唐文榜,李宗杰,韓革華,馮永強,樊佳方,段寬寬,姜華方

(1.北京軟島科技有限公司,北京100083;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011;3.中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司,河南鄭州450006)

我國油氣地震勘探需要解決薄互層中的薄儲層和小尺度非規(guī)則儲集體及其含油氣性預(yù)測問題,地震反射波高頻成分的提取和使用倍受關(guān)注。研究表明,數(shù)字地震儀器中沒有高頻死亡線[1],因此數(shù)據(jù)采集可以記錄到反射波的高頻成分,反射波高頻成分的提取則需由地震數(shù)據(jù)處理來完成。為此,我國許多地球物理學(xué)家提出了地震數(shù)據(jù)處理的發(fā)展方向和具體建議。早在1985年,黃緒德[2]根據(jù)國內(nèi)外地震勘探發(fā)展的特點,對我國地震數(shù)據(jù)處理做出了6點展望,并大力推行高信噪比、高保真度、高分辨率和準確歸位成像的“三高一準確”處理理念和技術(shù)[3]。李慶忠[4]提出了地震高分辨率處理的指導(dǎo)性意見和具體指標,強調(diào):①注意不要丟掉低頻成分,頻帶愈寬,分辨率愈高;②不要光看頻寬數(shù)值越大越好,在整個處理過程中要照顧高頻;③主頻太低是處理不當?shù)谋憩F(xiàn);④對于查明地下5～30m厚度的砂層來說,最重要的(主)頻段是10～160Hz;⑤需用一個很寬的頻帶查明大套灰?guī)r頂部的臺階狀波阻抗。遺憾的是,他同時提出了“高頻死亡線”[4],對反射波高頻成分的記錄給出了限制條件。他認為,地震數(shù)據(jù)記錄中比強振幅弱1000倍(-60dB)的弱高頻信號在后續(xù)處理中不能恢復(fù)波形而死亡。這一概念影響至深,致使業(yè)界對獲取寬高頻帶數(shù)據(jù)的信心不足。早期,在刊物上還可見到寬高頻帶地震數(shù)據(jù)的報道,如在四川盆地得到了主頻帶高頻達到180Hz的處理數(shù)據(jù)[5],數(shù)據(jù)處理使吐哈油田將常規(guī)剖面視頻率提高一倍[6]。但是,近年來處理后的數(shù)據(jù)中頻率往往不高于80Hz[7],甚至低至60Hz。由于數(shù)據(jù)處理難以得到反射波高頻成分,就把目光聚焦于低頻,于是展寬低頻,獲得多倍頻程數(shù)據(jù)的處理目標流行于地震數(shù)據(jù)處理界。在數(shù)據(jù)處理的任務(wù)書中,常可見到(比原始數(shù)據(jù)的)主頻提高10Hz,高頻展寬10Hz的要求,并將其作為處理成果的驗收指標。在處理報告中,由于-3dB截頻點所確定的主頻帶寬度數(shù)值較小,而用寬度數(shù)值較大的-20dB 的“有效頻帶”寬度代替。

井中激發(fā)、地面接收的常規(guī)采集的地震數(shù)據(jù)中,可以記錄到多高的反射波高頻成分？地震數(shù)據(jù)處理可以提取多高的反射波高頻成分？圍繞這兩個問題進行了討論,提出了采集+處理綜合動態(tài)范圍用以評估數(shù)據(jù)采集可以記錄到的反射波高頻成分,用塔河油田沙漠區(qū)實際疊后時間偏移數(shù)據(jù)和疊前時間偏移數(shù)據(jù)的高通濾波掃描,調(diào)查數(shù)據(jù)中地震反射波高頻成分。調(diào)查發(fā)現(xiàn),處理后的地震數(shù)據(jù)中的高頻成分出現(xiàn)了兩種相反的狀況,2ms采樣間隔的常規(guī)疊后時間偏移數(shù)據(jù)的高限頻率可達240Hz,而且試驗表明,這些高頻成分是拓寬高頻、展寬頻帶的有用成分。相反,1ms采樣間隔的高精度地震采集數(shù)據(jù),經(jīng)疊前時間偏移處理后,數(shù)據(jù)的反射波高頻成分卻低于120Hz,甚至僅為60Hz,高頻成分缺失,這是因為該數(shù)據(jù)在疊前時間偏移處理中采用偏移前濾波和頻率衰減所致。

1 地震數(shù)據(jù)中反射波高頻成分

地震反射波高頻信息能否被記錄,主要取決于表層和深部地震地質(zhì)條件對地震波傳播的吸收衰減作用,也受限于地震記錄系統(tǒng)的動態(tài)范圍和記錄精度等性能,還受限于采集參數(shù)、施工環(huán)境和施工技術(shù)要求執(zhí)行的嚴格程度。

地震反射波及其高頻成分的提取,主要取決于地震數(shù)據(jù)處理。采集的地震數(shù)據(jù)中每一道的地震波形都是有效反射波與各種干擾、噪聲相互疊加復(fù)合而成的時間序列振幅變化,即復(fù)合波形。每一個時間點的振幅采樣值都是3種信號的復(fù)合振幅值[1]。地震數(shù)據(jù)處理的任務(wù)是采用多種技術(shù)壓制干擾和噪聲,將已記錄的有效反射信號從復(fù)合信號中分解出來,再經(jīng)高頻補償處理,提升高頻振幅,以獲得高分辨率、高清晰度的地下圖像。因此,信噪比、保真度、分辨率是地震數(shù)據(jù)處理的有機組合,壓制干擾和噪聲是提取高頻成分的基礎(chǔ)措施。近年來,地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中有多種先進技術(shù)可完成這些任務(wù),利用這些技術(shù)對高精度采集數(shù)據(jù)進行處理,應(yīng)該得到比常規(guī)地震數(shù)據(jù)主頻更高、頻帶更寬的高分辨率數(shù)據(jù)。

