張 文,周志才,于承業(yè)

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;2.大慶鉆探工程公司,黑龍江大慶163412;3.大慶勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

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一種改進(jìn)的近地表強(qiáng)吸收補(bǔ)償方法研究

張 文1,周志才2,于承業(yè)3

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;2.大慶鉆探工程公司,黑龍江大慶163412;3.大慶勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

近地表對(duì)地震波的吸收效應(yīng)非常強(qiáng),前人用了很多吸收補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減小其影響,雖然取得了一些不錯(cuò)的補(bǔ)償效果,但將適用于深層成巖地層的補(bǔ)償公式應(yīng)用于近地表存在著補(bǔ)償量分布不合理、運(yùn)算參數(shù)難以優(yōu)選等技術(shù)問(wèn)題,未達(dá)到理想的近地表吸收補(bǔ)償目的。在研究地震波吸收補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了常用的補(bǔ)償方法存在的問(wèn)題,在補(bǔ)償因子的計(jì)算公式中引入一個(gè)修正系數(shù),給出了一種適合近地表強(qiáng)吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補(bǔ)償方法,解決了以往近地表吸收補(bǔ)償存在的問(wèn)題,獲得了表層低降速帶吸收補(bǔ)償較為合理的地震剖面。該方法可廣泛應(yīng)用于地震資料的近地表強(qiáng)吸收補(bǔ)償處理。

近地表;吸收衰減;Q補(bǔ)償;低降速帶;補(bǔ)償因子

球面擴(kuò)散是降低反射信號(hào)能量的主要因素,這方面的補(bǔ)償技術(shù)已成為地震資料處理中比較成熟的技術(shù)[1],而吸收衰減是使反射信號(hào)頻帶寬度變窄的更直接因素,地層對(duì)地震波的吸收衰減包括兩部分：近地表吸收衰減和地下巖層吸收衰減。吸收衰減不僅會(huì)使地震信號(hào)的振幅、能量發(fā)生衰減,其相位也會(huì)產(chǎn)生畸變。地層Q值反映了介質(zhì)中波的衰減程度,Q補(bǔ)償是補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)傳播過(guò)程中的衰減,恢復(fù)地下地層反射系數(shù)的過(guò)程。

自1962年FUTTERMAN詳細(xì)論述了巖石對(duì)地震波的吸收衰減為地層的基本特性以來(lái),許多學(xué)者在地層吸收方面進(jìn)行了大量研究,并比較了十多種地層吸收品質(zhì)因子計(jì)算方法。KJARTANSSON[2]提出了采用上升時(shí)間成像原理估算地層Q值的方法;文獻(xiàn)[3～11]討論了利用地震道集、VSP或井間地震估算Q值的方法,這些Q值估算和補(bǔ)償方法都是基于成巖后,假設(shè)地層為近似彈性或粘滯彈性介質(zhì)前提下推導(dǎo)出來(lái)的,所以基本上適用于成巖地層,也就是依據(jù)彈性波衰減規(guī)律的Q值計(jì)算方法。對(duì)于近地表未固結(jié)的巖性,其吸收衰減非常復(fù)雜,傅承義[12]指出,彈性波在有孔,并含有空氣、油或者水的介質(zhì)中傳播時(shí),不能保持單一的性質(zhì),因此其速度意義也不明確,這樣,就不能完全照搬彈性波吸收衰減理論解決近地表吸收補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

