川中深層—超深層多次波識別和壓制技術
——以高石梯—磨溪連片三維區為例

戴曉峰 徐右平 甘利燈 陳 驍 張 旋 楊 昊

(①中國石油勘探開發研究院，北京 100083；②中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院，四川成都 610046)

0 引言

近年來，CNPC在四川盆地中部安岳地區的震旦系—下古生界碳酸鹽巖勘探中獲得重大突破，發現了震旦系—寒武系萬億立方米級大氣田[1-3]，展示了四川盆地古老地層天然氣勘探的潛力。四川盆地天然氣勘探已開始向深層、超深層拓展，震旦系油氣藏之下的深層領域成為當前的研究熱點。

地質學家研究川中地區地震剖面發現，川中深層具有多組平行層狀地震反射結構，通過研究地層、構造、基底斷裂等，提出了四川盆地在前震旦紀充填了巨厚沉積巖序列、在新元古代存在伸展構造、發育大量裂陷槽等多種猜想[4-6]。造成這種情況的原因是深層地質資料的匱乏、地震資料品質不高。川中地區前震旦系勘探程度不高，揭示前震旦系的鉆井數量較少，缺少前震旦系的露頭資料，遠遠滿足不了深層地質研究的需求。現今主要依據地震資料研究前震旦系，但由于地層年代久、地層壓力大、波阻抗差異小，導致地震波能量衰減大、有效信號能量弱，中、淺層存在的強反射界面容易掩蓋深層有效的弱反射能量，大大降低了深層地震資料的信噪比，影響地震成像的真實性和可靠性，從而造成構造或地層假象，誤導地質解釋。因此，深層的地震資料的可靠性尤為重要。

為此，本文在詳細分析川中深層地震資料特點的基礎上，分析了深層的地震反射特征，認為川中深層寒武系和震旦系地震資料存在強多次波，超深層前震旦系的連續層狀反射結構主要源于中、淺層強反射層產生的多次波，致使深層和超深層信噪比很低。基于深層多次波的認識，優化了多次波壓制流程，采用針對性技術進行深層目標處理，通過多種技術組合壓制多次波，顯著提高了深層地震資料品質，為后續地質研究、油氣勘探提供了基本的資料保障。

1 研究區概況

1.1 地質背景

四川盆地從震旦紀至中三疊世為克拉通盆地演化階段，主體以海相碳酸鹽巖臺地沉積為主，接受了一套巨厚的海相沉積。從晚三疊世至新生代為前陸盆地發育階段，主要接受了一套巨厚海、陸交互相沉積。川中地區位于龍泉山深斷裂帶與華瑩山斷裂之間，南北分別被米倉山—大巴山前緣褶皺帶和川南低陡構造帶所夾持，是揚子地臺殘留的穩定地塊，面積大于60000km2(圖1)。研究區在二級構造單元上屬于川中低緩構造帶，在中、新生代的多次構造運動中，川中地區一直相對較穩定、構造變形弱，整體表現為由西北向西南逐步抬升的斜坡，局部發育低幅度背斜[7]。

關于深層的定義，國際上尚沒有統一的標準。普遍認可的深層劃分依據是地層的實際埋深，但是對于埋深的標準，不同國家、不同機構、不同人的定義差別很大。如康竹林[8]提出中國的深層天然氣一般指聚集在埋深超過3500m地層中的天然氣。本文采用中國科學技術協會的定義：在中國西部地區將埋深為4500～6000m或古生界以下地層定義為深層，埋深大于6000m定義為超深層[9]。以川中中部高磨地區GS1井為例，該井寒武系埋深為4332.4～4954.5m，震旦系埋深為4954.5～5838.0m。按照上述標準，川中地區深層主要指下古生界寒武系及上元古界震旦系，在地震剖面上對應的時間為2.4～4.0s；超深層主要指前震旦系、南華系及以下地層。

圖1 研究區位置圖

1.2 地震、地質條件

隨著近年對川中地區持續的勘探，采集了大量二維、三維地震資料。目前川中地區整體上已被二維地震資料所覆蓋，地震資料控制面積達到40000km2。三維地震資料主要集中在川中中部，如安岳地區已形成大的高石梯—磨溪連片三維區(以下簡稱GM三維)，地震滿覆蓋面積達2800km2。研究區地表地勢平緩，主要為淺丘平緩地貌，地勢由西北向東南傾斜，海拔為200～550m。

