張生強 張志軍 郭 軍 譚輝煌

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

0 引言

渤海黃河口凹陷區(qū)主力含油層系為新近系明化鎮(zhèn)組下段，以河流相和極淺水三角洲相沉積為主，地震地質條件相對較好，常規(guī)的疊后油氣檢測方法[1-5]在過去的構造油氣藏勘探開發(fā)中發(fā)揮了積極作用。但隨著黃河口凹陷勘探開發(fā)的不斷推進，勘探開發(fā)目標逐漸轉變?yōu)閺碗s的巖性油氣藏，對地震油氣檢測提出了更高的要求。常規(guī)的疊后油氣檢測方法在面對該區(qū)復雜構造—巖性油氣藏時具有一定局限性，不能準確區(qū)分流體性質，如有些水層強振幅異常很難壓制。由于疊前道集中包含著豐富的巖性和含油氣信息[6]，因此開展疊前油氣檢測方法研究對渤海黃河口凹陷現(xiàn)階段的勘探開發(fā)具有重要意義。然而，在實際疊前油氣檢測工作中經常發(fā)現(xiàn)疊前道集的AVO保幅性較差，主要表現(xiàn)為疊前道集的AVO響應規(guī)律井震不匹配，而且實際道集中振幅隨炮檢距的變化規(guī)律十分混亂，不滿足疊前油氣檢測的要求，直接制約了相關疊前油氣檢測工作的開展。因此，對提高疊前道集相對保幅性的有效處理方法展開研究顯得尤為重要。

目前，基于疊前道集的AVO響應校正優(yōu)化處理方法主要有地震炮檢距均衡方法[7]、與炮檢距有關的衰減補償方法[8]和基于譜反演技術的譜白化方法[9]等。地震炮檢距均衡方法是一種基于模型的振幅均衡方法，僅能校正補償?shù)卣鸩ㄕ穹S炮檢距變化的衰減，而不能校正補償隨深度和頻率變化的衰減。與炮檢距有關的吸收補償方法是基于反Q濾波技術只對與炮檢距有關的衰減效應進行補償，但首先需要知道地層的品質因子(通常不能準確求取)，而且反Q濾波的同時降低了地震數(shù)據(jù)的信噪比?；谧V反演技術的譜白化方法是在已知地震子波的前提條件下，利用頻譜反演方法對地震數(shù)據(jù)進行反演實現(xiàn)譜白化過程，進而補償?shù)卣鸩ㄕ穹S頻率和時間變化的衰減，而實際地震子波是時變、空變的，現(xiàn)有的子波提取方法很難獲得精確的地震子波，會嚴重影響基于譜反演技術的譜白化方法的衰減補償效果。因此，針對疊前道集AVO保幅性問題，現(xiàn)有的優(yōu)化處理方法都存在問題，嚴重影響了AVO響應校正效果。

通過對黃河口凹陷的實際疊前道集和大量正演模擬結果的分析發(fā)現(xiàn)，導致疊前道集AVO保幅性差的主要原因是渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實地層，加之淺層氣、復雜斷裂等因素的綜合影響，吸收衰減作用明顯[10]，使地震道集中遠炮檢距的能量迅速減弱，保幅性變差。同時，分析結果表明疊前道集中高頻成分由于受衰減影響嚴重，其AVO響應特征與正演道集不一致；而低頻成分受衰減影響較小，仍與正演道集特征保持一致，即低頻信號更容易保持住AVO響應特征。根據(jù)這一認識，針對疊前道集AVO保幅性差、現(xiàn)有提高疊前道集AVO相對保幅性技術效果不佳，本文將高分辨率分頻技術與AVO技術有機結合，提出了一種基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法。該方法以AVO趨勢保持更好的低頻能量為參考，根據(jù)低頻段疊前道集和不同頻段疊前道集的AVO響應趨勢規(guī)律之間的關系構建并使用基于數(shù)據(jù)驅動的三維時頻空間域校正因子，彌補遠、近炮檢距高頻衰減差異對AVO分析的影響。理論模型和實際疊前道集應用結果表明，該方法可以有效改善疊前道集質量，提高疊前油氣檢測結果的可靠性。該方法在渤海油田BZ區(qū)塊的復雜巖性油藏疊前流體識別的應用中取得了較好的效果，降低了勘探開發(fā)風險，具有廣闊的應用前景。

