地震資料有效頻寬與分辨率的關系

陳 康 彭浩天 戴雋成 唐青松 何 冰 湯 聰 韓 嵩

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2. 中國石油西南油氣田公司氣田開發管理部

0 引言

隨著勘探對象的轉變，我國絕大多數油氣田進入巖性勘探階段。如何提高薄儲層的垂向分辨率一直是地球物理界的熱點話題[1]。對于地震勘探而言，垂向分辨率指的是垂直方向上區分兩個相鄰地質體最小間隔的能力，從理論上推斷一個地震反射波的分辨率極限是1/4波長[2]，但是在實際勘探中大套巖層背景下的薄儲層可能會超越分辨率極限。對于實際地震資料處理而言，通過提升主頻與拓展頻寬來改善地震資料分辨率仍是被業界廣泛接受的，在李慶忠1994年撰寫的《走向精確勘探的道路》一書中，明確指出了高分辨率地震資料處理應在有效頻寬（即信噪比大于1的頻率成分）范圍內討論，處理中應在有效信號充分保留的前提下根據分頻掃描剖面確定拓頻范圍[3]，這也是目前“雙高”（高保真高分辨率）處理所追求的。

但是目前大多數處理流程沒有完全秉承“雙高”理念，處理過程缺乏對低頻有效信號的保護以及對高頻端有效信號的充分挖掘，導致地震資料出現低頻缺失所帶來的假分辨率以及高頻端拓展后隨機噪音增加等現象。因此，如何正確理解地震資料低頻與高頻端有效信號作用并對其進行保護是獲得高分辨率處理的關鍵所在，本文以薄儲層楔狀模型正演為基礎分析地震子波主頻、頻寬與分辨率的關系，結合實際地震數據研究不同頻率成分有效信號對地震垂向分辨率的影響，并在此基礎上對實際工作如何提高地震數據有效頻寬提出可行策略。

1 地震子波主頻、頻寬與分辨率的關系

野外采集獲得的地震記錄道是地震波與反射界面共同作用的結果，過程中伴隨著噪聲，如果用褶積模型來表示：

式中X(t)為野外采集的實際地震記錄；W(t)為震源激發后產生的子波；R(t)為地下巖層的反射系數；G(t)為噪聲。

從式（1）可以發現唯一的不變量是反射系數，其大小與地層的阻抗相關，噪聲在經過保真處理后可以提升地震資料信噪比，但其只是高分辨率處理的基礎，并不能直接提升薄儲層分辨能力，因此分辨率的影響因素只能是地震子波。地震子波是由震源激發的尖脈沖經過大地濾波器濾波后在某一地層條件下形成的具有一定延續時間的較穩定波形，其形態隨地層變化而變化，從采集和處理的角度來看，地震子波受到激發接收、吸收衰減、資料處理等多種因素影響，實際工作中可以通過優化采集參數、反褶積以及子波整形等方式對其進行改造，以獲得能夠滿足地質需求的高分辨率資料。從過往的研究中可以發現，評價垂向分辨率的關鍵因素為地震子波的主頻與頻寬，對于一個子波來說，主頻為相鄰波峰（谷）之間時間間隔的倒數，其值可以描述子波的胖瘦，絕對頻寬為頻譜上最高頻率與最低頻率之差，其值可以描述子波的包絡，相對頻寬是最高最低頻率之比，其值可以描述子波的倍頻程，這兩個重要的因素將直接影響子波形態，進而影響其對薄儲層的分辨能力。結合模型正演可以進一步說明主頻與頻寬對分辨率的影響，圖1a是一個泥巖背景下的楔狀砂巖模型，其中孔隙度為12%，泥巖的模型參數為：縱波速度vp為4 500 m/s，橫波速度vs為2 300 m/s，密度ρ為2.48 g/cm3，砂巖模型參數為：縱波速度vp為4 250 m/s，橫波速度vs為2 450 m/s，密度ρ為2.45 g/cm3，分別用不同的主頻與頻寬的零相位子波對其進行正演模擬。

