海上宽频地震反演方法及其在南海深水区的应用*

叶云飞 刘春成 刘志斌 张益明 王志红

(1.吉林大学南方研究院 广东珠海 519000 ； 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

1 问题的提出

地震反演技术是油气勘探开发过程中刻画地下储层特征及分布范围的重要手段之一，其精度受地震资料主频、频带范围、低频模型精度和反演方法等多重因素控制。过去几十年里，受常规水平拖缆地震采集技术限制，海洋地震资料中普遍缺失6～8 Hz以下的低频信息[1]，导致地震资料出现多相位现象，使地震解释过程中无法准确获得反射系数序列，还会造成地震陷频，在不同程度上制约和影响着海洋、特别是深水区的油气勘探效果[2-3]。以往针对缺失的低频信息，在地震反演中主要通过井控模型补偿3～6 Hz频率范围内的信息，通过速度模型补偿3 Hz以下的部分信息[4]。

近年来，海洋宽频地震采集和处理技术发展迅猛，国内外相继出现了倾斜电缆采集、上下双缆采集、双检电缆采集、四分量拖缆采集等多种采集方法，使得地震资料频带显著拓宽[5-10]，特别是可以获得3 Hz以下的低频信息。拓宽地震频带不但能改善地下特殊岩性体的深层构造成像品质，还能提高储层(包括薄层和厚层)、隐蔽油气藏和圈闭的识别精度，更能够凸显各沉积事件之间波阻特征的差异，使得地震层序解释更加清晰、地震反演的精度更高，进而提升储层及油气预测成功率。但是，海洋宽频地震资料采集和处理的成本高、耗时耗力。

海洋勘探过程中钻井数量少，且分布极不均匀，特别是在深水区，往往面临少井、无井的情况，这使得常规方法构建低频模型的准确性受到极大影响。常规地震资料处理的速度谱精度是非常低的，在构造复杂、储层横向分布不均匀、地层埋深差异大的地方，不能准确反映地下沉积体纵、横向分布规律，这些均会给反演结果带来巨大风险。

针对上述问题，本文提出了海上宽频地震反演方法，首先采用基于5参数广义S变换技术拓宽了地震资料频带，大幅降低了依托地震资料采集、处理拓宽地震频带的费用；然后通过立体层析反演技术提高了低频模型精度，有效解决了深水区少井、无井情况下低频模型构建的难题；最后分析宽频地震反演与常规地震反演核心步骤方面的区别，提出了针对宽频资料反演的子波求取步骤，提取的子波旁瓣得到了明显压制，改变了宽频地震反演的频带构成。在南海珠江口盆地深水区W构造的储层预测应用表明，本文方法显著提高了地震反演的精度，清晰刻画了储层分布范围，有很好的推广应用价值。

2 海上宽频地震反演方法

2.1 基于5参数广义S变换的地震低频信号补偿

S变换是一种无损可逆的时频分析工具。自从S变换被用于地震数据处理以来，很多国内外学者对其进行了深入研究[11-13]，并对其进行了改进，得到了广义S变换。

由Stockwell等[14]提出的S变换形式为

(1)

式(1)中：τ为小波的时间位置；f为频率；t为时间；h(t)为待分析信号。

广义S变换为

GS(τ,f)=

(2)

式(2)中：A为地震振幅；φ为相位延迟系数；β为能量延迟系数；γ为能量衰减系数。这些参数不但可以体现地震资料特性，模拟各种理论子波，也可根据研究目的不同加以适当调整，使之达到局部优化的目的。

(3)

式(3)中：T为时间采样间隔；N为采样点个数；m、n为采样点编号；j为时间样点编号。

对于一个地震数据体，坐标为(x,y,t)，在t域中进行广义S变换，得到的是自变量为x、y、t、f的四维数据体。针对地震信号的特点，进行5参数小波构建：以简谐波与Gaussian函数的乘积为基础，基于5参数构建广义S变换基本小波。如下式：

ω(t)=Aexp[-γ(t-β)2f2]exp[-i(2πft+φ)]

(4)

地震数据的高、低频损失与传播过程和波的干涉有关，大地滤波作用引起的高频衰减是十分明显的，而低频衰减相对较慢。虽然多次波、鸣振和噪音等因素引起的干涉作用均会使频率损失，但鬼波是造成海洋地震资料中低频缺失最重要的原因。在模拟小波的5个参数中，能量衰减系数可以控制高斯窗随时间的衰减速度，同时也在频率域控制小波的频带宽度，衰减越快、时间窗越窄，对应频率域频带越宽，反之亦然。如图1所示，蓝色线表示实际资料提取的子波及频谱，红色线表示模拟的小波及频谱，可以看出，实际地震资料小波衰减和延迟均较明显，波形欠光滑，旁瓣严重。压制衰减系数γ后，低频能量明显抬升，频谱变得光滑(图1a、b)；而去除衰减系数之后，子波旁瓣得到完全压制，低频得到充分补充，频谱将变得非常光滑(图1c、d)。

