王一惠,王小衛(wèi),張 濤,趙玉蓮,楊 維

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州730020)

中國(guó)西部沙漠地區(qū)的油氣勘探中,近地表地層多為疏松的沙礫層,其對(duì)地震波的吸收衰減作用嚴(yán)重,因此導(dǎo)致地震資料的分辨率低,頻帶窄。目前,提高地震資料分辨率的方法很多,最常見(jiàn)的方法為地表一致性反褶積[1]。人們根據(jù)不同的估計(jì)地震子波的方法,發(fā)展出譜模擬反褶積[2]、預(yù)測(cè)反褶積[3]等多種方法。但實(shí)際地震資料處理中,子波是未知的,且通常難以滿足上述方法對(duì)子波估計(jì)的假設(shè),所以反褶積方法對(duì)于消除近地表影響的能力有限。

為消除因近地表低速層引起的地震波吸收衰減作用,研究學(xué)者提出了假設(shè)條件簡(jiǎn)單、結(jié)果穩(wěn)定的品質(zhì)因子Q補(bǔ)償方法。WANG[4]提出的穩(wěn)定補(bǔ)償方法,很好地解決了高頻端補(bǔ)償過(guò)度的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,越來(lái)越多的學(xué)者重視對(duì)地層品質(zhì)因子Q的估算以及反Q濾波穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)难芯?并將研究成果有效地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。Q值估算的方法包括上升時(shí)間法、振幅衰減法、譜比法、解析信號(hào)法、頻移法等[5]。王曉濤等[6]利用地震波能量的指數(shù)衰減速率估算Q值。蔣立等[7]對(duì)比了地表一致性反褶積方法與近地表Q補(bǔ)償方法的適用條件及穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明戈壁區(qū)適合采用地表一致性反褶積方法,沙漠區(qū)適合采用近地表Q補(bǔ)償方法。石戰(zhàn)結(jié)等[8]利用大炮震源微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析了沙漠區(qū)近地表地震波衰減規(guī)律。翟桐立等[9]采用基于井地一體化測(cè)量的觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)估算Q值,改變了傳統(tǒng)的微測(cè)井測(cè)量方式,解決了虛反射、近場(chǎng)效應(yīng)的問(wèn)題。LI等[10]利用井地聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)減小了檢波器耦合效應(yīng)對(duì)Q值估算的影響。張固瀾等[11]利用零偏移距VSP數(shù)據(jù)證實(shí)了地震波在傳播過(guò)程中的速度頻散,并利用反Q濾波相位補(bǔ)償有效消除了地震子波的速度頻散,使得地面地震資料與零偏移距VSP走廊疊加剖面更加吻合。宋吉杰等[12]提出一種基于信息融合的高精度Q值估算的方法,該方法將調(diào)查點(diǎn)處的實(shí)測(cè)Q值與采用地震初至折射波法估算的相對(duì)Q值進(jìn)行融合,來(lái)構(gòu)建高精度Q場(chǎng)。李偉娜等[13]提出了一種雙線性回歸品質(zhì)因子Q估計(jì)算法,并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了與近地表速度分層一致且較為穩(wěn)定的、地質(zhì)意義明確的近地表Q估計(jì)值。郭平[14]采用峰值頻移法解決了地震數(shù)據(jù)頻散和子波空間不一致的問(wèn)題,并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了良好的應(yīng)用。蘇勤等[15]將質(zhì)心頻移法和峰值頻移法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合構(gòu)建了近地表Q場(chǎng),然后進(jìn)行Q值空變補(bǔ)償,并且得到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

本文主要針對(duì)中國(guó)西部沙漠區(qū)的地震數(shù)據(jù)開(kāi)展Q補(bǔ)償應(yīng)用研究。為了提高沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)成像精度,首先選取譜比法和峰值頻移法進(jìn)行對(duì)比分析,確定適合的Q值估計(jì)方法;然后對(duì)比相位補(bǔ)償、振幅補(bǔ)償和相位振幅同時(shí)補(bǔ)償3種方法的應(yīng)用效果,明確適用于研究區(qū)地震數(shù)據(jù)的Q補(bǔ)償方法;最后總結(jié)出一套近地表Q補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)流程,并將其應(yīng)用于實(shí)際地震數(shù)據(jù),以提高地震數(shù)據(jù)的分辨率并改善地震數(shù)據(jù)成像效果。

1 方法技術(shù)

品質(zhì)因子Q可以定量描述地下介質(zhì)對(duì)地震波的吸收衰減作用,是地層的屬性之一,反映了地層巖性的物理特性[5]:

(1)

