余連勇胡光義趙 巖范廷恩劉 洋

(1.中海油研究總院; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

穩(wěn)定的反Q濾波統(tǒng)一算法及其在地震資料高分辨率處理中的應(yīng)用*

余連勇1胡光義1趙 巖2,3范廷恩1劉 洋2,3

(1.中海油研究總院; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

穩(wěn)定的反Q濾波被引入到疊前和VSP記錄的衰減補(bǔ)償中得到了較好的效果,但是前人給出的算法比較復(fù)雜?；诘叵陆橘|(zhì)的水平層狀假設(shè),根據(jù)疊前地震記錄和VSP記錄觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),給出了疊前地震記錄和VSP記錄(零偏和非零偏)反Q濾波的統(tǒng)一算法和公式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)疊前地震記錄和VSP記錄的高分辨率處理。模型試算和實(shí)際地震資料的應(yīng)用結(jié)果表明,本文方法可顯著提高疊后、疊前及VSP地震記錄的分辨率。

穩(wěn)定的反Q濾波;統(tǒng)一算法;模型試算;高分辨率處理

隨著油氣勘探從構(gòu)造油氣藏向地層、巖性油氣藏發(fā)展,精細(xì)的構(gòu)造解釋、儲(chǔ)層參數(shù)反演等對(duì)地震數(shù)據(jù)的分辨率提出了更高要求。由于實(shí)際地下介質(zhì)是非完全彈性的,地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生振幅能量衰減和波形畸變,使得深層有效反射波的頻帶變窄、主頻和信噪比變低,從而導(dǎo)致深層地震資料品質(zhì)變差[1-3]。

對(duì)地震記錄進(jìn)行衰減補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏郲4-7],最常用的為反Q濾波。一般情況下,純相位反Q濾波是無(wú)條件穩(wěn)定的,它只校正相位的畸變而沒(méi)有考慮能量衰減對(duì)振幅的影響[8]。全反Q濾波試圖同時(shí)進(jìn)行振幅補(bǔ)償和相位校正,但是振幅補(bǔ)償算子會(huì)造成不穩(wěn)定而產(chǎn)生假象[9]。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出了相應(yīng)的穩(wěn)定算法[10-16],如王珺等[13]給出了一種通過(guò)直接求解時(shí)間域的Q模型方程來(lái)進(jìn)行反Q濾波的算法,同時(shí)采用帶狀矩陣解算器來(lái)提高計(jì)算效率;李雪英等[14]將加權(quán)最小平方方法優(yōu)化設(shè)計(jì)思想引入到時(shí)域反Q補(bǔ)償短算子設(shè)計(jì)當(dāng)中,提升了計(jì)算效率,并給出了穩(wěn)定性控制方法。目前應(yīng)用比較廣泛的為Wang[15-16]提出的一種穩(wěn)定高效的全反Q濾波方法,該方法基于波場(chǎng)延拓理論,可以同時(shí)補(bǔ)償振幅和校正相位,而且在延拓時(shí)加入了穩(wěn)定因子,克服了常規(guī)全反Q濾波方法的不穩(wěn)定性,取得了較好的應(yīng)用效果。之后,Yan和Liu[17]利用沿射線(xiàn)路徑的波場(chǎng)延拓,把Wang[15-16]提出的全反Q濾波算法引入到疊前共炮點(diǎn)記錄中,對(duì)疊前縱波和轉(zhuǎn)換波資料分別進(jìn)行反Q濾波補(bǔ)償,得到了比較理想的效果。VSP地震記錄的反Q濾波同樣引入了該方法[18-19],但在進(jìn)行上行波反Q濾波時(shí),其處理算法為:一部分利用下行波反Q濾波來(lái)處理;另一部分利用雙程旅行時(shí)的反Q濾波方法來(lái)處理,且第二部分反Q濾波的輸入波場(chǎng)為第一部分的補(bǔ)償結(jié)果。另外,針對(duì)零偏和非零偏VSP的算法也不同[19],而且算法處理比較繁瑣。

