巴麥地區(qū)奧陶系低信噪比資料層間多次波疊后壓制技術及應用

沈向存,李宗杰,姜忠正

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011)

塔里木盆地順北地區(qū)斷溶體油氣藏的發(fā)現(xiàn),使得斷控縫洞型儲層成為奧陶系碳酸鹽巖油氣勘探重要領域之一。研究認為巴麥地區(qū)也具備形成斷控縫洞型儲層的地質條件,但由于奧陶系地層的弱有效信號受多套層間多次波干擾,導致地震資料不能準確成像且信噪比低,故有效落實斷控縫洞型儲層面臨挑戰(zhàn)。

層間多次波的有效壓制成為研究區(qū)地震資料準確成像的關鍵。目前層間多次波壓制方法主要包括兩大類:一是基于層間多次波與有效波之間的差異性、可分離性和周期性的濾波法,以多次波和有效波具有明顯的特征差異為前提,如高分辨率Radon變換[1]、拋物線Radon變換[2]等方法;二是基于波動理論的預測相減法,以地震速度場模型為基礎,根據(jù)層間多次波產生的機理進行預測與衰減,如波場延拓法[3]、反饋迭代法[4]、逆散射級數(shù)法[5]等。在實際地震資料處理中,這些方法均得到了廣泛的應用,取得了良好的效果。薛亞茹等[6]利用高階稀疏Radon變換自適應相減法有效壓制多次波,并保留了一次波振幅AVO特征;楊金龍等[5]利用逆散射級數(shù)法對自由表面多次波和層間多次波進行有效壓制,提高了地震資料的成像品質。

前期在巴麥地區(qū)針對層間多次波壓制進行了多輪次的技術攻關,但是效果并不理想,現(xiàn)有壓制技術不能很好地滿足受多套層間多次波不規(guī)則干擾的低信噪比地震資料成像需求。本文在利用VSP資料對層間多次波標定的基礎上,結合正演模擬對其產生的必要條件、發(fā)育特征及對有效反射的影響進行了梳理和深入分析,識別出多套層間多次波“源-鏡”組合,并依據(jù)其分布特征的可預測性和剖面頻率特征的差異性,形成了“兩步法”層間多次波疊后壓制技術,較好地解決了奧陶系低信噪比地震資料層間多次波的壓制問題,有效提升了地震資料成像質量。

1 多次波特征分析與識別

地震波在地層中傳播時產生有效波的同時也會在特殊地質條件下產生一次以上的反射波,后者被定義為多次波[5],包括自由表面多次波和層間多次波兩種類型。自由表面多次波在走時、波組產狀等方面與一次波具有明顯的差異[6],可以利用現(xiàn)有的技術手段對其進行較好的壓制;而層間多次波這些特征不明顯,疊加到一次波信息中不易被識別和壓制。

VSP資料為多次波的識別和壓制提供了依據(jù),可用于追蹤層間多次波,并確定其產生層位、傳播路徑及對有效波場的干擾程度等[7]。針對塔里木盆地巴麥地區(qū)的地震資料,利用鄰區(qū)VSP走廊疊加剖面對奧陶系地層標定時發(fā)現(xiàn)兩者的波組特征不匹配,分析認為層間多次波的干擾導致了有效波的振幅、頻率和相位特征均發(fā)生了明顯變化(圖1a);同樣地,在上行波走廊剖面上,層間多次波對有效波的干擾作用更明顯,造成了如地震反射的加強、削弱、相位變化和產狀不一致等系列現(xiàn)象(圖1b)?；趯娱g多次波不能延伸到直達波的認識[7],結合上行波同相軸的變化與強界面的對應關系,認為二疊系火成巖、石炭系小海子組灰?guī)r和石炭系標準灰?guī)r等強反射界面和不整合面是形成層間多次波的主要原因(圖1b)。

圖1 層間多次波VSP標定分析a 走廊疊加剖面標定;b 上行波剖面標定

依據(jù)層間多次波標定結果,建立速度分別為v1,v2,v3的水平層狀模型(圖2a),開展彈性波動方程正演模擬,分析層間多次波能量與地層界面反射系數(shù)的變化關系。結果表明,兩個及以上強波阻抗界面是產生層間多次波必要條件,波組特征較為明顯的一階層間多次波是主要的干擾波,可以根據(jù)層間多次波與強反射界面的“源-鏡”關系對其空間位置進行預測,二階及以上層間多次波受吸收衰減作用影響,能量較弱可以忽略不計(圖2b);層間多次波的振幅大小與頂、底界面的反射系數(shù)(r1,r2)和極性組合相關,當-0.2≤r1<0且r2=0.2時,層間多次波極性始終與頂界反射波相反,二者振幅(絕對值)成正比,最大為頂界反射系數(shù)的0.064倍;當r1≥0且r2=0.2時,上行地震波透射作用強,基本不產生多次波(圖2c)。上述分析表明,反射系數(shù)上負下正強界面組合會產生較強的層間多次波。

圖2 層間多次波特征正演模擬分析a 水平層狀模型;b 反射系數(shù)r1變化時模擬記錄(v1=2000～6000m/s;v2=4000m/s;v3=6000m/s);c 多次波振幅與頂界反射系數(shù)曲線

