一種補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移技術(shù)

陳樹民,劉禮農(nóng),張劍峰,裴江云,陳志德,王 成

(1.中國石油天然氣股份有限公司大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室,北京100029)

地震波傳播過程中,一部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能,相應(yīng)的地震波的幅值產(chǎn)生衰減效應(yīng),該過程稱為吸收。地震波不同頻率成分的幅值衰減是不同的,頻率越高,衰減越快,這是因為高頻成分的波長相對低頻成分的波長較短,對于一個固定的傳播距離,相當(dāng)于低頻成分少個波長,高頻成分則多個波長,而地震波每傳播一個波長的距離,能量損失的程度恒定。這也導(dǎo)致接收到的反射地震資料的有效頻帶隨反射深度增大逐漸變窄;而不同頻率成分以不同的速度傳播,也導(dǎo)致了地震子波的頻散,且反射層位越深,頻散越嚴(yán)重。由于常規(guī)偏移方法沒有補償黏性吸收導(dǎo)致的幅值衰減,也沒有校正頻散,因而使得偏移成像結(jié)果的分辨率較低,反射層位越深,分辨率越低。油氣勘探中,對薄砂體、小斷層的識別是認識油氣疏導(dǎo)體系、識別有利儲層的重要環(huán)節(jié)。因此,在油氣勘探中,提高地震成像分辨率一直是反射地震資料處理過程中的一個重要研究內(nèi)容。

提高地震成像分辨率的方法很多,包括針對疊后剖面的譜白化反褶積[1]、非穩(wěn)態(tài)反褶積[2-3]、基于統(tǒng)計假設(shè)或測井資料的各類拓寬頻帶技術(shù)以及反Q濾波[4-5]和黏彈性疊前深度偏移[6-8]等。譜白化反褶積可在有效頻帶內(nèi)將振幅譜拉平,但其提高分辨率的效果較大程度上依賴于是否獲取了合適的參數(shù)[1]。各類拓頻技術(shù)通過引入地震記錄以外的信息來提高地震方法的分辨率,在獲得更高視分辨率的同時,也需對地震數(shù)據(jù)基本頻帶進行提高信噪比的處理;此外,各類拓頻技術(shù)使用的前提是地震記錄的子波是時不變的,因此即使應(yīng)用此類技術(shù),也必須在預(yù)處理中首先補償?shù)卣鸩ǖ奈账p,實現(xiàn)地震子波的一致性[9]。

非穩(wěn)態(tài)反褶積是針對黏性吸收導(dǎo)致的地震分辨率降低而發(fā)展的提高分辨率方法。該方法基于嚴(yán)謹?shù)奈锢砘A(chǔ),但在估計空變的非穩(wěn)態(tài)子波方面存在較大困難,且通常不能同時實現(xiàn)頻散校正。目前,非穩(wěn)態(tài)反褶積僅在疊加剖面上能得到較好應(yīng)用效果。穩(wěn)定性和噪聲放大是該方法在實際應(yīng)用中面臨的問題。

反Q濾波可同時應(yīng)用于疊前和疊后地震資料。該方法從補償?shù)卣鸩ǚ档酿ば晕粘霭l(fā),具有堅實的物理基礎(chǔ)。反Q濾波應(yīng)用于疊前地震資料時忽略了地震波傳播路徑對幅值衰減的影響,用于非均勻Q值模型時存在較大誤差;應(yīng)用于疊后地震資料時可處理層狀Q值模型情況,但由于疊加過程已將不同偏移距或者入射角的地震道進行了疊加,此時,應(yīng)用反Q濾波是將存在不同程度吸收衰減的幅值作同一處理,因而并不能完全消除吸收衰減的影響。

為了補償?shù)卣鸩ㄎ账p,提高地震成像分辨率,在偏移成像過程中恢復(fù)地震波被衰減的高頻成分是提高地震成像分辨率的關(guān)鍵?；謴?fù)地震波被衰減的高頻成分可真正地提高地震勘探方法對小斷層和薄砂體的識別能力。

