五維規(guī)則化技術(shù)在溱潼斷階帶地震資料處理中的應(yīng)用

劉田田

(中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院， 江蘇 南京 210000)

0 引 言

蘇北盆地溱潼凹陷斷階帶因距油源近、目的層埋藏淺、儲(chǔ)層物性好、油井產(chǎn)量高的優(yōu)勢(shì)而成為有利含油區(qū)，區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多個(gè)油田，且大多有著40多年的勘探歷史，目前已動(dòng)用的儲(chǔ)量產(chǎn)能遞減。但是，根據(jù)對(duì)溱潼凹陷的研究，該斷階帶區(qū)域剩余資源豐富，有進(jìn)一步滾動(dòng)勘探和綜合調(diào)整的潛力。斷階帶受多期次構(gòu)造活動(dòng)的影響，地層破碎、斷裂系統(tǒng)發(fā)育、斷層傾角大、地震成像效果差，圈閉難以落實(shí)。

溱潼斷階帶歷經(jīng)4次三維地震采集，已實(shí)現(xiàn)全三維覆蓋，4次三維采集時(shí)間間隔長(zhǎng)、采集參數(shù)差異大，導(dǎo)致工區(qū)間地震資料的覆蓋次數(shù)、偏移距和方位角等屬性不同；地表?xiàng)l件復(fù)雜多變，村莊、城鎮(zhèn)、魚(yú)塘、道路、工業(yè)區(qū)等分布密集，使得炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位置不能按采集工程設(shè)計(jì)的規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行布設(shè)，導(dǎo)致所獲地震資料采樣不均勻，在地震資料處理時(shí)存在較嚴(yán)重的空間假頻、采集“腳印”、速度模型精度低、偏移畫(huà)弧等問(wèn)題。

由于該區(qū)人口密集、高度城鎮(zhèn)化，難以再次實(shí)施高質(zhì)量的三維地震采集，因此，加強(qiáng)處理方法研究，改善舊資料成像效果，是現(xiàn)實(shí)可行的地震勘探方案。隨著區(qū)內(nèi)勘探的不斷深入，勘探目標(biāo)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)地震資料的保真成像要求越來(lái)越高，上述由于地震采集所造成的問(wèn)題較難通過(guò)常規(guī)方法處理解決。

針對(duì)溱潼斷階帶地震資料特點(diǎn)，采用基于匹配追蹤傅里葉變換的五維數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)(Matching Pusuit Fourier Interpolation，簡(jiǎn)稱 MPFI)，對(duì)區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化和插值處理，有效改善了地震資料的成像效果。

1 五維規(guī)則化技術(shù)

疊前數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)可基于已有的地震資料進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算得到缺失的地下反射信息，在一定程度上解決因觀測(cè)系統(tǒng)的不規(guī)則性而造成的成像精度問(wèn)題。通常，完整地描述三維數(shù)據(jù)至少需要5個(gè)維度，包括主測(cè)線(inline)、聯(lián)絡(luò)測(cè)線(crossline)、炮檢距(offset)、方位角(azimuth)和時(shí)間(time)，但早期的數(shù)據(jù)規(guī)則化方法只能對(duì)三維(主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線和時(shí)間)進(jìn)行插值運(yùn)算。經(jīng)大量研究，該技術(shù)從三維逐步發(fā)展到五維，五維規(guī)則化技術(shù)同時(shí)考慮了上述5個(gè)維度的信息，可以更好地保持地震數(shù)據(jù)的保真度(辛可鋒等，2002；潘凡露，2016；王偉等，2017)。

