頻譜恢復高分辨處理技術在薄層識別研究中的應用

李鵬飛, 肖又軍, 成 鎖, 鄭多明, 馮 磊,肖 文, 袁 源, 趙光亮, 陳 強

(中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發研究院，庫爾勒 841000)

0 引言

根據井下小層對比分析，輪南地區TII0砂體具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、橫向不連續的特點，目前地震資料遠達不到對本區TII0小層砂體識別精度要求。為了開展輪南中平臺地區的TII0小層的整體評價，亟需開展提高分辨處理的技術攻關。提高地震資料分辨率,一直是地震資料數字處理工作者的追求目標。高分辨率地震資料數據處理的關鍵環節就是壓縮地震子波，或者去除地震波在地下傳播過程中干涉、調諧等效應對地下地層的影響，拓寬有效地震信號的頻帶范圍，特別是較為準確地拓寬高頻成分。薄層的識別和厚度估計是當前地震石油勘探領域的主要研究方向，最早由Widess等[1]開始研究薄儲層，其客觀評價了薄層反射系數振幅與地層厚度的關系，并且定義了子波波長的八分之一是薄儲層的極限分辨率;李慶忠[2-3]深入研究分析了薄層的振幅譜和頻率譜，同時指出影響地震信號響應的因素眾多;蘇盛甫[4-5]將薄層定義為小于四分之一子波波長的地層，同時給定了計算方法;張玉芬等[6]提出層數是最影響反射系數振幅特征的因素;竇易升[7]指出用振幅譜平方比法對薄層厚度進行定量分析;汪恩華[8]深入研究并推導出了任意入射角、入射條件下多個薄層反射系數譜，進一步獲得在薄層條件下不同頻率成分的縱波反射系數譜的數學關系;黃緒德等[9]提出了薄層的頻域信息會隨薄層厚度的變化而變化，并進行了理論模型和實際數據測試;Castagna[10]等對譜反演原理做出了詳盡的解釋，基于 Widess楔形模型理論，將反射系數序列分解成奇分量和偶分量，并提出了一種新的譜反演計算方法；Castagna[11-12]提出了頻譜恢復稀疏層反射系數反演技術, 使地震分辨率突破了傳統地震分辨率，地震分辨率可達到1/8λ～1/16λ；張繁昌等[13]對稀疏反射系數頻率域正余弦分量協同反演方法開展研究。

經過近30年的發展，各種提高分辨率的技術方法都得到了不同程度地應用，但眾多提高分辨率技術都是利用各類數學變換與組合局限于在地震數據的截止帶寬內開展高頻增強研究[12]。大多高分辨率結果僅僅是數學算法的變換，簡單的對原始地震信號中的高頻組份進行加強，且多數提高分辨率處理技術只注重高頻能量的提升，往往忽視低頻能量地保持，雖然得到視分辨率很高的地震剖面，但由于低頻能量的損傷或者相對降低，破壞了地震信息的空間連續性，不利于屬性提取和儲層反演?；跁r頻譜的頻率恢復方法由于其拓頻能力強，處理結果能較好保持低頻能量趨勢，保幅性好，是近幾年高分辨處理研究的熱點。其最大優勢是利用地震信號中信噪比最高的主頻部分預測高頻成份，而非簡單的對原始地震信號中的高頻組份進行加強，從而避免了高頻噪音對薄層信息的壓制與干擾[19]。

1 頻譜恢復高分辨處理方法原理

頻譜恢復高分辨率處理方法屬于譜反演的一種，譜反演的原理就是根據時間域褶積模型，從地震記錄中去除地震子波的影響，進而得到反射系數序列。在時間域內一個脈沖對的表達為式(1)(圖1)。

g(t)=r1δ(t-t1)+r2δ(t-t1-T)

(1)

其中：r1為層頂部反射系數；r2為層底部反射系數；t為時間位置；t1為頂部反射的時間位置；T為層厚度。

將分析點放在層的中心點位置，進行傅立葉變換后，用三角法則進行化簡約去t，得到式(2)。

g(f)=2recos( πfT)+2rosin( πfT)

(2)

基于褶積原理，s(t,f)是地震數據，w(t,f)是已知的子波。

iro(t)sin [πfT(t)]}dt

(3)

最后整理得到單層目標函數為式(4)。

(4)