針對(duì)上述情況,在前人工作的基礎(chǔ)上,基于地下介質(zhì)的水平層狀假設(shè),根據(jù)疊前地震記錄和VSP記錄觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),給出了疊前地震記錄反Q濾波和VSP記錄(零偏和非零偏)反Q濾波的統(tǒng)一算法和公式,并通過(guò)模型驗(yàn)證了方法的有效性。將本文方法分別用于疊后、疊前及VSP實(shí)際資料中,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 方法原理

1.1 穩(wěn)定的反Q濾波方法

針對(duì)反Q濾波算法不穩(wěn)定的問(wèn)題,Wang[15]提出了穩(wěn)定的反Q濾波方法,并將這種穩(wěn)定算法推廣到Q隨時(shí)間或深度連續(xù)變化的情況[16]。為提高運(yùn)算效率,引入Gabor變換,得到了基于Gabor變換的反Q濾波算法。假設(shè)Q(τ)與頻率無(wú)關(guān),則有

其中

式(1)～(4)中:σ2為穩(wěn)定因子;ω為角頻率;ωh是和地震頻帶的最高頻率相關(guān)的一個(gè)調(diào)諧參數(shù);Q(τ)為連續(xù)變化的Q值;U(τ,ω)和?U(τ,ω)都為時(shí)間深度τ處的波場(chǎng)記錄,但后者是沒(méi)有進(jìn)行反Q濾波的波場(chǎng)記錄。

疊后地震記錄一般可認(rèn)為是自激自收記錄,可直接利用穩(wěn)定的反Q濾波方法來(lái)提高其分辨率。筆者根據(jù)疊前和VSP記錄觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),給出了疊前地震記錄反Q濾波和VSP記錄(零偏和非零偏)反Q濾波的統(tǒng)一算法和公式。

1.2 疊前和VSP反Q濾波方法

將穩(wěn)定的反Q濾波方法推廣到疊前地震記錄和VSP記錄中,首先需要求出地震波在地下介質(zhì)中的實(shí)際傳播路徑,然后根據(jù)其在各層中的旅行時(shí)間,進(jìn)行穩(wěn)定的反Q濾波。圖1為疊前地震記錄和VSP記錄射線(xiàn)追蹤示意圖,可以看出,二者的共同點(diǎn)在于它們的射線(xiàn)路徑都可以分為下行波和上行波,這是給出二者統(tǒng)一算法和公式的基礎(chǔ)。

一般假設(shè)地下為水平層狀介質(zhì),先對(duì)其進(jìn)行射線(xiàn)追蹤,確定地震記錄上各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳播路徑。將地震波在各層中的下行旅行時(shí)記為td,1、td,2…td,m,上行旅行時(shí)記為tu,1、tu,2…tu,m,其中m為地層層數(shù)。根據(jù)上述原理,則疊前和VSP反Q濾波的公式可寫(xiě)為

式(5)～(6)中:Qj為第j層的Q值;其他符號(hào)意義同前。

需要注意的是,由于VSP記錄上行波與下行波路徑不同,在處理時(shí)需要首先對(duì)VSP記錄進(jìn)行上、下行波場(chǎng)分離,然后對(duì)其分別處理。對(duì)于下行波直達(dá)波和多次波,近似按照下行直達(dá)波的傳播路徑,將tu,m設(shè)為零,即可利用公式(5)～(6)對(duì)其進(jìn)行反Q濾波。該方法對(duì)零偏和非零偏VSP記錄均適用。

