提高地震分辨率處理效果定量評價方法研究

刁 瑞

(中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257022)

0 引言

地震波在地下傳播過程中受到地層吸收衰減的影響，導(dǎo)致地震波高頻能量損失和相位畸變，降低了地震資料的分辨率[1]。對于薄互層油氣藏和復(fù)雜隱蔽巖性油氣藏，常規(guī)的地震反射波資料難以滿足薄砂體儲層精細(xì)刻畫的要求，特別是中深層油氣藏面臨著難以精細(xì)預(yù)測薄層砂體發(fā)育情況的難題[2]，需要針對性地開展地震資料提高分辨率處理。提高分辨率是地震資料處理的重要環(huán)節(jié)之一，提高分辨率處理方法包括：預(yù)測反褶積、分頻帶反褶積、零相位反褶積、子波整形反褶積、反Q濾波、譜模擬反褶積、譜白化、井約束提頻、近地表Q值吸收補償?shù)确椒╗3-8]。反褶積方法種類很多，主要區(qū)別之一在于對地震子波的假設(shè)和估計地震子波的方法，通常假設(shè)地震信號是平穩(wěn)信號，反射系數(shù)序列是白噪序列，子波是最小相位[9]。各種提高地震分辨率處理方法在實際地震資料處理中發(fā)揮了舉足輕重的作用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

隨著勘探開發(fā)程度的不斷提高，成熟油區(qū)薄互層油氣藏、隱蔽巖性油氣藏逐漸成為勘探開發(fā)的重點，薄砂體儲層對提高地震分辨率處理方法提出了更高的要求。針對不同品質(zhì)的地震數(shù)據(jù)，應(yīng)該采用何種提高分辨處理方法和參數(shù)，以及地震數(shù)據(jù)的分辨率應(yīng)該提高到何種程度等問題，制約著提高分辨率處理效果。劉浩杰等[10]從客觀量化角度對地震資料分辨率與頻譜特征參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究。李曙光等[11]從剖面和頻譜特征對3種提高分辨率方法進(jìn)行了探討。芮擁軍[12]分析了相對保幅處理的難點，對振幅處理、噪聲壓制和提高分辨率等處理技術(shù)的保幅性進(jìn)行了分析。錢榮鈞[13]分析了分辨率的分類和定義，并給出了計算空間分辨率的方法。萬歡等[14]通過頻譜、信噪比和相似系數(shù)等參數(shù)，對比分析了4種提高分辨率技術(shù)，在疊前地震資料中取得了較好的應(yīng)用效果。

常規(guī)地震資料提高分辨率處理過程中，由于缺乏系統(tǒng)的提高分辨率效果定量評價分析方法和軟件，需要對提高分辨率處理方法和處理參數(shù)等進(jìn)行大量的重復(fù)試驗，在進(jìn)行提高分辨率處理結(jié)果對比評價中，人為因素影響較大，難以真實客觀地定量評價處理方法和參數(shù)的選擇。筆者針對薄砂體精細(xì)描述的地質(zhì)需求，開展了提高地震分辨率效果定量評價方法研究，并研發(fā)了軟件系統(tǒng)，從而高效優(yōu)選提高分辨率處理技術(shù)、流程和參數(shù)，全面可靠的監(jiān)控提高分辨率處理流程，實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)提高分辨率處理的效果定量評價分析。效果定量評價技術(shù)在新疆車排子地區(qū)沙灣組薄層砂體油藏進(jìn)行了應(yīng)用，對提高分辨率處理進(jìn)行全流程的效果定量評價分析，提高分辨率處理后識別薄層能力顯著增強，為后續(xù)的油藏描述和井位部署奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 方法原理

如何實現(xiàn)提高分辨率不同技術(shù)、流程及參數(shù)的最優(yōu)化選擇，一直是提高分辨率處理所面臨的難題。在提高分辨率處理效果評價方面，針對常規(guī)頻譜和剖面對比的優(yōu)選難題，提出了對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行多種屬性計算、多種屬性組合優(yōu)選的效果定量評價方法。

首先，選用不同提高分辨率方法和參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；然后，通過數(shù)學(xué)公式計算測試數(shù)據(jù)地質(zhì)目的層屬性參數(shù)，包括：振幅、頻率、相位、信噪比、時頻特征、相干特征、振幅比特征、波形特征、斷層特征等；再次，綜合分析所有屬性信息，對提高分辨率處理結(jié)果進(jìn)行效果定量評價；最后，從不同測試結(jié)果中優(yōu)選最理想效果，確定最佳提高分辨率方法和處理參數(shù)。通過技術(shù)(參數(shù))差異性繪圖，結(jié)合屬性提取、合成記錄標(biāo)定等多因素綜合分析，從而實現(xiàn)對提高分辨率處理前后效果優(yōu)劣的評價，達(dá)到高效勘探與開發(fā)的目的。

