频率自适应子波反褶积在VSP中的应用

王腾宇, 陈 豪, 张 振, 汪 洋, 易浩然 , 蔡涵鹏, 曹 川

(1.中国石油塔里木油田勘探开发研究院, 新疆 库尔勒 841000; 2. 成都爱为贝思科技有限公司, 成都 611731;3.电子科技大学 资源与环境学院, 成都 611731)

岩性结构复杂的地层中采集的地震资料包含丰富的多次波,与一次有效反射波相互干涉,会进一步引起地层结构的假象,进一步干扰地震资料的解释和地质认识[1]。多次波可以分类为全程多次反射波、短程多次反射波、微屈多次反射波和虚反射波等,在地面地震处理中多数会通过常规速度谱、单炮道集及时间剖面识别多次波,但上述方法耗时长、且特别依赖处理人员工作经验,所以在识别全程多次波以外的其他类型多次波时存在一定的缺陷[2]。

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垂直地震剖面(vertical seismic profile,VSP)法是一种地面激发、井中接收的地震观测技术,每一个检波点对应不同深度,相对于地面地震,该方法能接收到上、下行直达波和多次波。下行直达波能获取准确的时深关系,强界面产生的下行多次波在界面以下被接收,上行多次波则在界面以上被接收[3],由于在井中接收,地面上的自然因素干扰更少[4],VSP法可以更加直观地识别多次波产生。在零井源距VSP中,切取窄走廊理论上不会包含多次波,但是窄走廊受下行波和转换波影响,信噪比较低,叠加效果较差,导致标定不准确;宽走廊信噪比较高,叠加后波组特征清晰,但是包含有多次波,同样会影响标定,无法真实反映地层结构。在Walkaway VSP中,多次波同样会影响最终成像结果,造成地质假象。因此,如何压制多次波是VSP资料处理中重要环节。

VSP资料中,由于下行直达波由震源激发,向下传播之后被检波器直接接收,则可以将下行波认为是地震子波。由于VSP的子波容易确认,因此在压制多次波中多采用子波反褶积,压制效果也最为明显。理论上,如果通过下行波场获取的反褶积算子能压制下行多次波,作用于上行波场之后也能压制上行多次波。因此可以利用下行直达波直接提取地震子波获得反褶积算子,并应用于上行波,实现对多次波的压制。

传统的VSP子波反褶积选择频率一致的子波作为期望输出,获得的反褶积算子为固定频率[4]。然而,在震源激发的VSP记录中,可控震源可以保证激发的子波频率一致,但是子波在向地层传播过程中频率随深度明显衰减,加之套管谐振等噪声的影响,导致下行波振幅、频率出现异常,不同检波器接收到的直达波差异较大,特别是在复杂岩性结构的地层中,不同地层中的直达波差异更明显,导致传统的固定频率的子波反褶积算法效果差,提取的固定频率反褶积算子对于上行波压制不彻底,影响后续零井源距VSP的层位标定和Walkaway VSP成像剖面,误导地质认识。

针对上述问题,提出频率自适应子波反褶积算法。对预处理的VSP下行P波进行频谱分析,统计每一道记录的主频,根据每道的频率特征选取对应主频的子波,而非固定频率的子波作为期望输出,将下行P分量作为输入,通过求解所构建的Toeplitz方程得到适用于复杂岩性结构的自适应反褶积算子,利用该算子对上行波进行反褶积。利用该方法对正演理论模型和塔里木盆地麦探1井零井源距VSP资料进行处理,并与常规子波反褶积算法进行对比,发现该方法对于多次波的压制效果更明显,在最后的实际标定结果中,通过反褶积前后和不同反褶积方法对比,也可以更有评价地面地震多次波压制效果。

试验选取液固比601，浸取温度55 ℃，测定浸取时间对Ba2+、OH-浓度以及水溶性钡存在形式的影响，试验结果如图6、图7。

1 方法原理

1.1 子波反褶积原理

反褶积是地震资料处理中非常重要的环节,也是提高分辨率的关键技术。影响分辨率的主要因素有地震子波的主频,地震勘探的纵、横向分辨率都与子波波长有关,波长越短分辨率越高,而反褶积可以有效压缩地震子波,从而提高地震资料的分辨率。

