冉建斌 張明玉 李海銀 陳 佳 朱 哲 邢紅閣(中國(guó)石油東方地球物理公司研究院,河北涿州 072750； 新疆油田有限責(zé)任公司,新疆克拉瑪依 834000)

1 引言

近兩年來，為了提高復(fù)雜油氣藏的勘探精度和成功率，各油田公司相繼進(jìn)行了寬頻、寬方位和高密度的“兩寬一高”三維地震勘探，導(dǎo)致一些人認(rèn)為寬頻采集的地震資料可以大大提高分辨率。2014年11月，吐哈油田公司在吐哈盆地臺(tái)北凹陷西部的葡北油區(qū)進(jìn)行了1.5～96Hz掃描頻帶、橫縱比為0.75、道密度大于100萬道/km2的“兩寬一高”三維地震采集。為了更好地理解地震不同頻帶地震反射特征及不同頻帶寬度對(duì)反演精度的影響，本文通過分析實(shí)際寬頻地震資料與合成地震資料以及不同頻帶地震反演結(jié)果的差異，探討寬頻地震資料對(duì)儲(chǔ)層砂體的分辨能力，以有效指導(dǎo)研究區(qū)的砂體預(yù)測(cè)。

地震分辨力一直是地震勘探研究的熱點(diǎn)問題，其中爭(zhēng)論最為激烈的是縱向分辨力的極限問題。不同研究者從不同的觀測(cè)角度出發(fā)，給出了不同的可分辨與不可分辨判別準(zhǔn)則及垂直分辨力極限定義。如瑞利準(zhǔn)則定義垂直分辨力極限為λ/4(λ為地震波長(zhǎng))， Richer[1]、Widess[2]和Farr[3]則將垂直分辨力極限分別定義為λ/4.6、λ/8和λ/12。目前,最流行且被大多數(shù)人普遍接受的是瑞利準(zhǔn)則，即λ/4垂直分辨力定義。凌云研究組[4,5]利用薄層振幅的調(diào)諧作用探測(cè)地層厚度小于λ/4的地質(zhì)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上又對(duì)地震分辨力極限問題進(jìn)行了研究，并對(duì)垂直分辨力極限提出質(zhì)疑，指出在相對(duì)保持振幅、頻率、相位和波形的處理?xiàng)l件下，結(jié)合合理的井信息標(biāo)定和地震屬性提取，地震勘探是可以突破λ/4地震分辨力極限的。云美厚[6]給出了地震分辨力主要取決于地震子波特性、與地震資料的信噪比無關(guān)的結(jié)論,引發(fā)了對(duì)地震分辨力與信噪比關(guān)系的廣泛討論。

錢榮鈞[7]從瑞雷準(zhǔn)則的基本原理出發(fā)，詳細(xì)介紹了分辨率的分類，并對(duì)各種分辨率概念進(jìn)行了澄清，給出了二維非零炮檢距的橫向分辨率公式。

倪宇東[8]、什內(nèi)爾索納等[9]根據(jù)自相關(guān)子波分辨率與中心頻率的關(guān)系得出結(jié)論，增加信號(hào)的高頻成分可以提高分辨率。但掃描信號(hào)相對(duì)頻寬過小(如0.8個(gè)倍頻程)時(shí)，盡管中心頻率很高，分辨率很高，但是自相關(guān)子波旁瓣值很大，導(dǎo)致相關(guān)噪聲淹沒了有效信號(hào)。因此，在選擇掃描信號(hào)時(shí)，既要考慮自相關(guān)子波的清晰度，又要考慮自相關(guān)子波的分辨率；既要保證掃描信號(hào)具有較大的相對(duì)頻寬(2個(gè)倍頻程以上)，又要保證有較高的分辨率。只有這樣才能突出主瓣能量，提高主瓣分辨率，壓制旁瓣，才能提高對(duì)波阻抗界面的分辨能力。在保證使用具有2個(gè)倍頻程掃描信號(hào)的前提下，隨著中心頻率的增大，相關(guān)子波的旁瓣變窄、分辨率變高。

