地表過渡帶近地表Q補(bǔ)償與地表一致性反褶積處理效果對(duì)比研究

蔣 立,陳 勇,肖艷玲,王曉濤,鄭 偉

(中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所,新疆烏魯木齊830013)

近地表Q補(bǔ)償技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一種地震數(shù)據(jù)處理技術(shù),該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的效果。于承業(yè)等[1]利用雙井微測井資料估算近地表Q值,宋智強(qiáng)等[2]針對(duì)沙漠區(qū)地震資料求取表層Q并進(jìn)行補(bǔ)償,郭平[3]利用地震數(shù)據(jù)質(zhì)心頻率通過頻移法計(jì)算近地表Q值,裴江云等[4]利用面波衰減的Q模型反演出近地表Q值,葉秋焱等[5]針對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)利用廣義S變換求取表層Q值,蔣立等[6]利用簡單的譜比法分別計(jì)算炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)近地表Q值并對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行地表一致性補(bǔ)償?？傊?近地表Q值可以通過實(shí)測微測井資料獲得,也可以通過地震數(shù)據(jù)振幅和頻率信息,結(jié)合地震波在近地表的旅行時(shí)計(jì)算得到。近地表Q補(bǔ)償是一種確定性的補(bǔ)償技術(shù),它利用不同炮、檢點(diǎn)的近地表Q值和旅行時(shí)間得到空變的補(bǔ)償因子,進(jìn)而對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

地表一致性反褶積是地震數(shù)據(jù)處理中的常規(guī)處理環(huán)節(jié),它利用地震數(shù)據(jù)計(jì)算出不同炮檢點(diǎn)的反褶積因子然后對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償[7]。地表一致性反褶積是一種統(tǒng)計(jì)性的處理技術(shù),主要解決地震數(shù)據(jù)由于近地表變化而引起的子波空變問題。反褶積在應(yīng)用過程中存在幾個(gè)假設(shè)條件,首先假設(shè)地震子波為最小相位,其次假設(shè)反射系數(shù)隨機(jī),另外,在求取反褶積因子時(shí)往往使用大時(shí)窗參數(shù),因此要求反射子波時(shí)不變。而實(shí)際數(shù)據(jù)一般難以滿足這些條件,所以反褶積的保真度受到懷疑。由于反褶積存在的種種問題,因此研究近地表Q補(bǔ)償能否取代地表一致性反褶積具有實(shí)際意義。

與地表一致性反褶積相比,近地表Q補(bǔ)償有什么優(yōu)點(diǎn)？是否適用多種地表?xiàng)l件下的地震資料處理？其保真度是否高于前者？所有這些問題都值得研究。本文所提及的過渡帶三維數(shù)據(jù)是指近地表由一種巖性向另一種巖性變化的三維地震數(shù)據(jù),過渡帶三維數(shù)據(jù)的子波存在明顯的空間變化,可以用來檢驗(yàn)地表一致性反褶積和近地表Q補(bǔ)償技術(shù)。本文利用某工區(qū)近地表由沙漠區(qū)向公益林區(qū)過渡的三維地震資料,結(jié)合粘彈波動(dòng)方程正演的疊前模型數(shù)據(jù)論證了地表一致性反褶積和近地表Q補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用條件,并從理論上分析了各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 方法原理對(duì)比

近地表Q補(bǔ)償首先需要知道近地表Q值和地震波在近地表的旅行時(shí)間,近地表Q值可以通過單、雙井微測井資料實(shí)測得到,也可以利用地震數(shù)據(jù)的振幅和頻率信息結(jié)合近地表旅行時(shí)計(jì)算得到。基于頻移的Q值計(jì)算方法穩(wěn)定性高于譜比法,所以本文主要介紹利用地震數(shù)據(jù)質(zhì)心頻率計(jì)算近地表Q值的方法。

首先應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)將地震數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域,然后計(jì)算出每個(gè)地震道的質(zhì)心頻率,由此統(tǒng)計(jì)出每個(gè)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的平均質(zhì)心頻率,公式如下:

(1)

式中:S(f)表示振幅譜;f為頻率;fs為質(zhì)心頻率。計(jì)算出炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)質(zhì)心頻率后,就可以根據(jù)頻移法公式求取品質(zhì)因子Q:

(2)

式中:f1是空變的主頻值;fm(最大頻率)為未衰減之前的主頻值,fm必須大于f1;t為近地表旅行時(shí)。利用公式(2)能夠求取炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的近地表Q值。

本文采用WANG提出的穩(wěn)健Q補(bǔ)償方法[8-11]進(jìn)行Q補(bǔ)償,該方法可以同時(shí)對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅補(bǔ)償和相位校正,主要涉及的參數(shù)有近地表Q模型、近地表旅行時(shí)Δt、相位校正參考頻率ωh和振幅增益控制參數(shù)G。G參數(shù)控制高頻能量的提升程度。振幅校正因子Λ(ω)表示為:

當(dāng)Δt=20ms,Q=10,ωh=30Hz,G分別為1,3,5,7,9時(shí)的振幅補(bǔ)償因子見圖1。

圖1 不同G參數(shù)的振幅補(bǔ)償因子

相位校正因子表示如下:

(7)

當(dāng)Δt=20ms,Q=10,ωh分別為10,20,30,40,50Hz時(shí)的相位校正因子見圖2。

從假設(shè)條件、應(yīng)用范圍、受噪聲的影響程度以及算子的穩(wěn)定性等方面對(duì)近地表Q補(bǔ)償和地表一致性反褶積[12]進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表1?？梢缘贸鼋Y(jié)論:

圖2 不同ωh時(shí)的相位校正因子(1rad≈57.296°)

①反褶積假設(shè)地震子波小相位,反射系數(shù)白化且一定的時(shí)窗范圍內(nèi)地震數(shù)據(jù)的子波時(shí)不變,而近地表Q補(bǔ)償技術(shù)則不需要任何假設(shè)條件;②近地表Q補(bǔ)償技術(shù)只適用于近地表吸收引起的子波空間變化情況,而地表一致性反褶積可適用于多種因素引起的地震子波空間變化情況;③反褶積因子的求取依賴于地震數(shù)據(jù)本身,因此噪聲會(huì)對(duì)反褶積效果產(chǎn)生較大影響,而近地表Q補(bǔ)償算子主要依賴于近地表Q大小與地震波在近地表的傳播時(shí)間,不受地震數(shù)據(jù)噪聲影響。④為了提高算子的穩(wěn)定性,反褶積在計(jì)算時(shí)需在地震數(shù)據(jù)中加入一定比例的白噪聲,而近地表Q補(bǔ)償算子則比較穩(wěn)定。

