地震资料处理保幅性评价方法综述与探讨

尚新民

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院,山东东营257022)

随着油气勘探程度的逐步深入,隐蔽性油气藏越来越成为勘探开发工作的重点,岩性油气藏是该类油气藏中的重要类型。面向岩性油气藏的储层预测工作,面临着从定性到定量、从储层岩性到物性以及含油气性识别的挑战。岩性圈闭识别对地震资料的品质,特别是地震资料处理的保幅性提出了更高的要求。如果资料处理结果的相对保幅性较低,就会制约精细储层预测技术的应用效果。所以,如何提高地震处理成果资料的相对保幅性,进而提高岩性油气藏储层预测的精度,在当前显得较为紧迫[1]。但是,如何检验一项地震资料处理技术是否真正达到了保幅性处理的要求,仍然缺乏一套完善的地震资料保幅性分析方法与评价系统。

近几年来,胜利油田物探研究院技术人员一直致力于保幅处理技术及保幅性评价方法的研究。笔者在梳理分析前人保幅性评价研究成果的基础上,确定了5大类地震资料处理技术的保幅性评价准则,进一步分析探讨了9种保幅性评价方法,形成了一套较为完善的地震资料处理保幅性评价系统,并自主开发了保幅性评价分析软件,在实际地震资料保幅处理中取得了良好的应用效果。

1 地震资料保幅处理的目的

地震反射波能量与反射界面波阻抗成正比,波阻抗与岩性的变化存在一定联系,这也成为利用地震反射波振幅进行隐蔽油气藏勘探的理论基础。地震资料处理过程中,在保持原始地震资料有效反射地震信息,如振幅、能量、频率以及波形同相性等不发生相对畸变的前提下,采用有效合理的处理手段来提升地震资料品质的处理过程,即为相对处理过程[2]。绝对的保幅处理是不存在的[3]。

所谓保幅处理的含义是:①精确地消除地震波在传播过程中的球面扩散效应和吸收衰减的影响;②经某个或某些处理模块的作用后,地震子波的波形特征没有发生不符合物理规律的人为的畸变。如果将每个处理模块都视为一个“滤波器”,从滤波器及其输入、输出的观点看,滤波器本身原则上应该首先是零相位的,然后是振幅全通的。这样的滤波器不改变输入子波的波形特征,即输出的振幅、相位和频率等不发生相对畸变。一系列这样的保幅处理模块组合在一起形成的处理流程,就是保幅处理流程。

明确地说,地震资料保幅处理的目的一是保持储层岩性变化引起的波形变化,用于后续的波形属性分析和油气预测;二是保持成像道集中的AVA关系,用于后续AVA反演得到反射界面两侧的弹性参数,如纵波速度、横波速度、密度、Q值等,然后基于岩石物理学分析有望得到储层孔隙度、渗透率、含油饱和度等参数。

2 地震资料处理保幅性评价准则

地震波在地下传播过程中,有很多非储层因素引起的对子波波形的改造和对反射系数估计的影响,分析可知主要包括地表因素、观测系统非规则的影响、噪声、背景速度、地层各向异性以及传播过程中其它诸因素的影响,这些影响因素都会在处理结果中体现出来。针对这些问题,处理过程中会采取不同的技术手段。每一项处理技术都有其理论基础,其目的不同,保幅的效果也不同,对原始资料振幅的改变也不同,因此保幅性评价的要求也不同。通过分析研究,将整个处理过程中所采用的处理技术分为5大类别,并分别确定针对性的地震资料处理保幅性评价准则。

2.1 噪声压制处理保幅性评价准则

噪声压制处理的目的是分离、压制或消除非反射界面产生的波场信号,仅仅保留反射界面产生的波场信号。对于绕射波,要保留完整的绕射波信息。

保幅性噪声压制处理方法要满足相对保持振幅、波形、频率和相位的要求,压噪滤波器尽量满足零相位、振幅全通的要求;在时间域中,噪声压制前、后的残差剖面应满足不包含有效信号的要求;在频率域中,噪声压制前、后残差剖面的频谱分析仅表现相应噪声的频率范围;单频噪声压制不损害同频率、不同振幅的有效信号,压制后不产生附加噪声;相干类噪声压制后,有效信号振幅能量关系相对保持不变,不出现假频现象;噪声压制后平面振幅属性图不存在异常值;叠后噪声压制后沿层振幅趋势不变,目的层极大值振幅整体变化趋势与处理前相吻合。