李培明等[10]從空間波數(shù)概念出發(fā)，分析討論二維、三維地震資料在共炮檢距域中可能達(dá)到的空間分辨率，以期為優(yōu)化地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。導(dǎo)出了二維與三維共炮檢距道集的空間分辨率公式，較系統(tǒng)地討論了共炮檢距道集的橫向分辨率和垂向分辨率與地下介質(zhì)速度、地震主頻及頻帶、反射界面傾角、偏移孔徑以及所使用的觀測(cè)系統(tǒng)等因素的關(guān)系； 隨后又提出了方向空間分辨率的概念，并從旅行時(shí)方程出發(fā)，推導(dǎo)出三維方向空間分辨率的一般公式[11]。

王學(xué)軍等[12]、Wang等[13]認(rèn)為地震資料的縱向分辨率取決于地震頻帶，指出若地震資料缺乏高頻信息，將難以精確識(shí)別薄儲(chǔ)層；若缺乏低頻信息，會(huì)影響信息的保真度，導(dǎo)致波阻抗反演結(jié)果不正確。

影響地震反演精度的因素很多，其中地震數(shù)據(jù)的不完備性是主要障礙之一，反射波的頻帶有限性嚴(yán)重影響波阻抗反演質(zhì)量[14,15]。當(dāng)?shù)卣痤l帶寬度為6個(gè)倍頻程(1～96Hz)時(shí)，反演的波阻抗雖然無法完全恢復(fù)更薄的地層信息，但基本上可以反映阻抗的真實(shí)趨勢(shì)和形態(tài)；當(dāng)頻帶寬度減小到2個(gè)倍頻程(10～40Hz)時(shí)，對(duì)應(yīng)的波阻抗丟失了大量信息，包括低頻趨勢(shì)和薄層信息。

地震反演的分辨率主要受地震資料本身的分辨率制約，由測(cè)井約束“反演”出來的高分辨率，嚴(yán)格意義上屬于對(duì)地震資料地質(zhì)解釋的“廣義反演”結(jié)果。制定正確的反演策略，利用地震屬性等技術(shù)檢測(cè)并提取地震資料中豐富的巖性信息，參與初始模型建立，可以使反演結(jié)果更加合理。在復(fù)雜陸相沉積環(huán)境下，測(cè)井約束反演解決地質(zhì)問題的能力是有限的[16]。

近年來，隨著地震分頻技術(shù)的發(fā)展，人們基于雷克子波和楔形模型，建立了儲(chǔ)層厚度、振幅、頻率三者之間的關(guān)系(AVF)，并將AVF引入分頻反演領(lǐng)域，取得了良好的效果。AVF關(guān)系反映了振幅與砂體厚度的相關(guān)性受調(diào)諧厚度的限制，而調(diào)諧厚度與地震數(shù)據(jù)的主頻直接相關(guān)。李偉等[17]針對(duì)薄層砂體，充分考慮頻率對(duì)地震屬性與砂體厚度之間相關(guān)性的影響，提出“先優(yōu)選地震數(shù)據(jù)頻段，再優(yōu)選地震屬性”的地震屬性優(yōu)選方法；進(jìn)而利用優(yōu)選的地震屬性預(yù)測(cè)砂體及沉積相分布，為沉積微相分析奠定堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。

低頻信號(hào)具有較強(qiáng)的穿透能力，同時(shí)地層對(duì)地震波的衰減作用也隨著頻率的增加呈指數(shù)增加，頻率越高，吸收和散射作用越強(qiáng)。低頻信號(hào)衰減緩慢，具有較強(qiáng)的抗吸收和抗散射能力，更易穿透具有強(qiáng)散射和強(qiáng)吸收性的地層，所以利用低頻信號(hào)可以改善深層和特殊巖性體的成像質(zhì)量[18,19]。

