五维规则化技术在溱潼断阶带地震资料处理中的应用

刘田田

(中国石化华东油气分公司勘探开发研究院， 江苏 南京 210000)

0 引 言

苏北盆地溱潼凹陷断阶带因距油源近、目的层埋藏浅、储层物性好、油井产量高的优势而成为有利含油区，区内已发现多个油田，且大多有着40多年的勘探历史，目前已动用的储量产能递减。但是，根据对溱潼凹陷的研究，该断阶带区域剩余资源丰富，有进一步滚动勘探和综合调整的潜力。断阶带受多期次构造活动的影响，地层破碎、断裂系统发育、断层倾角大、地震成像效果差，圈闭难以落实。

溱潼断阶带历经4次三维地震采集，已实现全三维覆盖，4次三维采集时间间隔长、采集参数差异大，导致工区间地震资料的覆盖次数、偏移距和方位角等属性不同；地表条件复杂多变，村庄、城镇、鱼塘、道路、工业区等分布密集，使得炮点和检波点位置不能按采集工程设计的规则网格进行布设，导致所获地震资料采样不均匀，在地震资料处理时存在较严重的空间假频、采集“脚印”、速度模型精度低、偏移画弧等问题。

由于该区人口密集、高度城镇化，难以再次实施高质量的三维地震采集，因此，加强处理方法研究，改善旧资料成像效果，是现实可行的地震勘探方案。随着区内勘探的不断深入，勘探目标越来越复杂，对地震资料的保真成像要求越来越高，上述由于地震采集所造成的问题较难通过常规方法处理解决。

针对溱潼断阶带地震资料特点，采用基于匹配追踪傅里叶变换的五维数据规则化技术(Matching Pusuit Fourier Interpolation，简称 MPFI)，对区内地震数据进行规则化和插值处理，有效改善了地震资料的成像效果。

1 五维规则化技术

叠前数据规则化技术可基于已有的地震资料进行重构计算得到缺失的地下反射信息，在一定程度上解决因观测系统的不规则性而造成的成像精度问题。通常，完整地描述三维数据至少需要5个维度，包括主测线(inline)、联络测线(crossline)、炮检距(offset)、方位角(azimuth)和时间(time)，但早期的数据规则化方法只能对三维(主测线、联络测线和时间)进行插值运算。经大量研究，该技术从三维逐步发展到五维，五维规则化技术同时考虑了上述5个维度的信息，可以更好地保持地震数据的保真度(辛可锋等，2002；潘凡露，2016；王伟等，2017)。

对于保真处理，需要在偏移前进行数据规则化和插值处理。基于匹配追踪傅里叶变换的五维规则化技术是目前广泛应用于地震资料处理的先进技术之一。匹配追踪算法基于压缩感知和稀疏表示理论，主要应用于时频变换。压缩感知理论的前提是数据可以稀疏表示，其核心思想是数据的压缩和采样合并同时进行；稀疏表示理论的基本思想是为规则采样的带限信号设计一个合理的滤波器进行滤波处理，由较少的数据重建出满足一定精度的原始信号(高建军等，2011；李敏杰，2012；潘凡露，2016；段文胜等，2017；齐鹏等，2018；印兴耀等，2018)。虽然地震数据在t-x域不具备稀疏性，但经过傅里叶变换后，在f-k域的地震数据满足稀疏表示的要求，因此可通过匹配追踪与傅里叶变换相结合的方法来实现地震数据的重构，即匹配追踪傅里叶变换法数据规则化技术，从而在一定程度上恢复具有一定精度的地震信号。与其他方法相比，匹配追踪傅里叶变换法具有反假频和防频谱泄漏的优点，保真性更好，且由于其算法易实现维度扩充，因此可充分利用地震数据5个维度的信息对地震数据进行重构，在考虑主测线、联络测线、时间3个维度的基础上，同时考虑炮检距和方位角信息，实现了不同面元内炮检距和方位角的规则分布，从而在一定程度上解决由于野外采集观测系统不规则性所导致的成像问题(霍志周等，2013；梁东辉，2015；谢俊法，2016；徐兴荣等，2019)。

该方法的基本实现思路是(梁东辉，2015；凌越等，2019)：① 对数据进行离散傅立叶变换；② 选取最大能量的傅立叶谱成分；③ 将该傅立叶谱成分加入“估算谱”；④ 对该傅立叶谱成分进行反傅立叶变换，并按照输入位置输出迭代结果；⑤ 从原始输入数据中减去该次迭代结果，进行下一次迭代；⑥ 通过反傅立叶变换将最终“估算谱”输出到期望位置。

2 应用效果分析

2.1 地震资料特点及前处理

溱潼断阶带地区有SD、CS、ZZ、QP共4块三维地震研究区，这4块资料的采集实施年限前后跨越8年，通过研究区野外采集观测系统情况(表1)、炮检点分布(图1)和覆盖次数(图2)的综合分析可知，4块三维地震研究区之间有重叠，可以实现数据拼接，但各个研究区间采集参数差异大(拼接处理面元为20 m×20 m)。