2.2 振幅补偿处理保幅性评价准则

振幅补偿类处理技术主要是恢复地震波传播过程中的球面扩散及地表激发/接收条件不一致造成的能量差异,使地震波能够真正反映地下地质岩性的特征,恢复储层的构造形态,使地震资料的波组特征清楚、地质信息丰富[4]。

保幅性振幅补偿处理方法理论上要满足相对保持振幅处理的要求;球面扩散补偿后的地震数据,符合岩石物性参数及VSP建立的本地区球面扩散补偿模型;球面扩散补偿前、后的振幅曲线,纵向上保持相应的振幅关系;地表一致性振幅补偿后的单炮记录,能够有效消除由于激发及接收因素造成的能量差异,与根据测井结果合成出的AVO关系对比,补偿后的地震道集保持相应的AVO特征,地震剖面应具有相应的振幅响应;与补偿前的地震资料相比,补偿后目的层段的振幅特征及AVO关系不能出现异常变化。

2.3 提高分辨率处理保幅性评价准则

提高分辨率处理的目的是消除时差、近地表及地下地层的吸收衰减及地震混响的影响,提高地震子波一致性,拓宽资料频带。

保幅性高分辨率处理评价准则包括:近地表时差校正后地震反射同相轴一致性加强,地震剖面上不产生假的地质现象;剩余静校正后的互相关函数对称性好,多次迭代后的剩余静校正量在一个样点之内,波形同相性有效加强;利用测井、VSP、岩石物理及地面数据的结合,建立尽可能准确的Q模型,沿波传播路径补偿Q引起的振幅、频率和相位的变化;吸收补偿(反Q滤波)后的地震数据,符合岩石物性参数及VSP建立的本地区地质吸收补偿模型;采用多道反褶积方法,反褶积后的自相关主瓣宽度压缩、旁瓣幅度降低,主能量一致性加强;反褶积后频谱分析有效频带振幅能量加强,资料信噪比得到有效保持,子波一致性变好;建立准确的速度模型,实现高保真的CMP叠加和叠前偏移成像叠加,最大可能地消除子波拉伸效应;提高分辨率后的地震剖面波组特征清晰,切片显示构造特征完整,满足精细地质解释要求。

2.4 成像处理保幅性评价准则

地震成像分为叠加成像和偏移成像,地震成像处理的目的是产生保幅的道集数据、准确归位的成果数据及速度场。

保幅性成像处理技术在叠加过程中采用无效样点不参与振幅能量平均计算的保幅叠加方法;Kirchhoff积分偏移选好偏移孔径参数和反假频参数,采用保幅的加权算子[5],尽可能消除采集脚印的影响;偏移方法满足消除与反射系数无关的因素并保持反射系数的动力学特征;偏移速度模型建立及偏移过程中,考虑介质各向异性对成像结果的影响;叠前偏移中尽可能输出保真的角度道集,满足叠前地震属性研究的要求[6];叠前偏移后地震数据不出现空间假频,成像后CIP道集波形一致,反射同相轴校平;偏移道集不进行均衡处理,成像剖面在不加增益的情况下深层与浅层主要反射层的幅值应具有相同量级。

2.5 处理成果资料保幅性评价准则

最终成像结果的保幅性就是要看处理剖面上反射波的振幅比是否接近于反射界面的反射系数比。

保幅性处理成果资料在成像前、后同一储层道集内振幅相对关系是保持一致的;利用测井信息得到岩石物性参数合成AVA/AVO道集,保幅处理成像道集显示的AVA/AVO特征与合成道集具有有效的相似性;复杂构造区域构造清晰,分辨率高,速度场资料准确,具有较好的动力学特征;叠前偏移成果资料要与已知井资料分层数据相吻合;以标准反射层为参考,沿连续反射层提取的地震属性(振幅、频率、相位和波形)具有基本稳定的一致性,相应的处理数据满足相对保持振幅、频率、相位和波形的条件。

