多次波是指地震波在传播过程中发生过一次或者多次下行反射的波, 通常包括表层多次波和层间多次波。其中, 层间多次波是指在自由表层以下强反射界面发生的下行多次反射波。陆地地震资料常常发育较强的层间多次波。多次波压制一直是地震资料处理技术研究的热点与难点, 形成了大量研究成果。基于多次波的周期性和可分离性特点, 多次波压制方法主要包括滤波法和基于波动方程的预测法两大类^[1]。滤波法压制多次波在生产中应用广泛, 它主要利用多次波的可分离性及周期性的特点来识别和压制多次波。可分离性是由多次波与一次波的速度差异引起的, 多次波比一次波有更小的动校正(NMO)速度。地震记录经过数学变换后, 多次波和一次波在数学变换域会分布在不同的区域, 这样, 滤除多次波对应区域的能量后再反变换回原时空域, 即可完成多次波压制。目前, 在多次波压制中使用的数学变换主要有FK变换^[2]、Radon变换^[3]、聚束滤波^[4]等。地震道集同相轴经过动校正后, 多次波同相轴近似为抛物线形态, 因此, 抛物线Radon域的多次波压制效果要好于f-k域和线性Radon域。另外, 为了解决有效波和干扰波在Radon域能量相互渗透造成速度扫描分辨率低和波场分离欠佳的问题, 发展了高分辨率Radon变换算法。SACCHI等^[5]给出了利用Radon变换的稀疏解来提高Radon变换域分辨率的算法; WANG^[6]提出了Radon域自适应分离的高精度算法, 通过高分辨率Radon变换压制多次波, 在保持振幅方面有了很大改善, 同时也可显著减少计算量。多次波的另一个特性是周期性, 预测反褶积法^[7]是利用多次波的周期性来预测和压制多次波。但是, 实际地震记录中多次波的周期性规律表现不明显, 在零偏移距或近偏移距多次波呈现周期性, 随偏移距的增加, 多次波的周期性特点逐渐消失。所以, 基于多次波周期性特点来压制多次波的方法随偏移距的增大多次波压制效果降低。以上两类多次波压制方法属于滤波方法, 其应用前提是多次波和一次波能够被区别开来。但是, 由于层间多次波的产生机理复杂, 层间多次波速度与一次波速度差异较小、混叠在一起, 在速度谱上很难找到明确的分界线, 这给层间多次波的识别和压制带来了困难。针对层间多次波的预测和压制难题, 国内外学者进行了深入的研究和讨论。JAKUBOWICZ^[8]利用地震数据和一次反射的逆时数据预测出层间多次波; BERKHOUT等^[9]和VERSCHUUR等^[10]在经典的表面多次波去除方法(SRME)基础上, 提出了扩展SRME方法, 该方法利用共聚焦点(CFP)道集, 将表面多次波压制技术应用到地下反射地层中, 预测出了层间多次波; WEGLEIN等^[11]提出了基于逆散射级数的层间多次波压制方法, 其优点在于不需要任何地下先验信息, 缺点是计算量非常大, 难以应用于实际生产。在层间多次波压制技术研究方面, 国内学者的研究也取得了很大进展, 比如金德刚等^[12]改进了基于逆散射级数法预测和压制层间多次波的算法; 刘伊克等^[13]利用波路径偏移压制层间多次波; 马继涛等^[14]提出基于一次波逆时理论的层间多次波衰减方法; 叶月明等^[15]利用地震干涉法衰减海底相关层间多次波; 吴静等^[16]提出基于构建虚同相轴压制地震层间多次波方法等。虚同相轴将散射点从地表移至产生层间多次波的向下散射界面, 通过将虚同相轴与原始数据褶积, 从而得到层间多次波模型^[17-18]。传统虚同相轴方法基于物理图像和近似公式, 其预测的层间多次波振幅和相位精度难以满足实际需求, 造成了其对匹配算法的过度依赖。针对传统虚同相轴方法的理论缺陷和计算精度问题, 刘嘉辉等^[19]通过理论推导得到新的自适应虚同相轴方法。与传统虚同相轴方法相比, 自适应虚同相轴方法减少了对匹配算法的依赖, 提高了对层间多次波的压制能力。

现有的多次波压制方法有很多种, 但每一种方法均有其优势和局限性。通常一种多次波的压制方法只能对某种特定多次波起到一定的压制效果, 因此, 不同域、不同理论的多次波压制技术联合使用是发展方向之一。此外, 多次波压制效果好坏, 是否伤及有效波, 在处理阶段很难评估, 必须结合解释, 做到处理解释一体化。这样, 不但可以客观评估压制技术的优劣, 还能为压制技术提供更加准确的速度场和层位信息, 提高多次波压制技术的处理效果。为此, 本文开展了处理解释一体化的层间多次波识别与压制技术研究, 并在四川盆地高石梯—磨溪地区应用中不断完善, 形成了一套实用、有效、可复制的多次波识别与压制技术方案。

