張 文,周志才,于承業(yè)

(1.東北石油大學石油工程學院,黑龍江大慶163318;2.大慶鉆探工程公司,黑龍江大慶163412;3.大慶勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

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一種改進的近地表強吸收補償方法研究

張 文1,周志才2,于承業(yè)3

(1.東北石油大學石油工程學院,黑龍江大慶163318;2.大慶鉆探工程公司,黑龍江大慶163412;3.大慶勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

近地表對地震波的吸收效應非常強,前人用了很多吸收補償?shù)姆椒▉頊p小其影響,雖然取得了一些不錯的補償效果,但將適用于深層成巖地層的補償公式應用于近地表存在著補償量分布不合理、運算參數(shù)難以優(yōu)選等技術問題,未達到理想的近地表吸收補償目的。在研究地震波吸收補償技術的基礎上,分析了常用的補償方法存在的問題,在補償因子的計算公式中引入一個修正系數(shù),給出了一種適合近地表強吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補償方法,解決了以往近地表吸收補償存在的問題,獲得了表層低降速帶吸收補償較為合理的地震剖面。該方法可廣泛應用于地震資料的近地表強吸收補償處理。

近地表;吸收衰減;Q補償;低降速帶;補償因子

球面擴散是降低反射信號能量的主要因素,這方面的補償技術已成為地震資料處理中比較成熟的技術[1],而吸收衰減是使反射信號頻帶寬度變窄的更直接因素,地層對地震波的吸收衰減包括兩部分：近地表吸收衰減和地下巖層吸收衰減。吸收衰減不僅會使地震信號的振幅、能量發(fā)生衰減,其相位也會產(chǎn)生畸變。地層Q值反映了介質中波的衰減程度,Q補償是補償?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|傳播過程中的衰減,恢復地下地層反射系數(shù)的過程。

自1962年FUTTERMAN詳細論述了巖石對地震波的吸收衰減為地層的基本特性以來,許多學者在地層吸收方面進行了大量研究,并比較了十多種地層吸收品質因子計算方法。KJARTANSSON[2]提出了采用上升時間成像原理估算地層Q值的方法;文獻[3～11]討論了利用地震道集、VSP或井間地震估算Q值的方法,這些Q值估算和補償方法都是基于成巖后,假設地層為近似彈性或粘滯彈性介質前提下推導出來的,所以基本上適用于成巖地層,也就是依據(jù)彈性波衰減規(guī)律的Q值計算方法。對于近地表未固結的巖性,其吸收衰減非常復雜,傅承義[12]指出,彈性波在有孔,并含有空氣、油或者水的介質中傳播時,不能保持單一的性質,因此其速度意義也不明確,這樣,就不能完全照搬彈性波吸收衰減理論解決近地表吸收補償?shù)膯栴}。

在地震勘探中,我們可以依據(jù)野外實際近地表吸收調查結果,完成近地表吸收補償。地震初至波含有表層的吸收和衰減信息,因此可用來估算表層Q值[13-18]。微測井和小折射都是表層結構調查的主要手段,微測井在地面直接接收來自井下不同深度處激發(fā)的上行波信息,直接劃分近地表速度層,提供地震采集最佳激發(fā)巖性和炸藥井深設計,受地形的影響小,比淺層小折射波法解釋精度高。微測井地震記錄的振幅和波形不僅受傳播介質的品質因子影響,也受微測井激發(fā)源所在地層的巖性影響。所以,常規(guī)微測井技術不能用來計算近地表巖性的品質因子。于承業(yè)等[19]利用雙井微測井資料估算近地表Q值,是近地表吸收參數(shù)定量計算的一種方法。

在松遼盆地北部對雙井微測井、井中多級接收、地面三分量接收等3種表層吸收參數(shù)采集方法進行了研究[20],形成了一套可行的表層吸收參數(shù)場建立技術,取得了一定的補償效果。在該技術的推廣應用中,我們發(fā)現(xiàn)這些資料存在補償效果不夠理想的現(xiàn)象。究其原因,是以往補償方法不能直接用于近地表資料的處理(表層與巖層的Q值相差幾十倍甚至百倍)。通過修改補償計算公式,不僅解決了以往補償公式用于近地表存在補償量分布不合理、運算參數(shù)難以優(yōu)選等技術難題,而且獲得了比較理想的近地表吸收補償效果。

1 常用補償方法及其存在的問題

無論是地下巖層還是近地表的吸收補償,都是先求得Q場,然后利用補償公式逐炮逐道補償?shù)卣鸩ǖ奈账p量。影響補償效果的因素包括Q場的精度和補償公式的適用性兩個方面,那么,在相同的Q場下補償效果的優(yōu)劣主要取決于補償公式的適用性。下面主要分析以往常用的補償公式用于近地表吸收補償計算時存在的問題。

在地下成巖地層內(nèi),地震波傳播使用的基本吸收補償公式[21]為：

(1)