鄒志輝等[20]通過評(píng)價(jià)和恢復(fù)常規(guī)檢波器地震記錄的低頻信息，認(rèn)為恢復(fù)低頻可以顯著改善疊加地震剖面和波形反演速度剖面的精度和分辨率。

張曉磊等[21]對(duì)目前提高地震資料分辨率的兩大類主要技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出混合相位反褶積技術(shù)擺脫了最小相位的基本假設(shè)，在提高分辨率方面效果顯著，但并沒有真正解決中深層弱相位信噪比和成像連續(xù)性問題，對(duì)地震解釋不利。針對(duì)中深層巖性油氣藏地震資料分辨率低、有效信號(hào)弱的問題，提出了混合相位反褶積串聯(lián)形態(tài)濾波技術(shù)，在提高地震資料分辨率的同時(shí)可提高信噪比。

在傳統(tǒng)提高分辨率技術(shù)的基礎(chǔ)上，公亭等[22]利用掃描信號(hào)進(jìn)行低頻拓展及能量加強(qiáng)，形成了一套寬頻地震資料配套處理流程，該技術(shù)在保證地震資料信噪比的基礎(chǔ)上拓寬了地震信號(hào)的有效頻帶、提高了分辨率，處理后的地震剖面具有頻帶寬、信噪比高、巖性特征清楚等優(yōu)點(diǎn)。

宋維琪等[23]將壓縮感知理論引入地震資料處理，研究基于壓縮感知理論的提高地震資料分辨率方法，針對(duì)壓縮感知理論中的信號(hào)稀疏化、觀測(cè)矩陣設(shè)計(jì)、信號(hào)重構(gòu)等提出了改進(jìn)措施，在壓制噪聲的同時(shí)提高了地震資料分辨率。

張豐麒等在分析疊前AVA楔形字典時(shí)指出，利用基于追蹤分解算法實(shí)現(xiàn)疊前AVA稀疏層反演，較常規(guī)疊前反演具有較高的垂向分辨率，但由于該算法沒有考慮彈性參數(shù)之間的相關(guān)性引起的不適定性，造成密度反演結(jié)果非常不穩(wěn)定。為此，基于Zhang的常規(guī)疊前AVA稀疏層反演，結(jié)合Downton的參數(shù)協(xié)方差矩陣特征分解去相關(guān)思路，重新推導(dǎo)了疊前AVA楔形字典和疊前AVA稀疏層反演的目標(biāo)函數(shù)；在此基礎(chǔ)上，通過引入低頻軟約束項(xiàng)補(bǔ)償反演的低頻信息，可以獲取全頻帶的反演結(jié)果，進(jìn)一步降低了三參數(shù)反演的不適定性，提高了密度項(xiàng)的反演精度。模型數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)試算結(jié)果表明，基于低頻軟約束的疊前AVA稀疏層反演具有較高的穩(wěn)定性和垂向分辨率[24]。

對(duì)于地震資料地質(zhì)解釋來說，評(píng)價(jià)地震資料的縱向分辨率一般應(yīng)用以下兩種方法： ①四分之一主波長(zhǎng)法； ②Wedess準(zhǔn)則[25,26]。

當(dāng)?shù)卣鹳Y料的主頻為30Hz、速度為3000m/s時(shí)，根據(jù)四分之一主波長(zhǎng)法能得到地震縱向分辨率為25m。

當(dāng)?shù)卣痤l帶為3～60Hz時(shí)，根據(jù)Wedess準(zhǔn)則法可以得出地震的時(shí)間分辨率為8.8ms，同樣3000m/s的地層速度，可分辨的地層厚度為13.2m。

從兩種分辨率定義得出其子波的分辨率是不同的，根據(jù)Wedess準(zhǔn)則得到的子波分辨率接近于λ/8，同樣的頻帶得出的分辨能力差近一倍，因此需要具體分析實(shí)際地震資料縱向分辨率確定哪一種評(píng)價(jià)方法更合理。

