疊前散射波形態濾波分離方法

張羽茹，張志軍，李堯，肖廣銳

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

0 引言

隨著勘探程度的不斷加深，斷層、裂縫、孔洞、尖滅等小尺度地質體對于油氣勘探至關重要，而散射波場能夠精確刻畫這些非均質的小尺度地質體[1-2]。渤中A凝析氣田目的層主要為太古界變質巖潛山[3]，平均埋深為4500 m，上覆砂礫巖、火成巖，內幕地質體難以準確識別。常規基于反射波處理的地震資料信噪比低，且潛山地震速度建模精度低，潛山內幕地震反射難以準確歸位，成像效果差，僅依靠反射信息難以有效預測內幕裂縫儲層的展布規律。在地震數據處理過程中，散射波場常視為噪聲而被濾除。為充分利用散射波場信息，在疊前將散射波從全波場數據中分離出來，單獨偏移成像，能夠有效提高非均質小尺度地質體成像分辨率。

地球物理學家Krey[4]最早在研究斷層、尖滅等不連續地質體時發現反射波與散射波混疊。近幾十年來，對散射波的重視程度不斷加深，根據散射波場的動力學和運動學特征，學者們提出眾多疊后、疊前散射波分離方法。常規疊后提取方法主要通過識別散射波在疊加或偏移剖面上的振幅、相位等特征與反射波的差異，進行散射信息分離，如基于共反射面的分離方法[5]、基于偏移傾角域的分離方法[6-10]和主成分分析法[11]、擴散濾波方法[12]等。疊前散射波分離方法主要有基于不同域內的傾角濾波分離方法[13-16]、基于平面波域的濾波分離方法[17-18]等，主要利用了變換域內反射波與散射波存在的特征差異實現反射波與散射波的分離。

近年來，基于傾角濾波的分離方法被廣泛應用，其主要利用變換域內散射波與反射波的傾角差異進行濾波，但散射波能量損失大，成像后保幅效果差，且變換過程中易產生假頻噪聲，導致散射波場包含大量噪聲干擾，難以在處理過程中濾除。2016年，陳杰[19]首次將數學形態學方法應用于疊后散射波場分離，取得了較好效果。

本文提出在疊前共炮檢距道集上利用形態濾波實現散射波分離。首先在疊前共炮檢距道集分析、確定散射波與反射波的形態特征差異，散射波表現為雙曲線，反射波則表現為線性；然后利用這一形態差異構建直線形結構元素；再沿空間方向做形態濾波，獲得反射波；最后將反射波從原始波場中減去，就得到了散射波。模型正演數據測試驗證了本文方法的有效性，避免了常規傾角濾波方法導致的散射波能量損失大的問題。

將本文方法應用于渤中A凝析氣田太古界潛山內幕地震資料，散射波成像結果能夠有效預測潛山內幕裂縫儲層的展布規律，與已鉆井結果吻合，為渤中A凝析氣田太古界潛山的勘探開發提供了有力的支持。

1 方法原理

數學形態學濾波是一種信號處理方法，為膨脹、腐蝕、開啟和閉合四個基本運算的平均組合，運算過程是求矩陣的極小和極大。王潤秋等[20-21]將數學形態學引入地震資料處理中并得到廣泛應用，為使用形態濾波方法進行地震信號處理提供了理論基礎。

將任意時刻的共炮檢距道集地震數據記為g={g(n′)}，n′∈[0，M]，M為道數；將結構元素記為s={s(n)}，n∈[-N，N]，2N為結構元素寬度。

將用s對g進行膨脹運算定義為

g⊕s=max{g(n′-n)+s(n)}

(1)

式中“⊕”為膨脹運算符。膨脹運算可以表述為反折、平移結構元素與地震數據對應求和再求極大。

用s對g進行腐蝕運算定義為

gΘs=min{g(n′+n)-s(n)}

(2)

