刁 瑞

(中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257022)

0 引言

地震波在地下傳播過程中受到地層吸收衰減的影響，導致地震波高頻能量損失和相位畸變，降低了地震資料的分辨率[1]。對于薄互層油氣藏和復雜隱蔽巖性油氣藏，常規(guī)的地震反射波資料難以滿足薄砂體儲層精細刻畫的要求，特別是中深層油氣藏面臨著難以精細預測薄層砂體發(fā)育情況的難題[2]，需要針對性地開展地震資料提高分辨率處理。提高分辨率是地震資料處理的重要環(huán)節(jié)之一，提高分辨率處理方法包括：預測反褶積、分頻帶反褶積、零相位反褶積、子波整形反褶積、反Q濾波、譜模擬反褶積、譜白化、井約束提頻、近地表Q值吸收補償等方法[3-8]。反褶積方法種類很多，主要區(qū)別之一在于對地震子波的假設和估計地震子波的方法，通常假設地震信號是平穩(wěn)信號，反射系數序列是白噪序列，子波是最小相位[9]。各種提高地震分辨率處理方法在實際地震資料處理中發(fā)揮了舉足輕重的作用，并取得了良好的應用效果。

隨著勘探開發(fā)程度的不斷提高，成熟油區(qū)薄互層油氣藏、隱蔽巖性油氣藏逐漸成為勘探開發(fā)的重點，薄砂體儲層對提高地震分辨率處理方法提出了更高的要求。針對不同品質的地震數據，應該采用何種提高分辨處理方法和參數，以及地震數據的分辨率應該提高到何種程度等問題，制約著提高分辨率處理效果。劉浩杰等[10]從客觀量化角度對地震資料分辨率與頻譜特征參數的關系進行了研究。李曙光等[11]從剖面和頻譜特征對3種提高分辨率方法進行了探討。芮擁軍[12]分析了相對保幅處理的難點，對振幅處理、噪聲壓制和提高分辨率等處理技術的保幅性進行了分析。錢榮鈞[13]分析了分辨率的分類和定義，并給出了計算空間分辨率的方法。萬歡等[14]通過頻譜、信噪比和相似系數等參數，對比分析了4種提高分辨率技術，在疊前地震資料中取得了較好的應用效果。

常規(guī)地震資料提高分辨率處理過程中，由于缺乏系統的提高分辨率效果定量評價分析方法和軟件，需要對提高分辨率處理方法和處理參數等進行大量的重復試驗，在進行提高分辨率處理結果對比評價中，人為因素影響較大，難以真實客觀地定量評價處理方法和參數的選擇。筆者針對薄砂體精細描述的地質需求，開展了提高地震分辨率效果定量評價方法研究，并研發(fā)了軟件系統，從而高效優(yōu)選提高分辨率處理技術、流程和參數，全面可靠的監(jiān)控提高分辨率處理流程，實現地震數據提高分辨率處理的效果定量評價分析。效果定量評價技術在新疆車排子地區(qū)沙灣組薄層砂體油藏進行了應用，對提高分辨率處理進行全流程的效果定量評價分析，提高分辨率處理后識別薄層能力顯著增強，為后續(xù)的油藏描述和井位部署奠定了堅實的基礎。

1 方法原理

如何實現提高分辨率不同技術、流程及參數的最優(yōu)化選擇，一直是提高分辨率處理所面臨的難題。在提高分辨率處理效果評價方面，針對常規(guī)頻譜和剖面對比的優(yōu)選難題，提出了對不同數據進行多種屬性計算、多種屬性組合優(yōu)選的效果定量評價方法。

首先，選用不同提高分辨率方法和參數進行數據處理；然后，通過數學公式計算測試數據地質目的層屬性參數，包括：振幅、頻率、相位、信噪比、時頻特征、相干特征、振幅比特征、波形特征、斷層特征等；再次，綜合分析所有屬性信息，對提高分辨率處理結果進行效果定量評價；最后，從不同測試結果中優(yōu)選最理想效果，確定最佳提高分辨率方法和處理參數。通過技術(參數)差異性繪圖，結合屬性提取、合成記錄標定等多因素綜合分析，從而實現對提高分辨率處理前后效果優(yōu)劣的評價，達到高效勘探與開發(fā)的目的。