對(duì)于保真處理，需要在偏移前進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)則化和插值處理?；谄ヅ渥粉櫢道锶~變換的五維規(guī)則化技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用于地震資料處理的先進(jìn)技術(shù)之一。匹配追蹤算法基于壓縮感知和稀疏表示理論，主要應(yīng)用于時(shí)頻變換。壓縮感知理論的前提是數(shù)據(jù)可以稀疏表示，其核心思想是數(shù)據(jù)的壓縮和采樣合并同時(shí)進(jìn)行；稀疏表示理論的基本思想是為規(guī)則采樣的帶限信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的濾波器進(jìn)行濾波處理，由較少的數(shù)據(jù)重建出滿足一定精度的原始信號(hào)(高建軍等，2011；李敏杰，2012；潘凡露，2016；段文勝等，2017；齊鵬等，2018；印興耀等，2018)。雖然地震數(shù)據(jù)在t-x域不具備稀疏性，但經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，在f-k域的地震數(shù)據(jù)滿足稀疏表示的要求，因此可通過(guò)匹配追蹤與傅里葉變換相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的重構(gòu)，即匹配追蹤傅里葉變換法數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)，從而在一定程度上恢復(fù)具有一定精度的地震信號(hào)。與其他方法相比，匹配追蹤傅里葉變換法具有反假頻和防頻譜泄漏的優(yōu)點(diǎn)，保真性更好，且由于其算法易實(shí)現(xiàn)維度擴(kuò)充，因此可充分利用地震數(shù)據(jù)5個(gè)維度的信息對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，在考慮主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線、時(shí)間3個(gè)維度的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮炮檢距和方位角信息，實(shí)現(xiàn)了不同面元內(nèi)炮檢距和方位角的規(guī)則分布，從而在一定程度上解決由于野外采集觀測(cè)系統(tǒng)不規(guī)則性所導(dǎo)致的成像問(wèn)題(霍志周等，2013；梁東輝，2015；謝俊法，2016；徐興榮等，2019)。

該方法的基本實(shí)現(xiàn)思路是(梁東輝，2015；凌越等，2019)：① 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換；② 選取最大能量的傅立葉譜成分；③ 將該傅立葉譜成分加入“估算譜”；④ 對(duì)該傅立葉譜成分進(jìn)行反傅立葉變換，并按照輸入位置輸出迭代結(jié)果；⑤ 從原始輸入數(shù)據(jù)中減去該次迭代結(jié)果，進(jìn)行下一次迭代；⑥ 通過(guò)反傅立葉變換將最終“估算譜”輸出到期望位置。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 地震資料特點(diǎn)及前處理

溱潼斷階帶地區(qū)有SD、CS、ZZ、QP共4塊三維地震研究區(qū)，這4塊資料的采集實(shí)施年限前后跨越8年，通過(guò)研究區(qū)野外采集觀測(cè)系統(tǒng)情況(表1)、炮檢點(diǎn)分布(圖1)和覆蓋次數(shù)(圖2)的綜合分析可知，4塊三維地震研究區(qū)之間有重疊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接，但各個(gè)研究區(qū)間采集參數(shù)差異大(拼接處理面元為20 m×20 m)。

表1 四塊三維工區(qū)野外采集觀測(cè)系統(tǒng)表

圖2 斷階帶地區(qū)三維地震覆蓋次數(shù)圖Fig. 2 Three-dimensional seismic coverage degreediagram of step-fault area

(1) ZZ、SD、CS這3塊研究區(qū)三維采集方位角為150°，QP區(qū)三維采集方位角為55°，采集方位角差異大。

(2) 采集面元有20 m×20 m、25 m×25 m、25 m×50 m及10 m×10 m 4種，其中ZZ區(qū)內(nèi)常規(guī)面元為20 m×20 m，部分位置加密為10 m×10 m。

(3) 覆蓋次數(shù)差異大，從45次至320次不等，在ZZ加密區(qū)內(nèi)覆蓋次數(shù)普遍為240次以上，在ZZ與SD重疊處覆蓋次數(shù)甚至達(dá)到320次以上，與其他區(qū)相比差異很大。

(4) 接收道數(shù)、道距、接收線距、炮點(diǎn)距、炮線距、最小偏移距及最大偏移距等都存在巨大差異，且由于研究區(qū)內(nèi)存在嚴(yán)重的炮點(diǎn)空間分布不規(guī)則問(wèn)題，導(dǎo)致偏移距分布嚴(yán)重不均勻。

(5) 由于統(tǒng)一采用20 m×20 m面元，致使部分剖面上出現(xiàn)較大的缺口或空道現(xiàn)象(圖3)。使用這樣的不規(guī)則數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前偏移處理，容易產(chǎn)生偏移畫(huà)弧，嚴(yán)重影響地震資料的信噪比和剖面成像精度，難以滿足現(xiàn)階段精細(xì)勘探的需求。

