地震勘探高分辨率資料處理的挑戰(zhàn)與對(duì)策

曹思遠(yuǎn)，孫耀光，陳思遠(yuǎn)

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理學(xué)院，北京 102249)

高分辨率數(shù)據(jù)是地震處理的重要目標(biāo)，影響后續(xù)的地震解釋和儲(chǔ)層勘探。長(zhǎng)久以來(lái)，以四分之一地震子波波長(zhǎng)為分水嶺，它被粗分成二個(gè)方面。凡是以拓寬頻帶、壓縮地震子波長(zhǎng)度的方法均稱為高分辨率處理方法。凡是超越四分之一波長(zhǎng)的薄儲(chǔ)層、小斷層分析方法一般都稱為反演方法。通過(guò)這2 個(gè)方面的處理，使得地震資料的分辨率在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有了對(duì)應(yīng)的解決方案。此外，還衍生出了很多屬性分析算法，大大提高了儲(chǔ)層分辨率和斷層分辨的精度。

從勘探早期到現(xiàn)在，提高地震資料分辨率的常見(jiàn)思路是，拓寬頻帶、壓縮子波，即減小地震子波的長(zhǎng)度。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括時(shí)間域、頻率域和時(shí)頻域同時(shí)處理3 個(gè)方面。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同特征，特別是信噪比方面的差別，又分成了疊前與疊后資料的處理。

反褶積算法通過(guò)壓縮地震子波主瓣寬度達(dá)到提高分辨率的目的，側(cè)重于時(shí)間域的處理。按照所使用的數(shù)據(jù)類型不同分為疊前反褶積和疊后反褶積兩類；疊前反褶積作用于疊前地震數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，信噪比低，需具備良好的抗噪性；常用的算法包括：基于維納濾波的最小平方反褶積[1]、脈沖反褶積[2]、致力于壓制多次波的預(yù)測(cè)反褶積[3]以及同態(tài)反褶積[4]等，這些算法均可以通過(guò)增加局部?jī)A角約束或者橫向連續(xù)性約束，獲得相應(yīng)的多道算法[5]，使得分辨率改善的同時(shí)還有較高的信噪比。疊后反褶積作用于疊加剖面，數(shù)據(jù)規(guī)模較小，其中以1979 年H.L.Taylor 等[6]提出基于L1范數(shù)的稀疏脈沖反褶積算法最受歡迎，此方法通過(guò)增強(qiáng)稀疏約束能力獲得反射系數(shù)的更準(zhǔn)確估計(jì)，再通過(guò)褶積主頻稍高的地震子波獲得高分辨率地震數(shù)據(jù)。對(duì)反射系數(shù)為稀疏分布的不同約束，人們又提出了不同的約束方法，如Lp范數(shù)[7]；由于L2范數(shù)的假設(shè)服從高斯分布，而L1范數(shù)的假設(shè)又服從拉普拉斯分布，兼顧這兩者提出了柯西范數(shù)[8]；與疊前反褶積算法類似，橫向連續(xù)性的約束大大提高反褶積的質(zhì)量[9]。此外，部分學(xué)者利用變換域閾值去噪作為反褶積正則化項(xiàng)，確保信噪比的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了地震資料的分辨率的提高[10-11]。

譜白化方法全稱為地震頻譜白化處理，主要思路為均衡頻率域內(nèi)高低頻能量。它無(wú)需反射系數(shù)的稀疏假設(shè)，通過(guò)拓寬振幅譜、提高主頻改善分辨率[12]。借助于傅里葉變換獲得地震數(shù)據(jù)振幅譜，通過(guò)算子均衡各個(gè)頻率組分的能量，使之成為“白噪聲”。它在全部數(shù)據(jù)上應(yīng)用同一個(gè)算子，不具備時(shí)空變化特征，因此，譜白化處理又被歸到了時(shí)頻域，即對(duì)地震道進(jìn)行時(shí)頻多尺度分解，均衡每個(gè)尺度的能量后進(jìn)行重建。時(shí)頻分析方法包括：Gabor 變換[13]、小波變換[14]、S 變換[15]等，同時(shí)基于自適應(yīng)分解的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD) 算法和變分模態(tài)分解算法(Variational Mode Decomposition，VMD) 也被應(yīng)用于高分辨率處理[16-17]。

