四川盆地蓬萊氣區近地表Q場求取及應用

關鍵詞：近地表，品質因子Q，Q值估算，表層Q場，四川盆地

0 引言

地震波在地下介質中傳播，能量會被地層吸收，造成地震波的振幅衰減、相位畸變，導致地震資料分辨率降低。研究[1-2]表明：與深部地層介質的吸收衰減效應相比，近地表介質對地震波高頻成分的吸收約占地層吸收總量的80%[3]，由于表層巖性、速度、厚度的橫向變化，吸收衰減程度會有所不同，還會造成地震波道間能量、頻率和相位的不一致，影響同相疊加結果的橫向分辨率。因此，研究地下介質對地震波的吸收特性，對于改善地震資料分辨率、油氣地球物理屬性反演和儲層描述等有著重要的意義[4-5]。

地層品質因子Q 值可定量刻畫地震波在黏彈性介質中的能量吸收和速度頻散[6]，準確求取近地表Q值再進行反Q 濾波補償可有效消除表層地震波吸收衰減的影響，實現波形保真保幅并提高分辨率的效果。其中的關鍵是如何獲得準確的近地表Q 值和Q 模型。

對于表層Q 值求取及建模方法，很多學者進行了研究。于承業等[7]利用雙井微測井資料，通過建立和求解地面和井下檢波器的峰值頻率方程組，求得近地表Q 值的解析解；裴江云等[8]利用地震數據中不同類型的波場進行近地表Q 反演；李國發等[9]采用井—地聯合觀測方式就近地表吸收結構進行了實驗分析，提出了不受激發因素影響的吸收參數層析反演方法；肖永新等[10]提出了利用雙井微測井高速層中多個炮點的數據，通過擬合方法得到精確的近地表Q 值；李偉娜等[11]基于微測井資料發展了雙線性回歸穩定Q估計方法，取得了較好的效果；李擁軍等[12]提出了一種復數域快速匹配追蹤分解并結合對數譜比法估算微測井數據近地表Q 值的方法；許李囡等[13]提出了一種基于S 變換和變分法提取品質因子的方法，克服了Q值計算對地震子波類型及窗函數長度的依賴。以上均是基于Q 值求取進行的研究。宋吉杰等[14]提出基于信息融合的近地表介質Q 估計方法，利用多井微測井和地面聯合的觀測系統，通過統計反演估算全區Q值[15]；蘇勤等[16]引入表層相對衰減系數的概念，在共炮檢域迭代計算相對衰減系數，進而求取表層Q 模型；馬凱等[17]采用雙井微測井獲取的絕對Q 值和頻移法計算的相對Q 值，建立了準確的Q 場并進行Q 補償，獲得了良好的效果。以上方法都利用了微測井和地面地震數據，但都是先得到相對Q 值，通過標定和插值得到最終表層Q 模型，該表層Q 模型具有橫向空間變化，但缺少縱向時間變化。

為提高近地表Q 建模精度，本文針對四川盆地近地表厚度較薄的特點，提出了一種結合單、雙微測井及地面地震數據信息進行近地表Q 建模的方法。首先，對于單井微測井數據，本文提出了一種改進的譜比法進行Q 值計算，通過構造統計子波譜，消除子波效應，提高了計算結果的穩定性；然后擬合Q 與速度v 的關系，將層析反演得到的近地表速度場轉換成Q 場，從而得到一個時空變的Q 場。由于層析反演的近地表速度場深度采樣間隔為10 m，難以反映近地表幾米厚的表層變化。為此結合雙井微測井的多炮擬合算法，計算表層絕對Q 值，再結合表層速度模型和地面地震振幅及走時信息計算相對Q 場，用絕對Q值對其標定，得到表層等效的平面Q 場。將該表層平面Q 場鑲嵌在用Q?V 擬合關系轉成的近地表Q 場的淺層，得到該工區最終的近地表Q 場。最后對工區內的地震數據進行表層Q 補償，消除了近地表對地震資料的影響，提高了地震資料的分辨率。

1 近地表Q 場計算方法及實現步驟

1. 1 改進的譜比法求Q 值

首先處理單井微測井于井下的12 級檢波器采集的數據。對該數據進行初至拾取，通過波場分離得到下行波，選取子波時窗范圍內的數據，對每道數據進行傅里葉變換，求取每道頻譜對數譜的截距和斜率，根據截距和斜率將每道的對數譜拉平，將下行波對數譜疊加求取未衰減的擬下行子波譜，利用各道對數譜減去擬下行子波譜，得到初步消除子波影響的各道對數譜。在此基礎上求取每道對數譜的斜率，對其進行平滑擬合，保證斜率值隨深度的增加而增大，再利用平滑后的斜率和初至求取等效Q，再根據等效Q 與層Q 的關系，求取層Q 值。通過以上步驟求取的Q 可用于后續的反Q 濾波，以獲得高分辨率的剖面成果。

