戴曉峰

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

1 引 言

我國各個探區(qū)都不同程度地存在層間多次波。特別是在諸如四川、塔里木和鄂爾多斯等盆地，這些盆地構(gòu)造平緩、中淺層存在多個強(qiáng)反射界面，能產(chǎn)生較強(qiáng)能量層間多次波，同時深層碳酸鹽巖地層反射弱，多次波干擾顯著更為嚴(yán)重[1-5]。多次波干擾使有效反射波振幅、頻率及相位發(fā)生畸變，分辨率下降，影響地震屬性提取、反演等地震解釋研究的可靠性。

針對多次波壓制，前人開展了大量的研究，取得了豐富的技術(shù)成果[6-12]，而多次波識別技術(shù)研究相對較少。由于層間多次波的復(fù)雜性，除了先進(jìn)處理技術(shù)和理論基礎(chǔ)之外，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的處理，對多次波及其特征進(jìn)行有效的識別和全方位的評價(jià)也是必不可少的。

目前，在地震處理解釋中，通常基于多次波的速度和周期性特征在速度譜、疊加剖面、地震疊前道集上識別多次波或者評價(jià)壓制效果[13-16]。已有的多次波識別方法識別精度不高，并且只能對單個道集或速度譜、觀測線進(jìn)行定性識別，不能對地震工區(qū)平面上多次波的整體發(fā)育程度和分布情況進(jìn)行分析，難以滿足處理和解釋過程中對層間多次波識別、預(yù)測、壓制的需要。

針對以上的技術(shù)不足，本文提出了基于地震速度譜求取速度展度識別多次波的新方法，并通過速度展度沿層屬性識別和預(yù)測整個地震工區(qū)多次波的整體發(fā)育程度、分布規(guī)律，提高了多次波識別的能力，豐富了多次波識別和處理監(jiān)控方法，具有一定的生產(chǎn)意義。

2 基本原理

速度譜通常指多次覆蓋技術(shù)中的疊加速度譜，是分析多次波的基礎(chǔ)資料之一。通過速度譜上低速異常能量團(tuán)，可粗略判斷多次波的類型、強(qiáng)度[17，18]。

通常情況下，多次波和一次波具有不同的傳播速度。因此，當(dāng)?shù)卣鹩涗浿写嬖诙啻尾ǜ蓴_時，速度譜通常會表現(xiàn)出能量團(tuán)不聚焦、在時間軸上速度變化趨勢不唯一等現(xiàn)象。以鄂爾多斯盆地某CMP(Common Middle Point,CMP,共中心點(diǎn))點(diǎn)的速度譜為例，如圖1所示2.0 s以上，多次波不發(fā)育，一次波能量團(tuán)聚焦好、能量集中，其能量團(tuán)對應(yīng)的疊加速度范圍小。在2.0 s以下之間的時間段內(nèi)，多次波逐步開始發(fā)育，在速度譜上，能量逐漸發(fā)散，出現(xiàn)了分別代表多次波反射的低速趨勢(黑色)和一次波反射的高速趨勢(白色)。

圖1 鄂爾多斯盆地某CMP點(diǎn)的速度譜Fig.1 Velocity spectrum of a CMP in the Ordos basin

通過分析其能量團(tuán)分布特征可以看出，不同程度的多次波干擾在速度譜上表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。當(dāng)沒有多次波或多次波干擾較弱時，能量團(tuán)單一，聚焦好，能量團(tuán)橫向較窄，如圖1中1.9 s黃色箭頭處；當(dāng)多次波速度和一次波速度接近時，二者能量團(tuán)會相互疊加，部分重疊在一起，聚焦變差，其能量團(tuán)的寬度增加，如圖1中1.0 s黃色箭頭處的能量團(tuán)對應(yīng)的速度范圍為1 900～2 300 m/s；當(dāng)多次波的速度和一次波的速度相差較大時，二者會分離出現(xiàn)兩個或多個能量團(tuán)，如圖1中2.9 s黃色箭頭處，2個能量團(tuán)對應(yīng)的速度從2 300 m/s到3 050 m/s。

顯然無論哪種情況，當(dāng)在某個時間存在多次波干擾時，速度譜上能量團(tuán)對應(yīng)的疊加速度范圍會變寬，而且多次波速度和一次波速度差異越大，疊加速度范圍也越寬。