反Q 濾波是基于譜比法、質(zhì)心頻移法等估計(jì)地下各層位的品質(zhì)因子，進(jìn)行深層高頻衰減補(bǔ)償，由N.D.Hargreaves 等[18]在1991 年首次提出。算法要求利用地下Q 場(chǎng)分布，構(gòu)造衰減矩陣。它是一種非穩(wěn)態(tài)地震資料的處理手段?；谠撍枷耄琙hang Changjun等[19](2007)利用最小二乘反演，提高了反Q 濾波的穩(wěn)定性；Wang Shoudong 等[20](2014)利用稀疏L1范數(shù)作為約束，通過(guò)壓縮感知理論完成吸收衰減補(bǔ)償；Jiang Y.等[21](2018)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的Q 值計(jì)算，進(jìn)行高頻恢復(fù)和相位校正；Xue Yajuan 等[22](2019)將同步擠壓變換代替?zhèn)鹘y(tǒng)Gabor 變換和S 變換等，在時(shí)頻域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的衰減補(bǔ)償。需要說(shuō)明的是，反Q 濾波自出現(xiàn)以來(lái)普遍應(yīng)用于VSP(Vertical Seismic Profile，VSP)數(shù)據(jù)和疊后地震數(shù)據(jù)中。Liu Guochang 等[23](2020) 對(duì)疊前Q 值估計(jì)以及反Q 濾波開(kāi)展相關(guān)研究，證明了地震道集在時(shí)間和空間方向均存在衰減，這是地震道集在橫向上，主頻和頻帶寬度存在差異的主要原因。

由于人工智能算法的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)逐漸被應(yīng)用到地震資料處理與解釋中，它在同一地區(qū)具有高度的泛用性、魯棒性。常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種提取圖像特征的有效方法。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借助循環(huán)核從時(shí)間維度提取信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)等操作。U-Net 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了2 種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性[24]，被用來(lái)進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像分割；孫永壯等[25](2021)將目標(biāo)區(qū)塊的構(gòu)造作為訓(xùn)練集，得到的高分辨率結(jié)果能清晰指示地下構(gòu)造；Chen D.等[26](2020)利用對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(Generative Adversarial Networks，GAN)輸入地震數(shù)據(jù)，輸出高分辨率的反射系數(shù)；同年，D.Pereg 等[27]考慮低信噪比的地震數(shù)據(jù)，利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recursive Neural Network，RNN)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造的地震數(shù)據(jù)反褶積處理；Chai Xintao 等[28](2021)利用深度學(xué)習(xí)提高了傳統(tǒng)稀疏脈沖反褶積的橫向連續(xù)性；S.Phan 等[29](2021)基于自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)地震數(shù)據(jù)的反褶積處理；同年，Gao Zhaoqi 等[30]打破了傳統(tǒng)卷積模型的桎梏，利用深度學(xué)習(xí)計(jì)算傳統(tǒng)褶積理論和真實(shí)地震記錄的誤差項(xiàng)，獲得能準(zhǔn)確指示地下復(fù)雜構(gòu)造的廣義卷積模型，提高了地層分辨率。深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于訓(xùn)練數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)的制作和選擇，需要大量已知數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集。最理想的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為大量井?dāng)?shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)不足時(shí)，可使用數(shù)據(jù)集擴(kuò)充的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)增廣。而無(wú)井地區(qū)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)通?；诔Ｒ?guī)算法，預(yù)先通過(guò)反褶積、頻譜白化等算法的處理結(jié)果作為訓(xùn)練集樣本。

隨著實(shí)際生產(chǎn)對(duì)薄層精度需求進(jìn)一步提高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多新的理論方法用于薄層識(shí)別，并且成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。早在1973 年，M.B.Widess 等[31]客觀評(píng)價(jià)了薄層反射系數(shù)振幅與地層厚度的關(guān)系，將1/4 波長(zhǎng)以下的地層視為薄層。1994 年李慶忠[32]研究薄層的傅里葉譜，并解釋了多種影響地震響應(yīng)的因素。2001 年汪恩華等[33]研究薄層反射系數(shù)譜與入射角、入射條件下的關(guān)系，并推導(dǎo)得到不同頻率下反射系數(shù)譜之間的公式。2003 年J.P.Castagna 等[34]基于奇偶分解理論，提出了譜反演原理，突破了傳統(tǒng)地震分辨率極限，使地層分辨達(dá)到1/8 波長(zhǎng)至1/16 波長(zhǎng)。2003 年高靜懷等[35]應(yīng)用廣義S 變換來(lái)識(shí)別復(fù)雜薄層，并應(yīng)用于多種薄層模型和實(shí)際資料，效果整體較好。2008 年C.I.Puryear 等[36]基于楔形體模型來(lái)研究地層反射奇偶分解的頻譜特征，發(fā)現(xiàn)薄層反射系數(shù)的奇偶頻譜與地層厚度呈現(xiàn)周期性變化關(guān)系，在頻率域開(kāi)展反射系數(shù)反演更易于恢復(fù)調(diào)諧厚度以內(nèi)的薄層。2018 年張繁昌等[37]對(duì)稀疏反射系數(shù)頻率域正余弦分量協(xié)同反演方法開(kāi)展研究。

