提高地震分辨率处理效果定量评价方法研究

刁 瑞

(中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东 东营 257022)

0 引言

地震波在地下传播过程中受到地层吸收衰减的影响，导致地震波高频能量损失和相位畸变，降低了地震资料的分辨率[1]。对于薄互层油气藏和复杂隐蔽岩性油气藏，常规的地震反射波资料难以满足薄砂体储层精细刻画的要求，特别是中深层油气藏面临着难以精细预测薄层砂体发育情况的难题[2]，需要针对性地开展地震资料提高分辨率处理。提高分辨率是地震资料处理的重要环节之一，提高分辨率处理方法包括：预测反褶积、分频带反褶积、零相位反褶积、子波整形反褶积、反Q滤波、谱模拟反褶积、谱白化、井约束提频、近地表Q值吸收补偿等方法[3-8]。反褶积方法种类很多，主要区别之一在于对地震子波的假设和估计地震子波的方法，通常假设地震信号是平稳信号，反射系数序列是白噪序列，子波是最小相位[9]。各种提高地震分辨率处理方法在实际地震资料处理中发挥了举足轻重的作用，并取得了良好的应用效果。

随着勘探开发程度的不断提高，成熟油区薄互层油气藏、隐蔽岩性油气藏逐渐成为勘探开发的重点，薄砂体储层对提高地震分辨率处理方法提出了更高的要求。针对不同品质的地震数据，应该采用何种提高分辨处理方法和参数，以及地震数据的分辨率应该提高到何种程度等问题，制约着提高分辨率处理效果。刘浩杰等[10]从客观量化角度对地震资料分辨率与频谱特征参数的关系进行了研究。李曙光等[11]从剖面和频谱特征对3种提高分辨率方法进行了探讨。芮拥军[12]分析了相对保幅处理的难点，对振幅处理、噪声压制和提高分辨率等处理技术的保幅性进行了分析。钱荣钧[13]分析了分辨率的分类和定义，并给出了计算空间分辨率的方法。万欢等[14]通过频谱、信噪比和相似系数等参数，对比分析了4种提高分辨率技术，在叠前地震资料中取得了较好的应用效果。

常规地震资料提高分辨率处理过程中，由于缺乏系统的提高分辨率效果定量评价分析方法和软件，需要对提高分辨率处理方法和处理参数等进行大量的重复试验，在进行提高分辨率处理结果对比评价中，人为因素影响较大，难以真实客观地定量评价处理方法和参数的选择。笔者针对薄砂体精细描述的地质需求，开展了提高地震分辨率效果定量评价方法研究，并研发了软件系统，从而高效优选提高分辨率处理技术、流程和参数，全面可靠的监控提高分辨率处理流程，实现地震数据提高分辨率处理的效果定量评价分析。效果定量评价技术在新疆车排子地区沙湾组薄层砂体油藏进行了应用，对提高分辨率处理进行全流程的效果定量评价分析，提高分辨率处理后识别薄层能力显著增强，为后续的油藏描述和井位部署奠定了坚实的基础。

1 方法原理

如何实现提高分辨率不同技术、流程及参数的最优化选择，一直是提高分辨率处理所面临的难题。在提高分辨率处理效果评价方面，针对常规频谱和剖面对比的优选难题，提出了对不同数据进行多种属性计算、多种属性组合优选的效果定量评价方法。

首先，选用不同提高分辨率方法和参数进行数据处理；然后，通过数学公式计算测试数据地质目的层属性参数，包括：振幅、频率、相位、信噪比、时频特征、相干特征、振幅比特征、波形特征、断层特征等；再次，综合分析所有属性信息，对提高分辨率处理结果进行效果定量评价；最后，从不同测试结果中优选最理想效果，确定最佳提高分辨率方法和处理参数。通过技术(参数)差异性绘图，结合属性提取、合成记录标定等多因素综合分析，从而实现对提高分辨率处理前后效果优劣的评价，达到高效勘探与开发的目的。

1.1 频谱类方法

地震波在地层中传播，随着传播距离的增加，高频成份相对于低频而言更容易衰减，包含不同频率成份的频谱则能够反映地震数据的分辨率。振幅谱主要通过主频和频宽两个参数来描述，是一个时间域信号在频率域的表达方式，可以对时间域信号进行快速傅里叶变换得到。

通过傅里叶变换算法可以求得地震数据的振幅谱和分贝谱，从而计算主频、有效频宽、倍频程、低截频值、高截频值、不同频段能量等信息，分析不同提高分辨率方法和参数的频谱属性，从而实现最优参数的优选。振幅谱和分贝谱计算公式如下：

dB(f)=20log10|H(f)|

(1)

式中，dB(f)是分贝谱，|H(f)|是归一化后的振幅谱，H(ω)是振幅谱，h(t)是地震记录。

对不同提高分辨率方法和参数的地震数据分别进行傅里叶变换，在变换得到的频谱中求取主频、频宽等属性，优势频宽以-18 dB为标准，有效频宽以-24 dB为标准。主频越高，有效频带越宽，倍频程越大，则地震分辨率越高。随着“两宽一高”地震技术的发展，越来越重视低频段信息的恢复和保护，低截频值越小，则表示低频段信息越丰富，倍频程也越大，从而分辨率越高。