表1 近地表Q補(bǔ)償與地表一致性反褶積技術(shù)對(duì)比

2 正演模型對(duì)比研究

設(shè)計(jì)一個(gè)較為復(fù)雜的地質(zhì)模型(圖3),該模型包括了各種典型的地質(zhì)現(xiàn)象,如逆斷層、正斷層、不整合、超覆、尖滅、推覆體、撓曲、低幅度構(gòu)造、薄層調(diào)諧、煤層屏蔽等,有足夠多的地層以模擬地下速度效應(yīng),有足夠的剖面長度和地層厚度模擬綜合響應(yīng)(圖4)[13]。在此模型基礎(chǔ)上分別模擬戈壁區(qū)(圖4b)和沙漠區(qū)(圖4c)的近地表衰減單炮記錄和背景噪聲,利用粘彈性波動(dòng)方程算法正演模擬與野外采集相似的疊前炮道記錄。沙漠區(qū)和戈壁區(qū)單炮模擬時(shí)的主要區(qū)別是近地表厚度和背景噪聲不同,戈壁區(qū)單炮近地表旅行時(shí)間為15ms,背景噪聲為有效波能量的-30dB,沙漠區(qū)單炮近地表旅行時(shí)間為60ms,背景噪聲為有效波的-12dB。近地表旅行時(shí)間和背景噪聲強(qiáng)度都以戈壁區(qū)和沙漠區(qū)單炮實(shí)際數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)模擬的戈壁區(qū)正演數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表Q補(bǔ)償和地表一致性反褶積對(duì)比研究(圖5)。戈壁區(qū)近地表Q補(bǔ)償后的疊加剖面(圖5c)與未經(jīng)近地表衰減且未加噪聲的疊加剖面(圖5a)的相似度高于地表一致性反褶積(圖5d)與未經(jīng)近地表衰減的疊加剖面(圖5a)的相似度,相關(guān)系數(shù)分別為0.736和0.333。在地表一致性反褶積疊加剖面上2.25s附近出現(xiàn)較粗的同相軸,該同相軸不同于未經(jīng)近地表衰減剖面的同相軸,說明反褶積將地震數(shù)據(jù)的低頻能量提得過高。而且在反褶積剖面上還出現(xiàn)了一些細(xì)小的同相軸,這一特點(diǎn)也與未經(jīng)近地表衰減的剖面不同。比較地表一致性反褶積數(shù)據(jù)的頻譜(圖5h)和未經(jīng)近地表衰減的數(shù)據(jù)的頻譜(圖5e),其相似度低于近地表Q補(bǔ)償頻譜(圖5g)和未經(jīng)近地表衰減的數(shù)據(jù)的頻譜(圖5e)。證明在近地表衰減起主要作用的數(shù)據(jù)中,近地表Q補(bǔ)償后數(shù)據(jù)的保真度高于地表一致性反褶積。

圖3 巖性地質(zhì)模型

圖4 不同近地表衰減及背景噪聲條件正演單炮記錄及其頻譜a 未經(jīng)近地表衰減的正演單炮; b 戈壁區(qū)近地表衰減單炮記錄加背景噪聲; c 沙漠區(qū)近地表衰減單炮記錄加背景噪聲; d 未經(jīng)近地表衰減的頻譜; e戈壁區(qū)近地表衰減加背景噪聲頻譜; f 沙漠區(qū)近地表衰減加背景噪聲頻譜

圖5 戈壁區(qū)正演數(shù)據(jù)近地表Q補(bǔ)償和地表一致性反褶積對(duì)比分析a 未經(jīng)近地表衰減剖面; b 近地表衰減剖面; c 近地表Q補(bǔ)償剖面; d 地表一致性反褶積剖面; e 未經(jīng)近地表衰減頻譜; f 近地表衰減頻譜; g 近地表Q補(bǔ)償頻譜; h 地表一致性反褶積頻譜

對(duì)模擬的沙漠區(qū)正演數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表Q補(bǔ)償和地表一致性反褶積對(duì)比研究(圖6)。反褶積后剖面上(圖6d)也出現(xiàn)了與未經(jīng)近地表衰減剖面(圖6a)不同的粗細(xì)不均勻的同相軸,其整體數(shù)據(jù)頻譜(圖6h)與未經(jīng)近地表衰減整體數(shù)據(jù)頻譜(圖6e)相比存在較大差異,而近地表Q補(bǔ)償疊加剖面和頻譜(圖6c和圖6g)與未衰減數(shù)據(jù)相比則沒有這么大的差異。對(duì)加噪的近地表Q補(bǔ)償數(shù)據(jù)及反褶積數(shù)據(jù)分別與原始未加噪的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)分別為0.490和0.175,同樣證明了近地表Q補(bǔ)償后數(shù)據(jù)的保真度高于地表一致性反褶積。

