陸上寬頻采集疊后地震資料的小波域提高分辨率應(yīng)用研究

毛海波,范 旭,楊曉海,黃 堅(jiān),陳文超

(1.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所,新疆烏魯木齊830013；2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,陜西西安710049)

如何獲得高分辨率的地震資料始終是地震勘探領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。除了改進(jìn)采集方式獲得高精度寬頻資料外,對所獲得的資料進(jìn)行高分辨率處理也是一條重要途徑。近年來,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種提高分辨率的處理方法,如反褶積[1-2]、譜白化[3-4]、寬帶約束反演[5]、反Q濾波[6-8]、井地聯(lián)合處理[9-13]、疊前分角度處理[14]等,均取得了明顯的應(yīng)用效果。反褶積[1-2]類方法通過對地震記錄中的地震子波進(jìn)行壓縮達(dá)到提高分辨率的目的,是目前提高疊后地震資料分辨率重要且有效的手段。目前該類方法已經(jīng)發(fā)展了很多實(shí)用算法,但為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反褶積,需作子波最小相位假設(shè)。然而,由于實(shí)際資料中的地震子波多為混合相位,該方法的應(yīng)用效果受到限制,同時(shí),為了減少噪聲對反褶積算子的影響,發(fā)展了時(shí)頻域反褶積方法,并取得一定的進(jìn)展[15]。

工業(yè)界常用的譜白化方法[3-4]具有操作簡單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是保真性較差。寬帶約束反演方法[5]是將地震資料、測井信息和先驗(yàn)地質(zhì)知識有機(jī)結(jié)合起來的疊后迭代反演方法,可以大幅度提高地震剖面的分辨率,尤其是在井資料比較密集的情況下,效果明顯優(yōu)于反褶積方法。但是此類方法強(qiáng)烈依賴于初始模型,反演結(jié)果往往具有多解性。反Q濾波方法[6-8]通過補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄔ诘叵陆橘|(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的衰減效應(yīng)來提高地震信號分辨率,其應(yīng)用效果直接取決于地層品質(zhì)因子Q值模型和Q值估計(jì)精度,如何較為準(zhǔn)確地估計(jì)Q值是該方法需要解決的難題。CHOPRA等[9]利用井中不同深度VSP資料獲得地震波的幅度和頻率衰減特性,成功地恢復(fù)了地震資料中被衰減的高頻分量。程亮等[13]給出了一種井地聯(lián)合的提高地震資料分辨率方法,并利用實(shí)際資料驗(yàn)證了方法的有效性。張明振[14]根據(jù)疊前道集小角度數(shù)據(jù)及大角度數(shù)據(jù)同源的機(jī)理,提出一種壓制大角度數(shù)據(jù)調(diào)諧效應(yīng),進(jìn)而提高疊加數(shù)據(jù)分辨率的方法。

利用小波變換提高地震資料分辨率也一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)。吳愛娣等[16]應(yīng)用二維連續(xù)小波變換提高地震資料分辨率,方法是利用信號及噪聲在時(shí)間、頻率、空間及波數(shù)域的差異來提高地震資料信噪比,同時(shí)通過調(diào)整各尺度信號能量大小提高地震資料分辨率。陳文超等[17]在連續(xù)小波域大幅度提高了過井地震剖面的分辨率,指出井震資料匹配程度限制了該方法的應(yīng)用效果。王西文等[18]將井旁地震道及合成地震記錄在小波域分頻展開,提出了一種參考合成地震記錄優(yōu)化實(shí)際地震數(shù)據(jù)小波重構(gòu)系數(shù)的方法,該方法能明顯地提高地震資料分辨率。此外,王西文等[19]構(gòu)造了能提高地震資料分辨率、提取瞬時(shí)屬性的導(dǎo)數(shù)小波函數(shù)方法,取得了明顯的應(yīng)用效果。邱庚香等[20]對地震記錄進(jìn)行二進(jìn)小波多分辨率分解,通過補(bǔ)償高頻分量來提高地震記錄分辨率,然而,該方法的應(yīng)用效果受制于原始資料信噪比。SMITH等[21-22]利用連續(xù)小波變換拓展地震資料的有效帶寬,明顯提高了地震資料的分辨率。該方法不僅能對信號的高頻段進(jìn)行補(bǔ)償,而且能對信號的低頻段進(jìn)行補(bǔ)償,在提高地震資料分辨率的同時(shí),使地震信號保真度明顯高于常用的譜白化等方法。陳文超等[23]進(jìn)一步發(fā)展了連續(xù)小波域提高地震資料分辨率的方法,利用時(shí)變信號在時(shí)間-尺度域的多分辨特性,基于寬頻帶高分辨率地震信號振幅譜能量近似水平的假設(shè),在連續(xù)小波變換域拓展地震資料的有效帶寬。

