蔡文濤,范廷恩,王宗俊
(中海油研究總院,北京 100027)
地震波在地下巖層傳播過程中,能量一般隨著傳播距離的增加而減弱,造成衰減的因素主要有3類:球面擴散、吸收衰減和界面反射/透射損失等[1]。其中,介質的吸收衰減與頻率有關。高頻成分的衰減快于低頻成分,這不僅造成了地震波總能量的損失,還會引起子波分辨率的降低。品質因子Q是表征介質吸收衰減特性的重要參量,同時也是地層含油氣性的指示標志之一。因此,如何準確提取Q值是油氣勘探地球物理研究的重點和熱點[2]。
Q值提取方法可分為時間域和頻率域兩大類,主要有子波模擬法、振幅衰減法、上升時間法、解析信號法、頻譜比法、質心頻移法等[3-4]。近年來,還有學者嘗試了一些新的方法,如劉國昌等[5]對正則化后的S 變換譜用譜比法提取Q值;Zhang等[6]根據Ricker子波峰值頻率的移動從CMP 道集資料中反演Q值;高靜懷等[7]利用匹配地震子波的峰值頻率信息從零偏VSP資料中提取Q值,都取得了一定的效果。曹思遠等[8](2012)基于Kolsky-Futterman衰減模型,利用泰勒近似展開式,推導了頻域近似屬性組合Q值反演式(分一階式和二階式)。屬性組合法與質心法類似,都是利用頻域統(tǒng)計特征量的組合進行Q值反演,不同的是,該方法具有較嚴格的理論證明。需要說明的是,上述方法都是基于一定的假設前提,有各自的適用條件,到目前為止,尚沒有一種方法具有普適性。
我們針對最新提出的屬性組合法,通過模型數據試算,驗證該Q值反演方法的可靠性。在此基礎上,選取兩種衰減模型和兩類震源子波,以波譜不同的頻帶成分進行Q值反演,對比了譜比法、質心法和屬性組合法的理論精度,并分析頻段區(qū)間對于Q值反演的影響。最后,采用海上地震資料檢測了屬性組合法反演Q值的實際應用效果。
假設地震波的傳播過程由線性系統(tǒng)理論來描述,震源譜為S()f;接收記錄譜為R()f;儀器與介質響應為G*H()f。則有
其中,G包括幾何擴散、儀器響應、震源/檢波器耦合特性、反射/透射系數等因素,假設該系數與頻率無關,H()f為地層吸收衰減項。
根據Kolsky-Futterman衰減模型,假設激發(fā)、接收點之間為常Q介質,則有
其中,Δt為傳播旅行時,為品質因子。
對于任意頻譜A()f,定義高階矩屬性,則有
其中,k=1,2,3,…。當k=1時為質心頻率;當k=2時,為轉動頻率(與轉動慣量有關,又稱為慣心頻率)。
定義方差為:
對(1)式作適當處理,則有
品質因子Q與ln[S()f/R()f]-f曲線的斜率成反比,擬合出斜率即可得到Q值。稱該方法為譜比法。
假設震源譜為高斯譜,則有
對于非高斯形狀的震源譜,(6)式近似成立。稱該方法為質心法。
對指數衰減項exp(-πΔtf/Q)作一階和二階泰勒近似展開,分別得到一階和二階Q值反演式(具體推導請參見文獻[8])。
一階Q值反演式為
二階Q值反演式為
文獻[8]中給出的二階式為雙解(另一解是根號前的“-”號換成“+”號),根據筆者多組模型的驗證結果發(fā)現,另一根恒為假根,可舍去。一般地,泰勒二階展開式的精度高于一階,因此(8)式的精度高于(7)式。由于一階式和二階式都是頻域高階矩屬性的組合,將兩式統(tǒng)稱為屬性組合法,從這個意義上講,質心法也屬于屬性組合法的一種。
設計6層地質模型,各層厚度、速度及Q值分布見表1。震源子波選取50 Hz雷克子波,按照(2)式所示的衰減模型生成零偏VSP下行波數據,利用一階式和二階式反演地層Q值。
表1 層狀模型數據
