時(shí)頻空間域低頻約束AVO響應(yīng)校正方法

張生強(qiáng) 張志軍 郭 軍 譚輝煌

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

0 引言

渤海黃河口凹陷區(qū)主力含油層系為新近系明化鎮(zhèn)組下段，以河流相和極淺水三角洲相沉積為主，地震地質(zhì)條件相對(duì)較好，常規(guī)的疊后油氣檢測(cè)方法[1-5]在過去的構(gòu)造油氣藏勘探開發(fā)中發(fā)揮了積極作用。但隨著黃河口凹陷勘探開發(fā)的不斷推進(jìn)，勘探開發(fā)目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的巖性油氣藏，對(duì)地震油氣檢測(cè)提出了更高的要求。常規(guī)的疊后油氣檢測(cè)方法在面對(duì)該區(qū)復(fù)雜構(gòu)造—巖性油氣藏時(shí)具有一定局限性，不能準(zhǔn)確區(qū)分流體性質(zhì)，如有些水層強(qiáng)振幅異常很難壓制。由于疊前道集中包含著豐富的巖性和含油氣信息[6]，因此開展疊前油氣檢測(cè)方法研究對(duì)渤海黃河口凹陷現(xiàn)階段的勘探開發(fā)具有重要意義。然而，在實(shí)際疊前油氣檢測(cè)工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)疊前道集的AVO保幅性較差，主要表現(xiàn)為疊前道集的AVO響應(yīng)規(guī)律井震不匹配，而且實(shí)際道集中振幅隨炮檢距的變化規(guī)律十分混亂，不滿足疊前油氣檢測(cè)的要求，直接制約了相關(guān)疊前油氣檢測(cè)工作的開展。因此，對(duì)提高疊前道集相對(duì)保幅性的有效處理方法展開研究顯得尤為重要。

目前，基于疊前道集的AVO響應(yīng)校正優(yōu)化處理方法主要有地震炮檢距均衡方法[7]、與炮檢距有關(guān)的衰減補(bǔ)償方法[8]和基于譜反演技術(shù)的譜白化方法[9]等。地震炮檢距均衡方法是一種基于模型的振幅均衡方法，僅能校正補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄕ穹S炮檢距變化的衰減，而不能校正補(bǔ)償隨深度和頻率變化的衰減。與炮檢距有關(guān)的吸收補(bǔ)償方法是基于反Q濾波技術(shù)只對(duì)與炮檢距有關(guān)的衰減效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，但首先需要知道地層的品質(zhì)因子(通常不能準(zhǔn)確求取)，而且反Q濾波的同時(shí)降低了地震數(shù)據(jù)的信噪比?；谧V反演技術(shù)的譜白化方法是在已知地震子波的前提條件下，利用頻譜反演方法對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演實(shí)現(xiàn)譜白化過程，進(jìn)而補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄕ穹S頻率和時(shí)間變化的衰減，而實(shí)際地震子波是時(shí)變、空變的，現(xiàn)有的子波提取方法很難獲得精確的地震子波，會(huì)嚴(yán)重影響基于譜反演技術(shù)的譜白化方法的衰減補(bǔ)償效果。因此，針對(duì)疊前道集AVO保幅性問題，現(xiàn)有的優(yōu)化處理方法都存在問題，嚴(yán)重影響了AVO響應(yīng)校正效果。

通過對(duì)黃河口凹陷的實(shí)際疊前道集和大量正演模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致疊前道集AVO保幅性差的主要原因是渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實(shí)地層，加之淺層氣、復(fù)雜斷裂等因素的綜合影響，吸收衰減作用明顯[10]，使地震道集中遠(yuǎn)炮檢距的能量迅速減弱，保幅性變差。同時(shí)，分析結(jié)果表明疊前道集中高頻成分由于受衰減影響嚴(yán)重，其AVO響應(yīng)特征與正演道集不一致；而低頻成分受衰減影響較小，仍與正演道集特征保持一致，即低頻信號(hào)更容易保持住AVO響應(yīng)特征。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，針對(duì)疊前道集AVO保幅性差、現(xiàn)有提高疊前道集AVO相對(duì)保幅性技術(shù)效果不佳，本文將高分辨率分頻技術(shù)與AVO技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法。該方法以AVO趨勢(shì)保持更好的低頻能量為參考，根據(jù)低頻段疊前道集和不同頻段疊前道集的AVO響應(yīng)趨勢(shì)規(guī)律之間的關(guān)系構(gòu)建并使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維時(shí)頻空間域校正因子，彌補(bǔ)遠(yuǎn)、近炮檢距高頻衰減差異對(duì)AVO分析的影響。理論模型和實(shí)際疊前道集應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可以有效改善疊前道集質(zhì)量，提高疊前油氣檢測(cè)結(jié)果的可靠性。該方法在渤海油田BZ區(qū)塊的復(fù)雜巖性油藏疊前流體識(shí)別的應(yīng)用中取得了較好的效果，降低了勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 方法原理