依據該方法，首先進行模型試算。設計一個5 層的水平層狀模型（表1），激發子波為Ricker 子波，主頻為50 Hz，檢波器的深度范圍為120～1660 m，檢波點間隔為20 m，井源距為0，垂直入射，正演含Q 值衰減的下行波記錄。從正演的下行波記錄（圖1）可以看出，隨著深度的增加，振幅能量發生衰減，相位改變，子波波形變胖，從記錄的頻譜上也可以看出，振幅能量減弱，主頻降低，頻帶變窄。

圖2 展示了改進譜比法Q 值求取的過程。圖2a是圖1 中下行子波記錄的振幅譜對數譜，選擇兩個頻率點，一般選擇主頻和高頻點的位置，將每道振幅譜對數按照該斜率拉平，然后多道數據進行疊加平均，得到擬下行子波的頻譜（圖2b）。然后將每道的振幅譜與擬下行子波頻譜進行譜比，得到譜比曲線（圖2c）。在單調遞減的頻率段上，計算每道數據的斜率，繪出斜率隨深度變化的關系（圖2d），斜率值應該隨深度的增加而增加。其中斜率G = πt/Qeff，t 為初至時間，Qeff 為每道的等效Q 值，所以Qeff = πt/G。再根據Qeff 轉層Q 的關系式（1），計算第n 層的Q 值（Qint）即層Q 值等于相鄰道間的時差除以相鄰道間的斜率差，初至時間和斜率必須是隨深度遞增的，才能保證計算的Q 值沒有負值。圖2e 是模型數據相鄰道間的斜率差，可以看出，同一地層的斜率差相等，圖2f 是根據式（2）計算的層Q 值。

模型試算的數據考慮的是垂直入射的情況，當炮檢距為非零時，需要考慮對射線路徑進行校正，將初至時間和斜率校正到垂直入射的情況，才能得到正確的解。如圖3 所示，可以看出不考慮射線路徑校正時，特別是在分界面位置存在較明顯的抖動，淺層計算結果與真實值差距較大，但對深層結果影響較小。當考慮射線路徑進行校正后，可以得到正確Q 值解。

對實際單井微測井數據進行試算。此次單井微測井數據，選用12 級檢波器同時接收的記錄，保證了激發子波的一致性，同時12 級檢波器已覆蓋表層，計算結果能夠反應表層的Q 值。具體做法如下：

（1）井中檢波器接收，地面利用爆炸震源或重錘在近井口激發，多級檢波器同時采集數據，保證了激發子波的一致性。

（2）對接收數據進行預處理，剔除壞道，經過拾取縱波初至和上下行波分離處理，得到預處理后下行縱波數據和縱波初至時間。

（3）利用步驟（2）中所得到的數據，截取出下行子波數據，對每道數據進行FFT 變換，得到每道數據的對數頻譜，即對FFT 變換后的振幅譜取對數。

（4）取頻譜中的峰值頻率和高截頻，計算每道對數頻譜的斜率和截距。

（5）對每道的對數頻譜按照步驟（4）中的斜率和截距進行拉平處理，并進行疊加，得到初始下行子波的對數頻譜。

（6）每道下行波對數頻譜減去步驟（5）的下行子波對數譜，得到去除下行子波影響的下行子波對數頻譜。

（7）在峰值頻率和高截頻范圍內，做線性擬合，擬合的斜率可以計算該道數據對應的等效Q 值，Qeff =πt/G。這里G 應為增函數，但由于數值誤差，估算的G 值可能產生反向的波動，為保證求解的穩定性，可以按不同地層，對G 進行多點平滑或擬合處理，保證G 隨深度變化為增函數，這樣求取的層Q 值不會出現負值。

（8）利用式（2）求第n 層的層Q 參數，即可得到每個深度點的層Q 值。

下面進行實際單井微測井數據的Q 值估算。圖4a 是實際單井微測井數據及其振幅譜，圖4b 是截取的微測井的初至子波及其頻譜，由圖可見，隨著檢波點深度的增加，頻帶逐漸變窄。利用截取的子波數據來進行Q 值的估算。