研究结果表明, 对四川盆地高石梯—磨溪地区深层地震资料成像影响较大的因素是层间多次波, 其存在会产生许多负面影响。首先, 地震剖面纵向上整体波组特征不清楚, 不能反映层状碎屑岩和块状碳酸盐岩沉积的响应特征^[20]。其次, 多数井合成记录与实际地震记录严重不匹配^[20], 主要表现在实际地震资料上灯影组顶界与内部反射强度几乎一样, 而在合成记录上灯影组顶界反射振幅比内部大很多, 而且灯二段内部实际地震资料反射同相轴在合成记录上找不到(图 1)。由于井震匹配差, 直接影响高产井模式建立, 影响勘探开发进程。第三, 由于多次波的聚焦和散焦效应使得其下伏地层同相轴形态复杂化, 降低了构造解释精度, 也可能形成构造假象, 如在高石梯东部容易形成假台缘带; 而且地层越深, 多次波影响越大, 会造成超深层成像不真实, 加上深层地震反射强度通常比较弱, 多次波的影响会更加严重, 可能导致构造与地层的错误认识, 从而影响勘探决策部署。第四, 目前主流储层预测技术都是基于褶积模型, 都以不含多次波假设为前提, 因此, 输入资料包含多次波会降低储层预测精度, 甚至给出错误的结果。

图 1(Fig. 1)

图 1 GS1井不含和含多次波合成记录与实际记录对比结果 a 纵波阻抗; b 反射系数; c 不含多次波合成记录; d 含多次波合成记录; e 实际地震记录

灯影组地震资料与合成记录存在严重不匹配, 影响了地震储层预测技术的有效应用。从分析井震不匹配成因出发, 解决了层间多次波识别与压制关键问题, 形成了先识别、后压制与质控的一体化技术方案^[20]。

在层间多次波识别与来源分析方面, 首先排除了资料处理和AVO现象造成的井震不匹配; 其次从上覆地层存在速度反转、道集下拉, 以及速度谱上低速能量团推断井震不匹配是由多次波造成; 然后研发了下行波可控的反射率正演模拟方法, 通过含与不含多次波正演结果与实际地震数据对比, 证实井震不匹配是由层间多次波造成的, 并得到GS1井和GS6井VSP资料的验证; 最后, 利用逐层多次波正演模拟, 结合多次波周期性分析确定了灯影组多次波的来源。

在层间多次波压制方面, 首先系统调研了相关公司、院校和科研院所的多次波压制技术, 筛选了预测反褶积、3D SRME、Radon变换、f-x域多次波压制技术(SPLAT模块)、自适应虚反射同相轴和逆散射序列法等方法, 开展了3条连井线多次波压制处理试验, 并利用多次波正演模拟结果评判多次波压制方法的应用效果。试验结果表明: 预测反褶积可以在一定程度上压制短程多次波, 但对长周期多次波效果不明显; 3D SRME可以较好压制长程多次波, 但对层间多次波压制效果不理想; Radon变换压制多次波在道集和速度谱上效果明显, 但在叠加剖面上几乎见不到效果, 这是因为近道多次波与一次波速度差异更小, 因此, 要提高近道多次波压制效果, 需要更高精度的速度场信息; 基于逆散射序列的多次波压制方法理论基础明确, 方法先进, 效果好, 但运算量大, 计算效率低, 无法应用到三维工区; f-x域多次波压制技术针对性强, 但需要已知多次波产生的准确层位; 自适应虚反射同相轴方法能够给出唯一的褶积构建方法, 提高了层间多次波预测模型的精度, 减少了对匹配相减的依赖, 但随多次波和一次波差异变小, 压制效果也变差。

由此可见, 层间多次波与一次波之间旅行时和速度差异越小, 压制就越困难, 而且绝大多数多次波压制方法是针对海上地震资料提出的, 对陆上地震资料适用性低, 效果都不太理想。为此, 提出了分步组合迭代、循序渐进的处理解释一体化多次波压制思路, 并建立相应的技术流程。首先, 在偏移前采用自适应虚反射同相轴法压制多次波, 主要是压制具有明显差异的多次波; 然后, 在偏移后的道集上采用高精度层控Radon变换压制速度差异小的多次波, 其核心是速度场的精度, 可以通过测井资料与层位约束实现; 最后, 对叠后资料利用多层迭代f-x域多次波压制技术对残余多次波进行压制, 其核心是准确识别多次波及其产生的可能层位, 这可以通过多次波识别和来源分析实现。为减少对有效波的损伤, 创新研发了多次波发育强度预测技术, 结合多次波正演模拟, 实现了点、线、面完整的多次波压制处理质控。这些共同构成了层间多次波识别、压制与质控处理解释一体化技术方案, 其技术流程如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 层间多次波识别与压制一体化技术流程