圖1 不同主頻與頻寬子波形態與頻譜特征圖

通過對正演剖面的分析能夠得出以下三個認識：①從相同頻寬不同主頻零相位子波正演模擬中可以發現，不同主頻的子波波長不同（圖1a、b），主頻越高的地震信號波長更短，調諧厚度越小，對薄層的識別能力更強（圖2c-h），20 Hz零相位子波正演剖面分辨率明顯低于40 Hz零相位子波正演結果，在薄砂體邊界出現由于調諧效應引起的反射假象（圖2c），這是由于波長的變化引起的；②從相同主頻不同頻寬零相位子波正演模擬中可以發現，不同頻寬的子波旁瓣能量不同（圖1c、d），頻寬越高的地震信號旁瓣能量更弱，調諧厚度越小，對薄儲層的識別能力越強，窄頻寬子波（圖1c綠色子波）的邊界處會產生較強的波峰（谷）（圖2i），這是由于旁瓣能量引起的。這兩個認識也解釋了目前在高分辨率處理中的追求，即在保真的前提下提升地震資料主頻、拓展頻帶范圍，盡可能將地震資料的子波壓縮成一個尖脈沖。

圖2 不同主頻與頻寬子波楔狀砂體正演模擬結果圖

2 不同頻帶有效信號對分辨率的影響

對于實際地震資料處理而言，可以通過帶通濾波、譜白化與反褶積等方法實現主頻的提升與頻寬的拓展，但成果剖面往往滿足不了地質需求，甚至出現信噪比降低、波形特征變化劇烈等現象。從處理方式來看，主頻提升與頻寬拓展的實質上是在改變地震資料不同頻帶內的信號能量，這一過程的核心是不同頻帶信號的有效性，即只有在有效信號能量大于噪聲能量的情況下提升的能量才是真實的，在此基礎上可以根據不同頻帶內反射特征采用濾波等方法改變地震資料主頻以滿足解釋需求。為進一步分析不同頻率成分有效信號對地震資料分辨率的影響，本文結合實際資料分頻掃描結果設計了濾波及拓頻試驗。

圖3是四川盆地致密砂巖氣藏分頻掃描剖面，圖4是圖3a局部放大后濾波與拓頻試驗結果，從中可以得到以下三點認識：①從圖3分頻掃描中可以發現，地震資料的有效頻寬是有限的，圖3中成果地震剖面有效頻寬分布范圍在10～65 Hz之間，不同頻段間地震反射特征有所差異，在全頻帶剖面中河道砂體亮點反射特征明顯（圖3a藍色箭頭處），低頻端主要反映整體趨勢（圖3b、c），高頻端主要體現反射細節（圖3e、f），當頻率成分高于60 Hz后隨機噪音占據主要成分，有效信號被淹沒其中（圖3g、h）；②通過圖4b、c濾波實驗可以發現，有效頻寬范圍內信號的缺失會引起分辨率下降或假分辨率現象，高頻有效信號缺失后砂體邊界成像不清晰，在邊界處產生調諧效應，這是由于子波形態發生改變引起的（圖4b黃色虛線框內），低頻有效信號缺失后同相軸數量增多，但是多出的同相軸與原始剖面不匹配，造成分辨率提高的假象（圖4c藍色虛線框內）；③從圖4d拓頻試驗可以發現，拓頻需在信號有效頻寬內進行，隨機噪音的能量是影響拓頻結果的直接原因，雖然疊后提頻將地震資料頻寬由10～65 Hz（圖4e）拓展到10～100 Hz（圖4h），但由于分頻掃描60 Hz以上地震信號以隨機噪聲為主，高頻端能量抬升后地震資料信噪比降低，拓頻后剖面出現同相軸斷續現象，影響后續解釋工作。

圖3 實際資料分頻顯示剖面圖

由此可得，有效頻寬范圍內信號能量是影響資料分辨率的關鍵，缺乏低頻端有效信號會導致地震信號的失真，缺失高頻端有效信號會造成地震資料分辨率的下降，但也不能過度拓展頻寬，應結合分頻掃描剖面確定有效頻寬范圍，避免出現假分辨率現象。

3 獲取高品質寬頻地震數據的處理策略

綜上可知，獲得高品質寬頻成果數據的實質是在處理過程中對地震資料低頻與高頻端的有效信號進行真振幅恢復，實際工作中可以從“雙高”處理入手，不斷提高地震資料質量。從文獻調研來看，目前大量方法都集中在高分辨率處理方向，即利用反褶積或子波整形等方法放大地震高頻端的有效信號能量[4-11]，并沒有從高保真的思路入手挖掘地震資料高低頻段弱有效信號潛力，因此本文討論的處理策略以高低頻段有效信號保護為切入點，并結合實際資料展示了處理效果。