黏彈性疊前深度偏移準(zhǔn)確考慮了地震波的傳播和黏性衰減過程,理論上可較好地補償?shù)卣鸩ǖ酿ば晕?但黏彈性深度偏移方法需要深度域地層Q值模型,難度更大,因此黏彈性深度偏移的實際應(yīng)用還存在較大的困難。

疊前時間偏移是疊前偏移成像中的另一種重要方法。該方法可對斷層較為復(fù)雜但速度橫向變化不是很劇烈的地質(zhì)構(gòu)造進行較好的成像。與疊前深度偏移方法相比,除具有較高的計算效率外,其主要優(yōu)點是只需使用疊加(均方根)速度,這樣可簡單地通過速度掃描等方式得到合適的偏移速度模型,回避了使用疊前深度偏移方法面臨的層速度建模困難的問題。因此,疊前時間偏移方法已成為地震勘探領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。但現(xiàn)在常用的疊前時間偏移方法不具有補償?shù)卣鸩ㄎ账p的能力,所以如何結(jié)合疊前時間偏移過程恢復(fù)地震波被衰減的高頻成分,成為一個具有重要應(yīng)用價值的問題。

近年來,通過結(jié)合疊前深度偏移和疊前時間偏移方法,人們提出了一系列基于等效參數(shù)的廣義疊前時間偏移方法[10-13],在疊加速度的基礎(chǔ)上引入新的等效參數(shù),拓寬了現(xiàn)行疊前時間偏移方法解決實際復(fù)雜問題的能力和范圍。通過引入第二個描述黏性吸收的等效Q值參數(shù),提出了可直接補償吸收衰減的疊前時間偏移方法[11-12],用較簡單的技術(shù)方案實現(xiàn)了補償?shù)卣鸩▊鞑ミ^程中吸收衰減的目標(biāo)。本文詳細闡述了這一結(jié)合疊前時間偏移過程恢復(fù)地震波被衰減的高頻成分的方法,以及在保持偏移計算穩(wěn)定性、介質(zhì)吸收參數(shù)建模、補償噪聲壓制以及計算效率提高等方面提出的一系列技術(shù)方案。

1 補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移

在提高地震數(shù)據(jù)分辨率的研究中,通常假定品質(zhì)因子Q與頻率無關(guān)或者隨頻率弱變化[14],這便是恒Q模型,在地震學(xué)觀測頻率范圍內(nèi)(0.001～100.000Hz),Q值可以近似看作常數(shù)?；诖?引入復(fù)速度c(ω)與實速度vr(ω)表達式[15]:

式中:ω是角頻率;ωc是高截頻;j為虛數(shù)單位。當(dāng)頻率趨向于ωc時,實速度將趨近于常值。在此,用主頻ω0來代替高截頻ωc,原因在于主頻對應(yīng)的實速度恰是我們通過速度估計方法可以得到的。作如下代換和近似:

(2)

將(2)式代入(1)式得:

(3)

式中:v為常規(guī)的偏移速度;Q代表與頻率無關(guān)的恒Q值。

若將單個地震道看作是僅有一個接收道的單炮記錄,則其炮域偏移的炮點至成像點的正傳波場為[11]:

(4)

檢波點至成像點的反傳波場為:

(5)

實際上,我們無法知道準(zhǔn)確的S(ω),而現(xiàn)行的處理流程中的反褶積處理可以認為是已剔除了S(ω)·[ω/(2π)]exp(jπ/2)這些有關(guān)震源子波的影響。因此,忽略震源子波的影響,應(yīng)用反褶積成像條件,可得單道數(shù)據(jù)的成像結(jié)果,也即脈沖響應(yīng),即:

(6)

式中:(τs/τg)2是成像權(quán)系數(shù),它補償了地震波的球面擴散影響。公式(6)表明,成像點處的等效Q值唯一決定該點的成像幅值。因此,我們可以采用類似于確定均方根偏移速度的方法,用掃描方式來確定該點的等效Q值。

(7)

