張志軍 肖廣銳 徐德奎

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

氣云是地層中由于烴類氣體的聚集和活動在特定的地質(zhì)環(huán)境下形成的特殊伴生構(gòu)造。 氣云區(qū)是油氣運(yùn)移的重要通道，因此準(zhǔn)確識別與刻畫氣云區(qū)對油氣勘探意義重大。近年來氣云區(qū)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并成為石油勘探開發(fā)行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一[1-5]。在氣云發(fā)育的地層中，由于氣體在附近孔隙中滯留改變了附近地層的巖石屬性，與其相關(guān)的地球物理參數(shù)(如密度、速度、地層品質(zhì)因子等)都會發(fā)生變化，含氣豐富的孔隙介質(zhì)造成縱波傳播能量的嚴(yán)重衰減。同時(shí)，氣云空間形狀的不規(guī)則性會造成地震波場極為復(fù)雜，并導(dǎo)致地震炮集資料中反射雙曲線特征雜亂且常見不規(guī)則的同相軸，這些特征都極大地加劇了氣云區(qū)精確成像的難度，導(dǎo)致氣云發(fā)育區(qū)在地震資料中形成大片的“空白區(qū)”。

為消除氣云區(qū)的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。針對常規(guī)縱波勘探方法在氣云區(qū)的局限性，20世紀(jì)末許多學(xué)者提出在氣云發(fā)育區(qū)采用多波勘探的方法，并在部分油田改善氣云區(qū)的構(gòu)造成像方面取得了一定效果[6-10]。近年來，Cavalca[11]、Tian[12]等提出通過Q值反演的方法對氣云區(qū)衰減能量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃悸?，主要是通過精確的速度及Q建模以及基于Q補(bǔ)償?shù)寞B前深度偏移方法對氣云影響區(qū)地震資料進(jìn)行補(bǔ)償，但由于在實(shí)際操作中很難通過地震資料準(zhǔn)確估算Q值，因此在氣云區(qū)的地震成像效果并理想。

本文提出了一種基于廣義S變換的時(shí)頻域氣云區(qū)地震振幅補(bǔ)償方法，并通過渤海油田渤中A構(gòu)造區(qū)某實(shí)際氣云區(qū)地震資料處理驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 方法原理

在氣云發(fā)育區(qū)由于烴類氣體賦存于地層中，部分地震波能量被烴類氣體所吸收，隨著氣體含量增多，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)(實(shí)際上是粘彈性介質(zhì))中傳播時(shí)，一部分能量會因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)的振動而以熱能的形式耗散掉，對地震波產(chǎn)生吸收衰減作用，在地震記錄上表現(xiàn)為地震波的主頻向低頻移動、帶寬變窄及相位發(fā)生畸變，并在地震剖面上產(chǎn)生頻散現(xiàn)象；此外，地震波中高頻成分的吸收衰減比低頻成分更加嚴(yán)重，使得地震剖面中深層分辨率明顯降低。由于氣云具有低速特性，低速帶對地震波有很強(qiáng)的吸收作用，因而低速粘彈性介質(zhì)的強(qiáng)吸收衰減是氣云區(qū)成像差的主要原因之一。

氣云區(qū)對地震波的衰減造成不同頻率的反射波能量被吸收，其能量衰減程度與地下介質(zhì)的品質(zhì)因子有極大關(guān)系[13-16]。因此，如果已知地下介質(zhì)的品質(zhì)因子，就可以對地震波振幅進(jìn)行補(bǔ)償。在氣云發(fā)育區(qū)，由于地震波能量被吸收造成地震資料品質(zhì)極差，常規(guī)條件下很難準(zhǔn)確估計(jì)地下介質(zhì)的實(shí)際品質(zhì)因子，導(dǎo)致常規(guī)Q吸收補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用效果不理想。

針對以上問題，本文提出了一種基于廣義S變換的時(shí)頻域氣云區(qū)地震振幅補(bǔ)償方法，具體原理[17-18]如下。

1) 首先，對實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻帶分解，將時(shí)域地震數(shù)據(jù)分解為若干不同頻帶范圍的地震區(qū)段，即

X(t,fk)=x(t)*w(t,fk)

(1)

