基于载波调制的高分辨率地震双向拓频技术及其应用

王 江,涂国田,王 杰

(1.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆163712;2.北京讯科创达科技有限公司,北京100000)

受分辨率限制,常规地震资料可识别储层最小厚度为1/4地震波长,但面对复杂地质条件下精细的构造解释、储层预测和油藏描述,常规地震资料因受分辨率限制已无法满足油气勘探和开发的需求[1-2],尤其是对复杂目标区小断层、小构造和小岩性体等小尺度目标体的勘探、开发目标的精细解释与地质刻画[3]。提高地震资料的分辨率和信噪比已成为解决油气精细勘探开发阶段构造精细解释和储层预测的关键技术[4-6]。

为了提高地震资料的分辨率和信噪比,SCHUST在利用傅里叶级数分析信号隐含的周期特征时提出了“周期图”;之后,SCHUST基于快速傅里叶变换(FFT)算法提出的“直接法”和伯来克曼等提出的“间接法”谱估计一度成为谱估计最流行的方法[7],但本质上都是将原序列经过开窗截取处理来获得对序列谱密度的估计,不论对数据加窗还是对自相关函数加窗,其目的都在于使谱估计的方差减小,然而加窗不可避免地产生频率“泄露”,使功率谱失真,而且对子波旁瓣的抑制会降低谱分辨能力。2006年,徐衍和[8]针对薄煤层预测提出了优化高频拓展技术(HFE),认为地震拓频可在提高地震资料分辨率的同时保持地震数据的原有信噪比。之后,众多国内学者基于松辽盆地、渤海湾盆地和准噶尔盆地的砂泥岩薄互层油气储层预测问题,先后将反褶积[9]、时变谱白化[10-11]、串联反Q滤波[12]以及微测井高频补偿[13]等地震资料处理方法用于地震资料拓频处理,进一步完善和发展了地震拓频处理技术,提高了地震资料分辨率。反褶积是通过压缩基本地震子波以提高地震资料时间分辨率,通常选择2～3个时窗进行统计反褶积以补偿高频损失。时变谱白化从浅至深分时窗定义频带宽度,采用窄带滤波和滤波后幅度归一化来达到谱白化的效果,与反褶积的结果相比,它对振幅谱展平做得更好,但保幅性能差。反Q滤波是按照某种吸收衰减模型设计反滤波因子以补偿大地吸收滤波影响。田钢等[13]基于微测井的地震资料高频补偿利用微测井直达波,采用最佳维纳滤波求取不同厚度低降速带地层的吸收补偿反滤波器来补偿地震数据的高频成分;徐旺林等[14]采用褶积算子将地震资料的低频信息和测井资料的高频信息相融合以达到有效拓展地震资料频带,提高分辨率的目的。可见,无论时变谱白化、HFE,还是测井-地震联合的拓频处理技术都能拓展地震记录频带,但输出的地震数据往往发生不同程度的相位改变、地震子波旁瓣压制效果不佳和地震波组特征不明确。尽管HFE高频拓展不需要已知地震子波,通过子波压缩的方法强调高频端弱信号反射能量增强来提高地震资料频带宽度和分辨率,但也仅是单向高频端拓频。针对上述问题,本文基于最大熵(Max Entropy)谱估计的最小二乘上、下三角阵分解(LS-LUD)算法原理[7],将无线电领域的“载波调制”理念引入到地震资料处理中,通过频率域Butterworth子波“载波调制”来实现地震记录子波旁瓣压制,提出一种在低频和高频两个方向上可实现的双向拓频高分辨率地震资料处理技术,并称之为ButHRS技术。与常规叠前、叠后地震资料处理方法中强调低频压制、高频提升的处理过程不同,ButHRS高分辨率地震双向拓频处理重点是在保幅的前提下,强调增强低频、高频端弱信号地震反射能量和提高薄储层地震响应能力。

1 技术原理

1.1 最大熵谱估计技术

(1)