1.1 頻譜類方法

地震波在地層中傳播，隨著傳播距離的增加，高頻成份相對于低頻而言更容易衰減，包含不同頻率成份的頻譜則能夠反映地震數(shù)據(jù)的分辨率。振幅譜主要通過主頻和頻寬兩個參數(shù)來描述，是一個時間域信號在頻率域的表達(dá)方式，可以對時間域信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到。

通過傅里葉變換算法可以求得地震數(shù)據(jù)的振幅譜和分貝譜，從而計算主頻、有效頻寬、倍頻程、低截頻值、高截頻值、不同頻段能量等信息，分析不同提高分辨率方法和參數(shù)的頻譜屬性，從而實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的優(yōu)選。振幅譜和分貝譜計算公式如下：

dB(f)=20log10|H(f)|

(1)

式中，dB(f)是分貝譜，|H(f)|是歸一化后的振幅譜，H(ω)是振幅譜，h(t)是地震記錄。

對不同提高分辨率方法和參數(shù)的地震數(shù)據(jù)分別進(jìn)行傅里葉變換，在變換得到的頻譜中求取主頻、頻寬等屬性，優(yōu)勢頻寬以-18 dB為標(biāo)準(zhǔn)，有效頻寬以-24 dB為標(biāo)準(zhǔn)。主頻越高，有效頻帶越寬，倍頻程越大，則地震分辨率越高。隨著“兩寬一高”地震技術(shù)的發(fā)展，越來越重視低頻段信息的恢復(fù)和保護(hù)，低截頻值越小，則表示低頻段信息越豐富，倍頻程也越大，從而分辨率越高。

1.2 子波類方法

地震子波提取方法主要包括：自相關(guān)方法、同態(tài)譜方法、譜模擬方法、高階統(tǒng)計量方法、高階譜方法、時空變方法和非線性理論方法等，地震子波提取方法各有優(yōu)缺點，適用于不同信噪比的地震數(shù)據(jù)。

通過地震記錄的高階累積量可以近似得到地震子波的高階累積量，根據(jù)地震記錄的功率譜計算得到子波振幅譜，利用地震記錄的雙譜重構(gòu)地震子波的相位。地震子波頻譜的計算公式如下[15]：

B(ω)=|B(ω)|ejφb(ω)。

(2)

地震子波的相位譜與雙譜之間的關(guān)系為：

ψ3b(ω1,ω2)=φb(ω1)+φb(ω2)-φb(ω1+ω2),

(3)

式中：ω為頻率；φb(ω)為地震子波相位譜；ψ3b(ω1,ω2)為根據(jù)地震信號三階累積量加時窗計算得到的雙譜。

在地質(zhì)目標(biāo)層位劃取時窗，提取地震子波后，一方面，可以計算地震子波的主頻、頻寬、相位等，另一方面，對提高分辨率處理前、后的子波進(jìn)行互相關(guān)，可以計算得到不同方法或參數(shù)所對應(yīng)的子波一致性定量數(shù)值，從而直觀評價提高分辨率的效果。

在子波頻譜評價方面，通過變換得到振幅譜和相位譜后，可以根據(jù)振幅譜計算得到主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、倍頻程等，與頻譜類方法的評價標(biāo)準(zhǔn)一致。另外，根據(jù)相位譜評價提高分辨率處理對相位的改變程度。

在子波一致性評價方面，設(shè)定子波一致性評價標(biāo)準(zhǔn)，低于該標(biāo)準(zhǔn),則表明提高分辨率處理破壞了子波一致性;高于該標(biāo)準(zhǔn)，則表明提高分辨率處理在壓縮地震子波的同時，保持了較好的子波一致性。

1.3 信噪比類方法

信噪比分析方法包括：能量疊加法、頻譜估計法、功率譜估算法、相關(guān)法和特征值法等[16]。信噪比低的地震資料優(yōu)選頻譜或功率譜法。信噪比是衡量地震資料品質(zhì)的重要參數(shù)，通過分析提高分辨率處理前后數(shù)據(jù)的信噪比，可以評價不同提高分辨率方法和參數(shù)的處理效果，從而根據(jù)信噪比分析結(jié)果優(yōu)選最佳參數(shù)。

通過信噪比分析可以避免過多高頻噪聲的不利影響，從而確保擴展頻帶寬度的可信度。由于不同層位或同一層位的地震波能量差異巨大，通常情況下在某一時窗內(nèi)進(jìn)行信噪比分析，能量疊加法信噪比分析公式如下：