式中“Θ”為腐蝕運算符。腐蝕運算可以表述為反折、平移結構元素與地震數據對應求差再求極小。

開啟運算和閉合運算是膨脹和腐蝕運算的組合。用s對g進行開啟運算定義為

g°s=(gΘs)⊕s

(3)

式中“°”為開啟運算符。用s對g進行閉合運算定義為

g?s=(g⊕s)Θs

(4)

式中“?”為閉合運算符號。

數學形態學濾波可表示為開啟運算和閉合運算的組合再取平均，即

(5)

由式(5)可以看出，結構元素是形態濾波方法的唯一變量，影響濾波效果。所以，針對不同的信號選取不同的結構元素進行濾波至關重要，以達到最好的分離效果。

結構元素可以是任意形態的信號，但考慮到地震信號的波形特征，定義結構元素為非凹函數，并關于原點對稱。常使用的三種結構元素：直線形結構元素、半橢圓形結構元素和三角形結構元素，分別為

s1(x)=A

(6)

(7)

(8)

式中：A是高度，對應地震信號的振幅；W是結構元素寬度，對應地震信號的道數。

假設結構元素的高度和寬度分別為1和11，常用的三種結構元素如圖1所示，可以看出皆為非凹圖形。三種結構元素形態特征有差別，改變其形狀、高度和寬度可以影響濾波效果。

圖1 常用的三種結構元素

在疊前共炮檢距道集上，散射波與反射波的顯著差異是時距曲線形態不同，后者為直線，前者為雙曲線，根據這一明顯差異，本文選擇直線形結構元素。

結構元素的形態尺度是數學形態學濾波方法分離散射波與反射波的關鍵，越接近信號的形態尺度，越能分離出完整的信號。結構元素的選取要根據實際地震數據測試具體參數，以達到最好濾波效果。

用直線形結構元素沿空間方向對地震數據進行數學形態學濾波，可獲得反射波數據；用原始地震數據減去反射波數據，就得到散射波。

2 數據測試

2.1 模型數據測試

為了直觀表征散射波分離和成像效果，設計了簡單層狀模型(圖2)。三層的速度分別為3000、3500、4000 m/s，密度使用經驗公式計算。在第一分界面上每隔1000 m加入三個直徑為15 m的孔洞，速度為4000 m/s； 在第二層中部每隔500 m加入直徑為5、10、15、20、30 m的五個孔洞，相隔1000 m加入一破碎帶，速度均為4000 m/s； 第二界面存在四條斷層。使用主頻為30 Hz的Ricker子波，利用聲波方程正演了141炮數據，起始炮點位于(0，0)，炮間距為50 m，道間距為25 m，最小炮檢距為0，最大炮檢距為3000 m，單邊接收，時間采樣間隔為2 ms。抽取炮檢距為1500 m的道集，如圖3所示。

對比圖2與圖3可以看出，水平地層、大斷層在全波場中表現為反射波，形態特征為直線?？锥?、破碎帶等小的地質體表現為散射波，形態特征為雙曲線，能量明顯弱于反射波，較難以分辨。

圖2 簡單模型

圖3 簡單模型正演的共炮檢距道集

用直線形結構元素對共炮檢距道集數據沿空間方向進行形態濾波，分離后的散射波和反射波如圖4a所示，與傾角濾波方法的分離結果(圖4b)相比，形態濾波方法分離的散射波頂點能量損失更小，波場更完整，精度更高。與全波場疊前時間偏移剖面(圖5a)相比，散射波成像結果(圖5b、圖5c)對小尺度、非均勻地質體，如孔洞、破碎帶、斷層等不連續地質體，具有明顯的成像優勢?；谛螒B濾波的散射波成像結果(圖5c)由于保留了更豐富的散射波信息，與圖5b相比，能量更強。

