頻譜恢復(fù)高分辨處理技術(shù)在薄層識別研究中的應(yīng)用

李鵬飛, 肖又軍, 成 鎖, 鄭多明, 馮 磊,肖 文, 袁 源, 趙光亮, 陳 強(qiáng)

(中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，庫爾勒 841000)

0 引言

根據(jù)井下小層對比分析，輪南地區(qū)TII0砂體具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、橫向不連續(xù)的特點(diǎn)，目前地震資料遠(yuǎn)達(dá)不到對本區(qū)TII0小層砂體識別精度要求。為了開展輪南中平臺地區(qū)的TII0小層的整體評價，亟需開展提高分辨處理的技術(shù)攻關(guān)。提高地震資料分辨率,一直是地震資料數(shù)字處理工作者的追求目標(biāo)。高分辨率地震資料數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是壓縮地震子波，或者去除地震波在地下傳播過程中干涉、調(diào)諧等效應(yīng)對地下地層的影響，拓寬有效地震信號的頻帶范圍，特別是較為準(zhǔn)確地拓寬高頻成分。薄層的識別和厚度估計是當(dāng)前地震石油勘探領(lǐng)域的主要研究方向，最早由Widess等[1]開始研究薄儲層，其客觀評價了薄層反射系數(shù)振幅與地層厚度的關(guān)系，并且定義了子波波長的八分之一是薄儲層的極限分辨率;李慶忠[2-3]深入研究分析了薄層的振幅譜和頻率譜，同時指出影響地震信號響應(yīng)的因素眾多;蘇盛甫[4-5]將薄層定義為小于四分之一子波波長的地層，同時給定了計算方法;張玉芬等[6]提出層數(shù)是最影響反射系數(shù)振幅特征的因素;竇易升[7]指出用振幅譜平方比法對薄層厚度進(jìn)行定量分析;汪恩華[8]深入研究并推導(dǎo)出了任意入射角、入射條件下多個薄層反射系數(shù)譜，進(jìn)一步獲得在薄層條件下不同頻率成分的縱波反射系數(shù)譜的數(shù)學(xué)關(guān)系;黃緒德等[9]提出了薄層的頻域信息會隨薄層厚度的變化而變化，并進(jìn)行了理論模型和實(shí)際數(shù)據(jù)測試;Castagna[10]等對譜反演原理做出了詳盡的解釋，基于 Widess楔形模型理論，將反射系數(shù)序列分解成奇分量和偶分量，并提出了一種新的譜反演計算方法；Castagna[11-12]提出了頻譜恢復(fù)稀疏層反射系數(shù)反演技術(shù), 使地震分辨率突破了傳統(tǒng)地震分辨率，地震分辨率可達(dá)到1/8λ～1/16λ；張繁昌等[13]對稀疏反射系數(shù)頻率域正余弦分量協(xié)同反演方法開展研究。

經(jīng)過近30年的發(fā)展，各種提高分辨率的技術(shù)方法都得到了不同程度地應(yīng)用，但眾多提高分辨率技術(shù)都是利用各類數(shù)學(xué)變換與組合局限于在地震數(shù)據(jù)的截止帶寬內(nèi)開展高頻增強(qiáng)研究[12]。大多高分辨率結(jié)果僅僅是數(shù)學(xué)算法的變換，簡單的對原始地震信號中的高頻組份進(jìn)行加強(qiáng)，且多數(shù)提高分辨率處理技術(shù)只注重高頻能量的提升，往往忽視低頻能量地保持，雖然得到視分辨率很高的地震剖面，但由于低頻能量的損傷或者相對降低，破壞了地震信息的空間連續(xù)性，不利于屬性提取和儲層反演。基于時頻譜的頻率恢復(fù)方法由于其拓頻能力強(qiáng)，處理結(jié)果能較好保持低頻能量趨勢，保幅性好，是近幾年高分辨處理研究的熱點(diǎn)。其最大優(yōu)勢是利用地震信號中信噪比最高的主頻部分預(yù)測高頻成份，而非簡單的對原始地震信號中的高頻組份進(jìn)行加強(qiáng)，從而避免了高頻噪音對薄層信息的壓制與干擾[19]。

1 頻譜恢復(fù)高分辨處理方法原理

頻譜恢復(fù)高分辨率處理方法屬于譜反演的一種，譜反演的原理就是根據(jù)時間域褶積模型，從地震記錄中去除地震子波的影響，進(jìn)而得到反射系數(shù)序列。在時間域內(nèi)一個脈沖對的表達(dá)為式(1)(圖1)。

g(t)=r1δ(t-t1)+r2δ(t-t1-T)

