辨率均有顯著提高；從圖15c、圖15d所示的頻譜分析結(jié)果可以看出，低頻信號(hào)保持較好，中、高頻成分得到較好的恢復(fù)，有效頻帶拓寬了20Hz。

圖16為經(jīng)地表一致性反褶積和表層Q空變補(bǔ)償?shù)钠拭鎸?duì)比。由圖可見，經(jīng)表層Q補(bǔ)償獲得了高質(zhì)量的地震剖面，地表一致性問題得到了較好的解決，反射層信噪比、連續(xù)性增強(qiáng)，分辨率、保真度提高，地質(zhì)現(xiàn)象清晰，其效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖15 表層Q值曲線及Q補(bǔ)償前、后單炮記錄及頻譜對(duì)比

圖16 地表一致性反褶積(a)與表層Q補(bǔ)償(b)剖面對(duì)比

3.2 實(shí)例2

實(shí)例2來自中國(guó)西部典型大沙漠地區(qū)。該地區(qū)沙丘起伏劇烈，厚度約為30～200m，地表干燥松散，表層橫向速度和厚度變化大，地震波吸收衰減嚴(yán)重，分辨率、保真度的提高是該區(qū)地震勘探的瓶頸問題。

圖17為表層補(bǔ)償參數(shù)平面圖對(duì)比，可見表層旅行時(shí)與表層Q值有明顯的正相關(guān)性。

圖18為表層Q補(bǔ)償前、后的單炮記錄對(duì)比，圖19為表層Q補(bǔ)償前、后疊加剖面對(duì)比?？梢钥闯觯罕韺観補(bǔ)償后有效反射的連續(xù)性得到改善，信噪比和分辨率均有顯著提高。

圖20為分別應(yīng)用地表一致性反褶積與表層Q補(bǔ)償處理的剖面對(duì)比?？梢钥闯觯罕韺観補(bǔ)償后反射波組特征穩(wěn)定、清晰，便于追蹤對(duì)比，信噪比、分辨率均優(yōu)于常規(guī)處理剖面。

圖17 表層補(bǔ)償參數(shù)平面圖

圖18 表層Q補(bǔ)償前(a)、后(b)單炮記錄對(duì)比

圖19 表層Q補(bǔ)償前(a)、后(b)剖面對(duì)比

圖20 地表一致性反褶積(a)與表層Q補(bǔ)償(b)剖面對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從地表一致性問題入手，引入表層相對(duì)衰減系數(shù)的概念，并由此推導(dǎo)表層相對(duì)Q值的計(jì)算公式。表層Q模型由野外實(shí)測(cè)的絕對(duì)Q值(或李氏經(jīng)驗(yàn)公式Q值)對(duì)相對(duì)Q值進(jìn)行約束標(biāo)定完成，然后基于空變表層旅行時(shí)、表層Q值、補(bǔ)償參數(shù)等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的表層Q空變補(bǔ)償，使表層橫向吸收衰減的信號(hào)得到最大程度的補(bǔ)償。

通過實(shí)測(cè)調(diào)查分析了表層吸收對(duì)信號(hào)的影響。采用確定的表層Q補(bǔ)償方法基本可以恢復(fù)近地表衰減前的信號(hào)。

理論模型和兩個(gè)不同地表類型的地區(qū)實(shí)測(cè)資料的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該方法可有效提高計(jì)算精度?？傮w來說，經(jīng)表層Q補(bǔ)償?shù)牡卣鹳Y料振幅譜震蕩關(guān)系得到相對(duì)保持，反射波有效頻帶得到大幅度拓寬，疊前單炮記錄和疊加剖面的信噪比、分辨率均有較大幅度的提高。該方法為攻克表層吸收補(bǔ)償難題提供了新思路。