塔里木盆地顺北地区断溶体油气藏的发现, 使得断控缝洞型储层成为奥陶系碳酸盐岩油气勘探重要领域之一。研究认为巴麦地区也具备形成断控缝洞型储层的地质条件, 但由于奥陶系地层的弱有效信号受多套层间多次波干扰, 导致地震资料不能准确成像且信噪比低, 故有效落实断控缝洞型储层面临挑战。

层间多次波的有效压制成为研究区地震资料准确成像的关键。目前层间多次波压制方法主要包括两大类: 一是基于层间多次波与有效波之间的差异性、可分离性和周期性的滤波法, 以多次波和有效波具有明显的特征差异为前提, 如高分辨率Radon变换^[1]、抛物线Radon变换^[2]等方法; 二是基于波动理论的预测相减法, 以地震速度场模型为基础, 根据层间多次波产生的机理进行预测与衰减, 如波场延拓法^[3]、反馈迭代法^[4]、逆散射级数法^[5]等。在实际地震资料处理中, 这些方法均得到了广泛的应用, 取得了良好的效果。薛亚茹等^[6]利用高阶稀疏Radon变换自适应相减法有效压制多次波, 并保留了一次波振幅AVO特征; 杨金龙等^[5]利用逆散射级数法对自由表面多次波和层间多次波进行有效压制, 提高了地震资料的成像品质。

前期在巴麦地区针对层间多次波压制进行了多轮次的技术攻关, 但是效果并不理想, 现有压制技术不能很好地满足受多套层间多次波不规则干扰的低信噪比地震资料成像需求。本文在利用VSP资料对层间多次波标定的基础上, 结合正演模拟对其产生的必要条件、发育特征及对有效反射的影响进行了梳理和深入分析, 识别出多套层间多次波“源-镜”组合, 并依据其分布特征的可预测性和剖面频率特征的差异性, 形成了“两步法”层间多次波叠后压制技术, 较好地解决了奥陶系低信噪比地震资料层间多次波的压制问题, 有效提升了地震资料成像质量。

地震波在地层中传播时产生有效波的同时也会在特殊地质条件下产生一次以上的反射波, 后者被定义为多次波^[5], 包括自由表面多次波和层间多次波两种类型。自由表面多次波在走时、波组产状等方面与一次波具有明显的差异^[6], 可以利用现有的技术手段对其进行较好的压制; 而层间多次波这些特征不明显, 叠加到一次波信息中不易被识别和压制。

VSP资料为多次波的识别和压制提供了依据, 可用于追踪层间多次波, 并确定其产生层位、传播路径及对有效波场的干扰程度等^[7]。针对塔里木盆地巴麦地区的地震资料, 利用邻区VSP走廊叠加剖面对奥陶系地层标定时发现两者的波组特征不匹配, 分析认为层间多次波的干扰导致了有效波的振幅、频率和相位特征均发生了明显变化(图 1a); 同样地, 在上行波走廊剖面上, 层间多次波对有效波的干扰作用更明显, 造成了如地震反射的加强、削弱、相位变化和产状不一致等系列现象(图 1b)。基于层间多次波不能延伸到直达波的认识^[7], 结合上行波同相轴的变化与强界面的对应关系, 认为二叠系火成岩、石炭系小海子组灰岩和石炭系标准灰岩等强反射界面和不整合面是形成层间多次波的主要原因(图 1b)。

图 1(Fig. 1)

图 1 层间多次波VSP标定分析 a 走廊叠加剖面标定; b 上行波剖面标定

依据层间多次波标定结果, 建立速度分别为v₁, v₂, v₃的水平层状模型(图 2a), 开展弹性波动方程正演模拟, 分析层间多次波能量与地层界面反射系数的变化关系。结果表明, 两个及以上强波阻抗界面是产生层间多次波必要条件, 波组特征较为明显的一阶层间多次波是主要的干扰波, 可以根据层间多次波与强反射界面的“源-镜”关系对其空间位置进行预测, 二阶及以上层间多次波受吸收衰减作用影响, 能量较弱可以忽略不计(图 2b); 层间多次波的振幅大小与顶、底界面的反射系数(r₁, r₂)和极性组合相关, 当-0.2≤r₁ < 0且r₂=0.2时, 层间多次波极性始终与顶界反射波相反, 二者振幅(绝对值)成正比, 最大为顶界反射系数的0.064倍; 当r₁≥0且r₂=0.2时, 上行地震波透射作用强, 基本不产生多次波(图 2c)。上述分析表明, 反射系数上负下正强界面组合会产生较强的层间多次波。

图 2(Fig. 2)

图 2 层间多次波特征正演模拟分析 a 水平层状模型; b 反射系数r1变化时模拟记录(v1=2 000~6 000 m/s; v2=4 000 m/s; v3=6 000 m/s); c 多次波振幅与顶界反射系数曲线

