稳定的反Q滤波统一算法及其在地震资料高分辨率处理中的应用*

余连勇胡光义赵 岩范廷恩刘 洋

(1.中海油研究总院; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室; 3.中国石油大学(北京)CNPC物探重点实验室)

稳定的反Q滤波统一算法及其在地震资料高分辨率处理中的应用*

余连勇1胡光义1赵 岩2,3范廷恩1刘 洋2,3

(1.中海油研究总院; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室; 3.中国石油大学(北京)CNPC物探重点实验室)

稳定的反Q滤波被引入到叠前和VSP记录的衰减补偿中得到了较好的效果,但是前人给出的算法比较复杂。基于地下介质的水平层状假设,根据叠前地震记录和VSP记录观测系统的特点,给出了叠前地震记录和VSP记录(零偏和非零偏)反Q滤波的统一算法和公式,实现了对叠前地震记录和VSP记录的高分辨率处理。模型试算和实际地震资料的应用结果表明,本文方法可显著提高叠后、叠前及VSP地震记录的分辨率。

稳定的反Q滤波;统一算法;模型试算;高分辨率处理

随着油气勘探从构造油气藏向地层、岩性油气藏发展,精细的构造解释、储层参数反演等对地震数据的分辨率提出了更高要求。由于实际地下介质是非完全弹性的,地震波在地下介质中传播时会发生振幅能量衰减和波形畸变,使得深层有效反射波的频带变窄、主频和信噪比变低,从而导致深层地震资料品质变差[1-3]。

对地震记录进行衰减补偿的方法很多[4-7],最常用的为反Q滤波。一般情况下,纯相位反Q滤波是无条件稳定的,它只校正相位的畸变而没有考虑能量衰减对振幅的影响[8]。全反Q滤波试图同时进行振幅补偿和相位校正,但是振幅补偿算子会造成不稳定而产生假象[9]。对此,国内外很多学者提出了相应的稳定算法[10-16],如王珺等[13]给出了一种通过直接求解时间域的Q模型方程来进行反Q滤波的算法,同时采用带状矩阵解算器来提高计算效率;李雪英等[14]将加权最小平方方法优化设计思想引入到时域反Q补偿短算子设计当中,提升了计算效率,并给出了稳定性控制方法。目前应用比较广泛的为Wang[15-16]提出的一种稳定高效的全反Q滤波方法,该方法基于波场延拓理论,可以同时补偿振幅和校正相位,而且在延拓时加入了稳定因子,克服了常规全反Q滤波方法的不稳定性,取得了较好的应用效果。之后,Yan和Liu[17]利用沿射线路径的波场延拓,把Wang[15-16]提出的全反Q滤波算法引入到叠前共炮点记录中,对叠前纵波和转换波资料分别进行反Q滤波补偿,得到了比较理想的效果。VSP地震记录的反Q滤波同样引入了该方法[18-19],但在进行上行波反Q滤波时,其处理算法为:一部分利用下行波反Q滤波来处理;另一部分利用双程旅行时的反Q滤波方法来处理,且第二部分反Q滤波的输入波场为第一部分的补偿结果。另外,针对零偏和非零偏VSP的算法也不同[19],而且算法处理比较繁琐。

针对上述情况,在前人工作的基础上,基于地下介质的水平层状假设,根据叠前地震记录和VSP记录观测系统的特点,给出了叠前地震记录反Q滤波和VSP记录(零偏和非零偏)反Q滤波的统一算法和公式,并通过模型验证了方法的有效性。将本文方法分别用于叠后、叠前及VSP实际资料中,进一步验证了本文方法的有效性。

1 方法原理

1.1 稳定的反Q滤波方法

针对反Q滤波算法不稳定的问题,Wang[15]提出了稳定的反Q滤波方法,并将这种稳定算法推广到Q随时间或深度连续变化的情况[16]。为提高运算效率,引入Gabor变换,得到了基于Gabor变换的反Q滤波算法。假设Q(τ)与频率无关,则有

其中

式(1)～(4)中:σ2为稳定因子;ω为角频率;ωh是和地震频带的最高频率相关的一个调谐参数;Q(τ)为连续变化的Q值;U(τ,ω)和˜U(τ,ω)都为时间深度τ处的波场记录,但后者是没有进行反Q滤波的波场记录。

叠后地震记录一般可认为是自激自收记录,可直接利用稳定的反Q滤波方法来提高其分辨率。笔者根据叠前和VSP记录观测系统的特点,给出了叠前地震记录反Q滤波和VSP记录(零偏和非零偏)反Q滤波的统一算法和公式。

1.2 叠前和VSP反Q滤波方法

将稳定的反Q滤波方法推广到叠前地震记录和VSP记录中,首先需要求出地震波在地下介质中的实际传播路径,然后根据其在各层中的旅行时间,进行稳定的反Q滤波。图1为叠前地震记录和VSP记录射线追踪示意图,可以看出,二者的共同点在于它们的射线路径都可以分为下行波和上行波,这是给出二者统一算法和公式的基础。