式中:M為分析時窗的采樣點數(shù),N為地震道數(shù),dij是地震記錄振幅。

選取多種信噪比計算方法，進(jìn)行定量化的信噪比分析，可以對提高分辨率結(jié)果進(jìn)行效果評價。在多種方法達(dá)到相同提高分辨率效果時，通過信噪比高低進(jìn)行評價，從而指導(dǎo)方法或參數(shù)的優(yōu)選。

1.4 時頻分析方法

時頻分析方法解決了一維傅里葉變換中時間域和頻率域分離的不足，可以同時分析不同時刻包含的各頻率成份，以及不同頻率成份隨傳播時間的變化特征[17]。

修正S變換的表達(dá)式如下：

exp[-fp(t-τ)2/2λ]exp(-i2πft)dt,

(5)

式中:GSTN(τ,f)是二維時頻譜，h(t)是地震記錄，λ、p是修正S變換調(diào)節(jié)參數(shù)，可以獲得不同分辨率的時頻分析結(jié)果。

對比提高分辨率處理前、后的時頻譜特征，一方面，可以分析不同時刻的頻譜特征，避免了傅里葉變換時窗大小的限制，能夠更加精細(xì)地分析頻率變化特征，另一方面，可以分析不同頻率成份隨時間的變化情況，即不同頻段能量的時間變化曲線，計算公式如下：

(6)

式中:t為時間，單位ms；f為頻率，f1和f2為頻段的起始頻率和截止頻率，單位Hz；GSTN(t,f)為地震記錄的二維時頻譜。提高分辨率處理后，高頻段能量曲線的數(shù)值明顯增大，表明時頻譜中優(yōu)勢頻帶和有效頻帶寬度增加，而高頻段能量曲線的變化趨勢保持不變，表明地震記錄能量得到很好的恢復(fù)和補償，并且時頻譜的淺中深層能量關(guān)系匹配較好，保持了原始數(shù)據(jù)的頻譜特征和時頻特性。

2 定量評價軟件系統(tǒng)研發(fā)

目前常用的編程語言主要有C/C++、Fortran、Matlab等語言[18-19]，在此采用C++和Qt編程語言，進(jìn)行提高地震分辨率效果定量評價算法開發(fā)與軟件研發(fā)，所研發(fā)的軟件具有可移植、跨平臺的特點。該軟件共包括：頻率分析、波形分析、子波一致性分析、能量分析、信噪比分析、振幅譜分析、時頻譜分析、子波分析、沿層屬性分析等模塊功能。

對原始地震記錄進(jìn)行提高分辨率處理，得到不同方法和參數(shù)的一系列結(jié)果，可以對單個數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、時頻分析和子波分析等，也可以將一系列提高分辨率結(jié)果進(jìn)行編號，計算屬性特征的變化趨勢，從而根據(jù)柱狀圖進(jìn)行效果定量評價。

對單個提高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行評價分析，圖1是地震數(shù)據(jù)剖面顯示和二維時頻譜分析結(jié)果，在地震剖面上劃取時窗可以快速實現(xiàn)頻譜分析、時頻分析和子波分析等功能。

圖1 地震數(shù)據(jù)顯示及時頻譜分析Fig.1 Seismic section and time-frequency spectrum

將一系列提高分辨率結(jié)果進(jìn)行編號，分析不同方法或參數(shù)的屬性變化特征。圖2是頻譜類方法定量評價結(jié)果，頻譜類屬性包括：主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、低頻段能量、高頻段能量和倍頻程等。對不同提高分辨率方法和處理參數(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行編號，圖中共計6個處理參數(shù)。主頻屬性分析結(jié)果顯示，不同處理參數(shù)的主頻基本相同，編號4～6的主頻略高，約為20 Hz；從頻寬屬性、高截頻值屬性、高頻段能量屬性的分析結(jié)果可以看出，編號4和5的處理參數(shù)最佳，頻寬約為44 Hz，高截頻值為50 Hz；低截頻值屬性顯示編號1～4效果最佳，約為6 Hz，但低頻段能量屬性顯示編號1～5的效果整體比較理想。綜合考慮主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、低頻段能量和高頻段能量，最佳處理參數(shù)是編號4，主頻為20 Hz，頻寬為44 Hz，低截頻值為6 Hz，高截頻值為50 Hz，約3個倍頻程。