式中:f′(t)為該地震道的一階導(dǎo)數(shù)。

當(dāng)Qeff不隨時間深度和水平位置變化時,若假設(shè):

(8)

則(6)式可寫為:

(9)

由(8)式可知,G(t)恰好是該地震道的反Q濾波結(jié)果。(9)式表明,“反Q濾波+疊前時間偏移”是補償吸收衰減的偏移方法在均勻Q值情況下的特例。這為我們應(yīng)用掃描方法快速建立等效Q值模型提供了理論基礎(chǔ)。

φ(η)=exp(η),η≤lnG

(10a)

φ(η)=G[1-lnG-2.5(lnG)2]+G(1+5lnG)η-

2.5Gη2, lnG<η≤lnG+0.2

(10b)

φ(η)=1.1G,η>ln(G)+0.2

(10c)

式中:η=ω(τs+τg)/(2Qeff);G為給定的閾值。

2 等效Q值估計

Q值估計涉及到隨頻率變化的幅值,與偏移速度估計相比困難得多,目前主要是利用透射波的信息求取,即利用上行波的VSP測井資料或者井間資料,根據(jù)主頻移動、頻譜形狀等信息確定Q值。在實際應(yīng)用中,其局限性很明顯:通常情況下,地震勘探目標(biāo)工區(qū)的井資料有限,難以建立非均勻的Q值模型,此外,Q值是一個與地震信號主頻相關(guān)的變量,將依據(jù)透射資料得到的Q值模型應(yīng)用到反射地震資料時,因為地震反射波與透射波主頻不同,還需做進一步校正。為此,我們發(fā)展了利用反射資料根據(jù)補償效果和頻帶寬度確定等效Q值的方法。

由(9)式可知,“反Q濾波+疊前時間偏移”是補償吸收衰減的疊前時間偏移方法在均勻Q值情況下的特例,而其計算量僅是后者的幾十分之一,我們只需對預(yù)先給定的等效Q值序列分別進行“反Q濾波+常規(guī)疊前時間偏移”計算,就可得到進行等效Q值掃描的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。而在實際地震處理中確定合適的等效Q值時,往往是在信噪比可接受的前提下追求頻譜的最寬,因此,在每一分析時窗內(nèi),我們以頻譜的最寬化作為等效Q值選取的準(zhǔn)則。

具體來講,在每個等效Q值拾取窗口,對系列Q值中的Qi,從其成像剖面最終結(jié)果中計算頻譜包絡(luò),拾取-20dB對應(yīng)的最大和最小頻率f1a和f1b(工業(yè)中通常認為-20dB以下的信號不再有效,這一分貝值在軟件實現(xiàn)時可作為參數(shù)由用戶設(shè)置)。為了防止-20dB遇到頻譜凹陷,采用分貝區(qū)間[d1,d2]代替-20dB點。區(qū)間[d1,d2]包含-20dB,d1和d2圍繞-20dB上下分布,如果頻譜上下震蕩比較劇烈則d1和d2波動也較大,將區(qū)間等間距的分為N份,那么第i個點值是d1i=d1+(i-1)×(d2-d1)/(N-1),此時-20dB對應(yīng)的最大、最小頻率即為di對應(yīng)的頻率平均值。

(11)

式中:f1ai,f1bi分別表示d1i對應(yīng)的最大、最小頻率。同樣,設(shè)f2a和f2b分別表示-10dB對應(yīng)的最大和最小頻率,用區(qū)間[d3,d4]代替-10dB點,區(qū)間等間距分為N份,第i個點值為d2i=d3+(i-1)×(d4-d3)/(N-1)。那么-10dB對應(yīng)的最大、小頻率即為di對應(yīng)的頻率平均值。

(12)