1.2 子波类方法

地震子波提取方法主要包括：自相关方法、同态谱方法、谱模拟方法、高阶统计量方法、高阶谱方法、时空变方法和非线性理论方法等，地震子波提取方法各有优缺点，适用于不同信噪比的地震数据。

通过地震记录的高阶累积量可以近似得到地震子波的高阶累积量，根据地震记录的功率谱计算得到子波振幅谱，利用地震记录的双谱重构地震子波的相位。地震子波频谱的计算公式如下[15]：

B(ω)=|B(ω)|ejφb(ω)。

(2)

地震子波的相位谱与双谱之间的关系为：

ψ3b(ω1,ω2)=φb(ω1)+φb(ω2)-φb(ω1+ω2),

(3)

式中：ω为频率；φb(ω)为地震子波相位谱；ψ3b(ω1,ω2)为根据地震信号三阶累积量加时窗计算得到的双谱。

在地质目标层位划取时窗，提取地震子波后，一方面，可以计算地震子波的主频、频宽、相位等，另一方面，对提高分辨率处理前、后的子波进行互相关，可以计算得到不同方法或参数所对应的子波一致性定量数值，从而直观评价提高分辨率的效果。

在子波频谱评价方面，通过变换得到振幅谱和相位谱后，可以根据振幅谱计算得到主频、频宽、低截频值、高截频值、倍频程等，与频谱类方法的评价标准一致。另外，根据相位谱评价提高分辨率处理对相位的改变程度。

在子波一致性评价方面，设定子波一致性评价标准，低于该标准,则表明提高分辨率处理破坏了子波一致性;高于该标准，则表明提高分辨率处理在压缩地震子波的同时，保持了较好的子波一致性。

1.3 信噪比类方法

信噪比分析方法包括：能量叠加法、频谱估计法、功率谱估算法、相关法和特征值法等[16]。信噪比低的地震资料优选频谱或功率谱法。信噪比是衡量地震资料品质的重要参数，通过分析提高分辨率处理前后数据的信噪比，可以评价不同提高分辨率方法和参数的处理效果，从而根据信噪比分析结果优选最佳参数。

通过信噪比分析可以避免过多高频噪声的不利影响，从而确保扩展频带宽度的可信度。由于不同层位或同一层位的地震波能量差异巨大，通常情况下在某一时窗内进行信噪比分析，能量叠加法信噪比分析公式如下：

式中:M为分析时窗的采样点数,N为地震道数,dij是地震记录振幅。

选取多种信噪比计算方法，进行定量化的信噪比分析，可以对提高分辨率结果进行效果评价。在多种方法达到相同提高分辨率效果时，通过信噪比高低进行评价，从而指导方法或参数的优选。

1.4 时频分析方法

时频分析方法解决了一维傅里叶变换中时间域和频率域分离的不足，可以同时分析不同时刻包含的各频率成份，以及不同频率成份随传播时间的变化特征[17]。

修正S变换的表达式如下：

exp[-fp(t-τ)2/2λ]exp(-i2πft)dt,

(5)

式中:GSTN(τ,f)是二维时频谱，h(t)是地震记录，λ、p是修正S变换调节参数，可以获得不同分辨率的时频分析结果。

对比提高分辨率处理前、后的时频谱特征，一方面，可以分析不同时刻的频谱特征，避免了傅里叶变换时窗大小的限制，能够更加精细地分析频率变化特征，另一方面，可以分析不同频率成份随时间的变化情况，即不同频段能量的时间变化曲线，计算公式如下：

(6)

式中:t为时间，单位ms；f为频率，f1和f2为频段的起始频率和截止频率，单位Hz；GSTN(t,f)为地震记录的二维时频谱。提高分辨率处理后，高频段能量曲线的数值明显增大，表明时频谱中优势频带和有效频带宽度增加，而高频段能量曲线的变化趋势保持不变，表明地震记录能量得到很好的恢复和补偿，并且时频谱的浅中深层能量关系匹配较好，保持了原始数据的频谱特征和时频特性。

2 定量评价软件系统研发

目前常用的编程语言主要有C/C++、Fortran、Matlab等语言[18-19]，在此采用C++和Qt编程语言，进行提高地震分辨率效果定量评价算法开发与软件研发，所研发的软件具有可移植、跨平台的特点。该软件共包括：频率分析、波形分析、子波一致性分析、能量分析、信噪比分析、振幅谱分析、时频谱分析、子波分析、沿层属性分析等模块功能。

对原始地震记录进行提高分辨率处理，得到不同方法和参数的一系列结果，可以对单个数据进行频谱分析、时频分析和子波分析等，也可以将一系列提高分辨率结果进行编号，计算属性特征的变化趋势，从而根据柱状图进行效果定量评价。