1.1 AVO響應(yīng)模擬及分析

為了研究一種合理、有效地提高疊前道集AVO保幅性的方法，通過正演模擬分析研究吸收作用對(duì)目的層AVO響應(yīng)特征的影響，進(jìn)而分析其機(jī)理，嘗試尋找解決方法。根據(jù)測(cè)井及巖石物理資料，設(shè)計(jì)了一個(gè)12m厚的單層含烴儲(chǔ)層模型，其中儲(chǔ)層巖性為砂巖，圍巖為泥巖。表1給出了該模型的具體參數(shù)，理論上儲(chǔ)層AVO響應(yīng)類型為Ⅲ類。

表1 模型參數(shù)

基于模型參數(shù)，選用主頻為50Hz的Ricker子波分別基于彈性波動(dòng)方程和黏彈性波動(dòng)方程(Q=150)進(jìn)行AVO正演模擬(圖1和圖2)。對(duì)比圖1和圖2可以看出：不考慮衰減時(shí)儲(chǔ)層的AVO響應(yīng)類型為Ⅲ類(圖1b)，而考慮衰減時(shí)，疊前道集中遠(yuǎn)炮檢距的振幅迅速減弱、AVO保幅性變差，導(dǎo)致疊前道集理論上的Ⅲ類AVO響應(yīng)變?yōu)棰纛怉VO響應(yīng)(圖2b)；當(dāng)不考慮吸收衰減時(shí)，不同頻率成分的AVO響應(yīng)類型均為Ⅲ類(圖1c)；當(dāng)考慮衰減時(shí)，在相對(duì)高頻部分的AVO響應(yīng)受吸收的影響嚴(yán)重，表現(xiàn)為弱Ⅳ類AVO響應(yīng)，而在相對(duì)低頻部分(25Hz以下)受吸收影響較小，仍保留著與理論AVO響應(yīng)特征一致的Ⅲ類AVO響應(yīng)特征(圖2c)。由此可知，疊前道集的低頻分量更容易保持住AVO響應(yīng)特征，為開展基于低頻AVO響應(yīng)趨勢(shì)校正高頻AVO響應(yīng)趨勢(shì)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 單層含烴儲(chǔ)層模型彈性AVO正演結(jié)果(a)基于彈性波動(dòng)方程的AVO正演疊前角道集； (b)圖a對(duì)應(yīng)的全頻帶AVO曲線； (c)圖a對(duì)應(yīng)的分頻AVO曲線

圖2 單層含烴儲(chǔ)層模型黏彈性AVO正演結(jié)果(a)基于黏彈性波動(dòng)方程的AVO正演疊前角道集； (b)圖a對(duì)應(yīng)的全頻帶AVO曲線； (c)圖a對(duì)應(yīng)的分頻AVO曲線

1.2 稀疏反演復(fù)譜分解方法

稀疏反演復(fù)譜分解方法[11]是高精度地震信號(hào)分解與重構(gòu)算法。先將譜分解描述為一個(gè)線性反演問題，然后采用稀疏約束正則化策略求解該線性反演問題，最終得到一個(gè)具有高時(shí)頻分辨率的時(shí)頻譜。其數(shù)學(xué)模型[12-14]為

Αx+n=(W1W2…WN)×

(r1r2…rN)T+n=d

(1)

式中：d為地震記錄；Wi為以頻率fi為主頻的復(fù)子波矩陣；ri為與Wi相對(duì)應(yīng)的復(fù)反射系數(shù)；N為參與計(jì)算的頻率個(gè)數(shù)；A為復(fù)子波卷積矩陣庫(kù)；x為與頻率相關(guān)的復(fù)反射系數(shù)矩陣；n為隨機(jī)噪聲。