戈壁區(qū)單炮數(shù)據(jù)的背景噪聲為最大能量的-30dB(圖4e),而沙漠區(qū)單炮數(shù)據(jù)的背景噪聲為最大能量的-12dB(圖4f),沙漠區(qū)單炮的背景噪聲遠(yuǎn)大于戈壁區(qū)單炮的背景噪聲。戈壁區(qū)數(shù)據(jù)反褶積后的頻譜(圖5h)大于60Hz的能量接近于0,這主要是由于反褶積技術(shù)受白噪系數(shù)參數(shù)影響造成的。為了保證反褶積后數(shù)據(jù)的信噪比,反褶積時(shí)將能量百分比小于該白噪系數(shù)的信號(hào)當(dāng)作噪聲,不參與反褶積運(yùn)算[14]。這樣雖然壓制了噪聲,但同樣也壓制了弱能量的有效信號(hào)。圖5e顯示的未經(jīng)近地表衰減數(shù)據(jù)頻譜中大于60Hz部分存在著有效信號(hào),而反褶積后該有效信號(hào)(圖5h)被明顯壓制了,而近地表Q補(bǔ)償數(shù)據(jù)(圖5g)卻沒有壓制該有效信號(hào)。

沙漠區(qū)數(shù)據(jù)反褶積后頻譜(圖6h)大于60Hz部分的信號(hào)能量被放大了,這主要是由于沙漠區(qū)數(shù)據(jù)的背景噪聲太強(qiáng),其能量百分比大于白噪系數(shù),被當(dāng)作有效信號(hào)參與了反褶積運(yùn)算,反褶積后數(shù)據(jù)信噪比嚴(yán)重降低(圖6d)。

圖6 沙漠區(qū)正演數(shù)據(jù)近地表Q補(bǔ)償和地表一致性反褶積對(duì)比分析a 未經(jīng)近地表衰減剖面; b 近地表衰減剖面; c 近地表Q補(bǔ)償剖面; d地表一致性反褶積剖面; e 未經(jīng)近地表衰減頻譜; f 近地表衰減頻譜; g 近地表Q補(bǔ)償頻譜; h 地表一致性反褶積頻譜

3 過渡帶實(shí)際三維地震數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)比研究

某過渡帶三維工區(qū)地表大部分為沙漠(約占工區(qū)70%,圖7右邊部分深色區(qū)域),沙丘起伏較大,近南北向條帶狀分布,部分為蜂窩狀沙漠。工區(qū)西部為國家級(jí)公益林保護(hù)區(qū)(圖7左邊部分淺色區(qū)域),植被發(fā)育。受植被、沙丘影響,工區(qū)內(nèi)幾乎沒有道路,車輛通行條件很差。

圖7 過渡帶三維工區(qū)衛(wèi)星圖片

本區(qū)低、降速層厚度變化大(8～60m),整體呈現(xiàn)出西部薄、向東逐漸增厚的趨勢。其近地表Q場(圖8)與近地表結(jié)構(gòu)相似度較高。

圖8 過渡帶三維近地表Q場

按照?qǐng)D8中黑線位置抽取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,結(jié)果如圖9所示。

從近地表吸收的程度來看,厚度大的沙漠區(qū)吸收程度應(yīng)大于厚度薄的公益林區(qū)。由圖9可以看出,地層厚度小于10m的公益林區(qū)的原始數(shù)據(jù)頻譜主頻反而低于地層厚度在20～60m的沙漠區(qū),與近地表吸收后的子波頻率空間變化相矛盾。從這塊三維資料可以看出:地震子波的空間變化不僅僅與近地表吸收有關(guān),還與激發(fā)和接收的巖性有關(guān)[15]。近地表吸收補(bǔ)償不能解決激發(fā)和接收的巖性變化問題,這一問題只能利用地表一致性反褶積來解決。所以,在近地表巖性變化劇烈的工區(qū),近地表巖性變化對(duì)激發(fā)地震子波的影響可能大于吸收本身的影響,這種工區(qū)的三維資料處理只適合用地表一致性反褶積技術(shù)。

圖9 原始數(shù)據(jù)疊加剖面及頻譜a 原始疊加剖面; b 公益林區(qū)數(shù)據(jù)頻譜; c沙漠區(qū)數(shù)據(jù)頻譜

圖10對(duì)比了對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行地表一致性反褶積處理后的剖面(圖10a)和近地表Q補(bǔ)償處理后的剖面(圖10b),可以看出,地表一致性反褶積在解決子波空間變化問題時(shí)要好于近地表Q補(bǔ)償。