式中:f2ai,f2bi分別表示d2i對應(yīng)的最大、最小頻率。

從小偏移距的部分偏移疊加剖面的頻譜包絡(luò)中,拾取-10dB對應(yīng)的最大和最小頻率f2a1和f2b1,從大偏移距偏移疊加剖面的頻譜包絡(luò)中,拾取-10dB對應(yīng)的最大和最小頻率f2a2和f2b2,計算頻率偏差;基于f1ai,f1bi和f2ai,f2bi得到4條隨1/Q變化的曲線,首先厘定較小的區(qū)間,在該區(qū)間中,主要觀察-20dB對應(yīng)的高、低頻曲線,尋找將高頻提高得最多同時低頻損失較少的那個Q值,這樣才能確定Q值達到了提高有效頻帶的目標(biāo),最終確定該Q值窗中心處的Q值。如圖1所示,這是某一窗口的高、低頻曲線,兩條紅線(或藍線)之間的寬度就是-20dB(或-10dB)對應(yīng)的頻譜寬度。圖1中,綠線對應(yīng)的橫坐標(biāo)表示所確定的Q值,此時高頻較高,同時低頻損失較少。

圖1 某一分析時窗不同分貝下的頻帶曲線 圖中,紅線為-20dB對應(yīng)的最大、最小頻率隨1/Q變化的曲線，藍線為-10dB對應(yīng)的最大、最小頻率隨1/Q變化的曲線。

3 結(jié)合穩(wěn)相偏移方法壓制偏移噪聲

針對偏移噪聲壓制,基于菲涅耳帶疊加實現(xiàn)偏移成像就是一個最佳選擇,這也是各類偏移方法一直努力的目標(biāo)[16-18]。由于實際地質(zhì)構(gòu)造中速度和反射界面的復(fù)雜性,直接從地質(zhì)模型出發(fā)估計準(zhǔn)確的菲涅耳帶幾乎不可能實現(xiàn)。針對這一問題,我們在偏移過程中構(gòu)建傾角域偏移道集,直接將菲涅耳帶形象地展示在這一偏移道集中,可容易地從中確定菲涅耳帶。

3.1 傾角道集

如圖2所示,I為成像點,s和g分別代表炮點和接收點,v和vrms分別為成像點I處的層速度與均方根速度,n為反射界面法向量,p和q分別為成像點I處的入射向量和反射向量,dx和dy分別為反射界面與xOz平面和yOz平面的交線。定義反射界面在xOz平面的視傾角為θx,其旅行時相關(guān)的視傾角為φx;反射界面在yOz平面的視傾角為θy,其旅行時相關(guān)的視傾角為φy,則有:

圖2 傾角道集計算示意

若在每一成像點,不考慮偏移距,僅將偏移結(jié)果按φx和φy的大小進行分選和疊加,就可在每個水平位置(即CRP點)形成一對分別針對沿測線方向傾角和與測線垂直方向傾角的一維傾角域偏移道集I(x,y,T0,φx),I(x,y,T0,φy):

圖3 某CDP點的inline方向(a)與crossline方向(b)的傾角道集(圖中白線為拾取的菲涅耳帶邊界)

3.2 結(jié)合穩(wěn)相偏移壓制噪聲

在三維補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移計算中,通過計算擬成像反射界面的傾角來判斷傾角是否在菲涅耳帶內(nèi),若在菲涅耳帶內(nèi),則參與穩(wěn)相疊加,從而實現(xiàn)穩(wěn)相疊前時間偏移。這樣,可保證僅是菲涅耳帶內(nèi)的結(jié)果參與偏移成像。如此,既可避免常規(guī)偏移中采用較小的偏移孔徑導(dǎo)致的陡傾角構(gòu)造成像缺失,又可避免采用過大的偏移孔徑帶來的偏移成像低信噪比問題,實現(xiàn)基于菲涅耳帶的最優(yōu)孔徑成像[12]。