在地震勘探中,我們可以依據(jù)野外實(shí)際近地表吸收調(diào)查結(jié)果,完成近地表吸收補(bǔ)償。地震初至波含有表層的吸收和衰減信息,因此可用來(lái)估算表層Q值[13-18]。微測(cè)井和小折射都是表層結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要手段,微測(cè)井在地面直接接收來(lái)自井下不同深度處激發(fā)的上行波信息,直接劃分近地表速度層,提供地震采集最佳激發(fā)巖性和炸藥井深設(shè)計(jì),受地形的影響小,比淺層小折射波法解釋精度高。微測(cè)井地震記錄的振幅和波形不僅受傳播介質(zhì)的品質(zhì)因子影響,也受微測(cè)井激發(fā)源所在地層的巖性影響。所以,常規(guī)微測(cè)井技術(shù)不能用來(lái)計(jì)算近地表巖性的品質(zhì)因子。于承業(yè)等[19]利用雙井微測(cè)井資料估算近地表Q值,是近地表吸收參數(shù)定量計(jì)算的一種方法。

在松遼盆地北部對(duì)雙井微測(cè)井、井中多級(jí)接收、地面三分量接收等3種表層吸收參數(shù)采集方法進(jìn)行了研究[20],形成了一套可行的表層吸收參數(shù)場(chǎng)建立技術(shù),取得了一定的補(bǔ)償效果。在該技術(shù)的推廣應(yīng)用中,我們發(fā)現(xiàn)這些資料存在補(bǔ)償效果不夠理想的現(xiàn)象。究其原因,是以往補(bǔ)償方法不能直接用于近地表資料的處理(表層與巖層的Q值相差幾十倍甚至百倍)。通過(guò)修改補(bǔ)償計(jì)算公式,不僅解決了以往補(bǔ)償公式用于近地表存在補(bǔ)償量分布不合理、運(yùn)算參數(shù)難以優(yōu)選等技術(shù)難題,而且獲得了比較理想的近地表吸收補(bǔ)償效果。

1 常用補(bǔ)償方法及其存在的問(wèn)題

無(wú)論是地下巖層還是近地表的吸收補(bǔ)償,都是先求得Q場(chǎng),然后利用補(bǔ)償公式逐炮逐道補(bǔ)償?shù)卣鸩ǖ奈账p量。影響補(bǔ)償效果的因素包括Q場(chǎng)的精度和補(bǔ)償公式的適用性兩個(gè)方面,那么,在相同的Q場(chǎng)下補(bǔ)償效果的優(yōu)劣主要取決于補(bǔ)償公式的適用性。下面主要分析以往常用的補(bǔ)償公式用于近地表吸收補(bǔ)償計(jì)算時(shí)存在的問(wèn)題。

在地下成巖地層內(nèi),地震波傳播使用的基本吸收補(bǔ)償公式[21]為：

(1)

式中：γ=1/πQ;ωh為相位校正的參考頻率;τ為地震波表層旅行時(shí);ω為地震波頻率;U為波場(chǎng)函數(shù)。

補(bǔ)償公式中兩個(gè)指數(shù)項(xiàng)分別是振幅補(bǔ)償項(xiàng)和相位補(bǔ)償項(xiàng),也稱為振幅補(bǔ)償因子和相位補(bǔ)償因子。實(shí)際計(jì)算時(shí)采用的相位校正參考頻率ωh一般由有效頻寬的上限值L(ωh=2πL)給定,即在該頻率處補(bǔ)償幅度最大。振幅補(bǔ)償因子β(τ,ω)的計(jì)算公式為:

(2)

相位補(bǔ)償因子φ(τ,ω)的計(jì)算公式為：

(3)

為了增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性,避免高頻補(bǔ)償過(guò)度,公式中要增加高頻衰減項(xiàng),在補(bǔ)償?shù)揭欢l率以后強(qiáng)烈衰減,過(guò)高的頻率成分不再補(bǔ)償。穩(wěn)定因子Λ(τ,ω)的計(jì)算公式為：

(4)

其中,WANG[22]給出了σ2的計(jì)算公式：

(5)

式中：Glim為補(bǔ)償增益門限控制因子,其大小控制補(bǔ)償幅度的高低,通常為5～30dB。計(jì)算時(shí)用Λ(τ,ω)乘以地震信號(hào)的頻譜值,而不用β(τ,ω)去除,主要是為了保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定,否則,高頻成分隨頻率升高越補(bǔ)越多,勢(shì)必造成地震信號(hào)信噪比嚴(yán)重降低;用φ(τ,ω)去校正地震信號(hào)的相位。