图1 实际资料提取与模拟的小波波形及频谱比较

在模拟过程中，要选取合适的衰减系数γ进行子波重构，其原则是既要保证尽可能多地补偿低频信息，又要避免多余的噪音和干扰信息出现。 主要流程为：①将时间域地震数据进行广义S变换至频率域；②分别选取不同f值，得到不同频率段的单频数据体；③调整小波参数，模拟适当小波对地震数据进行重构，增强其低频能量；④再进行广义S逆变换，将上述单频数据体变换到时间域进行合并，进而实现补偿地震低频能量的目的。经补偿处理后，地震低频信息得到了有效拓宽，并且没有引入多余的噪音(图2)。

2.2 基于立体层析反演的高精度地震模型建立

立体层析是一种基于射线扰动理论的层析成像方法，除了旅行时之外，它将共炮道集和共检波点道集内的局部同相轴的斜率(即慢度矢量水平分量)、炮点坐标、检波点坐标也纳入到数据空间。与此相对应，反演的模型分量也不仅限于速度，还包括反射点位置、反射层的局部倾角以及射线对的张角。其优势在于，数据的提取只依赖于局部相干同相轴的运动学信息，计算更为方便，可以同时反演速度、反射点位置与反射层局部形态。它有2种实现方式：数据域立体层析和成像域立体层析[15-16]。立体层析在实际应用中由两步法构成：①通过自动拾取获得一个较为满意的初始速度模型，其好处是效率高；②再通过人工干预在成像域拾取感兴趣的数据点，通过运动学反偏移去除与非一次反射波有关的数据点，进一步提升立体层析反演的精度。通过该两步法可以获得较高精度的速度场。图3为常规速度谱与经过高精度网格层析速度反演之后的速度谱比较，可以看到二者速度谱的精度差异是十分明显的。立体层析反演能够反映地下地质体的结构性差异变化，显示出了构造、岩性变化的纵、横向差异，这一点在常规速度谱中是很难看到的，会对地震反演结果(特别是反演结果的横向准确性)产生较大影响。

图2 补偿低频前后地震资料及频谱比较

图3 常规与立体层析反演速度谱比较

2.3 宽频地震资料反演子波提取

子波是影响反演结果的重要因素，地震反演中所用的子波不是地震资料中所含有的一般意义上的子波，而是测井资料约束控制下由声波、密度测井资料和地震资料联合估算出的子波，但这种估算的子波仍然脱离不开地震子波的影响。常规海上地震资料的子波组成是非常复杂的，它包含一次波、震源鬼波、电缆鬼波、震源和电缆鬼波、气泡效应等多种信号。宽频地震资料采集、处理的目的是使地震鬼波得到明显压制，地震子波的旁瓣能量明显压制，一次波能量显著增强。因此，应用于宽频地震资料反演的子波也应该去除掉鬼波的影响，它的子波形态和频带范围与常规地震资料反演的子波有明显的不同，要求提取的子波足够长，子波求取的时窗也要相应增大[17-18]。

针对宽频地震资料反演的子波求取步骤为：①按照常规地震资料反演子波估算的过程，在常规频带地震数据上计算一个井-震匹配良好的常规地震子波；②在宽频地震资料的较大时窗范围内(不少于1 000 ms)估算一个零相位(或固定相位)子波；③将上述2个子波进行相位谱和振幅谱的匹配，并在保持相位不变的情况下外推，将低频和高频端拓宽至宽频反演所需的范围；④通过合成记录标定，对匹配后的子波进行适当调整。图4为常规资料与宽频资料子波波形和频谱的比较,可以看出，按照上述方法提取的宽频子波旁瓣已经得到明显压制，频谱宽度有了较为明显的拓宽，特别是低频端也有了较好的补偿。

图4 常规子波与宽频子波的比较

3 在南海深水区的应用

W构造位于南海珠江口盆地深水区，为多个高点控制的构造群，主要目的层为下中新统珠江组，其中珠江组下段为一套深海盆底扇重力流浅灰色石英砂岩夹多层粉砂岩；珠江组上段主要为深水扇砂岩，单层厚约20～30 m，顶部略含钙质，与泥质粉砂岩交互出现。为了更精细地刻画储层分布，应用本文方法进行了反演，并与常规资料反演结果作了对比(图5)，可以看出：①补偿地震低频后的反演结果更加准确。如图5中标识A处，常规资料反演结果中出现了隔夹层现象，宽频资料反演结果中显示为厚层泥岩，钻后结果证实其为厚度达80余米的泥岩。②地震频带的拓宽使得地震资料精度显著提高，细节更加清晰。如图5中标识B处，基于宽频地震资料反演结果的边界更加清晰，储层连续性更好，对薄层的识别能力更强。

图5 常规地震资料与宽频地震资料反演结果比较

4 结论

1) 提出了海上宽频地震资料反演方法，首先利用基于5参数广义S变换技术补偿了地震中缺失的低频成分，拓宽了地震资料频带；其次利用立体层析反演技术有效提高了低频模型精度，使其可真实反映地质异常体分布范围，解决了深水区少井、无井情况下低频模型构建的难题；最后分析了基于宽频地震与常规地震资料反演在子波提取上的差异，提出了针对宽频地震资料的子波求取步骤，提取的子波旁瓣得到了明显压制，频谱宽度有了明显拓宽。

2) 无论是反演思路与反演流程，还是反演过程中关键参数的选取，海上宽频地震资料反演与常规地震资料反演存在较大差异，只有解决好宽频地震资料反演过程中的核心细节、关键步骤，才能充分发挥宽频地震资料的优势，为油气勘探、开发提供更有效的技术保障。

[1] 田根海，黄兆辉.海上勘探鬼波产生的机制及压制方法研究[J].西部探矿工程，2012(2)：61-64.

