频谱恢复高分辨处理技术在薄层识别研究中的应用

李鹏飞, 肖又军, 成 锁, 郑多明, 冯 磊,肖 文, 袁 源, 赵光亮, 陈 强

(中国石油 塔里木油田分公司 勘探开发研究院，库尔勒 841000)

0 引言

根据井下小层对比分析，轮南地区TII0砂体具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、横向不连续的特点，目前地震资料远达不到对本区TII0小层砂体识别精度要求。为了开展轮南中平台地区的TII0小层的整体评价，亟需开展提高分辨处理的技术攻关。提高地震资料分辨率,一直是地震资料数字处理工作者的追求目标。高分辨率地震资料数据处理的关键环节就是压缩地震子波，或者去除地震波在地下传播过程中干涉、调谐等效应对地下地层的影响，拓宽有效地震信号的频带范围，特别是较为准确地拓宽高频成分。薄层的识别和厚度估计是当前地震石油勘探领域的主要研究方向，最早由Widess等[1]开始研究薄储层，其客观评价了薄层反射系数振幅与地层厚度的关系，并且定义了子波波长的八分之一是薄储层的极限分辨率;李庆忠[2-3]深入研究分析了薄层的振幅谱和频率谱，同时指出影响地震信号响应的因素众多;苏盛甫[4-5]将薄层定义为小于四分之一子波波长的地层，同时给定了计算方法;张玉芬等[6]提出层数是最影响反射系数振幅特征的因素;窦易升[7]指出用振幅谱平方比法对薄层厚度进行定量分析;汪恩华[8]深入研究并推导出了任意入射角、入射条件下多个薄层反射系数谱，进一步获得在薄层条件下不同频率成分的纵波反射系数谱的数学关系;黄绪德等[9]提出了薄层的频域信息会随薄层厚度的变化而变化，并进行了理论模型和实际数据测试;Castagna[10]等对谱反演原理做出了详尽的解释，基于 Widess楔形模型理论，将反射系数序列分解成奇分量和偶分量，并提出了一种新的谱反演计算方法；Castagna[11-12]提出了频谱恢复稀疏层反射系数反演技术, 使地震分辨率突破了传统地震分辨率，地震分辨率可达到1/8λ～1/16λ；张繁昌等[13]对稀疏反射系数频率域正余弦分量协同反演方法开展研究。

经过近30年的发展，各种提高分辨率的技术方法都得到了不同程度地应用，但众多提高分辨率技术都是利用各类数学变换与组合局限于在地震数据的截止带宽内开展高频增强研究[12]。大多高分辨率结果仅仅是数学算法的变换，简单的对原始地震信号中的高频组份进行加强，且多数提高分辨率处理技术只注重高频能量的提升，往往忽视低频能量地保持，虽然得到视分辨率很高的地震剖面，但由于低频能量的损伤或者相对降低，破坏了地震信息的空间连续性，不利于属性提取和储层反演。基于时频谱的频率恢复方法由于其拓频能力强，处理结果能较好保持低频能量趋势，保幅性好，是近几年高分辨处理研究的热点。其最大优势是利用地震信号中信噪比最高的主频部分预测高频成份，而非简单的对原始地震信号中的高频组份进行加强，从而避免了高频噪音对薄层信息的压制与干扰[19]。

1 频谱恢复高分辨处理方法原理

频谱恢复高分辨率处理方法属于谱反演的一种，谱反演的原理就是根据时间域褶积模型，从地震记录中去除地震子波的影响，进而得到反射系数序列。在时间域内一个脉冲对的表达为式(1)(图1)。

g(t)=r1δ(t-t1)+r2δ(t-t1-T)

(1)

其中：r1为层顶部反射系数；r2为层底部反射系数；t为时间位置；t1为顶部反射的时间位置；T为层厚度。

将分析点放在层的中心点位置，进行傅立叶变换后，用三角法则进行化简约去t，得到式(2)。

g(f)=2recos( πfT)+2rosin( πfT)

(2)

基于褶积原理，s(t,f)是地震数据，w(t,f)是已知的子波。

iro(t)sin [πfT(t)]}dt

(3)

最后整理得到单层目标函数为式(4)。

(4)