1.1 原始數(shù)據(jù)中的反射波高頻成分

采集的地震數(shù)據(jù)中反射波頻率有多高？常用的檢測方法是對原始地震數(shù)據(jù)進行倍頻程帶通濾波掃描。掃描得到的頻帶范圍可作為處理流程參數(shù)選擇的依據(jù),也可作為衡量處理效果的重要參照。這一做法存在的最大問題是,原始復(fù)合信號數(shù)據(jù)濾波掃描結(jié)果得到的不是反射波的頻率分布特征,而是復(fù)合波的頻率分布特征。顯然,這樣的結(jié)果是不能用來衡量有效反射信號頻率范圍的。如果將復(fù)合信號的頻率分布特征當作有效反射波的頻率分布特征,就會產(chǎn)生這樣一些認識,“陸上野外資料往往掃描到60～120Hz(濾波檔)就一片混亂”,“80Hz以上的高頻信號在野外就沒有以足夠的信噪比記錄下來”[4,8]。此認識又被異化為“反射波高頻信號在野外就沒有記錄下來”,進而誤導(dǎo)了地震數(shù)據(jù)處理。既然反射波的高頻成分沒有被記錄下來,記錄下來的高頻信號都是“噪聲”,那么在處理過程中壓制高頻就成為必要措施。既然在野外作業(yè)時沒有記錄高頻成分,就不能希望經(jīng)過處理能夠提取出高頻成分。能夠得到比原始地震數(shù)據(jù)主頻高10Hz、頻帶展寬10Hz的結(jié)果,已經(jīng)是地震數(shù)據(jù)處理超常發(fā)揮的結(jié)果了。于是這也成為衡量反射波頻率成分的“金標準”,普遍使用。

1.2 采集+處理的綜合動態(tài)范圍

如何估計地震數(shù)據(jù)中反射波頻率成分的高低,需有一個客觀實用的評估方法。高頻死亡線不再適用,儀器動態(tài)范圍只能評估復(fù)合信號的可記錄范圍,原始數(shù)據(jù)帶通濾波掃描也不能正確確定反射波高頻成分的范圍。

謝里夫[9]提出了一個適用的動態(tài)范圍的定義:“即使信號被掩蓋于噪聲之中也能被提取,(因此,動態(tài)范圍的)定義又是考慮整個信號提取過程而不僅僅是記錄儀器”。因而,地震數(shù)據(jù)中最強和最弱的反射波有效信號的動態(tài)范圍,應(yīng)該是數(shù)據(jù)采集和處理的綜合動態(tài)范圍,即采集+處理的綜合動態(tài)范圍?？梢?評估反射波頻率范圍應(yīng)該由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍和數(shù)據(jù)處理的動態(tài)范圍兩部分組成。

1.3 反射波高頻成分可記錄范圍的評估

采用采集+處理綜合動態(tài)范圍與地層吸收衰減模型相結(jié)合,可以評估可記錄的反射波高頻成分。根據(jù)工區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)條件制作地層吸收衰減模型[4],根據(jù)數(shù)據(jù)采集的疊加次數(shù)與壓制噪聲技術(shù)、高頻補償?shù)忍岣咝旁氡饶芰?確定采集+處理綜合動態(tài)范圍,二者結(jié)合進行反射波高頻成分范圍的估算。

根據(jù)塔河油田的地震地質(zhì)條件,構(gòu)制出地層吸收衰減模型,計算-60dB的死亡頻率,以及動態(tài)范圍分別為-120,-140,-160,-180dB的反射波中可能存在的最高頻率成分。表1為塔河油田沙漠區(qū)地層吸收衰減模型和估算的可記錄的反射波高限頻率。

文獻[10]對新疆沙漠區(qū)可記錄的高頻成分進行了估算,由于設(shè)定的表層低、降速帶厚度大,由高頻死亡線估算出的死亡頻率偏低,反射時間t0為1.09～4.09s,死亡頻率為45～36Hz。表1中給出的t0為3.3～4.5s的主要目的層反射波的高限頻率,按照死亡頻率,可記錄到的最高頻率僅為68～63Hz,比文獻[10]略高。按儀器的動態(tài)范圍(-120dB)確定的可記錄的復(fù)合信號的高頻為135～125Hz,按照采集+處理綜合動態(tài)范圍-140,-160,-180dB可記錄到的反射波高頻信號分別為158～146Hz,180～167Hz和201～188Hz。如果在處理中采用更有效的壓噪技術(shù)和高頻補償技術(shù),則有可能得到更高的反射波高頻成分。

表1 塔河油田沙漠區(qū)地層衰減模型和估算的反射波頻率高限

經(jīng)過處理的地震數(shù)據(jù)中,能夠得到高于死亡頻率的高頻有效信號,但是能不能得到高于100Hz的信噪比大于1的反射波高頻信號,能不能得到采集+處理綜合動態(tài)范圍所估計的反射波的理想高頻,得到的高頻成分能否為提高數(shù)據(jù)的分辨率發(fā)揮作用,還需進行深入分析。