式(1)中矩陣x的元素個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于地震記錄d的元素個(gè)數(shù)，因此式(1)是一個(gè)欠定的線性反演問題。為了降低解的不確定性并獲得稀疏的時(shí)頻譜，需要對(duì)x執(zhí)行稀疏約束，進(jìn)而將式(1)轉(zhuǎn)化為基追蹤去噪問題[15]，即

(2)

式中：權(quán)重參數(shù)μ>0，用于在最小化過程中控制前、后兩項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重；Cm表示m維復(fù)數(shù)域。通過采用高效且魯棒的交替方向優(yōu)化算法[16]求解無約束基追蹤去噪問題(式(2))，便可得到高分辨率時(shí)頻譜x。

圖3a為由不同主頻Ricker子波合成的一道地震記錄，其中：第一個(gè)子波和第二個(gè)子波的主頻分別為20Hz和50Hz，用于模擬同一深度不同頻率組合的地震響應(yīng)；第三個(gè)子波和第四個(gè)子波的主頻均為60Hz，模擬的是薄層地震響應(yīng)；第五個(gè)子波和第六個(gè)子波的主頻皆是50Hz，第七個(gè)子波和第八個(gè)子波的主頻皆為30Hz，模擬的是薄互層地震響應(yīng)。圖3b為利用商業(yè)軟件中的匹配追蹤譜分解方法[17]得到的時(shí)頻譜，圖3c為利用稀疏反演復(fù)譜分解方法得到的時(shí)頻譜，圖3d和圖3e分別是利用匹配追蹤方法和稀疏反演復(fù)譜分解方法重構(gòu)40Hz以上高頻地震信號(hào)，可見，與商業(yè)軟件中的匹配追蹤方法相比，稀疏反演復(fù)譜分解方法獲得的時(shí)頻譜分辨率更高，同時(shí)也可以對(duì)不同頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的重構(gòu)(圖3d中圓圈和箭頭所示)。

圖3 稀疏反演復(fù)譜分解方法與匹配追蹤譜分解方法的時(shí)頻分辨率和數(shù)據(jù)重構(gòu)精度對(duì)比(a)合成地震道； (b)用匹配追蹤譜分解方法獲得的時(shí)頻譜； (c)用稀疏反演復(fù)譜分解方法獲得的時(shí)頻譜； (d)由圖b重構(gòu)的40Hz以上高頻信號(hào)； (e)由圖c重構(gòu)的40Hz以上高頻信號(hào)。藍(lán)色實(shí)線為原始40Hz以上高頻信號(hào)，紅色虛線為重構(gòu)信號(hào)

1.3 基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法

針對(duì)疊前道集中AVO保幅性差的問題，通過將高分辨率分頻技術(shù)與AVO技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法。由于地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)衰減，而且：高頻成分要比低頻成分衰減嚴(yán)重；對(duì)于相同深度反射，炮檢距越大衰減越大；對(duì)于相同炮檢距，傳播越深，衰減越大。本文提出的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法同時(shí)考慮了頻率、炮檢距和深度因素的影響，其校正因子是三個(gè)維度的，更符合實(shí)際，進(jìn)而可以有效提高原始疊前道集的AVO相對(duì)保幅性。

本文提出的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法的主要實(shí)現(xiàn)步驟(圖4)如下。

圖4 基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法流程

(1)在研究區(qū)疊前偏移成像處理后得到的疊前CRP道集g(h,t)基礎(chǔ)上，根據(jù)炮檢距、振幅以及地震資料對(duì)應(yīng)的均方根速度，計(jì)算對(duì)應(yīng)的入射角和反射系數(shù)，得到疊前角道集d(θ,t)，其中h表示炮檢距，θ表示入射角。

圖5 疊前角道集不同角度數(shù)據(jù)頻譜的疊合顯示

(3)

(4)

(5)