通過對(duì)葡北“兩寬一高”地震資料的處理，地震資料在主要目的層段的有效頻寬為3～60Hz，新地震資料比老地震資料的有效頻帶(10～60Hz)向低頻拓寬了近兩個(gè)倍頻程，而新、老地震資料高頻基本一致。筆者通過分析與實(shí)際地震資料頻帶寬度一致的模型正演、不同倍頻程濾波、缺失不同低頻成分地震反演和實(shí)際地震資料的標(biāo)定，指出在地震資料高頻相同、向低頻拓寬了1～2個(gè)倍頻程的情況下，其縱向分辨率并沒有提高，因此要提高地震資料的縱向分辨率，必須通過提高地震資料有效高頻成分才能實(shí)現(xiàn)。即要保證對(duì)薄層的反演可靠性和分辨率，地震資料就必須向有效的低、高頻同時(shí)拓寬。

2 研究方法

2.1 不同倍頻程地震反射特征

針對(duì)吐哈油田葡北三維地震資料(圖1)進(jìn)行了6個(gè)頻帶的濾波處理。圖1中A、B、C、D、E為研究區(qū)的五口井，曲線為波阻抗曲線，經(jīng)過3～60Hz的帶通濾波處理?？梢缘贸銎媳比S地震的有效頻帶為3～60Hz，葡北三維地震資料是具有4.3個(gè)倍頻程的寬頻資料(圖2)，圖中井的阻抗曲線也進(jìn)行了相應(yīng)頻帶的濾波處理，圖2f說明本區(qū)地震資料的最高頻為60Hz。新采集的三維地震資料比1998年采集的三維地震資料(10～60Hz)向低頻拓寬了近2個(gè)倍頻程。通過對(duì)地震資料和井的波阻抗曲線進(jìn)行帶通濾波處理，觀察和研究不同地層界面在不同頻帶上的反射特征，分析不同頻帶的地震反射波所代表的地質(zhì)含義及對(duì)地層厚度的分辨能力。

2.2 缺失不同低頻成分的地震反演結(jié)果

對(duì)圖1的地震剖面進(jìn)行6～60Hz、12～60Hz的帶通濾波，得到了3～60Hz、6～60Hz、12～60Hz不同頻帶的三套地震資料。利用圖1中的5口井資料建立波阻抗模型，并對(duì)三套地震資料分別提取子波及進(jìn)行稀疏脈沖反演，觀察分析缺少不同低頻成分的地震資料反演結(jié)果間的差異，分析不同頻帶寬度的地震資料對(duì)反演結(jié)果的影響(圖3)。

2.3 寬頻地震資料的縱向分辨率

應(yīng)用圖1中5口井的波阻曲線建立剖面的波阻抗模型，經(jīng)反射系數(shù)與波阻抗的關(guān)系把波阻抗模型轉(zhuǎn)為反射系數(shù)模型，利用過5口井的實(shí)際地震資料井點(diǎn)提取的3～60Hz零相位的地震子波與反射系數(shù)模型進(jìn)行褶積，得到了合成地震剖面(圖4)。圖4中的波阻抗曲線進(jìn)行了3～6Hz的濾波處理，得到的正演結(jié)果(圖4c)與圖1具有非常相似的反射特征和相同的分辨率。

圖1 過吐哈盆地葡北“兩寬一高”三維地震工區(qū)剖面

圖2 圖1地震資料進(jìn)行不同倍頻程帶通濾波剖面(a)3～6Hz; (b)6～12Hz; (c)12～24Hz; (d)24～48Hz; (e)48～60Hz; (f)60～75Hz

圖3 缺少不同低頻成分地震反演結(jié)果對(duì)比剖面(a)缺少0～3Hz； (b) 缺少0～6Hz； (c)缺少0～12Hz

圖4 根據(jù)圖1中5口井的波阻抗曲線和3～60Hz雷克子波進(jìn)行的二維地震模型正演剖面(a)波阻抗模型； (b)反射系數(shù)模型； (c)地震正演剖面

