表層Q值確定性求取與空變補償方法

蘇 勤 曾華會 田彥燦 徐興榮 肖明圖 吳 杰

(中國石油勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

陸上地震勘探中，疏松表層介質對地震波高頻成分有強烈的吸收衰減作用，導致地震資料垂向分辨率降低；由于表層巖性、速度、厚度的橫向變化，吸收衰減程度會不同，造成地震波道間能量、頻率和相位的不一致，影響同相疊加結果的橫向分辨率。地震波的吸收和頻散特性與介質的成分、飽和度、孔隙度等密切相關，研究衰減補償時一般用品質因子Q描述這種吸收與衰減的總體效應。

目前改善地表一致性、提高分辨率的常規方法有基于地表一致性(或單道)的反褶積(含振幅補償)和基于深層地層的Q補償方法。前者基于統計方法，通常難以滿足假設條件，因此對消除表層影響能力有限。而且反褶積存在不同程度的保真性問題，甚至產生副作用[1-5]。后者忽略了表層嚴重的吸收衰減作用，因此難以獲得理想的處理成果。

近年來，對地震信號的吸收衰減研究日趨重視[6-7]，但大多數的地層Q值求取及吸收補償方法針對的是深層成巖介質[8-13]，Q模型的估算難度大，存在不確定性；反Q濾波振幅補償的穩定性、補償結果的評價等問題都亟待解決。針對反Q濾波振幅補償的穩定性問題，Wang[14]基于Kolsky-Futterman模型，從一維波動方程出發，考慮能量的吸收和頻散，導出能量補償和相位校正公式，實現了穩健有效的頻率域反Q濾波方法。

隨著油氣勘探領域對地震數據精度要求的提高，學者們開始重視表層吸收補償問題[15-20]。尹喜玲等[18]就沙漠地區的近地表吸收規律進行了初步探討，認為多次反射和透射是造成近地表衰減的主要原因。于承業等[19]提出利用雙井微測井資料，通過頻移法估算近地表Q值，強調了近地表衰減補償的重要性，指出現有處理系統的地表一致性振幅補償和地表一致性反褶積是定性的，不能在時間、頻率、空間三個域有效消除近地表影響。

為了有效解決表層吸收補償問題，本文提出了一種確定性表層Q求取和空變吸收補償方法。該方法基于地表一致性原理，實現了表層相對衰減系數統計估算、表層Q模型建立、表層Q標定以及穩定的空變Q補償，有效解決表層橫向多變的吸收問題。經模型計算驗證了方法的正確性和保真性，目前已應用于新疆、青海、大慶等多個地區實際生產。生產實踐表明：該方法能合理拓寬有效頻帶并大幅提高地震數據分辨率，且不降低數據信噪比。經表層吸收補償后，數據一致性更高，波組關系更加明確，地質現象和構造特征更加清楚。井標定和屬性分析等均證明了補償結果的可靠性，相比常規處理方法效果明顯。

1 方法原理

首先利用野外表層吸收調查數據的直達波計算調查點的表層實測Q值。在沒有表層實測Q值的情況下，也可利用表層調查的速度模型計算近似Q值：基于共炮檢域統計迭代求出炮檢點相對衰減系數，并結合表層旅行時得到表層相對Q值；再利用實測Q值或近似Q值對相對Q值的大小和空間變化趨勢進行標定，得到表層Q場；最后利用表層Q場和表層旅行時，通過有效穩定的Q補償算法對地震數據進行表層Q空變補償。表層吸收補償即相當于將炮點和檢波點從地表延拓至高速頂界的過程。該方法流程如圖1示。

圖1 表層Q空變補償流程

1.1 求表層實測Q值

實測Q值的求取是表層吸收補償方法研究的基礎，其結果對計算整個工區的Q值起著約束標定作用。利用微測井數據井底道和地面道直達波的頻率屬性和振幅屬性，通過改進的峰值頻移法或譜比法計算實測Q值[13,19-20]。

改進峰值頻率頻移法：表層對地震波的吸收會導致峰值頻率由高變低，通過分析井底道峰值頻率fw到地面道峰值頻率fg的移動可反演調查點的表層Q值，如圖2所示。改進峰值頻率頻移法結合了質心頻率頻移法和峰值頻率頻移法的優點，目的是先求質心頻率fwc，再通過式(1)將質心頻率換算成峰值頻率fw，提高算法的穩定性。

圖2 峰值頻率頻移法示意圖

(1)

峰值頻率頻移法的計算公式為

(2)

頻譜比率法(改進的譜比法)：表層對地震波的吸收還會造成振幅減弱，譜比法通過分析井中道振幅A0與地面道振幅A的比值計算Q值

(3)