圖1 疊前地震記錄和VSP記錄射線(xiàn)追蹤示意圖

圖2 疊后合成衰減記錄反Q濾波

2 模型試算

2.1 疊后反Q濾波

設(shè)計(jì)一個(gè)5層的地質(zhì)模型,其層速度(v)、厚度(h)和Q值如圖2a所示。為驗(yàn)證本文方法的有效性,疊后反Q濾波與疊前反Q濾波的理論記錄均用此模型,只是觀(guān)測(cè)方式不同,并且只考慮旅行時(shí)的變化,忽略反射系數(shù)的變化。圖2b為疊后合成的衰減記錄,可以看出,隨著時(shí)間的增加,振幅能量減弱,同相軸變胖,記錄的分辨率降低。圖2c為疊后反Q濾波結(jié)果,可以看出,深層振幅能量得到恢復(fù),同相軸變瘦,分辨率得到提高。

2.2 疊前反Q濾波

圖3a為疊前合成衰減記錄,其觀(guān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)為:偏移距為200 m,道間距為25 m,接收道數(shù)為60道,記錄長(zhǎng)度為2.6 s,采樣間隔為2 ms。由圖3a可以看出,從淺到深,子波能量逐漸衰減;對(duì)于同一個(gè)地層,隨著炮檢距的不斷增大,子波衰減也越來(lái)越嚴(yán)重,伴隨著相位的畸變,致使記錄的分辨率降低。圖3b為疊前反Q濾波結(jié)果,可以看出,振幅能量和相位基本得到恢復(fù),分辨率明顯提高。

圖3 疊前合成衰減記錄反Q濾波

2.3 VSP反Q濾波

以零偏VSP記錄為例,圖4為零偏VSP合成衰減記錄,其觀(guān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)為:第一個(gè)檢波器埋深0 m,道間距30 m,接收道數(shù)60道,記錄長(zhǎng)度2.0 s,采樣間隔為2 ms。圖4a、b分別為下行波和上行波衰減記錄,可以看出,隨著炮檢距的增大、旅行時(shí)的增加,子波振幅能量減弱,波形拉伸,子波畸變?yōu)榉橇阆辔?分辨率降低。圖4c、d分別為下行波和上行波反Q濾波結(jié)果,對(duì)比可以看出,經(jīng)過(guò)反Q濾波補(bǔ)償后,振幅能量得到恢復(fù),而且波形變瘦,分辨率有了明顯提高。

圖4 零偏VSP合成衰減記錄反Q濾波

3 實(shí)際資料應(yīng)用

3.1 疊后反Q濾波

圖5為穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)疊后實(shí)際地震資料中的應(yīng)用結(jié)果。其中,圖5a為該地區(qū)疊后地震記錄,可以看出,和淺層記錄相比,2.5 s以下記錄的同相軸逐漸變粗,可分辨的地層變少;圖5b為對(duì)應(yīng)的該地區(qū)穩(wěn)定的反Q濾波記錄,可以看出,穩(wěn)定的反Q濾波使原始記錄的同相軸明顯變細(xì),并且深層記錄的振幅能量得到補(bǔ)償,可分辨的地層明顯增多;圖5c、d分別為二者的頻譜圖,可以看出,25～75 Hz頻帶內(nèi)的能量得到了不同程度的補(bǔ)償,從整體上看,反Q濾波有效補(bǔ)償了地震記錄的高頻分量,拓寬了地震記錄的頻帶寬度。

3.2 疊前反Q濾波

圖6為穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)疊前實(shí)際地震資料中的應(yīng)用結(jié)果。其中,圖6a為該地區(qū)疊前地震記錄,可以看出,淺層能量較強(qiáng),衰減較為嚴(yán)重,造成中深層幾乎看不到同相軸;圖6b為對(duì)應(yīng)的該地區(qū)穩(wěn)定的反Q濾波記錄,可以看出,中深層顯示出較為清晰的同相軸;圖6c、d分別為二者的頻譜圖,可以看出,反Q濾波明顯拓寬了地震記錄的頻帶范圍。

圖5 穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)疊后實(shí)際地震資料中的應(yīng)用結(jié)果

圖6 穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)疊前實(shí)際地震資料中的應(yīng)用結(jié)果

