地震數據提高分辨率處理監控評價技術

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

薄互層巖性油氣藏逐漸成為勘探開發的重點領域，薄層砂體、河道砂體等儲層對分辨率的要求越來越高［1］。常規地震資料難以滿足薄層砂體儲層刻畫精度的要求，需要開展針對性的地震資料提高分辨率處理［2］。提高地震分辨率是地震資料處理的重要環節之一，方法主要包括：分頻帶反褶積、預測反褶積、零相位反褶積、反Q 濾波、譜模擬反褶積、井約束提頻和吸收補償等方法［3-8］。各種提高地震分辨率處理的方法在實際地震資料處理中發揮了重要作用，并取得了良好的應用效果。由于薄層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的方法和參數，以及地震數據的分辨率應該提高到何種程度等問題，均制約著提高分辨率處理的效果。劉浩杰等［9］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［10］從剖面和頻譜特征對3 種提高分辨率處理的方法進行了探討。錢榮鈞［11］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［12］通過頻譜、信噪比和相似系數等參數，對比分析了4 種提高分辨率處理技術，在疊前地震資料處理中取得了較好的應用效果。

在常規地震資料提高分辨率處理的過程中，由于缺乏系統的提高地震分辨率處理效果的監控評價分析方法和軟件模塊，需要對提高分辨率處理的方法和參數等進行大量的重復試驗，并需要憑借處理人員的經驗來判定方法及參數選取的正確性和可靠性，人為因素影響較大。針對薄層砂體精細描述的地質需求，開展提高分辨率處理效果的監控評價方法研究，并研發軟件系統，優選提高分辨率處理方法、流程和參數，全面可靠地監控提高分辨率處理的流程，實現提高分辨率處理效果的監控評價分析，并在準噶爾盆地中部莊3 井地區進行推廣應用，對提高分辨率處理進行全流程的效果監控評價分析，以期提高分辨率處理后識別薄層砂體的能力，為后續的油藏描述和井位部署奠定基礎。

1 方法原理

如何實現提高地震分辨率處理方法、流程及參數的優化選擇，一直是提高地震分辨率處理所面臨的難題。在常規的頻譜和剖面對比分析的基礎上，提出了多種屬性計算、組合優選的效果監控評價方法。

首先，選用不同的提高地震分辨率處理的方法、流程及參數進行數據處理；然后，通過數學公式計算目標層位地震數據的屬性參數，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，根據計算得到的屬性數值進行綜合分析，對提高分辨率處理的結果進行效果量化評價；最后，從不同測試結果中優選出最理想的效果，進而確定最佳的提高分辨率處理的方法、流程及參數。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，可以快速高效地優選出最佳提高分辨率處理的結果，縮短了地震資料提高分辨率處理的周期。

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，頻率成分會發生變化，高頻成分相對于低頻成分更容易衰減，包含不同頻率成分的頻譜則能夠反映地震數據的分辨率［13］。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，進而計算主頻、優勢頻寬、有效頻寬、倍頻程、低截頻值、高截頻值、不同頻段能量值等屬性，并分析地震數據不同提高分辨率處理的頻譜屬性，從而實現最優參數的優選。分貝譜和振幅譜的計算公式分別為

式中：d B(f)為分貝譜；|H(f)|為歸一化后的振幅譜；H(ω)為振幅譜，ω=2 πf；h(t)為地震記錄；f為頻率，Hz；t為時間，ms。

對地震數據不同提高分辨率處理結果進行傅里葉變換，在頻譜中計算主頻、頻寬、各頻段能量值等屬性，通過頻譜類分析方法能夠直觀地定量評價提高分辨率處理的效果。優勢頻寬以-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，識別薄層砂體的能力越強。隨著“兩寬一高”地震技術的發展，越來越重視低頻段信息的恢復和保護，特別是3～10 Hz 的低頻段信息。低截頻值越小，則表示低頻段信息越豐富，倍頻程也越大，反演結果越可靠，因而地震分辨率越高。

