海上寬頻地震反演方法及其在南海深水區(qū)的應(yīng)用*

葉云飛 劉春成 劉志斌 張益明 王志紅

(1.吉林大學南方研究院 廣東珠海 519000 ； 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1 問題的提出

地震反演技術(shù)是油氣勘探開發(fā)過程中刻畫地下儲層特征及分布范圍的重要手段之一，其精度受地震資料主頻、頻帶范圍、低頻模型精度和反演方法等多重因素控制。過去幾十年里，受常規(guī)水平拖纜地震采集技術(shù)限制，海洋地震資料中普遍缺失6～8 Hz以下的低頻信息[1]，導致地震資料出現(xiàn)多相位現(xiàn)象，使地震解釋過程中無法準確獲得反射系數(shù)序列，還會造成地震陷頻，在不同程度上制約和影響著海洋、特別是深水區(qū)的油氣勘探效果[2-3]。以往針對缺失的低頻信息，在地震反演中主要通過井控模型補償3～6 Hz頻率范圍內(nèi)的信息，通過速度模型補償3 Hz以下的部分信息[4]。

近年來，海洋寬頻地震采集和處理技術(shù)發(fā)展迅猛，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了傾斜電纜采集、上下雙纜采集、雙檢電纜采集、四分量拖纜采集等多種采集方法，使得地震資料頻帶顯著拓寬[5-10]，特別是可以獲得3 Hz以下的低頻信息。拓寬地震頻帶不但能改善地下特殊巖性體的深層構(gòu)造成像品質(zhì)，還能提高儲層(包括薄層和厚層)、隱蔽油氣藏和圈閉的識別精度，更能夠凸顯各沉積事件之間波阻特征的差異，使得地震層序解釋更加清晰、地震反演的精度更高，進而提升儲層及油氣預(yù)測成功率。但是，海洋寬頻地震資料采集和處理的成本高、耗時耗力。

海洋勘探過程中鉆井數(shù)量少，且分布極不均勻，特別是在深水區(qū)，往往面臨少井、無井的情況，這使得常規(guī)方法構(gòu)建低頻模型的準確性受到極大影響。常規(guī)地震資料處理的速度譜精度是非常低的，在構(gòu)造復(fù)雜、儲層橫向分布不均勻、地層埋深差異大的地方，不能準確反映地下沉積體縱、橫向分布規(guī)律，這些均會給反演結(jié)果帶來巨大風險。

針對上述問題，本文提出了海上寬頻地震反演方法，首先采用基于5參數(shù)廣義S變換技術(shù)拓寬了地震資料頻帶，大幅降低了依托地震資料采集、處理拓寬地震頻帶的費用；然后通過立體層析反演技術(shù)提高了低頻模型精度，有效解決了深水區(qū)少井、無井情況下低頻模型構(gòu)建的難題；最后分析寬頻地震反演與常規(guī)地震反演核心步驟方面的區(qū)別，提出了針對寬頻資料反演的子波求取步驟，提取的子波旁瓣得到了明顯壓制，改變了寬頻地震反演的頻帶構(gòu)成。在南海珠江口盆地深水區(qū)W構(gòu)造的儲層預(yù)測應(yīng)用表明，本文方法顯著提高了地震反演的精度，清晰刻畫了儲層分布范圍，有很好的推廣應(yīng)用價值。

2 海上寬頻地震反演方法

2.1 基于5參數(shù)廣義S變換的地震低頻信號補償

S變換是一種無損可逆的時頻分析工具。自從S變換被用于地震數(shù)據(jù)處理以來，很多國內(nèi)外學者對其進行了深入研究[11-13]，并對其進行了改進，得到了廣義S變換。

由Stockwell等[14]提出的S變換形式為

(1)

式(1)中：τ為小波的時間位置；f為頻率；t為時間；h(t)為待分析信號。

廣義S變換為

GS(τ,f)=

(2)

式(2)中：A為地震振幅；φ為相位延遲系數(shù)；β為能量延遲系數(shù)；γ為能量衰減系數(shù)。這些參數(shù)不但可以體現(xiàn)地震資料特性，模擬各種理論子波，也可根據(jù)研究目的不同加以適當調(diào)整，使之達到局部優(yōu)化的目的。

(3)