式中:PM为M阶预测误差滤波器的输出功率;ak(k=1,2,…,M)为模型参数;f为频率;M为预测阶数。

最大熵谱估计的优点如下。

1) 传统的功率谱估计方法是将样本自相关函数乘以某种窗函数,尽管窗函数增加了谱估计的稳定性并减少了谱泄漏,但会限制谱的分辨力。而最大熵谱估计的Burg算法和LS-LUD算法是在外推相关函数过程中既能保证相关函数已知部分不变,又能在新增加外推值之后使概率分布具有最大的熵,因而能提高谱的分辨力。

2) 最大熵谱估计的Burg算法合理的外推和正、反向误差平方和的最小化,相对传统方法提高了分辨率,但Burg算法还保留了Levinson递推形式,因此每次外推不是对所有的回归系数求最小,而只对最末项相关系数求最小。当地震数据信噪比低且所取阶数较高时,Burg算法容易产生“谱峰偏移”(峰值频率估值和真值间的偏离度)和“谱线分裂”(估计谱中出现两个或多个相距很近的谱峰)现象,无法保持地震资料的信噪比、相对振幅关系和时频特性。而LS-LUD是在最小二乘法(LS)基础上采用上、下三角阵分解(LUD)算法求解自适应(AR)谱,由于AR模型的最小二乘解的频率与峰值频率偏移小,在短时窗数据下不受Toeplitz矩阵形式限制的LS方法可以得到更好的结果,所以LS-LUD解决了“谱峰偏移”及“谱线分裂”现象,为后续的提频、保幅高分辨率处理奠定了基础。

3) 应用最大熵谱估计进行地震资料处理,不但在高噪声背景下可以识别有效信号,而且输出信号信噪比较高。当输入信号特征未知时,传统的信号处理方法则很难从强噪声背景中检测出有用信息。

1.2 频率域Butterworth子波谱算子

Butterworth滤波器是1930年英国工程师STEPHEN BUTTERWORTH在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。Butterworth带通滤波器相对于普通带通滤波器具有很多优点,时间域的Bttterworth子波算子可由其频率域振幅谱的反傅里叶变换构建[15-16]。Butterworth传统滤波算子由不同阶数滤波器(如n=1,2,3,…)构建,陡度调整不便。在频率域构建Butterworth低通、高通滤波算子组合成Butterworth带通算子,改进算子计算方法,可任意调节Butterworth带通算子高、低频响应的陡度,构建改进型Butterworth滤波器带宽BT(FL,dBFL,FH,dBFH)(图1),其中,FL代表低频(Hz),dBFL代表低频段倍频程(dB),FH代表高频(Hz),dBFH代表高频段倍频程(dB)。在Butterworth子波谱中,倍频程越大,频率过渡带陡度越大,反之亦然。Butterworth滤波器的优点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦,而在阻频带则逐渐下降为0,在通频带和阻频带内都是频率的单调函数。

图1 不同频带的改进型Butterworth子波谱

图2显示了不同类型子波合成地震记录和实际反射系数[17]。从图2可以看出,采用改进型宽带Butterworth子波制作的理论合成记录与实际反射系数对应关系最吻合,保真度高,其谱算子的脉冲响应平坦光滑,Gibbs效应小,子波旁瓣小、分辨率高。