1.2 子波類方法

地震子波的提取方法主要包括：自相關方法、同態譜方法、譜模擬方法、高階統計量方法、高階譜方法和非線性理論方法等。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可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［14］為

地震子波的相位譜與雙譜之間的關系為

式中：ω為角頻率，rad/s；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。

在地震數據目標層位劃取時窗提取地震子波，一方面，可以計算地震子波的主頻、頻寬、相位等，量化評價方法與頻譜類方法的評價標準相一致，主頻越高，有效頻帶越寬，倍頻程越大，則地震分辨率越高；另一方面，對提高分辨率處理前、后的子波進行互相關和子波一致性分析，互相關數值越大，則越保幅、保真。圖1 為提高分辨率處理前、后的地震子波，提頻前子波主頻為32 Hz、頻寬為48 Hz，提頻后子波主頻為45 Hz、頻寬為74 Hz，頻帶拓寬26 Hz。另外，在壓縮地震子波、提高分辨率處理的同時，地震資料子波保持了較高的相似性，提高分辨率處理具有較高的保真性。

圖1 提高分辨率處理前（藍）、后（紅）的地震子波Fig.1 Wavelet of seismic data before（blue）and after（red）improving high resolution processing

1.3 信噪比類方法

信噪比是衡量地震資料品質的重要參數，以提高分辨率并保持一定的信噪比為標準，通過分析提高分辨率處理前、后數據的信噪比，可以定量地評價處理效果，從而根據信噪比分析結果優選最佳參數。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［15］。

通過信噪比分析可以避免過多高頻噪音的不利影響，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。能量疊加法的信噪比計算公式為

式中：M為分析時窗的采樣點數，個；N為地震道數；dij為地震記錄振幅；Es為有效信號能量；E為地震記錄能量。

頻譜估算法的信噪比計算公式為

式中：fL，fH，fc分別為信號有效頻帶的起始頻率、截止頻率、振幅譜截止頻率，Hz；X(f)為地震記錄振幅譜；Xs(f)為地震信號振幅譜。

通過信噪比分析對提高分辨率處理的結果進行效果評價，在多種方法達到相同的提高分辨率處理效果時，通過信噪比的高低進行評價，優選信噪比最高的提頻效果，從而指導方法、流程或參數的優選。

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分以及不同頻率成分隨傳播時間的變化特征［16-17］。

修正S 變換的表達式為

式中：GSTN(τ,f)為二維時頻譜；f為頻率，Hz；t為時間，ms；λ、p均為修正S 變換調節參數，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分隨時間的變化情況，即不同頻段能量的時間變化曲線，其計算公式為

式中：t為時間，ms；f1和f2分別為頻段的起始頻率和截止頻率，Hz；GSTN（t，f）為地震記錄的二維時頻譜。

進行提高分辨率處理后，高頻段能量曲線的數值明顯增大，表明時頻譜中優勢頻帶和有效頻帶寬度均增加，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了很好地恢復和補償，保持了原始數據的頻譜特征和時頻特性。

圖2 為提高分辨率處理前、后二維時頻譜對比。從圖2 可以看出，提高分辨率處理前、后頻帶分別為10～45 Hz 和10～70 Hz，地震記錄深層能量也得到了很好的補償，時頻譜的能量匹配較好，保持了原始數據的頻譜特征和時頻特性。

圖2 提高分辨率處理前（a）、后（b）時頻譜對比Fig.2 Comparison of time-frequency spectrum of seismic data before（a）and after（b）high resolution processing

2 實際資料應用效果

常用的編程語言主要有C/C++，Fortran，Matlab等［17-18］，此次采用C++和Qt 編程語言進行提高地震分辨率處理的效果評價軟件研發，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，也可以對一系列提高分辨率處理的結果進行編號，計算屬性特征的變化趨勢，從而根據柱狀圖進行定性和定量評價。