拓寬頻帶、壓縮子波，可以達(dá)到提高分辨率的目的。但實(shí)際生產(chǎn)中，常常會(huì)碰到這樣的情況，即頻帶展寬了，子波沒(méi)有被壓縮。出現(xiàn)這種情況的主要原因是在信號(hào)處理時(shí)，時(shí)間窗口過(guò)大，導(dǎo)致頻率能量的集中度不夠。為此，選擇了較小的高斯窗或其他的時(shí)間窗進(jìn)行處理，使小窗口里不同頻率成分的能量實(shí)現(xiàn)譜展寬；同時(shí)，又根據(jù)反射系數(shù)的頻譜特性，對(duì)展寬后的頻譜形態(tài)進(jìn)行約束，盡可能把子波的長(zhǎng)度壓縮。事實(shí)表明，用這樣的方法得到的高分辨率剖面，頻帶最寬、子波的長(zhǎng)度最短。這一過(guò)程看上去盡善盡美，實(shí)現(xiàn)了頻帶拓寬、子波長(zhǎng)度變短的理想。但在實(shí)際資料處理時(shí)，這種剖面的局限就出現(xiàn)了，就是井震標(biāo)定的相關(guān)系數(shù)很小。經(jīng)過(guò)空間上的成像效果分析，發(fā)現(xiàn)要想讓這樣一個(gè)高分辨率地震剖面得到更廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在的處理過(guò)程還很不完善，還需要解決好高分辨率處理中的四大矛盾，即信噪比與分辨率、低頻信息與常規(guī)分析技術(shù)、高分辨率與高保真、衰減理論與實(shí)際資料之間的矛盾?；诖?，本文提出了HHT 點(diǎn)譜白化技術(shù)和薄儲(chǔ)層精細(xì)刻畫方法，突破四分之一波長(zhǎng)分辨率的極限，以期實(shí)現(xiàn)高保真高分辨率處理。

1 高分辨率處理面臨的挑戰(zhàn)

1.1 高信噪比與高分辨率

信噪比與分辨率是一對(duì)矛盾，這是由于地震資料中頻譜兩端對(duì)應(yīng)的地震資料信噪比較低。如何判斷信噪比低是從哪個(gè)頻率開(kāi)始和這個(gè)頻率成分是否能用，還是問(wèn)題。在地震資料處理中，分頻技術(shù)可以很好地分析信號(hào)和噪聲隨著頻率和時(shí)間的特征差異。圖1 是某油田地震資料的分頻剖面，以4.5 Hz 分頻剖面為例(圖1a)，該剖面中心頻率較低，但是整體存在著較高的信噪比，同相軸橫向連續(xù)性較好。而由圖1b 可以看出，該分頻剖面的主頻較高，達(dá)到了60.57 Hz，但剖面的信噪比降低，尤其是1 100 ms 以下幾乎沒(méi)有連續(xù)的同相軸，可用信息較少；而1 100 ms 以上的同相軸連續(xù)性較好，地震有效信息較多。因此，信噪比分析不僅要看哪個(gè)頻段，更要看目的層在這個(gè)頻段的具體位置。

圖1 東部油田一地震資料2 個(gè)不同尺度的信息Fig.1 Two different scales of seismic information in the eastern oilfield

1.2 低頻信息與常規(guī)分析技術(shù)

現(xiàn)在的寬頻勘探，主要是指頻帶向低頻方向拓展。首先，傅里葉變換中的窗口問(wèn)題是首要難題，因?yàn)槭堑皖l信息，也就是10 Hz 以下，窗口本身加上鑲邊的長(zhǎng)度，確定了窗口不能太大。但窗口太小了，吉普斯現(xiàn)象又很明顯，引起的誤差就比較大。因此，低頻信息的多尺度分解就成了問(wèn)題的關(guān)鍵。目前利用小波變換，尋找合適的小波函數(shù)，可以解決這一問(wèn)題。