采用公式(4)進(jìn)行計(jì)算雖然保證了補(bǔ)償結(jié)果的穩(wěn)定性,但存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：

1) 有效頻寬的上限值L不好給定,與要補(bǔ)償?shù)念l率段不對(duì)應(yīng)。

公式(4)中的振幅補(bǔ)償因子β在不同L下隨頻率的變化關(guān)系如圖1所示。給定的上限頻率L為55Hz時(shí),振幅補(bǔ)償因子β的最大值在169Hz處(圖中的藍(lán)線);而給定的上限頻率L為95Hz時(shí),振幅補(bǔ)償因子β的最大值在165Hz處(圖中的紅線),都遠(yuǎn)高于L,表明有效頻寬的上限值L與要補(bǔ)償?shù)念l率段不對(duì)應(yīng),補(bǔ)償處理時(shí)無(wú)法針對(duì)有效頻帶進(jìn)行補(bǔ)償,用戶很難給定參考頻率或上限頻率。

2) 補(bǔ)償幅度即增益門限不易給定,最大補(bǔ)償量與有效頻寬的上限值L關(guān)系復(fù)雜。

從圖1可以發(fā)現(xiàn),在不同的Glim下,振幅補(bǔ)償因子β的最大值也發(fā)生了變化,當(dāng)Glim為10dB時(shí),β最大值在165Hz處(圖中的紅線),而當(dāng)Glim為25dB時(shí),β最大值在195Hz處(圖中的黑線),表明最大補(bǔ)償量與有效頻寬的上限值L關(guān)系復(fù)雜,導(dǎo)致補(bǔ)償幅度即增益門限不易給定,說(shuō)明公式(4)對(duì)近地表的吸收補(bǔ)償存在不適應(yīng)或計(jì)算誤差較大的問(wèn)題。

圖1 公式(4)中的β在不同L和Glim下隨頻率的變化關(guān)系

2 改進(jìn)的補(bǔ)償方法

分析常用補(bǔ)償方法導(dǎo)致近地表補(bǔ)償計(jì)算誤差大的原因,發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償公式導(dǎo)致了補(bǔ)償方法存在問(wèn)題：以往常用補(bǔ)償計(jì)算公式適合巖層對(duì)地震波的吸收補(bǔ)償,巖層的Q值通常為40～200,而近地表的Q值通常為1～20,相差幾十倍甚至上百倍,導(dǎo)致計(jì)算的補(bǔ)償量誤差較大;在不同的補(bǔ)償幅度下補(bǔ)償量誤差變化也較大,在β(τ,ω)計(jì)算公式中應(yīng)該含有Glim變量,而不僅僅在σ2之中才含有,需要增加一個(gè)修正因子α/ωh。該因子是增益門限Glim,Q值和頻率上限L的函數(shù),以保證在不同的補(bǔ)償幅度和頻率上限的情況下,近地表Q補(bǔ)償具有比較穩(wěn)定的計(jì)算精度。改進(jìn)后的計(jì)算公式為：

(6)

其中,

(7)

α計(jì)算公式為經(jīng)驗(yàn)公式,是通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)出來(lái)的,曾試驗(yàn)過(guò)線性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系和對(duì)數(shù)