[2] 谢玉洪，李列，袁全社．海上宽频地震勘探技术在琼东南盆地深水区的应用[J]．石油地球物理勘探，2012，47(3):430-435.

XIE Yuhong,LI Lie,YUAN Quanshe.Broadband marine seismic exploration in Qingdongnan Basin deep water areas[J].Oil Geophysical Prospecting,2012，47(3):430-435.

[3] 张振波，李东方.斜缆宽频地震勘探技术在珠江口盆地的应用[J].石油地球物理勘探，2014,49(3):451-456.

ZHANG Zhenbo,LI Dongfang.Variable-depth streamer seismic acquisition and processing in Pearl River Mouth Basin[J].Oil Geophysical Prospecting,2014,49(3):451-456.

[4] 叶云飞，崔维,张益明，等.低频模型对波阻抗反演结果定量解释的影响[J].中国海上油气，2014,26(6)：32-36.

YE Yunfei,CUI Wei,ZHANG Yiming,et al.Impacts of low-frequency models on the quantitative interpretation of acoustic impedance inversion [J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(6):32-36.

[5] SOUBARAS R.Variable-depth streamer:deep towing and efficient deghosting for extended band-width[R].SEG/EAGE Research Workshop，2010：289-292.

[6] SOUBARAS R，DOWLE R.Variable-depth streamer:a broadband marine solution[J].First Break,2010,28(12):89-96.

[7] 赵仁永,张振波,轩义华.上下源、上下缆地震采集技术在珠江口的应用[J].石油地球物理勘探,2011,46(4):517-521.

ZHAO Renyong,ZHANG Zhenbo,XUAN Yihua.Application of over/ under streamer and over/ under source seismic acquisition in the Pearl River Mouth Basin[J].Oil Geophysical Prospecting,2011,46(4):517-521.

[8] RAY C.High resolution marine stratigraphic system:USA,No.4 1982:353,121.[P].1982.

[9] 余本善，孙乃达.海上宽频地震采集技术新进展[J].石油科技论坛，2015(1):41-44.

YU Benshan,SUN Naida.Latest development of marine braodband seismic acquisition technology[J].Petroleum Science and Technology Forum,2015(1):41-44.

[10] KRAGH E,MUYZERT E,CURTIS T,et al.Efficient broadband marine acquisition and processing for improved resolution and imaging[J].The Leading Edge,2010,29(4):464-469.

[11] 高静怀，陈文超.广义S变换与薄互层地震响应分析[J].地球物理学报，2003,46(4)：526-532.

GAO Jinghuai,CHEN Wenchao.Generalized S transform and seismic response analysis of thin interbeds [J].Chinese Journal of Geophysics ,2003,46(4)：526-532.

[12] 陈学华，贺振华.基于广义S变换的地震资料高效时频谱分解[J].石油地球物理勘探，2008,43(5)：530-534.

CHEN Xuehua,HE Zhenhua.High efficient time frequency spectrum decomposition of seismic data based on generalized S transform [J].Oil Geophysical Prospecting,2008,43(5)：530-534.

[13] PIINNERGAR C R,MANSINBA L.The S-transform with windows of arbitrary and varying shape [J].Geophysics,2003,68(1):381-385.

[14] STOCKWELL R G,MANSINHA L,LOWE R P.Localization of the complex spectrum:the S transform[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1996,44(4):998-1001.

[15] 李振伟,杨锴,倪瑶,等.基于立体层析反演的偏移速度建模应用研究[J].石油物探，2014,53(4):444-452.

LI Zhenwei,YANG Kai,NI Yao,et al.Migration velocity analysis with stereo-tomography inversion[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2014,53(4):444-452.

[16] 王宇翔,杨锴,杨小椿,等.基于梯度平方结构张量算法的高密度二维立体层析反演[J].地球物理学报，2016,59(1):263-276.

WANG Yuxiang,YANG Kai,YANG Xiaochun,et al.A high-density stereo-tomography method based on the gradient square structure tensors algorithm[J].Chinese Journal of Geophysics,2016,59(1):263-276.

[17] SCHAKEL M D，MESDAG P R.Fully data-driven quantitative reservoir characterization by broadband seismic[J].2014 SEG Technical Program Expanded Abstracts,2014:2502-2505.

[18] FIRTH J，HORSTAD I，SCHAKEL M. Experiencing the full bandwidth of energy from exploration to production with the art of BroadSeis[J].First Break,2014,32(6):89-96.