由于GM三維地震針對深層，且地表激發和接受條件較好，覆蓋次數高，因此地震資料品質較高。圖2為GM三維地震成果剖面。由圖可見，整體信噪比相對較高，波組特征明顯，橫向連續性好。

圖2 GM三維地震成果剖面

2 深層地震反射分析

2.1 超深層的穿層現象

綜觀GM三維地震成果剖面(圖2)，Z2dn底界之下的超深層存在巨厚的連續、低角度席狀地震反射外形，地震反射特征整體表現為強振幅、中—高頻，橫向連續性較好。超深層連續地震反射和中、淺層呈平行和亞平行關系，能夠在較大范圍內連續對比，在縱向局部可達5s，人們易將上述連續、低角度席狀反射外形解釋為裂陷槽沉積和沉積地層[4]。地震波傳播理論無法解釋這種超深層巨厚的連續、低角度席狀地震強反射。根據地震波傳播理論，隨著地震波傳播距離增加，受波前球面擴散、地震波反射和透射衰減以及地層吸收等因素的影響，深層—超深層的地震反射能量衰減大。因此，在通常情況下，深層—超深層應表現為有效反射能量弱、頻率低、連續性差、信噪比低的反射特征。在三維地震剖面上超深層除了表現為巨厚的連續、低角度席狀地震反射外形之外，還存在能量更強、分布范圍小的高角度強能量反射。目前主要解釋為斷裂或沉積基底[5-6]。上述兩組產狀不同的反射同相軸相互干涉、相互錯斷，難以解釋其地質成因。

GM三維地震成果剖面(圖2)方框位置的局部放大(圖3)更清楚地展現了兩組產狀不同的反射同相軸相互干涉、相互錯斷特征。可見，在超深層低角度近水平層狀反射的背景下存在一個大型楔狀地質異常體，該異常體的地震反射連續性較好、能量強。按照沉積學的觀點，地質異常體為后期形成，在保持自身完整形態的同時，切割水平地層、破壞水平層狀反射(圖3中黑色箭頭所示)。此外，在地震剖面上還出現多處水平地層切割地質異常體的現象，如圖3中在地質體內部可連續追蹤2.9s、3.0s和3.4s處的三組水平強反射(圖中藍色箭頭所指)，嚴重破壞了地質異常體的連續性。兩組產狀不同的反射同相軸之間不合理的切割關系說明，二者之間必有一類為干擾噪聲——地震假反射。

圖3 GM三維地震成果剖面(圖2)方框位置的局部放大

2.2 井震匹配效果差

測井資料具有較高的測量精度，能更準確地描述井眼周圍地層的彈性性質[10]。因此，利用測井曲線地震正演評價和鑒別地震資料的品質和地震反射的真偽，其中制作測井合成記錄為最簡單的地震正演方法。首先由測井曲線計算地層反射系數，將反射系數與地震子波褶積得到測井合成記錄，然后對實際井旁地震道進行時深標定和波組特征對比，實現地層界面和地震同相軸標定。理論上，在測井曲線質量好的情況下，測井合成記錄和實際地震道的波組特征越相近，說明地震數據品質越高；反之，二者差異越大，說明噪聲干擾越嚴重，甚至會出現有效波被噪聲掩蓋的情況。

表1 深層(-Z2dn時窗范圍內)井震標定相關系數統計表

圖4 GS6井深層一次波井震標定圖

井震對比結果說明，深層存在強能量干擾，且干擾波能量大于有效波。干擾波一方面使有效波能量變弱，還可能同時掩蓋有效弱反射，出現地震假反射，從而引起深層小層構造解釋、儲層預測和地質解釋多解性，需要深入分析干擾波性質及其壓制方法。

3 深層多次波識別

地面地震勘探中的多次波主要為層間多次波，層間多次波和一次波具有不同的傳播規律，因此兩者具有不同的物理特性。多次波通常具有較強的周期性、較低的視速度和主頻等。根據多次波和一次波的差別，通常利用地震資料基于其速度和周期性特征識別多次波。如，速度譜存在低速能量團、CMP道集出現動校不足、隨炮檢距增大出現“同相軸下拉”現象、深層和淺層具有相似旅行時周期和構造形態等特征。

