吳大奎 吳宗蔚 伍翊嘉

中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

1 高分辨率的概念及研究現(xiàn)狀

地震分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率，本文所指分辨率均指縱向分辨率。

有關(guān)分辨率概念的論述主要有3種方式：①分析薄層頂?shù)追瓷洳芊穹珠_；②分析楔狀模型的振幅響應(yīng)—調(diào)諧厚度；③分析時(shí)間域雷克子波的褶積模型。

第3種研究涉及雷克子波，根據(jù)子波參數(shù)（包括寬度或周期、頻率）形成了瑞雷準(zhǔn)則和雷克準(zhǔn)則。普遍采用瑞雷準(zhǔn)則，其將主周期的1/2作為分辨率極限，得到1/4波長為厚度分辨率極限。

當(dāng)?shù)卣鹳Y料都含有噪聲時(shí)，分辨率主要根據(jù)Widess定義進(jìn)行計(jì)算[1-3]。設(shè)無噪情況下的分辨率為P0，有噪情況下的分辨率為P，信噪比為R，則有：

由式（1）可見，信噪比越高，分辨率越接近于無噪情況下的分辨率；反之，分辨率降低。

由此可見，提高分辨率除了獲得窄子波、寬頻帶信號(hào)外，還需要考慮信噪比影響。

提高分辨率的技術(shù)包括在采集、疊前處理、疊后處理等3個(gè)方面。筆者僅討論一種疊后地震資料（包括疊加偏移、偏移疊加資料）高分辨率處理技術(shù)。

疊后資料提高分辨率處理方面已形成了大量的方法[4-6]，但效果一般都有限，難以從根本上解決提高分辨率的問題，其根本原因在于地震資料（高頻）噪聲影響。

20世紀(jì)90年代以來的高分辨率處理方法，一般都是基于反褶積算法，需要滿足3個(gè)重要條件[7-9]：①地震資料是最小相位的、非時(shí)空變的；②地震反射系數(shù)為白噪；③噪聲干擾為零或很小，是隨機(jī)、平穩(wěn)序列。但是，實(shí)際情況很難滿足，特別是到一定頻率高度，噪聲異常復(fù)雜而強(qiáng)烈，因此很難實(shí)現(xiàn)分辨率的顯著提升。

提高分辨率的關(guān)鍵是去噪，去噪的關(guān)鍵是要找到噪聲分布規(guī)律，但由于高頻噪聲頻率范圍寬、復(fù)雜、沒有規(guī)律或者規(guī)律不明確，通常的去噪方法都難以剔出噪聲，限制了分辨率的進(jìn)一步提高。

2000年以來，發(fā)展了其他一些高分辨率處理方法，主要包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的井控高分辨率處理方法，但這些方法要么是先提取子波再進(jìn)行反褶積、要么利用測井的頻譜來拓寬地震頻譜、要么直接進(jìn)行高分辨率物性反演[10-14]，前兩者同樣是先去噪再拓頻，對(duì)分辨率沒有明顯提高，后者不是直接提高以地震波形為表征的地震分辨率，即不是通常意義的高分辨率。

可見，以先去噪再拓頻的思路提高分辨率難以取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為此，本文研究形成了一種新思路，即不從噪聲入手，而是結(jié)合測井合成記錄與地震記錄，利用兩者高頻有效信號(hào)相似性強(qiáng)且有規(guī)律的特點(diǎn)來釋放高頻有效信號(hào)提高分辨率，并同時(shí)自動(dòng)去噪。

2 高分辨率處理方法概述

通常的地震資料優(yōu)勢(shì)頻率介于10～70 Hz，主頻介于20～40 Hz。而實(shí)際資料高頻有效信號(hào)一般在120 Hz以上還有分布，高的可以達(dá)到200 Hz。如果能把這樣高頻的地震信號(hào)完全釋放出來，無疑會(huì)大大提高分辨率，從而有效解決有關(guān)分辨率的儲(chǔ)層地質(zhì)問題。本文通過采用井控方法，有效挖掘出了高頻有效信息。