圖５是實際的單井微測井數據估算Q 值的過程圖。圖5a 是每道下行子波的經傅里葉變換的振幅譜取對數的曲線；圖5b 是統計平均得到的擬下行子波的振幅對數譜；圖5c 是每道數據的振幅譜與統計子波譜的譜比曲線，選擇頻段范圍，每一道的譜比曲線可以求得一個斜率；圖5d 是每道數據的初至和斜率交會圖。由于計算的斜率與初至的關系不一定是單調遞增的，可以按照微測井解釋成果的層位，進行擬合平滑，保證層位內的斜率是單調遞增，從而保證結果的穩定性。圖5e 是按照微測井分層的第一層，得到的斜率與時間的擬合關系；圖5f 是按照微測井分層第二層，得到的的斜率與時間的擬合關系；圖5g 是擬合后的斜率與計算的斜率的對比圖，擬合后的斜率與圖5j 每道數據的初至時間存在對應關系；圖5h 相鄰道間斜率差和圖5k 相鄰道間時差也存在對應關系。由斜率差可得出圖5i 層Q 值；由初至時差可得出圖5l 層速度。因此可見，層Q 值與層速度間存在著一定的對應關系。

1. 2 多炮擬合法求Qeff

采用肖永新等[10]提出的多炮擬合算法，利用雙井微測井資料計算表層Q 值。雙井微測井調查方法以兩口淺井開展，一口為激發井，一口為接收井。具體做法是：將地層看成表層和高速層兩層模型，選取高速層中某一炮的地面道和井底道數據，利用譜比法求取表層的等效Q 值（Q0）。該方法對于表層較薄的地層適用。

圖6 為兩層速度模型的雙井微測井射線傳播示意圖。假設表層Q 值為Q0，高速層Q 值為Q1，將高速層中某一炮點的地面道R1 與井底道R4 進行譜比

式中：B1、 B4 分別為R1、R4 道的振幅譜；f 為頻率；C為兩道譜比取對數的常數項。對同一激發點，地面道與井底道振幅譜比取對數，選擇頻段范圍，線性擬合，得到斜率πt2 /Q0，又已知速度模型，利用射線追蹤計算t2，即可得到表層Q0。

實際野外施工過程中，很難提前知道滿足t1－t3=0 的激發點位置，所以不可能在該深度設置激發點，因此選取高速頂以下多個炮點進行表層Q 值計算，然后再對多個不同深度炮點計算的表層Q 值進行擬合，找到t1－t3=0 位置時的Q 值，即為該點的表層等效Q值，即為Q0。

由圖7 可知，隨著激發點深度的增加，Q 值逐漸增大，這里的Q 值指的是該激發點深度位置以上地層的等效Q 值（Q0）。令DT=t1－t3，隨著DT 的增加，表層Q 值（Q0）也逐漸增大。通過擬合DT-Q 曲線，在DT=0 處的表層Q 值（Q0）即為所求位置處的表層等效Q 值。

圖8a 為四川盆地蓬萊氣區內的一口雙井微測井觀測系統示意圖及近地表結構圖，圖中紅色點為炮點，綠色點為接收點。該雙井微測井點井深17 m 兩口井之間的距離5 m；圖8 右為該口雙井微測井數據的地面接收道記錄和井底接收道記錄及其頻譜。

首先拾取地震數據的初至時間，通過常規的微測井解釋方法獲得近地表速度模型。然后根據近地表速度模型信息，選擇高速層中的炮點，本例中，選擇激發深度5～16 m 的炮點（激發深度17 m 處的地面接收點記錄存在異常，已剔除）。選擇高速頂之下的每一炮的一個地面接收道和井底接收道，每一炮的地面道和井底道采用常規譜比法計算該炮點深度位置以上的等效Q 值。根據圖8 所示近地表速度模型進行射線追蹤，得到每炮地面道和井底道的射線路徑，及每一段射線的傳播時間。計算每一炮的地面道和井底道在高速層中的傳播時間差，即t1-t3。Q 值與t1-t3的關系如圖9右所示，多項式擬合t1-t3 和Q 值，當t1-t3=0 時的Q值即為所求Q0。本例中，該微測井點表層Q0 為3. 84。

1. 3 平面Q 建場

采用地面地震的地表一致性振幅補償相對系數和表層旅行時，通過譜比法求取表層相對Q 場。此時求得的相對Q 場也是將表層看作一個等效地層。再用雙井微測井的計算出的Q 值進行標定，得到最終的表層平面Q 場。將雙井微測井求得的Q 值稱為絕對Q 值，將地面地震振幅信息求得的Q 場稱為相對Q場，然后用絕對Q 值對相對Q 場進行約束，采用反距離加權內插法[18]對相對Q 場進行標定。基于譜比法求相對Q 值

式中：R 為地表一致性振幅相對系數；scale 為人為給定比例因子，目的是使R × scale 小于1，保證計算出Q 的值大于0。

計算步驟：①由地表一致性振幅補償模塊做振幅相對系數的計算，沿初至開小窗；②導出文本，利用相對Q 值的表達式，求解相對Q 場；③再用雙井微測井計算的Q 值進行標定，可以求出平面Q 場。平面Q場的建立流程如圖10。