與常規(guī)疊前時間偏移相比,穩(wěn)相疊前時間偏移在對每一地震道的偏移計算中,先利用傾角公式((13)式和(14)式)計算在每一成像點處的與旅行時相關(guān)的傾角,同時讀取該成像點的菲涅耳帶在兩個傾角方向上的上、下界角度。當(dāng)該地震道在這一成像點處的與旅行時相關(guān)的傾角在菲涅耳帶內(nèi)時,將計算結(jié)果累加到存放成像點I(x,y,T0)上,否則不參與成像,這樣可得到僅對傾角域偏移道集中的菲涅耳帶部分疊加成像的高信噪比偏移結(jié)果。圖4給出了未結(jié)合和結(jié)合穩(wěn)相算法的補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移成像的水平切片,可以看出,穩(wěn)相偏移水平切片在保持構(gòu)造形態(tài)不變的情況下信噪比得到很大提高。此外,需要指出的是,穩(wěn)相偏移不但可以實現(xiàn)合理的偏移孔徑空變以得到復(fù)雜構(gòu)造高精度精細成像結(jié)果,而且還可以提高偏移計算的效率。圖4所示的補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移計算實例,結(jié)合穩(wěn)相偏移方案可節(jié)約30%左右的計算時間。

圖4 疊前時間偏移的水平切片a 結(jié)合穩(wěn)相算法的補償介質(zhì)吸收; b 未結(jié)合穩(wěn)相算法的補償介質(zhì)吸收

4 基于GPU加速和異步雙緩存的并行計算

補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移是在頻率域內(nèi)進行,較常規(guī)時間域偏移而言,計算量明顯增加。增加的計算量主要體現(xiàn)在兩個方面:一是頻率域的補償算法包括相位校正、振幅補償,且這些計算大多都是對數(shù)和指數(shù)運算,對應(yīng)多個計算機指令,耗時較長;二是與常規(guī)疊前時間偏移相比,這一偏移算法在頻率域進行,幅值信息必須將所有頻率成分分別計算得到的結(jié)果累加。因此,我們基于GPU技術(shù)提高其計算效率[19-21]。

由于實際三維地震資料數(shù)據(jù)量龐大,地震道數(shù)多,采用前文所述的單道成像方案會使數(shù)據(jù)在CPU和GPU之間頻繁拷貝,而且數(shù)據(jù)處理的前置準(zhǔn)備工作也不可避免,其中包括數(shù)據(jù)從硬盤讀入內(nèi)存、導(dǎo)數(shù)求取、能量調(diào)節(jié)等,針對單個地震道而言,這些環(huán)節(jié)和核心成像過程必須串行,并行效率低。為此,我們提出采用多流技術(shù)的異步雙緩存方案,該方案是在原始單道成像基礎(chǔ)上,采用單次批量進入多道數(shù)據(jù),多條成像線結(jié)果輸出。這樣在GPU進行成像計算時,由于異步執(zhí)行,所以CPU是就緒狀態(tài)的,可以準(zhǔn)備第二道數(shù)據(jù)的前置計算,這樣就使得CPU的前置工作和實際GPU成像(頻率域累加)并行執(zhí)行。對用戶而言,隱藏了CPU的工作時間,使得GPU可以充分發(fā)揮其計算性能,將必要的CPU工作掩蓋在GPU的工作過程中。

由于拷貝和核函數(shù)的異步執(zhí)行可能會導(dǎo)致程序中不同流之間成像孔徑的計算拷貝及成像計算產(chǎn)生錯誤,因此,我們提出了雙緩存方案。通過增加一個變號器,在每一次異步拷貝時用變號器控制成像孔徑拷貝,保證了隨后成像計算的正確進行。

5 大慶油田實際應(yīng)用

為推動補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用,我們集成上述理論研究成果,開發(fā)了一套大規(guī)模實用化的地震疊前高分辨率成像GPU軟件系統(tǒng),解決了應(yīng)用中面臨的參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)多樣性、資料噪聲、海量數(shù)據(jù)存取與計算以及魯棒性等問題。該偏移成像方法已在大慶油田廣泛應(yīng)用,及時有效地指導(dǎo)了大慶油田扶余油層致密油的勘探部署。

大慶油田扶余油層以陸相河流—三角洲沉積體系為主,埋深超過1500m,砂體厚度薄(單層厚度2～5m),橫向速度變化快(河道寬度小于600m),扶余油層致密油水平井勘探主要針對2～5m單砂體。上覆地層為砂泥巖薄互層,地層壓實程度低、非均質(zhì)性強。上覆地層對地震波的吸收是影響地震資料分辨率和保真度的關(guān)鍵因素。