圖1a 中低頻尺度的相關(guān)參數(shù)為主頻4.5 Hz，頻寬0.35 Hz，這說(shuō)明現(xiàn)在的低頻高精度分析是可以實(shí)現(xiàn)的。由圖2 可知，其不同尺度對(duì)應(yīng)的主頻值相差很小，頻寬不到0.02 Hz，但它們對(duì)應(yīng)的分頻結(jié)果特征相差不少；尺度0.79～4.51 Hz 的信息很好地給出了地震波初至的信息，最左邊的原始數(shù)據(jù)中是不易看清的。這也說(shuō)明，低頻信息相當(dāng)精細(xì)，在處理中要盡可能地給予保護(hù)。由于提高低頻能量需要研究低頻信號(hào)的傳播規(guī)律和傳播特征，而目前國(guó)內(nèi)外地震資料處理的很多系統(tǒng)還不能提供這方面的相關(guān)技術(shù)，這就導(dǎo)致了寬頻處理中低頻信息與常規(guī)分析技術(shù)之間的矛盾。

圖2 超低頻分解時(shí)不同尺度間的主頻分頻結(jié)果特征Fig.2 In super-low frequency decomposition,the characteristic difference in dominant frequency between different scales.

1.3 高分辨率與高保真

地震資料的“高分辨率”與“高保真”之間是存在矛盾的。圖3 顯示是東部某油田“十二五”(圖3b)和 “十三五”(圖3a)攻關(guān)后的結(jié)果。從分辨率上看，圖3b“十二五”的結(jié)果似乎要更好些，同相軸稍多，連續(xù)性也相當(dāng)不錯(cuò)，同相軸分得也比較開(kāi)，它們之間的距離比圖3a 的要大一些。

在這一段地震剖面上，有8 口井，因此，處理結(jié)果完全可以由井資料來(lái)驗(yàn)證。圖3b 右側(cè)第二口井處，油田技術(shù)人員標(biāo)定為井震矛盾。對(duì)比圖3a 的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這2 個(gè)結(jié)果中對(duì)應(yīng)位置的同相軸(較粗)走向是不同的。圖3a 顯示的同相軸是往右側(cè)傾鈄，因?yàn)閺倪@個(gè)方向上看到的井資料(伽馬曲線)，它們之間是相互匹配的。如果按圖3b 同相軸走向，研判對(duì)應(yīng)的井信息，它們之間是不相關(guān)的。

圖3 東部一油田高分辨率和高保真結(jié)果之間的差異Fig.3 Difference between high-resolution and high-fidelity results in eastern oilfield

分析縱向分辨率可以發(fā)現(xiàn)圖3b 的資料要高些。同相軸要更細(xì)一些，間隔也要大一些。視覺(jué)效果上來(lái)看，圖3b 的資料分辨率與信噪比更高。但是，加上所在位置的井信息后發(fā)現(xiàn)，圖3b 資料的橫向分辨率比較低。圖中所示部分的區(qū)域河流相發(fā)育，砂壩之間為非連續(xù)狀態(tài)。而圖3b 中，河道砂的同相軸連了起來(lái)，已經(jīng)分不清它們的特征、也判別不了砂體的具體位置。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，圖3a 結(jié)果與井上的結(jié)果對(duì)得更準(zhǔn)、橫向分辨率更高。此外從左往右的第三、第四口井上的河道砂也證明，圖3a 的資料保真度更高，實(shí)鉆結(jié)果表明這部分的河道砂更窄，遠(yuǎn)沒(méi)有圖3b 資料顯示的那么寬。

那么為什么會(huì)出現(xiàn)“高分辨”不能“高保真”的情況呢？由圖4 可知，窗口越小，分辨率越高，這是因?yàn)榇翱谥械念l譜能量均衡后，窗口中的低頻能量受到改變、從而對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)的形態(tài)也起了變化。實(shí)際上，低頻信號(hào)在窗口中的形態(tài)是由低頻信號(hào)在整個(gè)地震道中的形態(tài)決定的，它在這個(gè)窗口中的能量可能就是小的，如果非要把這部分能量進(jìn)行加強(qiáng)，就改變了它在整個(gè)地震道中的相對(duì)能量的占比。窗口中的這個(gè)形態(tài)變化破壞了它的整個(gè)走勢(shì)，導(dǎo)致了橫向分辨率的降低。此外，實(shí)際中的窗口函數(shù)也通常不是圖4 左邊所顯的門型窗口，更多是右邊的高斯型窗口。這種小的高斯窗也改變了低頻在整個(gè)地震道中的走勢(shì)。在地震資料處理中，低頻能量的重要性，與它在反演中扮演的角色相當(dāng)，確定了整個(gè)地震剖面的大背景，這可從寬頻處理的剖面中看到。這里要特別說(shuō)明，如果在小時(shí)窗進(jìn)行去噪等相關(guān)處理，則不會(huì)出現(xiàn)低頻被扭曲的情況，因?yàn)樾r(shí)窗的分解和重建，在數(shù)學(xué)上是有保障的。