式中:ΔE表示在一個(gè)波長(zhǎng)距離內(nèi)地震波損耗的能量;E為總能量。由(1)式可知,Q值越大,地層對(duì)地震波的吸收作用越小,反之Q值越小,地層對(duì)地震波的吸收作用越大。我們分別采用譜比法和峰值頻率偏移法計(jì)算地層的Q值,并優(yōu)選出最適合研究區(qū)的Q值估算方法和穩(wěn)定Q補(bǔ)償方法,用于實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理。

1.1 譜比法

譜比法應(yīng)用范圍廣泛,其原理是利用子波衰減前后的振幅譜比率來(lái)估算Q值。以單層模型為例,t1時(shí)刻子波的振幅譜B(f,t1)可表示為:

(2)

式中:B0(f)表示初始時(shí)刻地震波振幅譜;A(t1)表示與地層吸收作用無(wú)關(guān)的振幅因子;f表示頻率。因地震子波穿過(guò)單層模型時(shí)受吸收衰減作用的影響,故t2時(shí)刻地震子波相對(duì)于t1時(shí)刻地震子波能量衰減,t2時(shí)刻振幅譜表示為:

(3)

式中:A(t2)表示與地層吸收作用無(wú)關(guān)的振幅因子。地震子波衰減前、后振幅譜的比率為:

(4)

可簡(jiǎn)寫(xiě)為:

(5)

式中:Δt=t2-t1;R=B(f,t2)/B(f,t1),表示相對(duì)衰減系數(shù);S=A(t2)/A(t1),表示與地層吸收衰減作用無(wú)關(guān)的量。

將(4)式兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù):

(6)

將ln[A(t2)/A(t1)]看作常數(shù),則(6)式可看作ln[B(f,t2)/B(f,t1)]與頻率f的一次函數(shù),進(jìn)行線性擬合得到與地層品質(zhì)因子Q有關(guān)的斜率k,可通過(guò)斜率k推導(dǎo)出品質(zhì)因子Q的表達(dá)式為:

(7)

利用(7)式可快速估算地層的Q值。通過(guò)該方法計(jì)算出的Q值,為等效Q值,只與地層介質(zhì)的吸收性質(zhì)有關(guān),排除了非固有衰減對(duì)Q值估計(jì)的影響。

1.2 峰值頻移法

對(duì)大多數(shù)介質(zhì)而言,地震子波衰減隨頻率的增加而增加,且高頻成分比低頻成分衰減得更快,因此,信號(hào)的頻率中心在傳播過(guò)程中向低頻端偏移[14](圖1)。圖1中紅線表示初始狀態(tài)子波頻譜,藍(lán)線表示經(jīng)過(guò)地層吸收衰減后的子波頻譜,衰減后的子波頻譜向低頻端偏移,且振幅變小,其中fm表示衰減前峰值頻率,fp表示衰減后峰值頻率。

圖1 地震子波衰減前、后頻譜對(duì)比

ZHANG等[16]利用地震波在頻率域衰減后主頻向低頻端偏移的特點(diǎn),推導(dǎo)了Q值與峰值頻率的關(guān)系:

(8)

如果fm已知,則可以根據(jù)(8)式計(jì)算出品質(zhì)因子Q,但實(shí)際地震數(shù)據(jù)中,因衰減前頻譜峰值頻率fm是未知的,故可以利用質(zhì)心頻率fc根據(jù)如下公式換算得到。

(9)

(10)

1.3 穩(wěn)定Q補(bǔ)償方法

由于振幅補(bǔ)償量隨頻率和時(shí)間的增加而增加,一般情況下,補(bǔ)償算法主要對(duì)地震數(shù)據(jù)的高頻端進(jìn)行補(bǔ)償,這使得其中的噪聲被過(guò)量補(bǔ)償,導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)失真。因此,本文使用WANG[4]提出的穩(wěn)定Q補(bǔ)償方法,對(duì)完全吸收的頻率成分不再進(jìn)行補(bǔ)償,這樣可以避免對(duì)高頻噪聲的過(guò)量補(bǔ)償。該方法同時(shí)對(duì)振幅進(jìn)行補(bǔ)償和相位調(diào)整,可解決由地層吸收造成的地震波能量損失和相位一致性問(wèn)題。穩(wěn)定反Q濾波如下:

(11)

式中:U(τ,ω)表示未經(jīng)補(bǔ)償?shù)念l率域地震數(shù)據(jù),即對(duì)原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換的結(jié)果;U(τ+Δτ,ω)表示經(jīng)過(guò)振幅和相位補(bǔ)償后的頻率域地震數(shù)據(jù);τ為旅行時(shí),Δτ為旅行時(shí)增量;ω為原始地震數(shù)據(jù)角頻率;ωh為中心頻率,作為調(diào)整參數(shù)與地震波頻帶的高頻率相關(guān);γ=(1/π)Q-1。