式(1)中：x(t)為輸入的地震數(shù)據(jù)；w(t,fk)為分頻函數(shù)；X(t,fk)為經(jīng)過分頻處理后的數(shù)據(jù)；t為時(shí)間；fk為第k個(gè)頻帶。

由于地震信號是一種非平穩(wěn)信號，應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)能更加精確地對地震信號進(jìn)行分頻處理。理論分析與試驗(yàn)表明，廣義S變換的窗函數(shù)不僅能隨頻率尺度自適應(yīng)調(diào)整，而且克服了S變換窗函數(shù)固定不變的問題；廣義S變換分頻函數(shù)能夠方便有效地將地震資料分為若干個(gè)頻段，具有較高的時(shí)頻分辨率，能夠有效避免頻帶間的頻率泄漏；同時(shí)，廣義S變換的無損可逆性質(zhì)基本能夠?qū)崿F(xiàn)無誤差重構(gòu)，滿足實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理的要求。因此，本文選取了式(2)所示的廣義S變換作為式(1)中的分頻函數(shù)，即

(2)

式(2)中：x(t)為輸入的地震數(shù)據(jù)；t為時(shí)間；f為頻率；τ為Gaussian窗函數(shù)中心點(diǎn)位置；p為控制Gaussian窗寬度的參數(shù)，取值范圍0～1，p值越小頻率分辨率越高。

在實(shí)際應(yīng)用過程中可以根據(jù)實(shí)際需求將原始地震資料分為5～8個(gè)頻段，反變換生成不同頻段的地震數(shù)據(jù)，然后對各個(gè)頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減擬合，即

-α(t,fk)}2

(3)

α(t,fk)=α0(fk)+α1(fk)t+…+αn(fk)tn

(4)

式(3)、(4)中：A[X(t,fk)]為分頻數(shù)據(jù)X(t,fk)的振幅；α(t,fk)為多項(xiàng)式衰減函數(shù);n為多項(xiàng)式階數(shù)；α0,α1,…，αn為擬合系數(shù)。

2) 有了衰減參數(shù)，就可以對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，即

X′(t,fk)=X(t,fk)eαm(t,fk)-αi(t,fk)

(5)

式(5)中：X′(t,fk)為分頻補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)；αm(t,fk)為模型數(shù)據(jù)衰減函數(shù)；αi(t,fk)為待補(bǔ)償數(shù)據(jù)衰減函數(shù)。

3) 最后，對補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，即

(6)

式(6)中：x′(t)為輸出的時(shí)域結(jié)果。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，該方法主要有3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：①基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的選取。模型數(shù)據(jù)應(yīng)選取與目標(biāo)區(qū)構(gòu)造相近、起伏較小且受氣云影響較小、資料品質(zhì)較好的數(shù)據(jù)。②地震資料的分頻。分頻后各頻段數(shù)據(jù)應(yīng)該不增加或缺失原始頻率成分，各頻段數(shù)據(jù)相對較均衡，測試認(rèn)為各頻段頻帶寬度以5～10 Hz，共分5～8個(gè)頻段較為合適。③衰減函數(shù)的選取。衰減函數(shù)要能夠真實(shí)反映分頻后數(shù)據(jù)的衰減程度，實(shí)際測試認(rèn)為衰減函數(shù)以4～8階為宜。

2 實(shí)際應(yīng)用

渤海油田渤中A構(gòu)造區(qū)位于氣云發(fā)育帶上。鉆井及綜合地質(zhì)研究表明，在沿著渤中A構(gòu)造高部位的區(qū)域范圍內(nèi)，淺層地層中存在約16 km2的氣云區(qū)，在該構(gòu)造地震資料方差屬性(700 ms)的平面分布圖上可以看出氣云區(qū)大致的分布范圍(圖1a)。圖1b為過該構(gòu)造主體區(qū)的1條地震剖面，可以看出氣云區(qū)在地震剖面上主要分布于0～1 400 ms，氣云帶在剖面上表現(xiàn)為低頻、弱振幅、空白反射特征。由于淺層氣對下伏地層屏蔽的影響，常規(guī)縱波反射頻率及能量損失嚴(yán)重，氣云區(qū)內(nèi)地震資料品質(zhì)差，常規(guī)地震剖面不能清晰成像，形成大面積的地震模糊帶，解釋的地震層位波組特征難以分辨，構(gòu)造形態(tài)及斷層分布不清楚，給地質(zhì)研究帶來了極大困難。