本研究区地震资料由于受层间多次波的改造和地层吸收衰减作用影响, 导致奥陶系层间多次波干扰尤为突出。根据层间多次波产生的必要条件, 在巴麦地区奥陶系上覆碎屑岩地层中识别出由火成岩、灰岩等高速层与碎屑岩低速层形成的多套层间多次波的“源-镜”组合。二叠系火成岩-巴楚组标准灰岩组合产生的多次波改变了奥陶系顶界面T72的有效反射, 导致Y1, Y2井的良里塔格组T72界面分别被标定在两个不同的同相轴上, 存在串轴现象, 且剖面视频率明显高于正常地层视频率; 二叠系不整合面-小海子灰岩组合产生的层间多次波继承并放大了二叠系顶界面的地层倾角特征, 与有效反射波叠加改变了正常的地层产状, 所得地震资料同相轴较为破碎, 信噪比低(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 研究区层间多次波识别结果

考虑巴麦地区地震资料中层间多次波的“源-镜”组合、振幅及频率特征、剖面产状等因素, 主要从两个方面进行低信噪比地震资料层间多次波的压制: 一是基于层间多次波空间分布稳定性, 进行层间多次波的匹配分离; 二是基于层间多次波频率特性和地震资料的低信噪比特点, 开展基于地质目标成像优势的频率信息提取与增强, 最终实现断裂及断控储集体成像质量的提高。

已钻井资料证实火成岩、灰岩等高速层和相邻碎屑岩地层的厚度、岩性、岩石物理参数在区域上分布相对稳定, 进而可以推断由强反射界面组合产生的层间多次波相对稳定, 这为层间多次波匹配分离奠定了基础。

利用匹配追踪方法^[8]在超完备时频原子库字典中搜索与地震信号最匹配的子波, 以实现信号自适应分解, 而后将其表达为所匹配时频原子的线性组合, 其具有良好的地震数据稀疏表示特性和较强的抗噪能力。上述方法广泛应用于油气勘探领域, 如OVT域五维插值^[9]、多域联合地震反演^[10]、地震信号去噪^[11]和强反射分离等^[12], 取得了良好的应用效果, 经典匹配追踪算法的基本数学原理可以表示为:

式中: $\hat {\boldsymbol{a}}$ 为地震信号的稀疏表示系数矩阵; a为对应的列向量; S为原始地震信号; δ为匹配追踪算法中的稀疏约束系数; D为超完备稀疏表示字典, 是一系列时频原子的集合, 通过对母小波作时间延迟、频率调制、相位调制可以得到。D的表达式如下:

式中: m_γ(t)为子波字典中的母小波; m_{γ=(u, ω, φ)}(t)为经过时间u、频率ω以及相位φ调制后的匹配原子; γ=(u, ω, φ)为小波字典的控制参数集合。

本文利用匹配追踪算法实现了层间多次波虚同相轴的构建与分离, 主要包括6个步骤:

1) 在对本研究区奥陶系上覆地层中满足条件的强反射界面进行精细标定及解释后, 根据层间多次波与强反射界面的“源-镜”关系, 预测可能发育层间多次波的空间位置, 构建其虚反射界面^[13](图 3);

2) 以虚反射界面为约束条件, 提取其局部匹配子波的频率、相位及振幅的模糊信息, 构建相关的超完备稀疏表示字典D;

3) 计算地震数据虚反射界面处对应振幅包络位置的瞬时频率属性, 并检索D, 通过计算子波相关系数, 获取匹配原子参数m_{γ=(u, ω, φ)}(t);

4) 利用阻尼最小二乘法确定匹配原子对应的地震振幅响应信息, 基于层间多次波虚反射界面获得匹配层间多次波反射S₀;

5) 层间多次波匹配分离S_new, S_new=S-λ*S₀, 其中, λ为比例因子, *为卷积;

6) 重复上述步骤, 直到已识别的层间多次波全部分离。

本研究区实际资料分析表明地震波在传播过程中衰减严重, 奥陶系有效信号弱、频率低于上覆地层产生的层间多次波, 通过叠加改造可以使得地震剖面视频率明显高于正常地层视频率。以地质目标为导向的地震优势频率信息补偿或提取, 可以有效改善地震资料的成像品质, 靳中原等^[14]利用低频信息提高构造成像精度; 刘仕友等^[1]采用低频约束的Radon变换有效地压制多次波; 丁燕等^[15]通过补偿深层碳酸盐岩裂缝储层弱信号10 Hz以下的频率成分, 有效提升了深层弱信号成像质量等。

将上述认识和模型正演分析结果相结合, 认为在相同噪声背景下低频占优势的地震资料保真性更好, 对应的反射波和绕射波特征更为清晰, 有利于随机噪声压制, 为较高频率的层间多次波压制提供了可能。

