几种时频分析后处理方法在沉积旋回判别中的应用效果对比

　

(东北石油大学　黑龙江　大庆　163318)

沉积旋回研究是层序地层学中一项重要工作，关于沉积记录中表现出的旋回性的讨论由来已久。地球物理观测数据作为地层岩性、物性的反应，蕴含了大量与沉积旋回有关的信息。将这些反映旋回的信息有效提取出来，对划分地震旋回特性、指出层理结构、恢复古地貌，并以此来分析沉积环境、推测物源方向、开展精细的油藏描述具有重要意义。

将时频分析方法应用于沉积旋回判别的研究，最早要追溯到俄罗斯勘探地球物理研究院Л Ю.Бродов和И.АМУ цин等学者在20世纪80年代初所推出的构造层序解释(СФИ)技术[1]。此后发展了利用加窗傅立叶变换[2]小波分析[3]、广义S变换[4]、Hilbert-Huang变换[5]等方法判定沉积旋回。时频分析方法之所以能用于沉积旋回模式的判别，是由于薄层时频响应机理中的升频降幅作用[6]；旋回性薄互层中的小层厚度递增或递减变化，会相应地引起瞬时频谱主频逐渐减小或增大，这些规律为应用时频分析方法判别沉积旋回模式奠定了理论基础。在时频分析方法判别沉积旋回的工作中，越高的时频分辨率越有利于沉积旋回的判别。上述这些传统的时频分析方法存在着诸如海森伯格不确定原理，交叉项，模态混叠等缺陷；这些缺陷严重影响了信号时频特征的描述，造成时变规律不够明显，难以有效识别。最理想的时频谱是信号能量只出现在随时间变化的瞬时频率曲线上，在时间-频率方向，能够以最佳分辨率刻画信号能量轨迹。为了实现理想时频分析的目标，近年来，一些先进的时频分析后处理方法成为研究的焦点。主要包括，时频谱重排方法(RS)、同步压缩变换(SST)以及同步提取变换(SET)[7]等等。不同时频分析后处理方法通过不同方式提高时频谱的时频分辨率，以求达到理想时频分析的目标。沉积旋回判别工作中期望的高时频分辨率正是时频分析后处理方法所追求与擅长的；因此，有必要展开时频分析后处理方法在沉积旋回判别应用上的对比研究。

综上所述，本文设计了不同旋回单元组合方式的旋回地层模型，使用波动方程方法进行正演模拟，得到单炮地震记录。选用一种具有代表性的时频分析方法(广义S变换(GST))，四种时频分析后处理方法(同步压缩小波变换(SST)、时频谱重排(RS)、同步提取变换(SET)、同步提取算子(SEO))计算零偏移距地震道的时频谱。优选出最适合解决沉积旋回模式判别问题的时频分析后处理方法。

一、地质模型建立及正演模拟

建立六组不同沉积旋回单元组合模型(如图1GST(a-f)中黑色折线为模型的时间厚度)。模型中相邻界面反射系数大小相等(为0.0836)符号相反，砂岩速度为2918m/s，泥岩速度为3180m/s。

震子波采用零相位雷克子波，主频39Hz；采用波动方程正演模拟方法获取单炮纪录；从炮记录中抽取零偏移距地震道，分别选用一种具有代表性的时频分析方法，四种时频分析后处理方法进行时频分析。

二、不同时频分析方法在沉积旋回判别中的效果对比分析

准确划分沉积旋回单元、判定旋回单元的旋回模式是使用时频分析方法判别沉积旋回的主要工作内容。做好这些工作我们期望时频谱具有更高的时频分辨率、对薄层弱能量信号具有更强的提取能力、对不同旋回单元对应的频谱单元具有更强的区分能力、对不同旋回单元对应的频谱变化趋势具有更强的刻画能力。