关键技术主要包括4个方面: ①层间多次波正演模拟; ②层间多次波识别与来源分析; ③多次波平面发育强度预测; ④层间多次波压制处理与质控。

地震波正演模拟是了解地震波传播特点、识别地震波类型(转换波、多次波等)、明确地质异常体地震响应特征的有效手段。其主要方法有3种: 射线追踪法、有限差分法和反射率法。其中, 反射率法精度高于射线追踪法和有限差分法, 可以通过频率域和时间域两种方式实现, 时间域反射率法具有简单直观的特点, 更适合于层间多次波正演模拟。

时间域叠后反射率正演模拟以井震标定后的测井波阻抗曲线为基础, 然后计算等时采样的上、下行波的反射系数与透射系数, 进而得到全井段包含或不包含多次波的时间域反射系数序列, 再与地震子波褶积得到叠后正演记录^[21]。杨昊等^[22]对此进行了改进, 为每个采样点(反射界面)加入一个下行反射控制系数, 1和0分别表示含和不包含该界面下行的多次波, 由此可以通过下行反射控制系数决定某段或某几段地层含与不含多次波, 通过含与不含多次波合成记录与实际资料的对比, 判断哪些反射是多次波以及产生多次波的层位。

对于一个半空间反射界面, 考虑到P波与SV波的相互转换, 界面两侧一共会产生16种反射及透射波^[23], 公式(1)为对应的反射与透射系数矩阵。

其中, 等式左侧, 下角标D表示下行波, 下角标U表示上行波; R和T表示反射和透射系数矩阵。等式右侧, r和t表示反射与透射系数; 大写字母表示下行波, 小写字母表示上行波; p和P代表纵波, s和S代表横波。某个界面k与其下面所有层的总反射响应可以利用递推公式求解^[24], 递推公式可以不考虑多次波, 也可以考虑一阶多次波, 这样, 可以获得考虑或不考虑多次波的叠前反射系数, 再与地震子波进行褶积, 就可以得到相应的叠前反射率正演道集^[20]。

3家单位于不同时期对研究区处理的地震成果资料在大多数井点处都存在井震不匹配现象(见图 1虚线框区域), 这说明井震不匹配不是地震资料处理失误造成的^[20]。那么, 是否由于AVO现象造成的呢？对比实际地震道集与波动方程正演道集的远、近道部分叠加结果发现, 近道和远道部分叠加都存在井震不匹配问题, 从而排除了AVO响应的影响^[20]。此外, GS1井地震道集上, 中深层开始存在微弱下拉现象, 而且越深道集下拉现象越明显; 在相应速度谱上, 中浅层一次波能量团十分清晰, 中深层速度谱能量团开始发散, 到了深层, 能量团更加发散, 开始出现低速能量团, 而且低速能量团强度随深度增加而增强, 最后, 几乎与一次波一样强, 由此推断该区井震不匹配可能是由多次波造成的^[20]。

为了进一步论证井震不匹配是由多次波造成, 首先从典型井GS1井井震标定入手, 如图 1所示。图 1c为不含多次波合成记录, 只含一次波; 图 1d为既含一次波, 也含多次波的合成记录; 图 1e为井旁实际地震道。对比可见, 包含多次波的合成记录与实际地震道几乎所有同相轴都能对上, 而且灯影组顶界与灯影组内部反射强度差不多, 与实际记录非常吻合; 相反, 在只含一次波合成记录上, 灯影组顶界反射强度比灯影组内部高很多, 而且实际地震资料上灯二段同相轴在只含一次波合成记录上找不到, 因此实际地震资料与只含一次波合成记录相似性很差。图 3为过GS111井不含和含多次波正演模拟剖面与实际剖面对比图, 为了更好地说明多次波的影响, 连井剖面只使用GS111井的波阻抗曲线, 也就是说, 波阻抗横向没有变化, 横向只有构造变化。由图 3可见, 含多次波与不含多次波正演模拟剖面差异很大, 但与实际剖面更加接近, 而且多次波的存在使得其下伏地层反射同相轴复杂化(见图 3虚线框区域), 这可能误导构造解释。基于声波波动方程的正演模拟也得出类似的结论。由此, 进一步证实了目的层段实际地震资料中包含多次波。

图 3(Fig. 3)