在實(shí)際情況中即使輸入地震數(shù)據(jù)是無(wú)噪聲的,隨著Q值的降低和成像時(shí)間的增加,全反Q濾波器將導(dǎo)致不穩(wěn)定,并在地震數(shù)據(jù)中產(chǎn)生較強(qiáng)的偽影。因此利用如下的穩(wěn)定性條件公式解決Q補(bǔ)償?shù)牟环€(wěn)定性:

(12)

式中:σ2為穩(wěn)定因子;Λ(ω)=exp[(ω/ωh)-γωΔτ/2Q],Λ(ω)表示穩(wěn)定的振幅補(bǔ)償量,如果Λ(ω)=1,則表示僅對(duì)相位的反Q濾波器補(bǔ)償是無(wú)條件穩(wěn)定的。其中,參數(shù)β(w)和σ2的表達(dá)式為:

(13)

σ2=exp[-(0.23Gim+1.63)]

(14)

式中:Gim是增益限制,為可調(diào)節(jié)參數(shù)。

1.4 近地表Q補(bǔ)償處理流程

近地表Q值估算方法眾多,但實(shí)際應(yīng)用中很難找到一種適用于所有情況的方法。本文基于疊前地震數(shù)據(jù),利用譜比法和峰值頻移法進(jìn)行Q值估算,最終選取了適用于研究區(qū)的Q值估算方法。處理流程如下:①建立近地表速度模型,由靜校正量和高速層頂高程換算近地表旅行時(shí);②拾取疊前地震數(shù)據(jù)的主頻和均方根振幅值,得到相對(duì)衰減系數(shù)R值;③利用主頻和近地表旅行時(shí)采用頻移法估算Q值,利用相對(duì)衰減系數(shù)R和近地表旅行時(shí)采用譜比法估算Q值,并與實(shí)測(cè)Q值標(biāo)定;④選取近地表Q補(bǔ)償最佳參數(shù)。利用Q補(bǔ)償參數(shù)與補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)近地表Q補(bǔ)償。具體流程如圖2所示。

圖2 近地表Q補(bǔ)償處理流程

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于中國(guó)西部塔里木盆地,地表較為平坦,如圖3a所示,工區(qū)內(nèi)最大高程差約為27m,地形呈西高東低、北高南低之勢(shì),為典型的沙漠環(huán)境。近地表結(jié)構(gòu)橫向上復(fù)雜多變,主要有紅柳植被區(qū)、沙丘浮土區(qū)、水域沼澤區(qū)和硬板地區(qū)。圖3b為低降速帶厚度分布情況,紅柳植被區(qū)的低降速帶厚度最大,約為80～88m。水域沼澤區(qū)的低降速帶厚度最小,約為33～50m。沙丘浮土區(qū)a與硬板地區(qū)的低降速帶厚度約為54～70m。沙丘浮土區(qū)b的低降速帶厚度約75～85m。工區(qū)地層縱向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,低速層速度通常為400m/s,高速層速度通常為1600～1900m/s,高速層頂界面隨地勢(shì)由東向西、由南向北緩慢抬升。不同近地表地層類(lèi)型的疏松情況不同,因此地層對(duì)地震波的吸收衰減作用不同。當(dāng)近地表介質(zhì)對(duì)地震波的吸收衰減作用積累到深層時(shí),出現(xiàn)地震子波變形,地震剖面分辨率降低的情況,從而影響地震成像質(zhì)量。

圖3 某工區(qū)近地表調(diào)查結(jié)果平面顯示a 工區(qū)高程; b 低降速帶厚度

2.2 Q值計(jì)算

根據(jù)圖2中的近地表Q補(bǔ)償處理流程,首先建立近地表速度模型,求得靜校正量和高速層頂高程,進(jìn)而換算得到近地表旅行時(shí),如圖4a所示,近地表旅行時(shí)與厚度之間幾乎呈正相關(guān)關(guān)系,厚度越大,旅行時(shí)越大,厚度越小,旅行時(shí)越小,說(shuō)明低降速帶的橫向速度變化不大。然后利用疊前地震數(shù)據(jù)計(jì)算主頻(圖4b),采用峰值頻移法估算近地表Q值;最后利用均方根振幅,換算相對(duì)衰減系數(shù)R(圖4c),采用譜比法估算近地表Q值。