3 地震资料处理保幅性评价方法探讨

郭树祥(2009)[7]、芮拥军(2011)[8]、王军等(2012)[9]、吕小伟(2012)[10]等先后提出了地震资料保幅处理的不同判别与评价方法。这些方法从不同侧面对多种地震资料处理技术进行了保幅性评价,具有较高的实用性,但这些不同的判别方法都尚未涵盖地震资料保幅性处理的全过程。

通过对地震波振幅特征、频率特征、相位特征、子波相似性、目的层波形属性变化特征、AVO特征、地震属性切片、波阻抗与测井结果的一致性等方面进行研究,在归纳吸收前人保幅性评价研究成果的基础上,针对不同处理阶段的处理技术进行了保幅性评价方法的综述与分析,总结了一套较为完善的地震资料处理保幅性评价系统,并自主开发了保幅性评价分析软件。该系统可概括分为9种保幅性分析评价方法,以下对各评价方法的原理及适用性分别进行分析与探讨。

3.1 残差分析法

郭树祥(2009)[7]、芮拥军(2011)[8]提出了相减法,王军等(2012)[9]提出了残差法,在此归纳为残差分析法,用于去噪处理方法的保幅性评价。

通过去噪处理提高信噪比是地震资料处理的重要环节,其基本原理为根据有效信号与噪声的分布差异设计滤波器,从而达到压制噪声和加强有效信号的目的。

判断去噪方法保幅性的最直接方法就是去噪处理前、后的地震记录直接相减,判断残差数据中是否含有被去除的有效信号。其公式表达比较简单,假定两个数据集为A(X,T)和B(X,T),则差别分析为:D(X,T)=A(X,T)-B(X,T)。

目前没有一种方法可以做到真正的信噪分离,无法在数学意义上识别噪声与有效信号。一般情况下,只要滤波器具有零相位和振幅全通的特征,滤波处理后的结果就可以认为是相对保幅的。

3.2 时频分析法

频谱分析可以从时间域或频率域的角度分析地震信号,但它不能同时保留时间和频率信息,无法确定某一时刻频率成分的分布特征。对于地震信号,要获得某一时间的频率成分或某一频率成分在不同时刻的分布情况,时频分析法就显示出其重要作用。对处理前、后的地震剖面或道集进行时频分析,如果子波的时频特征发生异常变化,可以判断该处理模块不适用于保幅性处理。监控可以针对地震资料的特征层位进行,主要监控处理前、后地震波形的瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位的变化。

图1显示的是一个正演模型记录的时频分析结果,图1a是无衰减模型的时频谱;图1b是衰减模型的时频谱;图1c是时频补偿后正演模拟记录的时频谱。从图1可以看出,时频补偿处理后地震记录的时频特征(图1c)与无衰减记录的时频特征(图1a)具有较高的相似性,因而认为这种时频补偿处理方法是相对保幅的。

图1 正演模拟记录时频谱分析结果a 无衰减模型时频谱; b 衰减模型时频谱; c 时频补偿后时频谱

3.3 振幅曲线对比法

芮拥军(2011)[8]提出了振幅曲线对比法,王军等(2012)[9]提出了振幅曲线统计法,用于振幅补偿类处理方法的保幅性评价。

地震反射能量与波阻抗的相对变化成正比,波阻抗与岩性的变化存在一定联系,这成为利用地震反射振幅进行隐蔽油气藏勘探的理论基础。地震波传播过程中,由于球面扩散效应与地层吸收的影响,中深层反射波的振幅必然会受到损失;受施工因素及噪声的影响,相邻记录间振幅会有差异。这些损失或差异都会对地震资料造成影响,振幅校正的目的是补偿受损的振幅,恢复有效波的能量。利用补偿处理前、后的振幅曲线关系,可以判断振幅补偿类处理方法的保幅性。