1.1 頻譜類方法

地震波在地層中傳播，隨著傳播距離的增加，高頻成份相對于低頻而言更容易衰減，包含不同頻率成份的頻譜則能夠反映地震數據的分辨率。振幅譜主要通過主頻和頻寬兩個參數來描述，是一個時間域信號在頻率域的表達方式，可以對時間域信號進行快速傅里葉變換得到。

通過傅里葉變換算法可以求得地震數據的振幅譜和分貝譜，從而計算主頻、有效頻寬、倍頻程、低截頻值、高截頻值、不同頻段能量等信息，分析不同提高分辨率方法和參數的頻譜屬性，從而實現最優(yōu)參數的優(yōu)選。振幅譜和分貝譜計算公式如下：

dB(f)=20log10|H(f)|

(1)

式中，dB(f)是分貝譜，|H(f)|是歸一化后的振幅譜，H(ω)是振幅譜，h(t)是地震記錄。

對不同提高分辨率方法和參數的地震數據分別進行傅里葉變換，在變換得到的頻譜中求取主頻、頻寬等屬性，優(yōu)勢頻寬以-18 dB為標準，有效頻寬以-24 dB為標準。主頻越高，有效頻帶越寬，倍頻程越大，則地震分辨率越高。隨著“兩寬一高”地震技術的發(fā)展，越來越重視低頻段信息的恢復和保護，低截頻值越小，則表示低頻段信息越豐富，倍頻程也越大，從而分辨率越高。

1.2 子波類方法

地震子波提取方法主要包括：自相關方法、同態(tài)譜方法、譜模擬方法、高階統計量方法、高階譜方法、時空變方法和非線性理論方法等，地震子波提取方法各有優(yōu)缺點，適用于不同信噪比的地震數據。

通過地震記錄的高階累積量可以近似得到地震子波的高階累積量，根據地震記錄的功率譜計算得到子波振幅譜，利用地震記錄的雙譜重構地震子波的相位。地震子波頻譜的計算公式如下[15]：

B(ω)=|B(ω)|ejφb(ω)。

(2)

地震子波的相位譜與雙譜之間的關系為：

ψ3b(ω1,ω2)=φb(ω1)+φb(ω2)-φb(ω1+ω2),

(3)

式中：ω為頻率；φb(ω)為地震子波相位譜；ψ3b(ω1,ω2)為根據地震信號三階累積量加時窗計算得到的雙譜。

在地質目標層位劃取時窗，提取地震子波后，一方面，可以計算地震子波的主頻、頻寬、相位等，另一方面，對提高分辨率處理前、后的子波進行互相關，可以計算得到不同方法或參數所對應的子波一致性定量數值，從而直觀評價提高分辨率的效果。

在子波頻譜評價方面，通過變換得到振幅譜和相位譜后，可以根據振幅譜計算得到主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、倍頻程等，與頻譜類方法的評價標準一致。另外，根據相位譜評價提高分辨率處理對相位的改變程度。

在子波一致性評價方面，設定子波一致性評價標準，低于該標準,則表明提高分辨率處理破壞了子波一致性;高于該標準，則表明提高分辨率處理在壓縮地震子波的同時，保持了較好的子波一致性。

1.3 信噪比類方法

信噪比分析方法包括：能量疊加法、頻譜估計法、功率譜估算法、相關法和特征值法等[16]。信噪比低的地震資料優(yōu)選頻譜或功率譜法。信噪比是衡量地震資料品質的重要參數，通過分析提高分辨率處理前后數據的信噪比，可以評價不同提高分辨率方法和參數的處理效果，從而根據信噪比分析結果優(yōu)選最佳參數。

通過信噪比分析可以避免過多高頻噪聲的不利影響，從而確保擴展頻帶寬度的可信度。由于不同層位或同一層位的地震波能量差異巨大，通常情況下在某一時窗內進行信噪比分析，能量疊加法信噪比分析公式如下：