圖3 原始疊加剖面Fig. 3 Original stacked section

此外，由于區(qū)內(nèi)地震資料采集過(guò)程中激發(fā)、接收因素差異大，導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)的靜校正問(wèn)題、噪音、相位、時(shí)差、能量及頻率等都存在差異，在進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)則化之前，通過(guò)針對(duì)性的靜校正、噪音壓制、相位匹配、能量一致性、頻率一致性等方法，解決該區(qū)4塊三維地震資料連片處理過(guò)程中存在的差異，使各區(qū)塊間的波組特征趨于一致，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，為后續(xù)的五維規(guī)則化及疊前偏移處理打好基礎(chǔ)(王兆旗等，2014)。

2.2 方法及應(yīng)用分析

在實(shí)際地震資料處理過(guò)程中，基于匹配追蹤傅里葉變換的五維數(shù)據(jù)規(guī)則化方法的步驟如下。

(1)根據(jù)實(shí)際地震數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)及處理任務(wù)，設(shè)計(jì)規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)并準(zhǔn)備道頭。

(2)準(zhǔn)備CMP道集數(shù)據(jù)：對(duì)CMP道集數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正、基準(zhǔn)面校正及道頭計(jì)算。

(3)進(jìn)行五維數(shù)據(jù)規(guī)則化參數(shù)優(yōu)選及數(shù)據(jù)體規(guī)則化。

(4)對(duì)規(guī)則化后地震記錄進(jìn)行反動(dòng)校正和基準(zhǔn)面校正。

2.2.1 五維規(guī)則化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分析溱潼斷階帶地區(qū)4塊三維地震采集方案發(fā)現(xiàn)，ZZ和SD區(qū)塊采集參數(shù)差異較小，地震資料豐富，基于原地震數(shù)據(jù)，五維數(shù)據(jù)規(guī)則化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為12線18炮2352道接收、方位角150°、道距40 m、接收線距240 m、炮點(diǎn)距40 m、炮線距280 m、最大偏移距為3 910 m、滿覆蓋次數(shù)84次、面元20 m×20 m，觀測(cè)系統(tǒng)及其覆蓋次數(shù)分析見(jiàn)圖4，其炮檢點(diǎn)分布均勻，覆蓋次數(shù)一致。

分別對(duì)比各觀測(cè)系統(tǒng)與五維規(guī)則化觀測(cè)系統(tǒng)(圖5)，在ZZ三維未加密區(qū)域和SD三維地區(qū)的新老觀測(cè)系統(tǒng)中，炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的位置吻合度較高，CS和QP三維的觀測(cè)系統(tǒng)差別較大。

圖5 設(shè)計(jì)五維規(guī)則化觀測(cè)系統(tǒng)與原觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)比圖(局部)(紅點(diǎn)：設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)炮點(diǎn)，黃點(diǎn)：設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)檢波點(diǎn)；粉點(diǎn)：原觀測(cè)系統(tǒng)炮點(diǎn)，綠點(diǎn)：原觀測(cè)系統(tǒng)檢波點(diǎn))Fig. 5 Comparison between the designed five-dimensional regular observation system and the original observation system (partial)(a) ZZ study area; (b) SD study area; (c) CS study area; (d) QP study area

在基于匹配追蹤傅里葉變換的五維數(shù)據(jù)規(guī)則化方法的應(yīng)用過(guò)程中，5個(gè)維度對(duì)地震數(shù)據(jù)的規(guī)則化均有影響，但其偏移距和方位角在確定觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)即已確定，因此影響較大的參數(shù)有時(shí)間窗口、主測(cè)線窗口和聯(lián)絡(luò)測(cè)線窗口。通常，地震資料在時(shí)間上均為均勻采樣，因此時(shí)間窗口雖然影響較大，但一般根據(jù)原地震數(shù)據(jù)情況指定；主測(cè)線與聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向的窗口分別定義了沿主測(cè)線方向和聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向上炮檢點(diǎn)距離，影響數(shù)據(jù)重構(gòu)過(guò)程中所涉及的地震數(shù)據(jù)的數(shù)量，因此對(duì)重構(gòu)后道集質(zhì)量、成像效果及計(jì)算時(shí)間影響很大。優(yōu)化后最終采用參數(shù)為時(shí)間窗口2 ms，主測(cè)線與聯(lián)絡(luò)測(cè)線窗口21道×21道。

