地震資料有效頻寬與分辨率的關(guān)系

陳 康 彭浩天 戴雋成 唐青松 何 冰 湯 聰 韓 嵩

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司氣田開發(fā)管理部

0 引言

隨著勘探對(duì)象的轉(zhuǎn)變，我國(guó)絕大多數(shù)油氣田進(jìn)入巖性勘探階段。如何提高薄儲(chǔ)層的垂向分辨率一直是地球物理界的熱點(diǎn)話題[1]。對(duì)于地震勘探而言，垂向分辨率指的是垂直方向上區(qū)分兩個(gè)相鄰地質(zhì)體最小間隔的能力，從理論上推斷一個(gè)地震反射波的分辨率極限是1/4波長(zhǎng)[2]，但是在實(shí)際勘探中大套巖層背景下的薄儲(chǔ)層可能會(huì)超越分辨率極限。對(duì)于實(shí)際地震資料處理而言，通過提升主頻與拓展頻寬來(lái)改善地震資料分辨率仍是被業(yè)界廣泛接受的，在李慶忠1994年撰寫的《走向精確勘探的道路》一書中，明確指出了高分辨率地震資料處理應(yīng)在有效頻寬（即信噪比大于1的頻率成分）范圍內(nèi)討論，處理中應(yīng)在有效信號(hào)充分保留的前提下根據(jù)分頻掃描剖面確定拓頻范圍[3]，這也是目前“雙高”（高保真高分辨率）處理所追求的。

但是目前大多數(shù)處理流程沒有完全秉承“雙高”理念，處理過程缺乏對(duì)低頻有效信號(hào)的保護(hù)以及對(duì)高頻端有效信號(hào)的充分挖掘，導(dǎo)致地震資料出現(xiàn)低頻缺失所帶來(lái)的假分辨率以及高頻端拓展后隨機(jī)噪音增加等現(xiàn)象。因此，如何正確理解地震資料低頻與高頻端有效信號(hào)作用并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)是獲得高分辨率處理的關(guān)鍵所在，本文以薄儲(chǔ)層楔狀模型正演為基礎(chǔ)分析地震子波主頻、頻寬與分辨率的關(guān)系，結(jié)合實(shí)際地震數(shù)據(jù)研究不同頻率成分有效信號(hào)對(duì)地震垂向分辨率的影響，并在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際工作如何提高地震數(shù)據(jù)有效頻寬提出可行策略。

1 地震子波主頻、頻寬與分辨率的關(guān)系

野外采集獲得的地震記錄道是地震波與反射界面共同作用的結(jié)果，過程中伴隨著噪聲，如果用褶積模型來(lái)表示：

式中X(t)為野外采集的實(shí)際地震記錄；W(t)為震源激發(fā)后產(chǎn)生的子波；R(t)為地下巖層的反射系數(shù)；G(t)為噪聲。

從式（1）可以發(fā)現(xiàn)唯一的不變量是反射系數(shù)，其大小與地層的阻抗相關(guān)，噪聲在經(jīng)過保真處理后可以提升地震資料信噪比，但其只是高分辨率處理的基礎(chǔ)，并不能直接提升薄儲(chǔ)層分辨能力，因此分辨率的影響因素只能是地震子波。地震子波是由震源激發(fā)的尖脈沖經(jīng)過大地濾波器濾波后在某一地層條件下形成的具有一定延續(xù)時(shí)間的較穩(wěn)定波形，其形態(tài)隨地層變化而變化，從采集和處理的角度來(lái)看，地震子波受到激發(fā)接收、吸收衰減、資料處理等多種因素影響，實(shí)際工作中可以通過優(yōu)化采集參數(shù)、反褶積以及子波整形等方式對(duì)其進(jìn)行改造，以獲得能夠滿足地質(zhì)需求的高分辨率資料。從過往的研究中可以發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)垂向分辨率的關(guān)鍵因素為地震子波的主頻與頻寬，對(duì)于一個(gè)子波來(lái)說，主頻為相鄰波峰（谷）之間時(shí)間間隔的倒數(shù)，其值可以描述子波的胖瘦，絕對(duì)頻寬為頻譜上最高頻率與最低頻率之差，其值可以描述子波的包絡(luò)，相對(duì)頻寬是最高最低頻率之比，其值可以描述子波的倍頻程，這兩個(gè)重要的因素將直接影響子波形態(tài)，進(jìn)而影響其對(duì)薄儲(chǔ)層的分辨能力。結(jié)合模型正演可以進(jìn)一步說明主頻與頻寬對(duì)分辨率的影響，圖1a是一個(gè)泥巖背景下的楔狀砂巖模型，其中孔隙度為12%，泥巖的模型參數(shù)為：縱波速度vp為4 500 m/s，橫波速度vs為2 300 m/s，密度ρ為2.48 g/cm3，砂巖模型參數(shù)為：縱波速度vp為4 250 m/s，橫波速度vs為2 450 m/s，密度ρ為2.45 g/cm3，分別用不同的主頻與頻寬的零相位子波對(duì)其進(jìn)行正演模擬。