選擇該三維工區(qū)中沙漠區(qū)的原始單炮,對(duì)該單炮分別進(jìn)行地表一致性反褶積和近地表Q補(bǔ)償處理,并分析其初至波的自相關(guān)數(shù)據(jù)(圖11),地表一致性反褶積后頻譜寬度(圖11f)小于近地表Q補(bǔ)償?shù)念l譜寬度(圖11g)。主要原因是沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的高、低頻噪聲,而反褶積是一種統(tǒng)計(jì)性的處理方法,對(duì)地震數(shù)據(jù)的信噪比依賴程度較高,低頻噪聲會(huì)影響低頻有效波能量的提升,而高頻噪聲也會(huì)影響高頻有效波能量的提升[16]。近地表Q補(bǔ)償是一種確定性的補(bǔ)償方法,該方法的吸收補(bǔ)償程度主要依賴于近地表Q值和地震波在近地表的傳播時(shí)間,與地震數(shù)據(jù)本身的信噪比無關(guān)。從頻帶展寬效果來看,沙漠區(qū)地震數(shù)據(jù)的近地表Q補(bǔ)償優(yōu)于地表一致性反褶積[17-19]。

圖10 地表一致性反褶積(a)和近地表Q補(bǔ)償(b)處理后的剖面對(duì)比

圖11 沙漠區(qū)單炮初至自相關(guān)及頻譜對(duì)比a 原始數(shù)據(jù)自相關(guān); b 地表一致性反褶積自相關(guān); c 近地表Q補(bǔ)償自相關(guān); d 近地表Q補(bǔ)償+反褶積自相關(guān); e 原始數(shù)據(jù)頻譜; f 地表一致性反褶積頻譜; g 近地表Q補(bǔ)償頻譜; h 近地表Q補(bǔ)償+反褶積頻譜

對(duì)沙漠區(qū)單炮數(shù)據(jù)再次進(jìn)行近地表Q補(bǔ)償+地表一致性反褶積處理(圖11d),將其頻譜(圖11h)與地表一致性反褶積頻譜(圖11f)比較,發(fā)現(xiàn)兩者頻譜形狀基本相似,證明在沙漠區(qū)近地表Q補(bǔ)償后再進(jìn)行地表一致性反褶積處理,會(huì)削弱近地表Q的補(bǔ)償作用。

4 結(jié)論

針對(duì)沙漠區(qū)向公益林區(qū)過渡的三維實(shí)際地震資料,結(jié)合模擬戈壁區(qū)和沙漠區(qū)近地表Q衰減和背景噪聲模型數(shù)據(jù),分別進(jìn)行地表一致性反褶積和近地表Q補(bǔ)償效果對(duì)比研究,得出如下結(jié)論。

1) 在近地表巖性變化劇烈的區(qū)域,地震子波的空間變化主要由激發(fā)和接收的巖性變化引起,超過了近地表吸對(duì)地震子波的影響,在該區(qū)域應(yīng)該使用地表一致性反褶積處理技術(shù)。

2) 在噪聲干擾嚴(yán)重,且近地表吸收起主要作用的區(qū)域(例如沙漠區(qū)),噪聲的存在影響反褶積的效果,應(yīng)該使用近地表Q補(bǔ)償技術(shù)。在近地表吸收起主要作用的工區(qū),近地表Q補(bǔ)償?shù)谋Ｕ娑雀哂诘乇硪恢滦苑瘩薹e。

3) 近地表Q補(bǔ)償技術(shù)只能解決近地表吸收問題,不能解決近地表激發(fā)和接收巖性變化帶來的子波空變問題,而地表一致性反褶積可同時(shí)解決這兩種問題,所以近地表吸收補(bǔ)償不能替代地表一致性反褶積。