2.2.2 五維規(guī)則化應(yīng)用效果分析 (1)道集對(duì)比分析。4個(gè)區(qū)五維數(shù)據(jù)規(guī)則化前后不同位置處CMP道集對(duì)比圖(圖6)顯示，規(guī)則化處理后CMP道集的偏移距分布更規(guī)則，不同區(qū)塊之間的道集道數(shù)差別不大。① 在覆蓋次數(shù)較高、網(wǎng)格一致的地區(qū)(SD、ZZ的正常采集)，道集的道數(shù)變化不大，實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的規(guī)則化，且規(guī)則化后的CMP道集中，近、中、遠(yuǎn)偏移距上信噪比均更高，同相軸更連續(xù)；② 在覆蓋次數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋次數(shù)的地區(qū)(ZZ加密區(qū))，道數(shù)由200余道減少為84道，在規(guī)則化的基礎(chǔ)上對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行抽?。虎?在覆蓋次數(shù)較少、采集面元與處理面元差異較大的地區(qū)(QP、CS區(qū))，通過(guò)五維規(guī)則化技術(shù)構(gòu)建出新道集，增加道集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的插值與重構(gòu)，使該區(qū)地震數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)趨于一致，其規(guī)則化后的CMP道集內(nèi)近、中、遠(yuǎn)偏移距波組產(chǎn)生差異，尤其在遠(yuǎn)偏移距差異明顯，這主要是因?yàn)樵卣饠?shù)據(jù)采集偏移距比五維規(guī)則化設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)短，因此在數(shù)據(jù)重構(gòu)過(guò)程中借用了其他區(qū)地震波場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。

圖6 五維規(guī)則化處理前、后CMP道集對(duì)比Fig. 6 Comparison of CMP gather before and after five-dimensional regularization(a1) original gather in SD study area; (a2) gather after regularization in SD study area; (b1) original gather in CS study area; (b2) gather after regularization in CS study area; (c1) original gather in QP study area; (c2) gather after regularization in QP study area; (d1) original gather in ZZ study area; (d2) gather after regularization in ZZ study area; (e1) original gather in ZZ intensive study area; (e2) gather after regularization in ZZ intensive study area

規(guī)則化處理后的道集信噪比明顯提高，尤其在原信噪比較低的位置，其道集信噪比明顯提高，這對(duì)提高疊前偏移速度模型的精度非常有利。

(2)疊前速度建模分析。應(yīng)用五維規(guī)則化后的數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊前速度建模，分析CRP道集無(wú)維規(guī)則化前后的對(duì)比圖(圖7)可見(jiàn)，五維規(guī)則化數(shù)據(jù)的道集信噪比更高，更有利于層析速度建模時(shí)對(duì)種子點(diǎn)、剩余曲率等自動(dòng)拾取參數(shù)進(jìn)行拾取，對(duì)提高速度模型精度具有重要作用。

圖7 五維規(guī)則化前(a)、后(b)CRP道集對(duì)比(inline 2510，xline 2130)Fig. 7 Comparison of CRP gathers (inline 2510, xine 2130) before (a) and after (b) five-dimensional regularization

(3)剖面成像效果對(duì)比分析。對(duì)比五維規(guī)則化處理前后的疊加剖面可知(圖3、圖8)，該方法可有效重構(gòu)缺失的地震道，剖面信噪比更高，地震屬性更均勻，疊加剖面上能量一致性較好，信噪比由2.1提高到4.0，波組連續(xù)性明顯提高。

圖8 五維規(guī)則化后疊加剖面(對(duì)比圖3原始疊加剖面)Fig. 8 Stacked section after five-dimensional regularization (compared with the original stacked section in Fig. 3)