2 方法驗(yàn)證

2.1 理論合成數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用理論合成數(shù)據(jù)驗(yàn)證基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法的有效性。表1所示的儲(chǔ)層模型AVO響應(yīng)類型理論上屬于Ⅲ類AVO異常(圖1)。利用高分辨率稀疏反演復(fù)譜分解方法計(jì)算圖2a所示基于黏彈性波動(dòng)方程正演道集的分頻道集(圖6)；再應(yīng)用本文方法計(jì)算其三個(gè)維度AVO響應(yīng)校正因子(圖7)；將校正因子應(yīng)用于疊前分頻道集(圖6)進(jìn)行AVO響應(yīng)校正，得到校正后的疊前分頻道集(圖8a)；最后對(duì)校正后的疊前分頻道集進(jìn)行重構(gòu)，得到AVO相對(duì)保幅性較好的時(shí)域疊前道集(圖8b)。圖8c為在圖8a對(duì)應(yīng)的分頻道集上進(jìn)行分頻AVO分析的結(jié)果。

圖6 AVO響應(yīng)校正前的分頻疊前角道集

圖7 時(shí)頻空間域三維度AVO響應(yīng)校正因子

對(duì)比圖2、圖6和圖8可知：基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法能夠較好地將原來疊前道集的Ⅳ類AVO響應(yīng)特征校正到Ⅲ類AVO響應(yīng)特征，使其與理論AVO響應(yīng)特征一致，有效提高了疊前道集的AVO相對(duì)保幅性。

2.2 實(shí)際疊前道集驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法的有效性，利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。圖9為AVO響應(yīng)校正前的井旁地震道集和對(duì)應(yīng)的 AVO分析結(jié)果。在原始疊前道集(圖9a)中，儲(chǔ)層AVO響應(yīng)為Ⅳ類，這與利用井上實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行正演模擬得到的道集(圖9b)的Ⅲ類AVO響應(yīng)不一致(圖9c)。因此，原始疊前道集不滿足后續(xù)基于AVO規(guī)律的疊前油氣檢測(cè)要求。利用時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法對(duì)原始道集進(jìn)行校正，得到校正后的疊前道集和對(duì)應(yīng)的 AVO分析結(jié)果(圖10)。由圖10b可以看出，經(jīng)過校正后的疊前道集(圖10a)為Ⅲ類AVO響應(yīng)，與正演模擬道集(圖10b)的AVO響應(yīng)特征一致。

圖9 校正前井旁原始地震道集(a)、正演道集(b)及其對(duì)應(yīng)的 AVO曲線(c)

圖10 校正后井旁地震道集(a)及其對(duì)應(yīng)的 AVO曲線(b)

圖11a為利用原始疊前道集計(jì)算得到的連井P×G(P為AVO截距，G為AVO梯度)屬性剖面和對(duì)應(yīng)的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲(chǔ)層AVO響應(yīng)為Ⅳ類，與理論計(jì)算結(jié)果不一致。圖11b為利用原始疊前道集的低頻成分計(jì)算得到的連井P×G屬性剖面和對(duì)應(yīng)的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲(chǔ)層AVO響應(yīng)為Ⅲ類，與理論計(jì)算結(jié)果一致，但分辨率較低。圖11c為利用AVO響應(yīng)校正后的疊前道集計(jì)算得到的連井P×G屬性剖面和對(duì)應(yīng)的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲(chǔ)層AVO響應(yīng)與正演道集的一致，同為Ⅲ類，而且具有較高的分辨率。對(duì)比圖11a和圖11c可知，本文提出的AVO響應(yīng)校正方法可以有效改善疊前道集AVO保幅性差的問題，經(jīng)過校正后的疊前道集可以滿足后續(xù)基于AVO規(guī)律的疊前油氣檢測(cè)需求。

圖11 AVO響應(yīng)校正前后連井P×G屬性剖面(左)及對(duì)應(yīng)的不同角度數(shù)據(jù)頻譜(右)(a)原始疊前道集； (b)原始疊前道集的低頻分量； (c)AVO響應(yīng)校正后的疊前道集

