沈向存,李宗杰,姜忠正

(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)

塔里木盆地順北地區(qū)斷溶體油氣藏的發(fā)現(xiàn),使得斷控縫洞型儲(chǔ)層成為奧陶系碳酸鹽巖油氣勘探重要領(lǐng)域之一。研究認(rèn)為巴麥地區(qū)也具備形成斷控縫洞型儲(chǔ)層的地質(zhì)條件,但由于奧陶系地層的弱有效信號(hào)受多套層間多次波干擾,導(dǎo)致地震資料不能準(zhǔn)確成像且信噪比低,故有效落實(shí)斷控縫洞型儲(chǔ)層面臨挑戰(zhàn)。

層間多次波的有效壓制成為研究區(qū)地震資料準(zhǔn)確成像的關(guān)鍵。目前層間多次波壓制方法主要包括兩大類:一是基于層間多次波與有效波之間的差異性、可分離性和周期性的濾波法,以多次波和有效波具有明顯的特征差異為前提,如高分辨率Radon變換[1]、拋物線Radon變換[2]等方法;二是基于波動(dòng)理論的預(yù)測(cè)相減法,以地震速度場(chǎng)模型為基礎(chǔ),根據(jù)層間多次波產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行預(yù)測(cè)與衰減,如波場(chǎng)延拓法[3]、反饋迭代法[4]、逆散射級(jí)數(shù)法[5]等。在實(shí)際地震資料處理中,這些方法均得到了廣泛的應(yīng)用,取得了良好的效果。薛亞茹等[6]利用高階稀疏Radon變換自適應(yīng)相減法有效壓制多次波,并保留了一次波振幅AVO特征;楊金龍等[5]利用逆散射級(jí)數(shù)法對(duì)自由表面多次波和層間多次波進(jìn)行有效壓制,提高了地震資料的成像品質(zhì)。

前期在巴麥地區(qū)針對(duì)層間多次波壓制進(jìn)行了多輪次的技術(shù)攻關(guān),但是效果并不理想,現(xiàn)有壓制技術(shù)不能很好地滿足受多套層間多次波不規(guī)則干擾的低信噪比地震資料成像需求。本文在利用VSP資料對(duì)層間多次波標(biāo)定的基礎(chǔ)上,結(jié)合正演模擬對(duì)其產(chǎn)生的必要條件、發(fā)育特征及對(duì)有效反射的影響進(jìn)行了梳理和深入分析,識(shí)別出多套層間多次波“源-鏡”組合,并依據(jù)其分布特征的可預(yù)測(cè)性和剖面頻率特征的差異性,形成了“兩步法”層間多次波疊后壓制技術(shù),較好地解決了奧陶系低信噪比地震資料層間多次波的壓制問題,有效提升了地震資料成像質(zhì)量。

1 多次波特征分析與識(shí)別

地震波在地層中傳播時(shí)產(chǎn)生有效波的同時(shí)也會(huì)在特殊地質(zhì)條件下產(chǎn)生一次以上的反射波,后者被定義為多次波[5],包括自由表面多次波和層間多次波兩種類型。自由表面多次波在走時(shí)、波組產(chǎn)狀等方面與一次波具有明顯的差異[6],可以利用現(xiàn)有的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行較好的壓制;而層間多次波這些特征不明顯,疊加到一次波信息中不易被識(shí)別和壓制。

VSP資料為多次波的識(shí)別和壓制提供了依據(jù),可用于追蹤層間多次波,并確定其產(chǎn)生層位、傳播路徑及對(duì)有效波場(chǎng)的干擾程度等[7]。針對(duì)塔里木盆地巴麥地區(qū)的地震資料,利用鄰區(qū)VSP走廊疊加剖面對(duì)奧陶系地層標(biāo)定時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者的波組特征不匹配,分析認(rèn)為層間多次波的干擾導(dǎo)致了有效波的振幅、頻率和相位特征均發(fā)生了明顯變化(圖1a);同樣地,在上行波走廊剖面上,層間多次波對(duì)有效波的干擾作用更明顯,造成了如地震反射的加強(qiáng)、削弱、相位變化和產(chǎn)狀不一致等系列現(xiàn)象(圖1b)?；趯娱g多次波不能延伸到直達(dá)波的認(rèn)識(shí)[7],結(jié)合上行波同相軸的變化與強(qiáng)界面的對(duì)應(yīng)關(guān)系,認(rèn)為二疊系火成巖、石炭系小海子組灰?guī)r和石炭系標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r等強(qiáng)反射界面和不整合面是形成層間多次波的主要原因(圖1b)。