选择频率一致的零相位Ricker子波作为期望输出,选取VSP下行P分量质量好的记录做自相关作为输入,构建Toeplitz方程组:

Eζ(t)=0

(1)

Eζ(t)ζ(s)=γζζ(t-s)=N0δ(t-s)

(2)

或

Rζζ(ω)=N0

(3)

γxx(τ)=N0γbb(τ)

(4)

也可由假设条件推出

γzx(τ)=N0γdb(τ)

(5)

式中:Eζ(t)=0表示自相关;ζ(t)为反射系数序列;ζ(s)为延迟为s的反射系数序列;γζζ(t-s)为时间延迟为t-s的自相关;δ(t-s)为延迟为t-s的反射系数序列;Rζζ(ω)=N0为地震子波的自相关;γxx(τ)=N0γbb(τ)为地震子波的自相关;γbb(τ)为子波的互相关;γzx(τ)=N0γdb(τ)为反褶积因子;γzx(τ)=N0γdb(τ)为子波自相关;γdb(τ)为期望输出与子波的互相关。

假设反射系数序列ζ(t)为白噪声系列,则可由地震记录X(t)的自相关代替子波相关[5],即ζ(t)满足

(6)

通过求解上述Toeplitz方程组,即可求得反褶积算子,利用该反褶积算子对上行波场进行反褶积,以提高分辨率。

单道VSP下行波记录反褶积示意图如图1所示。

图1 单道VSP下行波记录反褶积示意图

1.2 频率自适应子波反褶积原理

常规子波反褶积的期望输出为主频一致子波,并未考虑子波传播过程中主频的变化对子波反褶积结果的影响。为了使结果与实际情况能更好匹配,提出频率自适应子波反褶积。如图2所示,频率自适应子波反褶积对下行直达波进行深变频谱分析,精细化统计每一道直达波的主频,将该主频设为期望输出子波的主频,并将频率逐道变化的子波作为期望输出,输入为每一道记录的固定时窗长度的自相关,构建Toeplitz方程组,求取反褶积算子,同样利用频率自适应子波反褶积所求得的反褶积算子对上行波场进行反褶积操作,对上行多次波进行压制。

图2 下行直达波频谱

2 理论模型数据试算

根据麦探1井实际速度模型情况,得到层速度模型,由于未进行密度测井,通过层速度拟合得到地层密度,计算出反射系数,品质因子Q为实际资料求取的地层Q值,设置23层的水平层状模型。设置的VSP观测系统也与实际麦探1井保持一致,接收井段20～7 060 m,道间距20 m,激发点与井口距离112 m,采样间隔为0.5 ms,采用主频为35 Hz的Ricker子波进行正演。模型参数曲线如图3所示。

土地是绿色矿业发展的的空间保障，在政策落地实施时，应遵循以绿色发展为核心，在完善全领域信用体系的同时，注重在绿色矿业发展示范区内创新矿业用地政策。

图3 正演模型参数曲线

采用不同方法在下行波场中提取反褶积算子,控制相同的算子长度,最终设置算子长度为3 000 ms,常规子波反褶积期望输出子波主频为30 Hz,频率自适应子波反褶积期望输出主频为统计所得,并将提取的反褶积算子应用于下行波场。如图12(b)所示,经过频率自适应反褶积后的下行波初至更清晰,由于复杂地表条件造成的地表多次波压制效果更明显,常规子波反褶积对比地表产生的多次波压制效果不彻底[图12(c)]。

图4 零井源距VSP正演记录

图5 VSP记录浅、中、深层频谱分析

为了验证本文中提出的频率自适应子波反褶积算法在实际数据中的有效性,将该方法运用到塔里木盆地麦探1井当中,对采集的实际数据进行噪声压制、三分量旋转等预处理,在预处理的数据之上开展频率自适应子波反褶积处理,并与常规子波反褶积的处理结果进行对比。