3.1 中、淺層存在多個強反射界面

在地面地震勘探中，如果地下存在諸如基巖面、不整合面或其他強反射界面(火成巖、石膏層、鹽巖和石灰巖等)，會產生能量很強的反射波。地震波在幾個界面之間發生多次反射，或在一個薄層內發生多次反射時，可形成較強能量的層間多次波。也就是說，在上覆地層中的良好的反射界面是深層地震剖面上形成多次波的必要條件。當反射界面的反射系數較大時，一次反射波能量也較大，致使多次波也有足夠的能量可以被識別。當反射界面的反射系數越大、界面越多，則形成的多次波能量越強、波組特征越復雜。

圖5 GS1井測井層速度、反射系數和合成地震記錄

3.2 全波反射系數正演

通過對比、分析含有和不含多次波的合成記錄與實際地震數據，能夠更好地分辨多次波。當實際地震數據中含有多次波時，不含多次波的合成記錄與實際地震數據匹配較差；反之，含有多次波的合成記錄和實際地震數據匹配更好。

反射率法是實現水平層狀介質全波場正演模擬的一種有效方法[11]，相比其他正演算法，其理論基礎正確，計算效率和精度均較高。本文采用反射率法進行正演模擬，將計算出的一次波 (不包含多次波)和全波(包含多次波)的反射系數與32Hz雷克子波褶積得到一次波合成記錄和全波合成記錄，圖6為GS1井正演地震記錄。由圖可見，一次波合成記錄和實際地震道在 2.1～2.4s的時間范圍內匹配很差，而全波合成記錄與實際地震記錄更加吻合，相關系數為0.8。由此可以推斷深層實際地震數據中包含較強能量的多次波。

圖6 GS1井正演地震記錄

3.3 速度譜存在低速異常

分析川中地震速度譜和CMP道集可知，超深層存在強能量多次波。地震波運動學規律表明：在一般情況下，地震波傳播速度隨深度增大而增大；相同時間位置的多次波的速度往往小于一次波，并且多次波速度隨著時間增加而減小或者基本保持不變。因此，在速度譜上多次波能量團的速度一般較低，存在低速異常現象。根據多次波能量團在速度譜上的位置，可以粗略判斷多次波的類型、強度。

圖7為某CMP道集的速度譜。由圖可見：①中、淺層(1.0～2.9s)的能量團聚焦好、能量集中；②隨時間增加能量團呈“串珠狀”分布，隨深度增加速度逐步增大，在2.9s附近出現一個明顯的速度反轉，疊加速度由5000m/s降至約4200m/s；③在超深層(2.9～4.8s)出現大量低速能量團，疊加速度變化規律與中淺層(1.0～2.9s)基本相同，具有層間多次波的低速和周期性特征；④在3.0s以下基本沒有形成有規律的一次波高速能量團，表明在深部一次波能量很弱，相對強能量的多次波完全掩蓋了一次波。

圖7 某CMP道集的速度譜

多次波除了在速度譜上表現為低速特征外，還有其他識別標志。在疊加剖面上，當地下反射界面傾角較小時，若在強反射界面下出現形態一致的同相軸且時間約為其對應一次波出現時間的倍數時，該組同相軸可能為全程多次反射波；若同相軸的形態、時間與反射界面之上的強反射具有很強的相關性，可能為層間多次波。由川中地區典型地震剖面(圖2)可見，深層近水平層狀反射和淺層強反射的特征和構造形態具有高度相關性。對比深層(3.5～4.0s)反射和淺層(奧陶系底)強反射可知，除了時間構造形態之外，兩者具有極為相似的低頻、強能量特征，并且這兩組同相軸的振幅和頻率平面屬性十分相似，由此表明超深層存在強能量層間多次波。利用正演排除了AVO、轉換波等影響因素后，筆者認為川中深層和超深層存在強能量多次波，造成深層井震標定效果差和超深層的地層假象。