2 處理后地震數(shù)據(jù)的反射波頻率成分

采用高通濾波掃描對比調(diào)查了常規(guī)地震數(shù)據(jù)和高精度地震數(shù)據(jù)中反射波的高頻成分。

2.1 常規(guī)數(shù)據(jù)中反射波的高頻成分

所謂常規(guī)地震數(shù)據(jù)是指采用24～100次疊加、井中激發(fā)、地面檢波器50m點距接收、16位數(shù)字地震儀按2ms時間采樣間隔記錄,以疊后時間偏移為主的技術(shù)流程處理得到的地震數(shù)據(jù)。在21世紀以前,國內(nèi)的地震數(shù)據(jù)多數(shù)屬于這類常規(guī)地震數(shù)據(jù)。2010年我們在開展“塔河油田十區(qū)溶洞型儲集體油水識別應(yīng)用研究”項目研究時,使用了這種數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在超乎尋常的高頻反射信號,因而改變了我們對地震反射波高頻成分的認識。

在塔河油田十區(qū),對200km2的三維工區(qū)內(nèi)的19口樣本井井旁道產(chǎn)層段(包括“串珠”)進行小波變換頻譜分析時,發(fā)現(xiàn)一些井旁道的振幅譜在40～80Hz及其以上頻段有較強的振幅,而且這類振幅譜多與產(chǎn)油井對應(yīng)。充填油、水溶洞的正演模擬試驗也得到相似的結(jié)果[11]。根據(jù)這一線索建立了溶洞型儲集體油水識別模式,對200km2三維地震數(shù)據(jù)進行油、水預(yù)測。預(yù)測結(jié)果采用27口盲井進行驗證,符合率達到81.5%[12-13]。利用這種技術(shù)區(qū)分溶洞中的油和水時需要用到反射波的高頻成分,而在這時,高頻死亡線對地震反射波的高頻成分的認知還起著主導(dǎo)作用,因此證實數(shù)據(jù)中是否存在高頻成分,是這種油、水識別技術(shù)是否可信的關(guān)鍵。

采用高通濾波掃描調(diào)查疊后時間偏移數(shù)據(jù)頻率范圍時發(fā)現(xiàn),在低截頻為240Hz的高通濾波檔存在有效信號,濾波剖面上視頻率達到240Hz,接近于2ms采樣間隔的尼奎斯特頻率(圖1)。從低截頻分別為40,60,80,120,160,200Hz的高通濾波檔濾波的剖面中還可以看出,無論是層狀反射或是“串珠”,其高頻信號的波組特征與疊后時間偏移剖面的波組特征相似,僅低截頻為240Hz的濾波檔呈現(xiàn)多相位信號,這應(yīng)是高通濾波過窄的通放帶(240～250Hz)出現(xiàn)的近于諧波的特征。另一方面,從剖面右下方標注的最大振幅可以看到不同頻率信號的振幅范圍。疊后時間偏移剖面的最大振幅為8.0×106,低截頻為120Hz剖面的最大振幅為1.0×106,為偏移剖面的1/8,振幅下降-18dB;而低截頻為240Hz剖面的最大振幅為0.1×106,為偏移剖面的1/80,振幅下降約-38dB。這一結(jié)果說明,2ms采樣間隔的常規(guī)地震數(shù)據(jù)中存在信噪比大于1的240Hz以內(nèi)的反射波高頻成分。由此證明了高頻成分的存在,于是溶洞油、水識別技術(shù)的可信度和有效性有了可靠的依據(jù)。這一結(jié)果更說明,淹沒于噪聲之中的微弱高頻成分可以通過地震數(shù)據(jù)處理提取出來。但需注意,由于高通濾波掃描得到的不同濾波檔數(shù)據(jù)振幅相差較大,應(yīng)根據(jù)振幅變化調(diào)整剖面顯示的最大振幅值(即調(diào)整顯示比例)。

圖1 塔河油田十區(qū)常規(guī)地震采集疊后時間偏移剖面及其高通濾波掃描剖面

2.2 高精度地震采集和精細處理數(shù)據(jù)的高頻成分

早期2ms采樣間隔采集并做疊后時間偏移處理的常規(guī)地震數(shù)據(jù)中可以得到高達240Hz的反射波高頻信號,近年來的高精度、高密度地震采集和精細處理的數(shù)據(jù)是否可以得到更高頻率的高頻反射信號？在塔河油田十區(qū)東開展了高精度地震采集,采用164次疊加,24位數(shù)字地震儀記錄,1ms采樣間隔,15m×15m面元等采集參數(shù),對數(shù)據(jù)進行包括疊前時間偏移的精細處理,得到的數(shù)據(jù)應(yīng)比常規(guī)地震采集處理數(shù)據(jù)主頻更高、頻帶更寬,以期對小型縫洞體進行更準確的油水識別。2014年,我們對塔河油田十區(qū)東工區(qū)開展了小型縫洞體成像技術(shù)研究,使用的數(shù)據(jù)即為上述類型的高精度數(shù)據(jù)。

圖2為高精度疊前時間偏移處理的高通濾波掃描結(jié)果,沒有見到240Hz的高頻成分,相反,在低截頻為60Hz和80Hz的剖面上波組特征與疊前時間偏移剖面出現(xiàn)大的差異,而在低截頻為120Hz的濾波剖面上,僅見成片的視頻率為115～120Hz的連續(xù)多相位的諧波,在低截頻為140Hz濾波剖面上為一片噪聲。剖面右下方標注的數(shù)據(jù)為剖面顯示所用的最大振幅,疊前時間偏移剖面顯示使用的最大振幅為1000.000,低截頻為120Hz剖面的約為0.340,是偏移剖面最大振幅的1/2941,比偏移剖面降低了69dB。低截頻為140Hz的剖面顯示使用的最大振幅降低為0.024,仍為一片噪聲。這些現(xiàn)象表明,高于60Hz的反射波高頻信號已經(jīng)畸變,高于120Hz的高頻成分已被壓制。顯然,高精度地震數(shù)據(jù)中至少缺失了140Hz及其以上的反射波的高頻成分。

