基于等效Q值的反Q濾波影響因素分析

李雪英，裴江云，張惠瑜，吳 鵬，劉心宇

（1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田博士后科研工作站，黑龍江 大慶 163458； 3.東北石油大學 博士后科研流動站，黑龍江 大慶 163318； 4.大慶油田有限責任公司 勘探開發研究院，黑龍江 大慶

163712； 5.中國石油青海油田公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202； 6.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163416； 7.大慶油田有限責任公司，第三采油廠，黑龍江 大慶 163113）

0 引言

反Q濾波是一種比較成熟的疊后提高地震資料深層分辨率的技術手段.反Q濾波是由Hale D[1]提出的，以Futterman W I提出的數學模型為基礎，采用級數展開方法作近似高頻補償[2].Robinson J C提出的反Q濾波方法對速度頻散導致的相位畸變進行合理校正[3]，但是忽略能量損失導致的振幅衰減.Bickel S H等[4]根據Srtick E[5]提出的數學模型進行反Q濾波處理，實際應用效果很好，由于它是基于積分算法的，計算效率很低.Hargreaves N D等提出一種基于傅氏變換的反Q濾波算法[6]，可有效校正常Q介質導致的相位畸變，但無法恢復地震子波的振幅衰減.基于地震波場延拓理論，Wang Yanghua提出適用于水平層狀介質，并且可以同時完成振幅補償及相位校正的穩定反Q濾波算法[7]，將振幅補償項寫成兩個關于時間和頻率的一元函數的乘積，以波場延拓理論和FFT算法為基礎，具有很高的計算效率；后又將它推廣到Q值隨時間或深度連續變化的情況[8].

雖然已經發展基于波場延拓理論的層狀Q值的反Q濾波方法，但是利用地面地震資料直接進行層狀Q值建模存在困難，精度較差[9－10]，使層狀反Q濾波技術的應用受到一定的限制.筆者給出基于等效Q值的反Q濾波算法，分析其影響因素.

1 基于等效Q值的反Q濾波方法

1.1 基本原理

反Q濾波是地震波場的逆向傳播過程[11－19].基于波場延拓理論，對于水平層狀黏性介質，設z軸垂直向下，并且每一個水平均勻介質層的厚度為Δz，則反Q濾波波場延拓公式[20－21]為

式中：U（z，ω）為深度z的平面波場；ω為角頻率；j為虛數單位；kz（ω）為空間角頻率，并且

將式（2）代入式（1），令Δτ＝Δz／vi，旅行時間，得到：

其中2個e指數項分別為相位補償項和振幅補償項.

考慮地層Q模型Q（τ）為垂直時間的一維函數，將地表波場（τ＝0）向下延拓到時間τ為

定義等效Q值，即Qeff為

由式（5）可以看出，Qeff是隨時間連續變化的，將式（5）代入式（4），得到頻域內基于等效Q值的反Q濾波算法為

1.2 穩定性控制

為了使噪聲在補償過程中不出現不必要的擴大，設計一個適用于高頻的反Q濾波補償算子，采用一種適用于高頻的穩定性控制策略：在頻域內重新構造一個以自變量為的補償算子函數Γ（χ），設定截止值χc（由幅度控制門限閾值Glim計算得到），當χ≤χc時，補償函數為精確的反Q補償算子譜；當χ＞χc時，利用一個一階光滑可導的衰減e指數改造補償算子譜，使其光滑地衰減為一個很小的正常數.令，則穩定性控制為

式中：α為一很小的正常數，一般取10－4.加入新的穩定性控制方法后，式（6）變為

把補償后的頻率域數據反變換到時間域，得到經過反Q濾波補償后的時間域地震數據為

2 影響因素

采用波動方程正演模擬具有3個地層界面（界面位置分別在1、2、3s處）的理論合成數據，其中震源子波的主頻為30Hz，介質速度為2 000m／s，Q值為50，地震記錄的采樣點個數為2 000，采樣間隔為2 ms；然后分別從信噪比、等效Q值精度、調諧頻率、門限閾值等方面，研究基于等效Q值的反Q濾波技術的主要影響因素.