式中:M為分析時窗的采樣點數,N為地震道數,dij是地震記錄振幅。

選取多種信噪比計算方法，進行定量化的信噪比分析，可以對提高分辨率結果進行效果評價。在多種方法達到相同提高分辨率效果時，通過信噪比高低進行評價，從而指導方法或參數的優(yōu)選。

1.4 時頻分析方法

時頻分析方法解決了一維傅里葉變換中時間域和頻率域分離的不足，可以同時分析不同時刻包含的各頻率成份，以及不同頻率成份隨傳播時間的變化特征[17]。

修正S變換的表達式如下：

exp[-fp(t-τ)2/2λ]exp(-i2πft)dt,

(5)

式中:GSTN(τ,f)是二維時頻譜，h(t)是地震記錄，λ、p是修正S變換調節(jié)參數，可以獲得不同分辨率的時頻分析結果。

對比提高分辨率處理前、后的時頻譜特征，一方面，可以分析不同時刻的頻譜特征，避免了傅里葉變換時窗大小的限制，能夠更加精細地分析頻率變化特征，另一方面，可以分析不同頻率成份隨時間的變化情況，即不同頻段能量的時間變化曲線，計算公式如下：

(6)

式中:t為時間，單位ms；f為頻率，f1和f2為頻段的起始頻率和截止頻率，單位Hz；GSTN(t,f)為地震記錄的二維時頻譜。提高分辨率處理后，高頻段能量曲線的數值明顯增大，表明時頻譜中優(yōu)勢頻帶和有效頻帶寬度增加，而高頻段能量曲線的變化趨勢保持不變，表明地震記錄能量得到很好的恢復和補償，并且時頻譜的淺中深層能量關系匹配較好，保持了原始數據的頻譜特征和時頻特性。

2 定量評價軟件系統研發(fā)

目前常用的編程語言主要有C/C++、Fortran、Matlab等語言[18-19]，在此采用C++和Qt編程語言，進行提高地震分辨率效果定量評價算法開發(fā)與軟件研發(fā)，所研發(fā)的軟件具有可移植、跨平臺的特點。該軟件共包括：頻率分析、波形分析、子波一致性分析、能量分析、信噪比分析、振幅譜分析、時頻譜分析、子波分析、沿層屬性分析等模塊功能。

對原始地震記錄進行提高分辨率處理，得到不同方法和參數的一系列結果，可以對單個數據進行頻譜分析、時頻分析和子波分析等，也可以將一系列提高分辨率結果進行編號，計算屬性特征的變化趨勢，從而根據柱狀圖進行效果定量評價。

對單個提高分辨率數據進行評價分析，圖1是地震數據剖面顯示和二維時頻譜分析結果，在地震剖面上劃取時窗可以快速實現頻譜分析、時頻分析和子波分析等功能。

圖1 地震數據顯示及時頻譜分析Fig.1 Seismic section and time-frequency spectrum

將一系列提高分辨率結果進行編號，分析不同方法或參數的屬性變化特征。圖2是頻譜類方法定量評價結果，頻譜類屬性包括：主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、低頻段能量、高頻段能量和倍頻程等。對不同提高分辨率方法和處理參數的測試結果進行編號，圖中共計6個處理參數。主頻屬性分析結果顯示，不同處理參數的主頻基本相同，編號4～6的主頻略高，約為20 Hz；從頻寬屬性、高截頻值屬性、高頻段能量屬性的分析結果可以看出，編號4和5的處理參數最佳，頻寬約為44 Hz，高截頻值為50 Hz；低截頻值屬性顯示編號1～4效果最佳，約為6 Hz，但低頻段能量屬性顯示編號1～5的效果整體比較理想。綜合考慮主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、低頻段能量和高頻段能量，最佳處理參數是編號4，主頻為20 Hz，頻寬為44 Hz，低截頻值為6 Hz，高截頻值為50 Hz，約3個倍頻程。