圖2 塔河油田十區(qū)東高精度地震采集疊前時間偏移剖面及其高通濾波掃描剖面

圖3為塔河油田十區(qū)過相同井位的常規(guī)數(shù)據(jù)和高精度數(shù)據(jù)連井剖面,可以看出,高精度地震數(shù)據(jù)比常規(guī)地震數(shù)據(jù)信噪比高,“串珠”更清晰,但反射波視頻率沒有太大的差異。分別對常規(guī)疊后偏移剖面和高精度疊前時間偏移剖面中的“串珠”和層狀反射進行譜分析,得到以dB為單位的振幅譜,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,兩種數(shù)據(jù)的主頻都在20～30Hz內(nèi),常規(guī)地震數(shù)據(jù)和高精度地震數(shù)據(jù)的-3dB截頻點主頻帶分別為18～40Hz和12～36Hz,兩種數(shù)據(jù)差別不大。但是40～240Hz內(nèi)頻率成分的振幅卻出現(xiàn)明顯的差異:常規(guī)地震數(shù)據(jù)中振幅變化范圍為-5～-35dB;高精度地震數(shù)據(jù)的振幅由40Hz的-5dB快速降到250Hz的-65dB以下。同一工區(qū)2ms采樣的常規(guī)地震數(shù)據(jù)反射波高頻成分可以達到240Hz,而1ms采樣的高精度數(shù)據(jù)中反射波高頻成分不高于120Hz,且振幅微弱,看不到140Hz高頻信號。這表明常規(guī)疊后時間偏移數(shù)據(jù)高頻信息豐富,高精度疊前時間偏移處理數(shù)據(jù)缺少高頻成分。

圖3 塔河油田十區(qū)過相同井位的連井剖面a 十區(qū)常規(guī)地震剖面; b 十區(qū)東高精度地震剖面

圖4 “串珠”和層狀反射振幅譜a,b 譜分析時窗和范圍; c,d 常規(guī)地震剖面振幅譜; e,f 高精度地震剖面振幅譜

高精度采集、精細處理的數(shù)據(jù)中反射波高頻信號缺失,在塔里木盆地其它油田也存在這個問題。在目的層反射波t0小于2s的鄂爾多斯盆地,常規(guī)地震采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過疊前時間偏移處理也出現(xiàn)了類似情況。

圖5是鄂爾多斯盆地大牛地氣田常規(guī)地震采集(30～60次疊加)數(shù)據(jù)連片處理的疊前時間偏移剖面及其高通濾波掃描的結(jié)果,可見,1.5s目的層在低截頻為100Hz的濾波檔僅保留了分散性的信號,十分微弱。這一結(jié)果說明,高頻成分的缺失與疊加次數(shù)關(guān)系不大,而與疊前時間偏移的關(guān)系更大。

圖5 鄂爾多斯盆地常規(guī)地震采集疊前時間偏移剖面及其高通濾波掃描剖面

2.3 高精度數(shù)據(jù)反射波高頻成分缺失原因的簡要分析

數(shù)據(jù)處理中確定高頻信號是否能夠保留,與采用的處理技術(shù)有關(guān),也與實現(xiàn)該技術(shù)的算法有關(guān)。在地震數(shù)據(jù)處理中,影響地震波頻率成分的技術(shù)有多種,其中頻率域濾波是常用的改變信號頻率的處理技術(shù)。在頻率-波數(shù)(f-k)域壓制低視速度干擾時,為避免產(chǎn)生空間假頻而采用降低信號頻率的措施。在偏移算法中,為減少運算數(shù)據(jù)量而采用稀疏的網(wǎng)格,但這一做法使得采樣不足而產(chǎn)生假頻,需要用反假頻濾波來降低信號頻率[14],或者為減少頻率域中運算數(shù)據(jù)量而采用頻率衰減截掉高頻成分。此外,面對超海量數(shù)據(jù),還可以采用抽稀采樣間隔對數(shù)據(jù)進行處理。

由于實際數(shù)據(jù)缺失高頻成分的現(xiàn)象是在疊前時間偏移處理之后發(fā)生,因此重點討論疊前時間偏移處理過程中的偏移前開展的濾波、頻率衰減、抽稀采樣間隔處理對高頻信號的影響。

