地震保幅高低頻拓展與多尺度貝葉斯融合反演

廖 儀 劉 巍 胡 林 張國棟 張坤坤

(中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南海口 527100)

0 引言

L氣田位于南海鶯東斜坡區，為高溫、超壓的峽谷水道沉積體系，實鉆井已證實L氣田地層縱向可分為4個速度區帶：速度漸增的正常壓實帶、平穩低速的欠壓實泥巖帶、高速砂巖帶(儲層)、平穩超低速的欠壓實泥巖帶[1]。由于層間泥巖發育分布不均衡，導致高速砂巖帶儲層厚度變化劇烈，層間泥巖發育區在剖面上表現為分層性良好的地震強反射特征，而泥巖不發育區表現為大片空白—弱能量雜亂反射特征[2]。受海上氣藏高溫超壓條件的限制，L氣田研究區內測井資料較少，井控范圍大，疊前重處理及優化處理不但費用高而且耗時長，因此，如何從疊后地震資料中提取并增強可用于識別薄儲層和巨厚儲層的隱藏地震信息，對于實現少井區或無井區復雜水道不同厚度砂體的整體成像至關重要。

受沉積環境的影響，油氣儲集空間對應的地震響應具有多尺度特征[3]。層序地層學理論認為層序體是組成沉積地質體的基本單元，不同級別的層序體總能對應一個相對敏感的頻段，在該頻段上可充分體現對應的構造細節[4-5]。韓文功等[6]在噪聲背景中對地震弱信號進行研究，分別從厚層和薄層的弱信號幅值特征的角度，分析了弱信號的頻譜特征及噪聲對弱信號的影響程度，并初步探討了對弱信號的檢測和識別方法。趙寶銀等[7]提出了基于寬帶雷克子波的均衡子波，指導疊后數據的地震子波整形，為地震資料的高頻信號提取和高保真度處理提供了新的參考途徑。喬鳳遠等[8]研究了10Hz以下地震低頻信息對反演的影響，認為充分利用地震低頻信息對于提高儲層預測精度意義重大，并通過實際數據證明，地震低頻信息豐富會改善依靠井插值建立的初始低頻模型對反演結果的影響，研究成果為在少井區或無井區開展可靠地震反演指明了方向。這些學者從不同角度證明了弱地震信號檢測、提取和應用的可行性與可靠性。

本文在前人研究的基礎上，利用疊后地震資料在少井區或無井區進一步開展可識別薄儲層和巨厚儲層的弱有效信號提取研究，以實現L氣田復雜水道不同厚度砂體的整體高精度成像，為高溫超壓氣田落實探明地質儲量提供技術支持。針對水道內不同厚度儲層難以統一描述的問題，首先進行頻率域信號特征分析，研究地質體與地震響應的多尺度特征對應關系，證明疊后地震數據自身具有隱藏的弱有效信號；然后通過相對保幅拓頻處理質控流程結合地震道積分，得到突破優勢頻帶壓制并具有相對保幅特征的提頻地震數據體和降頻道積分地震數據體，為小尺度及大尺度地質體識別奠定了數據基礎；最后基于貝葉斯理論，使降頻道積分地震數據體參與反演，約束初始低頻模型，增強識別水道內巨厚儲層的低頻有效信息，并進一步將大尺度反演結果作為中小尺度地震反演的約束項，結合提頻地震數據體最終得到能有效識別大、中、小尺度地質體的反演波阻抗數據體，完成L氣田復雜水道砂體的儲層描述及厚度刻畫。