图2给出了2009年采集的罗家高精度三维实际资料振幅一致性处理前、后的单炮记录,图2a是补偿前单炮记录;图2b是补偿后单炮记录。从图2 可以看到,不同单炮之间横向上的能量得到有效补偿。图3给出了补偿前、后单炮记录的能量曲线,补偿前单炮之间的能量差异较大(图3a),补偿后单炮之间的能量曲线趋于一致(图3b),说明该补偿处理技术具有较好的保幅性。

3.4 振幅比计算法

王军等(2012)[9]提出了振幅比法,用于反褶积等提高分辨率处理方法的保幅性评价。

地震资料经过处理后,虽然振幅的绝对值发生了变化,但振幅间的相对关系保持不变,处理前、后对应位置的振幅比关系也相对一致,这一处理也就是相对保幅的处理过程。以叠前正演数据为基础,在已知地层反射系数、地震波的振幅相对关系的情况下,对正演数据进行不同的处理,通过计算处理前、后同一标准层的相对振幅比,并进行对比分析,可以对相应处理技术及流程进行保幅性评价。

3.5 子波一致性分析法

芮拥军(2011)[8]提出了子波一致性相关法,用于提高分辨率类处理方法的保幅性评价。

真实的地震子波和反射系数都是未知的,所以对地震子波的求取是非常重要的。现有的提高分辨率处理手段,如反褶积、反Q滤波、谱白化等,无论是假设反射系数白噪,还是直接将地震记录振幅谱进行白化处理,都直接或间接地将地震记录振幅谱展平抬宽,这严重破坏了反射系数间的相对关系。

提高分辨率处理技术从物理意义上讲都是补偿地震子波能量,进行去子波效应(滑动平均),恢复反射系数形态。目前开发出的盲反褶积技术,其思想就是通过引入某种非高斯性准则来不断调节反褶积算子,使反褶积输出的概率密度函数逐渐逼近原反射系数的概率密度函数,以此消除子波的影响。因此,提高分辨率处理保幅评价可以考察处理前、后反射系数间(子波相关函数)相对关系的破坏程度,据此来衡量该处理技术的保幅性。

图2 罗家高精度资料振幅一致性处理前(a)、后(b)单炮记录

图3 罗家高精度资料振幅一致性处理前(a)、后(b)能量曲线

3.6 AVO属性分析法

郭树祥(2009)[7]、芮拥军(2011)[8]、王军等(2012)[9]均提出了AVO属性分析法,用于地震道集处理保幅性综合评价。

测井数据提供了井筒中的岩石物性参数,可以根据此参数计算井位置处的各反射层的AVA曲线,也可以利用波阻抗合成零偏移距地震道。原则上,这两个结果可以作为标准来判别保幅处理后井点处AVA关系的可靠性和零偏移距地震道的保幅性。多口井的控制应该可以对整个探区的保幅处理结果有一个比较客观的判断。根据测井数据换算出地层速度,根据目的层位的埋深和炮检距计算出射角、入射角,再根据Zoeppritz方程计算出反射系数,与地震子波褶积就得到了井点处的AVA/AVO道集,将此合成道集中各反射波振幅变化关系与处理后地震道集中各反射波振幅的变化关系进行比较,可以验证处理方法对叠前道集的保幅性[11]。

利用测井数据拟合得到的AVA/AVO道集,可以对地震资料叠前处理方法及参数进行保幅性监控,经过处理后的地震道集与拟合得到的道集相比,其AVA/AVO关系不能破坏。已知气井含气标准层具有明显的AVO特征,地震剖面应具有相应的振幅响应。图4是一个利用AVO属性分析法判断某去噪方法保幅性的例子,正演道集数据(图4a)具有振幅随偏移距增大而增大的第Ⅲ类AVO特征,对添加噪声后的记录(图4b)进行噪声压制,噪声去除后的道集数据(图4c)仍然保持了振幅随偏移距增大而增大的特征,证明该噪声压制方法处理结果满足相对保幅性的要求。