關(guān)系等形式(統(tǒng)計(jì)過(guò)程很繁瑣,在此從略),最終確定為公式(7)的形式,當(dāng)然也許還有其它形式或更精確的經(jīng)驗(yàn)公式存在,但公式(7)的計(jì)算精度被認(rèn)為能夠滿足實(shí)際計(jì)算要求。改進(jìn)后公式中的振幅補(bǔ)償因子β在不同L下隨頻率的變化關(guān)系如圖2所示。給定的上限頻率L為55Hz時(shí),振幅補(bǔ)償因子β的最大值在52Hz處(圖中的藍(lán)線),當(dāng)L為95Hz時(shí),β的最大值在90Hz處(圖中的紅線);L為95Hz不變而Glim由10dB變?yōu)?5dB時(shí),β的最大值在103Hz處(圖中的黑線)。改進(jìn)后公式中振幅補(bǔ)償因子β的最大值出現(xiàn)位置與給定L的差異很小(在通常區(qū)間內(nèi)不超過(guò)10%),這樣就給用戶操作補(bǔ)償軟件帶來(lái)了很大方便,使補(bǔ)償比較有針對(duì)性,補(bǔ)償結(jié)果更客觀、有效。改進(jìn)的補(bǔ)償方法未增加新參數(shù),也不需要其它數(shù)據(jù),沒(méi)有增加計(jì)算成本。關(guān)于是否達(dá)到完全補(bǔ)償或者說(shuō)增益門限Glim是否達(dá)到最優(yōu),理論上很難確定。實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過(guò)多個(gè)Glim的補(bǔ)償結(jié)果優(yōu)選出一個(gè)Glim用于全區(qū)的補(bǔ)償處理,由補(bǔ)償后的地震單炮或剖面品質(zhì)來(lái)評(píng)定補(bǔ)償參數(shù)選擇是否優(yōu)良。這就是本文給出的適合近地表強(qiáng)吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補(bǔ)償方法。

圖2 改進(jìn)后公式中的β在不同L和Glim下隨頻率的變化關(guān)系

3 應(yīng)用效果分析

將本文方法應(yīng)用于松遼盆地北部地區(qū)的地震資料處理。按照上述修正的補(bǔ)償公式(公式(6)和公式(7))逐炮逐道進(jìn)行表層吸收總量的補(bǔ)償。實(shí)際計(jì)算時(shí),加入表層吸收衰減總量數(shù)據(jù),用本文改進(jìn)的方法以及原方法分別進(jìn)行計(jì)算。相比之下,計(jì)算用時(shí)未發(fā)生變化,所給參數(shù)也相同,但補(bǔ)償效果得到了一定程度的提高。

公式改進(jìn)前、后補(bǔ)償效果的對(duì)比見(jiàn)圖3到圖5。在原始單炮能量強(qiáng)弱方面(圖3)未見(jiàn)明顯差異,同相軸連續(xù)性也基本一致,改進(jìn)后略好一些;在50～100Hz的單炮掃描記錄上(圖4),改進(jìn)前、后差異也不大;但在110～220Hz的單炮掃描記錄上(圖5),改進(jìn)前、后差異卻很大,補(bǔ)償時(shí)最高頻率上限給定95Hz,改進(jìn)前是將大部分能量補(bǔ)償在了高頻段,110Hz

以上有效信息非常弱,補(bǔ)償后并未提升高頻有效信息成分,相反增強(qiáng)了更多的干擾信息,而改進(jìn)后高頻信息仍然很弱,未增加更多的干擾,補(bǔ)償參數(shù)上限頻率L起到了很好的作用(計(jì)算時(shí)最大補(bǔ)償增益門限都給定為20dB)。

圖6a和圖6b分別給出了T1層和T2層表層補(bǔ)償公式改進(jìn)前、后單炮記錄的頻譜。圖中的藍(lán)色曲線、黑色曲線和紅色曲線分別代表補(bǔ)償前、方法改進(jìn)前和方法改進(jìn)后的頻譜。對(duì)比補(bǔ)償前、后的頻帶,無(wú)論T1層還是T2層,補(bǔ)償后都比補(bǔ)償前頻帶拓寬了10Hz以上,體現(xiàn)了一定的補(bǔ)償效果。對(duì)比公式改進(jìn)前、后的補(bǔ)償效果,低頻端沒(méi)有變化,高頻端差異較大。改進(jìn)后高于主頻的優(yōu)勢(shì)頻帶(相對(duì)振幅高于0.1以上)能量明顯高于改進(jìn)前,兩主要目的層均是如此,特別是T1層的40～60Hz和T2層的30～50Hz頻率段有效能量增強(qiáng)了很多,這部分在反演解釋中可利用的能量得到了較好的補(bǔ)償。100Hz以上部分的差異表明,方法改進(jìn)前將大部分能量補(bǔ)償在了這部分,而該部分信號(hào)信噪比低,未達(dá)到吸收補(bǔ)償?shù)睦硐胄ЧＳ纱丝芍?方法改進(jìn)后補(bǔ)償結(jié)果更有效、更有利于提升地震資料的分辨率。

