“两宽一高”三维地震资料的纵向分辨率探讨及应用

冉建斌 张明玉 李海银 陈 佳 朱 哲 邢红阁(中国石油东方地球物理公司研究院,河北涿州 072750； 新疆油田有限责任公司,新疆克拉玛依 834000)

1 引言

近两年来，为了提高复杂油气藏的勘探精度和成功率，各油田公司相继进行了宽频、宽方位和高密度的“两宽一高”三维地震勘探，导致一些人认为宽频采集的地震资料可以大大提高分辨率。2014年11月，吐哈油田公司在吐哈盆地台北凹陷西部的葡北油区进行了1.5～96Hz扫描频带、横纵比为0.75、道密度大于100万道/km2的“两宽一高”三维地震采集。为了更好地理解地震不同频带地震反射特征及不同频带宽度对反演精度的影响，本文通过分析实际宽频地震资料与合成地震资料以及不同频带地震反演结果的差异，探讨宽频地震资料对储层砂体的分辨能力，以有效指导研究区的砂体预测。

地震分辨力一直是地震勘探研究的热点问题，其中争论最为激烈的是纵向分辨力的极限问题。不同研究者从不同的观测角度出发，给出了不同的可分辨与不可分辨判别准则及垂直分辨力极限定义。如瑞利准则定义垂直分辨力极限为λ/4(λ为地震波长)， Richer[1]、Widess[2]和Farr[3]则将垂直分辨力极限分别定义为λ/4.6、λ/8和λ/12。目前,最流行且被大多数人普遍接受的是瑞利准则，即λ/4垂直分辨力定义。凌云研究组[4,5]利用薄层振幅的调谐作用探测地层厚度小于λ/4的地质目标，在此基础上又对地震分辨力极限问题进行了研究，并对垂直分辨力极限提出质疑，指出在相对保持振幅、频率、相位和波形的处理条件下，结合合理的井信息标定和地震属性提取，地震勘探是可以突破λ/4地震分辨力极限的。云美厚[6]给出了地震分辨力主要取决于地震子波特性、与地震资料的信噪比无关的结论,引发了对地震分辨力与信噪比关系的广泛讨论。

钱荣钧[7]从瑞雷准则的基本原理出发，详细介绍了分辨率的分类，并对各种分辨率概念进行了澄清，给出了二维非零炮检距的横向分辨率公式。

倪宇东[8]、什内尔索纳等[9]根据自相关子波分辨率与中心频率的关系得出结论，增加信号的高频成分可以提高分辨率。但扫描信号相对频宽过小(如0.8个倍频程)时，尽管中心频率很高，分辨率很高，但是自相关子波旁瓣值很大，导致相关噪声淹没了有效信号。因此，在选择扫描信号时，既要考虑自相关子波的清晰度，又要考虑自相关子波的分辨率；既要保证扫描信号具有较大的相对频宽(2个倍频程以上)，又要保证有较高的分辨率。只有这样才能突出主瓣能量，提高主瓣分辨率，压制旁瓣，才能提高对波阻抗界面的分辨能力。在保证使用具有2个倍频程扫描信号的前提下，随着中心频率的增大，相关子波的旁瓣变窄、分辨率变高。

李培明等[10]从空间波数概念出发，分析讨论二维、三维地震资料在共炮检距域中可能达到的空间分辨率，以期为优化地震勘探观测系统设计提供理论指导。导出了二维与三维共炮检距道集的空间分辨率公式，较系统地讨论了共炮检距道集的横向分辨率和垂向分辨率与地下介质速度、地震主频及频带、反射界面倾角、偏移孔径以及所使用的观测系统等因素的关系； 随后又提出了方向空间分辨率的概念，并从旅行时方程出发，推导出三维方向空间分辨率的一般公式[11]。

王学军等[12]、Wang等[13]认为地震资料的纵向分辨率取决于地震频带，指出若地震资料缺乏高频信息，将难以精确识别薄储层；若缺乏低频信息，会影响信息的保真度，导致波阻抗反演结果不正确。

影响地震反演精度的因素很多，其中地震数据的不完备性是主要障碍之一，反射波的频带有限性严重影响波阻抗反演质量[14,15]。当地震频带宽度为6个倍频程(1～96Hz)时，反演的波阻抗虽然无法完全恢复更薄的地层信息，但基本上可以反映阻抗的真实趋势和形态；当频带宽度减小到2个倍频程(10～40Hz)时，对应的波阻抗丢失了大量信息，包括低频趋势和薄层信息。