一般假设地下为水平层状介质,先对其进行射线追踪,确定地震记录上各个时间点对应的传播路径。将地震波在各层中的下行旅行时记为td,1、td,2…td,m,上行旅行时记为tu,1、tu,2…tu,m,其中m为地层层数。根据上述原理,则叠前和VSP反Q滤波的公式可写为

式(5)～(6)中:Qj为第j层的Q值;其他符号意义同前。

需要注意的是,由于VSP记录上行波与下行波路径不同,在处理时需要首先对VSP记录进行上、下行波场分离,然后对其分别处理。对于下行波直达波和多次波,近似按照下行直达波的传播路径,将tu,m设为零,即可利用公式(5)～(6)对其进行反Q滤波。该方法对零偏和非零偏VSP记录均适用。

图1 叠前地震记录和VSP记录射线追踪示意图

图2 叠后合成衰减记录反Q滤波

2 模型试算

2.1 叠后反Q滤波

设计一个5层的地质模型,其层速度(v)、厚度(h)和Q值如图2a所示。为验证本文方法的有效性,叠后反Q滤波与叠前反Q滤波的理论记录均用此模型,只是观测方式不同,并且只考虑旅行时的变化,忽略反射系数的变化。图2b为叠后合成的衰减记录,可以看出,随着时间的增加,振幅能量减弱,同相轴变胖,记录的分辨率降低。图2c为叠后反Q滤波结果,可以看出,深层振幅能量得到恢复,同相轴变瘦,分辨率得到提高。

2.2 叠前反Q滤波

图3a为叠前合成衰减记录,其观测系统参数为:偏移距为200 m,道间距为25 m,接收道数为60道,记录长度为2.6 s,采样间隔为2 ms。由图3a可以看出,从浅到深,子波能量逐渐衰减;对于同一个地层,随着炮检距的不断增大,子波衰减也越来越严重,伴随着相位的畸变,致使记录的分辨率降低。图3b为叠前反Q滤波结果,可以看出,振幅能量和相位基本得到恢复,分辨率明显提高。

图3 叠前合成衰减记录反Q滤波

2.3 VSP反Q滤波

以零偏VSP记录为例,图4为零偏VSP合成衰减记录,其观测系统参数为:第一个检波器埋深0 m,道间距30 m,接收道数60道,记录长度2.0 s,采样间隔为2 ms。图4a、b分别为下行波和上行波衰减记录,可以看出,随着炮检距的增大、旅行时的增加,子波振幅能量减弱,波形拉伸,子波畸变为非零相位,分辨率降低。图4c、d分别为下行波和上行波反Q滤波结果,对比可以看出,经过反Q滤波补偿后,振幅能量得到恢复,而且波形变瘦,分辨率有了明显提高。

图4 零偏VSP合成衰减记录反Q滤波

3 实际资料应用

3.1 叠后反Q滤波

图5为稳定的反Q滤波方法在某地区叠后实际地震资料中的应用结果。其中,图5a为该地区叠后地震记录,可以看出,和浅层记录相比,2.5 s以下记录的同相轴逐渐变粗,可分辨的地层变少;图5b为对应的该地区稳定的反Q滤波记录,可以看出,稳定的反Q滤波使原始记录的同相轴明显变细,并且深层记录的振幅能量得到补偿,可分辨的地层明显增多;图5c、d分别为二者的频谱图,可以看出,25～75 Hz频带内的能量得到了不同程度的补偿,从整体上看,反Q滤波有效补偿了地震记录的高频分量,拓宽了地震记录的频带宽度。

3.2 叠前反Q滤波

图6为稳定的反Q滤波方法在某地区叠前实际地震资料中的应用结果。其中,图6a为该地区叠前地震记录,可以看出,浅层能量较强,衰减较为严重,造成中深层几乎看不到同相轴;图6b为对应的该地区稳定的反Q滤波记录,可以看出,中深层显示出较为清晰的同相轴;图6c、d分别为二者的频谱图,可以看出,反Q滤波明显拓宽了地震记录的频带范围。

图5 稳定的反Q滤波方法在某地区叠后实际地震资料中的应用结果

图6 稳定的反Q滤波方法在某地区叠前实际地震资料中的应用结果

3.3 VSP反Q滤波

图7为稳定的反Q滤波方法在某地区零偏VSP实际资料下行波中的应用结果。其中,图7a、b分别为该地区原始下行波记录和反Q滤波后的下行波记录,可以看出,直达波的振幅能量,特别是大炮检距处的振幅能量得到了有效补偿,并且下行多次波的能量也得到了一定程度的恢复;图7c、d分别为二者的频谱图,可以看出,反Q滤波有效恢复了下行波40～70 Hz频带内的能量。

图7 稳定的反Q滤波方法在某地区零偏VSP实际资料下行波中的应用结果

图8为稳定的反Q滤波方法在某地区零偏VSP实际资料上行波中的应用结果。其中,图8a、b分别为该地区原始上行波记录和反Q滤波后的上行波记录,可以看出,反Q滤波后浅层记录的连续性增强,对浅层的分辨率明显提高,同时中、深层记录的能量得到了一定程度的恢复;图8c、d分别为二者的频谱图,可以看出,反Q滤波拓宽了地震记录的频带宽度,主要补偿了40～70 Hz频带内的能量, 70～100Hz频带内的能量也得到了部分恢复。