圖1 層間多次波VSP標(biāo)定分析a 走廊疊加剖面標(biāo)定;b 上行波剖面標(biāo)定

依據(jù)層間多次波標(biāo)定結(jié)果,建立速度分別為v1,v2,v3的水平層狀模型(圖2a),開展彈性波動(dòng)方程正演模擬,分析層間多次波能量與地層界面反射系數(shù)的變化關(guān)系。結(jié)果表明,兩個(gè)及以上強(qiáng)波阻抗界面是產(chǎn)生層間多次波必要條件,波組特征較為明顯的一階層間多次波是主要的干擾波,可以根據(jù)層間多次波與強(qiáng)反射界面的“源-鏡”關(guān)系對(duì)其空間位置進(jìn)行預(yù)測(cè),二階及以上層間多次波受吸收衰減作用影響,能量較弱可以忽略不計(jì)(圖2b);層間多次波的振幅大小與頂、底界面的反射系數(shù)(r1,r2)和極性組合相關(guān),當(dāng)-0.2≤r1<0且r2=0.2時(shí),層間多次波極性始終與頂界反射波相反,二者振幅(絕對(duì)值)成正比,最大為頂界反射系數(shù)的0.064倍;當(dāng)r1≥0且r2=0.2時(shí),上行地震波透射作用強(qiáng),基本不產(chǎn)生多次波(圖2c)。上述分析表明,反射系數(shù)上負(fù)下正強(qiáng)界面組合會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的層間多次波。

圖2 層間多次波特征正演模擬分析a 水平層狀模型;b 反射系數(shù)r1變化時(shí)模擬記錄(v1=2000～6000m/s;v2=4000m/s;v3=6000m/s);c 多次波振幅與頂界反射系數(shù)曲線

本研究區(qū)地震資料由于受層間多次波的改造和地層吸收衰減作用影響,導(dǎo)致奧陶系層間多次波干擾尤為突出。根據(jù)層間多次波產(chǎn)生的必要條件,在巴麥地區(qū)奧陶系上覆碎屑巖地層中識(shí)別出由火成巖、灰?guī)r等高速層與碎屑巖低速層形成的多套層間多次波的“源-鏡”組合。二疊系火成巖-巴楚組標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r組合產(chǎn)生的多次波改變了奧陶系頂界面T72的有效反射,導(dǎo)致Y1,Y2井的良里塔格組T72界面分別被標(biāo)定在兩個(gè)不同的同相軸上,存在串軸現(xiàn)象,且剖面視頻率明顯高于正常地層視頻率;二疊系不整合面-小海子灰?guī)r組合產(chǎn)生的層間多次波繼承并放大了二疊系頂界面的地層傾角特征,與有效反射波疊加改變了正常的地層產(chǎn)狀,所得地震資料同相軸較為破碎,信噪比低(圖3)。

圖3 研究區(qū)層間多次波識(shí)別結(jié)果

2 層間多次波壓制思路

考慮巴麥地區(qū)地震資料中層間多次波的“源-鏡”組合、振幅及頻率特征、剖面產(chǎn)狀等因素,主要從兩個(gè)方面進(jìn)行低信噪比地震資料層間多次波的壓制:一是基于層間多次波空間分布穩(wěn)定性,進(jìn)行層間多次波的匹配分離;二是基于層間多次波頻率特性和地震資料的低信噪比特點(diǎn),開展基于地質(zhì)目標(biāo)成像優(yōu)勢(shì)的頻率信息提取與增強(qiáng),最終實(shí)現(xiàn)斷裂及斷控儲(chǔ)集體成像質(zhì)量的提高。

2.1 層間多次波匹配分離

已鉆井資料證實(shí)火成巖、灰?guī)r等高速層和相鄰碎屑巖地層的厚度、巖性、巖石物理參數(shù)在區(qū)域上分布相對(duì)穩(wěn)定,進(jìn)而可以推斷由強(qiáng)反射界面組合產(chǎn)生的層間多次波相對(duì)穩(wěn)定,這為層間多次波匹配分離奠定了基礎(chǔ)。

利用匹配追蹤方法[8]在超完備時(shí)頻原子庫字典中搜索與地震信號(hào)最匹配的子波,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)自適應(yīng)分解,而后將其表達(dá)為所匹配時(shí)頻原子的線性組合,其具有良好的地震數(shù)據(jù)稀疏表示特性和較強(qiáng)的抗噪能力。上述方法廣泛應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域,如OVT域五維插值[9]、多域聯(lián)合地震反演[10]、地震信號(hào)去噪[11]和強(qiáng)反射分離等[12],取得了良好的應(yīng)用效果,經(jīng)典匹配追蹤算法的基本數(shù)學(xué)原理可以表示為:

(1)

D={mγ(t)}γ∈Γ={mγ=(u,ω,φ)(t)}γ∈Γ

(2)

式中:mγ(t)為子波字典中的母小波;mγ=(u,ω,φ)(t)為經(jīng)過時(shí)間u、頻率ω以及相位φ調(diào)制后的匹配原子;γ=(u,ω,φ)為小波字典的控制參數(shù)集合。

本文利用匹配追蹤算法實(shí)現(xiàn)了層間多次波虛同相軸的構(gòu)建與分離,主要包括6個(gè)步驟:

1)在對(duì)本研究區(qū)奧陶系上覆地層中滿足條件的強(qiáng)反射界面進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定及解釋后,根據(jù)層間多次波與強(qiáng)反射界面的“源-鏡”關(guān)系,預(yù)測(cè)可能發(fā)育層間多次波的空間位置,構(gòu)建其虛反射界面[13](圖3);

2)以虛反射界面為約束條件,提取其局部匹配子波的頻率、相位及振幅的模糊信息,構(gòu)建相關(guān)的超完備稀疏表示字典D;

3)計(jì)算地震數(shù)據(jù)虛反射界面處對(duì)應(yīng)振幅包絡(luò)位置的瞬時(shí)頻率屬性,并檢索D,通過計(jì)算子波相關(guān)系數(shù),獲取匹配原子參數(shù)mγ=(u,ω,φ)(t);

4)利用阻尼最小二乘法確定匹配原子對(duì)應(yīng)的地震振幅響應(yīng)信息,基于層間多次波虛反射界面獲得匹配層間多次波反射S0;

5)層間多次波匹配分離Snew,Snew=S-λ*S0,其中,λ為比例因子,*為卷積;

6)重復(fù)上述步驟,直到已識(shí)別的層間多次波全部分離。

2.2 優(yōu)勢(shì)頻率信息提取

本研究區(qū)實(shí)際資料分析表明地震波在傳播過程中衰減嚴(yán)重,奧陶系有效信號(hào)弱、頻率低于上覆地層產(chǎn)生的層間多次波,通過疊加改造可以使得地震剖面視頻率明顯高于正常地層視頻率。以地質(zhì)目標(biāo)為導(dǎo)向的地震優(yōu)勢(shì)頻率信息補(bǔ)償或提取,可以有效改善地震資料的成像品質(zhì),靳中原等[14]利用低頻信息提高構(gòu)造成像精度;劉仕友等[1]采用低頻約束的Radon變換有效地壓制多次波;丁燕等[15]通過補(bǔ)償深層碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層弱信號(hào)10Hz以下的頻率成分,有效提升了深層弱信號(hào)成像質(zhì)量等。

將上述認(rèn)識(shí)和模型正演分析結(jié)果相結(jié)合,認(rèn)為在相同噪聲背景下低頻占優(yōu)勢(shì)的地震資料保真性更好,對(duì)應(yīng)的反射波和繞射波特征更為清晰,有利于隨機(jī)噪聲壓制,為較高頻率的層間多次波壓制提供了可能。

首先,低頻反射波具有更高的振幅分辨率和保真性,有利于提高薄層異常的識(shí)別描述精度。以不同頻帶寬帶雷克子波[16]模擬厚度為0～48m的薄層的振幅調(diào)諧曲線,當(dāng)厚度小于1/4波長時(shí),低頻信息占優(yōu)勢(shì)的地震信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)諧振幅與厚度的關(guān)系一一對(duì)應(yīng)(圖4a),而且在吸收衰減后表現(xiàn)為“高頻衰減低頻共振”特征,低頻信號(hào)保存得更完整(圖4b),有利于低信噪比地區(qū)地質(zhì)異常體準(zhǔn)確成像;反之,當(dāng)厚度大于1/4波長時(shí),受薄層調(diào)諧作用的影響,反射振幅與薄層的厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系具有多解性。

圖4 薄層振幅響應(yīng)及衰減特征模擬分析結(jié)果a 薄層振幅調(diào)諧曲線;b 衰減前、后頻譜特征分析

其次,低頻繞射波繼承了反射波振幅頻率特性,更有利于地質(zhì)異常體成像。分別利用含有3%隨機(jī)噪聲的5～60Hz和25～60Hz帶通雷克子波激發(fā)、模擬不同頻帶范圍的地震波遇到巖性突變點(diǎn)時(shí)反射波和繞射波特征,結(jié)果如圖5a所示。我們發(fā)現(xiàn)在突變點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生反射波和相位相差180°的正負(fù)兩支繞射波,其能量遠(yuǎn)小于反射波,但兩者的頻率特征卻具有較好的一致性,且在相同條件下低頻占優(yōu)勢(shì)的震源激發(fā)產(chǎn)生的繞射波信號(hào)能量更強(qiáng)(圖5b)。