圖4 近地表模型參數(shù)平面顯示a 近地表旅行時(shí); b 主頻;c相對(duì)衰減系數(shù)

對(duì)比分析圖4中3幅圖的關(guān)系,結(jié)果如表1所示。假設(shè)不考慮其它因素的影響,則旅行時(shí)越大,地層對(duì)地震波的吸收衰減作用就越強(qiáng),對(duì)應(yīng)的主頻和相對(duì)衰減系數(shù)越小。表1中對(duì)比組1中大體存在此趨勢(shì),只有水域沼澤區(qū)不符合此趨勢(shì),其近地表旅行時(shí)高于紅柳植被區(qū),低于硬板地區(qū),但其主頻最小、相對(duì)衰減系數(shù)最小,衰減最嚴(yán)重。我們大膽推測(cè)此現(xiàn)象可能與水域沼澤區(qū)近地表地層含水有關(guān),地層巖石孔隙中的流體改變了地層對(duì)地震波的吸收衰減作用,巖石的含水量增大,增加了巖石的非彈性,進(jìn)而增強(qiáng)了地震波的衰減[17]。對(duì)比組2中,地表結(jié)構(gòu)類(lèi)型雖然相同,但由于沙丘浮土區(qū)b位于水域沼澤的下游,也受地層含水的影響,所以沙丘浮土區(qū)b旅行時(shí)高于沙丘浮土區(qū)a,其主頻和相對(duì)衰減系數(shù)反而高于沙丘浮土區(qū)a。將不受水域影響的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比,在對(duì)比組3中,我們發(fā)現(xiàn)旅行時(shí)越大,主頻和相對(duì)衰減系數(shù)越小,地層對(duì)地震波的吸收衰減作用越強(qiáng),這與理論規(guī)律相符。

表1 地表結(jié)構(gòu)類(lèi)型與相關(guān)參數(shù)

根據(jù)(7)式和(8)式分別求得近地表Q值,結(jié)果如圖5所示,整個(gè)研究區(qū)近地表Q值范圍為1～4。從平面分布結(jié)果上看,在水域沼澤區(qū)利用峰值頻移法和譜比法分別求得的Q值均為最小,吸收衰減作用最嚴(yán)重;在紅柳植被區(qū),利用峰值頻移法求得近地表Q值小于利用譜比法求得的近地表Q值。紅柳植被區(qū)含水量比水域沼澤區(qū)低,但高于沙丘浮土區(qū)b,所以近地表Q值應(yīng)大于水域沼澤區(qū),小于沙丘浮土區(qū)b。因此,我們認(rèn)為峰值頻移法求得的近地表Q值適用于本研究區(qū)。

圖5 采用不同方法估算的Q值平面分布結(jié)果a 峰值頻移法; b 譜比法

從紅柳植被區(qū)任意抽取一炮,利用峰值頻移法和譜比法分別求得近地表Q值,進(jìn)行相同的穩(wěn)定近地表Q補(bǔ)償,結(jié)果如圖6所示。將兩種近地表Q補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果與補(bǔ)償前單炮記錄對(duì)比,發(fā)現(xiàn)利用峰值頻移法估算的近地表Q補(bǔ)償后的地震數(shù)據(jù)分辨率更高,同相軸更清晰,同時(shí)信噪比也得到了一定程度的提高。選取紅框中的目的層反射同相軸進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果如圖7所示,可以看出,相較譜比法,峰值頻移法對(duì)高頻端的拓頻更為有效。

圖6 利用兩種近地表Q值估算方法補(bǔ)償前、后的單炮記錄a 補(bǔ)償前; b 利用譜比法近地表Q補(bǔ)償后; c 利用峰值頻移法近地表Q補(bǔ)償后

圖7 圖6中紅框內(nèi)的目的層頻譜分析結(jié)果

2.3 穩(wěn)定Q補(bǔ)償方法應(yīng)用效果

圖8為不同Q補(bǔ)償方法得到的地震剖面與原始剖面,圖9為在圖8中目的層附近提取的地震子波。圖8a 為補(bǔ)償前地震剖面,圖8b只進(jìn)行了相位校正,紅色箭頭所指的同相軸連續(xù)性增強(qiáng);從圖9中黃色曲線提取的子波可以看到,地震子波未被壓縮。圖8c通過(guò)振幅補(bǔ)償,得到的斷點(diǎn)更加清晰,由圖9中綠色曲線可以看出,地震子波被壓縮,但是藍(lán)色箭頭所指的同相軸分辨率變低。圖8d綜合了兩種方法的優(yōu)勢(shì),既壓縮了地震子波(圖9中藍(lán)色曲線),又實(shí)現(xiàn)了相位校正,地震剖面上的斷點(diǎn)更加清楚,地震剖面的分辨率也更高。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明采用振幅相位同時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ǜ侠怼?/p>