基于以上特征，將速度譜上有效疊加能量團(tuán)對應(yīng)的速度區(qū)間寬度定義為速度展度，用于識別多次波。

假設(shè)CMP點(diǎn)的速度譜用二維數(shù)組A(t,v)表示：其中A為速度譜值(疊加能量或相關(guān)系數(shù))，t為時間，單位為s；v為速度，單位為m/s。如圖2(a)所示某CMP點(diǎn)的速度譜，橫坐標(biāo)為相對地震速度百分比，間隔為1 %，網(wǎng)格數(shù)m=41；縱坐標(biāo)為時間，采樣率為4 ms，網(wǎng)格數(shù)n=450。

圖2 某CMP點(diǎn)的速度譜及速度展度圖Fig.2 Velocity spectrum and velocity spread of a CMP

那么，A(t,v)在同一時刻t下，有效能量團(tuán)對應(yīng)的初始速度和最終速度之間的速度間隔即為該時刻的速度展度E。

3 速度展度求取和應(yīng)用

速度展度求取的關(guān)鍵是如何判斷有效能量團(tuán)。最為簡單的方法是采用門檻值判斷，大于某個值即為有效能量，反之則為噪聲能量。然而，受到采集和處理過程中多方面影響，不同CMP點(diǎn)速度譜質(zhì)量也有較大差異。若將單一的門檻值籠統(tǒng)地應(yīng)用到整個三維資料來劃分，誤差很大，因此采用更為有效的圖像二值化方法進(jìn)行速度譜類別分割處理。

3.1 圖像二值化處理

圖像二值化處理是將不同亮度等級的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得的可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。為了得到理想的二值圖像，一般采用封閉、連通的邊界定義不交疊的區(qū)域，所有灰度大于或等于閾值的像素判定為屬于特定物體，否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。

對于任意CMP點(diǎn)的速度譜A(t,v)，可以將其看作是一個二維灰度圖像數(shù)據(jù)。選擇圖像分割算法，確定圖像分割閾值，對速度譜進(jìn)行二值化處理，將速度譜值分成背景和目標(biāo)兩種類別，實(shí)現(xiàn)速度譜的類別分割。其中目標(biāo)類別賦值為1，表示速度譜上地震反射形成有效能量團(tuán)；背景類別賦值為0，表示包括隨機(jī)噪聲、異常值等在內(nèi)的背景數(shù)值。

本文選擇大津算法進(jìn)行二值化處理。大津算法使用目標(biāo)和背景之間的類間方差劃分類別，類間方差最大的分割即意味著錯分概率最小，計(jì)算以每個灰度值為閾值分割的類間方差，其中類間方差最大的值即為閾值[10]。

具體步驟如下：

1)將一個CMP點(diǎn)的速度譜A(t,v)按照數(shù)值從小到大排序，并記為灰度值ci,i=1,2,…,N。其中N為總的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)，且N=m×n；m為時間采樣點(diǎn)數(shù)；n為速度采樣點(diǎn)數(shù)。

2)按照下式計(jì)算該點(diǎn)速度譜的類間差σk：

(1)

其中，σk表示類間方差；ci為灰度值；N為總的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)；k為序號。

當(dāng)σk取最大值時，序號k對應(yīng)的灰度值Ck即為閾值。

3)以灰度值Ck為閾值，按下式將速度譜劃分為背景0和目標(biāo)1兩種類別：

(2)

其中，Ti,j表示速度譜類別；Ai,j為速度譜值；Ck為閾值。

圖2(b)為該CMP點(diǎn)的速度譜類別劃分結(jié)果，圖中白色網(wǎng)格點(diǎn)代表類別1，表示速度譜上有效能量團(tuán)；黑色網(wǎng)格點(diǎn)代表類別0，表示背景噪聲。

3.2 速度展度的求取

在速度譜類別道集Ti,j上，按照時間順序逐點(diǎn)計(jì)算速度展度Ei。

對于每個時間i，都是一個由Ti,1,Ti,2,Ti,3,…,Ti,n組成的一維數(shù)組。

采用下面計(jì)算方法求取該數(shù)組每個時間的速度展度：對數(shù)組Ti,1,Ti,2,Ti,3,…,Ti,n，記錄下類別1出現(xiàn)的初始相對速度和最終相對速度的位置，二者位置相減得到該時間點(diǎn)的速度展度Ei。

圖2(c)為該CMP點(diǎn)的速度展度，圖中可見，隨著時間深度增加，速度譜的展度逐漸增加，在2.4～2.8 s之間展度最大，指示該時窗范圍內(nèi)多次波發(fā)育。

3.3 多次波識別和應(yīng)用

相同地質(zhì)層位反射特征相似，其速度譜也具有很好的相似性。如果該地質(zhì)層位存在來自于淺層的多次波反射，在地震速度譜上，會在相對一次波速度的低速區(qū)域也形成能量團(tuán)，使得能量團(tuán)在速度譜上橫向距離增大，即速度展度變大。

