基于穩定因子的峰值頻移Q補償技術在黃土源區的應用

董恩義，蘇 海，高 秦，王 瑋，惠志雄，田媛媛

DONG En-yi1, SU Hai1, GAO Qin2, WANG Wei2, HUI Zhi-xiong2, TIAN Yuan-yuan2

1.西安石油大學 地球科學與工程學院 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院長慶分院，陜西 西安 710021

1.Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2.Changqing Branch, Geophysical Research Institute, BGP, CNPC,Xi'an 710021, China

隨著對油氣資源勘探的不斷深入，勘探目標由簡單逐漸轉變為復雜多變的地層，這就要求地震解釋和反演所需要的數據擁有更高的保真度和分辨率。而Q吸收補償技術近年來在地震資料高分辨率處理方面扮演著越來越重要的角色，經過前人的不斷努力現已發展成為主要處理手段之一。地震數據Q吸收補償技術是從地層Q吸收的物理過程出發，對因地層Q吸收而衰減的頻率分量進行振幅補償，以及對因地層Q吸收而畸變了的子波相位進行校正。早期的Hale（1982）依據標準線性體模型理論，研究了獲得Q模型的方法，并提出了反Q濾波方法，但該方法計算量非常大，難以用于實際生產[1]；Hargreaves 等（1991）從Stolt 偏移出發，采用傅里葉變換，僅進行穩定相位的補償，不考慮不穩定振幅補償項進行反Q濾波[2]；Wang（2002，2003）等基于波場延拓的理念，對地震記錄逐點補償，采用穩定因子的補償方法，改善了補償的不穩定，這種方法也是目前實際資料生產中最為有效廣泛的[3]； Van Der Baan（2012）將反Q濾波和維納反褶積結合，用反Q濾波補償相位而使用零相位的維納濾波補償振幅，得到分辨率較高的資料[4]；張固瀾等（2015）提出了一種自適應增益限的反Q濾波，其增益限和穩定因子都是時變的，有效控制了Q補償數值非穩定性問題，但因為補償函數是分段的，導致子波截斷效應的產生，導致實際應用受限[5-8]；Li 等（2016）根據疊前地震資料的特點，將衰減分為與偏移距有關的衰減和無關的衰減分別進行反Q濾波，并引入正則化作為約束項[9]。

Q吸收補償技術在近半個多世紀的發展下以其理論成熟、效果顯著等優點受到廣大地質工作人員的青睞，并且近年來廣泛地運用到實際資料的處理過程中。王一惠等（2019）嘗試就近地表Q補償技術在西部中深層地震數據上展開了應用，補償后數據分辨率有較好地提高[10]；許磊明等（2019）在前人研究的基礎上，開展了黃土塬區近地表Q值反射法和折射法質心頻移估計研究，并將求取的Q值應用于鄂爾多斯盆地天環坳陷南段的演武北三維地震資料Q補償上，結果顯示單炮一致性得到改善，主頻由20 Hz提高到35 Hz左右，有效頻帶合理拓寬[11]；付鎖堂等（2020）根據黃土塬地表起伏特點，形成了兩步法地表一致性近地表Q吸收補償處理技術，即在炮點域補償來自炮點位置路徑的吸收衰減，在檢波點域補償來自檢波點位置路徑的吸收衰減，有效提高了地震資料分辨率[12]。

黃土塬工區地震數據處理的主要難點是因為巨厚的低降速層、復雜的近地表結構以及高頻有效信號被嚴重吸收，從而導致頻帶變窄，成像分辨率低下。針對上述問題，本文研究基于穩定因子的峰值頻移Q補償技術在該工區應用的可行性。通過對比選擇峰值頻移法來求取相對Q值，再用近地表調研數據求取的絕對Q值標定相對Q值獲得Q場，最后運用穩定因子Q補償技術對于鄂爾多斯盆地黃土塬X工區的實際地震資料進行高分辨率Q補償處理。通過對比觀察Q補償前后的單炮記錄、振幅頻帶寬度、疊加剖面、主頻屬性以及時間切片，由點到面多角度多方向地分析該方法應用的效果，以期能夠有效地提高鄂爾多斯盆地黃土塬區地震資料分辨率。