圖8 原始剖面和不同近地表Q補(bǔ)償方法得到的地震剖面a 補(bǔ)償前; b 相位補(bǔ)償; c 振幅補(bǔ)償; d 相位振幅同時(shí)補(bǔ)償

圖9 圖8中目的層附近的地震子波

2.4 成像效果對(duì)比

圖10為西部沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)近地表Q補(bǔ)償前、后的時(shí)間偏移剖面,可以看出,地震數(shù)據(jù)分辨率明顯提高,斷點(diǎn)清晰,強(qiáng)反射軸下方的波谷得到了有效刻畫(huà),達(dá)到了既定的處理目標(biāo),這對(duì)后續(xù)的解釋工作具有重要意義。圖11為圖10目的層補(bǔ)償前、后頻譜對(duì)比結(jié)果,同樣表明本文方法可以有效拓寬地震數(shù)據(jù)的高頻分量,同時(shí)保持低頻分量。

圖10 西部沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)近地表Q補(bǔ)償前(a)、后(b)的時(shí)間偏移剖面

圖11 圖10目的層補(bǔ)償前、后頻譜對(duì)比結(jié)果

近地表Q補(bǔ)償前、后地震數(shù)據(jù)相干切片如圖12 所示,近地表Q補(bǔ)償后的相干切片整體分辨率得到了提高,特別是紅圈標(biāo)識(shí)的位置,清晰地刻畫(huà)了斷層,突破了前期地震數(shù)據(jù)處理的效果,對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)具有重要意義。

圖12 近地表Q補(bǔ)償前(a)、后(b)地震數(shù)據(jù)相干切片

圖13為近地表Q補(bǔ)償前、后聯(lián)井縱波阻抗剖面,可以看出,近地表Q補(bǔ)償前井?dāng)?shù)據(jù)T1層位置與波阻抗界面吻合,但T2、T3、T4層未出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的波阻抗界面;近地表Q補(bǔ)償后地震剖面分辨率明顯提高,T1與T4之間的薄層清晰可見(jiàn),與井資料高度吻合,層位識(shí)別精度明顯優(yōu)于近地表Q補(bǔ)償前的聯(lián)井剖面。利用本文方法可以對(duì)復(fù)雜地下介質(zhì)地層連續(xù)變化的區(qū)域進(jìn)行較為精確的刻畫(huà),且在縱向分辨率提升的基礎(chǔ)上保持良好的橫向連續(xù)性。

圖13 近地表Q補(bǔ)償前(a)、后(b)聯(lián)井縱波阻抗剖面

3 結(jié)論

本文對(duì)比分析了譜比法和峰值頻移法兩種Q值估算方法的原理,總結(jié)了一套近地表Q補(bǔ)償流程,并結(jié)合實(shí)際工區(qū)數(shù)據(jù),分析了兩種方法的應(yīng)用結(jié)果。

1) 對(duì)于本工區(qū)受地層含水影響的區(qū)塊,其近地表旅行時(shí)越小,對(duì)地震波的吸收衰減作用越強(qiáng),證明了近地表低速層中的流體對(duì)地震波的吸收衰減作用有增強(qiáng)效果。

2) 將近地表Q補(bǔ)償應(yīng)用于本文工區(qū)的地震單炮記錄,補(bǔ)償結(jié)果表明峰值頻移法分辨率更高,高頻端展寬效果更好,更適用于本文工區(qū)。相位振幅同時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞浇Y(jié)合了相位補(bǔ)償和振幅補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì),成像效果更好。

3) 將近地表Q補(bǔ)償后的疊前地震數(shù)據(jù)應(yīng)用于后續(xù)的疊前時(shí)間偏移、相干分析等,其結(jié)果較前期地震處理結(jié)果斷點(diǎn)更清晰,分辨率更高,目的層得到了精確成像,從頻譜分析結(jié)果也可以看出,高頻端得到了展寬。補(bǔ)償后的相干切片分辨率明顯提高,補(bǔ)償前無(wú)法刻畫(huà)的斷層在補(bǔ)償后的相干切片上得到了清晰的顯示。

本文通過(guò)頻譜圖、成像剖面以及相干切片定性地評(píng)價(jià)了近地表Q補(bǔ)償后的地震成像效果,在下一步研究中,還需進(jìn)一步討論如何定量地評(píng)價(jià)近地表Q補(bǔ)償結(jié)果。