如图1所示，较之时频分析方法GST，四种时频分析后处理方法(SST、RS、SET、SEO)具有明显时频分辨率优势。但不同时频分析后处理方法的判断效果具有明显差别。SST是通过挤压发散的频谱能量来提高时频谱分辨率的，频率分量几乎没有损失，也正是这样由同步压缩变换得到的时频谱主频变化趋势受发散能量影响严重，导致旋回单元对应的频谱单元变化趋势不清晰(图1SST(a-f))。RS时频谱对旋回单元总厚度较大且隔夹层厚度较大的沉积旋回识别效果好，可准确判别旋回模式，定位旋回单元大致位置(图1RS(d-f))，对于旋回单元总厚度较小的情况则无法判定旋回模式(图1RS(a-c))。由SET、SEO的时频分析结果可见，每一个沉积旋回单元均对应了一个由高频到低频或由低频到高频变化的单元；且不论旋回单元总厚度较小还是旋回单元的厚度变化梯度较小，不同旋回单元对应的时频谱由高频到低频或由低频到高频的变化特征均表现为频带宽度为一个采样间隔的条带状主频线，在几种时频分析后处理方法中具有最高的时频分辨率。当旋回单元总厚度较大且厚度变化梯度较大时(图1SET(d-f))，旋回单元对应的频谱单元变化趋势清晰，高频极值与旋回单元顶界面(图1中虚线位置)具有较好对应关系，可据此定位旋回单元位置，进而判定旋回单元模式。当厚度变化梯度较小且旋回单元间的隔层厚度较大时(图1SET(b)(c))，结合同步提取算子计算结果(图1SEO(b)(c))可见，旋回单元顶界面薄层位置出现高频突变且具有类似窄带拱形的形态，中部尖峰位置与旋回单元顶界面之间具有较好的对应关系。由于旋回单元顶界面薄层位置的时频特征受相邻厚层隔夹层低频分量的影响，导致此处即存在厚层低频强能量信息又存在薄层高频弱能量信息；当隔层厚度与旋回单元顶界面薄层厚度差别较大时(图1SET(c))，薄层高频信息易于提取；当隔层厚度与旋回单元顶界面薄层厚度差别较小时(图1SET(b))，薄层高频信息能量弱，在同步提取变换结果中难以辨别，但同步提取算子可以识别这一分量(图1SEO(b))；此时，结合SET及SEO计算结果将提高沉积旋回判别准确性。当厚度变化梯度较小且隔层厚度较小时(图1SET(a))，由于旋回单元薄层厚度与相邻地层厚度差别小，薄层顶界面产生的高频分量与邻近地层差异小且能量弱，同步提取算子也无法将其准确识别，只能识别与之临近的能量较强的薄层频率分量；此时，高频极值位置总是向旋回单元小层厚度增大的方向偏移(图1SEO(a)SET(a))。

图1　五种时频分析方法判别沉积旋回效果对比

图中折线为小层时间厚度，虚直线为沉积旋回单元顶界面位置

三、结论

1.几种时频分析后处理方法中，同步提取变换计算的时频谱能量聚焦性好，具有最高的时频分辨率，对沉积旋回主频变化趋势刻画能力强，可有效区分不同沉积旋回单元对应的频谱单元，能够有效提取薄层对应的高频弱信号分量。

2.同步提取算子可提取信号中几乎所有频率分量。该算法计算的时频谱在旋回单元顶界面薄层位置具有稳定的窄带拱形形态。当同步提取变换难以提取旋回单元顶界面薄层频率分量时，结合同步提取算子计算结果将提高沉积旋回判别准确性。

【参考文献】

[1]张军华,王永刚,杨国权,等.地震旋回体的概念及应用[J].石油地球物理勘探,2003,38(3):281-284.

[2]刘传虎,刘福贵,李卫忠.时频分析方法及在储层预测中的应用[J].石油地球物理勘探,1996,V31(s1):11-20.

[3]雷克辉,段建康.在小波时频域中研究沉积旋回[J].石油地球物理勘探,1998,V33(s1):72-78.

[4]刘喜武,刘洪,李幼铭,等.基于广义S变换研究地震地层特征[J].地球物理学进展,2006,21(2):440-451.

[5]崔永谦,刘延利,王孟华,等.利用地震资料Hilbert-Huang变换划分沉积旋回[J].石油地球物理勘探,2016,51(5):983-989.

[6]李雪英,陈树民,王建民,等.薄层时频特征的正演模拟[J].地球物理学报,2012,55(10):3410-3419.

[7]Yu G,Yu M,Xu C.Synchroextracting Transform[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017,PP(99):1-1.