最后,對(duì)于25～60Hz子波模擬結(jié)果,利用帶通濾波器提取優(yōu)勢(shì)頻率信息后發(fā)現(xiàn),反射波和繞射波的主頻均向低頻端移動(dòng),高頻噪聲得到壓制(圖5c),繞射波與反射波能量比值得到一定程度的提升,在有效頻帶內(nèi)突出了繞射波信息(圖5d),有利于斷裂、碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的成像,也證實(shí)了地震優(yōu)勢(shì)頻率信息的提取能夠有效壓制噪聲,提高成像精度。

圖5 地震低頻信息特征模擬分析a 地震子波模擬結(jié)果;b 反射波/繞射波頻譜特征;c 優(yōu)勢(shì)頻率信息提取前、后頻譜對(duì)比結(jié)果;d 繞射波/反射波振幅比值分析結(jié)果

3 實(shí)際資料處理及效果分析

本研究區(qū)中Y1井區(qū)奧陶系鷹山組斷控縫洞型儲(chǔ)層是主要勘探目標(biāo),但受多套層間多次波干擾,地震資料信噪比低,斷裂及儲(chǔ)層地震反射特征不清晰,已實(shí)施的兩口探井在鷹山組上段均未鉆遇規(guī)模儲(chǔ)層,只有Y2井在鷹山組下段鉆遇Ⅱ類裂縫-孔洞型儲(chǔ)層39m,而且志留系、奧陶系頂界面有明顯的串軸現(xiàn)象,綜合解釋多解性強(qiáng)(圖6a)。

已鉆遇地層巖性及速度統(tǒng)計(jì)分析表明,研究區(qū)發(fā)育二疊系火成巖、石炭系南閘組-小海子組灰?guī)r、巴楚組標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r和生屑灰?guī)r等高速層和大型的不整合面,與碎屑巖地層形成的強(qiáng)反射界面絕對(duì)反射系數(shù)均大于0.15,滿足層間多次波產(chǎn)生的必要條件。依據(jù)可能的“源-鏡”組合,共預(yù)測(cè)出層間多次波可能發(fā)育9個(gè)虛反射界面。按上述思路對(duì)疊后地震資料進(jìn)行處理,層間多次波得到了有效壓制,如奧陶系頂界面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、海米東逆沖斷裂帶、走滑斷裂及沿著斷裂帶發(fā)育縫洞型儲(chǔ)層的成像質(zhì)量都得到了明顯提升,Y1與Y2井良里塔格組頂面標(biāo)定界面統(tǒng)一,消除了串軸現(xiàn)象,突出了斷控儲(chǔ)集體反射特征(圖6b)。

圖6 層間多次波壓制前(a)、后(b)剖面

提取奧陶系鷹山組下段的相干和振幅變化率屬性,可以看出與壓制前的原始屬性(圖7a)相比,海米東斷裂帶的斷點(diǎn)及分段特征更清晰。沿走滑斷裂帶發(fā)育的碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層強(qiáng)振幅反射特征明顯,并且與研究區(qū)兩口鉆井在鷹山組下段的儲(chǔ)層鉆遇情況吻合良好(圖7b)。

圖7 層間多次波壓制前(a)、后(b)奧陶系鷹山組下段碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層識(shí)別效果對(duì)比

4 結(jié)論

本文從有效波和層間多次波波場(chǎng)特征出發(fā),提出了“兩步法”層間多次波疊后壓制方法,并給出了具體的處理思路。該方法通過產(chǎn)生層間多次波的“源-鏡”關(guān)系,預(yù)測(cè)影響地質(zhì)目標(biāo)成像的主要層間多次波,進(jìn)行基于匹配分離和優(yōu)勢(shì)頻率提取的層間多次波精準(zhǔn)壓制,從而達(dá)到提升奧陶系構(gòu)造、斷裂和縫洞型儲(chǔ)層成像精度的目的,方法簡便易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際地震資料處理結(jié)果表明,該方法可以有效壓制地震資料中層間多次波,改善成像品質(zhì),對(duì)“源-鏡”關(guān)系明確的低信噪比地震資料處理成像具有廣闊的應(yīng)用前景。