图2 不同类型子波合成地震记录和实际反射系数

1.3 频率域“载波调制”技术

根据无线电载波信号发射中的调制方法,传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上,这里高频振荡波是指携带信号的运载工具,即载波,将这一理念引申到地震资料处理的谱自适应加权算子计算过程中,将改进型频率域Butterworth带通子波谱的包络线称为载波,而短时窗数据的LS-LUD谱分解得到的振幅包络作为被调制对象,应用调制信号(改进型Butterworth带通子波谱的包络作为目标函数),通过L1模计算方法(稀疏、分段逼近)得到谱调制加权因子,将短时窗数据的LS-LUD谱分解得到的振幅包络向改进型Butterworth带通子波谱的包络形态逼近,得到短时窗地震数据高分辨率谱,其中低频及高频信息的能量调制幅度相对较大,此过程就是使短时窗地震记录的LS-LUD高精度谱整体趋势与Butterworth子波谱包络形态相对保持一致,可形象比喻为LS-LUD高精度谱在Butterworth子波谱包络上“跃动”,从而使短时窗数据的LS-LUD谱分解得到的高精度谱具有Butterworth子波谱的功能,子波旁瓣小、分辨率高,在此基础上反变换得到双向拓频后的地震记录,其分辨率高,有效减少了旁瓣。同时由于最大熵谱估计不但在高噪声背景下可以识别有效信号,输出信号信噪比也较高,而且当输入信号特征未知时,很容易从高频背景中检测出低频信息,所以通过最大熵谱估计的短时窗数据的LS-LUD谱分解不但拓展并保留了低频信息,而且突出了高频弱反射信息,双向拓展了地震频带,提高了地震资料的分辨能力。

由于L1模计算方法通过对局部计算时窗地震数据自相关函数的归一化处理,以及应用高精度的短时窗LS-LUD谱估计算法,使得双向拓频后的各时窗数据能量调整不大,且整体振幅关系保持较好,此过程仅通过双向拓频提高地震记录的分辨率,减少地震子波旁瓣且突出地震记录波组特征,不改变地震记录的相位。

2 应用效果分析

2.1 地质背景

海拉尔盆地为叠置于内蒙—大兴安岭古生代造山带上的中、新生代多旋回沉积,叠合式发育的断-拗型盆地,盆地经过多期建造和改造,断裂发育、构造复杂[18]。乌尔逊断陷位于海拉尔盆地中部断陷带,呈南北向展布,凹陷面积2240km2,油气藏埋深1500～2500m,主要含油气层为大磨拐河组、南屯组和铜钵庙组,储层以扇三角洲前缘砂体为主。断陷湖盆近物源、相带窄、相变快,储层具有低孔、低渗、非均质性强的特点,砂体横向连续性差,纵向储层岩性变化大,造成该区地震资料分辨率较低,砂体的地震响应特征不明显。

乌尔逊断陷北部砂体厚度一般为20～26m、砂岩平均层速度一般为3897～4012m/s,大磨拐河组、南屯组最小调谐频率分别为39～48Hz,38～43Hz,目的层地震资料主频按30Hz计算,乌尔逊凹陷常规三维地震资料可分辨的最小砂层厚度为32.0m,可见常规地震资料分辨率较低,满足不了油气藏储层预测的精度需求。

2.2 理论模型分析

图3a显示了由乌尔逊断陷北部实钻井得到的反射系数序列;图3b显示了由井旁地震道提取的地震子波与反射系数序列褶积得到的理论合成地震记录;图3c显示了对理论合成地震记录进行Butterworth子波谱“载波调制”双向拓频后的合成地震记录。从图3可以看出,拓频后的合成地震记录与反射系数对应关系较好,双向拓频后的理论合成地震记录不但分辨率得到了提高、地震频带得到拓宽,而且基本保持了与反射系数对应的能量关系(图4),完全可以满足识别厚度为20～26m砂体的需求。

图3 由乌尔逊断陷北部实钻井得到的反射系数序列(a)以及拓频处理前(b)、后(c)理论合成地震记录

图4 拓频处理前(黑线)、后(红线)理论合成地震记录频谱对比

根据乌尔逊断陷北部实钻井岩性组合关系和砂、泥岩速度设计水平层状地质模型,并且利用有限差分方法进行水平层状地质模型地震弹性波数值模拟,得到模拟地震记录数据。该模拟地震记录数据包含地层反射不明显的薄储层,且存在由于复杂反射产生的干扰波。通过频率域Butterworth子波谱算子构建、短时窗数据的LS-LUD谱分解得到的振幅包络计算,应用频率域“载波调制”技术得到的短时窗地震数据高分辨率谱算子对模拟地震数据进行拓频处理,将得到的结果与传统时变谱白化拓频技术得到的结果进行对比(图5)。由图5可以看出,传统谱白化算子得到的地震反射界面比较模糊,而ButHRS技术双向拓频处理后的地震反射界面更加清晰,断层附近的地层信息更加精细,地震分辨率明显提高。为了进一步分析两种方法的处理效果,对拓频处理后的地震数据进行频谱分析(图6,图中红色部分代表传统谱白化拓频后的频谱;绿色部分代表双向拓频处理后的频谱)。从图6可以看出,传统谱白化拓频处理后的频带仅为10～35Hz,主频为20Hz左右,而ButHRS技术双向拓频处理后的频带达到了7～70Hz,主频为45Hz左右。