3.1 低頻有效信號的保護

隨著巖性勘探的進程，近年來越來越多的學者意識到低頻信號的重要性[12-13]。對于地震資料處理而言，低頻信號的拓展可以降低子波旁瓣能量，提升薄層分辨能力，并且其具有良好的地層穿透力，可以提升巖性體邊界成像質量。對于地震反演而言，豐富的低頻有效信號會提升全波形反演精度，同時反演結果中的“低頻伴影”可以較好顯示油氣發育層系。

對于實際資料處理而言，低頻有效信號的保持對成像質量的提升有著非常重要的意義。以四川盆地火山巖發育區地震資料處理為例，火山巖對地震波傳播具有較強的屏蔽效應，由于在生產階段處理過程中未注意低頻有效信號的保護，成果地震資料通常出現下伏地層地震反射同相軸連續性差、能量弱等特點，嚴重制約了后續巖性與巖相精細刻畫工作。為了提升火山巖發育區成像質量，在后續攻關階段制定了基于低頻保護的寬頻保真處理流程，采用保低頻去噪、數據驅動的低頻自適應補償以及疊前Q偏移等技術，提升了火山巖發育區地震資料成像品質。圖5是攻關前后火山巖段剖面對比，從處理效果來看，攻關后地震資料信噪比有了明顯提升，低頻端能量由12 Hz拓展到8 Hz，火山巖頂底界面清晰，火山內幕波場聚焦程度較之前有較大改善（圖5b黃色虛線框內），火山通道成像質量提升（圖5b紅色箭頭處），為區域精細刻畫奠定了資料基礎。

圖5 火山巖發育區攻關前后連井對比剖面圖

3.2 高頻有效信號的潛力挖掘

從地震采集的角度來說，數字地震儀器中的低頻與高頻都會被充分記錄下來，只是這個過程中必然會伴隨著噪音干擾[14-15]，雙高處理對低頻端精細去噪的討論較為充分，大多數方法已經實現了大規模工業化應用，但是對于高頻端去噪而言還沒有特別可行的策略。高頻端干擾主要以隨機噪聲為主，除了從傳統信號分析角度出發找出噪音與有效信號之間的差異之外，如何深入挖掘資料潛力，提升高頻端資料信噪比，是實現拓展地震資料有效頻寬的重要前提。

以實際數據處理結果為例，不同去噪方式對于高頻端有效信號保持有著不同的效果，圖6是傳統去噪方法與基于數據驅動的人工智能去噪后水平疊加剖面濾波顯示結果，從原始資料來看高頻端有效信號極限在50 Hz左右（圖6c），60 Hz以上主要以隨機噪聲為主（圖6d），兩種去噪方法在全頻帶與低頻端波形差距不大（圖6e、i），其原因是低頻端能量比高頻段高出5～8倍引起的（圖6f、j），但是相較于常規去噪方法結果（圖6g、h黃色虛線框內），基于數據驅動的人工智能去噪結果在高頻段可以保留下更多的有效信號，去噪后同相軸地震反射特征明顯（圖6k、l黃色虛線框內），這種對地震數據潛力的充分挖掘也保證了后期高頻端能量拓展的有效性。

圖6 采用不同去噪方法后水平疊加剖面濾波顯示圖

4 結論

1）地震子波是影響地震垂向分辨率的關鍵，其主頻與頻寬直接影響子波形態，主頻越高，子波波長越短，對于薄層的地震響應越強。頻寬越高，地震子波旁瓣能量越弱，可以分辨尺度更小的地質體。

2）高分辨率處理實質是對地震資料低頻與高頻端有效信號進行真振幅恢復，整個過程應全程注意有效信號保持，低頻有效信號缺失會導致地震剖面缺失層次感，造成同相軸假象，高頻有效信號缺失會導致分辨率下降，并且在拓頻過程中應根據有效頻寬范圍精細設計參數，避免由于噪音帶來的成果資料品質下降問題。

3）地震資料的保真度是頻寬拓展的基礎，處理過程應挖掘地震資料高低頻段弱有效信號潛力，為后期有效頻寬的拓展奠定堅實的資料基礎。