图8 稳定的反Q滤波方法在某地区零偏VSP实际资料上行波中的应用结果

4 结束语

常规地面地震和VSP资料的反Q滤波算法不统一,本文根据这2种不同观测系统的特点,给出了统一的反Q滤波公式,通过在波场延拓中加入稳定因子,实现了稳定高效的全反Q滤波。模型试算和实际资料应用结果表明,本文方法可以有效补偿高频分量的能量,拓宽频带,提高记录的分辨率。另外,当地震记录的信噪比较低时,建议考虑信噪比的反Q滤波,仅在信噪比较高的频段内进行反Q滤波补偿,从而避免在补偿信号的同时出现噪声放大。

[1] 李振春,王清振.地震波衰减机理及能量补偿研究综述[J].地球物理学进展,2007,22(4):1147-1152.

[2] 马昭军,刘洋.地震波衰减反演研究综述[J].地球物理学进展,2010,20(4):1074-1082.

[3] 周发祥,宁鹏鹏,刘斌,等.吸收衰减对地震分辨率的影响[J].石油地球物理勘探,2008,43(增刊2):84-87.

[4] 刘财,刘洋,王典,等.一种频域吸收衰减补偿方法[J].石油物探,2005,44(2):116-118.

[5] 刘喜武,年静波,刘洪,等.基于广义S变换的吸收衰减补偿方法[J].石油物探,2006,45(1):9-14.

[6] 张瑾,冯晅,刘财,等.一种简易快速的时域地震波衰减补偿算法[J].吉林大学学报:自然科学版,2010,45(增刊):27-29.

[7] 张固澜,熊晓军,容娇君,等.基于改进的广义S变化的地层吸收衰减补偿[J].石油地球物理勘探,2010,45(4):512-515.

[8] ROBINSON J C.A technique for the continuous representation of dispersion in seismic data[J].Geophysics,1979,44(8): 1345-1351.

[9] 严红勇,刘洋.地震资料Q值估算与反Q滤波研究综述[J].地球物理学进展,2011,26(2):606-615.

[10] 裴江云,何樵登.基于Kjartansson模型的反Q滤波[J].地球物理学进展,1994,9(1):90-100.

[11] 姚振兴,高星,李维新.用于深度域地震剖面衰减与频散补偿的反Q滤波方法[J].地球物理学报,2003,46(2):229-230.

[12] WANG S D.Attenuation compensation method based on inversion[J].Applied Geophysics,2011,18(2):150-157.

[13] 王珺,杨长春,乔玉雷.用稳定高效的反Q滤波技术提高地震资料分辨率[J].地球物理学进展,2008,23(2):456-463.

[14] 李雪英,吕喜滨,张江杰,等.稳定高效的时域反Q滤波方法[J].地球物理学进展,2010,25(1):211-218.

[15] WANG Y H.A stable and efficient approach of inverse Q filtering[J].Geophysics,2002,67(2):657-663.

[16] WANG Y H.Inverse Q-filter for seismic resolution enhancement[J].Geophysics,2006,71(3):51-60.

[17] YAN H Y,LIU Y.Estimation of Q and inverse Q filtering for prestack reflected PP-and converted PS-waves[J].Applied Geophysics,2009,6(1):59-69.

[18] 余振,王彦春,何静.一种稳定的VSP反Q滤波方法[J].地球物理学进展,2010,25(5):1676-1684.

[19] 严红勇,刘洋,赵前华,等.一种提高VSP分辨率的反Q滤波方法[J].石油地球物理勘探,2011,46(6):873-880.

(编辑:张喜林)

A unified algorithm of stable inverse Q filtering and its application to high-resolution processing of seismic data

Yu Lianyong1Hu Guangyi1Zhao Yan2,3Fan Tingen1Liu Yang2,3

(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing,102249; 3.CNPC Key Laboratory of Geophysical Prospecting, China University of Petroleum,Beijing,102249)

Introducing stable inverse Q filtering into the attenuation compensation for pre-stack and VSP seismic records is quite good in effects,but the existing algorithms are relatively complex. Based on the assumption of horizontally-layered media in subsurface,a unified algorithm of stable inverse Q filtering and its formulae were developed for pre-stack and VSP(zero-offset and offset)records,by considering the features of pre-stack and VSP observation systems,and it was achieved to conduct high-resolution processing of pre-stack and VSP data.The model calculations and the application results of theoretical seismograms and actual seismic data have shown that this method can significantly improve the resolution of post-stack, pre-stack and VSP seismograms.

stable inverse Q filtering;unified algorithm;model calculation;high-resolution processing

2014-01-16改回日期:2014-03-11

*“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题“海上开发地震关键技术及应用研究(编号:2011ZX05024-001)”部分研究成果。

余连勇,男,工程师,2002年毕业于中国石油大学(华东),获应用地球物理学学士学位,现主要从事开发地震及开发地质研究工作。地址:北京市东城区东直门外小街6号海油大厦(邮编:100027)。E-mail:yuly1@cnooc.com.cn。