1 方法原理

1.1 AVO響應模擬及分析

為了研究一種合理、有效地提高疊前道集AVO保幅性的方法，通過正演模擬分析研究吸收作用對目的層AVO響應特征的影響，進而分析其機理，嘗試尋找解決方法。根據(jù)測井及巖石物理資料，設計了一個12m厚的單層含烴儲層模型，其中儲層巖性為砂巖，圍巖為泥巖。表1給出了該模型的具體參數(shù)，理論上儲層AVO響應類型為Ⅲ類。

表1 模型參數(shù)

基于模型參數(shù)，選用主頻為50Hz的Ricker子波分別基于彈性波動方程和黏彈性波動方程(Q=150)進行AVO正演模擬(圖1和圖2)。對比圖1和圖2可以看出：不考慮衰減時儲層的AVO響應類型為Ⅲ類(圖1b)，而考慮衰減時，疊前道集中遠炮檢距的振幅迅速減弱、AVO保幅性變差，導致疊前道集理論上的Ⅲ類AVO響應變?yōu)棰纛怉VO響應(圖2b)；當不考慮吸收衰減時，不同頻率成分的AVO響應類型均為Ⅲ類(圖1c)；當考慮衰減時，在相對高頻部分的AVO響應受吸收的影響嚴重，表現(xiàn)為弱Ⅳ類AVO響應，而在相對低頻部分(25Hz以下)受吸收影響較小，仍保留著與理論AVO響應特征一致的Ⅲ類AVO響應特征(圖2c)。由此可知，疊前道集的低頻分量更容易保持住AVO響應特征，為開展基于低頻AVO響應趨勢校正高頻AVO響應趨勢奠定了理論基礎。

圖1 單層含烴儲層模型彈性AVO正演結果(a)基于彈性波動方程的AVO正演疊前角道集； (b)圖a對應的全頻帶AVO曲線； (c)圖a對應的分頻AVO曲線

圖2 單層含烴儲層模型黏彈性AVO正演結果(a)基于黏彈性波動方程的AVO正演疊前角道集； (b)圖a對應的全頻帶AVO曲線； (c)圖a對應的分頻AVO曲線

1.2 稀疏反演復譜分解方法

稀疏反演復譜分解方法[11]是高精度地震信號分解與重構算法。先將譜分解描述為一個線性反演問題，然后采用稀疏約束正則化策略求解該線性反演問題，最終得到一個具有高時頻分辨率的時頻譜。其數(shù)學模型[12-14]為

Αx+n=(W1W2…WN)×

(r1r2…rN)T+n=d

(1)

式中：d為地震記錄；Wi為以頻率fi為主頻的復子波矩陣；ri為與Wi相對應的復反射系數(shù)；N為參與計算的頻率個數(shù)；A為復子波卷積矩陣庫；x為與頻率相關的復反射系數(shù)矩陣；n為隨機噪聲。

式(1)中矩陣x的元素個數(shù)遠大于地震記錄d的元素個數(shù)，因此式(1)是一個欠定的線性反演問題。為了降低解的不確定性并獲得稀疏的時頻譜，需要對x執(zhí)行稀疏約束，進而將式(1)轉化為基追蹤去噪問題[15]，即

(2)

式中：權重參數(shù)μ>0，用于在最小化過程中控制前、后兩項的相對權重；Cm表示m維復數(shù)域。通過采用高效且魯棒的交替方向優(yōu)化算法[16]求解無約束基追蹤去噪問題(式(2))，便可得到高分辨率時頻譜x。

圖3a為由不同主頻Ricker子波合成的一道地震記錄，其中：第一個子波和第二個子波的主頻分別為20Hz和50Hz，用于模擬同一深度不同頻率組合的地震響應；第三個子波和第四個子波的主頻均為60Hz，模擬的是薄層地震響應；第五個子波和第六個子波的主頻皆是50Hz，第七個子波和第八個子波的主頻皆為30Hz，模擬的是薄互層地震響應。圖3b為利用商業(yè)軟件中的匹配追蹤譜分解方法[17]得到的時頻譜，圖3c為利用稀疏反演復譜分解方法得到的時頻譜，圖3d和圖3e分別是利用匹配追蹤方法和稀疏反演復譜分解方法重構40Hz以上高頻地震信號，可見，與商業(yè)軟件中的匹配追蹤方法相比，稀疏反演復譜分解方法獲得的時頻譜分辨率更高，同時也可以對不同頻帶數(shù)據(jù)進行更精確的重構(圖3d中圓圈和箭頭所示)。