1 疊后地震弱有效信號潛力識別

設計由兩個水道橫截面及一個小型地質體組成的地質模型(圖1a)，通過不同主頻率的雷克子波進行正演模擬，得到一系列正演剖面。由圖可見，主頻為150Hz的正演信號(圖1d)對地質模型的表達最為清晰，相似度最高，但存在能量較強的旁瓣；主頻為70Hz的正演信號(圖1e)能準確地表現地質模型的整體形態，但構造細節的清晰度明顯弱于主頻為150Hz的信號；主頻為20Hz的正演信號(圖1f)基本反映出了地質模型的構造包絡，但在不了解地質體形態的情況下，僅通過低頻段信號加以識別，容易產生多解性。通常實際地震資料具有一定的頻帶寬度，為提高模擬信號與實際地震資料的匹配性和研究結果的實用性，本文將主頻為10～150Hz雷克子波(主頻間隔為5Hz)的正演信號以無能量衰減和有能量衰減的形式分別疊加[9]，得到圖1b和圖1c的正演剖面。對比顯示，無能量衰減的疊加信號(圖1b)能清晰展示地質模型的構造形態，在構造細節展示方面達到了主頻為150Hz信號模擬正演剖面的效果，并且有效減弱了高頻旁瓣能量的影響，這與其中包含完整的無衰減高、中、低頻率信號有關；有能量衰減的疊加信號(圖1c)主要模擬了實際資料存在高頻衰減(高頻不為零)的特點，信號特征整體以中、低頻為主，對構造特征的成像表達總體上介于主頻為20～70Hz之間的信號模擬正演剖面效果。圖1b和圖1c中展示的正演疊加信號由完全相同的單頻正演信號組成，差別在于圖1c中對各個主頻的正演信號分量加入了不同的能量衰減系數(高頻衰減系數遠大于中、低頻衰減系數)，使疊加后的信號特征偏向于振幅能量更強且占據優勢頻帶的中、低頻信號，幾乎不可見高頻信號。然而，高頻能量(如150Hz信號)始終不為零，只是被中、低頻信號所掩蓋。因此，有必要將隱藏的弱有效信號識別出來加以分析。

圖1 二維地質模型和不同頻率雷克子波正演剖面(a)正演模型；(b)10～150Hz雷克子波正演信號疊加(無能量衰減)；(c)10～150Hz雷克子波正演信號疊加(有能量衰減)；(d)150Hz；(e)70Hz；(f)20Hz

目前工業生產上主要使用分頻掃描法判斷數據各個頻段的信號特征，分析信號的可靠性，獲取有效頻段。其作法是，以大致一個倍頻程的頻率間隔，從低頻到高頻逐步提升，對地震道集作分頻濾波掃描，信噪比大于1的(剖面上可見反射波同相軸的影子)即屬于有效信號，所得頻帶即為有效頻帶[10]。該標準主要適用于地震數據疊前道集，疊后數據受殘余高頻噪聲和處理因素(如F-XY隨機噪聲壓制處理)的影響，其高頻段通常會出現較多的假頻信號。以L氣田實際地震資料為例，采用分頻掃描確定紅圈內超厚儲層地震反射信號有效頻帶范圍(圖2)，對比各頻段掃描結果的波形寬度和構造相似度可以發現，原始地震剖面主要體現了20～40Hz(即優勢頻段)的波形特征，同時兼顧了10～20Hz和40～60Hz前、后相鄰頻段的信號特征，其余頻段有效信號能量從視覺上均未能在原始剖面中予以充分體現和直觀表達，表明原始地震資料具備低頻和高頻能量提升的潛力。隨著頻段不斷升高，目的層信號的旁瓣能量逐漸增強，如80～160Hz分頻剖面顯示，該頻段信號以高頻干擾為主，已難以識別目的層的構造形態，因此判斷原始地震資料可用于構造識別的有效頻寬為5～80Hz。

圖2 L氣田地震剖面及分頻掃描結果(a)原始剖面；(b)5～10Hz；(c)10～20Hz；(d)20～40Hz；(e)30～60Hz；(f)40～80Hz；(g)50～100Hz；(h)60～120Hz；(i)80～160Hz

通過正演信號疊加對比以及對實際地震資料分頻掃描，可以證明：①地震數據高、中、低頻信號對應表達不同尺度的地質體，高頻信號能體現地質體的構造細節(即小尺度)；中頻信號能表達地質體的基本形態(即中尺度)；低頻信號則是對地質體構造包絡的整體展示(即大尺度)；②在考慮能量衰減的情況下，地震剖面雖然在視覺上以偏中頻的優勢信號特征為主，但其中仍隱藏了有效的低頻和高頻信號能量。以速度約4800m/s的水道砂層為例，結合λ/4(λ為地震波波長)估算有效頻寬5～80Hz的原始地震資料對地層厚度的可識別潛力范圍約為15～240m，遠超常規以主頻30Hz確定的40m最小地震可分辨厚度。因此，即便不依賴井數據，疊后地震資料自身也具有極大的低頻和高頻可拓展潛力，合理地挖掘隱藏的高、低頻信號，有利于表達地質體的真實形態。