圖3 譜比法示意圖

實際應用中，應先評價吸收調查記錄是否可用。由于表層的吸收作用，地面道信號相對井底道信號其振幅明顯更弱，主頻明顯降低。有時由于采集中井中道的耦合不好，所求出的Q值比較大，這樣的值不可用。野外表層Q值調查點的設計密度應以能控制區域的表層Q的長波長變化為宜。

對于表層較厚的沙漠區，也可以利用多項式擬合質心頻移法估算近地表Q值[19]。

1.2 表層相對Q值

表層吸收會造成反射信號的振幅減弱。若表層速度低或旅行時長，則表現出較強的吸收特征，這種吸收衰減具有地表一致性特點，把這種比例關系定義為相對衰減系數，作為求取表層相對Q值的重要屬性參數。具體方法為：先對原始數據去噪，選取給定時窗內信噪比較高的反射同相軸數據作為輸入，計算每道的均方根振幅，然后統計求取共炮檢點的平均振幅，迭代求出炮檢點相對衰減系數R，并結合表層旅行時、根據譜比法得到表層相對Q值。

R相當于譜比法中衰減前、后的能量比值。檢波點位置的R與表層Q值之間的關系式為

(4)

式中：t表示旅行時，根據表層模型求得；f表示地震波主頻，可根據去噪后頻譜分析計算得到；scale表示調節系數，該系數可改變Q的趨勢大小，逼近于實測Q值。

實際工作中對R做異常值過濾處理，由式(4)可以推導出表層Q值為

(5)

1.3 表層Q場的建立

基于野外實測數據求取的實測Q值及通過大炮數據統計求取炮檢點表層的相對Q值，采用圖4給出的表層Q約束標定流程可實現相對Q值的標定約束，并建立表層空變Q場，標定結果不改變表層Q值的短波長，但校正了表層Q值的長波長問題。

除表層Q值外，表層旅行時也是表層Q補償的重要參數，可通過靜校正計算得到。具體過程如圖4所示。

圖4 表層Q約束標定流程圖

求得了每個炮檢點的Q和t，也就完整地建立了表層Q模型和補償參數，為疊前數據表層Q空變補償奠定了基礎。

1.4 表層Q補償

建立表層Q場后，用穩定的表層補償算法就可以對疊前數據在頻率域進行表層Q空變補償

(6)

Wang[14]提出了穩定的Q補償算法，對振幅項做了改進，提出穩定的振幅補償量

上述Q補償算法的穩定性體現在可以通過增益限制控制補償的頻帶范圍，防止高頻噪聲的過分補償。由于補償量隨頻率和時間的增大逐漸增大，通常的補償算法都會對高頻端過分補償，造成噪聲過量、信號失真，而Wang[14]采用對完全吸收的頻率成分不再進行補償的策略，避免了對高頻噪聲的過量補償。該算法的另一優點是補償振幅的同時也可調整相位，可以同時解決地層吸收造成的地震波能量損失和頻散問題。

算法中的參數scale對補償起著重要作用，在實際工作中需要根據具體情況給定合理的值。圖5是參數scale中心頻率對相位調整項的影響。由圖可見，中心頻率發生變化時，相位調整量也隨之變化，僅僅在頻率為ωh時相位不做調整，其他情況都需要調整。

圖5 相位調整量隨中心頻率的變化曲線

圖6是在固定Q、t的情況下，給定不同Glim時的振幅補償曲線。由圖可見，Glim控制了拐點頻率(即截止頻率fh)，在實際數據補償中控制高頻端的補償量，因此合理設定Glim能降低補償結果中的噪聲水平。圖7和圖8分別為不同表層Q值、相同旅行時的振幅和相位補償曲線，也進一步說明了表層Q補償算法的自適應性。

圖6 增益限制Glim對振幅補償量影響曲線

圖7 相同旅行時(t=60ms)、不同Q值時的振幅補償曲線

圖8 相同旅行時(t=60ms)、不同Q值時的相位補償曲線

2 模型試驗

2.1 模型1

為了測試方法的正確性及適應性，利用理論模型進行正、反演論證。參照一口實際井的數據建立黏彈模型。圖9是表層速度模型和Q模型，表層Q是橫向變化的。通過波動方程正演獲得二維地震數據，利用本文方法對數據求取相對衰減系數、建立表層Q模型并驗證表層Q補償。圖10為正演Q值和反演相對Q值曲線，可見兩者吻合較好。圖11是模型正演、反褶積、表層Q補償道集及頻譜對比圖。需要說明的是試驗采用的是地表一致性反褶積，參數是經掃描后優選得到的。模型1的計算結果證明了本文法求取Q值及表層Q補償是準確且穩定的。