3 實(shí)際應(yīng)用

研究區(qū)BZ區(qū)塊位于渤海油田黃河口凹陷，目的層為新近系明化鎮(zhèn)組，深度約為1000～1800m。由于渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實(shí)地層，加之淺層氣、復(fù)雜斷裂等因素的綜合影響，吸收衰減作用明顯。原始地震數(shù)據(jù)的高頻成分受吸收影響很大，地震AVO響應(yīng)通常表現(xiàn)為Ⅳ類，與正演道集的Ⅲ類AVO響應(yīng)特征不一致。因此將本文提出的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法應(yīng)用于原始疊前道集，進(jìn)而為后續(xù)疊前油氣檢測(cè)研究奠定資料基礎(chǔ)。

對(duì)于在開發(fā)階段的BZ 油田，油氣檢測(cè)的意義在于弄清油水界面、查明剩余油分布、確保井網(wǎng)科學(xué)部署。為了確定砂體1的含油氣性，在鉆前基于校正后的疊前道集對(duì)該砂體進(jìn)行了疊前油氣檢測(cè)。圖12a為BZ 油田過砂體1的連井疊后地震剖面(其中紅色代表儲(chǔ)層，黑色代表泥巖)，各口井的含油氣性已在圖中標(biāo)注。圖12b為基于原始道集計(jì)算的P×G屬性剖面，可以看出，基于原始道集計(jì)算得到的疊前檢測(cè)結(jié)果無法有效識(shí)別砂體1的含油氣性，會(huì)給解釋造成多解性。圖12c為校正后道集計(jì)算的P×G屬性剖面，可以看出，與鉆井結(jié)果完全吻合，井B、井C、井D含油目標(biāo)砂體1位置在疊前烴檢的P×G屬性剖面上表現(xiàn)為較強(qiáng)的能量異常，而井A油水層位置則顯示為較弱的能量異常特征。

圖12 砂體1疊前油氣檢測(cè)結(jié)果(剖面)(a)連井疊后地震剖面； (b)基于原始道集的P×G屬性； (c)基于校正后道集P×G屬性

圖13a為砂體1的時(shí)間域頂面構(gòu)造圖，圖13b和圖13c分別為基于原始道集和校正后的道集計(jì)算的疊前烴檢P×G屬性平面圖。與圖13b相比，圖13c的能量異常分布范圍與砂體結(jié)構(gòu)匹配較好，表明該油氣預(yù)測(cè)結(jié)果具有更高的可靠性。該研究成果不僅成功指導(dǎo)了B井、C井和D井的部署，而且還對(duì)A井進(jìn)行了評(píng)價(jià)并成功鉆遇了油水界面，為該油田后續(xù)開發(fā)方案的制定提供了重要依據(jù)。

圖13 砂體1疊前油氣檢測(cè)結(jié)果(平面)(a)砂體1的時(shí)間域頂面構(gòu)造圖； (b)基于原始道集的P×G屬性； (c)基于校正后道集的P×G屬性

4 結(jié)論

渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實(shí)地層，加之淺層氣、復(fù)雜斷裂等因素的綜合影響，吸收作用明顯，疊前道集高頻能量衰減嚴(yán)重、AVO保幅性較差。由正演模擬分析結(jié)果可知疊前道集的低頻分量更容易保持AVO響應(yīng)特征。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法。

該方法首先對(duì)目的層段疊前道集的不同角度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，并對(duì)不同角度數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行疊加顯示，從中選擇AVO響應(yīng)趨勢(shì)與正演道集AVO響應(yīng)趨勢(shì)一致的相對(duì)低頻段作為參考頻帶。其次為了提高地震資料分頻和重構(gòu)精度，引入高分辨率稀疏反演復(fù)譜分解方法，不僅能產(chǎn)生更高分辨率的時(shí)頻譜，同時(shí)也可以對(duì)不同頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行精確重構(gòu)。

此外，為了使校正補(bǔ)償量更加客觀和準(zhǔn)確，根據(jù)參考頻段疊前道集的AVO響應(yīng)趨勢(shì)及不同頻段疊前道集的AVO響應(yīng)趨勢(shì)構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正因子，該因子同時(shí)考慮了頻率、炮檢距和深度的影響，更符合實(shí)際，進(jìn)而可以有效提高疊前道集的AVO相對(duì)保幅性。

理論合成數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的應(yīng)用結(jié)果表明，基于低頻約束的時(shí)頻空間域AVO響應(yīng)校正方法能夠有效提高疊前道集的質(zhì)量，為復(fù)雜巖性油氣藏的疊前油氣檢測(cè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。