圖1是Q值反演結果,可以看到,一階式和二階式都能較好地反演出地層Q分布;一階式反演結果略大于真實值,二階式反演結果與真實值吻合度較高。圖2 給出了反演結果的相對誤差曲線,兩個反演結果的相對誤差均在5%以內,表明一階式和二階式都具有較高的理論精度。從模型結果看,屬性組合法的Q值反演結果具有一定的可靠性。
圖1 模型數據屬性組合法Q 值反演結果
圖2 模型數據屬性組合法Q 值反演相對誤差
不同的Q值反演方法都是基于一定的假設(如震源、衰減模型等),其適用性不同。實際Q值提取中,由于信噪比等原因,一般不會選擇全頻段信息用于反演。例如,頻譜比法反演Q值的穩(wěn)定性不強,易受時窗的形狀和長度、起止頻段等因素影響[9]。武銀婷等[10]在分析影響質心法應用效果的因素時,討論了不同頻帶寬度對于Q值反演精度的影響。這里,通過幾組模型分析,討論在不同震源、衰減模型、頻帶范圍下,譜比法、質心法和屬性組合法反演Q值的理論精度。
首先,選取兩個衰減模型(Kolsky-Futterman模型和Kjartansson模型,分別記為模型1和模型2),兩類震源子波(雷克子波和多參數B 樣條子波[11-12],分別記為子波1和子波2)。
按Kjartansson模型,(2)式改寫為
其中,f0為參考頻率,這里取奈奎斯特頻率。
圖3給出了兩類子波及其頻譜。圖3a中藍色曲線代表50 Hz雷克子波(子波1),紅色曲線代表寬帶B子波(子波2)。
圖3 兩類震源子波(a)及其頻譜(b)
圖4給出了對模型1和子波1(震源子波1按模型1衰減生成零偏VSP 下行波記錄,在此基礎上利用3種方法進行Q值反演,下同)分別采用3類方法反演Q值的相對誤差(百分比值)。其中,圖4a給出了采用譜比法反演Q值的相對誤差;圖4b給出了采用質心法反演Q值的相對誤差;圖4c和圖4d分別給出了采用屬性組合法一階式和二階式反演Q值的相對誤差。圖4中橫軸代表頻帶下限f1;縱軸代表頻帶上限f2。如坐標(10,60)表示選擇10~60 Hz寬度的頻帶提取Q值。從圖4可以看出,對于模型1,反演精度從高到低依次為譜比法、二階式、質心法和一階式。不同頻帶對譜比法的反演結果影響不大。質心法在f1+f2=100 Hz曲線附近的反演精度較高,該頻段恰好關于主頻50 Hz對稱,該區(qū)間的子波譜與高斯譜相似度較高,符合質心法對震源譜的假設,在低頻段及高頻段,波譜與高斯譜相似度降低,Q值反演精度相對降低;屬性組合法(一階式和二階式)反演精度與頻帶的關系規(guī)律性較好,隨著頻帶往低頻移動,反演精度提高,這與屬性組合法的推導有關,該方法基于指數衰減項exp(-πΔtf/Q)的泰勒展開,在Δt和Q固定的情況下,頻率f越小,展式的誤差越小,Q值反演精度越高。
圖4 對模型1和子波1采用3類方法反演Q 值的相對誤差
圖5給出了對模型1和子波2采用3類方法反演Q值的相對誤差百分比,可見,譜比法、二階式、質心法和一階式的反演精度依次降低。頻帶對譜比法和屬性組合法反演精度的影響與第1組類似,不同的是,質心法在低頻段精度較高,這與寬帶B子波譜在低頻段與高斯譜相似度高有關。
圖5 對模型1和子波2采用3類方法反演Q 值的相對誤差
圖6給出了對模型2和子波1采用3類方法反演Q值的相對誤差百分比。由圖6 可見,譜比法、質心法、二階式的反演精度相當,且都隨著頻帶往高頻移動精度提高;一階式的精度相對較低,隨頻帶變化的規(guī)律相反。這是因為模型2 與模型1的差異引入了新的誤差,模型2對振幅譜的衰減項為,頻率越高,與模型1越接近。譜比法、質心法和二階式的誤差主要來源于模型2與衰減模型假設的差異,一階式的誤差主要來源于頻率的高低。