圖9 表層速度理論模型(上)和Q值理論模型(下)

圖10 理論模型正演Q值(藍色)和反演相對Q值(紅色)

圖12為模型正演、反褶積、表層Q補償疊加剖面及模型合成記錄對比圖，剖面中內嵌的藍色信號為合成記錄(模型)。可以看出表層Q補償的數據與合成記錄吻合性更好，分辨率更高。進一步驗證了本文方法的保真性。

2.2 模型2

模型2來自于實際的表層吸收調查數據。圖13為吸收調查的現場觀測方式示意圖，通過激發井和接收井構成雙微測井調查，分別取井底道與地面道信號，用頻移法或譜比法求取野外實測Q值。用得到的實測Q值補償地面道，與井底道對比如圖14所示。可以看出：地面道相對與井底道的衰減更顯著、振幅更弱、主頻更低，經反演Q值補償的信號與井底道的信號很相似。模型2的計算結果進一步證實，表層吸收嚴重的信號經衰減處理后，通過表層補償可以近似得到恢復。

圖11 模型正演、反褶積、表層Q補償道集及頻譜對比圖

圖12 理論模型正演、反褶積、表層Q補償疊加剖面與模型合成記錄對比圖

圖13 吸收調查的現場觀測方式示意圖

圖14 表層吸收調查數據與Q補償數據對比

3 實際應用

3.1 實例1

實例1數據來自中國西部典型丘陵地區，該區地表發育兩個大型沖積扇，表層縱、橫向速度和厚度變化較大，且淺層干燥，導致近地表有效信號高頻吸收衰減嚴重，對中深目的層地震資料成像、儲層描述、砂體識別、流體檢測等造成很大影響。

圖15為表層Q值曲線及Q空變補償處理前、后單炮及頻譜對比圖。從圖15b可以看到，補償后的記錄中淺、中、深層有效反射信噪比、分辨率均有顯著提高；從圖15c、圖15d所示的頻譜分析結果可以看出，低頻信號保持較好，中、高頻成分得到較好的恢復，有效頻帶拓寬了20Hz。

圖16為經地表一致性反褶積和表層Q空變補償的剖面對比。由圖可見，經表層Q補償獲得了高質量的地震剖面，地表一致性問題得到了較好的解決，反射層信噪比、連續性增強，分辨率、保真度提高，地質現象清晰，其效果明顯優于傳統方法。

圖15 表層Q值曲線及Q補償前、后單炮記錄及頻譜對比

圖16 地表一致性反褶積(a)與表層Q補償(b)剖面對比

3.2 實例2

實例2來自中國西部典型大沙漠地區。該地區沙丘起伏劇烈，厚度約為30～200m，地表干燥松散，表層橫向速度和厚度變化大，地震波吸收衰減嚴重，分辨率、保真度的提高是該區地震勘探的瓶頸問題。

圖17為表層補償參數平面圖對比，可見表層旅行時與表層Q值有明顯的正相關性。

圖18為表層Q補償前、后的單炮記錄對比，圖19為表層Q補償前、后疊加剖面對比。可以看出：表層Q補償后有效反射的連續性得到改善，信噪比和分辨率均有顯著提高。

圖20為分別應用地表一致性反褶積與表層Q補償處理的剖面對比。可以看出：表層Q補償后反射波組特征穩定、清晰，便于追蹤對比，信噪比、分辨率均優于常規處理剖面。

圖17 表層補償參數平面圖

圖18 表層Q補償前(a)、后(b)單炮記錄對比

圖19 表層Q補償前(a)、后(b)剖面對比

圖20 地表一致性反褶積(a)與表層Q補償(b)剖面對比

4 結束語

本文從地表一致性問題入手，引入表層相對衰減系數的概念，并由此推導表層相對Q值的計算公式。表層Q模型由野外實測的絕對Q值(或李氏經驗公式Q值)對相對Q值進行約束標定完成，然后基于空變表層旅行時、表層Q值、補償參數等實現穩定的表層Q空變補償，使表層橫向吸收衰減的信號得到最大程度的補償。

通過實測調查分析了表層吸收對信號的影響。采用確定的表層Q補償方法基本可以恢復近地表衰減前的信號。

理論模型和兩個不同地表類型的地區實測資料的計算結果驗證了該方法可有效提高計算精度。總體來說，經表層Q補償的地震資料振幅譜震蕩關系得到相對保持，反射波有效頻帶得到大幅度拓寬，疊前單炮記錄和疊加剖面的信噪比、分辨率均有較大幅度的提高。該方法為攻克表層吸收補償難題提供了新思路。