圖1 不同主頻與頻寬子波形態(tài)與頻譜特征圖

通過對(duì)正演剖面的分析能夠得出以下三個(gè)認(rèn)識(shí)：①?gòu)南嗤l寬不同主頻零相位子波正演模擬中可以發(fā)現(xiàn)，不同主頻的子波波長(zhǎng)不同（圖1a、b），主頻越高的地震信號(hào)波長(zhǎng)更短，調(diào)諧厚度越小，對(duì)薄層的識(shí)別能力更強(qiáng)（圖2c-h），20 Hz零相位子波正演剖面分辨率明顯低于40 Hz零相位子波正演結(jié)果，在薄砂體邊界出現(xiàn)由于調(diào)諧效應(yīng)引起的反射假象（圖2c），這是由于波長(zhǎng)的變化引起的；②從相同主頻不同頻寬零相位子波正演模擬中可以發(fā)現(xiàn)，不同頻寬的子波旁瓣能量不同（圖1c、d），頻寬越高的地震信號(hào)旁瓣能量更弱，調(diào)諧厚度越小，對(duì)薄儲(chǔ)層的識(shí)別能力越強(qiáng)，窄頻寬子波（圖1c綠色子波）的邊界處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的波峰（谷）（圖2i），這是由于旁瓣能量引起的。這兩個(gè)認(rèn)識(shí)也解釋了目前在高分辨率處理中的追求，即在保真的前提下提升地震資料主頻、拓展頻帶范圍，盡可能將地震資料的子波壓縮成一個(gè)尖脈沖。

圖2 不同主頻與頻寬子波楔狀砂體正演模擬結(jié)果圖

2 不同頻帶有效信號(hào)對(duì)分辨率的影響

對(duì)于實(shí)際地震資料處理而言，可以通過帶通濾波、譜白化與反褶積等方法實(shí)現(xiàn)主頻的提升與頻寬的拓展，但成果剖面往往滿足不了地質(zhì)需求，甚至出現(xiàn)信噪比降低、波形特征變化劇烈等現(xiàn)象。從處理方式來(lái)看，主頻提升與頻寬拓展的實(shí)質(zhì)上是在改變地震資料不同頻帶內(nèi)的信號(hào)能量，這一過程的核心是不同頻帶信號(hào)的有效性，即只有在有效信號(hào)能量大于噪聲能量的情況下提升的能量才是真實(shí)的，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)不同頻帶內(nèi)反射特征采用濾波等方法改變地震資料主頻以滿足解釋需求。為進(jìn)一步分析不同頻率成分有效信號(hào)對(duì)地震資料分辨率的影響，本文結(jié)合實(shí)際資料分頻掃描結(jié)果設(shè)計(jì)了濾波及拓頻試驗(yàn)。