圖4 模型數據形態濾波(a)和傾角濾波(b)分離的散射波(左)與反射波(右)結果

圖5 模型數據成像結果對比

2.2 實際資料應用

受構造運動影響，渤中A凝析氣田太古界潛山內幕裂縫儲層發育。成像測井解釋內幕裂縫密度為2～5條/m，走向以北東向為主，傾角范圍為38°～55°。內幕裂縫儲層速度為4800～5300 m/s，密度為2.55～2.65 g/cm3，孔隙度為0.2%～21.9%(均值為4.4%)，滲透率為(0.003～614.784)×10-3μm2(均值為5.050×10-3μm2)，非均質性強。在基于反射波處理的地震資料中，潛山內幕整體呈雜亂斷續反射特征，局部可見明顯斷續、高陡反射特征，受散射影響較大，難以準確預測裂縫儲層。

圖6a為渤中A凝析氣田的共炮檢距(1500 m)道集，存在散射波和反射波，但散射波能量明顯較弱，且深層地震信號更弱，難以識別有效波場信息。利用局部傾角濾波方法分離的散射波如圖6b所示，能夠有效提取深層的散射波能量，但散射波斷續，在反射波與散射波重合處，散射波很難有效分離。利用形態濾波方法分離的散射波如圖6c所示，同樣能夠有效提取深層的散射波能量，與圖6b相比，散射波保留得更完整，更有利于非均質地質體的成像。

圖6 實際資料不同方法分離的散射波共炮檢距道集對比

圖7a為原始的全波場數據疊前時間偏移剖面，潛山內幕裂縫帶表現為雜亂斷續反射，高陡反射不明顯，裂縫儲層發育處反射能量弱，無法準確識別裂縫儲層。局部傾角和形態濾波法分離的散射波成像結果分別如圖7b、圖7c所示，內幕裂縫帶表現為高陡反射，分辨率高，儲層發育處散射波能量強，能有效表征裂縫儲層發育特征，改善了深層斷裂與裂縫發育帶的成像效果。與圖7b相比，圖7c對高陡斷裂、裂縫帶等非均質體的成像更清晰，為深層不同尺度裂縫儲層精細表征提供了較好的資料基礎。

圖7 實際資料不同方法分離的散射波偏移剖面對比

通過提取平面振幅屬性并對比潛山面構造特征與已鉆井結果，進一步驗證本文方法裂縫儲層的表征效果。通過地震構造解釋獲得潛山面的構造圖如圖8a所示，1、2、3井均靠近斷層，但1、2井在構造高點，3井在斜坡上。對使用形態濾波方法提取的散射波數據成像結果沿潛山面以下50 ms提取時窗長度為200 ms的均方根振幅，得到潛山內幕的散射波振幅屬性，如圖8b所示。1井處于大范圍裂縫發育區的構造高點，儲層發育；2井裂縫也相對發育；3井處，裂縫較不發育。1、2和3井的鉆、測井結果如圖9所示，1、2和3井在潛山內幕鉆遇裂縫儲層的凈毛比分別為18.4%、14.5%和8.7%。分析圖8、圖9可以看出，裂縫帶儲層主要集中發育在構造高部位和斷層附近。平面振幅屬性與構造圈閉、三口已鉆井結果吻合較好?；谛螒B濾波的潛山內幕裂縫儲層預測結果為渤中A凝析氣田井位部署提供了技術支持。

圖8 潛山頂面構造圖(a)與內幕裂縫儲層分布預測結果(b)

圖9 1、2和3井的太古界鉆、測井解釋結果

3 結論

本文利用反射波與散射波的形態差異構建直線形結構元素，在疊前共炮檢距道集沿空間方向進行形態濾波，實現了散射波與反射波的分離。由模型和實際地震資料處理結果可得出以下結論。

(1)相較于常規基于傾角濾波的散射波分離方法，本文的基于形態濾波分離方法得到的散射波場較完整，精度更高，改善了散射波的分離效果。

(2)對于潛山內幕裂縫帶儲層，常規反射波方法表征效果差、精度低；本文方法的散射波成像結果保留了更多的由于地層非均質性引起的散射信息，有效改善了潛山內幕成像效果。

(3)與反射波成像相比，散射波成像分辨率高，高陡界面成像清晰，可用于描述裂縫帶儲層，對海上潛山勘探、評價具有較高的應用、推廣價值。