對單個數據進行評價分析，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3 為地震剖面和二維時頻譜分析結果，通過二維時頻譜能夠直觀地分析各頻率成分隨時間的變化情況。

將一系列提高分辨率處理的數據進行編號，分析不同方法或參數的屬性變化特征，通過計算的屬性值進行定量評價，從而優選出最佳提頻方法或參數。以頻譜類量化評價方法為例，如圖4 所示，頻譜類屬性包括：主頻、頻寬、低截頻值、高截頻值、低頻段能量和高頻段能量、倍頻程等。對不同提高分辨率處理的方法和參數的測試結果進行編號，圖4 中共計6 個處理參數。從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看出，編號為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 處理效果較佳，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，最佳提頻參數是編號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，倍頻程為3。通過提高分辨率處理的效果監控評價方法，可以對提高地震分辨率處理數據進行定量評價，從而優選最佳方法、流程或參數。

圖3 地震剖面（a）及時頻譜（b）Fig.3 Seismic section（a）and time-frequency spectrum（b）

圖4 頻譜類方法監控評價結果Fig.4 Monitoring and evaluation results of spectrum

準噶爾盆地中部莊3井地區主體構造位于盆1井西凹陷，其東南是莫索灣凸起，構造的主體形態為西北向東南漸深的單斜，主要目的層為三疊系、侏羅系、白堊系等，目的層埋深為3 000～6 000 m。地震資料存在縱橫向分辨率低、反射軸雜亂、層位追蹤困難、空白反射較多、斷點與斷面不清楚等問題，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。將提高地震分辨率處理效果的監控評價方法在莊3 井地區進行了應用，實現了提高分辨率處理全流程的監控，確保優選最佳方法和參數，從而獲取最優的提高分辨率處理數據。

采用逐級提頻的方式提高地震資料分辨率處理，以信噪比、子波一致性和沿層屬性為監控手段，最大程度地提升主頻、拓展頻寬。圖5 為提高分辨率處理前、后的剖面效果對比，通過分步逐級提頻處理，避免信噪比的大幅降低。圖6 為原始數據、疊前提頻和疊后提頻的頻寬屬性效果對比，原始數據主頻約為35 Hz，疊前提頻后主頻約為40 Hz，疊后提頻后主頻約為50 Hz，主頻值不斷提升。從圖5處理前、后的地震剖面可以看出，提高分辨率處理成果數據解決了原始資料分辨率低、反射軸雜亂、層位難以追蹤的問題，提高分辨率處理資料的斷裂特征更加明確，三工河組反射特征更加清晰。從圖6 中可以看出，提高分辨率分辨率處理后，頻帶拓寬15～25 Hz，主頻提升15 Hz 以上。

圖5 地震剖面效果對比Fig.5 Comparison of seismic section

圖6 頻寬屬性切片對比Fig.6 Comparison of frequency band width slices

從合成記錄標定結果（圖7）可見，通過Z4 井、Z110 井、Z102 井、Z109 井的合成記錄標定，提高分辨率處理結果與井資料更加吻合，驗證了提高分辨率處理結果的可靠性，有助于下一步的井位部署。

圖7 合成記錄標定結果Fig.7 Calibration results of synthetic records

3 結論

（1）針對提高地震分辨率處理效果監控的迫切需求，創新研究了提高地震分辨率處理效果的監控評價技術，從9 個方面的屬性特征對不同處理方法、流程或參數進行了量化評價，實現了提高分辨率處理效果評價由定性向量化的轉變。

（2）利用效果監控評價技術對提高分辨率處理進行全流程的監控，在每一步提高分辨率處理中均進行了效果監控評價，最終建立了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展，地震數據量呈指數型增加，提高分辨率處理效果監控評價技術既能夠大幅提高處理效率，縮短處理周期，還可以應用于海量數據的質量監控和其他處理環節的效果評價中，具有廣闊的應用前景。