圖4 地震數(shù)據(jù)加時(shí)間窗Fig.4 Diagram of seismic data adding time windows

1.4 衰減理論與實(shí)際資料之間的矛盾

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)中傳播時(shí)，波前面隨著傳播距離的增加不斷地?cái)U(kuò)張，而地震波激發(fā)產(chǎn)生的總能量是一定的，波前面上單位面積的能量密度不斷減小，振幅隨著傳播距離增大逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為波前擴(kuò)散。此外，欠壓實(shí)的近地表地層對(duì)地震波具有強(qiáng)烈的吸收衰減效應(yīng)，改變了有效信號(hào)的反射能量。不同于幾何擴(kuò)散補(bǔ)償和地表一致性振幅補(bǔ)償，近地表吸收除了與傳播路徑有關(guān)之外，還與地震波的頻率有關(guān)，頻率越高，吸收衰減越嚴(yán)重，因此，近地表吸收補(bǔ)償除了對(duì)反射振幅的能量進(jìn)行恢復(fù)之外，還能消除地層吸收對(duì)地震資料分辨率的影響。地震波的衰減理論表明，近地表的地震波振幅一般比較強(qiáng)。在地震資料處理這個(gè)環(huán)節(jié)上，如果做了幾何擴(kuò)散補(bǔ)償、地表一致性振幅補(bǔ)償和近地表吸收補(bǔ)償3 種補(bǔ)償后，地震波的振幅會(huì)出現(xiàn)淺層能量與深層能量相近。如果處理不好，會(huì)出現(xiàn)淺層能量略強(qiáng)于深層、或深層能量略強(qiáng)于淺層的特殊情況，這時(shí)候還需要適當(dāng)調(diào)整。

在對(duì)實(shí)際資料的深入分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在低頻時(shí)，深層能量大于淺層。深、淺層的這種能量關(guān)系還是尺度的函數(shù)，也就是不同尺度的分頻剖面，深層能量與淺層能量的比是不同的。圖5 是某西部油田地震剖面14 個(gè)尺度的分頻結(jié)果。分成3 個(gè)部分：低頻4 個(gè)尺度，中頻3 個(gè)尺度，高頻7 個(gè)尺度。從低頻的4 個(gè)尺度看，深層的能量明顯高于淺層，但隨著分頻剖面頻率的增加，淺層能量不斷變大。所以，由圖5 可知，傳統(tǒng)的地震波吸收衰減理論并不能概述這種狀況，地震振幅不是一概而論的淺層能量強(qiáng)、深層能量弱，而是高低頻不同頻率的振幅呈現(xiàn)出了不同的相對(duì)關(guān)系。對(duì)于低頻，深層能量高于淺層；對(duì)于高頻，則淺層能量強(qiáng)于深層。

圖5 某地震剖面的14 個(gè)尺度的分頻結(jié)果(從左往右，頻率由低到高)Fig.5 14-scale frequency division results (from left to right,with frequencies ranging from low to high)

綜上所述，要處理好地震資料，實(shí)現(xiàn)真正的高保真高分辨率處理，必須尋找能同時(shí)解決這四大矛盾的方法，否則地震反演、屬性提取、儲(chǔ)層分離只能是一句空話。最終只能是鉆井成功率低，生產(chǎn)成本大。

2 高保真高分辨率處理方法?HHT 點(diǎn)譜白化技術(shù)

HHT 點(diǎn)譜白化技術(shù)具體原理如圖6 所示：(1)將地震道進(jìn)行高精度的時(shí)頻分析；(2)對(duì)不同頻段的地震記錄進(jìn)行高信噪比處理；(3)求取時(shí)間域上的每一點(diǎn)的頻譜；(4)將每一點(diǎn)的頻譜進(jìn)行展寬。這四步不僅提高地震資料的縱向分辨率還能提高橫向分辨率。

