楊金龍,齊 鵬,沈向存,胡守旺

(1.中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103;2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830013)

陸地某工區(qū)地表整體為蜂窩狀沙丘覆蓋且沙丘起伏較大,地表?xiàng)l件復(fù)雜,低降速層速度和厚度橫向變化大,造成嚴(yán)重的靜校正問題、地表一致性問題和疊前去噪問題。同時(shí),由于兩大儲(chǔ)層主要發(fā)育多個(gè)強(qiáng)反射層系,在目的層形成較強(qiáng)的層間多次波,這些多次波與目的層反射弱信號(hào)重疊,因而無(wú)法有效識(shí)別反射弱信號(hào),降低了資料信噪比,嚴(yán)重影響目的層奧陶系成像質(zhì)量和解釋精度。因此,層間多次波的壓制是該工區(qū)地震資料處理中的關(guān)鍵步驟之一。

根據(jù)多次波下行反射界面位置,多次波可分為自由表面多次波和層間多次波。自由表面多次波在實(shí)際生產(chǎn)中已得到有效壓制[1]。層間多次波在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問題：①與一次波速度非常接近,無(wú)法通過(guò)走時(shí)差異去除;②沙漠區(qū)資料品質(zhì)低增加了層間多次波預(yù)測(cè)的困難;③在近道,多次波與一次波通常完全重合,現(xiàn)有方法無(wú)法有效去除多次波而不損傷有效信號(hào)。因此,層間多次波給地震資料處理帶來(lái)巨大難題。

層間多次波主要有兩類壓制方法,即濾波法和預(yù)測(cè)相減法。濾波法包括FK濾波法和Radon變換法[2]等。預(yù)測(cè)相減法主要包括反饋迭代法[3](SRME)和逆散射級(jí)數(shù)法(ISS)。BERKHOUT等[4]、VERSCHUUR等[5]將SRME擴(kuò)展到層間多次波的預(yù)測(cè)(IMP)。吳靜等[6]將IMP擴(kuò)展到多個(gè)界面的層間多次波預(yù)測(cè),但這種方法計(jì)算量大,很難滿足同相軸的分離。包培南等[7]基于迭代反演法進(jìn)行了層間多次波壓制。WEGLEIN等[8-9]利用逆散射級(jí)數(shù)法壓制多次波。MATSON等[10]將逆散射級(jí)數(shù)法應(yīng)用于海洋資料的多次波壓制,FU等[11]首次成功應(yīng)用于陸地資料。金德剛等[12]改進(jìn)了逆散射級(jí)數(shù)1.5維算法,提高了計(jì)算效率。楊金龍等[13]通過(guò)引入子波影響改進(jìn)了逆散射級(jí)數(shù)層間多次波壓制算法。李東慶等[14]聯(lián)合逆散射級(jí)數(shù)法與拉東變換法提高多次波壓制精度。在其它多次波壓制方法中,WAPENAAR等[15]首次利用Marchenko算法壓制多次波。SLOB等[16]給出一種利用Marchenko算法一步壓制自由表面多次波和層間多次波的策略。孫紅日等[17]利用Marchenko理論自聚焦算法無(wú)需先驗(yàn)信息和自適應(yīng)相減步驟壓制模型數(shù)據(jù)的層間多次波。宋歡等[18]、王坤喜等[19]、LI等[20]和YU等[21]基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多次波壓制初步測(cè)試。

現(xiàn)有的多次波預(yù)測(cè)和壓制方法對(duì)低品質(zhì)的沙漠區(qū)資料很難奏效,特別是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多次波預(yù)測(cè)方法對(duì)資料的品質(zhì)要求更高。因此,本研究針對(duì)沙漠區(qū)地震資料特點(diǎn),提出以逆散射級(jí)數(shù)法為核心的多方法聯(lián)合多次波壓制新策略。基于新策略依次去除不同類型的多次波,提高地震資料信噪比和分辨率,從而提升資料目的層斷裂和儲(chǔ)層成像質(zhì)量。

1 方法原理及策略

針對(duì)低品質(zhì)沙漠區(qū)地震資料存在的復(fù)雜多次波情形,現(xiàn)有單一的多次波壓制方法很難有效壓制所有多次波。因此,本研究針對(duì)沙漠區(qū)地震資料特點(diǎn),結(jié)合各種方法的優(yōu)勢(shì)提出一種以ISS層間多次波壓制為核心的多方法聯(lián)合多次波壓制新策略,處理流程如圖1所示。第1步對(duì)低品質(zhì)沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度預(yù)處理,同時(shí)利用五維插值規(guī)則化技術(shù)[22]提高數(shù)據(jù)品質(zhì),在預(yù)處理階段關(guān)鍵要做到保護(hù)原始數(shù)據(jù)的振幅和低頻信息。第2步利用擴(kuò)展的表面相關(guān)多次波壓制技術(shù)(GSMP)和擴(kuò)展的層間多次波壓制技術(shù)(XIMP)在數(shù)據(jù)域壓制自由表面和層間多次波。第3步利用拉東變換法在共反射點(diǎn)道集(CRP)進(jìn)一步壓制殘余自由表面多次波。利用層位約束的逆散射級(jí)數(shù)法進(jìn)一步壓制殘余層間多次波。總體思路是對(duì)不同類型的多次波分類、分域、逐級(jí)進(jìn)行聯(lián)合壓制,從而得到最終壓制多次波后的地震數(shù)據(jù)。