圖2 頻譜類方法定量評價結果Fig.2 The quantitative evaluation results of spectrum

3 實際資料應用效果

提高地震分辨率效果定量評價技術及軟件系統在新疆車排子工區(qū)處理中進行了應用，實現整個提高分辨率處理過程的全流程監(jiān)控。新疆車排子工區(qū)在沙灣組發(fā)育薄砂體油藏，老成果資料存在縱橫向分辨能力低、反射軸雜亂、層位追蹤困難、空白反射較多、斷點與斷面不清楚的難題，造成低序級斷層識別難度大，儲層精細描述落實存在一定風險，迫切需要高分辨率處理地震資料的支撐。

圖3是提高分辨率處理前、后地震剖面的效果對比，圖3a是提高分辨率處理前的原始數據，圖3b是采用地表一致性預測反褶積(步長12 ms)和反Q濾波(參數取20)的多步提頻處理結果，圖3c是僅采用反Q濾波(參數取50)的處理結果。

采用提高分辨率效果定量評價軟件對處理效果進行分析，如圖4所示，對原始數據、多步提頻數據、反Q濾波數據分別編號1、2、3，其中圖4a為頻譜類定量評價結果，圖4b為信噪比、子波一致性、波形相似性定量評價結果。從圖4a中可以看出：編號2數據的主頻為27 Hz、頻寬為42 Hz、低截頻值為7 Hz、高截頻值為49 Hz，均優(yōu)于編號3數據；編號2數據的低頻段能量和高頻段能量較強，表明低頻段和高頻段信息豐富。從圖4b中可以看出：提頻處理后信噪比略有降低，但在可接受范圍；子波一致性和波形相似性方面，在中頻段兩種方法基本接近，在高頻段編號2數據的子波一致性和波形相似性更優(yōu)。分析結果顯示多步提頻優(yōu)于反Q濾波，從地震剖面中也可以得到相同的結論，采用多步提頻的處理結果較好地保持了河道砂體的特征(紅色橢圓所示)，并且具有較高的保幅性。

在提高地震分辨率處理過程中，進行了全流程的效果定量評價，確保優(yōu)選最佳提高分辨率方法和處理參數，從而獲取最優(yōu)的提高分辨率結果數據。圖5是提高分辨率處理前、后的效果對比，從提高分辨率前、后的地震剖面中可以看出，提高分辨率處理成果數據解決了老成果分辨率低、空白反射多、層位難以追蹤的問題，利用提高分辨率處理數據可以滿足砂組細分的需求。

a—原始數據;b—多步提頻處理結果;c—反Q濾波處理結果a—original processing data;b—multistep high resolution data;c—inverse Q filtering data圖3 提高分辨率效果對比Fig.3 Improved resolution effect contrast

a—頻譜定量評價結果;b—信噪比、子波一致性、波形相似性頻譜定量評價結果a—the quantitative evaluation results of spectrum;b—the quantitative evaluation results of S/N,wavelet consistency,waveform similarity圖4 定量評價結果Fig.4 The quantitative evaluation results

圖5 提高分辨率前(a)后(b)效果對比Fig.5 The effect contrast of high resolution processing before(a) and after(b)

4 結論

1)針對提高地震分辨率效果監(jiān)控的迫切需求，創(chuàng)新研究了提高地震分辨率效果評價技術，從9個方面的屬性特征對不同處理方法和參數進行定量評價，實現了提高分辨率評價由定性向定量的轉變。

2)利用效果定量評價技術對提高分辨率處理進行全流程的監(jiān)控，最終建立針對不同地質目標的最佳處理流程，能夠大幅提高薄層砂體的識別能力。

3)隨著高密度地震技術的不斷發(fā)展，地震數據量呈指數型增加，提高分辨率效果定量評價技術既能夠提高處理效率，還可以應用于海量數據的質量監(jiān)控和其他處理環(huán)節(jié)的效果評價中，具有廣闊的應用前景。

致謝：感謝中國石化勝利油田物探研究院“提高薄互層地震分辨率處理技術推廣應用”項目組的大力支持！