式中：γ=1/πQ;ωh為相位校正的參考頻率;τ為地震波表層旅行時;ω為地震波頻率;U為波場函數(shù)。

補償公式中兩個指數(shù)項分別是振幅補償項和相位補償項,也稱為振幅補償因子和相位補償因子。實際計算時采用的相位校正參考頻率ωh一般由有效頻寬的上限值L(ωh=2πL)給定,即在該頻率處補償幅度最大。振幅補償因子β(τ,ω)的計算公式為:

(2)

相位補償因子φ(τ,ω)的計算公式為：

(3)

為了增強補償?shù)姆€(wěn)定性,避免高頻補償過度,公式中要增加高頻衰減項,在補償?shù)揭欢l率以后強烈衰減,過高的頻率成分不再補償。穩(wěn)定因子Λ(τ,ω)的計算公式為：

(4)

其中,WANG[22]給出了σ2的計算公式：

(5)

式中：Glim為補償增益門限控制因子,其大小控制補償幅度的高低,通常為5～30dB。計算時用Λ(τ,ω)乘以地震信號的頻譜值,而不用β(τ,ω)去除,主要是為了保證計算結果的穩(wěn)定,否則,高頻成分隨頻率升高越補越多,勢必造成地震信號信噪比嚴重降低;用φ(τ,ω)去校正地震信號的相位。

采用公式(4)進行計算雖然保證了補償結果的穩(wěn)定性,但存在兩個方面的問題：

1) 有效頻寬的上限值L不好給定,與要補償?shù)念l率段不對應。

公式(4)中的振幅補償因子β在不同L下隨頻率的變化關系如圖1所示。給定的上限頻率L為55Hz時,振幅補償因子β的最大值在169Hz處(圖中的藍線);而給定的上限頻率L為95Hz時,振幅補償因子β的最大值在165Hz處(圖中的紅線),都遠高于L,表明有效頻寬的上限值L與要補償?shù)念l率段不對應,補償處理時無法針對有效頻帶進行補償,用戶很難給定參考頻率或上限頻率。

2) 補償幅度即增益門限不易給定,最大補償量與有效頻寬的上限值L關系復雜。

從圖1可以發(fā)現(xiàn),在不同的Glim下,振幅補償因子β的最大值也發(fā)生了變化,當Glim為10dB時,β最大值在165Hz處(圖中的紅線),而當Glim為25dB時,β最大值在195Hz處(圖中的黑線),表明最大補償量與有效頻寬的上限值L關系復雜,導致補償幅度即增益門限不易給定,說明公式(4)對近地表的吸收補償存在不適應或計算誤差較大的問題。

圖1 公式(4)中的β在不同L和Glim下隨頻率的變化關系

2 改進的補償方法

分析常用補償方法導致近地表補償計算誤差大的原因,發(fā)現(xiàn)補償公式導致了補償方法存在問題：以往常用補償計算公式適合巖層對地震波的吸收補償,巖層的Q值通常為40～200,而近地表的Q值通常為1～20,相差幾十倍甚至上百倍,導致計算的補償量誤差較大;在不同的補償幅度下補償量誤差變化也較大,在β(τ,ω)計算公式中應該含有Glim變量,而不僅僅在σ2之中才含有,需要增加一個修正因子α/ωh。該因子是增益門限Glim,Q值和頻率上限L的函數(shù),以保證在不同的補償幅度和頻率上限的情況下,近地表Q補償具有比較穩(wěn)定的計算精度。改進后的計算公式為：

(6)

其中,

(7)

α計算公式為經(jīng)驗公式,是通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析總結出來的,曾試驗過線性關系、指數(shù)關系和對數(shù)

關系等形式(統(tǒng)計過程很繁瑣,在此從略),最終確定為公式(7)的形式,當然也許還有其它形式或更精確的經(jīng)驗公式存在,但公式(7)的計算精度被認為能夠滿足實際計算要求。改進后公式中的振幅補償因子β在不同L下隨頻率的變化關系如圖2所示。給定的上限頻率L為55Hz時,振幅補償因子β的最大值在52Hz處(圖中的藍線),當L為95Hz時,β的最大值在90Hz處(圖中的紅線);L為95Hz不變而Glim由10dB變?yōu)?5dB時,β的最大值在103Hz處(圖中的黑線)。改進后公式中振幅補償因子β的最大值出現(xiàn)位置與給定L的差異很小(在通常區(qū)間內(nèi)不超過10%),這樣就給用戶操作補償軟件帶來了很大方便,使補償比較有針對性,補償結果更客觀、有效。改進的補償方法未增加新參數(shù),也不需要其它數(shù)據(jù),沒有增加計算成本。關于是否達到完全補償或者說增益門限Glim是否達到最優(yōu),理論上很難確定。實際應用時通過多個Glim的補償結果優(yōu)選出一個Glim用于全區(qū)的補償處理,由補償后的地震單炮或剖面品質來評定補償參數(shù)選擇是否優(yōu)良。這就是本文給出的適合近地表強吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補償方法。