4 多次波壓制方法

目前有多種壓制多次波的方法，總體分為兩類：濾波法和基于波動方程預測方法[12-16]。濾波法大都利用多次波的兩個主要特性區分有效波和多次波：一是基于多次波周期性的特點，通過預測方法壓制多次波，如預測反褶積、τ-p域反褶積等；二是基于多次波可分離的特點，通過數學變換壓制多次波，如FK變換、τ-p變換、Radon變換等，利用在某數據域中多次波與一次波的不同特征(不同的分布位置)分離多次波和一次波，并保留一次波成分，再反變換回時間—空間域，達到多次波壓制的目的。濾波法效率高且計算成本低，但精度不高，不適用于一次波和多次波特征差別不明顯的情況。波動方程預測法是將預測到的多次波通過自適應相減從地震記錄中減去達到壓制多次波的目的，其中數據驅動類的預測相減法對地下先驗信息要求少，常用的方法包括SRME(地表相關多次波壓制法)、波場延拓法、逆散射級數法等。波動方程預測法的假設條件較少，能夠適用復雜地質條件的多次波壓制，但是在實際應用中對地震資料品質要求高，存在近炮檢距數據缺失與自適應相減損害有效信號等問題[17]，在地面地震多次波壓制中難以取得好的效果。因此，針對地面地震資料和層間多次波的特點，濾波法較實用。

4.1 多次波壓制思路

壓制多次波的方法有很多種，但每一種方法均有其優勢和局限性。通常某種多次波壓制方法只能對某種特定多次波具有壓制作用，并且很多方法僅適用于某一階段的數據。川中Z2dn多次波周期性不明顯、多次波和一次波速度差異小，可分離性低，在實際處理中單一方法不能完全有效地衰減層間多次波，會殘留較強的多次波。因此，針對川中深層和超深層多次波特征和壓制難點，采用疊前和疊后聯合、不同方法組合壓制多次波的思路，逐步、有效衰減層間多次波。圖8為川中深層多次波壓制處理流程，關鍵處理技術包括：①在疊前CMP道集上采用Radon變換適度壓制特征較為明顯的多次波，以不損傷有效波為原則。目的是減小多次波對有效波速度拾取的影響，提高速度拾取精度。②完成疊前時間偏移(PSTM)處理之后，在CRP道集上進行高精度剩余速度分析，利用Radon變換逐步壓制多次波。③采用優勢炮檢距疊加處理技術提高深層資料信噪比。Radon變換利用多次波和一次波的速度差異壓制多次波，通常多次波在不同炮檢距上具有不同的時差，即炮檢距越小，多次波和一次波的時差隨之變小，Radon變換壓制多次波的能力也逐漸變弱。因此，經過Radon變換后近炮檢距地震道中還存在強能量的多次波；同時遠炮檢距地震道往往也存在道集未拉平、噪聲干擾大的問題。為此，選取合理的炮檢距范圍，采用優勢炮檢距疊加處理技術實現高信噪比地震道疊加，減小多次波的干擾。④疊后采用F-X域濾波方法識別和壓制深層殘留多次波。由于多次波和一次波差異小，經過步驟①～③后，部分疊加地震剖面上仍殘留較強能量的多次波，因此還需要在疊后數據體上壓制殘留多次波。利用處理、解釋一體化的思路對引起深層多次波的中、淺層強反射層進行構造解釋，并沿層提取地震頻譜信息，從而對深層目的層利用F-X域濾波方法識別和壓制殘留多次波。

圖8 川中深層多次波壓制處理流程

4.2 高分辨拋物線Radon變換壓制多次波

采用高分辨率拋物線Radon變換以達到更好的多次波壓制效果。在CMP道集上，經過一次波速度動校正后，由于校正不足，多次波會存在一定的剩余時差，其時距曲線更接近于拋物線。因此，采用拋物線Radon變換能更好地分離一次波和多次波[18]。由于川中地區產生多次波的原因較復雜，深層多次波與一次波的速度差異較小并在速度譜上“混疊”，很難找到明確的分界。因此，利用Radon變換壓制多次波的效果取決于能否準確建立一次波速度場。采取以下措施提高一次波速度拾取精度：首先，提高速度分析密度。速度分析網格尺寸由500m×500m加密到250m×250m，以避免大網格插值造成的橫向速度不準的問題。其次，通過井震標定確定一次波反射標志層，利用標志層層控的方法沿層拾取一次波速度點；通過縱向上多個標志層的約束，有效拾取一次波速度，同時更好地保持速度縱向變化趨勢。

圖9 Radon變換壓制多次波前(a)、后(b)速度譜(左)和道集(右)