圖1 兩層反射率模型Fig.1 Two-layer reflectivity model

目標函數中，S(t,f)/W(t,f)可以認為是反褶積過程，在這里我們假設子波是已知。在求解過程中子波的正確與否將很大程度上影響反演的結果，因此子波的提取是一個非常重要且嚴謹的過程，要盡可能的使用接近真實地層的子波。對于厚度T,在反射系數中可以理解為第一層到最后一層的距離，第二層到倒數第二層的距離，依次類推，在信號的奇偶分解中可以認為是進行奇偶分解的信號對之間的距離。

圖2 頻譜恢復高分辨率處理技術原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of high resolution processing technology for spectrum restoration

圖3 頻譜恢復高分辨率處理技術流程Fig.3 Spectrum recovery high resolution processing technology flow

美國著名地球物理學家Castagna[19]團隊在常規譜反演理論基礎上，基于全新、開創性的地震信號理論研發了頻譜恢復高分辨率處理技術。地層單元頂底面對應的時間域脈沖信號變換到頻率域后，在頻域其反射系數譜具有一定周期性，振蕩周期是地層厚度的確定性函數，在地震信號品質最好的主頻段內包含有薄層的反射系數譜的信息，利用這一性質可以對薄層反射記錄進行同步耦合尋優擬合，求得薄層厚度和反射系數，從而使地震資料分辨率得到提高。該方法重點是在求解過程中開展頻譜分解，筆者采用約束最小二乘頻譜分析法實現頻譜分解[20]，依此來獲取局部頻譜信息，最終用全局尋優的稀疏層法反演獲得反射系數，這也是與傳統根據稀疏脈沖反演計算初始反射系數方法反演出高頻成分所不同的地方，使用稀疏層法反演獲得反射系數后，再逐道計算預測原始數據的高頻成份，最后回加最佳子波，最終產生二倍于原始地震資料或更高倍的高分辨率地震數據體(圖2)，具體技術流程見圖3。影響該技術的關鍵因素主要有：①原始地震資料提高信噪比處理,防止提頻過程中放大噪聲；②從地震數據中去除子波，提取計算反射系數的奇部和偶部；③根據稀疏層反演計算初始反射系數的方法，反演出高頻成分；④高頻成分與奇部、偶部反射系數，由權重函數控制，組合出完整的寬頻反射系數體。對于高分辨處理拓頻能力，主要取決于地震資料本身的品質特征。適合頻譜恢復高分辨處理的地震數據體①需要具備高信噪比，以免提頻過程中放大噪聲，造成假象；②原始資料中低頻段信號足夠豐富，及低頻夠低，低頻能量夠高，有效頻寬夠寬。

2 地質及開發概況

輪南油田三疊系是湖泊—辮狀河三角洲(前緣-平原)沉積體系，存在多期旋回，分析認為TII0目的層為一套離岸的濱淺湖灘砂。2017年在平臺針對新發現的TII0小層LA32x井測試獲得工業油氣流。TII0小層位于TII油組之上，厚度一般在1 m～3 m之間，最厚為5.5 m與TII之間泥巖隔層穩定(泥巖厚度約3 m～8 m)，根據井下小層對比分析，輪南地區TII0砂體具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、砂體橫向連通性差、側向尖滅的特點。儲層方面巖性以細砂巖為主，孔隙以粒間孔和粒間溶孔為主，儲層物性好，平均孔隙度為21%，平均滲透率為221.5 md。油藏類型為受構造和巖性雙重控制的構造巖性油藏，油層電性呈低電阻油藏特征。針對TII0小層現開井9口，日產油164 t，累油為19.1×105t，采出程度為10%，因此對于科研工作者來說如何精細識別薄砂體問題一直是挖掘TII0薄油層巨大開發潛力永恒的追求。

目前新處理地震資料有效頻帶為5 Hz～60 Hz，主頻為31 Hz，根據四分之一波長計算，本套資料可識別砂體厚度為33 m，遠達不到本區TII0小層砂體識別精度要求。為了開展輪南中平臺地區的TII0小層的整體評價，亟需開展提高分辨處理的技術攻關。

3 高分辨處理效果分析

3.1 方法驗證

結合實際為了驗證該方法技術的適用性，筆者根據實際地下地質情況構建相應的地質模型，并開展二維地震正演模擬研究，以正演模擬結果為基礎開展對上述方法的驗證。結合實際地震、地質資料構建了塔里木盆地碎屑巖薄砂層油藏典型模型，采用波動方程開展正演，利用專業處理軟件對正演道集進行偏移、疊加，得到正演模擬疊后數據(圖4(a))，圖4(a)中藍色虛線框內即為構建的薄砂層，從剖面上無法解釋識別薄砂體。對二維正演地震數據進行偽三維處理，最終在該數據上開展頻譜恢復高分辨率處理，在檢測結果上進行90° 相位旋轉，其結果如圖4(b)，從圖中藍色虛線框內可以看出薄砂層得到較好地識別，并可連續追蹤，與正演模型吻合度高。以上研究反應了該方法對于薄砂層的識別具有較好的應用效果，對于實際地震資料具有一定推廣應用價值。