图4 利用AVO属性分析法验证噪声压制技术保幅性的正演数据示例a 正演模型道集; b 加入噪声后道集; c 噪声压制后道集

3.7 沿层地震属性分析法

芮拥军(2011)[8]提出了沿层地震属性平面分析法,主要用于叠后地震数据沿层属性(振幅、频率等)保幅性分析。在此基础上对该方法进行了深化,提出沿层地震属性分析法,既应用于叠后沿层平面属性分析,也应用于叠前沿层属性分析。

在一定的勘探区域内,目的层附近存在一个稳定的沉积环境(河流相或湖相)阶段,形成了具有全区稳定的连续反射层,以该连续反射层为参考标准层,沿该连续反射层提取的地震属性具有基本稳定的一致性,这是沿层地震属性在储层预测和含油气检测方面的应用基础。

图5是实际地震记录进行地表一致性振幅补偿处理前、后的沿层振幅分析图,图中用红色曲线选择了一个标志层,通过沿层振幅属性分析可以看到沿层振幅曲线特征的变化(图5a和图5b中的下图)。对比可见,补偿处理后的沿层振幅曲线消除了施工因素对地震振幅的影响,能够真实反映地下地层的信息。

3.8 切片分析法

借鉴芮拥军(2011)[8]提出的相干切片分析法,提出切片分析法,既应用于相干体切片分析,也应用于其它叠后数据或属性数据体切片分析。

构造成像是保幅成像的前提,构造成像不合理,就无从谈论保幅问题。利用时间切片可以对不同成像数据体的构造合理性进行解释判断。切片分析法也可用于叠后提高分辨率处理方法的保幅性评价,判别方法是对提高分辨率处理前、后的地震数据进行比较,提高分辨率后地震数据切片中构造特征显示清晰,能够满足精细地质解释要求[12]。

图5 地表一致性振幅补偿前(a)、后(b)沿层地震属性分析结果

图6是2009年采集的罗家三维地震资料叠后偏移(图6a)与叠前时间偏移(图6b)处理所得数据体的切片分析法实例。从两张时间切片上可以明显看出,叠前时间偏移较叠后偏移成像精度明显提高,这说明叠前时间偏移比叠后偏移具有更好的保幅性。

图6 罗家高精度三维资料叠后偏移时间切片(a)与叠前时间偏移切片(b)

3.9 合成记录法

郭树祥(2009)[7]提出了合成记录法,用于处理成果数据的保幅性评价。

根据测井数据换算出地层速度,计算出各地层界面的法向反射系数,利用褶积模型可以得到井旁的合成记录。将此合成记录中不同时间的反射波振幅变化关系与处理后井旁地震道中不同时间的反射波振幅的变化关系进行比较,可以验证处理方法在纵向上的保幅性。

图7是测井数据、地震子波、合成记录与地震剖面的对应关系图。从图中可以看到,合成记录与实际地震记录的吻合度比较好,合成记录中不同时间的反射波振幅变化关系与处理后井旁地震道中不同时间的反射波振幅的变化关系一致性较好,从这一角度也验证了地震资料处理后的成果资料纵向上的保幅性。

图7 测井数据、地震子波、合成记录对成果数据保幅性效果分析

4 结束语

针对噪声压制、反褶积、振幅补偿、叠加成像和偏移成像、叠后提频去噪等地震资料处理过程中的主要技术环节及其阶段成果数据,通过对前人研究成果的梳理与分析,确定了地震资料处理保幅性评价准则,利用模型数据及实际地震资料对残差分析法、时频分析法、振幅曲线对比法、振幅比计算法、子波一致性分析法、沿层地震属性分析法、AVO属性分析法、切片分析法、合成记录对比法等9种保幅性评价方法进行了综述与探讨,明确了各种保幅性评价方法的地球物理意义及适用性,形成了一套较为完善的地震资料处理保幅性评价系统,为地震资料处理中选择保幅性处理模块、构建保幅处理流程、评价处理成果的保幅性提供了依据。