圖1 沙漠區(qū)地震資料聯(lián)合多次波壓制新策略

目前,業(yè)界已經(jīng)研發(fā)了多種多次波壓制方法,每一種方法都有其優(yōu)勢(shì)和局限,通常某種方法只能壓制某種特定的多次波,因此,針對(duì)不同類型的多次波采用不同方法進(jìn)行壓制。其中,ISS層間多次波壓制技術(shù)完全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),無(wú)需已知地下速度模型信息,一次即可預(yù)測(cè)出所有可能的層間多次波,是目前基于波動(dòng)理論的最重要的方法,也是沙漠區(qū)地震資料壓制層間多次波成功的關(guān)鍵。

逆散射級(jí)數(shù)法從點(diǎn)散射模型出發(fā),從所有散射路徑中選出所有滿足“低—高—低”約束關(guān)系的地震波,即預(yù)測(cè)出層間多次波。該方法無(wú)需已知地下結(jié)構(gòu)和速度模型,適用于任意復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu),可以預(yù)測(cè)出所有層間多次波的準(zhǔn)確時(shí)間和近似振幅。

通過(guò)對(duì)多次波傳播路徑的分析,層間多次波的反射點(diǎn)在介質(zhì)中滿足“低—高—低”的約束關(guān)系,即z1>z2和z3>z2(圖2)。由WEGLEIN等[8-9]首次推導(dǎo)出逆散射級(jí)數(shù)層間多次波預(yù)測(cè)算法,即：

圖2 ISS預(yù)測(cè)層間多次波示意

(1)

式中：b1(kg,ks,qg+qs)=(-2iqs)D(kg,ks,ω)為地震資料單頻平面波場(chǎng);b3是預(yù)測(cè)得到的多次波模型;εs,qs,ks和εg,qg,kg分別為對(duì)應(yīng)震源和檢波器的深度、垂向波數(shù)和水平波數(shù);k1和k2分別為震源和檢波器的水平波數(shù)積分變量;zj(j=1,2,3)為背景速度偏移成像的偽深度;λ在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中的值與地震子波的長(zhǎng)度有關(guān)。

為了提高算法計(jì)算效率和只消除或壓制目標(biāo)區(qū)的層間多次波,令逆散射級(jí)數(shù)層間多次波預(yù)測(cè)算法的內(nèi)核為：

(2)

公式(1)變?yōu)椋?/p>

(3)

利用數(shù)學(xué)上的積分互易定理,有：

其中：f(z)和g(z)是任何可積函數(shù)。令

則公式(2)變?yōu)椋?/p>

(6)

進(jìn)一步引入層位約束z及其層位厚度d來(lái)限定積分范圍,并帶入到公式(3)得：

(7)

(7)式為改進(jìn)的ISS層間多次波預(yù)測(cè)算法。其中,層位厚度d的選取與地震子波的長(zhǎng)度相關(guān),一般大于半個(gè)子波長(zhǎng)度,而不能超過(guò)一個(gè)子波長(zhǎng)度。目標(biāo)區(qū)層間多次波預(yù)測(cè)后利用最小二乘自適應(yīng)相減法[23-24]去除該目的層層間多次波。

最終,組建形成一套以逆散射級(jí)數(shù)法為核心的具有針對(duì)性的多方法聯(lián)合多次波壓制新策略。針對(duì)不同類型的多次波,采用多方法分類、分域,逐級(jí)進(jìn)行壓制,達(dá)到提高資料信噪比和分辨率、改善斷裂和儲(chǔ)層成像質(zhì)量的目的。

2 實(shí)例分析

2.1 模型數(shù)據(jù)應(yīng)用

首先,利用模擬數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)的ISS層間多次波預(yù)測(cè)算法進(jìn)行驗(yàn)證。模型有3個(gè)層狀反射界面,即有3個(gè)一次波。通過(guò)褶積法模擬后得到模擬數(shù)據(jù)及其第60道單道數(shù)據(jù)如圖3所示,包含3個(gè)一次波以及一階和二階層間多次波。中間數(shù)字為1的對(duì)應(yīng)由層位(界面)1產(chǎn)生,中間數(shù)字為2的對(duì)應(yīng)由層位(界面)2產(chǎn)生,例如：2-1-2對(duì)應(yīng)地震波向下傳播到界面2向上反射,在界面1向下反射,最后到界面2向上反射得到。圖4為利用改進(jìn)的ISS預(yù)測(cè)的指定層位1產(chǎn)生的層間多次波,壓制后如圖5所示。同樣的處理,可以針對(duì)層位2進(jìn)行ISS層間多次波預(yù)測(cè)和壓制,如圖6 和圖7所示。因此,基于針對(duì)特定層位產(chǎn)生的層間多次波逐步預(yù)測(cè)和壓制,可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)多次波的有效壓制和處理。