首先, 低频反射波具有更高的振幅分辨率和保真性, 有利于提高薄层异常的识别描述精度。以不同频带宽带雷克子波^[16]模拟厚度为0~48 m的薄层的振幅调谐曲线, 当厚度小于1/4波长时, 低频信息占优势的地震信号产生的调谐振幅与厚度的关系一一对应(图 4a), 而且在吸收衰减后表现为“高频衰减低频共振”特征, 低频信号保存得更完整(图 4b), 有利于低信噪比地区地质异常体准确成像; 反之, 当厚度大于1/4波长时, 受薄层调谐作用的影响, 反射振幅与薄层的厚度对应关系具有多解性。

图 4(Fig. 4)

图 4 薄层振幅响应及衰减特征模拟分析结果 a 薄层振幅调谐曲线; b 衰减前、后频谱特征分析

其次, 低频绕射波继承了反射波振幅频率特性, 更有利于地质异常体成像。分别利用含有3%随机噪声的5~60 Hz和25~60 Hz带通雷克子波激发、模拟不同频带范围的地震波遇到岩性突变点时反射波和绕射波特征, 结果如图 5a所示。我们发现在突变点处会产生反射波和相位相差180°的正负两支绕射波, 其能量远小于反射波, 但两者的频率特征却具有较好的一致性, 且在相同条件下低频占优势的震源激发产生的绕射波信号能量更强(图 5b)。

图 5(Fig. 5)

图 5 地震低频信息特征模拟分析 a 地震子波模拟结果; b 反射波/绕射波频谱特征; c 优势频率信息提取前、后频谱对比结果; d 绕射波/反射波振幅比值分析结果

最后, 对于25~60 Hz子波模拟结果, 利用带通滤波器提取优势频率信息后发现, 反射波和绕射波的主频均向低频端移动, 高频噪声得到压制(图 5c), 绕射波与反射波能量比值得到一定程度的提升, 在有效频带内突出了绕射波信息(图 5d), 有利于断裂、碳酸盐岩缝洞型储层的成像, 也证实了地震优势频率信息的提取能够有效压制噪声, 提高成像精度。

本研究区中Y1井区奥陶系鹰山组断控缝洞型储层是主要勘探目标, 但受多套层间多次波干扰, 地震资料信噪比低, 断裂及储层地震反射特征不清晰, 已实施的两口探井在鹰山组上段均未钻遇规模储层, 只有Y2井在鹰山组下段钻遇Ⅱ类裂缝-孔洞型储层39 m, 而且志留系、奥陶系顶界面有明显的串轴现象, 综合解释多解性强(图 6a)。

图 6(Fig. 6)

图 6 层间多次波压制前(a)、后(b)剖面

已钻遇地层岩性及速度统计分析表明, 研究区发育二叠系火成岩、石炭系南闸组-小海子组灰岩、巴楚组标准灰岩和生屑灰岩等高速层和大型的不整合面, 与碎屑岩地层形成的强反射界面绝对反射系数均大于0.15, 满足层间多次波产生的必要条件。依据可能的“源-镜”组合, 共预测出层间多次波可能发育9个虚反射界面。按上述思路对叠后地震资料进行处理, 层间多次波得到了有效压制, 如奥陶系顶界面及内部结构、海米东逆冲断裂带、走滑断裂及沿着断裂带发育缝洞型储层的成像质量都得到了明显提升, Y1与Y2井良里塔格组顶面标定界面统一, 消除了串轴现象, 突出了断控储集体反射特征(图 6b)。

提取奥陶系鹰山组下段的相干和振幅变化率属性, 可以看出与压制前的原始属性(图 7a)相比, 海米东断裂带的断点及分段特征更清晰。沿走滑断裂带发育的碳酸盐岩缝洞型储层强振幅反射特征明显, 并且与研究区两口钻井在鹰山组下段的储层钻遇情况吻合良好(图 7b)。

图 7(Fig. 7)

图 7 层间多次波压制前(a)、后(b)奥陶系鹰山组下段碳酸盐岩缝洞储层识别效果对比

本文从有效波和层间多次波波场特征出发, 提出了“两步法”层间多次波叠后压制方法, 并给出了具体的处理思路。该方法通过产生层间多次波的“源-镜”关系, 预测影响地质目标成像的主要层间多次波, 进行基于匹配分离和优势频率提取的层间多次波精准压制, 从而达到提升奥陶系构造、断裂和缝洞型储层成像精度的目的, 方法简便易实现。实际地震资料处理结果表明, 该方法可以有效压制地震资料中层间多次波, 改善成像品质, 对“源-镜”关系明确的低信噪比地震资料处理成像具有广阔的应用前景。