1 方法簡介

1.1 峰值頻移法估算Q值

品質因子Q（Qualityfactor）是用以闡明地震波在地層之間傳播時因為介質粘滯效應而引起能量衰減和頻率擴散強弱的物理量，而峰值頻移法就是通過研究不同時刻地震波的頻率特征來求取Q值。假定將震源子波近似看成Ricker子波，對于同一檢波點樁號，激發點對應的不同目的層反射時間不同，因此可以由兩個時刻t1、t2的峰值頻率fp1、fp2算出地震波初始時刻的峰值頻率fm：

然后對比其地層吸收衰減關系，從而可將Q值可以表示為：

式中，fm為地震子波的峰值頻率，fp為衰減后的峰值頻率。

為了驗證峰值頻移法在估算品質因子Q方面的可靠性，結合工區近地表調研數據選取了50 Hz的Ricker子波，通過射線追蹤法合成一個采樣間隔為2 ms，地層間厚度分別為200 m、300 m和500 m，道與道之間的距離為20 m，層速度分別設為1 000 m/s、1 500 m/s和2 000 m/s的一個含衰減的水平地質模型，如下圖1（a）所示。其中這三層合成衰減記錄的品質因子Q分別設為20、50和90，如圖1（b）所示。

圖1 合成地層模型（a）和輸入的Q因子曲線（b）Fig.1 Synthetic formation model (a) and input Q factor curve (b)

分別運用峰值頻移法和解析法對合成的地質衰減模型進行品質因子Q的估算，所求取的Q品質因子曲線分別如圖2（a）和圖2（b）所示，通過與對比可見峰值頻移法比解析法在估算結果誤差上更小，且其還具有較好的抗噪性的特點，從而驗證了峰值頻移法估算Q值的可靠性。

圖2 峰值頻移法估算的Q因子曲線（a）和解析法估算的Q因子曲線（b）Fig.2 Q-factor curve estimated by peak frequency shift method (a) and Q-factor curve estimated by analytical method (b)

1.2 穩定因子Q補償方法

Q補償的目的是補償地震信號的有效頻帶范圍內的能量，且不放大有效頻帶外的高頻噪聲，才能獲得較好的補償結果。傳統的Q補償技術一般是對振幅補償項和相位補償項共同進行補償[13][14]，其補償算式由波動方程運算得出為：

式中：U（τ，ω）是未經補償的頻率域數據，即對地震道數據做傅里葉變換的結果；U（τ+ Δτ，ω）是經過振幅和相位補償后的頻率域數據；τ是傳播時間；Δτ表層旅行時；ω是角頻率，是地震頻帶內與最高頻率有關的調諧頻率。

但是在實際運用中考慮到穩定性的因素，故而引用了王陽華提出的優化后的穩定因子Q補償方法，對振幅補償量進行了穩定化處理：

式中：Λ（ω）的穩定的振幅補償量；σ2是穩定因子；β是經驗穩定公式。

穩定因子跟經驗穩定公式為：

式中：Glim是增益限制，單位dB，是一個可調整的參數；ωh是中心頻率（角頻率），是一個調整參數，跟地震波頻帶的最高頻率有關系的一個量；γ=（2/π）.tan-1（1/2Q）；t為表層旅行時。

2 Q吸收補償應用效果

2.1 研究區地質概況

本文實際地震數據體取自于鄂南黃土塬X工區，構造單元屬于伊陜斜坡和天幻凹陷南部，油氣資源儲量豐富。工區南部大部分地區位于陜甘寧接壤的黃土塬地區，地下構造斷裂發育，地形、工區地表高程變化大，如圖3所示，低降速層厚度變化大，高速層速度變化大，地貌條件相當復雜。