圖3 模擬數(shù)據(jù)及其單道數(shù)據(jù)

圖4 利用改進(jìn)的ISS預(yù)測(cè)指定層位1產(chǎn)生的層間多次波

圖5 層位1多次波壓制后的結(jié)果

圖6 利用改進(jìn)的ISS預(yù)測(cè)指定層位2產(chǎn)生的層間多次波

圖7 層位2多次波壓制后的結(jié)果

2.2 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

在沙漠某工區(qū),受復(fù)雜近地表和復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,地震資料品質(zhì)較低,目的層奧陶系內(nèi)幕有效信號(hào)弱,多次波在目的層廣泛發(fā)育,掩蓋了有效信號(hào),嚴(yán)重影響工區(qū)構(gòu)造、斷裂及有效儲(chǔ)集體的成像質(zhì)量,造成綜合解釋困難。工區(qū)上覆地層中發(fā)育多組強(qiáng)反射層,使得目的層發(fā)育較強(qiáng)層間多次波,前期處理結(jié)果不能滿足地震解釋和勘探部署的需求。該工區(qū)采集參數(shù)炮間距為50m,道間距為50m,炮線距為350m,檢波線距為200m,每炮6272道(224道×28線),覆蓋次數(shù)為224次,面元25m×25m,橫縱比為0.52,采樣間隔為2ms,記錄長(zhǎng)度為6s。

圖8a為精細(xì)預(yù)處理后速度譜和CMP道集。從速度譜可以看出,目的層2.2s前、后能量弱,信噪比低。經(jīng)過(guò)五維插值規(guī)則化后,目的層能量和信噪比得到明顯提升;從速度譜可以看出,多次波能量顯著比有效信號(hào)能量強(qiáng),在目的層同相軸多為多次波構(gòu)造假像,如圖8b所示。在壓制多次波處理過(guò)程中,首先,利用多信息聯(lián)合識(shí)別多次波,確定產(chǎn)生的多次波層位;然后,通過(guò)疊前時(shí)間偏移(PSTM)剖面解釋成果提取相應(yīng)層位。針對(duì)相應(yīng)層位產(chǎn)生的多次波進(jìn)行綜合壓制后,從CMP道集可見,速度差異大的下拉多次波得到明顯壓制,目的層構(gòu)造明顯改善(圖8c)。圖9為多次波綜合壓制前、后逆時(shí)偏移(RTM)剖面。

圖8 速度譜和相應(yīng)的CMP道集a 精細(xì)預(yù)處理后; b 五維插值規(guī)則后; c 多次波壓制后

圖9 多次波壓制前(a)、后(b)RTM偏移剖面

目的層(箭頭處)能量得到進(jìn)一步提高,斷裂和構(gòu)造成像更合理,波阻抗特征更清晰,有效提高了目的層成像質(zhì)量。基于目標(biāo)區(qū)已知測(cè)井信息進(jìn)行合成記錄對(duì)比可知,在多次波壓制后,在目標(biāo)區(qū)T72～T78(2.0～2.4s),多次波能量得到明顯壓制,進(jìn)一步驗(yàn)證了多次波壓制新策略的有效性,如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)低品質(zhì)沙漠區(qū)地震資料,從實(shí)際資料的多次波壓制面臨的問題出發(fā),提出了一種在提高資料品質(zhì)的基礎(chǔ)上以逆散射級(jí)數(shù)法為核心的多方法聯(lián)合多次波壓制新策略。新策略利用改進(jìn)的ISS層間多次波預(yù)測(cè)算法,提高了目標(biāo)多次波的預(yù)測(cè)精度和效率。模型和實(shí)際資料的測(cè)試結(jié)果表明,新策略不但能有效提高資料目的層信噪比和分辨率,還能有效壓制目的層多次波,保護(hù)有效波并改善斷裂和儲(chǔ)層成像質(zhì)量,從而為綜合解釋和目標(biāo)評(píng)價(jià)提供更可靠的資料保障。

多次波的壓制仍是地震資料處理中具有挑戰(zhàn)性的工作,本研究仍存在一些不足,如由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)類方法對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求很高,對(duì)于品質(zhì)差的數(shù)據(jù),雖然可以基于五維插值規(guī)則化技術(shù)提高資料品質(zhì),但是壓制效果仍有待提高。因此,有必要研究各種多次波壓制方法的抗噪性。當(dāng)一次波和多次波交叉重疊時(shí),在多次波匹配相減過(guò)程中仍不免損失有效信號(hào),因而利用多次波直接成像也是未來(lái)的一種研究趨勢(shì)。