图5 不同方法拓频处理后的模拟地震记录a 传统谱白化算子; b ButHRS双向拓频技术

图6 模拟地震数据拓频处理后的频谱特征

2.3 双向拓频剖面分辨率分析

在实际地震资料处理中,针对乌尔逊断陷北部构造复杂、断裂发育,地震资料分辨率低、砂体地震响应特征不明显的特点,首先在频率域内构造改进型宽带Butterworth子波算子,合理调整低频、低频段倍频程或者高频、高频段倍频程参数来保证足够的频带宽度。在设计滤波器时,如将低频响应设计较陡,有利于地震记录中面波的衰减,将高频响应设计较缓,并且相对于宽带Ricker子波有更宽的通放带,则有利于地震记录的高分辨率处理,其算子的旁瓣更小,处理后的地震剖面保真度更高。通过实验确定频率域Butterworth子波参数为BT(6Hz,12dB,90Hz,12dB)。其次在频率域将短时窗地震记录的LS-LUD谱通过L1模方法(稀疏、分段逼近)“调制”到改进型ButterWorth子波谱包络上,得到短时窗地震数据高分辨率谱,其中低频及高频信息的能量调制幅度相对较大,此过程就是使短时窗地震记录的LS-LUD高精度谱整体趋势与Butterworth子波谱包络形态相对保持一致,可形象比喻为LS-LUD高精度谱在Butterworth子波谱包络上“跃动”,拓宽了地震记录优势频率的带宽,突出了高频弱反射信息,将频率域的Butterworth子波谱“载波调制”因子长度选取为Nyquist频率的1/5,即实际地震记录的短时窗谱稀疏、分段逼近BT子波谱。最后通过快速傅里叶反变换得到拓频后的时间域地震数据。ButHRS技术处理后地震剖面的波组特征及横向一致性更好,处理前、后地震数据的相对振幅关系及振幅能量级别基本保持不变,叠后分辨率提高,同时在保证信噪比条件下,最大程度展宽了地震频带宽度。

图7a和图7b分别给出了采用ButHRS技术对L235进行拓频处理前、后的地震偏移剖面。由图7可见,经拓频处理后地震资料分辨率得到提高,波组特征清楚,构造、断层、断点清晰,层间信息丰富,地层接触关系明确,铜钵庙组储层弱反射特征得到突出。图8给出了采用ButHRS技术对L235进行拓频处理前、后的地震频谱。由图8可见,地震数据主频提高,频带明显展宽(由10～55Hz拓宽到8～95Hz),不但高频端振幅能量增强,频率提高,而且低频端频率也拓展了2～3Hz,很好地保持了原始地震数据的时频特性,提高了地震数据的分辨率。

图7 采用ButHRS技术对L235进行拓频处理前(a)、后(b)的地震偏移剖面

图8 采用ButHRS技术对L235进行拓频处理前(黑线)、后(红线)地震频谱对比

图9和图10分别为采用ButHRS技术进行拓频处理前、后低频段(0～8Hz)和高频段(大于80Hz)频率扫描偏移剖面。由图9和图10可以看出,采用ButHRS技术进行拓频处理后无论低频段还是高频段拓频明显,地震-地质信息更加丰富,低频有助于有效识别地震层序界面,而高频使薄层的地震响应更加突出。