表1 四块三维工区野外采集观测系统表

图2 断阶带地区三维地震覆盖次数图Fig. 2 Three-dimensional seismic coverage degreediagram of step-fault area

(1) ZZ、SD、CS这3块研究区三维采集方位角为150°，QP区三维采集方位角为55°，采集方位角差异大。

(2) 采集面元有20 m×20 m、25 m×25 m、25 m×50 m及10 m×10 m 4种，其中ZZ区内常规面元为20 m×20 m，部分位置加密为10 m×10 m。

(3) 覆盖次数差异大，从45次至320次不等，在ZZ加密区内覆盖次数普遍为240次以上，在ZZ与SD重叠处覆盖次数甚至达到320次以上，与其他区相比差异很大。

(4) 接收道数、道距、接收线距、炮点距、炮线距、最小偏移距及最大偏移距等都存在巨大差异，且由于研究区内存在严重的炮点空间分布不规则问题，导致偏移距分布严重不均匀。

(5) 由于统一采用20 m×20 m面元，致使部分剖面上出现较大的缺口或空道现象(图3)。使用这样的不规则数据进行叠前偏移处理，容易产生偏移画弧，严重影响地震资料的信噪比和剖面成像精度，难以满足现阶段精细勘探的需求。

图3 原始叠加剖面Fig. 3 Original stacked section

此外，由于区内地震资料采集过程中激发、接收因素差异大，导致地震数据的静校正问题、噪音、相位、时差、能量及频率等都存在差异，在进行数据规则化之前，通过针对性的静校正、噪音压制、相位匹配、能量一致性、频率一致性等方法，解决该区4块三维地震资料连片处理过程中存在的差异，使各区块间的波组特征趋于一致，实现无缝拼接，为后续的五维规则化及叠前偏移处理打好基础(王兆旗等，2014)。

2.2 方法及应用分析

在实际地震资料处理过程中，基于匹配追踪傅里叶变换的五维数据规则化方法的步骤如下。

(1)根据实际地震数据观测系统及处理任务，设计规则观测系统并准备道头。

(2)准备CMP道集数据：对CMP道集数据进行动校正、基准面校正及道头计算。

(3)进行五维数据规则化参数优选及数据体规则化。

(4)对规则化后地震记录进行反动校正和基准面校正。

2.2.1 五维规则化观测系统设计 分析溱潼断阶带地区4块三维地震采集方案发现，ZZ和SD区块采集参数差异较小，地震资料丰富，基于原地震数据，五维数据规则化观测系统设计为12线18炮2352道接收、方位角150°、道距40 m、接收线距240 m、炮点距40 m、炮线距280 m、最大偏移距为3 910 m、满覆盖次数84次、面元20 m×20 m，观测系统及其覆盖次数分析见图4，其炮检点分布均匀，覆盖次数一致。

分别对比各观测系统与五维规则化观测系统(图5)，在ZZ三维未加密区域和SD三维地区的新老观测系统中，炮点、检波点的位置吻合度较高，CS和QP三维的观测系统差别较大。

图5 设计五维规则化观测系统与原观测系统对比图(局部)(红点：设计观测系统炮点，黄点：设计观测系统检波点；粉点：原观测系统炮点，绿点：原观测系统检波点)Fig. 5 Comparison between the designed five-dimensional regular observation system and the original observation system (partial)(a) ZZ study area; (b) SD study area; (c) CS study area; (d) QP study area

在基于匹配追踪傅里叶变换的五维数据规则化方法的应用过程中，5个维度对地震数据的规则化均有影响，但其偏移距和方位角在确定观测系统时即已确定，因此影响较大的参数有时间窗口、主测线窗口和联络测线窗口。通常，地震资料在时间上均为均匀采样，因此时间窗口虽然影响较大，但一般根据原地震数据情况指定；主测线与联络测线方向的窗口分别定义了沿主测线方向和联络测线方向上炮检点距离，影响数据重构过程中所涉及的地震数据的数量，因此对重构后道集质量、成像效果及计算时间影响很大。优化后最终采用参数为时间窗口2 ms，主测线与联络测线窗口21道×21道。

2.2.2 五维规则化应用效果分析 (1)道集对比分析。4个区五维数据规则化前后不同位置处CMP道集对比图(图6)显示，规则化处理后CMP道集的偏移距分布更规则，不同区块之间的道集道数差别不大。① 在覆盖次数较高、网格一致的地区(SD、ZZ的正常采集)，道集的道数变化不大，实现了地震数据的规则化，且规则化后的CMP道集中，近、中、远偏移距上信噪比均更高，同相轴更连续；② 在覆盖次数超过设计观测系统覆盖次数的地区(ZZ加密区)，道数由200余道减少为84道，在规则化的基础上对原数据进行抽稀；③ 在覆盖次数较少、采集面元与处理面元差异较大的地区(QP、CS区)，通过五维规则化技术构建出新道集，增加道集数据，实现地震数据的插值与重构，使该区地震数据覆盖次数趋于一致，其规则化后的CMP道集内近、中、远偏移距波组产生差异，尤其在远偏移距差异明显，这主要是因为原地震数据采集偏移距比五维规则化设计观测系统短，因此在数据重构过程中借用了其他区地震波场进行重构。