(1)

其中：r1為層頂部反射系數(shù)；r2為層底部反射系數(shù)；t為時間位置；t1為頂部反射的時間位置；T為層厚度。

將分析點(diǎn)放在層的中心點(diǎn)位置，進(jìn)行傅立葉變換后，用三角法則進(jìn)行化簡約去t，得到式(2)。

g(f)=2recos( πfT)+2rosin( πfT)

(2)

基于褶積原理，s(t,f)是地震數(shù)據(jù)，w(t,f)是已知的子波。

iro(t)sin [πfT(t)]}dt

(3)

最后整理得到單層目標(biāo)函數(shù)為式(4)。

(4)

圖1 兩層反射率模型Fig.1 Two-layer reflectivity model

目標(biāo)函數(shù)中，S(t,f)/W(t,f)可以認(rèn)為是反褶積過程，在這里我們假設(shè)子波是已知。在求解過程中子波的正確與否將很大程度上影響反演的結(jié)果，因此子波的提取是一個非常重要且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，要盡可能的使用接近真實(shí)地層的子波。對于厚度T,在反射系數(shù)中可以理解為第一層到最后一層的距離，第二層到倒數(shù)第二層的距離，依次類推，在信號的奇偶分解中可以認(rèn)為是進(jìn)行奇偶分解的信號對之間的距離。

圖2 頻譜恢復(fù)高分辨率處理技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of high resolution processing technology for spectrum restoration

圖3 頻譜恢復(fù)高分辨率處理技術(shù)流程Fig.3 Spectrum recovery high resolution processing technology flow

美國著名地球物理學(xué)家Castagna[19]團(tuán)隊(duì)在常規(guī)譜反演理論基礎(chǔ)上，基于全新、開創(chuàng)性的地震信號理論研發(fā)了頻譜恢復(fù)高分辨率處理技術(shù)。地層單元頂?shù)酌鎸?yīng)的時間域脈沖信號變換到頻率域后，在頻域其反射系數(shù)譜具有一定周期性，振蕩周期是地層厚度的確定性函數(shù)，在地震信號品質(zhì)最好的主頻段內(nèi)包含有薄層的反射系數(shù)譜的信息，利用這一性質(zhì)可以對薄層反射記錄進(jìn)行同步耦合尋優(yōu)擬合，求得薄層厚度和反射系數(shù)，從而使地震資料分辨率得到提高。該方法重點(diǎn)是在求解過程中開展頻譜分解，筆者采用約束最小二乘頻譜分析法實(shí)現(xiàn)頻譜分解[20]，依此來獲取局部頻譜信息，最終用全局尋優(yōu)的稀疏層法反演獲得反射系數(shù)，這也是與傳統(tǒng)根據(jù)稀疏脈沖反演計算初始反射系數(shù)方法反演出高頻成分所不同的地方，使用稀疏層法反演獲得反射系數(shù)后，再逐道計算預(yù)測原始數(shù)據(jù)的高頻成份，最后回加最佳子波，最終產(chǎn)生二倍于原始地震資料或更高倍的高分辨率地震數(shù)據(jù)體(圖2)，具體技術(shù)流程見圖3。影響該技術(shù)的關(guān)鍵因素主要有：①原始地震資料提高信噪比處理,防止提頻過程中放大噪聲；②從地震數(shù)據(jù)中去除子波，提取計算反射系數(shù)的奇部和偶部；③根據(jù)稀疏層反演計算初始反射系數(shù)的方法，反演出高頻成分；④高頻成分與奇部、偶部反射系數(shù)，由權(quán)重函數(shù)控制，組合出完整的寬頻反射系數(shù)體。對于高分辨處理拓頻能力，主要取決于地震資料本身的品質(zhì)特征。適合頻譜恢復(fù)高分辨處理的地震數(shù)據(jù)體①需要具備高信噪比，以免提頻過程中放大噪聲，造成假象；②原始資料中低頻段信號足夠豐富，及低頻夠低，低頻能量夠高，有效頻寬夠?qū)挕?/p>