2.3.1 疊前濾波去噪壓制了高頻范圍

疊前帶通濾波是人們熟知的技術(shù),其使用并無新意。但是為什么在疊加前、偏移前要用濾波？為什么要對高頻成分加以壓制？參數(shù)選擇的依據(jù)是什么？

這些是值得深思的問題。

在數(shù)據(jù)處理報告中,通常會對疊前濾波的使用作出說明。這些說明常以原始炮集數(shù)據(jù)的倍頻程帶通濾波掃描為依據(jù)。濾波掃描發(fā)現(xiàn),低截頻高于60Hz或80Hz的帶通濾波器,如60-120Hz,80-160Hz(120Hz和160Hz分別表示帶通濾波器的高截頻),其濾波結(jié)果未見目的層反射波高頻信號,看到的都是噪聲,據(jù)此確定了疊前帶通濾波參數(shù),如6-9-90-100Hz,看似保留了100Hz以內(nèi)的高頻成分,實則壓制了100Hz以上的高頻成分。根據(jù)帶通濾波掃描結(jié)果確定濾波參數(shù),已經(jīng)成為數(shù)據(jù)處理的常態(tài)。之所以有這樣的認識,歸結(jié)為一點,就是以高頻死亡線作為理論支撐,以濾波掃描結(jié)果為基礎(chǔ),對原始數(shù)據(jù)頻率范圍進行了“縝密”調(diào)查、分析,確定在高頻段只有噪聲沒有反射波,或者在中、低頻段才有強和較強振幅的反射波。因此必須壓制高頻噪聲,以保護并補償中、低頻段的有效信號,于是形成了“壓制高頻,拓展中、低頻”的技術(shù)思路,其結(jié)果是壓制了反射波中的高頻成分。

2.3.2 濾波和頻率衰減是疊前時間偏移數(shù)據(jù)高頻缺失的根源

對高精度地震采集數(shù)據(jù)進行疊前時間偏移,需解決超海量數(shù)據(jù)的運算和存儲問題,因此在疊前偏移軟件運行時,常有減少數(shù)據(jù)量的做法,一種是用稀疏網(wǎng)格實現(xiàn)偏移算法,因而需進行重采樣和反假頻濾波;另一種是在頻率域中去掉高頻成分,只保留中、低頻成分,以減少頻率域偏移算法的數(shù)據(jù)量。某處理系統(tǒng)的克希霍夫疊前時間偏移處理采用后一種方法,在其疊前時間偏移作業(yè)中使用帶通濾波和頻率衰減兩個模塊以削減高頻。

在進行疊前時間偏移處理作業(yè)時,首先使用一個簡化零相位濾波器(Simple zero phase filter)。這個濾波器需要給出低截頻、低邊頻斜率、高截頻和高邊頻斜率4個濾波參數(shù)?？梢娺@是一個典型的有限帶寬的帶通濾波器,因此會壓制高截頻以上的高頻成分。如果加上為壓制原始數(shù)據(jù)噪聲而采用的帶通濾波,實際上對數(shù)據(jù)運行了兩個串聯(lián)的帶通濾波,之后才進行疊前偏移處理。

在該疊前時間偏移的主作業(yè)中,還使用了頻率衰減(frequency decay)模塊,其參數(shù)是時間-頻率對。頻率衰減是對高于給定頻率的振幅實施壓制而不是增強。選擇時間-頻率對有兩個考慮:①從淺到深,頻率由高變低;②取決于運算數(shù)據(jù)量的大小,對于高疊加次數(shù),時間-空間密集采樣的超海量數(shù)據(jù),計算機運行不動時,會選擇更低的頻率值。可見,在疊前時間偏移算法面對超大數(shù)據(jù)量運算時,采用了減少數(shù)據(jù)量的做法,頻率衰減就是在頻率域中減少數(shù)據(jù)量的重要手段。這樣不難理解,疊前時間偏移的振幅譜中,不同分析點位的高頻成分會一致性地趨于極小,同樣是疊前時間偏移,190次疊加的數(shù)據(jù)比164次疊加的數(shù)據(jù)主頻更低、頻帶更窄。圖6展示了塔里木盆地不同數(shù)據(jù)的小波變換振幅譜,可見:十區(qū)常規(guī)疊后偏移數(shù)據(jù)在40～160Hz內(nèi)出現(xiàn)較強的振幅;十區(qū)東和順北的疊前時間偏移數(shù)據(jù)高于40Hz時高頻振幅一致性地減小,其中164次疊加的十區(qū)東數(shù)據(jù)的振幅譜中高于80Hz時迅速趨于極小,190次疊加的順北數(shù)據(jù)高于60Hz時迅速趨于極小。這種一致性地趨于極小,顯然是由偏移前濾波和頻率衰減所致;190次疊加數(shù)據(jù)量大于164次疊加數(shù)據(jù)量,需要將頻率降得更低才可以減少數(shù)據(jù)量。圖6b十區(qū)東的振幅譜的特點,也說明了圖2十區(qū)東疊前時間偏移數(shù)據(jù)高通濾波掃描的剖面中低截頻為60Hz已經(jīng)發(fā)生畸變,且其波組特征與疊前時間偏移剖面出現(xiàn)差異的原因了。

圖6 塔里木盆地不同數(shù)據(jù)的小波變換振幅譜a 塔河油田十區(qū)常規(guī)疊后時間偏移數(shù)據(jù); b 塔河油田十區(qū)東164次疊加高精度疊前時間偏移數(shù)據(jù); c 順北油田190次高精度疊前時間偏移數(shù)據(jù)

在頻率域中截掉高頻,其結(jié)果相當于將1ms采樣間隔的高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為稀疏采樣間隔的數(shù)據(jù)來使用。圖6b所示的振幅譜最高頻率為80Hz,其最高頻率相當于采樣間隔為6ms的尼奎斯特頻率;圖6c 的振幅譜最高頻率為60Hz,相當于采樣間隔為8ms的尼奎斯特頻率。與6ms、8ms采樣間隔數(shù)據(jù)不同的是,高頻壓制后,數(shù)據(jù)仍然保留著1ms采樣間隔。由于1ms采樣間隔的尼奎斯特頻率為512Hz,這樣的數(shù)據(jù)中似乎保留著60Hz(或80Hz)與512Hz之間的頻率成分。