本文研究了連續(xù)小波域自適應(yīng)地震資料頻譜拓展方法,給出了方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟及主要參數(shù)選擇策略,利用準(zhǔn)噶爾盆地高密度采集三維疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性。

1 方法原理

地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí),高頻信號相對低頻信號吸收衰減更快,形成了地震信號主頻低、帶寬窄的特點(diǎn)。若將地震信號分解到連續(xù)小波域,則表現(xiàn)為高頻信號的小尺度小波系數(shù)能量相對較弱。基于寬頻帶高分辨率地震信號振幅譜能量近似水平的假設(shè),在連續(xù)小波域補(bǔ)償傳播損失的高頻能量,可以恢復(fù)地震資料的高分辨率特征。

首先,對單道地震信號做連續(xù)小波變換。將單道地震數(shù)據(jù)分解到時(shí)間-尺度域,即獲得拓頻前地震信號的小波變換系數(shù):

(1)

式中,f(t)為單道地震信號,Ψ(t)為母小波,τ和s為平移因子及尺度因子。連續(xù)小波變換在時(shí)頻平面(即時(shí)間-尺度平面)內(nèi)具有良好的局部化特性和冗余特性,為頻率域拓展頻帶提供了可能性。連續(xù)小波變換的時(shí)頻分辨率受不確定性原理的約束,同時(shí)與尺度相關(guān):尺度增大時(shí),時(shí)間分辨率較低,頻率分辨率較高;反之,尺度減小時(shí),時(shí)間分辨率較高,頻率分辨率較低。

其次,在原始地震信號的振幅譜中選擇一個(gè)基準(zhǔn)頻率,計(jì)算所需要拓展頻率的范圍。由于信號的有效頻寬按照倍頻變化時(shí),時(shí)間域觀察到的信號分辨率變化最明顯,因此,頻譜拓展范圍的計(jì)算采用倍頻程的方式。圖1為拓展頻率范圍選擇示意圖,A表示所選擇的高頻端基準(zhǔn)頻率,即原始地震數(shù)據(jù)有效頻寬的高截頻對應(yīng)的頻率值,B為A/2,B到A之間的頻率段為與拓展高頻段對應(yīng)的基礎(chǔ)頻率。下文例子中,基準(zhǔn)頻率A(即高頻基準(zhǔn)頻率)約為20Hz,則B約為10Hz。拓展的高頻分量的頻率稱為諧波(一次諧波、二次諧波等),基礎(chǔ)頻率段為B(即A/2)到A之間,一次諧波頻率段為A到2A之間,二次諧波為2A到4A之間,以此類推。利用基礎(chǔ)頻率段的振幅譜預(yù)測諧波的振幅譜,即通過計(jì)算基礎(chǔ)頻率段的能量密度校正諧波的能量密度,使得諧波能量密度與基礎(chǔ)頻率段能量密度基本一致,從而達(dá)到拓展帶寬的目的。低頻端拓展頻率范圍選擇與高頻端類似,圖1虛線即為拓展低頻端的基準(zhǔn)頻率(假設(shè)為C)。下文例子中,低頻基準(zhǔn)頻率約為5Hz(即低截頻對應(yīng)的頻率值)。拓展的低頻分量的頻率稱為次諧波(一次次諧波等),其中一次次諧波頻率段在C/2到C之間。低頻端(次諧波)頻譜拓展與高頻端(諧波)頻譜拓展類似。以上校正過程均需在連續(xù)小波域完成。

圖1 拓展頻率范圍選擇

(2)

式中:CΨ為滿足可允許性條件的常數(shù),其數(shù)值由母小波決定。另外,本文采用了Morlet小波作為小波母函數(shù)。

2 實(shí)際資料應(yīng)用

2.1 沙漠區(qū)M6三維工區(qū)