圖2 頻譜類方法定量評價結(jié)果Fig.2 The quantitative evaluation results of spectrum

3 實際資料應(yīng)用效果

提高地震分辨率效果定量評價技術(shù)及軟件系統(tǒng)在新疆車排子工區(qū)處理中進(jìn)行了應(yīng)用，實現(xiàn)整個提高分辨率處理過程的全流程監(jiān)控。新疆車排子工區(qū)在沙灣組發(fā)育薄砂體油藏，老成果資料存在縱橫向分辨能力低、反射軸雜亂、層位追蹤困難、空白反射較多、斷點與斷面不清楚的難題，造成低序級斷層識別難度大，儲層精細(xì)描述落實存在一定風(fēng)險，迫切需要高分辨率處理地震資料的支撐。

圖3是提高分辨率處理前、后地震剖面的效果對比，圖3a是提高分辨率處理前的原始數(shù)據(jù)，圖3b是采用地表一致性預(yù)測反褶積(步長12 ms)和反Q濾波(參數(shù)取20)的多步提頻處理結(jié)果，圖3c是僅采用反Q濾波(參數(shù)取50)的處理結(jié)果。

采用提高分辨率效果定量評價軟件對處理效果進(jìn)行分析，如圖4所示，對原始數(shù)據(jù)、多步提頻數(shù)據(jù)、反Q濾波數(shù)據(jù)分別編號1、2、3，其中圖4a為頻譜類定量評價結(jié)果，圖4b為信噪比、子波一致性、波形相似性定量評價結(jié)果。從圖4a中可以看出：編號2數(shù)據(jù)的主頻為27 Hz、頻寬為42 Hz、低截頻值為7 Hz、高截頻值為49 Hz，均優(yōu)于編號3數(shù)據(jù)；編號2數(shù)據(jù)的低頻段能量和高頻段能量較強，表明低頻段和高頻段信息豐富。從圖4b中可以看出：提頻處理后信噪比略有降低，但在可接受范圍；子波一致性和波形相似性方面，在中頻段兩種方法基本接近，在高頻段編號2數(shù)據(jù)的子波一致性和波形相似性更優(yōu)。分析結(jié)果顯示多步提頻優(yōu)于反Q濾波，從地震剖面中也可以得到相同的結(jié)論，采用多步提頻的處理結(jié)果較好地保持了河道砂體的特征(紅色橢圓所示)，并且具有較高的保幅性。

在提高地震分辨率處理過程中，進(jìn)行了全流程的效果定量評價，確保優(yōu)選最佳提高分辨率方法和處理參數(shù)，從而獲取最優(yōu)的提高分辨率結(jié)果數(shù)據(jù)。圖5是提高分辨率處理前、后的效果對比，從提高分辨率前、后的地震剖面中可以看出，提高分辨率處理成果數(shù)據(jù)解決了老成果分辨率低、空白反射多、層位難以追蹤的問題，利用提高分辨率處理數(shù)據(jù)可以滿足砂組細(xì)分的需求。

a—原始數(shù)據(jù);b—多步提頻處理結(jié)果;c—反Q濾波處理結(jié)果a—original processing data;b—multistep high resolution data;c—inverse Q filtering data圖3 提高分辨率效果對比Fig.3 Improved resolution effect contrast

a—頻譜定量評價結(jié)果;b—信噪比、子波一致性、波形相似性頻譜定量評價結(jié)果a—the quantitative evaluation results of spectrum;b—the quantitative evaluation results of S/N,wavelet consistency,waveform similarity圖4 定量評價結(jié)果Fig.4 The quantitative evaluation results

圖5 提高分辨率前(a)后(b)效果對比Fig.5 The effect contrast of high resolution processing before(a) and after(b)

4 結(jié)論

1)針對提高地震分辨率效果監(jiān)控的迫切需求，創(chuàng)新研究了提高地震分辨率效果評價技術(shù)，從9個方面的屬性特征對不同處理方法和參數(shù)進(jìn)行定量評價，實現(xiàn)了提高分辨率評價由定性向定量的轉(zhuǎn)變。

2)利用效果定量評價技術(shù)對提高分辨率處理進(jìn)行全流程的監(jiān)控，最終建立針對不同地質(zhì)目標(biāo)的最佳處理流程，能夠大幅提高薄層砂體的識別能力。

3)隨著高密度地震技術(shù)的不斷發(fā)展，地震數(shù)據(jù)量呈指數(shù)型增加，提高分辨率效果定量評價技術(shù)既能夠提高處理效率，還可以應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)的質(zhì)量監(jiān)控和其他處理環(huán)節(jié)的效果評價中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝：感謝中國石化勝利油田物探研究院“提高薄互層地震分辨率處理技術(shù)推廣應(yīng)用”項目組的大力支持！