本研究區(qū)地震資料由于受層間多次波的改造和地層吸收衰減作用影響,導致奧陶系層間多次波干擾尤為突出。根據(jù)層間多次波產生的必要條件,在巴麥地區(qū)奧陶系上覆碎屑巖地層中識別出由火成巖、灰?guī)r等高速層與碎屑巖低速層形成的多套層間多次波的“源-鏡”組合。二疊系火成巖-巴楚組標準灰?guī)r組合產生的多次波改變了奧陶系頂界面T72的有效反射,導致Y1,Y2井的良里塔格組T72界面分別被標定在兩個不同的同相軸上,存在串軸現(xiàn)象,且剖面視頻率明顯高于正常地層視頻率;二疊系不整合面-小海子灰?guī)r組合產生的層間多次波繼承并放大了二疊系頂界面的地層傾角特征,與有效反射波疊加改變了正常的地層產狀,所得地震資料同相軸較為破碎,信噪比低(圖3)。

圖3 研究區(qū)層間多次波識別結果

2 層間多次波壓制思路

考慮巴麥地區(qū)地震資料中層間多次波的“源-鏡”組合、振幅及頻率特征、剖面產狀等因素,主要從兩個方面進行低信噪比地震資料層間多次波的壓制:一是基于層間多次波空間分布穩(wěn)定性,進行層間多次波的匹配分離;二是基于層間多次波頻率特性和地震資料的低信噪比特點,開展基于地質目標成像優(yōu)勢的頻率信息提取與增強,最終實現(xiàn)斷裂及斷控儲集體成像質量的提高。

2.1 層間多次波匹配分離

已鉆井資料證實火成巖、灰?guī)r等高速層和相鄰碎屑巖地層的厚度、巖性、巖石物理參數(shù)在區(qū)域上分布相對穩(wěn)定,進而可以推斷由強反射界面組合產生的層間多次波相對穩(wěn)定,這為層間多次波匹配分離奠定了基礎。

利用匹配追蹤方法[8]在超完備時頻原子庫字典中搜索與地震信號最匹配的子波,以實現(xiàn)信號自適應分解,而后將其表達為所匹配時頻原子的線性組合,其具有良好的地震數(shù)據(jù)稀疏表示特性和較強的抗噪能力。上述方法廣泛應用于油氣勘探領域,如OVT域五維插值[9]、多域聯(lián)合地震反演[10]、地震信號去噪[11]和強反射分離等[12],取得了良好的應用效果,經典匹配追蹤算法的基本數(shù)學原理可以表示為:

(1)

D={mγ(t)}γ∈Γ={mγ=(u,ω,φ)(t)}γ∈Γ

(2)

式中:mγ(t)為子波字典中的母小波;mγ=(u,ω,φ)(t)為經過時間u、頻率ω以及相位φ調制后的匹配原子;γ=(u,ω,φ)為小波字典的控制參數(shù)集合。

本文利用匹配追蹤算法實現(xiàn)了層間多次波虛同相軸的構建與分離,主要包括6個步驟:

1)在對本研究區(qū)奧陶系上覆地層中滿足條件的強反射界面進行精細標定及解釋后,根據(jù)層間多次波與強反射界面的“源-鏡”關系,預測可能發(fā)育層間多次波的空間位置,構建其虛反射界面[13](圖3);

2)以虛反射界面為約束條件,提取其局部匹配子波的頻率、相位及振幅的模糊信息,構建相關的超完備稀疏表示字典D;

3)計算地震數(shù)據(jù)虛反射界面處對應振幅包絡位置的瞬時頻率屬性,并檢索D,通過計算子波相關系數(shù),獲取匹配原子參數(shù)mγ=(u,ω,φ)(t);

4)利用阻尼最小二乘法確定匹配原子對應的地震振幅響應信息,基于層間多次波虛反射界面獲得匹配層間多次波反射S0;

5)層間多次波匹配分離Snew,Snew=S-λ*S0,其中,λ為比例因子,*為卷積;

6)重復上述步驟,直到已識別的層間多次波全部分離。

2.2 優(yōu)勢頻率信息提取

本研究區(qū)實際資料分析表明地震波在傳播過程中衰減嚴重,奧陶系有效信號弱、頻率低于上覆地層產生的層間多次波,通過疊加改造可以使得地震剖面視頻率明顯高于正常地層視頻率。以地質目標為導向的地震優(yōu)勢頻率信息補償或提取,可以有效改善地震資料的成像品質,靳中原等[14]利用低頻信息提高構造成像精度;劉仕友等[1]采用低頻約束的Radon變換有效地壓制多次波;丁燕等[15]通過補償深層碳酸鹽巖裂縫儲層弱信號10Hz以下的頻率成分,有效提升了深層弱信號成像質量等。

將上述認識和模型正演分析結果相結合,認為在相同噪聲背景下低頻占優(yōu)勢的地震資料保真性更好,對應的反射波和繞射波特征更為清晰,有利于隨機噪聲壓制,為較高頻率的層間多次波壓制提供了可能。

