地震资料有效频宽与分辨率的关系

陈 康 彭浩天 戴隽成 唐青松 何 冰 汤 聪 韩 嵩

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2. 中国石油西南油气田公司气田开发管理部

随着勘探对象的转变，我国绝大多数油气田进入岩性勘探阶段。如何提高薄储层的垂向分辨率一直是地球物理界的热点话题[1]。对于地震勘探而言，垂向分辨率指的是垂直方向上区分两个相邻地质体最小间隔的能力，从理论上推断一个地震反射波的分辨率极限是1/4波长[2]，但是在实际勘探中大套岩层背景下的薄储层可能会超越分辨率极限。对于实际地震资料处理而言，通过提升主频与拓展频宽来改善地震资料分辨率仍是被业界广泛接受的，在李庆忠1994年撰写的《走向精确勘探的道路》一书中，明确指出了高分辨率地震资料处理应在有效频宽（即信噪比大于1的频率成分）范围内讨论，处理中应在有效信号充分保留的前提下根据分频扫描剖面确定拓频范围[3]，这也是目前“双高”（高保真高分辨率）处理所追求的。

但是目前大多数处理流程没有完全秉承“双高”理念，处理过程缺乏对低频有效信号的保护以及对高频端有效信号的充分挖掘，导致地震资料出现低频缺失所带来的假分辨率以及高频端拓展后随机噪音增加等现象。因此，如何正确理解地震资料低频与高频端有效信号作用并对其进行保护是获得高分辨率处理的关键所在，本文以薄储层楔状模型正演为基础分析地震子波主频、频宽与分辨率的关系，结合实际地震数据研究不同频率成分有效信号对地震垂向分辨率的影响，并在此基础上对实际工作如何提高地震数据有效频宽提出可行策略。

野外采集获得的地震记录道是地震波与反射界面共同作用的结果，过程中伴随着噪声，如果用褶积模型来表示：

式中X(t)为野外采集的实际地震记录；
W(t)为震源激发后产生的子波；
R(t)为地下岩层的反射系数；
G(t)为噪声。

从式（1）可以发现唯一的不变量是反射系数，其大小与地层的阻抗相关，噪声在经过保真处理后可以提升地震资料信噪比，但其只是高分辨率处理的基础，并不能直接提升薄储层分辨能力，因此分辨率的影响因素只能是地震子波。地震子波是由震源激发的尖脉冲经过大地滤波器滤波后在某一地层条件下形成的具有一定延续时间的较稳定波形，其形态随地层变化而变化，从采集和处理的角度来看，地震子波受到激发接收、吸收衰减、资料处理等多种因素影响，实际工作中可以通过优化采集参数、反褶积以及子波整形等方式对其进行改造，以获得能够满足地质需求的高分辨率资料。从过往的研究中可以发现，评价垂向分辨率的关键因素为地震子波的主频与频宽，对于一个子波来说，主频为相邻波峰（谷）之间时间间隔的倒数，其值可以描述子波的胖瘦，绝对频宽为频谱上最高频率与最低频率之差，其值可以描述子波的包络，相对频宽是最高最低频率之比，其值可以描述子波的倍频程，这两个重要的因素将直接影响子波形态，进而影响其对薄储层的分辨能力。结合模型正演可以进一步说明主频与频宽对分辨率的影响，图1a是一个泥岩背景下的楔状砂岩模型，其中孔隙度为12%，泥岩的模型参数为：纵波速度vp为4 500 m/s，横波速度vs为2 300 m/s，密度ρ为2.48 g/cm3，砂岩模型参数为：纵波速度vp为4 250 m/s，横波速度vs为2 450 m/s，密度ρ为2.45 g/cm3，分别用不同的主频与频宽的零相位子波对其进行正演模拟。

图1 不同主频与频宽子波形态与频谱特征图

通过对正演剖面的分析能够得出以下三个认识：①从相同频宽不同主频零相位子波正演模拟中可以发现，不同主频的子波波长不同（图1a、b），主频越高的地震信号波长更短，调谐厚度越小，对薄层的识别能力更强（图2c-h），20 Hz零相位子波正演剖面分辨率明显低于40 Hz零相位子波正演结果，在薄砂体边界出现由于调谐效应引起的反射假象（图2c），这是由于波长的变化引起的；
②从相同主频不同频宽零相位子波正演模拟中可以发现，不同频宽的子波旁瓣能量不同（图1c、d），频宽越高的地震信号旁瓣能量更弱，调谐厚度越小，对薄储层的识别能力越强，窄频宽子波（图1c绿色子波）的边界处会产生较强的波峰（谷）（图2i），这是由于旁瓣能量引起的。这两个认识也解释了目前在高分辨率处理中的追求，即在保真的前提下提升地震资料主频、拓展频带范围，尽可能将地震资料的子波压缩成一个尖脉冲。