图 3 过GS111井不含多次波(a)和含多次波(b)正演模拟剖面与实际剖面(c)的对比

类似地, 图 4对比了GS1井正演道集及其速度谱与井旁实际道集及其速度谱。由图 4a可以看出, 在不含多次波合成道集上灯影组以下基本没有同相轴, 都是噪声, 但是在图 4b包含多次波的合成道集上从中浅层开始出现许多下拉同相轴(绿色箭头所指), 而且地层越深, 下拉现象越明显, 这些下拉同相轴都是多次波的响应。将含多次波的正演道集(图 4b)与实际道集(图 4d)对比, 二者非常相似, 进一步证明该区深层受多次波的影响严重。从它们对应的速度谱上, 也发现含多次波道集与实际道集速度谱非常相似, 中浅层以下都存在低速能量团, 对照不含多次波道集速度谱, 可以判断这些低速能量团是多次波的响应。

图 4(Fig. 4)

图 4 GS1井正演道集与井旁实际地震道集及其速度谱对比 a 不含多次波正演道集及其速度谱; b 含多次波正演道集及其速度谱; c 含多次波正演道集及其速度谱(压制多次波后); d 实际地震道集及其速度谱; e 实际地震道集及其速度谱(压制多次波后)

最后, 利用工区内GS1井和GS6井VSP资料更直接验证多次波的存在。由于VSP资料特殊的观测方式, 很容易得到上下波场数据。理论表明: 上下波场反褶积可以获得对应界面的反射系数, 从而达到压制多次波的目的, 这也是VSP资料压制多次波的重要途径。通过GS1井和GS6井反褶积前、后VSP走廊叠加与不含多次波合成记录对比发现, 反褶积前二者差异很大, 但反褶积之后无论同相轴时间和振幅纵向相对关系都匹配非常好, 也证明该区VSP资料在目的层段存在多次波^[20]。

下行波可控反射率法多次波正演模拟的关键就是为每个反射界面加入一个下行波反射控制系数^[22], 当某个层段内所有界面的控制系数都为0时, 该段地层都不产生层间多次波。为了分析灯影组多次波的来源, 以灯影组顶界以上都不含多次波的合成记录为标准道, 然后将不含多次波层位顶界逐次上移, 并将每一次正演结果与标准道进行互相关, 记录每一次最大相关系数, 如果灯影组以上地层都不产生多次波, 那么相关系数都应该为1, 如果上覆地层产生多次波, 那么相关系数会逐步降低, 遇到相关系数大幅降低表明对应的层段发育多次波。研究表明: GS1井点处最大相关系数大幅降低正好与前面提到的4组低速层段中的前3组相对应, 第4组是筇竹寺组泥岩段, 由于与灯影组靠近, 对灯影组地震响应影响小。这些多次波来源分析结论也可以通过多次波周期性得到验证^[20]。

当前, 通常只能从道集及其速度谱上, 或地震剖面上识别多次波, 定性判断多次波发育程度, 无法得到地震资料中多次波平面和三维空间的整体发育情况和分布特征。受构造和地层横向变化的影响, 多次波在空间上具有强烈的非均质特点, 因此, 除了分析点、线多次波发育情况, 更需要分析其平面上的发育程度, 以评估现有地震资料存在的风险, 并指导下一步多次波压制处理参数的优选与质控。

由于多次波和一次波具有不同的传播速度, 分别出现在速度谱上不同的速度区域。某个时间存在多次波干扰时, 速度谱上能量团对应的叠加速度范围会变宽, 而且, 多次波速度和一次波速度差异越大, 叠加速度范围也越宽。因此, 对三维地震资料的速度谱, 计算有效叠加能量团对应的速度展度, 可实现三维空间的多次波发育程度定量预测。通过速度展度沿层切片分析平面上多次波的发育范围与程度, 我们首次实现了多次波平面发育程度的定量分析与评价。具体实现的方法和步骤如下。

首先, 获取叠前地震CMP道集, 对道集进行优化处理后, 计算地震速度谱(图 5a)。

图 5(Fig. 5)

图 5 速度展度求取示意 a 地震速度谱; b 速度类别; c 速度展度

其次, 对速度谱进行有效能量团识别。将任意一个CMP点的速度谱, 转换为二维灰度图像数组, 数组内按照数值从小到大排序, 根据(2)式计算类间方差。

式中: σ_k表示某CMP点速度谱类间方差; c_i为灰度值从小到大排序后的数组; N为总点数; k为序号。以σ_k为最大值时对应的灰度值为阈值划分速度类别, 一类是黑色背景, 另一类是白色有效能量团(图 5b)。