M6三維工區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地腹部沙漠地區(qū)。勘探目的層包括侏羅系(J)、三疊系(T)、二疊系(P)、石炭系(C),以二疊系、石炭系為主。地表沙丘對地震波有很強(qiáng)的吸收衰減作用,嚴(yán)重降低了地震分辨率;同時(shí),目的層埋深大,進(jìn)一步增加了目的層識別的難度。該工區(qū)的地震資料為可控震源高密度高效采集資料,采用寬頻帶震源激發(fā)(掃描頻率為1.5～84.0Hz)、寬方位接收(主要目的層段觀測系統(tǒng)橫縱比約為0.78)、高覆蓋次數(shù)(大約1000次)以及基于表層精細(xì)調(diào)查的吸收補(bǔ)償?shù)取Ｔ跀?shù)據(jù)處理階段,采用分類、分階段、多域等多種手段壓制各種噪聲[24-26],提升了地震資料的信噪比。但該工區(qū)疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)存在低頻信息豐富、主頻低、高頻弱的問題,影響了地質(zhì)目標(biāo)的識別。為此,采用本文方法進(jìn)行了提高分辨率處理。

圖2對比了過M6井線地震剖面應(yīng)用本文方法處理前后的結(jié)果,圖2a為處理前的疊前時(shí)間偏移剖面,圖2b為本文方法提高分辨率處理后的結(jié)果。可以看出,應(yīng)用連續(xù)小波變換自適應(yīng)拓頻方法后,剖面時(shí)間方向分辨率得到了明顯提升,且保持了較高的信噪比。時(shí)間分辨率的提高使白堊系(K)、侏羅系(J)、三疊系(T)、二疊系(P)、石炭系(C)地震反射接觸關(guān)系更加清楚,斷裂特征改善,斷點(diǎn)清晰。尤其是在大幅度提高侏羅系強(qiáng)反射同相軸分辨率的同時(shí),改善了石炭系頂界與二疊系不整合接觸關(guān)系的成像,為后續(xù)高精度屬性分析提供了良好的數(shù)據(jù),也為石炭系構(gòu)造研究提供了豐富的信息。

圖3是圖2對應(yīng)數(shù)據(jù)的多道歸一化振幅譜,其中紅線為應(yīng)用本方法前的歸一化振幅譜,綠線為本文方法拓頻后數(shù)據(jù)的歸一化振幅譜。可以看出,本文方法明顯拓展了地震記錄的有效頻寬(包括高頻段及低頻段),尤其是對低頻段有效能量具有良好的保持能力,為后續(xù)與反演相關(guān)的處理環(huán)節(jié)提供了有力保障。

以下參照原始數(shù)據(jù)的多道歸一化振幅譜具體說明本文方法的參數(shù)選擇問題。如圖3所示,原始資料高截頻約20Hz,即基準(zhǔn)頻率A=20Hz。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),原始數(shù)據(jù)有較高的信噪比,且在60Hz頻段還存在有效信息,因此可將原始數(shù)據(jù)高頻截止頻率由20Hz擴(kuò)展至80Hz。應(yīng)用本文方法,即可擴(kuò)展一次諧波段(A至2A)及二次諧波段(2A至4A)的高頻能量。原始數(shù)據(jù)低頻能量的拓展與高頻能量拓展類似。在利用本文方法進(jìn)行實(shí)際資料處理時(shí),可根據(jù)具體情況對頻譜拓展后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,以保持?jǐn)?shù)據(jù)的信噪比。例如,雖然本文方法可將高頻端拓展到80Hz,但考慮到60Hz以上基本沒有有效信息,因此可利用高截頻為60Hz的濾波器進(jìn)行低通濾波。由圖3可以看出,如果低頻按2Hz計(jì)算,則提高分辨率處理后數(shù)據(jù)頻寬約為5個(gè)倍頻程。也就是說,該區(qū)域利用低頻震源勘探得到了寬頻成果數(shù)據(jù)(5個(gè)倍頻程),這與目前工業(yè)界關(guān)于寬頻帶高分辨率地震數(shù)據(jù)采集、處理的認(rèn)識是一致的。