地震反演的分辨率主要受地震资料本身的分辨率制约，由测井约束“反演”出来的高分辨率，严格意义上属于对地震资料地质解释的“广义反演”结果。制定正确的反演策略，利用地震属性等技术检测并提取地震资料中丰富的岩性信息，参与初始模型建立，可以使反演结果更加合理。在复杂陆相沉积环境下，测井约束反演解决地质问题的能力是有限的[16]。

近年来，随着地震分频技术的发展，人们基于雷克子波和楔形模型，建立了储层厚度、振幅、频率三者之间的关系(AVF)，并将AVF引入分频反演领域，取得了良好的效果。AVF关系反映了振幅与砂体厚度的相关性受调谐厚度的限制，而调谐厚度与地震数据的主频直接相关。李伟等[17]针对薄层砂体，充分考虑频率对地震属性与砂体厚度之间相关性的影响，提出“先优选地震数据频段，再优选地震属性”的地震属性优选方法；进而利用优选的地震属性预测砂体及沉积相分布，为沉积微相分析奠定坚实的资料基础。

低频信号具有较强的穿透能力，同时地层对地震波的衰减作用也随着频率的增加呈指数增加，频率越高，吸收和散射作用越强。低频信号衰减缓慢，具有较强的抗吸收和抗散射能力，更易穿透具有强散射和强吸收性的地层，所以利用低频信号可以改善深层和特殊岩性体的成像质量[18,19]。

邹志辉等[20]通过评价和恢复常规检波器地震记录的低频信息，认为恢复低频可以显著改善叠加地震剖面和波形反演速度剖面的精度和分辨率。

张晓磊等[21]对目前提高地震资料分辨率的两大类主要技术进行了总结，指出混合相位反褶积技术摆脱了最小相位的基本假设，在提高分辨率方面效果显著，但并没有真正解决中深层弱相位信噪比和成像连续性问题，对地震解释不利。针对中深层岩性油气藏地震资料分辨率低、有效信号弱的问题，提出了混合相位反褶积串联形态滤波技术，在提高地震资料分辨率的同时可提高信噪比。

在传统提高分辨率技术的基础上，公亭等[22]利用扫描信号进行低频拓展及能量加强，形成了一套宽频地震资料配套处理流程，该技术在保证地震资料信噪比的基础上拓宽了地震信号的有效频带、提高了分辨率，处理后的地震剖面具有频带宽、信噪比高、岩性特征清楚等优点。

宋维琪等[23]将压缩感知理论引入地震资料处理，研究基于压缩感知理论的提高地震资料分辨率方法，针对压缩感知理论中的信号稀疏化、观测矩阵设计、信号重构等提出了改进措施，在压制噪声的同时提高了地震资料分辨率。

张丰麒等在分析叠前AVA楔形字典时指出，利用基于追踪分解算法实现叠前AVA稀疏层反演，较常规叠前反演具有较高的垂向分辨率，但由于该算法没有考虑弹性参数之间的相关性引起的不适定性，造成密度反演结果非常不稳定。为此，基于Zhang的常规叠前AVA稀疏层反演，结合Downton的参数协方差矩阵特征分解去相关思路，重新推导了叠前AVA楔形字典和叠前AVA稀疏层反演的目标函数；在此基础上，通过引入低频软约束项补偿反演的低频信息，可以获取全频带的反演结果，进一步降低了三参数反演的不适定性，提高了密度项的反演精度。模型数据和实际数据试算结果表明，基于低频软约束的叠前AVA稀疏层反演具有较高的稳定性和垂向分辨率[24]。

对于地震资料地质解释来说，评价地震资料的纵向分辨率一般应用以下两种方法： ①四分之一主波长法； ②Wedess准则[25,26]。

当地震资料的主频为30Hz、速度为3000m/s时，根据四分之一主波长法能得到地震纵向分辨率为25m。

当地震频带为3～60Hz时，根据Wedess准则法可以得出地震的时间分辨率为8.8ms，同样3000m/s的地层速度，可分辨的地层厚度为13.2m。

从两种分辨率定义得出其子波的分辨率是不同的，根据Wedess准则得到的子波分辨率接近于λ/8，同样的频带得出的分辨能力差近一倍，因此需要具体分析实际地震资料纵向分辨率确定哪一种评价方法更合理。