圖3 工區地表高程圖Fig.3 Surface elevation map of work area

這些因素使得黃土塬區的地震資料品質在橫向上呈不一致性，采集的原始地震資料分辨率低，如圖4工區原始單炮記錄所示，從而影響后期的成像效果，對巖性油氣藏勘探極為不利。

圖4 工區原始單炮記錄Fig.4 Original single shot record in work area

2.2 Q補償應用特色

為了能準確恢復因工區復雜地質情況所導致的振幅能量衰減和相位畸變等情況，創新性地將工區近地表綜合調查數據和基于穩定的峰值頻移法Q補償技術綜合運用，具體步驟如下：

（1）首先利用工區近地表調查資料中包含的表層信息、地面和井底檢波器接收的地震信號、振幅及頻率的變化規律來求取表層絕對Q值；

（2）其次根據地震資料來計算各個炮檢點的響度振幅系數，再通過峰值頻移法由相對振幅系數和靜校正階段計算出的表層旅行時來計算出相對Q值；

（3）用求取的絕對Q值來標定相對Q值，進而獲得最終優化后的相對Q場，如圖7所示；

（4）最后利用所求取的優化Q場和表層旅行時，使用穩定因子的Q補償算法對工區實際地震數據體進行Q補償處理，具體補償后效果詳見2.3的內容。

圖5 相對Q場Fig.5 Relative Q-field

2.3 Q補償應用效果

通過使用上文所提及的方法對工區地震數據進行Q補償處理，對比分析Q補償前后的地震數據的一致性、分辨率和頻譜特征。如圖6所示為工區Q吸收補償處理前（a）后（b）的單炮記錄對比圖，可見Q吸收補償后的單炮目的層反射信號更加清晰，子波一致性更好，同相軸的橫向連續性得以明顯改善，雙曲線規律更強；觀察Q補償前后單炮頻譜對比，如圖7所示單炮主頻由15 Hz提高到約25 Hz左右，頻帶拓寬，分辨率明顯提高。

圖6 Q補償前(a)后(b)單炮對比Fig.6 Q compensation before (a) after (b) single shot comparison

圖7 Q補償前后單炮振幅對比Fig.7 Comparison of single shot amplitude before and after Q compensation

圖8是Q吸收補償前（a）后（b）的疊加剖面對比圖，可以清晰的看到補償后的地震疊加剖面反射同相軸的波形特征更加活躍，目的層的弱信號振幅和頻率都得到有效恢復，同相軸更加連續，目的層的橫向分辨率以及成像精度都得到了有效提高。通過局部標注點的對比可以更加清晰地看到Q補償前一些模糊的同相軸在補償后變得更加清晰光滑，剖面整體品質得到顯著提升。

圖8 疊加剖面Q吸收補償前(a)后(b)對比Fig.8 Superimposed profile Q before (a) and after (b) comparison of absorption compensation

通過圖9疊加剖面Q吸收補償前后的頻譜對比可以看出資料的整體主頻得到提升10Hz左右，頻帶得到拓寬；從Q補償前圖10（a）后（b）主頻屬性對比可以進一步看出高頻能量得到高效地恢復，主頻得以顯著提升；從Q補償前圖11（a）后（b）的時間切片對比分析看，Q補償后時間振幅切片局部分辨率更高，地質現象更加清楚豐富，從而為后續的地震解釋和反演等工作奠定良好的基礎數據。

圖9 疊加剖面Q吸收補償前后頻譜對比Fig.9 Comparison of spectrum before and after Q absorption compensation of superimposed profile

圖10 疊加剖面Q補償前（a）后（b）主頻屬性圖對比Fig.10 Comparison of main frequency attribute diagrams before (a) after (b) superimposed profile Q compensation

圖11 疊加剖面Q補償前(a)后(b)時間切片對比Fig.11 Time slice comparison before (a) and after (b) superimposed profile Q compensation

3 結論

本文提出的基于穩定因子的峰值頻移Q補償技術在鄂南黃土塬工區的實際綜合運用過程中得到以下結論和認識：

（1）基于穩定因子的峰值頻移Q補償技術適用于鄂爾多斯南部黃土塬X工區地震資料，Q補償處理后使得地震數據主頻提高10Hz左右，頻帶拓寬5～14Hz；解決了同相軸橫向連續性不足、振幅能量衰減以及相位畸變等問題，最大程度上實現了原始資料振幅恢復，提高了分辨率，滿足后續地震處理解釋對資料品質的要求。

（2）相較之以往工區資料處理使用的譜比法、解析法等來求取絕對Q值，峰值頻移法不僅擁有優異的抗噪性，還具有不錯的估算精度，再搭配穩定因子Q補償法，從而大大提高了工區的應用生產效率，接下來可以在具有相似地質條件的工區嘗試推廣應用。

（3）當今大部分成熟的Q補償方法都是基于各種假定條件下的，本文用到的穩定因子Q補償技術也不例外，它是以層狀Q場為前提的。這樣并不能完全真實的反映出地下各種介質的實際情況，所以Q補償技術的應用還有待更加深入透徹的研究。