圖3 表層補(bǔ)償公式改進(jìn)前(a)、后(b)原始單炮的能量對(duì)比

圖4 表層補(bǔ)償公式改進(jìn)前(a)、后(b)掃描單炮的能量對(duì)比(50～100Hz)

圖5 表層補(bǔ)償公式改進(jìn)前(a)、后(b)掃描單炮的能量對(duì)比(110～220Hz)

圖6 表層補(bǔ)償公式改進(jìn)前、后單炮記錄標(biāo)準(zhǔn)層頻譜對(duì)比a T1層頻譜; b T2層頻譜

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了適合于巖層的吸收補(bǔ)償公式用于計(jì)算近地表補(bǔ)償量時(shí)誤差大的問(wèn)題,修正了補(bǔ)償計(jì)算公式,給出了適合近地表強(qiáng)吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補(bǔ)償方法。該方法是解決近地表強(qiáng)吸收補(bǔ)償公式適用性問(wèn)題的有效手段之一,用修正的補(bǔ)償公式來(lái)補(bǔ)償表層低降速帶的強(qiáng)吸收衰減效果很好,克服了以往近地表吸收補(bǔ)償存在的補(bǔ)償量分布不合理、運(yùn)算參數(shù)難以優(yōu)選等技術(shù)問(wèn)題,可廣泛應(yīng)用于地震資料的近地表強(qiáng)吸收補(bǔ)償處理。

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(編輯：陳 杰)

An improved compensation method for near surface strong absorption

ZHANG Wen1,ZHOU Zhicai2,YU Chengye3

(1.CollegeofPetroleumEngineeringInstitute,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.DaqingDrilling&EngineeringCorporation,Daqing163412,China;3.DaqingExploration&DevelopmentResearchInstitute,Daqing163712,China)

Strong absorption effect posed on seismic wavefield by near surface is very remarkable.Predecessors have developed many ways to reduce the impact and some good compensation effect has been found.If we directly apply the compensation formula which is suitable for solid rock to near surface directly,some technical problems exist,such as unreasonable compensation quantity distribution,difficult parameter optimization.Ideal compensation for near surface absorption can not be reached so far.On the basis of studying previous compensation technology for seismic absorption compensation technology,some existing problems of the original compensation method are analyzed.A correction factor is added in the compensation calculation formula,an improved compensation method for near surface strong absorption compensation method is proposed which are controlled by two factors,gain threshold and frequency threshold.The above existing problems in near surface absorption compensation mentioned above have been ameliorated.Seismic shot records with reasonable compensation for near surface absorption compensation is obtained,so the improved method can be widely used in the compensation processing for the near surface absorption.

near-surface,absorption and attenuation,Qcompensation,low velocity zone,compensation factor

2016-03-15;改回日期：2016-05-16。

張文(1964—),男,教授,主要從事油藏描述技術(shù)、油氣田開(kāi)發(fā)工程理論與技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2017)02-0210-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.007

張文,周志才,于承業(yè).一種改進(jìn)的近地表強(qiáng)吸收補(bǔ)償方法研究[J].石油物探,2017,56(2):-215

ZHANG Wen,ZHOU Zhicai,YU Chengye.An improved compensation method for near surface strong absorption[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(2):-215