图6、图7为反褶积前全波场,图6(a)、图7(a)分别为常规子波反褶积和频率自适应子波反褶积过后得到的全波场,对比可以看出,经频率自适应子波反褶积过后的全波场更为清晰,多次波压制效果更佳。下面就出现该现象的原因进行探讨。

图6 理论数据子及反褶积效果及反褶积后浅、中、深层频谱

图7 理论数据频率自适应子及反褶积效果及反褶积后浅、中、深层频谱

1)若在VSP下行波场中提取的反褶积算子可以有效压制下行多次波,那么该算子作用于上行波也可以压制上行多次波。通过对比可以看出,经频率自适应子波反褶积之后,下行多次波被压制得更为彻底,认为对上行多次波压制效果更好。

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从理论数据分析可得,本文中提出的频率自适应子波反褶积相较于常规的子波反褶积更能够压制多次波的干扰。

3 实际数据效果分析

3.1 麦探1井地质情况

在正演得到的零井源距VSP记录中,通过对速度模型进行分析,确定可以产生多次波的地层界面深度,并综合波场进行多次波确认,在地层界面速度变化明显处2 100、3 800、6 900 m深度附近产生多次波。分别采用常规的子波反褶积算法和改进后的频率自适应子波反褶积算法对多次波进行压制,对比分析两种方法压制效果。

随着成人教育发展的需要和地方政府的要求，法国成人教育管理体制逐步给予地方更大的自主权，地方管理权限逐渐增加［4］。由于20世纪80年代初以来的权力下放，学区成为重要的管理机构。尤其是2009年颁布的《终身指导和职业培训法》（Loi relative à l’orientation et à la formation professionnelle tout au longde la vie），使学区进一步获得了管理权力，学区成立的成人教育理事会有权与学区内的利益攸关方（企业、公共服务机构、学校等）协商，根据学区特定的社会和经济情况，决定成人教育政策的优先次序，并组织和协调成人教育的相关工作。

麦探1井位于新疆维吾尔自治区和田地区,采用可控震源激发,激发频率为3～9 Hz,井点地表为沙漠,表层衰减严重,浅地表40 m处存在砾石,导致地表多次波发育,下行续至波和下行多次波明显,在阻抗差异明显的界面易产生上行多次波。如图8所示,在地下2 100 m(含膏泥岩)、2 928 m(玄武岩)、3 800 m(粉砂岩)以及6 900 m(白云岩)处地层界面速度变化明显,通过对上行波分析,发育有层间多次波以及地表多次波产生的上行多次波,干扰后续层位标定。反褶积前后全波场如图9所示。

图8 麦探1井零井源距VSP纵波记录

3.2 实际数据效果

在旋转后的P分量上选取初至波前后100 ms的时窗,按深度计算每一道的频谱,如图10所示,横坐标为频率范围,纵坐标表示每一道对应的深度,从浅至深统计每一道的主频值,为途中红线所示。测试不同的算子长度,对下行波数据做自相关作为式(6)的输入,选取频率为对应道主频的零相位Ricker子波作为期望输出,逐道计算反褶积算子。将计算得到的反褶积因子作用于全波场,从反褶积后的全波场中可以根据下行多次波压制的效果初步判断算法在实际数据中的有效性,并且方便确定最佳算子长度。通过对比常规子波反褶积效果(图9)可以看出,井底处频率自适应反褶积对于下行多次波的压制更彻底,初至之后的下行多次波明显消失。确定参数之后,再将反褶积算子应用于上行波场,通过反褶积前后的上行波场对比,确定多次波压制效果。

结合襄阳市的主要灾害类型，参照国家标准和其他城市的经验做法，总体上采用《关于加强城市绿地系统建设提高城市防灾避险能力的意见》（建城[2008]171号）的分类，将襄阳市防灾避险绿地分为防灾公园、临时避险绿地和紧急避险绿地3类，如表1所示。在服务半径和有效面积上则采用GB 51143—2015《防灾避难场所设计规范》。