2 地質(zhì)及開發(fā)概況

輪南油田三疊系是湖泊—辮狀河三角洲(前緣-平原)沉積體系，存在多期旋回，分析認(rèn)為TII0目的層為一套離岸的濱淺湖灘砂。2017年在平臺針對新發(fā)現(xiàn)的TII0小層LA32x井測試獲得工業(yè)油氣流。TII0小層位于TII油組之上，厚度一般在1 m～3 m之間，最厚為5.5 m與TII之間泥巖隔層穩(wěn)定(泥巖厚度約3 m～8 m)，根據(jù)井下小層對比分析，輪南地區(qū)TII0砂體具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、砂體橫向連通性差、側(cè)向尖滅的特點(diǎn)。儲層方面巖性以細(xì)砂巖為主，孔隙以粒間孔和粒間溶孔為主，儲層物性好，平均孔隙度為21%，平均滲透率為221.5 md。油藏類型為受構(gòu)造和巖性雙重控制的構(gòu)造巖性油藏，油層電性呈低電阻油藏特征。針對TII0小層現(xiàn)開井9口，日產(chǎn)油164 t，累油為19.1×105t，采出程度為10%，因此對于科研工作者來說如何精細(xì)識別薄砂體問題一直是挖掘TII0薄油層巨大開發(fā)潛力永恒的追求。

目前新處理地震資料有效頻帶為5 Hz～60 Hz，主頻為31 Hz，根據(jù)四分之一波長計算，本套資料可識別砂體厚度為33 m，遠(yuǎn)達(dá)不到本區(qū)TII0小層砂體識別精度要求。為了開展輪南中平臺地區(qū)的TII0小層的整體評價，亟需開展提高分辨處理的技術(shù)攻關(guān)。

3 高分辨處理效果分析

3.1 方法驗(yàn)證

結(jié)合實(shí)際為了驗(yàn)證該方法技術(shù)的適用性，筆者根據(jù)實(shí)際地下地質(zhì)情況構(gòu)建相應(yīng)的地質(zhì)模型，并開展二維地震正演模擬研究，以正演模擬結(jié)果為基礎(chǔ)開展對上述方法的驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)際地震、地質(zhì)資料構(gòu)建了塔里木盆地碎屑巖薄砂層油藏典型模型，采用波動方程開展正演，利用專業(yè)處理軟件對正演道集進(jìn)行偏移、疊加，得到正演模擬疊后數(shù)據(jù)(圖4(a))，圖4(a)中藍(lán)色虛線框內(nèi)即為構(gòu)建的薄砂層，從剖面上無法解釋識別薄砂體。對二維正演地震數(shù)據(jù)進(jìn)行偽三維處理，最終在該數(shù)據(jù)上開展頻譜恢復(fù)高分辨率處理，在檢測結(jié)果上進(jìn)行90° 相位旋轉(zhuǎn)，其結(jié)果如圖4(b)，從圖中藍(lán)色虛線框內(nèi)可以看出薄砂層得到較好地識別，并可連續(xù)追蹤，與正演模型吻合度高。以上研究反應(yīng)了該方法對于薄砂層的識別具有較好的應(yīng)用效果，對于實(shí)際地震資料具有一定推廣應(yīng)用價值。

圖4 理論模型正演與拓頻處理地震剖面展示Fig.4 Theoretical model forward modeling and frequency extension processing seismic profile display(a)原始地震資料剖面;(b)拓頻資料轉(zhuǎn)90°剖面

3.2 薄層反射特征正演分析

從井震結(jié)合標(biāo)定情況來看，TI油組頂界為波谷反射， TⅢ頂界為波峰反射，這兩套層位相對穩(wěn)定連續(xù)，但內(nèi)部TII界面不穩(wěn)定，TII0砂體響應(yīng)不清楚(圖5),圖5中藍(lán)色曲線為GR曲線。

圖5 輪南-中平臺近東西向地震剖面Fig.5 Near EW trending seismic profile of Lunnan - Zhong platform

在高分辨處理前，首先需要明確在理論上TII0砂體的地震響應(yīng)特征以及識別TII0砂體的地震資料頻寬需求，為此需要開展已鉆井變子波正演分析。研究區(qū)LA32x井 TII0小層鉆遇砂巖厚度為5.5 m，為已鉆井最厚砂體，選擇該井作為正演樣本。正演結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣鹱硬ㄓ行ьl帶為5 Hz～60 Hz,TII0砂體位于一套強(qiáng)波峰底部，砂體無響應(yīng)。當(dāng)子波有效頻帶為5 Hz～80 Hz，TII0砂體所在的波峰能量減弱，波形變寬，但砂體界面無響應(yīng)。當(dāng)子波頻率為5 Hz～90 Hz，這套波峰變?yōu)椤皬?fù)波”反射，砂體位于復(fù)波下部，砂體有響應(yīng)但砂體頂界面不清晰。當(dāng)子波頻率為5 Hz～100 Hz，這套強(qiáng)波峰變?yōu)閮煞逡还?，TII0砂體表現(xiàn)為下部弱波峰反射。當(dāng)?shù)卣鹱硬l寬進(jìn)一步增加，這套兩峰一谷的地震反射特征不再變化(圖6)。因此對于LA32x井TII0砂體識別，需要地震資料的有效頻率為5 Hz～100 Hz。變子波正演結(jié)果明確了TII0砂體地震反射特征，為高分辨處理提供了依據(jù)。