2 弱地震信號能量拓展研究

弱地震信號拓展是指在相對保幅的范疇內對地震資料自身攜帶的高、低頻有效信號進行能量拓展，合理增強兩者在地震信號中的可識別度。

2.1 高頻有效信號拓展

高頻有效信號拓展是在不改變地質體基本構造形態(中尺度)的基礎上，增加構造細節(小尺度)的顯示度，同時減少高頻噪聲對有效信號的影響。本次研究采用基于俞氏子波整形的相對保幅提頻處理，首先通過頻譜分析觀察原始地震資料目的層的不同頻段能量的分布特征，完成待處理資料的品質評估；然后進行分頻掃描處理，以可識別地質體構造形態為標準，確定地震資料的有效頻帶；最后在可識別構造的有效頻帶內，分析可能會增加提頻資料不確定性的高頻信號所在頻段，檢測提頻極限，在盡量減小低頻信號能量損失的前提下，對存在較高不確定性、出現假頻的高頻段信號進行適當的能量壓制，以獲得相對可靠的提頻地震體，為后續反演體現小尺度構造特征提供相對可靠的高頻數據來源。

提頻處理及質控流程如圖3所示。其中，保障處理成果合理可靠的關鍵環節包括提頻處理、過程質控、合理性分析。在提頻處理環節，首先選取時窗對地震數據振幅譜作高斯約束，用新復賽譜技術完成混合相位子波提取[11]；然后應用最小熵反褶積將提取的混合相位子波校正到零相位；最后利用子波整形濾波器將零相位化的混合相位子波轉變為期望輸出子波(俞氏子波)。俞氏子波主瓣窄、旁瓣幅度小，在相同等效頻率的情況下比帶通子波具有更好的保真度，將其作為期望輸出，既可減少帶通子波旁瓣的影響，又能通過調節峰值頻率提高反褶積后的地震記錄分辨率和信噪比[12]。

圖3 提頻處理及質控流程圖

過程質控環節要求盡量保留低頻信息，挖掘地震資料中被掩蓋的相對真實的高頻信息，使提頻結果在相對保真、保幅的基礎上實現分辨率與信噪比的最佳平衡。實現這一目標的關鍵有三點：①在可識別構造的有效頻帶內進行提頻處理，避免產生假分辨率；②實現地震子波中、低頻成分的相對準確提取；③結合地質模式判別各頻率成分的相對可靠性。

雖然原始地震資料有效頻寬較寬(5～80Hz)、頻率可拓展區間較大，但是圖2分頻掃描結果顯示，有效信號旁瓣能量隨頻率增加而逐漸增強，如果過度提升高頻能量可能會導致拓頻數據中假同相軸數量增多，因此對高頻能量的提升要嚴格遵循相對保幅提頻處理的質控過程，按照適當保留低頻、合理恢復高頻的原則逐步進行優化調試，只要能滿足生產科研需求即可，不必過度追求高頻。

圖4為提頻處理前、后地震剖面對比。對其進行合理性分析得出以下結論：①頻譜分析(圖4下)顯示在資料頻寬保持不變情況下，提頻數據的高頻能量提升適度，低、中頻能量沒有明顯損失，表明地震資料有效頻帶潛力挖掘合理；②提頻地震剖面顯示目的層增加的同相軸在原始地震剖面中均可見，波組能量相對強弱關系在提頻前、后保持不變，表明提頻處理后的地震資料受高頻干擾影響較小；③提頻處理前、后平面振幅屬性對比顯示，大部分區域振幅屬性強弱保持了一一對應的關系，僅存在局部能量相對強弱的變化，表明提頻處理后的地震資料相對保幅(圖5)；④提頻處理前、后的井震剖面對比顯示，提頻后的地震剖面與井上合成記錄波組關系吻合度更高、匹配度更好(圖6)，證明了提頻處理的合理性和可靠性。

圖4 提頻處理前(上)、后(中)地震剖面及其頻譜(下)對比

圖5 提頻處理前(左)、后(右)平面振幅屬性對比

圖6 提頻前(左)、后(右)地震剖面與合成記錄對比

綜上分析認為，提頻處理適度提升了原始地震資料中隱含的高頻能量，使其能夠突破優勢頻帶的能量壓制，進而在時間域地震剖面中得到有效表達。地震資料縱向分辨率有所提升，巖性尖滅點更加清晰，橫向分辨率也有提高，有效保護了相對振幅關系，且井震對比吻合程度較高，表明提頻地震數據相對真實可靠。

2.2 低頻有效信號拓展——降頻道積分

地震資料中的低頻信號通常是低于10Hz的頻率成分，其對于識別古潛山風化殼或者巨厚地層至關重要，如果缺少這部分頻率，就會在波阻抗臺階上出現下凹現象(即假波谷)，從而導致錯誤的反演結果。加入低頻分量的方法大致有三種[13]：①直接應用地震速度場作為模型參數；②人工模型加入聲測井曲線低通濾波后的層速度；③對井旁地震道或地震數據體進行低通濾波后加入。前兩種方法實現的基礎是地層密度變化較小且可視為常數，并對工區的鉆井數量和地震速度精度有較高要求。結合L氣田井少且速度縱橫向變化快的特點，本文采用第三種方法，即井旁地震道或地震數據體低通濾波后加入低頻信息。