圖6 HHT 點(diǎn)譜白化方法原理Fig.6 Priniciple of HHT point spectrum whitening method

傳統(tǒng)的EMD 算法具有非線性特征，利用改進(jìn)的EMD 方法，可降低它的非線性屬性，再將地震信號(hào)進(jìn)行多尺度分解。依據(jù)不同尺度的信號(hào)特征，統(tǒng)計(jì)它們的吸收衰減規(guī)律，補(bǔ)償后進(jìn)行高精度重建。由此得到的結(jié)果，很好地解決了上面所述的四大矛盾，最終得到地震剖面，不僅縱向分辨率得到大的提高而且橫向分辨率也有大的改善，使得原先看不見(jiàn)的小斷層變得清晰。因此，本方法特別適合斷層發(fā)育的地區(qū)。如果從地震子波的角度來(lái)看，處理后的地震子波，無(wú)論子波旁瓣之間的距離，還是它的絕對(duì)值，和處理前相比均有大的壓縮。

圖7a 是某東部油田地震數(shù)據(jù)A 的點(diǎn)譜白化處理前后結(jié)果。這個(gè)資料的處理難點(diǎn)是：原資料儲(chǔ)層處地震資料能量強(qiáng)，頻率低，特征非常鮮明。傳統(tǒng)的高分辨方法處理后通常不是高保幅。對(duì)比處理前的地震剖面，950～1 100 ms 的地方頻率低，能量強(qiáng)，但在處理后這部分的能量有了些變化。和井資料比起來(lái)，這部分也確實(shí)不是儲(chǔ)層，也就是說(shuō)，這部分的低頻是上邊儲(chǔ)層強(qiáng)低頻的旁瓣，而處理后能量依然強(qiáng)的地方恰恰是儲(chǔ)層所在。至于縱向分辨率的提高，可比較剖面的中間部分。此外處理后的剖面與井上信息具有相當(dāng)好的匹配性。

圖7 實(shí)際數(shù)據(jù)高分辨率測(cè)試Fig.7 High-resolution testing of real data

圖7b 是某西部油田地震數(shù)據(jù)的HHT 點(diǎn)譜白化處理前后的結(jié)果，小斷層比較發(fā)育。由于開(kāi)發(fā)需求，在450～500 ms(相對(duì)位置)之間設(shè)計(jì)水平井。在實(shí)鉆過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)同相軸很連續(xù)的地方鉆到斷層。大大影響了生產(chǎn)的進(jìn)程。在處理后的結(jié)果中，450～650 ms 橢圓所示的強(qiáng)能量，是水平井實(shí)鉆的目的層位。處理后的結(jié)果顯示了幾處的斷點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算的斷距與鉆探揭露斷距非常接近，取得了比較好的效果。圖中650～900 ms橢圓所示的同相軸，處理的結(jié)果表明，原始數(shù)據(jù)體中很連續(xù)的地方，實(shí)際上有很多斷距很小的斷層。

3 薄儲(chǔ)層、河道、巷道的精細(xì)刻畫

地震油氣勘探過(guò)程中，河道是重要的地質(zhì)體之一。同樣，在煤田、煤成氣儲(chǔ)層的勘探中，巷道、河道砂也是目標(biāo)之一。由于河道交錯(cuò)疊置、地層巖性橫向變化快，更由于河道相對(duì)薄、地震主頻不高等因素，識(shí)別與刻畫存在相當(dāng)?shù)睦щy。早期勘探中，能夠分辨河道的影子，資料品質(zhì)就很高了，而河道之間的關(guān)系的辨識(shí)根本不可能。

使用地震數(shù)據(jù)研究地質(zhì)沉積模式、預(yù)測(cè)薄層幾何形狀是近代地震解釋的關(guān)鍵和熱點(diǎn)。復(fù)雜的沉積環(huán)境及橫向薄河道砂體識(shí)別儲(chǔ)層的非均質(zhì)描述也是地震處理與解釋的關(guān)鍵問(wèn)題。在煤田地質(zhì)勘探中，廢棄巷道、采空區(qū)的探測(cè)也是生產(chǎn)中要迫切解決的問(wèn)題。在煤田三維地震資料中，剖面主頻比油氣勘探的高，也很少能看到廢棄巷道或采空區(qū)的解釋結(jié)果。