3.3 VSP反Q濾波

圖7為穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)零偏VSP實(shí)際資料下行波中的應(yīng)用結(jié)果。其中,圖7a、b分別為該地區(qū)原始下行波記錄和反Q濾波后的下行波記錄,可以看出,直達(dá)波的振幅能量,特別是大炮檢距處的振幅能量得到了有效補(bǔ)償,并且下行多次波的能量也得到了一定程度的恢復(fù);圖7c、d分別為二者的頻譜圖,可以看出,反Q濾波有效恢復(fù)了下行波40～70 Hz頻帶內(nèi)的能量。

圖7 穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)零偏VSP實(shí)際資料下行波中的應(yīng)用結(jié)果

圖8為穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)零偏VSP實(shí)際資料上行波中的應(yīng)用結(jié)果。其中,圖8a、b分別為該地區(qū)原始上行波記錄和反Q濾波后的上行波記錄,可以看出,反Q濾波后淺層記錄的連續(xù)性增強(qiáng),對(duì)淺層的分辨率明顯提高,同時(shí)中、深層記錄的能量得到了一定程度的恢復(fù);圖8c、d分別為二者的頻譜圖,可以看出,反Q濾波拓寬了地震記錄的頻帶寬度,主要補(bǔ)償了40～70 Hz頻帶內(nèi)的能量, 70～100Hz頻帶內(nèi)的能量也得到了部分恢復(fù)。

圖8 穩(wěn)定的反Q濾波方法在某地區(qū)零偏VSP實(shí)際資料上行波中的應(yīng)用結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)地面地震和VSP資料的反Q濾波算法不統(tǒng)一,本文根據(jù)這2種不同觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),給出了統(tǒng)一的反Q濾波公式,通過(guò)在波場(chǎng)延拓中加入穩(wěn)定因子,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的全反Q濾波。模型試算和實(shí)際資料應(yīng)用結(jié)果表明,本文方法可以有效補(bǔ)償高頻分量的能量,拓寬頻帶,提高記錄的分辨率。另外,當(dāng)?shù)卣鹩涗浀男旁氡容^低時(shí),建議考慮信噪比的反Q濾波,僅在信噪比較高的頻段內(nèi)進(jìn)行反Q濾波補(bǔ)償,從而避免在補(bǔ)償信號(hào)的同時(shí)出現(xiàn)噪聲放大。

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(編輯:張喜林)

A unified algorithm of stable inverse Q filtering and its application to high-resolution processing of seismic data

Yu Lianyong1Hu Guangyi1Zhao Yan2,3Fan Tingen1Liu Yang2,3

(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing,102249; 3.CNPC Key Laboratory of Geophysical Prospecting, China University of Petroleum,Beijing,102249)

Introducing stable inverse Q filtering into the attenuation compensation for pre-stack and VSP seismic records is quite good in effects,but the existing algorithms are relatively complex. Based on the assumption of horizontally-layered media in subsurface,a unified algorithm of stable inverse Q filtering and its formulae were developed for pre-stack and VSP(zero-offset and offset)records,by considering the features of pre-stack and VSP observation systems,and it was achieved to conduct high-resolution processing of pre-stack and VSP data.The model calculations and the application results of theoretical seismograms and actual seismic data have shown that this method can significantly improve the resolution of post-stack, pre-stack and VSP seismograms.

stable inverse Q filtering;unified algorithm;model calculation;high-resolution processing

2014-01-16改回日期:2014-03-11

*“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”課題“海上開(kāi)發(fā)地震關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究(編號(hào):2011ZX05024-001)”部分研究成果。

余連勇,男,工程師,2002年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東),獲應(yīng)用地球物理學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)主要從事開(kāi)發(fā)地震及開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究工作。地址:北京市東城區(qū)東直門(mén)外小街6號(hào)海油大廈(郵編:100027)。E-mail:yuly1@cnooc.com.cn。