因此，利用沿層速度展度切片能夠分析地震資料中多次波的整體發(fā)育程度和平面分布情況。并且數(shù)值取值范圍越寬，多次波越發(fā)育；在平面上，展度屬性值大的區(qū)域指示多次波發(fā)育的區(qū)域。

在地震資料解釋研究中，通過分析地震成果資料所對應(yīng)的CRP(Common Reflection Point,CRP,共反射點(diǎn))道集的速度展度，能夠劃分出地震資料中多次波干擾強(qiáng)、不可靠的區(qū)域，對解釋成果的可靠性提供有價(jià)值的參考，降低勘探開發(fā)中井位部署的風(fēng)險(xiǎn)，更好地服務(wù)于油氣田。

在地震資料處理中，通過多次波壓制處理前、后的速度展度平面屬性對比(如圖3所示)，反映出多次波壓制程度，輔助分析多次波壓制的處理效果，指導(dǎo)處理人員優(yōu)化處理參數(shù)、合理壓制地震數(shù)據(jù)中的多次波，減少壓制多次波的不確定性，實(shí)現(xiàn)多次波壓制處理的參數(shù)優(yōu)選和定量監(jiān)控。

4 應(yīng)用實(shí)例及效果

研究區(qū)位于四川盆地川中高石梯地區(qū)，目前在該區(qū)的深層震旦系燈影組四段碳酸鹽巖發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)、富集氣藏。研究表明，該區(qū)在震旦紀(jì)至中三疊世發(fā)育了4套低速泥頁巖和高速碳酸鹽巖互層及其強(qiáng)反射界面，在燈影組附近形成強(qiáng)能量多次波干擾。由于多次波干擾能量強(qiáng)，多次波速度和一次波接近，地震資料信噪比低[21，22]。

通過沿層求取得到燈四段速度展度平均值，中值濾波后得到屬性切片，見圖3(a)。從圖上看，燈四段速度展度在平面上存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性，指示多次波干擾在空間上分布很不均勻。強(qiáng)能量多次波干擾主要位于GS2井和GS6井周圍，其速度展度在500以上。

圖3 高石梯燈影組四段速度展度屬性Fig.3 Dengying Fm’s spread attribute map of GST

已鉆井的井震標(biāo)定驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果的可靠性。如果井點(diǎn)處沒有多次波干擾，地震資料信噪比高，該井的測井合成地震記錄和地震數(shù)據(jù)應(yīng)該符合好，相關(guān)系數(shù)高；反之，如果多次波發(fā)育，井震匹配差，相關(guān)系數(shù)低。

圖4為處于速度展度屬性預(yù)測為強(qiáng)多次波干擾區(qū)GS6井的井震標(biāo)定圖。該井井震標(biāo)定很差，對比測井合成地震記錄和井旁地震道，二者相關(guān)系數(shù)僅為0.14。在燈影組附近，除了燈影組頂面波峰能有效對比之外，同相軸時間、能量和相位均難以有效對比。說明地震資料中包含了強(qiáng)能量多次波干擾，和該井點(diǎn)處最高的速度展度值一致。

圖5為處于速度展度屬性預(yù)測為弱多次波干擾區(qū)GS1井的井震標(biāo)定圖。該井燈四段測井合成地震記錄和地震道整體能夠有效對比，相關(guān)系數(shù)為0.64。該井附近速度展度為270 m/s，預(yù)測多次波相對較弱，和井震標(biāo)定結(jié)果符合好。

5 結(jié) 論

1)速度譜展度是速度譜上有效疊加能量團(tuán)對應(yīng)的速度區(qū)間寬度，能夠反映出多次波發(fā)育的程度，用于識別多次波。

2)速度譜展度多次波平面發(fā)育程度預(yù)測方法，采用圖像分割技術(shù)對速度譜進(jìn)行二值化處理，求取速度譜展度體，并利用展度屬性切片實(shí)現(xiàn)平面上多次波的定量分布預(yù)測，是對多次波識別和預(yù)測方法的補(bǔ)充。

3)實(shí)際地震資料的應(yīng)用表明，速度譜展度分析技術(shù)有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，可在地震處理中用于多次波壓制效果監(jiān)控，也可在地震解釋中用于地震資料多次波干擾分析，對儲層預(yù)測結(jié)果進(jìn)行可靠性評價(jià)，降低開發(fā)勘探中井位部署的風(fēng)險(xiǎn)。