4.3 F-X濾波壓制殘余多次波

由于多次波和一次波的速度有一定重疊，因此在經過疊前Radon變換壓制多次波后，在Z2dn仍然殘留較強能量的多次波，此時需要在疊加地震數據上進一步有效地衰減層間多次波，提高地震資料的可靠性。由于深層Z2dn層間多次波往往源于淺層的某個或幾個強反射界面，因此深層層間多次波和淺層強反射之間具有一定的內在相關性，表現出相似的振幅、頻率和時間特性。基于這種相似性，可以采用一種處理和解釋相結合的層間多次壓制方法，在已知的一次波和多次波時窗范圍內，采用F-X域最小平方濾波預測和壓制多次波。該方法假設在一定空間范圍內淺層強反射和深層多次波頻譜特征相似，當地震道數足夠多時，可以用譜矩陣的主要特征向量描述多次波。通過分析淺層強反射和深層多次波的F-X域譜矩陣特征向量，設計濾波器使淺層譜和深層譜的差最小。該方法的F-X域濾波算子為

式中：F(f)為壓制多次波的濾波器；I為單位矩陣；“+”代表共軛轉置；Vj(f)為F-X域譜矩陣的特征向量；k為所取特征向量個數，取值由最小平方法確定。

圖10為F-X濾波壓制多次波前、后的純波剖面。由圖可見：壓制多次波后剖面整體品質明顯提高，尤其是很好地消除了深層水平層狀、強能量多次波(圖10左方框處)，剖面信噪比明顯提高(圖10右)，減弱了Z2dn內部局部殘留的多次波(圖10左黃色箭頭處)，提高了地震剖面橫向能量一致性，反映了Z2dn內部厚層碳酸鹽巖地層不連續、弱振幅的反射特征(圖10右)。

圖10 F-X濾波壓制多次波前(左)、后(右)的純波剖面

5 深層多次波壓制效果

與以往地震剖面對比，經過深層多次波壓制處理后的地震剖面品質明顯提高，解決了深層井震匹配效果差、超深層兩組地震反射相互穿層的問題。

5.1 深層井震一致性提高

首先，通過井震標定對比，衡量最終多次波壓制效果。如果測井合成記錄與經多次波壓制處理后的實際地震道具有更好的相似性，說明地震數據中殘留的多次波成分少。

圖11 GS1井老(左)、新(右)地震數據井震標定對比 PI為縱波阻抗

利用經多次波壓制處理后的地震資料再次對研究區10口井的井數據進行井震標定。經多次波壓制處理后提高了井震相似性，深層平均相關系數由0.56提高到0.75(表1)，多次波壓制技術改善了地震資料品質。

5.2 超深層地震成像更為合理

經過多次波壓制處理，大部分近水平強能量多次波被消除，提高了AnZ地震成像品質。圖12為GM三維多次波壓制處理后地震剖面。由圖可見：①與以往地震剖面(圖2)相比，主體由近水平強能量連續地震強反射結構變為弱振幅不連續或者近雜亂的反射結構(圖12)，這是由于深層地層年代久、埋深大、壓力大，地層波阻抗普遍較高且差異小，不易形成較大的波阻抗界面所致。②高傾角的強能量反射連續性變好、成像更為清楚，明顯改善了以往老剖面中水平反射和高傾角反射相互“穿層”現象(圖2)。根據超深層強能量高傾角地震反射的波組特征、外部形態，初步推測為火山巖，與四川盆地新元古代前震旦紀發生的多期強烈巖漿活動的地質認識相一致，進一步說明深層多次波壓制取得了較好的地質效果。

圖12 GM三維多次波壓制處理后地震剖面

6 結束語

川中地區中、淺層存在多個低速泥巖/高速碳酸鹽巖的區域強反射界面，造成川中深層和超深層地震資料發育多次波。川中地區多次波能量強、分布范圍廣，掩蓋了實際地層的有效反射波，造成深層寒武系和震旦系井震標定效果差、儲層預測困難。超深層巨厚的連續、低角度席狀地震強反射外形在地震速度譜上具有明顯的低速特點，這是由多次波形成的構造和地層假象。利用層控速度建模、高分辨拋物線Radon變換、F-X域濾波等疊前和疊后關鍵技術組合壓制多次波，經多次波壓制后井震一致性大幅提高，超深層地層結構特征更清晰。