根據(jù)Wedess準(zhǔn)則，3～60Hz頻帶的零相位雷克子波能夠分辨8 .8ms的地層厚度，設(shè)計(jì)了兩個(gè)模型： 兩個(gè)正反射系數(shù)界面之間的時(shí)間厚度為8ms； 兩個(gè)反射界面之間的時(shí)間厚度為16ms。通過四分之一主波長(zhǎng)法和Wedess準(zhǔn)則兩種方法計(jì)算的子波分辨率與實(shí)際地震資料標(biāo)定對(duì)比，確定哪種方法對(duì)地震分辨率是合理的評(píng)價(jià)(圖5和圖6)。圖5中當(dāng)時(shí)間間隔為8ms時(shí)不能分辨薄層，當(dāng)時(shí)間間隔為16ms時(shí)為極限分辨率。通過砂體頂、底的標(biāo)定，認(rèn)為地震資料可以識(shí)別厚度大于20m的砂體。

圖5 頻帶為3～60Hz零相位雷克子波一維正演模型(a)薄層時(shí)間間隔為8ms； (b)薄層時(shí)間間隔為16ms

圖6 圖1中A井合成地震記錄及儲(chǔ)層標(biāo)定圖

3 結(jié)果分析及應(yīng)用效果

通過不同倍頻程的地震和井波阻抗曲線的濾波分析可以得出：

(1)在低頻段地震反射代表了大套地層強(qiáng)波阻抗界面的反射，大套地層內(nèi)較薄的地層沒有產(chǎn)生相應(yīng)的反射界面；

(2)隨著地震頻帶向中高頻段移動(dòng)，地震資料不但有大套地層的反射而且還有較薄地層的反射產(chǎn)生，地震有效高頻段越豐富，分辨的地層界面就越多，分辨率就越高；

(3)低頻段地震資料和高頻段的地震資料都能對(duì)厚層地層的反射界面進(jìn)行解釋，但高頻段地震資料對(duì)地層界面的刻畫精度遠(yuǎn)高于低頻段的地震資料。

通過對(duì)3～60Hz、6～60Hz、12～60Hz三套不同頻帶的稀疏脈沖反演結(jié)果對(duì)比分析得到了以下結(jié)論。

(1)當(dāng)?shù)卣鹳Y料的低頻為3Hz和6Hz時(shí)，通過稀疏脈沖反演及井波阻抗低頻合并得到的0～60Hz的寬頻反演結(jié)果非常類似。

(2)當(dāng)?shù)卣鹳Y料的低頻缺失12Hz以下的低頻時(shí)，通過稀疏脈沖反演及井波阻抗低頻合并得到的0～60Hz的寬頻反演結(jié)果與缺少3Hz和6Hz以下低頻時(shí)的寬頻地震反演結(jié)果差異較大，缺失12Hz以下低頻信息的地震反演結(jié)果與波阻抗模型更相似。

(3)地震資料的低頻與用井資料插值所得到的低頻存在差異，主要原因?yàn)榈卣鹳Y料的低頻是空間連續(xù)的，而用井資料插值的模型只反映所用井的插值趨勢(shì)，因此，地震資料空間連續(xù)的低頻信息有助提高反演的精度，地震資料的高頻控制反演的分辨率。在地震資料高頻成分不變的情況下，地震資料頻帶向低頻拓寬，對(duì)提高薄層縱向分辨率作用不大。

研究區(qū)目的層砂體速度為3000m/s，地震子波的頻帶為3～60Hz、薄層的時(shí)間厚度為8ms和16ms時(shí)，通過褶積模型的正演得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)薄儲(chǔ)層厚度為8ms時(shí)，3～60Hz的地震資料是不可分辨的；當(dāng)薄層厚度為16ms時(shí)，3～60Hz的地震資料是可分辨的，并且是極限分辨率。