圖3 稀疏反演復譜分解方法與匹配追蹤譜分解方法的時頻分辨率和數(shù)據(jù)重構精度對比(a)合成地震道； (b)用匹配追蹤譜分解方法獲得的時頻譜； (c)用稀疏反演復譜分解方法獲得的時頻譜； (d)由圖b重構的40Hz以上高頻信號； (e)由圖c重構的40Hz以上高頻信號。藍色實線為原始40Hz以上高頻信號，紅色虛線為重構信號

1.3 基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法

針對疊前道集中AVO保幅性差的問題，通過將高分辨率分頻技術與AVO技術有機結合，提出了一種基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法。由于地震波在地下介質中傳播時會衰減，而且：高頻成分要比低頻成分衰減嚴重；對于相同深度反射，炮檢距越大衰減越大；對于相同炮檢距，傳播越深，衰減越大。本文提出的時頻空間域AVO響應校正方法同時考慮了頻率、炮檢距和深度因素的影響，其校正因子是三個維度的，更符合實際，進而可以有效提高原始疊前道集的AVO相對保幅性。

本文提出的時頻空間域AVO響應校正方法的主要實現(xiàn)步驟(圖4)如下。

圖4 基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法流程

(1)在研究區(qū)疊前偏移成像處理后得到的疊前CRP道集g(h,t)基礎上，根據(jù)炮檢距、振幅以及地震資料對應的均方根速度，計算對應的入射角和反射系數(shù)，得到疊前角道集d(θ,t)，其中h表示炮檢距，θ表示入射角。

圖5 疊前角道集不同角度數(shù)據(jù)頻譜的疊合顯示

(3)

(4)

(5)

2 方法驗證

2.1 理論合成數(shù)據(jù)驗證

利用理論合成數(shù)據(jù)驗證基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法的有效性。表1所示的儲層模型AVO響應類型理論上屬于Ⅲ類AVO異常(圖1)。利用高分辨率稀疏反演復譜分解方法計算圖2a所示基于黏彈性波動方程正演道集的分頻道集(圖6)；再應用本文方法計算其三個維度AVO響應校正因子(圖7)；將校正因子應用于疊前分頻道集(圖6)進行AVO響應校正，得到校正后的疊前分頻道集(圖8a)；最后對校正后的疊前分頻道集進行重構，得到AVO相對保幅性較好的時域疊前道集(圖8b)。圖8c為在圖8a對應的分頻道集上進行分頻AVO分析的結果。

圖6 AVO響應校正前的分頻疊前角道集

圖7 時頻空間域三維度AVO響應校正因子

對比圖2、圖6和圖8可知：基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法能夠較好地將原來疊前道集的Ⅳ類AVO響應特征校正到Ⅲ類AVO響應特征，使其與理論AVO響應特征一致，有效提高了疊前道集的AVO相對保幅性。

2.2 實際疊前道集驗證

為了進一步驗證基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法的有效性，利用實際數(shù)據(jù)進行測試和驗證。圖9為AVO響應校正前的井旁地震道集和對應的 AVO分析結果。在原始疊前道集(圖9a)中，儲層AVO響應為Ⅳ類，這與利用井上實測參數(shù)進行正演模擬得到的道集(圖9b)的Ⅲ類AVO響應不一致(圖9c)。因此，原始疊前道集不滿足后續(xù)基于AVO規(guī)律的疊前油氣檢測要求。利用時頻空間域AVO響應校正方法對原始道集進行校正，得到校正后的疊前道集和對應的 AVO分析結果(圖10)。由圖10b可以看出，經過校正后的疊前道集(圖10a)為Ⅲ類AVO響應，與正演模擬道集(圖10b)的AVO響應特征一致。

圖9 校正前井旁原始地震道集(a)、正演道集(b)及其對應的 AVO曲線(c)

圖10 校正后井旁地震道集(a)及其對應的 AVO曲線(b)

圖11a為利用原始疊前道集計算得到的連井P×G(P為AVO截距，G為AVO梯度)屬性剖面和對應的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲層AVO響應為Ⅳ類，與理論計算結果不一致。圖11b為利用原始疊前道集的低頻成分計算得到的連井P×G屬性剖面和對應的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲層AVO響應為Ⅲ類，與理論計算結果一致，但分辨率較低。圖11c為利用AVO響應校正后的疊前道集計算得到的連井P×G屬性剖面和對應的不同角度數(shù)據(jù)的頻譜，可以看出，儲層AVO響應與正演道集的一致，同為Ⅲ類，而且具有較高的分辨率。對比圖11a和圖11c可知，本文提出的AVO響應校正方法可以有效改善疊前道集AVO保幅性差的問題，經過校正后的疊前道集可以滿足后續(xù)基于AVO規(guī)律的疊前油氣檢測需求。