最后, 按照时间顺序逐点求取有效能量团的初始相对速度和最终相对速度差即为速度展度(图 5c)。

以上方法应用到三维地震速度谱上, 获得速度展度体, 沿一定的时窗提取展度切片, 属性值大意味着多次波相对发育。

在GS1井区内, 利用所有井的井震标定结果对速度展度属性预测的多次波强度进行了验证。研究区10口井灯影组测井合成地震记录和实际地震道整体相关性都不高, 而且井间差异较大, 相关系数范围为0.14~0.75, 平均相关系数仅为0.56, 表明灯影组多次波干扰较为严重, 并且横向分布不均匀, 整体上符合速度展度属性预测的多次波平面规律。将井震相关系数和速度展度属性进行相关性分析, 二者具有很好的负线性相关性(图 6), 证明速度展度属性能够有效地预测多次波发育程度。

图 6(Fig. 6)

图 6 GS1井区速度展度与井震标定相关系数交会分析结果

多次波压制处理采用了3项技术: ①在CMP道集上采用自适应虚反射同相轴法压制具有明显差异的多次波; ②在CRP道集上采用高精度层控Radon变换压制速度差异小的多次波; ③在叠后采用多层迭代f-x域法压制残余多次波。

基于虚同相轴的层间多次波压制方法是由IKELLE于2006年提出的^[17], 通过虚同相轴的方法将散射点从地面延拓到地下产生多次波的界面, 实现层间多次波的预测。传统虚同相轴方法数学物理推导不严格, 其理论也存在一定缺陷, 预测多次波信息与原始数据重复较多, 存在振幅和相位畸变、高阶多次波预测不准确等问题。

根据克希霍夫积分表示定理, 重新构建虚同相轴。采用波场延拓方法, 将散射点从地下移到了地面, 通过将虚反射与原始数据褶积, 构建多次波模型; 利用滑动窗口多道L₁范数多次波匹配方法, 通过迭代收敛算法减去多次波, 逐层重复完成所有层间多次波压制^[25]。

该方法修正了传统虚反射方法, 构建了新的自适应虚反射理论和算法, 理论上无论其阶次多高, 自适应虚同相轴方法都能够给出唯一的褶积构建方法, 提高了层间多次波预测模型的精度, 减少了对匹配相减的依赖。

Radon变换是用于压制多次波常用方法之一, 除自身算法精度外, 关键取决于一次波和多次波的速度。有了准确的一次波速度, 才能实现和一次波速度相近的多次波的压制。

由于层间多次波速度与一次波速度差异较小, 常混叠在一起, 因而很难找到二者的分界线, 速度谱上一次波速度难以准确拾取。其次, 深层层间多次波能量有时比有效波强, 只通过速度谱能量团拾取速度, 很容易造成错误, 无法建立准确的速度场。这也是许多油服公司采用传统的Radon变换压制层间多次波无法取得理想效果的主要原因。针对以上问题, 研发了层控多次波压制处理技术。在层间多次波识别和速度特征认识的基础上, 采用处理和解释一体化的研究思路, 通过地震标志层三维空间的约束进行速度拾取和多次波压制^{[20, 26]}, 其关键步骤如下。

1) 地震标志层的选择和解释。根据波阻抗曲线、合成地震记录和地震剖面, 选择反射能量强、横向连续性好、区域上可连续追踪的地震同相轴作为标志层, 以保证时间层位解释的准确性和三维空间的覆盖面。同时进行层位追踪, 获取标志层层位。

2) 层控速度拾取。针对多次波与一次波速度差异小、能量团难以分辨的问题, 在速度拾取时引入标志层层位约束, 在保持速度趋势的前提下, 采用“沿层拾取、避开层间、速度就高不就低”的拾取方法, 实现沿层能量团精细拾取。由于标志层反射能量强、抗干扰能力强, 严格对应着有效波; 而标志层之间, 很容易受多次波干扰而形成多次波的能量团, 因此, 沿层拾取能够减少多次波干扰能量团的误判, 保证纵向上速度拾取的可靠性。同时, 三维时间层位还能从横向上约束速度拾取的一致性, 减少速度拾取异常带来的速度突变。层控速度拾取可以减小由于多次波存在而造成的对有效波速度拾取的影响, 提高速度拾取的精度。

3) 层控Radon变换压制多次波。在速度加权扫描基础上, 对不同权系数的叠加速度进行Radon变换压制多次波测试, 分析其叠加数据与合成记录的匹配效果, 对应井震匹配的即为最优叠加速度。再在最终处理中, 加入标志层的时间层位, 控制多次波压制的时间范围, 进行多次波压制。