图9 采用ButHRS技术进行拓频处理前(a)、后(b)低频段(0～8Hz)频率扫描偏移剖面

图10 采用ButHRS技术进行拓频处理前(a)、后(b)高频段(大于80Hz)频率扫描偏移剖面

2.4 井震对应关系和波组特征

对乌尔逊北部地区高分辨率地震数据采用ButHRS技术双向拓频处理后的地震剖面与合成地震记录进行对比,合成地震道和地震剖面波组特征清晰,对应关系一致,地震反射同相轴井震对应关系和波组特征吻合,说明经ButHRS拓频处理后的地震剖面保幅、保真。图11为S11井ButHRS拓频处理前、后的合成地震记录标定剖面(从左至右分别为合成地震记录、井旁道和地震剖面),通过标定对比,在常规叠前、叠后偏移资料中与地震合成记录相吻合、波组特征一致的地震反射层位,在ButHRS拓频处理后能够很好地吻合、而且波组特征也能够保持一致。更重要的是,经ButHRS地震拓频处理后分辨出来的薄层地震反射信息与合成地震记录吻合很好,与实际钻井的岩性、电性保持一致的波组对应关系,拓频处理前合成地震记录与地震剖面的相关系数为0.64,而拓频处理后合成地震记录与地震剖面的相关系数为0.87,地震剖面与实际地层的吻合度明显提高。

图11 S11井ButHRS拓频处理前(a)、后(b)的合成地震记录标定剖面

统计乌北地区28口探评井资料,其中主要目的层段南一段有24口井的地震薄层识别能力与钻井符合,符合率达85.7%,较常规地震资料地震识别的符合率提高了14%。有4口钻井不符,主要是由于目的层位于断层处所致,这说明常规地震资料经过ButHRS拓频处理后得到的高频信息真实可靠,完全可以识别不同尺度的地震-地质薄互层储层信息。图12 为S15-55_S17井ButHRS拓频处理前、后的测井曲线-地震对比剖面。S17井在大一段上部1170～1180ms发育一层厚度为5.7m的砂岩储层,在原始偏移剖面上表现为波谷反射,无法识别,经ButHRS拓频处理后该套砂体表现为一明显的中-弱波峰反射,可以对比追踪,说明原始叠后地震资料由于分辨率低,目的层段大一段上部1170～1180ms的薄层砂体尽管在测井曲线上的电性特征有明显的变化,但原始地震数据并没有形成地震反射,经ButHRS地震拓频处理后,由于地震频带拓宽、地震分辨率提高,这一现象得到较大的改善,说明ButHRS拓频处理得到的高频信息可以真实反映地质信息。

从图12也可以看到,S17井在大一段下部(图中红色箭头所指)发育两套砂岩,由于原始资料频带较窄、分辨率较低,两套地层的地震反射波互相干涉,在原始偏移剖面上地震反射特征表现为较大的复波谷反射,在钻井上为砂体与上、下围岩的复合响应,而且大一段底界地震反射(T22地震反射层)表现为复波峰特点;经ButHRS拓频处理后这两套砂岩表现为两个较强的波峰,复波得到分解,T22地震反射层表现为波峰反射,横向可连续追踪,ButHRS拓频处理后新增同相轴与测井、钻井岩性一一对应,为分析大一段下部和南屯组砂岩储层和砂体刻画提供了依据,满足精细构造解释和精细储层预测的精度需求。

图12 ButHRS拓频处理前(a)、后(b)的测井-地震对比剖面

2.5 地质效果分析

在铜钵庙—南屯组沉积时期,乌尔逊断陷东部受北东向控陷断层-铜钵庙断层控制,深湖-半深湖沉积背景下在铜钵庙断层下盘发育一系列扇三角洲前缘砂体,与早期控陷断层及次生断层相配合可形成构造-岩性、岩性油气藏[19],但该区原始地震资料分辨率较低,砂体的地震响应特征不明显。叠后、叠前时间偏移资料都无法确定砂体边界及岩性体之间的关系,见图13a。