圖8 引自文獻(xiàn)[38] 的六層地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，圖8a為阻抗模型，圖8b 為相應(yīng)的單砂體切片，河道A 和B的厚度為4 ms，夾層厚度為3 ms，河道C、D、E 和F的厚度為3 ms，夾層為3 ms，6 層河道下方存在2 層厚泥巖層。使用30 Hz 主頻的雷克子波與阻抗模型合成地震記錄，單剖面合成結(jié)果如圖8c 所示，基于該數(shù)據(jù)進(jìn)行層位拾取。因此，針對(duì)該薄層砂體，可以通過(guò)切片之間的振幅關(guān)系進(jìn)行河道刻畫，并基于分頻數(shù)據(jù)體計(jì)算相應(yīng)的河道信息。

圖8 河道模型阻抗和形態(tài)Fig.8 Impedance and form of channel sand body model

(1)選擇砂體上的獨(dú)立點(diǎn)，利用層位切片上砂體之間的振幅關(guān)系描繪細(xì)河道砂體。

(2)實(shí)現(xiàn)高精度分頻分析，以獲得具有不同主頻的地震數(shù)據(jù)體，并引入具有厚度計(jì)算潛力的過(guò)零時(shí)間振幅切片[5]。

(3)采用多個(gè)分頻數(shù)據(jù)體計(jì)算，用更精確的層位估計(jì)獲得更穩(wěn)定的結(jié)果。高精度分頻后數(shù)據(jù)震蕩多，多組零點(diǎn)和它的多組震蕩將使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

基于上述理論，對(duì)數(shù)據(jù)層位切片進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖9 所示。根據(jù)圖9a 的層位切片，得到相應(yīng)的單砂體切片結(jié)果(圖9b)，此結(jié)果與圖8b 圖形結(jié)果是一樣。特別是它們的相對(duì)位置關(guān)系完全一致。

圖9 河道刻畫結(jié)果Fig.9 Channel sand body depiction results

圖9 中對(duì)應(yīng)的層位還有一個(gè)特點(diǎn)。即，這些層位有些是連通的，有些是不連通的。有些在空間上很窄，變化也很劇烈。盡管得到的等時(shí)切片很復(fù)雜(圖9a)，但分離后清晰可辨。圖10 展示的是分頻前后計(jì)算零點(diǎn)厚度及真實(shí)砂體厚度的差異，高精度分頻后數(shù)據(jù)震蕩多，多組零點(diǎn)使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確；多組震蕩也使得較薄的層位也可參與厚度計(jì)算。根據(jù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間信息，可得到儲(chǔ)層的中心位置，并通過(guò)楔狀體計(jì)算砂體實(shí)際厚度，在此基礎(chǔ)上可得到相應(yīng)的夾層厚度。在圖10中，綠色的虛線是一對(duì)，紅色虛線是一對(duì)，它們分別指示了層位1 和層位2 的零線，即在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，層位1 對(duì)應(yīng)的值為0，切片上只能看到層位2。分頻后，從圖10 的右邊可以看到，對(duì)應(yīng)的綠虛線對(duì)數(shù)變多了，對(duì)應(yīng)的紅虛線對(duì)數(shù)也變多了，對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)的加權(quán)疊加，使得對(duì)應(yīng)層位的能量得到加強(qiáng)，而不在這時(shí)間點(diǎn)的層位得到了消弱。因此分頻后的整體計(jì)算可使誤差更小。表1 是理論值與實(shí)際計(jì)算結(jié)果之間的誤差。儲(chǔ)層厚度為3 ms 和4 ms,均小于30 Hz 雷克子波的四分之一長(zhǎng)度，處理后儲(chǔ)層的中心位置的最大相對(duì)誤差為0.43%，而儲(chǔ)層厚度的最大相對(duì)誤差為0.175%。

圖10 分頻前后零點(diǎn)差異Fig.10 Zero-crossing times difference before and after frequency division

表1 模型信息計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of model information

圖11 所示的是東部一油田深度約1 800 m 的河道。圖11a 所示30 ms 內(nèi)的6 個(gè)切片，從這些切片上可以看到，圖中的河道基本上是同期的，不同的時(shí)間段，顏色相同；從上到下，這些河道的極性同時(shí)從紅色變?yōu)樗{(lán)色。圖11b 為分離結(jié)果。從圖11b1 中可以看到，橫跨幾條河道的河道3 消失了。在圖11b2 的箭頭處發(fā)現(xiàn)，處理后的結(jié)果內(nèi)部細(xì)節(jié)更加豐富，提出的精細(xì)刻畫使得河道分布更加清晰。在圖11b3 中，箭頭所指的河道5 也消失了，從中可以看出河道上下是不同期的。河道的厚度薄，通過(guò)河道可挖掘地震資料橫向信息，確定地震等時(shí)信息，提高了河道刻畫的精度，而這些傳統(tǒng)的方法是難以做到的。由實(shí)例可知，儲(chǔ)層分離算法是可以實(shí)現(xiàn)河道的精細(xì)刻畫。