2.4 濾波和抽稀采樣對反射波高頻成分影響的試驗分析

處理過程中疊前和疊后的有限帶寬濾波、反假頻濾波、偏移前的頻率衰減處理都會使數(shù)據(jù)中的高頻成分受到壓制;在數(shù)據(jù)處理過程中用抽稀時間采樣間隔以成倍減少處理的數(shù)據(jù)量,按照采樣間隔抽稀的規(guī)范處理流程,應(yīng)先施加反假頻濾波才能避免頻率混疊現(xiàn)象。濾波和抽稀采樣將使高頻成分受到何種程度的壓制？此外如果在數(shù)據(jù)抽稀采樣之后進行處理,然后再加密采樣使其恢復(fù)原采樣間隔,這樣的數(shù)據(jù)的高頻成分又會發(fā)生什么變化？我們用實際寬頻帶數(shù)據(jù)進行試驗以考察濾波和抽稀采樣對高頻成分的影響。

試驗采用塔河油田十區(qū)2ms采樣間隔的常規(guī)偏移數(shù)據(jù),高通濾波掃描表明,該數(shù)據(jù)的上限頻率接近尼奎斯特頻率,約240Hz(圖1)。用這樣的數(shù)據(jù)進行了以下試驗:①設(shè)計一個低通濾波器LP(64-128Hz),對數(shù)據(jù)進行濾波,相當于4ms采樣間隔的反假頻濾波;②將低通濾波后的數(shù)據(jù)抽稀為4ms采樣間隔數(shù)據(jù),再加密為2ms采樣間隔;③將未濾波的寬頻帶數(shù)據(jù)直接抽稀采樣為4ms采樣間隔,然后加密為 2ms采樣間隔。

圖7a、圖7b、圖7c和圖7d分別顯示了原始偏移數(shù)據(jù)與其經(jīng)過以上3種試驗后得到的數(shù)據(jù),可以看出,在這4種剖面上看不到波組特征的變化,給人以有限帶寬濾波和抽稀采樣對數(shù)據(jù)無害的錯覺,因而被作為常規(guī)處理措施。采用低截頻為140Hz的高通濾波器對這4種數(shù)據(jù)進行濾波,以調(diào)查數(shù)據(jù)中高頻成分的變化,結(jié)果分別如圖7e、圖7f、圖7g和圖7h所示,可以發(fā)現(xiàn),這4種剖面上的波組特征和振幅出現(xiàn)很大差異:原偏移數(shù)據(jù)的高頻剖面保留了兩組強反射,但其波形明顯壓縮,保留了較強的振幅(圖7e);低通濾波后的高頻剖面上,是微弱振幅的隨機噪聲,看不見反射波(圖7f);對低頻濾波后的數(shù)據(jù)先抽稀為4ms 采樣,再加密為2ms,恢復(fù)為原采樣間隔,此時,在低截頻為140Hz的剖面上,出現(xiàn)了頻率較低的兩個波組,但其波組特征不同于原偏移剖面,仔細觀察發(fā)現(xiàn),彩色表示的低頻同相軸是由彼此平行的更高頻的同相軸組成,似由低頻波調(diào)制在高頻諧波上(圖7g);未作低通濾波的數(shù)據(jù)直接抽稀為4ms,再加密為2ms的剖面上,這種現(xiàn)象更為明顯(圖7h)。上述結(jié)果表示,經(jīng)過低通濾波,高于128Hz的反射波高頻成分已經(jīng)消失;經(jīng)過抽稀采樣再恢復(fù)原采樣間隔,保留的高于128Hz的高頻成分則不同于反射波的高頻成分,是由頻率混疊現(xiàn)象造成的畸變假信號[1,15]。圖中右下角標注的數(shù)據(jù)為各剖面顯示時所用的最大振幅,可衡量4種數(shù)據(jù)的振幅變化,其振幅比為700.00/0.55/50.00/100.00,振幅差異很大。

低通濾波使高于濾波器高限頻率(本例中為128Hz)的反射波高頻成分被壓制,僅剩微弱的隨機噪聲,這就是圖6b和圖6c所示的疊前時間偏移數(shù)據(jù)的振幅譜缺失高頻成分的原因。抽稀采樣間隔無論是否做了去假頻濾波,只要再加密采樣恢復(fù)原采樣間隔,都會因頻率混疊現(xiàn)象在高頻段產(chǎn)生低頻假信號,破壞原數(shù)據(jù)的保真度,如文獻[1]中圖5展示的結(jié)果。可見,在處理的不同階段采用有限帶寬濾波和抽稀采樣處理等措施都會嚴重壓制高頻成分,或產(chǎn)生假信號。由于濾波和抽稀采樣處理的數(shù)據(jù)都是在弱振幅的高頻部分出現(xiàn)變化,這就是圖7a至圖7d中看不出波組特征變化的原因,也是在數(shù)據(jù)處理中大量使用這些措施而沒有看到其危害的原因。需著重指出,一旦反射波高頻成分被壓制或由假信號替代,其后續(xù)的高頻補償處理無法得到反射波高頻成分,或者得到的是假信號,都會直接危及后續(xù)的地震反演和儲層預(yù)測。