图 4c和图 4e分别为GS1井含多次波正演道集和实际地震道集采用高精度层控Radon变换多次波压制后的结果。压制处理前(图 4b、图 4d)地震道集目的层附近远道存在明显同相轴下拉现象, 速度谱能量团聚焦性不好; 压制处理之后(图 4c、图 4e)速度谱上低速多次波能量团得到很好的压制, 能量团聚焦好、纵向趋势清晰, 远道下拉基本消除; 压制后含多次波正演道集及速度谱(图 4c)与不含多次波正演道集及速度基本一致(图 4a)。此外, 由于采用了层控压制方法, 在压制多次波的同时, 很好地保留了灯影组顶、灯3段底和灯影组底等标志层地震反射能量相对关系。

图 7为GS1井区高精度层控Radon变换多次波压制前、后实际地震剖面及去掉的多次波剖面。从图 7c可以看出, 压制的能量中除少量有效波之外绝大部分为多次波干扰, 特别是蓝色矩形框内残留多次波得到很好的压制。多次波压制后, 灯影组地震剖面横向能量一致性有所提高, 更加符合灯影组内部厚层碳酸盐岩地层不连续、弱振幅的反射特征。

图 7(Fig. 7)

图 7 GS1井区高精度层控Radon变换多次波压制前(a)、后(b)及去掉的多次波(c)地震剖面

由于产生层间多次波的来源多、波场特征复杂、周期性不好、横向变化快, 经过前期多次波压制后, 总是有少量多次波能量不同程度地残余在叠加数据中。

因此, 有必要对叠后数据进一步采用处理和解释相结合的多层迭代f-x域法压制多次波。在多次波来源层位识别的基础上, 利用中浅层已知多次波发育层位与目的层多次波地震反射在f-x域谱函数的相似性, 在标志层层位约束的时窗范围内, 由(3)式谱变换得到二者的特征向量, 由(4)式通过最小二乘法求取滤波器, 以井震标定质量作为质控和压制参数优选的标准预测多次波。如果存在多个产生多次波的界面, 则通过逐层迭代压制, 直到压制效果满足要求为止^[27]。

其中, X(f)为地震道, G(f)为谱矩阵, W(f)为平滑滤波器, “*”、“+”分别表示褶积和共轭转置运算。

其中, F(f)为n维滤波器, I表示单位矩阵, V_j(f)为谱矩阵G(f)的前k个特征向量。

图 8为GS1井区多层迭代f-x域多次波压制前、后的叠加地震剖面。由图 8可见, 筇竹寺(红色框)和灯影组(蓝色框)内部强能量多次波进一步变弱, 合成记录和实际地震数据符合程度得到改善, 剖面分辨率、标志层连续性有所提高。

图 8(Fig. 8)

图 8 过GS11井多层迭代f-x域多次波压制前(a)、后(b)实际地震剖面

质量控制是地震资料处理中的一个重要环节。多次波压制是一个世界性难题, 目前没有也很难有一种方法或技术能压制所有多次波, 对其压制涉及到多个处理环节。因此, 需要对主要处理步骤前、后地震资料进行对比, 分析压制多次波的效果, 实现整体过程质控。

由于层间多次波和一次波差异小, 压制效果受技术方法和地震资料处理人员的水平与经验影响大, 压制多次波的同时有可能损伤一次波, 因此, 在保幅或相对保幅的要求下, 要进一步加强多次波压制质控, 也就是说, 除了常规处理质控外, 还需要有针对性地开展多次波压制处理质控和资料保幅质控。

多次波压制处理质控也遵循点、线、面质控的原则。

1) 井点合成记录标定质控。相对于地震资料而言, 测井资料精度相对较高, 是一种硬数据。通过测井合成地震记录进行井震标定, 再与实际井旁地震道对比, 分辨地震剖面中反射同相轴的真伪, 判断多次波压制效果, 监控和评价地震资料质量。

2) 剖面反射结构质控。对于信噪比相对较低的区域, 在前述井点合成记录标定质控的基础上, 还可通过连井剖面设计地质模型, 利用测井资料建立纵波阻抗模型, 采用褶积模型正演得到不含多次波的理想地震剖面, 确定目的层地震反射特征。通过与实际地震剖面对比分析, 对地震成像质量和多次波压制程度进行质控。图 3a为过GS111井的不含多次波合成地震剖面, 碳酸盐岩内部能量弱、连续性差, 灯影组整体上具有“3强2弱”的地震反射结构。实际地震剖面(图 3c)反射波组的强弱组合和不含多次波合成地震剖面(图 3a)基本没有可对比性, 但与含多次波合成地震剖面(图 3b)特征非常相似, 由此推断实际剖面仍含有多次波, 有待进一步压制。