圖11 實(shí)際數(shù)據(jù)河道刻畫結(jié)果Fig.11 Channel sand body depiction in field data

4 地震資料高分辨處理技術(shù)對(duì)策

隨著人工智能的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科的新成果不斷涌現(xiàn)，特別是數(shù)學(xué)、信號(hào)分析與處理等學(xué)科研究成果的引入，使得地震資料的信噪比得到進(jìn)一步的提高。通過(guò)數(shù)學(xué)變換將地震記錄轉(zhuǎn)換到不同域，將規(guī)則噪聲轉(zhuǎn)化成隨機(jī)噪聲，使信號(hào)特征更加明顯，噪聲的壓制更加充分。這部分研究涉及的學(xué)科多、綜合性強(qiáng)、范圍廣，去噪的效果好。

(1) 地震記錄的低頻分析技術(shù)，只需要尋找合適的時(shí)頻分析方法，在充分理解其數(shù)學(xué)原理的基礎(chǔ)上就可編程實(shí)現(xiàn)。目前很多算法，包括有些商業(yè)化算法，還處在只是能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多尺度分解，但不能提供相關(guān)主頻和頻寬信息的階段。

(2) 高分辨率和高保真的研究難度比較大，研究人員目前能提供的方法還比較少，Q 值的高精度提取及相關(guān)補(bǔ)償方法，能看到一些效果，但由于Q 值本身的求取過(guò)程還存在很多局限，用這樣一個(gè)值實(shí)現(xiàn)高保真，無(wú)疑是不客觀的。目前，提高采集過(guò)程中低頻信息的信噪比、提高計(jì)算過(guò)程中低頻信息的完整性是一個(gè)相對(duì)可取的方法。

(3) 深部低頻信息不僅沒(méi)被吸收反而有不斷增強(qiáng)的異?，F(xiàn)象，理想的做法是在預(yù)處理的早期，對(duì)單炮進(jìn)行地層吸收和幾何擴(kuò)散補(bǔ)償時(shí)應(yīng)分別計(jì)算不同尺度信號(hào)的變化規(guī)律，再分尺度進(jìn)行補(bǔ)償。但這樣做，目前的計(jì)算資源不許可，工作量巨大。在疊后資料上進(jìn)行分頻補(bǔ)償，但也不失為一種高效快速的方法。

(4) 點(diǎn)譜白化方法是針對(duì)地震資料處理中的四大矛盾提出的，還不是很完善，但屬于當(dāng)下可用的過(guò)渡性方法。隨著計(jì)算能力的提高、人工智能技術(shù)的深度融合，同時(shí)解決這四大矛盾的地震資料高分辨率高信噪比高保真處理流程必將越來(lái)越完善。

5 結(jié)論

a.傳統(tǒng)的地震資料分辨率分析，是以四分之一波長(zhǎng)為極限準(zhǔn)則。所有的高分辨率處理方法研究也是以壓縮地震子波為主要目標(biāo)。對(duì)于小于四分之一波長(zhǎng)的地質(zhì)目標(biāo)，通常采用反演方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但反演存在著多解性局限，反演的地質(zhì)目標(biāo)越薄，其精度就越小。

b.提出的點(diǎn)譜白化法實(shí)現(xiàn)了薄儲(chǔ)層、河道、巷道的精細(xì)刻畫。對(duì)于小于四分之一波長(zhǎng)的模型數(shù)據(jù)，不僅能確定它的厚度還能確定它的位置；通過(guò)儲(chǔ)層屬性的優(yōu)化，還可使空間不連續(xù)的目的層變得更為連續(xù)。c.地下河道的識(shí)別與分離開(kāi)啟了一個(gè)新篇章，地下儲(chǔ)層的地震精細(xì)表征有了一個(gè)新方向，多學(xué)科的綜合發(fā)展與融合上了一個(gè)新臺(tái)階。這為薄小地質(zhì)目標(biāo)的高精度勘探指明了新的方向，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用地震資料這座寶庫(kù)迎來(lái)了希望和光明。