圖1 渤中A構(gòu)造氣云發(fā)育區(qū)分布特征Fig .1 Distribution characteristics of gas cloud area in Bozhong A structure

利用本文提出的補(bǔ)償方法對渤中A構(gòu)造氣云區(qū)資料進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際處理過程中，地震資料共分為5個(gè)頻段(<15 Hz、15～25 Hz、25～35 Hz、35～45 Hz、>45 Hz)，擬合衰減系數(shù)為5階。圖2為該構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)地震剖面補(bǔ)償前后效果及其時(shí)頻譜，可以看出，本文方法能夠較好地補(bǔ)償由于氣云造成的下伏反射能量較弱的現(xiàn)象，補(bǔ)償后的剖面橫向上能量的一致性更好，補(bǔ)償后的氣云發(fā)育區(qū)能量和頻率均得到較好的恢復(fù)，頻帶得到了拓寬，特別是對高頻成分(>25 Hz)的補(bǔ)償效果明顯。為了進(jìn)行細(xì)節(jié)對比，提取補(bǔ)償前后氣云區(qū)與非氣云區(qū)的2道數(shù)據(jù)，對其放大顯示進(jìn)行對比。可以看出，在非氣云發(fā)育區(qū)的第125道，補(bǔ)償前后的兩個(gè)單道數(shù)據(jù)幾乎是重合的，說明該方法對非氣云區(qū)地震數(shù)據(jù)縱向能量相對關(guān)系保持較好(圖3a)；而在氣云發(fā)育區(qū)的第190道，補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)在1 300～1 700 ms范圍內(nèi)地震振幅得到了明顯的恢復(fù)，振幅補(bǔ)償效果明顯(圖3b)。

圖4為該構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)不同頻段地震資料補(bǔ)償前后的剖面對比，可以看出，氣云對高頻成分的衰減要大于低頻成分，補(bǔ)償后氣云區(qū)各頻率段均得到較好的恢復(fù)，剖面橫向上能量的一致性得到了較好的改善。

圖2 渤中A構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)典型地震剖面補(bǔ)償前后效果及其時(shí)頻譜Fig .2 Typical seismic profile before and after compensation in the main body of gas cloud area in Bozhong A structure and their time-frequency analysis

圖3 渤中A構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)補(bǔ)償前后單地震道對比Fig .3 Comparison of one trace before and after compensation in the main body of gas cloud area in Bozhong A structure

圖4 渤中A構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)典型地震剖面不同頻段補(bǔ)償前后對比Fig .4 Comparison of typical seismic profile before and after compensation in different frequency bands in the main body of gas cloud area in Bozhong A structure

最后，對本文方法的空間補(bǔ)償效果進(jìn)行了分析，從圖5、6可以看出，改進(jìn)的時(shí)頻域振幅補(bǔ)償方法對該油田氣云區(qū)的空間補(bǔ)償具有較好的效果。

圖5 渤中A構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)補(bǔ)償前后均方根振幅屬性對比Fig .5 Comparison of RMS amplitude attributes before and after compensation in the main body of gas cloud area in Bozhong A structure

圖6 渤中A構(gòu)造過氣云發(fā)育主體區(qū)補(bǔ)償前后波阻抗剖面對比Fig .6 Comparison of impedance sections before compensation and after compensation in the main body of gas cloud area in Bozhong A structure

3 結(jié)論

1) 本文方法首先通過廣義S變換對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理，然后擬合各頻段地震資料的衰減函數(shù)，最后分別在時(shí)間域、頻率域?qū)Ω黝l段地震資料進(jìn)行補(bǔ)償。

2) 本文方法避免了對實(shí)際地層Q值的估算，克服了實(shí)際地層Q值求不準(zhǔn)的難點(diǎn)。同時(shí)，通過引入廣義S變換作為分頻函數(shù)，有效避免了常規(guī)分頻函數(shù)對地震數(shù)據(jù)分頻精度不高的問題。

3) 本文方法能夠有效補(bǔ)償由于氣云吸收衰減作用造成的能量衰減，實(shí)際氣云區(qū)地震資料處理振幅補(bǔ)償效果較好，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。