(2)研究區(qū)目的層的儲(chǔ)層速度為3000m/s時(shí)，8ms的儲(chǔ)層厚度為12m，16ms的儲(chǔ)層厚度為24m。根據(jù)λ/4分辨率準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)卣鹬黝l為30Hz時(shí)，能夠分辨25m的儲(chǔ)層，與實(shí)際地震模型厚度24m接近，而與Wedess準(zhǔn)則在頻帶3～60Hz計(jì)算的分辨率為13.2m相差近一倍。因此四分之一主波長(zhǎng)準(zhǔn)則對(duì)地震資料的分辨率評(píng)價(jià)是合理的，而Wedess準(zhǔn)則在地震資料高頻段一致的情況下，在向低頻拓寬了一個(gè)倍頻程(3～6Hz)中過高估計(jì)了地震的縱向分辨率，與實(shí)際不符。通過實(shí)際地震資料的合成地震記錄標(biāo)定，也驗(yàn)證了3～60Hz地震資料僅能分辨20m以上的地層厚度。

通過3～60Hz和0～60Hz的寬頻地震稀疏脈沖反演(圖7)，可見:兩種頻帶的地震反演都能有效識(shí)別葡北地區(qū)侏羅系三間房組砂體,但缺少0～3Hz的地震反演結(jié)果砂體邊界比較模糊，而0～60Hz頻帶反演結(jié)果砂體邊界波阻抗清晰度更高，因此進(jìn)一步說明地震資料的有效低頻控制著反演砂體的精度，高頻成分控制著反演的分辨率。

通過沿層波阻抗屬性提取，預(yù)測(cè)了砂體的分布。由于該區(qū)地震資料低頻成分豐富，有利于地震儲(chǔ)層的含油氣性檢測(cè)分析。在有利砂體預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過目前鉆井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析，利用地震流體活動(dòng)性屬性預(yù)測(cè)了葡北油田區(qū)有利的含油氣范圍，在葡北油田西部探明邊界外部署了油藏?cái)U(kuò)邊井Pb105(圖8)，通過鉆探證實(shí)寬頻反演砂體預(yù)測(cè)及油氣檢測(cè)精度較高，該井獲得工業(yè)油流，使老油田的儲(chǔ)量規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，砂體預(yù)測(cè)和含油氣檢測(cè)結(jié)果對(duì)該油田的開發(fā)方案調(diào)整具有重要的參考價(jià)值。

圖7 葡北油田區(qū)寬頻稀疏脈沖阻抗反演對(duì)比剖面(a)3～60Hz反演結(jié)果與井的0～3Hz低頻合并形成的0～60Hz的反演結(jié)果； (b)沒有與井0～3Hz低頻合并的反演結(jié)果

圖8 葡北油田區(qū)三間房組頂部砂體預(yù)測(cè)及油氣檢測(cè)結(jié)果(a)砂體的均方根波阻抗砂體分布預(yù)測(cè)圖； (b)砂體的流體活動(dòng)性屬性圖

5 結(jié)論與建議

(1)不同頻帶的地震資料反映了地下不同反射系數(shù)界面。地震的低頻反映大套地層的反射特征，地震高頻不但能識(shí)別更薄地層，而且還能識(shí)別大套地層界面。

(2)地震資料缺失低頻成分越多，反演差異越大，地震反演的精度取決于地震的低頻成分，反演的分辨率取決于高頻成分，即地震資料的有效頻帶越寬，反演精度和分辨率越高。

(3)評(píng)價(jià)地震分辨率的四分之一主波長(zhǎng)理論對(duì)實(shí)際地震資料縱向分辨率的評(píng)價(jià)是合理的，Wedess準(zhǔn)則對(duì)地震資料的縱向分辨率進(jìn)行了過高評(píng)價(jià)。

(4)對(duì)于地質(zhì)解釋來說，預(yù)測(cè)地質(zhì)體的精度和對(duì)地質(zhì)體的分辨能力取決于地震資料的有效頻帶和保真度。

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