將未規(guī)則化數(shù)據(jù)與五維規(guī)則化后的數(shù)據(jù)的疊前偏移剖面進(jìn)行對(duì)比(圖9為主測(cè)線方向測(cè)線對(duì)比分析，圖10為聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向測(cè)線對(duì)比分析)，可見(jiàn)在規(guī)則化后的疊前偏移剖面上，畫(huà)弧現(xiàn)象明顯減少，剖面成像效果顯著增強(qiáng)，斷面成像更清晰；同時(shí)，由五維規(guī)則化前后的疊前偏移地震數(shù)據(jù)體的相干切片對(duì)比(圖11)可見(jiàn)，解決了規(guī)則化前由于炮檢點(diǎn)分布不均勻所造成的采集“腳印”問(wèn)題，斷裂走向特征更清晰，降低了斷層組合的多解性，更有利于構(gòu)造解釋，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)斷階帶地區(qū)的構(gòu)造具有重要意義。

圖9 未規(guī)則化數(shù)據(jù)(a)與規(guī)則化后數(shù)據(jù)(b)的疊前深度偏移剖面對(duì)比圖(inline 2080)Fig. 9 Comparison of pre-stack depth migration section before (a) and after (b) regularization (inline 2080)

圖10 未規(guī)則化數(shù)據(jù)(a)與規(guī)則化后數(shù)據(jù)(b)的疊前深度偏移剖面對(duì)比圖(xline 2180)Fig. 10 Comparison of pre-stack depth migration section before (a) and after (b) regularization (xline 2180)

圖11 五維規(guī)則化前(a)、后(b)疊前偏移數(shù)據(jù)體相干切片對(duì)比圖(t=1 768 ms)Fig. 11 Comparison of coherence slices of pre-stack migration data volume before (a) and after (b) five-dimensional regularization (t=1 768 ms)

在地震采集資料較豐富的地區(qū)，采用五維規(guī)則化技術(shù)處理后的剖面信噪比較高，成像效果較好，但對(duì)于原地震采集資料較少的區(qū)塊(如QP區(qū))，資料少、覆蓋次數(shù)較低、采集網(wǎng)格大(20 m×50 m)、空炮范圍大，雖經(jīng)規(guī)則化后插值得到原空道區(qū)域數(shù)據(jù)，但成像效果差，混波現(xiàn)象嚴(yán)重，可靠性需進(jìn)行驗(yàn)證(圖12)，經(jīng)解釋分析后認(rèn)為紅色框內(nèi)數(shù)據(jù)仍不可靠，因此在最終數(shù)據(jù)中將其切除。

圖12 疊前偏移剖面(inline 2420)Fig. 12 Pre-stack migration section (inline 2420)(a) before five-dimensional regularization; (b) after five-dimensional regularization; (c) profile partially cut off after five-dimensional regularization

3 結(jié) 論

基于匹配追蹤傅里葉變換的五維數(shù)據(jù)規(guī)則化方法在溱潼斷階帶三維地震資料處理中取得了較好的效果,得出以下結(jié)論。

(1)該方法可有效消除溱潼斷階帶地區(qū)因野外采集觀測(cè)系統(tǒng)不規(guī)則所造成的覆蓋次數(shù)、方位角等屬性不均勻問(wèn)題，以及由于多期次三維連片處理方位角、面元與采集設(shè)計(jì)方位角、面元不一致所導(dǎo)致的道集缺失問(wèn)題，提高了地震數(shù)據(jù)空間采樣的均勻性、地震資料的信噪比及成像質(zhì)量，較好地滿足了疊前偏移對(duì)地震數(shù)據(jù)的要求。

(2)在地震資料豐富的地區(qū)，數(shù)據(jù)規(guī)則化后的成像效果較好，但在地震資料較少或網(wǎng)格密度不夠的地區(qū)，規(guī)則化數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)混波現(xiàn)象，重構(gòu)后地震數(shù)據(jù)的可靠性需進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)規(guī)則化后的地震道集信噪比高，有利于提高模型精度，進(jìn)而提高斷階帶地區(qū)地震資料的構(gòu)造成像效果，對(duì)正確認(rèn)識(shí)溱潼斷階帶等地震資料嚴(yán)重不規(guī)則地區(qū)的構(gòu)造特征具有重要意義。