圖3是四川盆地致密砂巖氣藏分頻掃描剖面，圖4是圖3a局部放大后濾波與拓頻試驗(yàn)結(jié)果，從中可以得到以下三點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①?gòu)膱D3分頻掃描中可以發(fā)現(xiàn)，地震資料的有效頻寬是有限的，圖3中成果地震剖面有效頻寬分布范圍在10～65 Hz之間，不同頻段間地震反射特征有所差異，在全頻帶剖面中河道砂體亮點(diǎn)反射特征明顯（圖3a藍(lán)色箭頭處），低頻端主要反映整體趨勢(shì)（圖3b、c），高頻端主要體現(xiàn)反射細(xì)節(jié)（圖3e、f），當(dāng)頻率成分高于60 Hz后隨機(jī)噪音占據(jù)主要成分，有效信號(hào)被淹沒其中（圖3g、h）；②通過圖4b、c濾波實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，有效頻寬范圍內(nèi)信號(hào)的缺失會(huì)引起分辨率下降或假分辨率現(xiàn)象，高頻有效信號(hào)缺失后砂體邊界成像不清晰，在邊界處產(chǎn)生調(diào)諧效應(yīng)，這是由于子波形態(tài)發(fā)生改變引起的（圖4b黃色虛線框內(nèi)），低頻有效信號(hào)缺失后同相軸數(shù)量增多，但是多出的同相軸與原始剖面不匹配，造成分辨率提高的假象（圖4c藍(lán)色虛線框內(nèi)）；③從圖4d拓頻試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，拓頻需在信號(hào)有效頻寬內(nèi)進(jìn)行，隨機(jī)噪音的能量是影響拓頻結(jié)果的直接原因，雖然疊后提頻將地震資料頻寬由10～65 Hz（圖4e）拓展到10～100 Hz（圖4h），但由于分頻掃描60 Hz以上地震信號(hào)以隨機(jī)噪聲為主，高頻端能量抬升后地震資料信噪比降低，拓頻后剖面出現(xiàn)同相軸斷續(xù)現(xiàn)象，影響后續(xù)解釋工作。

圖3 實(shí)際資料分頻顯示剖面圖

由此可得，有效頻寬范圍內(nèi)信號(hào)能量是影響資料分辨率的關(guān)鍵，缺乏低頻端有效信號(hào)會(huì)導(dǎo)致地震信號(hào)的失真，缺失高頻端有效信號(hào)會(huì)造成地震資料分辨率的下降，但也不能過度拓展頻寬，應(yīng)結(jié)合分頻掃描剖面確定有效頻寬范圍，避免出現(xiàn)假分辨率現(xiàn)象。

3 獲取高品質(zhì)寬頻地震數(shù)據(jù)的處理策略

綜上可知，獲得高品質(zhì)寬頻成果數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)是在處理過程中對(duì)地震資料低頻與高頻端的有效信號(hào)進(jìn)行真振幅恢復(fù)，實(shí)際工作中可以從“雙高”處理入手，不斷提高地震資料質(zhì)量。從文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，目前大量方法都集中在高分辨率處理方向，即利用反褶積或子波整形等方法放大地震高頻端的有效信號(hào)能量[4-11]，并沒有從高保真的思路入手挖掘地震資料高低頻段弱有效信號(hào)潛力，因此本文討論的處理策略以高低頻段有效信號(hào)保護(hù)為切入點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際資料展示了處理效果。

3.1 低頻有效信號(hào)的保護(hù)

隨著巖性勘探的進(jìn)程，近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到低頻信號(hào)的重要性[12-13]。對(duì)于地震資料處理而言，低頻信號(hào)的拓展可以降低子波旁瓣能量，提升薄層分辨能力，并且其具有良好的地層穿透力，可以提升巖性體邊界成像質(zhì)量。對(duì)于地震反演而言，豐富的低頻有效信號(hào)會(huì)提升全波形反演精度，同時(shí)反演結(jié)果中的“低頻伴影”可以較好顯示油氣發(fā)育層系。