2.1 信噪比

實際地震數據中包含不同程度的隨機噪聲，而地震道中的隨機噪聲對補償效果產生影響.加入不同信噪比的隨機噪聲黏性補償后的地震道見圖1.由圖1可知，噪聲越大，穩定性問題越難控制，補償效果越不好，要求在反Q濾波之前應合理地壓制噪聲.

圖1 不同信嗓比補償后地震道隨機噪聲的影響Fig.1 Influence of random noise

在理論上，對于含有噪聲的地震道，地震子波在向下傳播過程中能量逐步衰減，超出一定距離后，信號的能量衰減到噪聲水平以下，此時對信號振幅的恢復將造成噪聲的過度放大，使有效信號堙沒在噪聲中.因此，平均噪聲能量以下的有效信號能量在原則上是不可恢復的.

2.2 等效Q值精度

以正演模擬得到的黏性吸收地震道為研究基礎，選取不同的等效Q值，用基于等效Q值的反Q濾波方法對它進行補償；通過廣義S變換獲取3個地層界面處的局部頻譜，與正確Q值的補償作比較，觀察補償效果的變化.

當選取的等效Q值為40時，第二個地層界面出現過補償，由于存在穩定性控制，使得高頻成分得不到有效恢復，造成第三層的峰值頻率有所降低（見圖2（a），其中實線代表第一個地層界面的局部傅利葉譜，虛線為第二個界面的，點線為第三個界面的）；當選取的等效Q值為50時，第二、三層峰值頻率與第一層的峰值頻率特征基本一致，第三層的峰值頻率略低是由穩定性控制造成的（見圖2（b））；當選取的等效Q值為80時，出現補償不足（見圖2（c））.因此，只有等效Q值選擇正確，基于等效Q值的反Q濾波才能取得良好的補償效果.

圖2 不同等效Q值補償后地震道精度的影響Fig.2 Influence of effective quality factor precision

2.3 調諧參數

由式（6）可知，調諧參數直接影響反Q濾波補償后的相位譜，因此選擇不同的調諧參數，將影響補償后的地震子波的到時.分別選取最高截止頻率和峰值頻率作為調諧參數，對同一地震道黏性地震數據進行反Q濾波補償，兩道合并后將2s處放大后發現，選擇最高截止頻率比選擇峰值頻率的相位補償效果更好，更接近無黏性吸收時的地震波的相位，走時更加準確（見圖3，其中實線代表峰值頻率，虛線代表最高截止頻率）.

2.4 門限閾值

門限閾值直接影響穩定性控制的效果，選取不同門限閾值對黏性地震數據進行反Q濾波的結果見圖4.由圖4可知：當門限閾值取200時，第三個界面的地震子波分辨率改善不明顯，振幅補償弱；當門限閾值取2.0×104時，雖然振幅得到有效恢復，分辨率明顯提高，但是底部出現不穩定現象，說明門限閾值選取越大，振幅補償越大，但也增加算法的不穩定性.

圖3 不同頻率補償后地震道調諧頻率的影響Fig.3 Influence of tune frequency

圖4 不同門限閾值補償后地震道的影響Fig.4 Influence of gain limit

3 結論

（1）分析基于等效Q值的反Q濾波補償效果的影響因素，噪聲越大，信噪比越低，穩定性問題越難控制，補償效果越不好，應在反Q濾波前合理地壓制噪聲.

（2）等效Q值選取精度對反Q濾波的振幅恢復有很大影響，對相位補償無影響，等效Q值選取偏小，補償過大；等效Q值選取偏大，補償不足.

（3）選擇最高截止頻率比選擇峰值頻率的相位校正效果更好，走時更加準確.

（4）門限閾值越大，振幅補償越大，補償后振幅越接近無黏性吸收的情況，但也增加算法的不穩定性.

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