图1 两层反射率模型Fig.1 Two-layer reflectivity model

目标函数中，S(t,f)/W(t,f)可以认为是反褶积过程，在这里我们假设子波是已知。在求解过程中子波的正确与否将很大程度上影响反演的结果，因此子波的提取是一个非常重要且严谨的过程，要尽可能的使用接近真实地层的子波。对于厚度T,在反射系数中可以理解为第一层到最后一层的距离，第二层到倒数第二层的距离，依次类推，在信号的奇偶分解中可以认为是进行奇偶分解的信号对之间的距离。

图2 频谱恢复高分辨率处理技术原理示意图Fig.2 Schematic diagram of high resolution processing technology for spectrum restoration

图3 频谱恢复高分辨率处理技术流程Fig.3 Spectrum recovery high resolution processing technology flow

美国著名地球物理学家Castagna[19]团队在常规谱反演理论基础上，基于全新、开创性的地震信号理论研发了频谱恢复高分辨率处理技术。地层单元顶底面对应的时间域脉冲信号变换到频率域后，在频域其反射系数谱具有一定周期性，振荡周期是地层厚度的确定性函数，在地震信号品质最好的主频段内包含有薄层的反射系数谱的信息，利用这一性质可以对薄层反射记录进行同步耦合寻优拟合，求得薄层厚度和反射系数，从而使地震资料分辨率得到提高。该方法重点是在求解过程中开展频谱分解，笔者采用约束最小二乘频谱分析法实现频谱分解[20]，依此来获取局部频谱信息，最终用全局寻优的稀疏层法反演获得反射系数，这也是与传统根据稀疏脉冲反演计算初始反射系数方法反演出高频成分所不同的地方，使用稀疏层法反演获得反射系数后，再逐道计算预测原始数据的高频成份，最后回加最佳子波，最终产生二倍于原始地震资料或更高倍的高分辨率地震数据体(图2)，具体技术流程见图3。影响该技术的关键因素主要有：①原始地震资料提高信噪比处理,防止提频过程中放大噪声；②从地震数据中去除子波，提取计算反射系数的奇部和偶部；③根据稀疏层反演计算初始反射系数的方法，反演出高频成分；④高频成分与奇部、偶部反射系数，由权重函数控制，组合出完整的宽频反射系数体。对于高分辨处理拓频能力，主要取决于地震资料本身的品质特征。适合频谱恢复高分辨处理的地震数据体①需要具备高信噪比，以免提频过程中放大噪声，造成假象；②原始资料中低频段信号足够丰富，及低频够低，低频能量够高，有效频宽够宽。

2 地质及开发概况

轮南油田三叠系是湖泊—辫状河三角洲(前缘-平原)沉积体系，存在多期旋回，分析认为TII0目的层为一套离岸的滨浅湖滩砂。2017年在平台针对新发现的TII0小层LA32x井测试获得工业油气流。TII0小层位于TII油组之上，厚度一般在1 m～3 m之间，最厚为5.5 m与TII之间泥岩隔层稳定(泥岩厚度约3 m～8 m)，根据井下小层对比分析，轮南地区TII0砂体具有超埋深,超薄(1 m～5 m)、砂体横向连通性差、侧向尖灭的特点。储层方面岩性以细砂岩为主，孔隙以粒间孔和粒间溶孔为主，储层物性好，平均孔隙度为21%，平均渗透率为221.5 md。油藏类型为受构造和岩性双重控制的构造岩性油藏，油层电性呈低电阻油藏特征。针对TII0小层现开井9口，日产油164 t，累油为19.1×105t，采出程度为10%，因此对于科研工作者来说如何精细识别薄砂体问题一直是挖掘TII0薄油层巨大开发潜力永恒的追求。

目前新处理地震资料有效频带为5 Hz～60 Hz，主频为31 Hz，根据四分之一波长计算，本套资料可识别砂体厚度为33 m，远达不到本区TII0小层砂体识别精度要求。为了开展轮南中平台地区的TII0小层的整体评价，亟需开展提高分辨处理的技术攻关。

3 高分辨处理效果分析

3.1 方法验证

结合实际为了验证该方法技术的适用性，笔者根据实际地下地质情况构建相应的地质模型，并开展二维地震正演模拟研究，以正演模拟结果为基础开展对上述方法的验证。结合实际地震、地质资料构建了塔里木盆地碎屑岩薄砂层油藏典型模型，采用波动方程开展正演，利用专业处理软件对正演道集进行偏移、叠加，得到正演模拟叠后数据(图4(a))，图4(a)中蓝色虚线框内即为构建的薄砂层，从剖面上无法解释识别薄砂体。对二维正演地震数据进行伪三维处理，最终在该数据上开展频谱恢复高分辨率处理，在检测结果上进行90° 相位旋转，其结果如图4(b)，从图中蓝色虚线框内可以看出薄砂层得到较好地识别，并可连续追踪，与正演模型吻合度高。以上研究反应了该方法对于薄砂层的识别具有较好的应用效果，对于实际地震资料具有一定推广应用价值。