然而，低通濾波法加入低頻信息存在兩個問題,一是保幅性問題，由于缺失中、高頻能量，導致濾波結果不能忠實于原始地震記錄的相對振幅關系；二是能量強度問題，受地震資料采集和處理因素的影響，濾波法提取的地震資料憑自身的低頻能量強度難以突破優勢頻帶的能量壓制，導致后續反演結果仍然以優勢頻帶(反映中尺度)的信息特征為主。圖7下頻譜分析顯示原始頻譜主頻帶在12～37Hz，分頻掃描顯示L氣田原始地震數據在5～10Hz頻段存在明顯的低頻有效信號，因此，本文研究采用降頻地震道積分的方法增強低頻有效信號。

圖7 降頻處理前(上)、后(中)地震剖面及其頻譜(下)對比

地震數據道積分的原理可用下式表示[14-16]

式中：Fn為零相位帶通濾波因子；V為地震波的速度；Xi為地震道上樣點數據；K為常數(一般為1.6)；*表示褶積運算符。

上式表明地震道積分是速度比的對數經過零相位帶通濾波后的輸出結果，反映了相對速度的變化。實現方法是將偏移后的地震數據的每一道分別進行積分(振幅累加)，在積分的同時輸出，得到與地震剖面相對應的相對速度剖面，即道積分剖面。由于道積分并未對地震記錄產生其他改造作用，所以由道積分計算出的相對波阻抗數據很好地保持了原有地震信息。相比原始地震剖面，道積分剖面的相位轉換了90°，頻率降低，振幅能量增強。

由于道積分是將地震資料中的每一地震道分別進行積分(振幅累加)，因此參與運算的振幅必然以處于優勢頻帶的中頻信號能量為主。結合L氣田需要增強低頻信號、反映厚層砂體的需求，研究首先通過降頻處理將地震優勢頻帶降低至低頻區，然后對其進行地震道積分處理，進一步降低信號頻率、增強低頻信號能量，使之能夠在后續反演中突破提頻地震數據的能量壓制，反映出復雜水道的巨厚砂體特征。

降頻處理的原理和方式與提頻處理一致，區別在于降頻處理需要提高低頻能量，壓制中、高頻能量。降頻處理前(圖7上)、后(圖7中)地震剖面對比可見，降頻后剖面始終保持了區域振幅能量的相對強弱關系，水道內空白雜亂反射特征明顯減弱，巨厚儲層的地震同相軸穩定性與連續性增強。降頻處理前、后頻譜分析(圖7下)對比顯示，5～10Hz頻段的信號能量大幅提高，原始地震資料的中、高頻段被明顯壓制。

在降頻處理的基礎上開展地震道積分處理，并將降頻后地震道積分的結果與原始地震數據直接進行地震道積分的剖面進行對比分析(圖8)。在相同色標的基礎上，降頻道積分剖面(圖8下)的視分辨率明顯比直接道積分剖面(圖8上)的視分辨率低，對巨厚儲層的反映更加清晰(藍色箭頭指示)；同時，降頻道積分剖面中低頻能量更強。在一般情況下，道積分中波峰(紅軸)代表高速層，波谷(黑軸)代表低速層。受L氣田高溫超壓條件影響，水道砂體表現為高速度、高密度、高阻抗特征，降頻道積分剖面清楚顯示了巨厚高速砂體的展布特征，而直接道積分剖面受中、高頻信號影響，未能反映出這一特征。

3 多尺度貝葉斯融合反演

貝葉斯反演方法是以貝葉斯理論為基礎，結合隨機反演算法構造出的一種不確定性反演方法，該方法的優勢之一是能夠有效地聯合應用不同類型、不同精度的數據約束反演過程[17-19]。利用貝葉斯反演算法，可以實現不同尺度表征的地震數據體的融合[20]。反演流程如下：

(1)結合區域地質規律，通過地層框架及測井資料中的低頻信息得到初始低頻模型；該模型精度受鉆井數量稀少限制，無井控區域井間插值影響較嚴重，可依靠區域地質認識對初始低頻模型進行優化調整。初始低頻模型剖面(圖9a)顯示，水道巨厚砂體處(藍色圈區域)的高阻抗特征在靠近水道壁的區域表現為相對弱阻抗響應。