致谢:感谢胜利油田物探研究院郭树祥、芮拥军对本次保幅性评价系统研究工作的帮助,感谢胜利油田物探研究院陈新荣对本次保幅评价准则建立工作的帮助,感谢胜利油田物探研究院刁瑞、张珺怡对本文的帮助！

参 考 文 献

[1] 陈新荣,尚新民,李继光,等.地震资料振幅保持影响因素分析[J].地球物理学进展,2009,24(4):1411-1419

Chen X R,Shang X M,Li J G,et al.Analysis on influence factors of preserved amplitude processing[J].Progress in Geophysics,2009,24(4):1411-1419

[2] 凌云研究组.叠前相对保持振幅、频率、相位和波形的地震数据处理与评价研究[J].石油地球物理勘探,2004,39(5):543-552

Ling Yun Research Group.Study of seismic data processing and appreciation based on prestack relative preservation of amplitude,frequency,phase and waveform[J].Oil Geophysical Prospecting,2004,39(5):543-552

[3] 姜本厚,蔡越钎,王玉英.渤海海域地震振幅影响因素分析[J].石油地质与工程,2012,26(4):47-51

Jiang B H,Cai Y Q,Wang Y Y.Analysis of influence factors on seismic amplitude in Bohai sea area[J].Petroleum Geology and Engineering,2012,26(4):47-51

[4] 李生杰,施行觉,王宝善,等.地层衰减在地震记录上的特征分析[J].石油地球物理勘探,2002,37(3):248-253

Li S J,Shi X J,Wang B S,et al.Analyzing characters of formation attenuation on seismic records[J].Oil Geophysical Prospecting,2002,37(3):248-253

[5] 张丽艳,刘洋,陈小宏.几种相对振幅保持的叠前偏移方法对比分析[J].地球物理学进展,2008,23(3):852-858

Zhang L Y,Liu Y,Chen X H.Comparative analysis of several relative amplitude preserving prestack migration methods[J].Progress in Geophysics,2008,23(3):852-858

[6] 刘定进,印兴耀.共炮检距道集波动方程保幅叠前深度偏移方法[J].地球物理学进展,2007,22(2):492-501

Liu D J,Yin X Y.The method of wave equation preserved amplitude prestack depth migration for common offset gathers[J].Progress in Geophysics,2007,22(2):492-501

[7] 郭树祥.地震资料保幅处理的讨论[J].油气地球物理,2009,7(1):1-3

Guo S X.Discussion on preserved amplitude processing of seismic data[J].Petroleum Geophysics,2009,7(1):1-3

[8] 芮拥军.地震资料处理中相对保幅性讨论[J].物探与化探,2011,35(3):371-374

Rui Y J.An analysis of relative amplitude-preservation in seismic data processing[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2011,35(3):371-374

[9] 王军,吕小伟,王立歆.基于正演模型的地震处理技术保幅性分析与评价[J].油气地质与采收率,2012,19(4):46-49

Wang J,Lv X W,Wang L X.Model-based relative-amplitude-preserved estimation methods and application of seismic processing technology[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2012,19(4):46-49

[10] 吕小伟.几项地震处理技术的保幅性分析[J].物探与化探,2012,36(4):617-622

Lv X W.The relative amplitude-preserved analysis of some key processing techniques[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2012,36(4):617-622

[11] 吴志强,丁国栋.CDP道集内的AVO效应及对岩性处理的影响[J].石油物探,2000,39(4):87-94

Wu Z Q,Ding G D.AVO effects in CDP gathers and its influences to lithologic processing[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2000,39(4):87-94

[12] 凌云研究组.叠后相对保持振幅处理研究[J].石油地球物理勘探,2003,38(5):501-506

Ling Yun Research Group.Study of poststack relative preserved amplitude processing[J].Oil Geophysical Prospecting,2003,38(5):501-506