对单个提高分辨率数据进行评价分析，图1是地震数据剖面显示和二维时频谱分析结果，在地震剖面上划取时窗可以快速实现频谱分析、时频分析和子波分析等功能。

图1 地震数据显示及时频谱分析Fig.1 Seismic section and time-frequency spectrum

将一系列提高分辨率结果进行编号，分析不同方法或参数的属性变化特征。图2是频谱类方法定量评价结果，频谱类属性包括：主频、频宽、低截频值、高截频值、低频段能量、高频段能量和倍频程等。对不同提高分辨率方法和处理参数的测试结果进行编号，图中共计6个处理参数。主频属性分析结果显示，不同处理参数的主频基本相同，编号4～6的主频略高，约为20 Hz；从频宽属性、高截频值属性、高频段能量属性的分析结果可以看出，编号4和5的处理参数最佳，频宽约为44 Hz，高截频值为50 Hz；低截频值属性显示编号1～4效果最佳，约为6 Hz，但低频段能量属性显示编号1～5的效果整体比较理想。综合考虑主频、频宽、低截频值、高截频值、低频段能量和高频段能量，最佳处理参数是编号4，主频为20 Hz，频宽为44 Hz，低截频值为6 Hz，高截频值为50 Hz，约3个倍频程。

图2 频谱类方法定量评价结果Fig.2 The quantitative evaluation results of spectrum

3 实际资料应用效果

提高地震分辨率效果定量评价技术及软件系统在新疆车排子工区处理中进行了应用，实现整个提高分辨率处理过程的全流程监控。新疆车排子工区在沙湾组发育薄砂体油藏，老成果资料存在纵横向分辨能力低、反射轴杂乱、层位追踪困难、空白反射较多、断点与断面不清楚的难题，造成低序级断层识别难度大，储层精细描述落实存在一定风险，迫切需要高分辨率处理地震资料的支撑。

图3是提高分辨率处理前、后地震剖面的效果对比，图3a是提高分辨率处理前的原始数据，图3b是采用地表一致性预测反褶积(步长12 ms)和反Q滤波(参数取20)的多步提频处理结果，图3c是仅采用反Q滤波(参数取50)的处理结果。

采用提高分辨率效果定量评价软件对处理效果进行分析，如图4所示，对原始数据、多步提频数据、反Q滤波数据分别编号1、2、3，其中图4a为频谱类定量评价结果，图4b为信噪比、子波一致性、波形相似性定量评价结果。从图4a中可以看出：编号2数据的主频为27 Hz、频宽为42 Hz、低截频值为7 Hz、高截频值为49 Hz，均优于编号3数据；编号2数据的低频段能量和高频段能量较强，表明低频段和高频段信息丰富。从图4b中可以看出：提频处理后信噪比略有降低，但在可接受范围；子波一致性和波形相似性方面，在中频段两种方法基本接近，在高频段编号2数据的子波一致性和波形相似性更优。分析结果显示多步提频优于反Q滤波，从地震剖面中也可以得到相同的结论，采用多步提频的处理结果较好地保持了河道砂体的特征(红色椭圆所示)，并且具有较高的保幅性。

在提高地震分辨率处理过程中，进行了全流程的效果定量评价，确保优选最佳提高分辨率方法和处理参数，从而获取最优的提高分辨率结果数据。图5是提高分辨率处理前、后的效果对比，从提高分辨率前、后的地震剖面中可以看出，提高分辨率处理成果数据解决了老成果分辨率低、空白反射多、层位难以追踪的问题，利用提高分辨率处理数据可以满足砂组细分的需求。

a—原始数据;b—多步提频处理结果;c—反Q滤波处理结果a—original processing data;b—multistep high resolution data;c—inverse Q filtering data图3 提高分辨率效果对比Fig.3 Improved resolution effect contrast

a—频谱定量评价结果;b—信噪比、子波一致性、波形相似性频谱定量评价结果a—the quantitative evaluation results of spectrum;b—the quantitative evaluation results of S/N,wavelet consistency,waveform similarity图4 定量评价结果Fig.4 The quantitative evaluation results

图5 提高分辨率前(a)后(b)效果对比Fig.5 The effect contrast of high resolution processing before(a) and after(b)

4 结论

1)针对提高地震分辨率效果监控的迫切需求，创新研究了提高地震分辨率效果评价技术，从9个方面的属性特征对不同处理方法和参数进行定量评价，实现了提高分辨率评价由定性向定量的转变。

2)利用效果定量评价技术对提高分辨率处理进行全流程的监控，最终建立针对不同地质目标的最佳处理流程，能够大幅提高薄层砂体的识别能力。

3)随着高密度地震技术的不断发展，地震数据量呈指数型增加，提高分辨率效果定量评价技术既能够提高处理效率，还可以应用于海量数据的质量监控和其他处理环节的效果评价中，具有广阔的应用前景。

致谢：感谢中国石化胜利油田物探研究院“提高薄互层地震分辨率处理技术推广应用”项目组的大力支持！