(2)先對降頻道積分地震數據體進行90°相移處理，然后將其加入到反演過程中，得到能反映大尺度地質體的縱波阻抗數據。與初始低頻模型相比，大尺度的反演數據地震剖面(圖9b)低頻能量突出，對大套地層沉積格架反映清晰，有效增強了水道內超厚儲層的高阻抗分布特征(藍色圈區域)。

(3)將大尺度的縱波阻抗數據作為中、小尺度提頻地震資料反演的趨勢約束項參與數據運算，得到近似全尺度的縱波阻抗反演結果。近似全尺度的縱波阻抗反演剖面(圖9c)顯示地震分辨率顯著提升，與實鉆井的波阻抗曲線吻合度較高。

圖9 多尺度貝葉斯融合反演成像效果對比(井曲線為伽馬測井曲線，同下圖)(a)低頻模型剖面；(b)大尺度縱波阻抗剖面；(c)近似全尺度縱波阻抗剖面

多尺度貝葉斯融合反演結果表明，經降頻道積分處理后，大尺度縱波阻抗數據能量可以突破提頻地震數據的能量壓制，減小提頻地震剖面中由于高頻提升帶來的旁瓣增強效應，進一步提高了反演結果的可靠性，最終實現地震數據有效頻帶范圍內各尺度地質體的相對充分表達。

4 應用效果

L氣田位于南海鶯歌海盆地斜坡帶，為高溫、超壓條件下的復雜濁積水道氣藏，儲層厚度在小于20m和大于200m的厚度區間均有分布。現有地震資料在目的層的垂向分辨率約為40m，地震剖面上振幅響應對地層厚度變化極為敏感。由于調諧作用，薄儲層地震反射難以識別，而巨厚儲層則因為厚度遠大于調諧厚度出現振幅衰減，且層間泥巖含量少引起砂體縱波阻抗差異變小，所以地震剖面水道內出現大片空白弱能量反射[21]。疊前同時反演雖然能在一定程度上區分井控區域的砂泥巖，但受地層高溫超壓和區內測井資料不足等條件限制，無法有效識別水道內部薄儲層及超厚砂巖，因此該區域的儲層描述和厚度刻畫存在較大不確定性。

通過開展以相對保幅有效信號拓展為基礎的多尺度貝葉斯融合反演，得到近似全尺度縱波阻抗反演資料(圖10c)。相比常規地震資料和疊前反演，多尺度貝葉斯融合反演對薄層及巨厚儲層的識別精度更高，尤其是對巨厚儲層的成像展示效果突出。反演結果表明黑圈區域存在穩定的高阻抗儲層。

圖10 地震剖面(a)、疊前反演(b)和多尺度貝葉斯融合反演(c)剖面對比

反演結果實現了巨厚水道和薄層砂體的清晰成像，根據反演結果布署的D井鉆遇超過兩百米的巨厚儲層。以此為基礎完成了L氣田精細地震解釋和儲層描述工作，提高了高溫、超壓條件下復雜水道砂體的儲量計算精度，新增天然氣探明地質儲量超三百億立方米。證明了地震保幅高、低頻拓展與多尺度貝葉斯融合反演技術的有效性和實用性。

5 結論

結合地質體多尺度特征，開展了地震保幅高低頻拓展與多尺度貝葉斯融合反演技術研究，完成復雜水道不同尺度砂體的精細刻畫，獲得如下結論：

(1)地震資料主要體現優勢頻帶的信號特征，但數據本身在有效頻帶范圍內仍存在被壓制的高、低頻有效信號。低頻反映地質體整體包絡(即大尺度特征)，中頻反映地質體內部的基本形態(即中尺度特征)，高頻反映地質體構造細節(即小尺度特征)；

(2)即使不依賴井數據，疊后地震資料自身也具有極大的低頻和高頻可拓展潛力，本文所用資料地震分辨率約40m，但其地層厚度可分辨潛力可達15～240m。合理地挖掘疊后資料中隱藏的低頻和高頻信息，有利于表達地質體的真實形態。

(3)在相對保幅的范圍內，采用降頻處理和道積分結合的方式，能突破優勢頻帶對低頻弱信號的能量壓制，合理增加巨厚儲層的可識別性；

(4)基于地震保幅高、低頻拓展與多尺度貝葉斯融合反演的技術流程能在有效頻帶范圍內得到體現不同尺度地質體的相對可靠的縱波阻抗反演結果，實鉆結果證實方法真實、有效。