圖4 理論模型正演與拓頻處理地震剖面展示Fig.4 Theoretical model forward modeling and frequency extension processing seismic profile display(a)原始地震資料剖面;(b)拓頻資料轉90°剖面

3.2 薄層反射特征正演分析

從井震結合標定情況來看，TI油組頂界為波谷反射， TⅢ頂界為波峰反射，這兩套層位相對穩定連續，但內部TII界面不穩定，TII0砂體響應不清楚(圖5),圖5中藍色曲線為GR曲線。

圖5 輪南-中平臺近東西向地震剖面Fig.5 Near EW trending seismic profile of Lunnan - Zhong platform

在高分辨處理前，首先需要明確在理論上TII0砂體的地震響應特征以及識別TII0砂體的地震資料頻寬需求，為此需要開展已鉆井變子波正演分析。研究區LA32x井 TII0小層鉆遇砂巖厚度為5.5 m，為已鉆井最厚砂體，選擇該井作為正演樣本。正演結果表明，當地震子波有效頻帶為5 Hz～60 Hz,TII0砂體位于一套強波峰底部，砂體無響應。當子波有效頻帶為5 Hz～80 Hz，TII0砂體所在的波峰能量減弱，波形變寬，但砂體界面無響應。當子波頻率為5 Hz～90 Hz，這套波峰變為“復波”反射，砂體位于復波下部，砂體有響應但砂體頂界面不清晰。當子波頻率為5 Hz～100 Hz，這套強波峰變為兩峰一谷，TII0砂體表現為下部弱波峰反射。當地震子波頻寬進一步增加，這套兩峰一谷的地震反射特征不再變化(圖6)。因此對于LA32x井TII0砂體識別，需要地震資料的有效頻率為5 Hz～100 Hz。變子波正演結果明確了TII0砂體地震反射特征，為高分辨處理提供了依據。

圖6 LA32X井變子波正演Fig.6 Forward wavelet modeling of well LA32X

3.3 高分辨率處理

正演結果表明識別TII0砂體所需資料有效頻帶需達到5 Hz～100 Hz，但對于高分辨處理拓頻能力，主要取決于地震資料本身的品質特征。理論上適合高分辨處理的地震數據體一般需具備以下兩個條件：①需要具備高信噪比，以免提頻過程中放大噪聲造成假象；②需要原始資料中低頻段信號足夠豐富，低頻夠低，低頻能量夠高，有效頻寬夠寬。

本次研究采用的地震資料信噪比較高，有效頻率為5 Hz～60 Hz。從頻譜特征看，低頻段信號豐富，而在高頻段40 Hz以上能量急劇衰減，60 Hz以上能量不再發生變化。從信噪比和頻譜特征來看，該套資料適合于高分辨處理(圖7(a))。根據原始地震資料LA32x井標定結果，TII0砂體位于一套波峰反射下沿，砂體無響應。從高分辨處理后數據頻譜特征看，處理后數據低頻保持不動，最大有效頻率由60 Hz提高至100 Hz，高頻有效拓展。從地震反射特征來看，TI底界強波峰反射經高分辨處理后變為三峰夾兩谷反射，根據標定結果，TII0砂體在高分辨數據表現為弱波峰反射，砂體頂界面較為清晰，高分辨處理數據有效解決砂體識別問題(圖7(b))。

圖7 過LA3-3-10X-LA302X井高分辨處理前后地震剖面Fig.7 Seismic profile before and after high resolution treatment of well LA3-3-10X-LA302X(a)原始剖面;(b)高分辨率剖面

3.4 質量控制

高分辨率地震資料后數據體除了薄層標定之外，可為后續開展地震屬性分析和反演研究提供基礎數據，這就要求高分辨處理數據需要相對保真保幅，因此對高分辨處理結果開展質量控制至關重要。本次研究從以下三個方面對資料的可靠性和有效性開展驗證。

1)井震標定一致性方面。處理結果與鉆井數據有可對比性，通過鉆井數據標定，井震吻合。原始數據標定較好的幾個強界面高分辨處理后井震標定依然能有效保持(圖8黃色箭頭)。受分辨率影響原始數據標定不好的界面，經過高分辨處理后標定結果有效改善，相關系數由0.65提高至0.76(圖8紅色箭頭)，因此高分辨處理數據對薄層界面刻畫精度更高，井震標定一致性更好，處理結果可靠。