2.1 基本算法

高分辨率處理是一個(gè)復(fù)雜問題，通常的處理方法已經(jīng)難以奏效，必須要有解決復(fù)雜問題的算法來解決。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法就是其一。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)構(gòu)很多，且已十分成熟，以BP算法最多。BP算法即誤差反向傳播法，其基本思想是將輸入信號(hào)帶入網(wǎng)絡(luò)，與網(wǎng)絡(luò)函數(shù)發(fā)生作用形成結(jié)果，將結(jié)果與樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到誤差，再將誤差反向傳播到輸入端，并分配到輸入層、中間層，再傳到輸出端。如此反復(fù)迭代，直到誤差達(dá)到期望的最小，即得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值或模型。在外推階段，再將模型應(yīng)用于未知數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定處理后，得到輸出結(jié)果。

在本文的井控高分辨率處理中，輸入端即是實(shí)際地震記錄，輸出端為測井合成記錄。

2.2 方法特點(diǎn)

2.2.1 利用“三性”建模

利用合成記錄與地震記錄有效信號(hào)相似、噪聲不相似，有效信號(hào)有規(guī)律、噪聲無規(guī)律，地震記錄和合成記錄鄰頻相似性的特點(diǎn)，通過由低頻到高頻逐步映射，更容易、更精確實(shí)現(xiàn)最終模型的建立，最終建立起最低頻與最高頻的關(guān)系。這樣的方法不從噪聲入手，卻能強(qiáng)化有效信號(hào)，弱化噪聲。該方法提高分辨率同時(shí)去除噪聲，突破了常規(guī)方法先去噪后拓頻的思路。

2.2.2 自適應(yīng)外推

首先設(shè)計(jì)出了高分辨率自適應(yīng)外推網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[11-12]。圖1為自適應(yīng)外推網(wǎng)絡(luò)，是將兩個(gè)通常的BP網(wǎng)絡(luò)連接，具有自適應(yīng)能力。其前后輸入端均為地震記錄，中間層則作為輸出層，輸出高分辨率結(jié)果（相當(dāng)于合成記錄或稱作擬合成記錄），在外推過程中可以輸入未知樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練。

圖1 外推神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其次，提出了一種高效的自適應(yīng)訓(xùn)練方法。由于測井資料的局限性（非密集分布、非均勻分布、非相帶分布、數(shù)據(jù)誤差等）以及地震資料橫向相變、構(gòu)造起伏、子波差異等，建立的模型不一定能很好適應(yīng)全區(qū)，因此，在外推階段研究了相應(yīng)的措施，包括逐道[10]、放射狀調(diào)整模型，即將當(dāng)前地震道得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為下一道或四周一定范圍的初始權(quán)逐步調(diào)整。為了提高計(jì)算效率，形成了相控、構(gòu)造控制等方式來調(diào)整模型，即在全區(qū)不同相帶、不同構(gòu)造部位提取地震信息作為輸入數(shù)據(jù)，自適應(yīng)調(diào)整模型，再將模型應(yīng)用于所有未知數(shù)據(jù)。

3 模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證方法的有效性和正確性，設(shè)計(jì)理論模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要試驗(yàn)了其頻率恢復(fù)、能量恢復(fù)、相位校正、去隨機(jī)噪聲和規(guī)則噪聲，最后用以褶積模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)地質(zhì)模型如圖2所示。該模型為多層水平層和楔狀層混合的速度模型，其中上部（第4層）包含一厚度為2 m的薄層。在模型中，設(shè)計(jì)了3口井位，從左至右依次為w1、w3、w2井，分別位于200、500和800 m處。根據(jù)地質(zhì)模型，生成主頻為80 Hz的合成地震剖面（零相位），可識(shí)別設(shè)計(jì)的各地質(zhì)層位。

本文試驗(yàn)均將w1、w2井處的合成記錄作為已知曲線，而將w3井處的合成記錄作為檢驗(yàn)曲線。剖面中，井曲線均為模擬合成記錄，由井口處地層速度轉(zhuǎn)換的反射系數(shù)與子波褶積而成。

圖2 地質(zhì)模擬圖

3.2 頻率恢復(fù)試驗(yàn)

圖3為采用同頻率映射方式，即把主頻為80 Hz的地震道（寬頻、無噪聲）與主頻為80 Hz的合成記錄建立關(guān)系，然后進(jìn)行處理，獲得剖面。目的是驗(yàn)證算法是否對(duì)本身存在的信號(hào)造成破壞或使其回復(fù)。對(duì)比恢復(fù)的剖面（圖3）和原始合成剖面（圖2），幾乎完全恢復(fù)了各頻率成分，只產(chǎn)生了微弱噪聲。