图13 铜钵庙断裂带南一段3砂组ButHRS拓频处理前(a)、后(b)振幅属性

为了准确刻画铜钵庙断裂带有利含油砂体展布特征,应用ButHRS技术对地震资料进行拓频处理,根据含油储层厚度、位置及层速度,在等时地震-地层格架约束下对大一段、南一段3砂组、南二段1砂组的出油层位上、下30ms选取时窗,由线到面提取敏感地震属性。图13b为采用ButHRS技术拓频处理后乌北铜钵庙断裂带南一段3砂组局部振幅属性图。通过强振幅属性与钻井砂岩一致性对比关系,区域内28口探评井中14口在南一段3砂组钻遇砂岩储层,表现为强振幅,而其余14口在南一段3砂组砂岩储层不发育,均表现为弱振幅反射,地震定性预测结果与钻井符合率为100%。

由于原始地震资料受分辨率影响,采用地震反射的振幅属性预测和确定的扇三角洲前缘砂体和湖底扇砂体的展布规律以及相带边界不清,砂体边界模糊。而采用ButHRS拓频处理后的地震数据分辨率明显提高,所反映出来的地震属性更精细、地震-地质信息更丰富,因此可更精细地反映地震属性的异常变化和地下不同尺度地质体的横向和纵向变化。

通过对拓频数据体地震属性精细解释认为:在乌尔逊断陷铜钵庙断裂下降盘发育扇三角洲前缘砂岩储集体,中部发育湖底扇砂岩储集体,砂岩储层发育,是有利的构造-岩性、岩性油藏的发育区。在三维地震拓频数据振幅属性切片上,扇三角洲前缘砂岩储集体和湖底扇砂岩储集体均表现为明显的中-强振幅、低频高连续的特征,认为乌北铜钵庙构造带受东部物源控制,发育扇三角洲—湖底扇—半深湖、深湖沉积体系。经过ButHRS拓频处理解释,在铜钵庙构造带大一段、南一段3砂组、南二段1砂组和铜钵庙组共识别有利岩性体9个,面积49.4km2,已钻井7个,均钻遇预测储层,钻井实际与预测相符,其中在6个砂体中获工业油流,在1个砂体中获得低产油流,其中S46井在大磨拐河组一段、南屯组和铜钵庙组分别获得4.81,11.68,9.6t/d的高产工业油流。

3 结论

1) ButHRS拓频处理后地震剖面的波组特征及横向一致性更好,处理前、后地震数据的相对振幅关系基本保持不变。在保证主频有更大带宽的同时,不降低地震数据的信噪比。

2) ButHRS拓频技术可在低频、高频双向拓展地震记录优势频率带宽,有效减少旁瓣,突出低频、高频弱反射信息,提高地震记录分辨率。不但可应用于叠前、叠后地震资料提高分辨率的双向拓频处理,而且其提频时对原始地震资料信噪比要求没有反褶积严格,对于低信噪比地震资料可以通过合理的多时窗BT子波谱参数调整,降低高频噪声的影响。本算法要求叠前预处理过程尽可能保留更多有效的低频及高频信息。

3) 通过设计低频、低频段倍频程、高频、高频段倍频程参数及BT谱“载波调制”因子长度,在频率域构造改进型宽带Butterworth子波算子,可在频率域调节子波谱形态。设计较陡的滤波器低频响应有利于地震面波衰减,高频响应较缓,压制部分高频噪声的同时,又有较大的带宽,更有利于地震高分辨率处理,其算子的旁瓣更小,保真度更高。对于复杂断裂发育区ButHRS处理参数低频、低频段倍频程应尽可能小,可适当减少带宽,以不降低低频断面波能量为原则。

4) 采用ButHRS拓频处理技术,乌北三维地震数据频带拓宽了40Hz(由10～55Hz拓宽到8～95Hz),ButHRS双向拓频处理后地震资料反映的地震-地质信息丰富、层间反射波细节明确,断层、断点清楚,不同尺度的地质体横向和纵向识别能力增强。以拓频处理后的地震资料为基础,经过精细地震层位追踪和属性预测可以精细刻画砂体,识别有利储层,适用于复杂断陷复杂目标区中构造-岩性以及岩性等各种隐蔽性油气藏的勘探和开发。