3) 多次波平面发育强度质控。除了井震标定可以量化质控外, 当前没有专门针对多次波压制效果的定量分析方法。测线和平面质控仍然以“相面法”为主, 人为因素影响较大, 很难对压制处理结果进行客观评价。为此, 利用前面研发的速度展度多次波平面发育强度预测方法, 通过沿层提取压制处理前、后速度展度切片进行分析对比, 实现多次波压制效果三维质控。图 9为GS1井区灯四段高精度层控Radon变换多次波压制前、后速度展度与差异平面图。多次波压制前(图 9a)三维工区内速度展度在200~900m/s均有分布, 600~900m/s高值区域所占面积较大, 显示多次波发育较强、且横向分布不均匀。多次波压制后(图 9b), 速度展度横向一致性大幅提高, 均下降到500m/s以下, 说明速度能量团更为集中, 多次波得到有效压制。图 9c为压制前、后速度展度差异, 清晰地反映了三维工区多次波压制程度, 差值越大, 多次波压制程度越强。

图 9(Fig. 9)

图 9 GS1井区灯四段高精度层控Radon变换多次波压制前(a)、后(b)速度展度与差异平面图(c)

为了更好地满足储层预测对地震资料的要求, 需要开展地震资料保幅质控, 分为叠后保幅质控和叠前保幅质控。叠后保幅质控主要包括如下两种方法。

1) 井震标定相关性分析方法。利用多井合成地震记录, 通过地震反射特征与合成地震记录的相似性分析, 评价处理成果资料振幅保真度。

2) 沿层地震属性与地质规律分析方法。通过对比沿层地震振幅属性与地质研究成果的符合程度, 找出符合程度较高的处理结果对应的处理方法和参数, 完善处理流程。

叠前保幅质控要求地震道集保持相对真实的AVO特征, 以满足复杂储层叠前预测的需要, 主要包括两个方面。

1) 保AVO属性的处理过程质控。选择标志层, 分别沿层提取关键处理步骤前、后的道集AVO属性, 对比分析AVO截距和梯度属性, 或者其它组合AVO属性交会图、AVO属性相关系数图, 以及AVO属性相关时移量等图件, 对关键处理步骤的AVO属性保持程度进行半定量评价。

2) 叠前正演AVO特征标定^[28]。利用测井全波和密度曲线进行叠前正演, 通过实际和正演道集的AVO属性对比, 分析地震道集的AVO特征保持质量。如选取特征明显的地震反射界面, 提取正演模拟结果的截距和梯度属性, 同时对比井旁实际偏移道集相应AVO属性和正演AVO道集的AVO属性, 定量分析实际地震道集是否可保持AVO特征。

多次波识别与压制一体化技术在四川盆地高石梯—磨溪地区灯影组气藏预测与描述中得到了规模应用, 累计推广应用9个工区, 面积15735km²。与以往处理的地震资料对比, 多次波压制后地震资料井震匹配程度大幅提高, 深层超深层地震成像质量显著改善。基于多次波压制后地震资料, 储层预测符合率提高20%以上, 优选有利区带1366.9km², 建议井位113口, 在灯影组气藏天然气探明与可采储量提交、改善开发效果、未来接替领域发现等方面都取得了显著成效。

GS1井区是一体化技术研究的试验区, 历经3年建立了整体技术框架, 开展了大量效果验证与评价分析工作^[20]。多次波压制处理后, 主要效果有3个方面: 一是地震剖面整体上反射结构更加符合地层特征, 在细节上, 地震分辨率更高, 小断层更为清晰; 二是井震匹配程度得到了大幅度提高, 统计10口探井测井合成记录与不同时期处理的地震资料的相关性可知, 多次波压制后新地震资料与所有井合成记录的相关系数都不同程度得到了提高, 平均相关系数分别从0.57, 0.62提高到0.74;三是地震保幅性得到提高, 地震资料能更好地反映出储层的地质特征。针对灯四上气藏建立了Ⅰ、Ⅱ类(高产和工业气井)井的地震响应模式, 基于地震波形分类储层预测符合率由以往的60%上升到90%, 5口后验开发井全部落在预测有利区, 平均测试产气64.3×10⁴m³/d, 高产气井比例达到100%, 有效支撑了高石梯灯四气藏可采储量的提交和动用。

在GS19井区, 层间多次波压制有效改善了地震资料品质, 井震相关系数提高了20%, 地震剖面中灯影组内幕出现“弱串珠”反射, 指示大型缝洞体, 有望成为川中地区天然气勘探和开发新领域^[29]。

图 10a为前期处理的老地震剖面, 灯四段内部存在较多的强能量连续反射(红色箭头所指), 综合分析证实为多次波干扰; GS7井钻井漏失的位置, 测井综合解释为0.9m高的大型洞穴, 其有效弱信号被多次波强反射屏蔽, 地震剖面上无法分辨。图 10b为多次波压制后的地震剖面, 灯四段内幕具有断续、弱能量的地震反射特征, GS7井洞穴底出现较强能量的串珠反射, 洞穴的地震响应得以很好的恢复。