圖3 頻率恢復(fù)高分辨率剖面圖

3.3 能量恢復(fù)試驗(yàn)

圖4 能量恢復(fù)高分辨率剖面圖

圖4 為模擬通常的疊加剖面，即主頻低、高頻存在但能量很弱，試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^計(jì)算恢復(fù)潛在的能量較弱的高頻有效成分，并提高分辨率。將主頻80 Hz剖面中50 Hz以上的中高頻能量衰減到原來的20%后形成（見圖4中頻譜），這時(shí)主頻為40 Hz，有效頻寬與主頻80 Hz剖面相同（5～150 Hz），但低頻段能量強(qiáng)，高頻能量弱，這與實(shí)際地震剖面相似。試驗(yàn)結(jié)果基本恢復(fù)了各頻率成分，且整個(gè)剖面接近于主頻80 Hz剖面，僅產(chǎn)生了少量噪聲。該結(jié)果說明，只要剖面上含有高頻有效成分，盡管能量弱，也能基本恢復(fù)。

3.4 相位校正試驗(yàn)

圖5 相位恢復(fù)剖面圖

圖5為進(jìn)行相位校正的試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖怯^察高分辨率處理時(shí)是否需要考慮原始剖面的相位。設(shè)計(jì)最小相位合成地震剖面（主頻為30 Hz，圖5-a），采用零相位合成記錄與該剖面建立關(guān)系，然后進(jìn)行處理，得到了零相位剖面（圖5-b），且與原始零相位剖面相近（圖5-c）。說明方法具有相位校正功能，同時(shí)表明，不管地震記錄的相位如何，都可采用零相位子波提高分辨率。因此，本方法不必考慮子波相位問題，從而使提高分辨率變得十分方便，并大幅提高了資料的利用效率。

3.5 去高頻強(qiáng)隨機(jī)噪聲

圖6 去高頻強(qiáng)噪聲試驗(yàn)圖

圖6-a為主頻40 Hz的原始無噪剖面，圖6-b為40 Hz以上高頻衰減后加入50%～70% 隨機(jī)噪聲得到的剖面，圖6-c為處理的高分辨率剖面。圖6-d、e、f為與圖6-a、b、c對(duì)應(yīng)的高頻，主頻為110 Hz。無噪剖面高頻中的有效信號(hào)同相軸清晰；原始含噪剖面高頻中有效信號(hào)雜亂無章，同相軸幾乎完全淹沒在噪聲中；高分辨率剖面高頻相比于原始含噪剖面高頻，有效信號(hào)明顯增強(qiáng)，與無噪剖面高頻接近?？梢姡叻直媛势拭嫦噍^于原始含噪剖面，其高頻強(qiáng)噪聲得到了較好壓制。

3.6 去高頻規(guī)則噪聲

圖7為隨機(jī)選擇的一段外來實(shí)際地震剖面，與本次模型剖面差異顯著，特別是上部強(qiáng)傾斜同相軸與模型剖面水平同相軸差別大。將外來剖面濾波后的中高頻（50～90 Hz，圖7-b）作為本模型的規(guī)則噪聲加入到40 Hz主頻的無噪剖面中，形成帶規(guī)則噪聲的剖面，噪聲含量在50% 左右。

圖8中間分別為500次和5 000次迭代處理后的高分辨率剖面及其高頻?？梢姡S著迭代次數(shù)增加，規(guī)則噪聲逐漸被削弱，高頻有效信號(hào)得到逐漸恢復(fù)，得到的高分辨率剖面及其高頻與無噪剖面及其高頻逐漸接近。剖面上部橢圓框中傾斜的強(qiáng)同相軸變化能較明顯反映方法的效果，高頻有效信號(hào)得到逐漸恢復(fù)并逐漸接近無噪剖面。

上述5個(gè)方面的參數(shù)試驗(yàn)，較全面展現(xiàn)了本方法在提高分辨率的關(guān)鍵作用，能恢復(fù)弱能量高頻有效信號(hào)、去除規(guī)則和隨機(jī)噪聲、校正相位，效果明顯。