式(3)中：T為時間采樣間隔；N為采樣點個數(shù)；m、n為采樣點編號；j為時間樣點編號。

對于一個地震數(shù)據(jù)體，坐標為(x,y,t)，在t域中進行廣義S變換，得到的是自變量為x、y、t、f的四維數(shù)據(jù)體。針對地震信號的特點，進行5參數(shù)小波構(gòu)建：以簡諧波與Gaussian函數(shù)的乘積為基礎(chǔ)，基于5參數(shù)構(gòu)建廣義S變換基本小波。如下式：

ω(t)=Aexp[-γ(t-β)2f2]exp[-i(2πft+φ)]

(4)

地震數(shù)據(jù)的高、低頻損失與傳播過程和波的干涉有關(guān)，大地濾波作用引起的高頻衰減是十分明顯的，而低頻衰減相對較慢。雖然多次波、鳴振和噪音等因素引起的干涉作用均會使頻率損失，但鬼波是造成海洋地震資料中低頻缺失最重要的原因。在模擬小波的5個參數(shù)中，能量衰減系數(shù)可以控制高斯窗隨時間的衰減速度，同時也在頻率域控制小波的頻帶寬度，衰減越快、時間窗越窄，對應(yīng)頻率域頻帶越寬，反之亦然。如圖1所示，藍色線表示實際資料提取的子波及頻譜，紅色線表示模擬的小波及頻譜，可以看出，實際地震資料小波衰減和延遲均較明顯，波形欠光滑，旁瓣嚴重。壓制衰減系數(shù)γ后，低頻能量明顯抬升，頻譜變得光滑(圖1a、b)；而去除衰減系數(shù)之后，子波旁瓣得到完全壓制，低頻得到充分補充，頻譜將變得非常光滑(圖1c、d)。

圖1 實際資料提取與模擬的小波波形及頻譜比較

在模擬過程中，要選取合適的衰減系數(shù)γ進行子波重構(gòu)，其原則是既要保證盡可能多地補償?shù)皖l信息，又要避免多余的噪音和干擾信息出現(xiàn)。 主要流程為：①將時間域地震數(shù)據(jù)進行廣義S變換至頻率域；②分別選取不同f值，得到不同頻率段的單頻數(shù)據(jù)體；③調(diào)整小波參數(shù)，模擬適當小波對地震數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，增強其低頻能量；④再進行廣義S逆變換，將上述單頻數(shù)據(jù)體變換到時間域進行合并，進而實現(xiàn)補償?shù)卣鸬皖l能量的目的。經(jīng)補償處理后，地震低頻信息得到了有效拓寬，并且沒有引入多余的噪音(圖2)。

2.2 基于立體層析反演的高精度地震模型建立

立體層析是一種基于射線擾動理論的層析成像方法，除了旅行時之外，它將共炮道集和共檢波點道集內(nèi)的局部同相軸的斜率(即慢度矢量水平分量)、炮點坐標、檢波點坐標也納入到數(shù)據(jù)空間。與此相對應(yīng)，反演的模型分量也不僅限于速度，還包括反射點位置、反射層的局部傾角以及射線對的張角。其優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)的提取只依賴于局部相干同相軸的運動學信息，計算更為方便，可以同時反演速度、反射點位置與反射層局部形態(tài)。它有2種實現(xiàn)方式：數(shù)據(jù)域立體層析和成像域立體層析[15-16]。立體層析在實際應(yīng)用中由兩步法構(gòu)成：①通過自動拾取獲得一個較為滿意的初始速度模型，其好處是效率高；②再通過人工干預(yù)在成像域拾取感興趣的數(shù)據(jù)點，通過運動學反偏移去除與非一次反射波有關(guān)的數(shù)據(jù)點，進一步提升立體層析反演的精度。通過該兩步法可以獲得較高精度的速度場。圖3為常規(guī)速度譜與經(jīng)過高精度網(wǎng)格層析速度反演之后的速度譜比較，可以看到二者速度譜的精度差異是十分明顯的。立體層析反演能夠反映地下地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)性差異變化，顯示出了構(gòu)造、巖性變化的縱、橫向差異，這一點在常規(guī)速度譜中是很難看到的，會對地震反演結(jié)果(特別是反演結(jié)果的橫向準確性)產(chǎn)生較大影響。