圖2 改進后公式中的β在不同L和Glim下隨頻率的變化關系

3 應用效果分析

將本文方法應用于松遼盆地北部地區(qū)的地震資料處理。按照上述修正的補償公式(公式(6)和公式(7))逐炮逐道進行表層吸收總量的補償。實際計算時,加入表層吸收衰減總量數(shù)據(jù),用本文改進的方法以及原方法分別進行計算。相比之下,計算用時未發(fā)生變化,所給參數(shù)也相同,但補償效果得到了一定程度的提高。

公式改進前、后補償效果的對比見圖3到圖5。在原始單炮能量強弱方面(圖3)未見明顯差異,同相軸連續(xù)性也基本一致,改進后略好一些;在50～100Hz的單炮掃描記錄上(圖4),改進前、后差異也不大;但在110～220Hz的單炮掃描記錄上(圖5),改進前、后差異卻很大,補償時最高頻率上限給定95Hz,改進前是將大部分能量補償在了高頻段,110Hz

以上有效信息非常弱,補償后并未提升高頻有效信息成分,相反增強了更多的干擾信息,而改進后高頻信息仍然很弱,未增加更多的干擾,補償參數(shù)上限頻率L起到了很好的作用(計算時最大補償增益門限都給定為20dB)。

圖6a和圖6b分別給出了T1層和T2層表層補償公式改進前、后單炮記錄的頻譜。圖中的藍色曲線、黑色曲線和紅色曲線分別代表補償前、方法改進前和方法改進后的頻譜。對比補償前、后的頻帶,無論T1層還是T2層,補償后都比補償前頻帶拓寬了10Hz以上,體現(xiàn)了一定的補償效果。對比公式改進前、后的補償效果,低頻端沒有變化,高頻端差異較大。改進后高于主頻的優(yōu)勢頻帶(相對振幅高于0.1以上)能量明顯高于改進前,兩主要目的層均是如此,特別是T1層的40～60Hz和T2層的30～50Hz頻率段有效能量增強了很多,這部分在反演解釋中可利用的能量得到了較好的補償。100Hz以上部分的差異表明,方法改進前將大部分能量補償在了這部分,而該部分信號信噪比低,未達到吸收補償?shù)睦硐胄Ч?。由此可?方法改進后補償結果更有效、更有利于提升地震資料的分辨率。

圖3 表層補償公式改進前(a)、后(b)原始單炮的能量對比

圖4 表層補償公式改進前(a)、后(b)掃描單炮的能量對比(50～100Hz)

圖5 表層補償公式改進前(a)、后(b)掃描單炮的能量對比(110～220Hz)

圖6 表層補償公式改進前、后單炮記錄標準層頻譜對比a T1層頻譜; b T2層頻譜

4 結束語

本文研究了適合于巖層的吸收補償公式用于計算近地表補償量時誤差大的問題,修正了補償計算公式,給出了適合近地表強吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補償方法。該方法是解決近地表強吸收補償公式適用性問題的有效手段之一,用修正的補償公式來補償表層低降速帶的強吸收衰減效果很好,克服了以往近地表吸收補償存在的補償量分布不合理、運算參數(shù)難以優(yōu)選等技術問題,可廣泛應用于地震資料的近地表強吸收補償處理。

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(編輯：陳 杰)

An improved compensation method for near surface strong absorption

ZHANG Wen1,ZHOU Zhicai2,YU Chengye3

(1.CollegeofPetroleumEngineeringInstitute,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.DaqingDrilling&EngineeringCorporation,Daqing163412,China;3.DaqingExploration&DevelopmentResearchInstitute,Daqing163712,China)

Strong absorption effect posed on seismic wavefield by near surface is very remarkable.Predecessors have developed many ways to reduce the impact and some good compensation effect has been found.If we directly apply the compensation formula which is suitable for solid rock to near surface directly,some technical problems exist,such as unreasonable compensation quantity distribution,difficult parameter optimization.Ideal compensation for near surface absorption can not be reached so far.On the basis of studying previous compensation technology for seismic absorption compensation technology,some existing problems of the original compensation method are analyzed.A correction factor is added in the compensation calculation formula,an improved compensation method for near surface strong absorption compensation method is proposed which are controlled by two factors,gain threshold and frequency threshold.The above existing problems in near surface absorption compensation mentioned above have been ameliorated.Seismic shot records with reasonable compensation for near surface absorption compensation is obtained,so the improved method can be widely used in the compensation processing for the near surface absorption.

near-surface,absorption and attenuation,Qcompensation,low velocity zone,compensation factor

2016-03-15;改回日期：2016-05-16。

張文(1964—),男,教授,主要從事油藏描述技術、油氣田開發(fā)工程理論與技術、計算機應用技術等方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2017)02-0210-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.007

張文,周志才,于承業(yè).一種改進的近地表強吸收補償方法研究[J].石油物探,2017,56(2):-215

ZHANG Wen,ZHOU Zhicai,YU Chengye.An improved compensation method for near surface strong absorption[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(2):-215