5 mg/ml待测样品溶液加入酶标板，加入底物，37 ℃孵育10 min，加入DPP-4酶液，37 ℃ 60 min，加入100 μl醋酸-醋酸钠缓冲溶液，终止反应，405 nm测吸光度。

图10 下行直达波深变频谱

反褶积前VSP记录受多次波影响,频谱表现锯齿状明显,多次波压制较明显后的VSP记录频谱更加光滑。如图11所示,经过频率自适应子波反褶积后VSP记录主频由25 Hz提升至35 Hz,频带得到拓宽,频谱更光滑。

图11 麦探1井零井源距VSP反褶积前后频谱对比

在建立平层的模型上通过波动方程法正演得到零井源距VSP记录。如图4所示,正演记录中不含噪声,且反射波场可以明确反映出地层速度变化。针对得到的正演记录,分析下行直达波浅、中、深不同深度地层的频谱特征。图5为不同深度的频谱图,浅层主频较高,衰减较慢,接近35 Hz,随着传播深度增加,子波衰减明显,井底主频为25 Hz。

2)对比反褶积之后的频谱图6(b)和图7(b),经频率自适应子波反褶积之后的浅、中、深地层的波场频宽一致性更高,对于频率衰减的VSP数据反褶积效果更好。

图12 麦探1井零井源距VSP反褶积前后下行波对比

在下行多次波压制效果最佳时得到的反褶积算子应用于上行波(图13),开展层位标定(图14),综合分析多次波产生地层和多次波压制效果。

图13 麦探1井零井源距VSP反褶积前后上行波对比

图14 麦探1井零井源距VSP反褶积前后走廊镶嵌地面地震对比

如图13所示,图13(a) 箭头处表示上行波中的多次波,图13(b) 和图13(c) 红色箭头处的多次波均被压制,从反褶积前后上行波的对比可以观察到蓝色箭头处多次波在图13(b) 中压制效果更好,应用频率自适应子波反褶积后在深度2 100 m(含膏泥岩)、2 928 m(玄武岩)以及6 900 m(白云岩)强界面处附近产生的多次波得到明显压制。

通过标定对比,由图14可以看出,通过频率自适应子波反褶积后的叠加走廊与合成记录的波组关系一致性更高,在蓝色箭头处为多次波发育的层位,常规子波反褶积对于多次波有一定的压制作用,表现为压制后多次波的能量变弱,但是压制不够彻底,频率自适应反褶积压制效果更好。通过图14不同走廊标定对比以及速度分析,可以用于评价地面地震对于多次波压制效果。

4 结论

从理论正演模型和实际数据出发,通过与子波反褶积对比,深入讨论了频率自适应反褶积的原理和对多次波压制效果,得出如下结论。

2和尼康F卡口镜头群比，数量上富士X系列镜头并不占优，但质量上富士镜头的起点很高，包括最近发布的200mm f/2。

1)地表和地层岩性结构复杂的条件下易产生多次波,综合VSP速度、反褶积前后波场特征和走廊标定对比,可以有效识别多次波产生的层位,并可以评价地面地震处理中对于多次波压制的好坏。

2)在VSP资料中,受地层衰减作用,不同检波点接收到的子波频率会有所不同,频率自适应子波反褶积算法通过统计每一道数据的主频作为期望输出的主频,对于频率衰减较明显的VSP数据,多次波压制效果更明显。

治疗前两组Scr、BUN、UAER及24-Upro均无统计学差异(P>0.05),治疗后两组相关指标均明显下降(P<0.05),且治疗后观察组相关指标水平均显著低于同时期的对照组,P<0.05,两组数据差异具有统计学意义。详情如表2所示。

频率自适应反褶积在VSP数据中对于地表多次波和层间多次波具有较好的压制效果,可以进行地面多次波的识别,对于井地联合多次波压制,仍是下一步的重点研究方向。