圖8 過LA32X井高分辨處理前后井震標定Fig.8 Well seismic calibration before and after high resolution treatment of LA32X well

2)振幅屬性保持性。屬性分析及儲層反演均要求地震資料相對保真保幅，這就要求處理結果不能破壞原始地震資料中反射能量的分布特征和變化規律。從處理前、后縱橫向瞬時振幅質控來看，處理前、后變化基本一致，整體表現為兩套強振幅夾一套弱振幅的地震響應特征。高分辨處理后，分辨率更高，細節更為豐富，有利于薄層識別，和原始數據瞬時振幅屬性對，無論橫向還是縱向，相對能量強弱關系保持一致，表明處理結果相對保幅(圖9)。

圖9 高分辨處理前后剖面瞬時振幅對比Fig.9 Comparison of instantaneous amplitudes in profile before and after high resolution treatment(a)原始瞬時振幅;(b)高分辨率瞬時振幅

3)低頻可恢復性。參考文獻[2]指出不同的頻率成分有不同的用處，強調了不能忽視低頻能量對地震資料分辨率的作用。因此真正的高分辨率處理結果高頻能夠得到提高，低頻部分也必須能夠保持，這樣才是真正拓寬了地震資料的有效頻帶。以此為原則，根據目的層的頻譜特征，以原始資料的有效頻寬為基礎，按照兩個頻段(0 Hz～60 Hz中低頻分量、60 Hz～100 Hz高頻分量)分別進行掃描。其中0 Hz～60 Hz處理前后頻譜除40 Hz以上能量增強外，整體形態基本一致，從剖面的縱橫向相位、振幅相對變化關系來看二者趨于一致，表明高分辨處理結果低頻可恢復(圖10)。60 Hz～100 Hz頻譜特征差異較大，原始數據高頻段能量弱，噪聲為主，處理后頻譜拓寬，高頻能量提高，且同相軸縱橫向變化特征與低頻段接近，表明高頻拓展結果有效。

圖10 過LA32X井高分辨處理前后低頻段剖面對比Fig.10 Comparison of low-frequency profiles before and after high-resolution treatment of well LA32X(a)原始低頻(0 Hz～60 Hz);(b)高分辨率低頻(0 Hz～60 Hz)

3.5 薄層解釋

從高分辨處理結果以及質量控制結果來看，本次高分辨處理結果在相對保幅保真(圖11)，結果可靠的同時，能較好解決TII0小層在地震剖面上識別問題。根據測井解釋結果，結合連井TII0砂體小層對比，利用高分辨處理數據開展TII0砂體解釋。TII0砂體整體表現為TI底界下部強波峰反射之下的弱波峰反射，在高分辨處理數據體上可追蹤識別，高分辨地震剖面表現出的砂體尖滅特征基本與實鉆井上TII0砂體不發育認識相符。根據井震標定及已鉆井解釋結果，高分辨處理結果對本區14口后驗井TII0砂體的識別精度達85%，從一定程度運用頻譜恢復高分辨率處理技術解決了本區TII0薄層識別問題。

圖11 高分辨處理前后平面瞬時振幅對比Fig.11 Comparison of plane instantaneous amplitudes before and after high resolution treatment(a)原始瞬時振幅;(b)高分辨率瞬時振幅

4 結論

針對輪南地區TII0砂體具有超薄，橫向變化快，分布不穩定的地質特點，以及地震資料分辨率低，TII0砂體地震響應特征不清晰的預測難點。本次研究采用頻譜恢復高分辨處理方法，有效解決了TII0砂體解釋難點，主要得到以下幾點認識。

1)根據研究地質目標，結合地震資料品質，確定本次地震資料高分辨率處理有效頻帶可拓寬至5 Hz～100 Hz，處理后分辨率有效提高，在顯著拓展高頻的同時較好保持了低頻特征，有效保持信噪比。

2)高分辨標定結果表明，TII0薄砂體在高分辨地震數據上表現為弱波峰反射，高分辨處理結果對本區14口后驗井TII0砂體的識別精度達到85%，有效解決了TII0砂體地震剖面上難識別問題。

3)通過三種方法開展質量控制，認為本次高分辨處理結果相對保真保幅，結果可靠，可為后續開展地震屬性分析和反演研究提供可靠的基礎數據。

本次研究具有在其他類似地區進行推廣應用的價值意義。