圖5為永樂工區(qū)1085線常規(guī)疊前時間偏移剖面和補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移剖面。圖5中方框區(qū)域放大結(jié)果如圖6所示。可以看出,本文方法有效消除了地層吸收衰減的影響,提高了地震資料的縱向分辨率,從而提高了該區(qū)地震資料刻畫薄儲層的能力。圖7 為放大結(jié)果對應(yīng)的頻譜,可以看出,補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移在振幅-20dB處頻譜展寬20Hz。

圖5 常規(guī)疊前時間偏移(a)和補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移(b)剖面對比

圖6 常規(guī)疊前時間偏移(a)與補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移剖面(b)局部放大顯示

圖7 常規(guī)疊前時間偏移與補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移剖面局部放大結(jié)果對應(yīng)的頻譜分析曲線

大慶油田三肇地區(qū)扶余油層垂向上在T2反射層以下100ms之內(nèi),是目前致密油勘探水平井部署的重點區(qū)域。圖8是針對扶余油層3～5m甜點目標(biāo)部署的水平井ZP15井的常規(guī)疊前時間偏移剖面與補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移剖面。部署的主要參考直井為Z9-38井和Z57-F1井,甜點層在剖面1.48s的位置,地震反射特征對應(yīng)中強反射軸。在水平井軌跡的位置(A,B,C,D分別代表水平井軌跡4個控制點,A點為入靶點)。常規(guī)疊前時間偏移剖面上,扶余油層的頻帶為6～70Hz,垂向分辨率低,不能識別位于T2反射下波谷內(nèi)的F11-3油層組目標(biāo)砂巖。補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移剖面上扶余油層的頻帶為6～90Hz,垂向分辨率提高,F11-3油層組目標(biāo)砂巖對應(yīng)于T2反射下的第一個波峰位置,可以連續(xù)追蹤。振幅橫向變化能夠反映砂體厚度的橫向變化。依據(jù)補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移成像資料,指導(dǎo)了ZP15井水平井鉆探,ZP15井在A靶點準(zhǔn)確入靶,水平段長度1050m,其中,砂巖1010m,泥巖40m,砂巖鉆遇率達93.16%。

補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移成像方法已在大慶油田累計完成16個三維井區(qū)合計590km2的目標(biāo)處理,提交16口水平井部署設(shè)計,已實施的9口水平井均準(zhǔn)確入靶,水平段平均砂巖鉆遇率達到86.0%,比前期應(yīng)用常規(guī)偏移結(jié)果提高了15.1%,油層鉆遇率提高了14.4%,有效地支撐了大慶油田扶余油層致密油勘探。

圖8 常規(guī)疊前時間偏移(a)和補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移(b)過ZP15井剖面

6 結(jié)論

本文介紹了補償介質(zhì)吸收疊前時間偏移技術(shù)及其在大慶油田的應(yīng)用實踐。等效Q值參數(shù)的引入和對應(yīng)的基于地表觀測數(shù)據(jù)的等效Q值建模方法,解決了黏性偏移應(yīng)用中的Q值模型建模的困難;利用黏性補償因子的閾值穩(wěn)定性控制方法,解決了黏性吸收補償?shù)姆€(wěn)定性問題。將基于傾角道集的穩(wěn)相(菲涅耳帶疊加)偏移方案結(jié)合到黏彈性疊前時間偏移方法中,有效地解決了黏性補償導(dǎo)致的偏移噪聲放大問題;而偏移實現(xiàn)GPU算法的優(yōu)化也較大程度地提高了這一補償算法的計算效率。大慶油田多個三維實際地震資料的處理結(jié)果證實,本文方法在保持反射振幅關(guān)系的前提下展寬地震頻帶20Hz,有效提高了地震資料的垂向分辨率,是松遼盆地中淺層薄互層地質(zhì)條件下高分辨率成像的有效技術(shù)。