圖11 展示了工區實際表層平面Q 場的建立過程。由圖11a 的表層旅行時和圖11b 的相對振幅系數，利用相對Q 值的式（6），求解相對Q 場（圖11c）；再用單、雙井微測井計算的表層Q 值插值成平面的Q場（圖11d），對計算的相對Q 場采用反距離加權內插方法進行約束，可以求出等效的平面Q 場（圖11e）。

1. 4 融合立體Q 建場

根據實際的單井微測井資料得到速度和Q 值的擬合關系，利用該擬合關系，將層析反演得到的近地表速度場轉換成Q 場（圖12）。由于層析反演的近地表速度場的深度采樣間隔為10 m，而該工區的微測井解釋成果中，表層厚度較小，一般為2～8 m，表層反演的速度較微測井實測速度要大，所以速度場轉換的Q 場不能反應表層真正的Q 值，所以將雙井微測井結合地面地震信息求取的表層平面Q 場鑲嵌在由Q?V 關系轉換后的近地表Q 場的表層，得到最終的近地表Q 場（圖13）。

2 應用效果

為了能恢復工區復雜地表情況所導致的振幅能量衰減和相位畸變等情況，將工區近地表綜合調查微測井資料和地面地震資料綜合運用，進行近地表Q 補償，具體步驟如下：

（1）利用工區近地表微測井資料求取表層的絕對Q 值，雙井微測井資料利用多炮擬合法可求取表層薄層的Q 值，單井微測井資料利用改進的譜比法求Q值，進而可得到表層速度和Q 值的關系；

（2）根據地震資料計算各個檢波點響應的相對振幅系數和近地表層析反演的表層旅行時，通過譜比法計算出相對Q 值；

（3）用求取的絕對Q 值來標定相對Q 值，進而獲得優化后的表層平面Q 場；

（4）對于表層以下到高速頂處的降速帶部分，采用步驟（1）得到的Q?V 擬合關系，將近地表速度場轉換成Q 場；

（5）將優化后的表層平面Q 場鑲嵌在Q?V 關系轉換后的Q 體的表層；

（6）利用求取的優化Q 場，使用穩定因子的Q 補償算法對工區實際地震數據體進行Q 補償處理，具體補償效果詳見后面內容。

通過使用上文所提及的方法對工區進行Q 補償處理，對比分析Q 補償前、后的地震數據的一致性、分辨率和頻譜特征。圖14 為近地表Q 補償前、后的單炮記錄對比圖，可見Q 補償后的單炮記錄同相軸更細，橫向連續性得以改善，子波一致性更好。

由于本文涉及的工區低降速帶厚度較小，表層起伏，使得不同位置處的子波波形存在差異。如圖15所示，經過近地表Q 補償后，地震剖面的分辨率得到了提高，部分小細軸得到了恢復，從自相關記錄上可以看出，子波的橫向一致性得到了改善，從頻譜圖上可以看出，應用近地表Q 補償后，頻帶拓寬6 Hz 左右（圖16）。

對近地表Q 補償前、后的地震剖面的第一零交叉時平面屬性進行質控，如圖17 所示，可以看出，應用近地表Q 補償后，第一零交叉時的值變小，說明子波得到了壓縮，而且從整個工區的平面圖上可以看出，應用近地表Q 補償后，第一零交叉時的變化趨于一致，說明子波一致性變好。

將近地表Q 補償前、后的地震記錄與合成記錄進行井震標定，可以看出，應用近地表Q 補償后的地震記錄與合成記錄的相關系數是0. 72，高于沒有應用近地表Q補償的地震記錄與合成記錄的相關系數，（圖18）。

3 結論

利用單井微測井資料，采用改進的譜比法，計算Q 值，然后擬合Q?V 關系，可以很好地將層析反演出的降速帶的速度場轉換成Q 場。利用雙井微測井資料，采用多炮擬合的算法，計算井點位置處的絕對Q值，再結合地面地震的振幅和走時信息計算相對Q場，再利用絕對Q 值對相對Q 場進行標定，可以得到表層低速帶的等效平面Q 場。由于該工區表層厚度較薄，一般為2～8 m，而層析反演的速度場的采樣間隔是10 m，很難將小于10 m 的低速帶反應出來。所以，將標定后的表層平面Q 場鑲嵌在由Q?V 關系轉換的近地表Q 場的淺表層，得到最終的近地表Q 場。然后應用此Q 場，對地面地震資料進行近地表Q 補償，可以有效消除近地表對地震資料的吸收衰減影響，改善子波的一致性，有效拓寬地震資料的頻帶，提高資料的分辨率。