圖7 低通濾波和抽稀采樣、恢復(fù)原采樣間隔對反射波高頻成分的影響a 原偏移數(shù)據(jù); b 低通濾波處理后的數(shù)據(jù); c 對低通濾波處理后的數(shù)據(jù)抽稀采樣為4ms再加密為2ms采樣間隔的數(shù)據(jù); d 對未作低通濾波的寬頻數(shù)據(jù)直接抽稀采樣為4ms再加密為2ms采樣間隔的數(shù)據(jù); e 原偏移數(shù)據(jù)的高頻剖面; f 低通濾波處理后的高頻剖面; g 對低通濾波后的數(shù)據(jù)先抽稀為4ms采樣再加密為2ms采樣間隔的高頻剖面; h 未作低通濾波的數(shù)據(jù)直接抽稀為4ms再加密為2ms的高頻剖面

3 反射波微弱高頻成分的可用性

上述分析結(jié)果表明,地震反射波中的高頻成分客觀存在,通過數(shù)據(jù)處理可以提取出來,但也要看到,雖然其反射波的高頻成分信噪比大于1,但往往很微弱。微弱的高頻成分能否有效地用來提升主頻、展寬頻帶,特別是展寬高頻段,是更需要關(guān)注的問題。如果微弱的高頻信號不能用于實現(xiàn)這個目標,這些高頻信號的存在就沒有實際意義,因此需要深入討論微弱高頻信號的可用性。

為了說明微弱的高頻成分能夠用于實現(xiàn)提升主頻、展寬頻帶的目的,研發(fā)了CW特征子波(Characteristic Wavelet)反褶積技術(shù)。設(shè)計一個寬頻帶的特征子波bCW(t),用bCW(t)取代反射子波b(t),就可以得到主頻高、頻帶寬的數(shù)據(jù),其技術(shù)思路如圖8所示。圖8中s(t),S(f)分別表示反射波及其頻譜;r(t)和R(f)分別表示反射系數(shù)序列及其頻譜;b(t)和B(f)分別表示子波及其頻譜;sCW(t)和SCW(f)分別表示特征子波反褶積后的反射波及其頻譜。

圖8 CW特征子波反褶積技術(shù)思路

對圖1a所示的具有豐富高頻反射波的十區(qū)常規(guī)地震數(shù)據(jù)進行CW特征子波反褶積處理,得到的剖面如圖9a所示,同時將過相同井位的十區(qū)東高精度地震數(shù)據(jù)剖面示于圖9b。對比圖9a和圖9b可以看出,24次疊加的常規(guī)地震數(shù)據(jù)經(jīng)CW特征子波反褶積之后,由于主頻提高、頻帶展寬,子波明顯壓縮,層狀反射的主頻明顯提升,達到65～70Hz,遠高于高精度地震剖面的30Hz,其“串珠”的清晰度與164次疊加的高精度地震剖面相當,而且高頻成分振幅的變化更有利于辨識溶洞中的油和水[11-12]。這些特征表明,微弱的高頻信號振幅提升之后,能夠起到提升主頻、展寬頻帶的作用。信噪比大于1的微弱振幅高頻信號是可用的有效信號。

圖9 塔河油田十區(qū)CW特征子波反褶積后的疊后時間偏移剖面(a)與十區(qū)東高精度疊前時間偏移剖面(b)

4 幾點認識

在薄儲集層(體)及其含油氣性預(yù)測的研究過程中,使用了不同種類的地震數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了地震反射波高頻成分的差異,2ms采樣常規(guī)數(shù)據(jù)中反射波高頻成分可達尼奎斯特頻率(240Hz),而1ms采樣的高精度數(shù)據(jù)的反射波高頻成分不高于120Hz。對這種差異產(chǎn)生的原因進行了粗淺的討論,得到如下認識。

1) 地震數(shù)據(jù)采集得到的原始數(shù)據(jù)的波動信號是由有效反射波、各類干擾波和多種噪聲疊合而成的復(fù)合波動信號。高頻死亡線不可能正確衡量原始地震數(shù)據(jù)中記錄到的反射波高頻信號的范圍;儀器動態(tài)范圍衡量的是復(fù)合信號可記錄的振幅范圍;地震數(shù)據(jù)中可記錄的反射波低頻和高頻成分范圍應(yīng)由采集+處理綜合動態(tài)范圍來評估。地層吸收衰減模型與采集+處理綜合動態(tài)范圍相結(jié)合,可以較好地評估經(jīng)過數(shù)據(jù)處理提取的信噪比大于1的反射波的高頻成分范圍。處理系統(tǒng)的動態(tài)范圍是數(shù)據(jù)處理過程中壓制干擾和噪聲,提高信噪比,以及反射波高頻振幅補償能力的總和。

2) 用原始地震數(shù)據(jù)的帶通濾波掃描得到的是復(fù)合信號的頻率分布特征,不是有效反射波的頻率分布特征,不能正確確定反射波有效頻率范圍,因此不能以這樣的濾波掃描結(jié)果指導(dǎo)地震數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理過程中和數(shù)據(jù)處理完成后,對處理后數(shù)據(jù)進行帶通或高通濾波掃描,由信噪比大于1的有效反射信號的濾波檔來確定反射波頻率成分分布范圍,才能對反射波的高、低頻成分的分布特征作出比較符合實際的判斷。近年來,簡單地人為給出一個-20dB的門檻值,在振幅譜上確定頻帶寬度,其結(jié)果不能正確說明實際有效頻帶的范圍。處理后數(shù)據(jù)的高通濾波掃描才是調(diào)查數(shù)據(jù)中反射波的有效頻帶范圍的正確而有效的方法,應(yīng)將此作為數(shù)據(jù)處理質(zhì)量監(jiān)控和成果驗收不可或缺的“標配”。