圖2 補償?shù)皖l前后地震資料及頻譜比較

圖3 常規(guī)與立體層析反演速度譜比較

2.3 寬頻地震資料反演子波提取

子波是影響反演結(jié)果的重要因素，地震反演中所用的子波不是地震資料中所含有的一般意義上的子波，而是測井資料約束控制下由聲波、密度測井資料和地震資料聯(lián)合估算出的子波，但這種估算的子波仍然脫離不開地震子波的影響。常規(guī)海上地震資料的子波組成是非常復(fù)雜的，它包含一次波、震源鬼波、電纜鬼波、震源和電纜鬼波、氣泡效應(yīng)等多種信號。寬頻地震資料采集、處理的目的是使地震鬼波得到明顯壓制，地震子波的旁瓣能量明顯壓制，一次波能量顯著增強。因此，應(yīng)用于寬頻地震資料反演的子波也應(yīng)該去除掉鬼波的影響，它的子波形態(tài)和頻帶范圍與常規(guī)地震資料反演的子波有明顯的不同，要求提取的子波足夠長，子波求取的時窗也要相應(yīng)增大[17-18]。

針對寬頻地震資料反演的子波求取步驟為：①按照常規(guī)地震資料反演子波估算的過程，在常規(guī)頻帶地震數(shù)據(jù)上計算一個井-震匹配良好的常規(guī)地震子波；②在寬頻地震資料的較大時窗范圍內(nèi)(不少于1 000 ms)估算一個零相位(或固定相位)子波；③將上述2個子波進行相位譜和振幅譜的匹配，并在保持相位不變的情況下外推，將低頻和高頻端拓寬至寬頻反演所需的范圍；④通過合成記錄標定，對匹配后的子波進行適當調(diào)整。圖4為常規(guī)資料與寬頻資料子波波形和頻譜的比較,可以看出，按照上述方法提取的寬頻子波旁瓣已經(jīng)得到明顯壓制，頻譜寬度有了較為明顯的拓寬，特別是低頻端也有了較好的補償。

圖4 常規(guī)子波與寬頻子波的比較

3 在南海深水區(qū)的應(yīng)用

W構(gòu)造位于南海珠江口盆地深水區(qū)，為多個高點控制的構(gòu)造群，主要目的層為下中新統(tǒng)珠江組，其中珠江組下段為一套深海盆底扇重力流淺灰色石英砂巖夾多層粉砂巖；珠江組上段主要為深水扇砂巖，單層厚約20～30 m，頂部略含鈣質(zhì)，與泥質(zhì)粉砂巖交互出現(xiàn)。為了更精細地刻畫儲層分布，應(yīng)用本文方法進行了反演，并與常規(guī)資料反演結(jié)果作了對比(圖5)，可以看出：①補償?shù)卣鸬皖l后的反演結(jié)果更加準確。如圖5中標識A處，常規(guī)資料反演結(jié)果中出現(xiàn)了隔夾層現(xiàn)象，寬頻資料反演結(jié)果中顯示為厚層泥巖，鉆后結(jié)果證實其為厚度達80余米的泥巖。②地震頻帶的拓寬使得地震資料精度顯著提高，細節(jié)更加清晰。如圖5中標識B處，基于寬頻地震資料反演結(jié)果的邊界更加清晰，儲層連續(xù)性更好，對薄層的識別能力更強。

圖5 常規(guī)地震資料與寬頻地震資料反演結(jié)果比較

4 結(jié)論

1) 提出了海上寬頻地震資料反演方法，首先利用基于5參數(shù)廣義S變換技術(shù)補償了地震中缺失的低頻成分，拓寬了地震資料頻帶；其次利用立體層析反演技術(shù)有效提高了低頻模型精度，使其可真實反映地質(zhì)異常體分布范圍，解決了深水區(qū)少井、無井情況下低頻模型構(gòu)建的難題；最后分析了基于寬頻地震與常規(guī)地震資料反演在子波提取上的差異，提出了針對寬頻地震資料的子波求取步驟，提取的子波旁瓣得到了明顯壓制，頻譜寬度有了明顯拓寬。

2) 無論是反演思路與反演流程，還是反演過程中關(guān)鍵參數(shù)的選取，海上寬頻地震資料反演與常規(guī)地震資料反演存在較大差異，只有解決好寬頻地震資料反演過程中的核心細節(jié)、關(guān)鍵步驟，才能充分發(fā)揮寬頻地震資料的優(yōu)勢，為油氣勘探、開發(fā)提供更有效的技術(shù)保障。

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