图4 理论模型正演与拓频处理地震剖面展示Fig.4 Theoretical model forward modeling and frequency extension processing seismic profile display(a)原始地震资料剖面;(b)拓频资料转90°剖面

3.2 薄层反射特征正演分析

从井震结合标定情况来看，TI油组顶界为波谷反射， TⅢ顶界为波峰反射，这两套层位相对稳定连续，但内部TII界面不稳定，TII0砂体响应不清楚(图5),图5中蓝色曲线为GR曲线。

图5 轮南-中平台近东西向地震剖面Fig.5 Near EW trending seismic profile of Lunnan - Zhong platform

在高分辨处理前，首先需要明确在理论上TII0砂体的地震响应特征以及识别TII0砂体的地震资料频宽需求，为此需要开展已钻井变子波正演分析。研究区LA32x井 TII0小层钻遇砂岩厚度为5.5 m，为已钻井最厚砂体，选择该井作为正演样本。正演结果表明，当地震子波有效频带为5 Hz～60 Hz,TII0砂体位于一套强波峰底部，砂体无响应。当子波有效频带为5 Hz～80 Hz，TII0砂体所在的波峰能量减弱，波形变宽，但砂体界面无响应。当子波频率为5 Hz～90 Hz，这套波峰变为“复波”反射，砂体位于复波下部，砂体有响应但砂体顶界面不清晰。当子波频率为5 Hz～100 Hz，这套强波峰变为两峰一谷，TII0砂体表现为下部弱波峰反射。当地震子波频宽进一步增加，这套两峰一谷的地震反射特征不再变化(图6)。因此对于LA32x井TII0砂体识别，需要地震资料的有效频率为5 Hz～100 Hz。变子波正演结果明确了TII0砂体地震反射特征，为高分辨处理提供了依据。

图6 LA32X井变子波正演Fig.6 Forward wavelet modeling of well LA32X

3.3 高分辨率处理

正演结果表明识别TII0砂体所需资料有效频带需达到5 Hz～100 Hz，但对于高分辨处理拓频能力，主要取决于地震资料本身的品质特征。理论上适合高分辨处理的地震数据体一般需具备以下两个条件：①需要具备高信噪比，以免提频过程中放大噪声造成假象；②需要原始资料中低频段信号足够丰富，低频够低，低频能量够高，有效频宽够宽。

本次研究采用的地震资料信噪比较高，有效频率为5 Hz～60 Hz。从频谱特征看，低频段信号丰富，而在高频段40 Hz以上能量急剧衰减，60 Hz以上能量不再发生变化。从信噪比和频谱特征来看，该套资料适合于高分辨处理(图7(a))。根据原始地震资料LA32x井标定结果，TII0砂体位于一套波峰反射下沿，砂体无响应。从高分辨处理后数据频谱特征看，处理后数据低频保持不动，最大有效频率由60 Hz提高至100 Hz，高频有效拓展。从地震反射特征来看，TI底界强波峰反射经高分辨处理后变为三峰夹两谷反射，根据标定结果，TII0砂体在高分辨数据表现为弱波峰反射，砂体顶界面较为清晰，高分辨处理数据有效解决砂体识别问题(图7(b))。

图7 过LA3-3-10X-LA302X井高分辨处理前后地震剖面Fig.7 Seismic profile before and after high resolution treatment of well LA3-3-10X-LA302X(a)原始剖面;(b)高分辨率剖面

3.4 质量控制

高分辨率地震资料后数据体除了薄层标定之外，可为后续开展地震属性分析和反演研究提供基础数据，这就要求高分辨处理数据需要相对保真保幅，因此对高分辨处理结果开展质量控制至关重要。本次研究从以下三个方面对资料的可靠性和有效性开展验证。

1)井震标定一致性方面。处理结果与钻井数据有可对比性，通过钻井数据标定，井震吻合。原始数据标定较好的几个强界面高分辨处理后井震标定依然能有效保持(图8黄色箭头)。受分辨率影响原始数据标定不好的界面，经过高分辨处理后标定结果有效改善，相关系数由0.65提高至0.76(图8红色箭头)，因此高分辨处理数据对薄层界面刻画精度更高，井震标定一致性更好，处理结果可靠。