图 10(Fig. 10)

图 10 GS19井区灯影组内幕新老地震剖面对比 a 前期处理的地震剖面; b 多次波压制处理后的地震剖面

根据新地震资料、缝洞识别等地震研究成果, 通过分析沿井轨迹储层发育变化的情况预测主要缝洞体分布位置, 支撑了2口大位移水平井的井眼轨迹优化设计和现场跟踪调整工作, 提高了优质储层钻遇率, 取得了较好的地质效果。2021年滚动勘探开发水平井GS103-C1井完钻, 在目的层钻进过程中油气显示频繁, 录井显示好, 灯四段录井解释气层389.6m/4层, 测试获日产气101.78×10⁴m³的高产气流, 是原井眼试气的6.5倍以上, 成为震旦系灯四台内第3口百万方气井。

在磨溪41井区, 应用一体化技术有效改善了地震资料品质, 消除了“似台缘带”反射^[30]。图 11为高石梯东三维前期处理和多次波压制处理后地震剖面对比图。前期处理的地震剖面中, 多次波干扰使深层寒武系和震旦系地层反射结构复杂化(图 11a蓝框), 容易被当作沉积界面解释为错误的地质模型, 如剖面右侧出现斜的强能量同相轴, 形成“似台缘带”的地震相特征。多次波压制处理后, 有效消除了此类“似台缘带”的地震反射(图 11b蓝框), 避免了勘探风险井位部署和钻探风险。

图 11(Fig. 11)

图 11 高石梯东三维前期处理的地震剖面(a)和多次波压制处理后的地震剖面(b)

多次波对川中超深层地震资料影响很大。以往处理的地震剖面上, 超深层主要为近水平状强能量反射, 地震同相轴振幅强、频率高、连续性好(图 11a红框), 对应层状地层为裂谷的地质和沉积模式, 与地震波传播规律及已钻井揭示的地层特征不符合。经过多次波压制处理后, 大部分近水平状强能量多次波被消除, 超深层整体表现出振幅弱、断续或近杂乱的反射特征, 局部高倾角的强能量反射连续性变好、成像更为清楚, 前震旦系地震成像总体展现出全新面貌, 见图 11b红框。多次波压制后的地震资料更加符合四川前震旦中、新元古代超深层为浅变质沉积岩和大规模火山喷发岩的地层特征, 为超深层的地质研究与油气勘探提供了更为可靠的基础资料^[27]。

由于层间多次波与一次波旅行时和速度差异小, 且受上覆地层结构影响大, 横向变化大、周期性复杂, 致使基于多次波与一次波差异的传统多次波压制技术难以奏效。分析了原因并形成了针对性的解决方案。

1) 整体思路没有跳出处理范畴, 既不知多次波产生的层位及其特征和影响程度, 也不知多次波压制后是否有益于提高地震解释精度。为此, 改变整体思路, 先通过多次波正演模拟识别多次波并分析其来源, 以此指导多次波的压制, 最后通过压制后是否有益于井震匹配程度的提高, 以及是否符合地质规律来判断压制效果, 使得压制过程有的放矢, 压制方法的选择有理有据, 压制结果不伤及有效波。

2) 在压制技术方面, 由于与一次波差异小, 且多数技术是针对海上资料提出的, 陆上资料适用性差。为此, 提出了利用已有解释成果约束压制过程, 改进压制技术, 解决了层间多次波与一次波差异小带来的瓶颈问题, 加上分步迭代、逐步逼近, 提高了压制效果。

3) 在压制处理质控方面, 由于没有多次波正演模拟技术, 无法评估多次波的影响程度, 因而不知如何质控。为此, 研发了基于反射率的多次波正演模拟与多次波发育强度预测技术, 实现了点、线、面完整的多次波压制处理质控。

由此可见, 层间多次波压制取得突破的核心是: 先识别, 后压制, 做好压制处理质控, 整个过程要面向解释, 用好已有解释成果, 实现处理解释一体化。需要指出的是, 层间多次波发育广泛, 随着勘探程度不断深入, 储层与非储层差异越来越小, 层间多次波的影响日益严重, 因此, 要加大多次波识别和压制处理技术研究和应用力度, 特别是要加强多次波正演模拟技术研究, 更准确地识别多次波, 以便更有效地指导多次波压制; 还要加强多次波压制新技术的研究和推广力度, 如提高基于逆散射序列的多次波压制技术的计算效率, 推动其在三维工区的应用等。