圖7給出了對模型2和子波2采用3類方法反演Q值的相對誤差百分比。由圖7 可見,不同頻帶對反演結果的影響與第3組類似。
對比第1 組和第2 組Q值反演相對誤差表明,對于Kolsky-Futterman衰減模型,譜比法的精度最高,質心法的精度依賴于選取頻帶內的波譜形狀,屬性組合法的精度依賴于選取的頻率高低。
對比第1組和第3組,第2組和第4組Q值反演相對誤差表明,3 類方法也適用于Kjartansson衰減模型,反演精度一般較Kolsky-Futterman衰減模型的低。譜比法、質心法和二階式的誤差主要來源于模型的差異,一階式主要來源于泰勒展開的誤差。
圖6 對模型2和子波1采用3類方法反演Q 值的相對誤差
圖7 對模型2和子波2采用3類方法反演Q 值的相對誤差
對比第3 組和第4 組Q值反演相對誤差表明,對于Kjartansson衰減模型,3類方法反演Q值的精度對震源子波的敏感性較低。
雖然質心法和屬性組合法推導的過程不同,但兩類方法具有共同點,都是基于頻域統(tǒng)計屬性的組合式提取Q 值。對(6)式的作如下改寫:
則質心法可表述為k階矩屬性的組合
對比(11)式和(7)式發(fā)現,質心法與一階式幾乎一致。一般地,當時,一階式提取的Q值大于質心法;當地層厚度較小時,,(11)式與(7)式相同,質心法可以看做一階式的近似。
文獻[12]在一階式推導的基礎上,給出了質心法的近似證明,其中,主要近似過程的數學條件是πΔtf/Q為小量。對該量作簡單的估算:假設地層Q值為50;層速度為2 000m/s;檢波器間 距 為20m;單程旅行時Δt為0.01s;地震頻帶?。?,150 Hz];那么πΔtf/Q取值范圍約為[0,0.1],滿足高精度泰勒一階展式對變量的要求。由于該證明還作了其它的近似,使得質心法的精度隨頻帶變化規(guī)律不同于一階式。
從廣義上講,質心法可看作屬性組合反演Q值方法的一種特例。
圖8是根據海上CDP資料應用二階式提取的Q值分布,隨著深度的增加,Q值呈逐漸增大的趨勢,橫向的起伏較小。將提取的Q值應用于該區(qū)地震資料的反Q濾波,處理前、后的剖面和頻譜如圖9所示。圖9中的紅色頻譜為振幅譜,藍色頻譜為相位譜。從振幅譜上可以發(fā)現,反Q補償后主頻段[50Hz,140 Hz]的能量得到了較好的恢復,主頻從48Hz提高到65 Hz,相位也得到了一定的校正。圖10 是反Q補償前、后剖面1 000~1 300ms 的局部放大結果,目的層在1 100~1 200ms,反Q補償后的剖面同相軸變細,復合軸分離,斷點清晰,分辨率提高,信噪比得到較好的保持,砂體之間的橫向展布特征和縱向疊置關系更加清晰,為后期油田開發(fā)井網部署和井位優(yōu)化提供了有利的依據。
圖8 屬性組合法提取的Q 值分布
圖9 實際海上地震資料反Q 補償處理前(a)、后(b)剖面及其頻譜
圖10 反Q 補償前(a)、后(b)剖面1 000~1 300ms局部放大結果
在對屬性組合法(一階式和二階式)Q值反演的可靠性進行模型驗證的基礎 上,通過測試不同衰減模型、震源子波及頻帶寬度,對比了譜比法、質心法和屬性組合法反演Q值的精度,分析出可能的影響因素。這些認識對于實際Q值提取方法的選擇及應用,具有一定的參考價值。
另外,根據屬性組合法的數學近似,可以預見,在小Q值情況下(如地表Q值提取等),其精度將受到較大的影響。如何適應小Q值提取,是屬性組合法需要改進和研究的一個方向。
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