3) 振幅微弱的高頻成分經(jīng)過高頻補償(如本文采用的CW特征子波反褶積技術(shù)處理),可使微弱振幅大幅提升,得到主頻提高、高頻段展寬的高分辨率反射波數(shù)據(jù)。證明這種微弱振幅的高頻信號是有效、可用的信號,千萬不要在處理過程中隨意壓制、丟棄。

4) 常規(guī)疊后時間偏移處理得到的數(shù)據(jù)中包含高達240Hz的高頻成分,而高精度疊前時間偏移處理的數(shù)據(jù)常常缺失120Hz以上,乃至60Hz以上的高頻成分,這是當前疊前偏移處理常見的結(jié)果[16-17]。之所以如此,與疊前偏移處理中的疊前濾波和頻率衰減有關(guān),而其根源則是疊前時間偏移算法。在疊前偏移算法中,為了減少運算數(shù)據(jù)量,采用截掉高頻的頻率域算法或者稀疏網(wǎng)格算法,都是壓制高頻的做法[14],甚至還會在高頻段出現(xiàn)低頻假信號[15,18-19],因此這些做法是不可取的。

5) 數(shù)據(jù)處理獲得高頻成分的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集:①高覆蓋次數(shù)觀測可為數(shù)據(jù)處理提高信噪比夯實基礎(chǔ);②1ms采樣間隔記錄可為處理獲得頻率達到512Hz的尼奎斯特頻率的反射波高頻成分創(chuàng)造條件;③24位或更高位數(shù)的數(shù)字地震儀的動態(tài)范圍,可提高采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍,有利于更微弱的高頻成分的記錄;④以大偏移距、小點距、全方位觀測系統(tǒng)得到高密度數(shù)據(jù),可準確提取表層模型和深部成像速度模型,確保高頻反射波同相疊加而得到更精確的成像結(jié)果;⑤如果在疏松低速層之下激發(fā),可避免高頻信息的大幅度衰減。因此,建議在選擇采集參數(shù)時,充分考慮上述幾種因素,為獲取反射波的高頻信息奠定基礎(chǔ)。

6) 困于當前反射波有效成分缺失高頻的表象,在數(shù)據(jù)處理中如采用拓寬低頻、放棄高頻,追求多倍頻程數(shù)據(jù),這些做法丟棄了由艱辛努力和巨大資源所采集到的、而且也是實際存在的反射波高頻成分。當前,“兩寬一高”技術(shù)通過高密度空間采集的技術(shù)大大改善了成像精度[20-21],相信將反射子波頻帶范圍由2～80Hz的數(shù)據(jù)提高到10～250Hz,在提高空間成像的同時,還可以明顯改善陸相油氣田中薄互層中的薄儲集層(體)的辨識精度。

7) 由高疊加次數(shù)、高密度采樣和疊前偏移處理帶來的超海量數(shù)據(jù)的超大運算量問題,需要通過硬件和軟件改造相結(jié)合的辦法來解決,包括使用大幅提升存儲量和運算能力的超算計算機,也包括改進算法和處理流程,將相關(guān)的每一種模塊運行所需要的存儲量和運算量盡可能減小。特別注意不要使用截斷高頻成分的數(shù)據(jù)進行疊前偏移處理,更不要使用在稀疏網(wǎng)格上運算的疊前偏移軟件和其它軟件(如f-k域濾波等)。這些算法都會成倍地壓制高頻成分。

5 結(jié)論和建議

1) 地震數(shù)據(jù)中反射波高頻成分的獲得,數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ),數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵。

2) 高通濾波掃描結(jié)果表明,現(xiàn)有井中激發(fā)、地面接收采集到的地震數(shù)據(jù),經(jīng)過常規(guī)疊后時間偏移處理可以得到近于尼奎斯特頻率的高頻成分。

3) 當前高精度地震采集數(shù)據(jù)經(jīng)過高精度疊前時間偏移處理,出現(xiàn)了1ms采樣間隔數(shù)據(jù)反射波高頻成分卻不超過120Hz,甚至不高于60Hz的反常現(xiàn)象,可能是疊前偏移處理前采用了有限帶寬濾波和頻率衰減的限頻措施所致,還可能與抽稀采樣間隔的算法或處理手段有關(guān)。

4) 原始地震數(shù)據(jù)帶通濾波掃描得到的不是反射波頻率分布范圍,不應(yīng)作為壓噪處理的依據(jù)。振幅譜上-20dB的頻帶寬度難以正確表示數(shù)據(jù)信噪比為1的有效頻帶寬度。

5) 建議將帶通或高通濾波掃描作為不同處理步驟之后數(shù)據(jù)的頻率成分變化的質(zhì)量監(jiān)控手段。

6) 建議將全程無濾波和限頻的疊后時間偏移數(shù)據(jù)的高通濾波掃描結(jié)果作為評價成果數(shù)據(jù)頻率范圍,用于衡量疊前偏移數(shù)據(jù)反射波頻率成分的參照和依據(jù)。

解決我國薄儲集層(體)及其含油氣性預(yù)測問題,得到高、寬頻帶數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的疊前偏移處理中,面臨著超海量數(shù)據(jù)運算和高頻成分保護的兩難問題。這個難題的解決,既要解決軟件算法問題,也要解決硬件性能問題,使花費巨大資源采集到的數(shù)據(jù)中反射波的高頻成分得以保護和提取,并可充分利用,為獲得高信噪比、高保真度、高分辨率和準確歸位的數(shù)據(jù)發(fā)揮應(yīng)有作用,真正走向精確的油氣勘探之路,使我國油氣地震勘探水平得到更大的提升。