通过对葡北“两宽一高”地震资料的处理，地震资料在主要目的层段的有效频宽为3～60Hz，新地震资料比老地震资料的有效频带(10～60Hz)向低频拓宽了近两个倍频程，而新、老地震资料高频基本一致。笔者通过分析与实际地震资料频带宽度一致的模型正演、不同倍频程滤波、缺失不同低频成分地震反演和实际地震资料的标定，指出在地震资料高频相同、向低频拓宽了1～2个倍频程的情况下，其纵向分辨率并没有提高，因此要提高地震资料的纵向分辨率，必须通过提高地震资料有效高频成分才能实现。即要保证对薄层的反演可靠性和分辨率，地震资料就必须向有效的低、高频同时拓宽。

2 研究方法

2.1 不同倍频程地震反射特征

针对吐哈油田葡北三维地震资料(图1)进行了6个频带的滤波处理。图1中A、B、C、D、E为研究区的五口井，曲线为波阻抗曲线，经过3～60Hz的带通滤波处理。可以得出葡北三维地震的有效频带为3～60Hz，葡北三维地震资料是具有4.3个倍频程的宽频资料(图2)，图中井的阻抗曲线也进行了相应频带的滤波处理，图2f说明本区地震资料的最高频为60Hz。新采集的三维地震资料比1998年采集的三维地震资料(10～60Hz)向低频拓宽了近2个倍频程。通过对地震资料和井的波阻抗曲线进行带通滤波处理，观察和研究不同地层界面在不同频带上的反射特征，分析不同频带的地震反射波所代表的地质含义及对地层厚度的分辨能力。

2.2 缺失不同低频成分的地震反演结果

对图1的地震剖面进行6～60Hz、12～60Hz的带通滤波，得到了3～60Hz、6～60Hz、12～60Hz不同频带的三套地震资料。利用图1中的5口井资料建立波阻抗模型，并对三套地震资料分别提取子波及进行稀疏脉冲反演，观察分析缺少不同低频成分的地震资料反演结果间的差异，分析不同频带宽度的地震资料对反演结果的影响(图3)。

2.3 宽频地震资料的纵向分辨率

应用图1中5口井的波阻曲线建立剖面的波阻抗模型，经反射系数与波阻抗的关系把波阻抗模型转为反射系数模型，利用过5口井的实际地震资料井点提取的3～60Hz零相位的地震子波与反射系数模型进行褶积，得到了合成地震剖面(图4)。图4中的波阻抗曲线进行了3～6Hz的滤波处理，得到的正演结果(图4c)与图1具有非常相似的反射特征和相同的分辨率。

图1 过吐哈盆地葡北“两宽一高”三维地震工区剖面

图2 图1地震资料进行不同倍频程带通滤波剖面(a)3～6Hz; (b)6～12Hz; (c)12～24Hz; (d)24～48Hz; (e)48～60Hz; (f)60～75Hz

图3 缺少不同低频成分地震反演结果对比剖面(a)缺少0～3Hz； (b) 缺少0～6Hz； (c)缺少0～12Hz

图4 根据图1中5口井的波阻抗曲线和3～60Hz雷克子波进行的二维地震模型正演剖面(a)波阻抗模型； (b)反射系数模型； (c)地震正演剖面

根据Wedess准则，3～60Hz频带的零相位雷克子波能够分辨8 .8ms的地层厚度，设计了两个模型： 两个正反射系数界面之间的时间厚度为8ms； 两个反射界面之间的时间厚度为16ms。通过四分之一主波长法和Wedess准则两种方法计算的子波分辨率与实际地震资料标定对比，确定哪种方法对地震分辨率是合理的评价(图5和图6)。图5中当时间间隔为8ms时不能分辨薄层，当时间间隔为16ms时为极限分辨率。通过砂体顶、底的标定，认为地震资料可以识别厚度大于20m的砂体。