图8 过LA32X井高分辨处理前后井震标定Fig.8 Well seismic calibration before and after high resolution treatment of LA32X well

2)振幅属性保持性。属性分析及储层反演均要求地震资料相对保真保幅，这就要求处理结果不能破坏原始地震资料中反射能量的分布特征和变化规律。从处理前、后纵横向瞬时振幅质控来看，处理前、后变化基本一致，整体表现为两套强振幅夹一套弱振幅的地震响应特征。高分辨处理后，分辨率更高，细节更为丰富，有利于薄层识别，和原始数据瞬时振幅属性对，无论横向还是纵向，相对能量强弱关系保持一致，表明处理结果相对保幅(图9)。

图9 高分辨处理前后剖面瞬时振幅对比Fig.9 Comparison of instantaneous amplitudes in profile before and after high resolution treatment(a)原始瞬时振幅;(b)高分辨率瞬时振幅

3)低频可恢复性。参考文献[2]指出不同的频率成分有不同的用处，强调了不能忽视低频能量对地震资料分辨率的作用。因此真正的高分辨率处理结果高频能够得到提高，低频部分也必须能够保持，这样才是真正拓宽了地震资料的有效频带。以此为原则，根据目的层的频谱特征，以原始资料的有效频宽为基础，按照两个频段(0 Hz～60 Hz中低频分量、60 Hz～100 Hz高频分量)分别进行扫描。其中0 Hz～60 Hz处理前后频谱除40 Hz以上能量增强外，整体形态基本一致，从剖面的纵横向相位、振幅相对变化关系来看二者趋于一致，表明高分辨处理结果低频可恢复(图10)。60 Hz～100 Hz频谱特征差异较大，原始数据高频段能量弱，噪声为主，处理后频谱拓宽，高频能量提高，且同相轴纵横向变化特征与低频段接近，表明高频拓展结果有效。

图10 过LA32X井高分辨处理前后低频段剖面对比Fig.10 Comparison of low-frequency profiles before and after high-resolution treatment of well LA32X(a)原始低频(0 Hz～60 Hz);(b)高分辨率低频(0 Hz～60 Hz)

3.5 薄层解释

从高分辨处理结果以及质量控制结果来看，本次高分辨处理结果在相对保幅保真(图11)，结果可靠的同时，能较好解决TII0小层在地震剖面上识别问题。根据测井解释结果，结合连井TII0砂体小层对比，利用高分辨处理数据开展TII0砂体解释。TII0砂体整体表现为TI底界下部强波峰反射之下的弱波峰反射，在高分辨处理数据体上可追踪识别，高分辨地震剖面表现出的砂体尖灭特征基本与实钻井上TII0砂体不发育认识相符。根据井震标定及已钻井解释结果，高分辨处理结果对本区14口后验井TII0砂体的识别精度达85%，从一定程度运用频谱恢复高分辨率处理技术解决了本区TII0薄层识别问题。

图11 高分辨处理前后平面瞬时振幅对比Fig.11 Comparison of plane instantaneous amplitudes before and after high resolution treatment(a)原始瞬时振幅;(b)高分辨率瞬时振幅

4 结论

针对轮南地区TII0砂体具有超薄，横向变化快，分布不稳定的地质特点，以及地震资料分辨率低，TII0砂体地震响应特征不清晰的预测难点。本次研究采用频谱恢复高分辨处理方法，有效解决了TII0砂体解释难点，主要得到以下几点认识。

1)根据研究地质目标，结合地震资料品质，确定本次地震资料高分辨率处理有效频带可拓宽至5 Hz～100 Hz，处理后分辨率有效提高，在显著拓展高频的同时较好保持了低频特征，有效保持信噪比。

2)高分辨标定结果表明，TII0薄砂体在高分辨地震数据上表现为弱波峰反射，高分辨处理结果对本区14口后验井TII0砂体的识别精度达到85%，有效解决了TII0砂体地震剖面上难识别问题。

3)通过三种方法开展质量控制，认为本次高分辨处理结果相对保真保幅，结果可靠，可为后续开展地震属性分析和反演研究提供可靠的基础数据。

本次研究具有在其他类似地区进行推广应用的价值意义。