圖7 加規(guī)則噪聲剖面圖

圖8 去規(guī)則噪聲試驗(yàn)結(jié)果圖

4 關(guān)鍵參數(shù)的選擇與確定

在實(shí)際應(yīng)用中需要注意兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)選擇。

4.1 頻率范圍確定方法

現(xiàn)今疊后地震資料的低頻一般在10 Hz以下，高頻有效信號(hào)一般會(huì)超過120 Hz，高的可以達(dá)到200 Hz[15-16]。通過分頻窄帶掃描可確定頻率范圍。高頻有效信號(hào)同相軸與主頻剖面同相軸近于平行，而高頻隨機(jī)噪聲則是雜亂的，高頻規(guī)則噪聲同相軸則與主頻同相軸一般不平行。因此，向高頻方向觀察，直到看不到與主頻同相軸平行的同相軸為止，其頻率可作為高截頻，可以低于但不能高于該頻率（圖9）。低截頻可維持原始剖面的低截頻。

4.2 樣本資料確定方法

大量的實(shí)際應(yīng)用表明，建立模型所用測井合成記錄與地震記錄相關(guān)系數(shù)一般要超過0.8，越高越好。樣本必須從優(yōu)選擇，即要選擇相關(guān)系數(shù)高的井段。此外，要考慮井的分布情況，盡量考慮不同相帶、不同構(gòu)造部位，以增強(qiáng)模型的適應(yīng)性。

5 實(shí)際資料處理

5.1 去高頻強(qiáng)噪聲

圖10、11為四川盆地地區(qū)某地震剖面，主頻僅20 Hz，原始剖面高頻噪聲嚴(yán)重，但高頻有效信號(hào)超過125 Hz（與剖面中紅色層位線平行的同相軸）。高分辨率剖面的高頻有效信號(hào)顯著增強(qiáng)，噪聲得到有效壓制。從頻譜圖來看，主頻從20 Hz提高到60 Hz，頻寬從5～50 Hz拓展到5～125 Hz，其分辨率提高了2～3倍。

圖9 剖面分頻掃描示例圖

圖10 四川盆地某剖面高分辨率處理圖

圖11 四川盆地某剖面125 Hz處理圖

5.2 拓頻有效性

圖12為四川盆地某構(gòu)造頁巖氣儲(chǔ)層原始疊加地震剖面及其高分辨率剖面，原始剖面主頻為35 Hz，頻帶范圍介于10～70 Hz，分辨率低。高分辨率剖面分辨率顯著提高，主頻達(dá)到80 Hz，頻帶范圍介于5～120 Hz。拓頻前，其高頻信號(hào)受噪聲干擾，同相軸錯(cuò)亂（如110 Hz），與測井合成記錄（圖中部豎向紅色曲線）明顯不符，高分辨率剖面高頻有效信號(hào)顯著增強(qiáng)，與測井合成記錄強(qiáng)弱、相位一致，同相軸得到有效恢復(fù)。此外，中低頻段（如30 Hz）有效信號(hào)沒有明顯改變，得到了較好保護(hù)。

圖12 四川盆地某頁巖氣地震剖面高分辨率處理圖

上述兩個(gè)實(shí)例表明，本方法能夠大幅度地提高分辨率，能夠恢復(fù)高頻強(qiáng)噪聲中的有效信號(hào)，對(duì)中低頻成分不造成破壞，大量的實(shí)踐表明該方法能夠適應(yīng)不同類型的儲(chǔ)層。

6 結(jié)論

1）本文提出并應(yīng)用“三性”建立地震記錄與測井合成記錄的關(guān)系，提取地震記錄中高頻有效信息，同時(shí)壓制噪聲，從而提高了分辨率，突破了傳統(tǒng)的先去噪再拓頻的思路，形成拓頻同時(shí)去噪的思路，并在建模和外推算法中有創(chuàng)新。

2）理論模擬和實(shí)例證明，該方法可大幅有效地提高地震分辨率，且結(jié)果正確。

3）方法能進(jìn)行相位校正，表明方法不受相位限制，顯著增加方法的實(shí)用性。

4）方法能最大限度釋放疊加剖面上的高頻有效信息，因此認(rèn)為，原始剖面上高頻有效信息越多越好。為此，應(yīng)在疊前處理中，采用更有效的方法保護(hù)好高頻有效成分。如采用分頻動(dòng)校正方法[17]，實(shí)現(xiàn)高頻同相疊加，可顯著增加高頻有效信息，為本方法創(chuàng)造更有利條件，更大限度提高分辨率。

5）本方法高分辨率處理成果已經(jīng)在各種儲(chǔ)層描述中得到應(yīng)用，在精度和準(zhǔn)確性上取得了顯著效果。