图5 频带为3～60Hz零相位雷克子波一维正演模型(a)薄层时间间隔为8ms； (b)薄层时间间隔为16ms

图6 图1中A井合成地震记录及储层标定图

3 结果分析及应用效果

通过不同倍频程的地震和井波阻抗曲线的滤波分析可以得出：

(1)在低频段地震反射代表了大套地层强波阻抗界面的反射，大套地层内较薄的地层没有产生相应的反射界面；

(2)随着地震频带向中高频段移动，地震资料不但有大套地层的反射而且还有较薄地层的反射产生，地震有效高频段越丰富，分辨的地层界面就越多，分辨率就越高；

(3)低频段地震资料和高频段的地震资料都能对厚层地层的反射界面进行解释，但高频段地震资料对地层界面的刻画精度远高于低频段的地震资料。

通过对3～60Hz、6～60Hz、12～60Hz三套不同频带的稀疏脉冲反演结果对比分析得到了以下结论。

(1)当地震资料的低频为3Hz和6Hz时，通过稀疏脉冲反演及井波阻抗低频合并得到的0～60Hz的宽频反演结果非常类似。

(2)当地震资料的低频缺失12Hz以下的低频时，通过稀疏脉冲反演及井波阻抗低频合并得到的0～60Hz的宽频反演结果与缺少3Hz和6Hz以下低频时的宽频地震反演结果差异较大，缺失12Hz以下低频信息的地震反演结果与波阻抗模型更相似。

(3)地震资料的低频与用井资料插值所得到的低频存在差异，主要原因为地震资料的低频是空间连续的，而用井资料插值的模型只反映所用井的插值趋势，因此，地震资料空间连续的低频信息有助提高反演的精度，地震资料的高频控制反演的分辨率。在地震资料高频成分不变的情况下，地震资料频带向低频拓宽，对提高薄层纵向分辨率作用不大。

研究区目的层砂体速度为3000m/s，地震子波的频带为3～60Hz、薄层的时间厚度为8ms和16ms时，通过褶积模型的正演得到以下结论。

(1)当薄储层厚度为8ms时，3～60Hz的地震资料是不可分辨的；当薄层厚度为16ms时，3～60Hz的地震资料是可分辨的，并且是极限分辨率。

(2)研究区目的层的储层速度为3000m/s时，8ms的储层厚度为12m，16ms的储层厚度为24m。根据λ/4分辨率准则，当地震主频为30Hz时，能够分辨25m的储层，与实际地震模型厚度24m接近，而与Wedess准则在频带3～60Hz计算的分辨率为13.2m相差近一倍。因此四分之一主波长准则对地震资料的分辨率评价是合理的，而Wedess准则在地震资料高频段一致的情况下，在向低频拓宽了一个倍频程(3～6Hz)中过高估计了地震的纵向分辨率，与实际不符。通过实际地震资料的合成地震记录标定，也验证了3～60Hz地震资料仅能分辨20m以上的地层厚度。

通过3～60Hz和0～60Hz的宽频地震稀疏脉冲反演(图7)，可见:两种频带的地震反演都能有效识别葡北地区侏罗系三间房组砂体,但缺少0～3Hz的地震反演结果砂体边界比较模糊，而0～60Hz频带反演结果砂体边界波阻抗清晰度更高，因此进一步说明地震资料的有效低频控制着反演砂体的精度，高频成分控制着反演的分辨率。

通过沿层波阻抗属性提取，预测了砂体的分布。由于该区地震资料低频成分丰富，有利于地震储层的含油气性检测分析。在有利砂体预测的基础上，通过目前钻井的生产动态分析，利用地震流体活动性属性预测了葡北油田区有利的含油气范围，在葡北油田西部探明边界外部署了油藏扩边井Pb105(图8)，通过钻探证实宽频反演砂体预测及油气检测精度较高，该井获得工业油流，使老油田的储量规模进一步扩大，砂体预测和含油气检测结果对该油田的开发方案调整具有重要的参考价值。

图7 葡北油田区宽频稀疏脉冲阻抗反演对比剖面(a)3～60Hz反演结果与井的0～3Hz低频合并形成的0～60Hz的反演结果； (b)没有与井0～3Hz低频合并的反演结果

图8 葡北油田区三间房组顶部砂体预测及油气检测结果(a)砂体的均方根波阻抗砂体分布预测图； (b)砂体的流体活动性属性图

5 结论与建议

(1)不同频带的地震资料反映了地下不同反射系数界面。地震的低频反映大套地层的反射特征，地震高频不但能识别更薄地层，而且还能识别大套地层界面。

(2)地震资料缺失低频成分越多，反演差异越大，地震反演的精度取决于地震的低频成分，反演的分辨率取决于高频成分，即地震资料的有效频带越宽，反演精度和分辨率越高。

(3)评价地震分辨率的四分之一主波长理论对实际地震资料纵向分辨率的评价是合理的，Wedess准则对地震资料的纵向分辨率进行了过高评价。

(4)对于地质解释来说，预测地质体的精度和对地质体的分辨能力取决于地震资料的有效频带和保真度。

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