圖6 LA32X井變子波正演Fig.6 Forward wavelet modeling of well LA32X

3.3 高分辨率處理

正演結(jié)果表明識別TII0砂體所需資料有效頻帶需達(dá)到5 Hz～100 Hz，但對于高分辨處理拓頻能力，主要取決于地震資料本身的品質(zhì)特征。理論上適合高分辨處理的地震數(shù)據(jù)體一般需具備以下兩個條件：①需要具備高信噪比，以免提頻過程中放大噪聲造成假象；②需要原始資料中低頻段信號足夠豐富，低頻夠低，低頻能量夠高，有效頻寬夠?qū)挕?/p>

本次研究采用的地震資料信噪比較高，有效頻率為5 Hz～60 Hz。從頻譜特征看，低頻段信號豐富，而在高頻段40 Hz以上能量急劇衰減，60 Hz以上能量不再發(fā)生變化。從信噪比和頻譜特征來看，該套資料適合于高分辨處理(圖7(a))。根據(jù)原始地震資料LA32x井標(biāo)定結(jié)果，TII0砂體位于一套波峰反射下沿，砂體無響應(yīng)。從高分辨處理后數(shù)據(jù)頻譜特征看，處理后數(shù)據(jù)低頻保持不動，最大有效頻率由60 Hz提高至100 Hz，高頻有效拓展。從地震反射特征來看，TI底界強(qiáng)波峰反射經(jīng)高分辨處理后變?yōu)槿鍔A兩谷反射，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，TII0砂體在高分辨數(shù)據(jù)表現(xiàn)為弱波峰反射，砂體頂界面較為清晰，高分辨處理數(shù)據(jù)有效解決砂體識別問題(圖7(b))。

圖7 過LA3-3-10X-LA302X井高分辨處理前后地震剖面Fig.7 Seismic profile before and after high resolution treatment of well LA3-3-10X-LA302X(a)原始剖面;(b)高分辨率剖面

3.4 質(zhì)量控制

高分辨率地震資料后數(shù)據(jù)體除了薄層標(biāo)定之外，可為后續(xù)開展地震屬性分析和反演研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這就要求高分辨處理數(shù)據(jù)需要相對保真保幅，因此對高分辨處理結(jié)果開展質(zhì)量控制至關(guān)重要。本次研究從以下三個方面對資料的可靠性和有效性開展驗(yàn)證。

1)井震標(biāo)定一致性方面。處理結(jié)果與鉆井?dāng)?shù)據(jù)有可對比性，通過鉆井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)定，井震吻合。原始數(shù)據(jù)標(biāo)定較好的幾個強(qiáng)界面高分辨處理后井震標(biāo)定依然能有效保持(圖8黃色箭頭)。受分辨率影響原始數(shù)據(jù)標(biāo)定不好的界面，經(jīng)過高分辨處理后標(biāo)定結(jié)果有效改善，相關(guān)系數(shù)由0.65提高至0.76(圖8紅色箭頭)，因此高分辨處理數(shù)據(jù)對薄層界面刻畫精度更高，井震標(biāo)定一致性更好，處理結(jié)果可靠。

圖8 過LA32X井高分辨處理前后井震標(biāo)定Fig.8 Well seismic calibration before and after high resolution treatment of LA32X well

2)振幅屬性保持性。屬性分析及儲層反演均要求地震資料相對保真保幅，這就要求處理結(jié)果不能破壞原始地震資料中反射能量的分布特征和變化規(guī)律。從處理前、后縱橫向瞬時振幅質(zhì)控來看，處理前、后變化基本一致，整體表現(xiàn)為兩套強(qiáng)振幅夾一套弱振幅的地震響應(yīng)特征。高分辨處理后，分辨率更高，細(xì)節(jié)更為豐富，有利于薄層識別，和原始數(shù)據(jù)瞬時振幅屬性對，無論橫向還是縱向，相對能量強(qiáng)弱關(guān)系保持一致，表明處理結(jié)果相對保幅(圖9)。