图6 五维规则化处理前、后CMP道集对比Fig. 6 Comparison of CMP gather before and after five-dimensional regularization(a1) original gather in SD study area; (a2) gather after regularization in SD study area; (b1) original gather in CS study area; (b2) gather after regularization in CS study area; (c1) original gather in QP study area; (c2) gather after regularization in QP study area; (d1) original gather in ZZ study area; (d2) gather after regularization in ZZ study area; (e1) original gather in ZZ intensive study area; (e2) gather after regularization in ZZ intensive study area

规则化处理后的道集信噪比明显提高，尤其在原信噪比较低的位置，其道集信噪比明显提高，这对提高叠前偏移速度模型的精度非常有利。

(2)叠前速度建模分析。应用五维规则化后的数据体进行叠前速度建模，分析CRP道集无维规则化前后的对比图(图7)可见，五维规则化数据的道集信噪比更高，更有利于层析速度建模时对种子点、剩余曲率等自动拾取参数进行拾取，对提高速度模型精度具有重要作用。

图7 五维规则化前(a)、后(b)CRP道集对比(inline 2510，xline 2130)Fig. 7 Comparison of CRP gathers (inline 2510, xine 2130) before (a) and after (b) five-dimensional regularization

(3)剖面成像效果对比分析。对比五维规则化处理前后的叠加剖面可知(图3、图8)，该方法可有效重构缺失的地震道，剖面信噪比更高，地震属性更均匀，叠加剖面上能量一致性较好，信噪比由2.1提高到4.0，波组连续性明显提高。

图8 五维规则化后叠加剖面(对比图3原始叠加剖面)Fig. 8 Stacked section after five-dimensional regularization (compared with the original stacked section in Fig. 3)

将未规则化数据与五维规则化后的数据的叠前偏移剖面进行对比(图9为主测线方向测线对比分析，图10为联络测线方向测线对比分析)，可见在规则化后的叠前偏移剖面上，画弧现象明显减少，剖面成像效果显著增强，断面成像更清晰；同时，由五维规则化前后的叠前偏移地震数据体的相干切片对比(图11)可见，解决了规则化前由于炮检点分布不均匀所造成的采集“脚印”问题，断裂走向特征更清晰，降低了断层组合的多解性，更有利于构造解释，对于正确认识断阶带地区的构造具有重要意义。

图9 未规则化数据(a)与规则化后数据(b)的叠前深度偏移剖面对比图(inline 2080)Fig. 9 Comparison of pre-stack depth migration section before (a) and after (b) regularization (inline 2080)

图10 未规则化数据(a)与规则化后数据(b)的叠前深度偏移剖面对比图(xline 2180)Fig. 10 Comparison of pre-stack depth migration section before (a) and after (b) regularization (xline 2180)

图11 五维规则化前(a)、后(b)叠前偏移数据体相干切片对比图(t=1 768 ms)Fig. 11 Comparison of coherence slices of pre-stack migration data volume before (a) and after (b) five-dimensional regularization (t=1 768 ms)

在地震采集资料较丰富的地区，采用五维规则化技术处理后的剖面信噪比较高，成像效果较好，但对于原地震采集资料较少的区块(如QP区)，资料少、覆盖次数较低、采集网格大(20 m×50 m)、空炮范围大，虽经规则化后插值得到原空道区域数据，但成像效果差，混波现象严重，可靠性需进行验证(图12)，经解释分析后认为红色框内数据仍不可靠，因此在最终数据中将其切除。

图12 叠前偏移剖面(inline 2420)Fig. 12 Pre-stack migration section (inline 2420)(a) before five-dimensional regularization; (b) after five-dimensional regularization; (c) profile partially cut off after five-dimensional regularization

3 结 论

基于匹配追踪傅里叶变换的五维数据规则化方法在溱潼断阶带三维地震资料处理中取得了较好的效果,得出以下结论。

(1)该方法可有效消除溱潼断阶带地区因野外采集观测系统不规则所造成的覆盖次数、方位角等属性不均匀问题，以及由于多期次三维连片处理方位角、面元与采集设计方位角、面元不一致所导致的道集缺失问题，提高了地震数据空间采样的均匀性、地震资料的信噪比及成像质量，较好地满足了叠前偏移对地震数据的要求。

(2)在地震资料丰富的地区，数据规则化后的成像效果较好，但在地震资料较少或网格密度不够的地区，规则化数据容易出现混波现象，重构后地震数据的可靠性需进行验证。

(3)规则化后的地震道集信噪比高，有利于提高模型精度，进而提高断阶带地区地震资料的构造成像效果，对正确认识溱潼断阶带等地震资料严重不规则地区的构造特征具有重要意义。