圖2 過M6井線地震剖面應(yīng)用本文方法處理前(a)后(b)的結(jié)果對比

圖3 過M6井線地震剖面應(yīng)用本文方法處理前后歸一化振幅譜對比

2.2 瑪湖地區(qū)MZ三維工區(qū)

MZ三維工區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡中段,為瑪湖地區(qū)高密度三維高分辨率勘探攻關(guān)的重點(diǎn)區(qū)域,主要地質(zhì)目標(biāo)是三疊系和二疊系。對該目標(biāo)的勘探主要存在以下難題:①地震資料主頻低、頻帶窄、整體分辨率低;②儲層薄導(dǎo)致巖性目標(biāo)邊界難以落實(shí);③斷裂不清晰影響圈閉識別。為獲得高品質(zhì)寬頻原始地震資料,該工區(qū)三維地震采用井炮采集,并開展了精細(xì)的近地表激發(fā)巖性與深度調(diào)查。然而,經(jīng)攻關(guān)處理得到的疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)分辨率還是難以滿足地質(zhì)目標(biāo)研究的需求。

為此,我們抽取過MZ4井主測線的疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波域提高分辨率處理試驗(yàn)。圖4對比了過MZ4井主測線三維地震剖面應(yīng)用本文方法處理前后的結(jié)果,可以看出,本文方法在明顯提高三疊系和二疊系等主要目的層反射同相軸分辨率的同時(shí),保持了較高的信噪比。與本文方法處理前的疊前時(shí)間偏移結(jié)果相比,處理后的結(jié)果具有三個(gè)顯著特點(diǎn):①三疊系及以上地層分辨率明顯提高;②改善了斷裂成像質(zhì)量,斷點(diǎn)更加清晰干脆;③三疊系白堿灘組(T3b)、百口泉組(T1b)油層所在砂層組的空間展布變得清晰,有利于識別圈閉邊界。

圖5為本文方法應(yīng)用前后過MZ4井線歸一化平均振幅譜。可以看出,經(jīng)本文方法處理后的結(jié)果頻寬拓展明顯,35～60Hz范圍的信號能量得到提高,主頻從20Hz提高到35Hz左右。同時(shí),本文方法處理后較好地保持了低頻信號的能量,說明本文方法具有顯著的保持振幅能力。

圖4 過MZ4井主測線三維地震剖面應(yīng)用本文方法處理前(a)后(b)的結(jié)果對比

圖5 圖4對應(yīng)數(shù)據(jù)歸一化平均振幅譜對比

3 結(jié)論與認(rèn)識

本文研究了連續(xù)小波域提高分辨率處理方法,對準(zhǔn)噶爾盆地高密度寬頻采集的三維疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻帶拓展,同時(shí)拓展了原始數(shù)據(jù)的高、低頻有效信號,取得以下成果與認(rèn)識:

1) 沙漠區(qū)M6工區(qū)的實(shí)際資料拓頻處理使白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系地震反射接觸關(guān)系更加清楚,斷裂特征改善,斷點(diǎn)清晰,尤其是在大幅度提高侏羅系強(qiáng)反射同相軸分辨率的同時(shí),改善了石炭系頂界與二疊系不整合接觸關(guān)系成像。

2) 瑪湖地區(qū)MZ工區(qū)實(shí)際資料拓頻處理較好地提高了侏羅系至三疊系地層分辨率,改善了斷裂成像,使斷點(diǎn)更加清晰干脆,三疊系白堿灘組、百口泉組油層所在砂層組的空間展布變得清晰,有利于識別圈閉邊界。

3) 本文方法對于寬頻采集的地震資料有良好的適應(yīng)能力,采用基于低頻震源的陸上寬頻采集技術(shù)并結(jié)合高分辨率處理方法,獲得寬頻地震資料切實(shí)可行。

4) 目前常規(guī)勘探技術(shù)用于沙漠、黃土源探區(qū)或者深層目標(biāo)很難進(jìn)一步拓展高頻信息,建議采用寬頻采集技術(shù),即盡量提高低頻有效信息能量,獲得寬頻成果資料。另外,將疊后拓頻方法推廣至疊前,配合保真去噪、高精度速度估計(jì)及各向異性校正等,也可進(jìn)一步拓展地震資料的高頻有效信息。