圖11 AVO響應校正前后連井P×G屬性剖面(左)及對應的不同角度數(shù)據(jù)頻譜(右)(a)原始疊前道集； (b)原始疊前道集的低頻分量； (c)AVO響應校正后的疊前道集

3 實際應用

研究區(qū)BZ區(qū)塊位于渤海油田黃河口凹陷，目的層為新近系明化鎮(zhèn)組，深度約為1000～1800m。由于渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實地層，加之淺層氣、復雜斷裂等因素的綜合影響，吸收衰減作用明顯。原始地震數(shù)據(jù)的高頻成分受吸收影響很大，地震AVO響應通常表現(xiàn)為Ⅳ類，與正演道集的Ⅲ類AVO響應特征不一致。因此將本文提出的時頻空間域AVO響應校正方法應用于原始疊前道集，進而為后續(xù)疊前油氣檢測研究奠定資料基礎。

對于在開發(fā)階段的BZ 油田，油氣檢測的意義在于弄清油水界面、查明剩余油分布、確保井網科學部署。為了確定砂體1的含油氣性，在鉆前基于校正后的疊前道集對該砂體進行了疊前油氣檢測。圖12a為BZ 油田過砂體1的連井疊后地震剖面(其中紅色代表儲層，黑色代表泥巖)，各口井的含油氣性已在圖中標注。圖12b為基于原始道集計算的P×G屬性剖面，可以看出，基于原始道集計算得到的疊前檢測結果無法有效識別砂體1的含油氣性，會給解釋造成多解性。圖12c為校正后道集計算的P×G屬性剖面，可以看出，與鉆井結果完全吻合，井B、井C、井D含油目標砂體1位置在疊前烴檢的P×G屬性剖面上表現(xiàn)為較強的能量異常，而井A油水層位置則顯示為較弱的能量異常特征。

圖12 砂體1疊前油氣檢測結果(剖面)(a)連井疊后地震剖面； (b)基于原始道集的P×G屬性； (c)基于校正后道集P×G屬性

圖13a為砂體1的時間域頂面構造圖，圖13b和圖13c分別為基于原始道集和校正后的道集計算的疊前烴檢P×G屬性平面圖。與圖13b相比，圖13c的能量異常分布范圍與砂體結構匹配較好，表明該油氣預測結果具有更高的可靠性。該研究成果不僅成功指導了B井、C井和D井的部署，而且還對A井進行了評價并成功鉆遇了油水界面，為該油田后續(xù)開發(fā)方案的制定提供了重要依據(jù)。

圖13 砂體1疊前油氣檢測結果(平面)(a)砂體1的時間域頂面構造圖； (b)基于原始道集的P×G屬性； (c)基于校正后道集的P×G屬性

4 結論

渤海新近系地層為高孔隙度欠壓實地層，加之淺層氣、復雜斷裂等因素的綜合影響，吸收作用明顯，疊前道集高頻能量衰減嚴重、AVO保幅性較差。由正演模擬分析結果可知疊前道集的低頻分量更容易保持AVO響應特征。在此基礎上，本文提出了一種基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法。

該方法首先對目的層段疊前道集的不同角度數(shù)據(jù)進行頻譜分析，并對不同角度數(shù)據(jù)的頻譜進行疊加顯示，從中選擇AVO響應趨勢與正演道集AVO響應趨勢一致的相對低頻段作為參考頻帶。其次為了提高地震資料分頻和重構精度，引入高分辨率稀疏反演復譜分解方法，不僅能產生更高分辨率的時頻譜，同時也可以對不同頻帶數(shù)據(jù)進行精確重構。

此外，為了使校正補償量更加客觀和準確，根據(jù)參考頻段疊前道集的AVO響應趨勢及不同頻段疊前道集的AVO響應趨勢構建了基于數(shù)據(jù)驅動的三維時頻空間域AVO響應校正因子，該因子同時考慮了頻率、炮檢距和深度的影響，更符合實際，進而可以有效提高疊前道集的AVO相對保幅性。

理論合成數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的應用結果表明，基于低頻約束的時頻空間域AVO響應校正方法能夠有效提高疊前道集的質量，為復雜巖性油氣藏的疊前油氣檢測提供可靠的基礎數(shù)據(jù)，具有廣闊的應用前景。