對(duì)于實(shí)際資料處理而言，低頻有效信號(hào)的保持對(duì)成像質(zhì)量的提升有著非常重要的意義。以四川盆地火山巖發(fā)育區(qū)地震資料處理為例，火山巖對(duì)地震波傳播具有較強(qiáng)的屏蔽效應(yīng)，由于在生產(chǎn)階段處理過程中未注意低頻有效信號(hào)的保護(hù)，成果地震資料通常出現(xiàn)下伏地層地震反射同相軸連續(xù)性差、能量弱等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了后續(xù)巖性與巖相精細(xì)刻畫工作。為了提升火山巖發(fā)育區(qū)成像質(zhì)量，在后續(xù)攻關(guān)階段制定了基于低頻保護(hù)的寬頻保真處理流程，采用保低頻去噪、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的低頻自適應(yīng)補(bǔ)償以及疊前Q偏移等技術(shù)，提升了火山巖發(fā)育區(qū)地震資料成像品質(zhì)。圖5是攻關(guān)前后火山巖段剖面對(duì)比，從處理效果來(lái)看，攻關(guān)后地震資料信噪比有了明顯提升，低頻端能量由12 Hz拓展到8 Hz，火山巖頂?shù)捉缑媲逦?，火山?nèi)幕波場(chǎng)聚焦程度較之前有較大改善（圖5b黃色虛線框內(nèi)），火山通道成像質(zhì)量提升（圖5b紅色箭頭處），為區(qū)域精細(xì)刻畫奠定了資料基礎(chǔ)。

圖5 火山巖發(fā)育區(qū)攻關(guān)前后連井對(duì)比剖面圖

3.2 高頻有效信號(hào)的潛力挖掘

從地震采集的角度來(lái)說，數(shù)字地震儀器中的低頻與高頻都會(huì)被充分記錄下來(lái)，只是這個(gè)過程中必然會(huì)伴隨著噪音干擾[14-15]，雙高處理對(duì)低頻端精細(xì)去噪的討論較為充分，大多數(shù)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，但是對(duì)于高頻端去噪而言還沒有特別可行的策略。高頻端干擾主要以隨機(jī)噪聲為主，除了從傳統(tǒng)信號(hào)分析角度出發(fā)找出噪音與有效信號(hào)之間的差異之外，如何深入挖掘資料潛力，提升高頻端資料信噪比，是實(shí)現(xiàn)拓展地震資料有效頻寬的重要前提。

以實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果為例，不同去噪方式對(duì)于高頻端有效信號(hào)保持有著不同的效果，圖6是傳統(tǒng)去噪方法與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能去噪后水平疊加剖面濾波顯示結(jié)果，從原始資料來(lái)看高頻端有效信號(hào)極限在50 Hz左右（圖6c），60 Hz以上主要以隨機(jī)噪聲為主（圖6d），兩種去噪方法在全頻帶與低頻端波形差距不大（圖6e、i），其原因是低頻端能量比高頻段高出5～8倍引起的（圖6f、j），但是相較于常規(guī)去噪方法結(jié)果（圖6g、h黃色虛線框內(nèi)），基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能去噪結(jié)果在高頻段可以保留下更多的有效信號(hào)，去噪后同相軸地震反射特征明顯（圖6k、l黃色虛線框內(nèi)），這種對(duì)地震數(shù)據(jù)潛力的充分挖掘也保證了后期高頻端能量拓展的有效性。

圖6 采用不同去噪方法后水平疊加剖面濾波顯示圖

4 結(jié)論

1）地震子波是影響地震垂向分辨率的關(guān)鍵，其主頻與頻寬直接影響子波形態(tài)，主頻越高，子波波長(zhǎng)越短，對(duì)于薄層的地震響應(yīng)越強(qiáng)。頻寬越高，地震子波旁瓣能量越弱，可以分辨尺度更小的地質(zhì)體。

2）高分辨率處理實(shí)質(zhì)是對(duì)地震資料低頻與高頻端有效信號(hào)進(jìn)行真振幅恢復(fù)，整個(gè)過程應(yīng)全程注意有效信號(hào)保持，低頻有效信號(hào)缺失會(huì)導(dǎo)致地震剖面缺失層次感，造成同相軸假象，高頻有效信號(hào)缺失會(huì)導(dǎo)致分辨率下降，并且在拓頻過程中應(yīng)根據(jù)有效頻寬范圍精細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，避免由于噪音帶來(lái)的成果資料品質(zhì)下降問題。

3）地震資料的保真度是頻寬拓展的基礎(chǔ)，處理過程應(yīng)挖掘地震資料高低頻段弱有效信號(hào)潛力，為后期有效頻寬的拓展奠定堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。