圖9 高分辨處理前后剖面瞬時振幅對比Fig.9 Comparison of instantaneous amplitudes in profile before and after high resolution treatment(a)原始瞬時振幅;(b)高分辨率瞬時振幅

3)低頻可恢復(fù)性。參考文獻(xiàn)[2]指出不同的頻率成分有不同的用處，強(qiáng)調(diào)了不能忽視低頻能量對地震資料分辨率的作用。因此真正的高分辨率處理結(jié)果高頻能夠得到提高，低頻部分也必須能夠保持，這樣才是真正拓寬了地震資料的有效頻帶。以此為原則，根據(jù)目的層的頻譜特征，以原始資料的有效頻寬為基礎(chǔ)，按照兩個頻段(0 Hz～60 Hz中低頻分量、60 Hz～100 Hz高頻分量)分別進(jìn)行掃描。其中0 Hz～60 Hz處理前后頻譜除40 Hz以上能量增強(qiáng)外，整體形態(tài)基本一致，從剖面的縱橫向相位、振幅相對變化關(guān)系來看二者趨于一致，表明高分辨處理結(jié)果低頻可恢復(fù)(圖10)。60 Hz～100 Hz頻譜特征差異較大，原始數(shù)據(jù)高頻段能量弱，噪聲為主，處理后頻譜拓寬，高頻能量提高，且同相軸縱橫向變化特征與低頻段接近，表明高頻拓展結(jié)果有效。

圖10 過LA32X井高分辨處理前后低頻段剖面對比Fig.10 Comparison of low-frequency profiles before and after high-resolution treatment of well LA32X(a)原始低頻(0 Hz～60 Hz);(b)高分辨率低頻(0 Hz～60 Hz)

3.5 薄層解釋

從高分辨處理結(jié)果以及質(zhì)量控制結(jié)果來看，本次高分辨處理結(jié)果在相對保幅保真(圖11)，結(jié)果可靠的同時，能較好解決TII0小層在地震剖面上識別問題。根據(jù)測井解釋結(jié)果，結(jié)合連井TII0砂體小層對比，利用高分辨處理數(shù)據(jù)開展TII0砂體解釋。TII0砂體整體表現(xiàn)為TI底界下部強(qiáng)波峰反射之下的弱波峰反射，在高分辨處理數(shù)據(jù)體上可追蹤識別，高分辨地震剖面表現(xiàn)出的砂體尖滅特征基本與實(shí)鉆井上TII0砂體不發(fā)育認(rèn)識相符。根據(jù)井震標(biāo)定及已鉆井解釋結(jié)果，高分辨處理結(jié)果對本區(qū)14口后驗(yàn)井TII0砂體的識別精度達(dá)85%，從一定程度運(yùn)用頻譜恢復(fù)高分辨率處理技術(shù)解決了本區(qū)TII0薄層識別問題。

圖11 高分辨處理前后平面瞬時振幅對比Fig.11 Comparison of plane instantaneous amplitudes before and after high resolution treatment(a)原始瞬時振幅;(b)高分辨率瞬時振幅

4 結(jié)論

針對輪南地區(qū)TII0砂體具有超薄，橫向變化快，分布不穩(wěn)定的地質(zhì)特點(diǎn)，以及地震資料分辨率低，TII0砂體地震響應(yīng)特征不清晰的預(yù)測難點(diǎn)。本次研究采用頻譜恢復(fù)高分辨處理方法，有效解決了TII0砂體解釋難點(diǎn)，主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識。

1)根據(jù)研究地質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合地震資料品質(zhì)，確定本次地震資料高分辨率處理有效頻帶可拓寬至5 Hz～100 Hz，處理后分辨率有效提高，在顯著拓展高頻的同時較好保持了低頻特征，有效保持信噪比。

2)高分辨標(biāo)定結(jié)果表明，TII0薄砂體在高分辨地震數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為弱波峰反射，高分辨處理結(jié)果對本區(qū)14口后驗(yàn)井TII0砂體的識別精度達(dá)到85%，有效解決了TII0砂體地震剖面上難識別問題。

3)通過三種方法開展質(zhì)量控制，認(rèn)為本次高分辨處理結(jié)果相對保真保幅，結(jié)果可靠，可為后續(xù)開展地震屬性分析和反演研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本次研究具有在其他類似地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用的價值意義。