首先,低頻反射波具有更高的振幅分辨率和保真性,有利于提高薄層異常的識別描述精度。以不同頻帶寬帶雷克子波[16]模擬厚度為0～48m的薄層的振幅調諧曲線,當厚度小于1/4波長時,低頻信息占優(yōu)勢的地震信號產生的調諧振幅與厚度的關系一一對應(圖4a),而且在吸收衰減后表現(xiàn)為“高頻衰減低頻共振”特征,低頻信號保存得更完整(圖4b),有利于低信噪比地區(qū)地質異常體準確成像;反之,當厚度大于1/4波長時,受薄層調諧作用的影響,反射振幅與薄層的厚度對應關系具有多解性。

圖4 薄層振幅響應及衰減特征模擬分析結果a 薄層振幅調諧曲線;b 衰減前、后頻譜特征分析

其次,低頻繞射波繼承了反射波振幅頻率特性,更有利于地質異常體成像。分別利用含有3%隨機噪聲的5～60Hz和25～60Hz帶通雷克子波激發(fā)、模擬不同頻帶范圍的地震波遇到巖性突變點時反射波和繞射波特征,結果如圖5a所示。我們發(fā)現(xiàn)在突變點處會產生反射波和相位相差180°的正負兩支繞射波,其能量遠小于反射波,但兩者的頻率特征卻具有較好的一致性,且在相同條件下低頻占優(yōu)勢的震源激發(fā)產生的繞射波信號能量更強(圖5b)。

最后,對于25～60Hz子波模擬結果,利用帶通濾波器提取優(yōu)勢頻率信息后發(fā)現(xiàn),反射波和繞射波的主頻均向低頻端移動,高頻噪聲得到壓制(圖5c),繞射波與反射波能量比值得到一定程度的提升,在有效頻帶內突出了繞射波信息(圖5d),有利于斷裂、碳酸鹽巖縫洞型儲層的成像,也證實了地震優(yōu)勢頻率信息的提取能夠有效壓制噪聲,提高成像精度。

圖5 地震低頻信息特征模擬分析a 地震子波模擬結果;b 反射波/繞射波頻譜特征;c 優(yōu)勢頻率信息提取前、后頻譜對比結果;d 繞射波/反射波振幅比值分析結果

3 實際資料處理及效果分析

本研究區(qū)中Y1井區(qū)奧陶系鷹山組斷控縫洞型儲層是主要勘探目標,但受多套層間多次波干擾,地震資料信噪比低,斷裂及儲層地震反射特征不清晰,已實施的兩口探井在鷹山組上段均未鉆遇規(guī)模儲層,只有Y2井在鷹山組下段鉆遇Ⅱ類裂縫-孔洞型儲層39m,而且志留系、奧陶系頂界面有明顯的串軸現(xiàn)象,綜合解釋多解性強(圖6a)。

已鉆遇地層巖性及速度統(tǒng)計分析表明,研究區(qū)發(fā)育二疊系火成巖、石炭系南閘組-小海子組灰?guī)r、巴楚組標準灰?guī)r和生屑灰?guī)r等高速層和大型的不整合面,與碎屑巖地層形成的強反射界面絕對反射系數(shù)均大于0.15,滿足層間多次波產生的必要條件。依據(jù)可能的“源-鏡”組合,共預測出層間多次波可能發(fā)育9個虛反射界面。按上述思路對疊后地震資料進行處理,層間多次波得到了有效壓制,如奧陶系頂界面及內部結構、海米東逆沖斷裂帶、走滑斷裂及沿著斷裂帶發(fā)育縫洞型儲層的成像質量都得到了明顯提升,Y1與Y2井良里塔格組頂面標定界面統(tǒng)一,消除了串軸現(xiàn)象,突出了斷控儲集體反射特征(圖6b)。

圖6 層間多次波壓制前(a)、后(b)剖面

提取奧陶系鷹山組下段的相干和振幅變化率屬性,可以看出與壓制前的原始屬性(圖7a)相比,海米東斷裂帶的斷點及分段特征更清晰。沿走滑斷裂帶發(fā)育的碳酸鹽巖縫洞型儲層強振幅反射特征明顯,并且與研究區(qū)兩口鉆井在鷹山組下段的儲層鉆遇情況吻合良好(圖7b)。

圖7 層間多次波壓制前(a)、后(b)奧陶系鷹山組下段碳酸鹽巖縫洞儲層識別效果對比

4 結論

本文從有效波和層間多次波波場特征出發(fā),提出了“兩步法”層間多次波疊后壓制方法,并給出了具體的處理思路。該方法通過產生層間多次波的“源-鏡”關系,預測影響地質目標成像的主要層間多次波,進行基于匹配分離和優(yōu)勢頻率提取的層間多次波精準壓制,從而達到提升奧陶系構造、斷裂和縫洞型儲層成像精度的目的,方法簡便易實現(xiàn)。實際地震資料處理結果表明,該方法可以有效壓制地震資料中層間多次波,改善成像品質,對“源-鏡”關系明確的低信噪比地震資料處理成像具有廣闊的應用前景。