图2 不同主频与频宽子波楔状砂体正演模拟结果图

对于实际地震资料处理而言，可以通过带通滤波、谱白化与反褶积等方法实现主频的提升与频宽的拓展，但成果剖面往往满足不了地质需求，甚至出现信噪比降低、波形特征变化剧烈等现象。从处理方式来看，主频提升与频宽拓展的实质上是在改变地震资料不同频带内的信号能量，这一过程的核心是不同频带信号的有效性，即只有在有效信号能量大于噪声能量的情况下提升的能量才是真实的，在此基础上可以根据不同频带内反射特征采用滤波等方法改变地震资料主频以满足解释需求。为进一步分析不同频率成分有效信号对地震资料分辨率的影响，本文结合实际资料分频扫描结果设计了滤波及拓频试验。

图3是四川盆地致密砂岩气藏分频扫描剖面，图4是图3a局部放大后滤波与拓频试验结果，从中可以得到以下三点认识：①从图3分频扫描中可以发现，地震资料的有效频宽是有限的，图3中成果地震剖面有效频宽分布范围在10～65 Hz之间，不同频段间地震反射特征有所差异，在全频带剖面中河道砂体亮点反射特征明显（图3a蓝色箭头处），低频端主要反映整体趋势（图3b、c），高频端主要体现反射细节（图3e、f），当频率成分高于60 Hz后随机噪音占据主要成分，有效信号被淹没其中（图3g、h）；
②通过图4b、c滤波实验可以发现，有效频宽范围内信号的缺失会引起分辨率下降或假分辨率现象，高频有效信号缺失后砂体边界成像不清晰，在边界处产生调谐效应，这是由于子波形态发生改变引起的（图4b黄色虚线框内），低频有效信号缺失后同相轴数量增多，但是多出的同相轴与原始剖面不匹配，造成分辨率提高的假象（图4c蓝色虚线框内）；
③从图4d拓频试验可以发现，拓频需在信号有效频宽内进行，随机噪音的能量是影响拓频结果的直接原因，虽然叠后提频将地震资料频宽由10～65 Hz（图4e）拓展到10～100 Hz（图4h），但由于分频扫描60 Hz以上地震信号以随机噪声为主，高频端能量抬升后地震资料信噪比降低，拓频后剖面出现同相轴断续现象，影响后续解释工作。

图3 实际资料分频显示剖面图

由此可得，有效频宽范围内信号能量是影响资料分辨率的关键，缺乏低频端有效信号会导致地震信号的失真，缺失高频端有效信号会造成地震资料分辨率的下降，但也不能过度拓展频宽，应结合分频扫描剖面确定有效频宽范围，避免出现假分辨率现象。

综上可知，获得高品质宽频成果数据的实质是在处理过程中对地震资料低频与高频端的有效信号进行真振幅恢复，实际工作中可以从“双高”处理入手，不断提高地震资料质量。从文献调研来看，目前大量方法都集中在高分辨率处理方向，即利用反褶积或子波整形等方法放大地震高频端的有效信号能量[4-11]，并没有从高保真的思路入手挖掘地震资料高低频段弱有效信号潜力，因此本文讨论的处理策略以高低频段有效信号保护为切入点，并结合实际资料展示了处理效果。

3.1 低频有效信号的保护

随着岩性勘探的进程，近年来越来越多的学者意识到低频信号的重要性[12-13]。对于地震资料处理而言，低频信号的拓展可以降低子波旁瓣能量，提升薄层分辨能力，并且其具有良好的地层穿透力，可以提升岩性体边界成像质量。对于地震反演而言，丰富的低频有效信号会提升全波形反演精度，同时反演结果中的“低频伴影”可以较好显示油气发育层系。

对于实际资料处理而言，低频有效信号的保持对成像质量的提升有着非常重要的意义。以四川盆地火山岩发育区地震资料处理为例，火山岩对地震波传播具有较强的屏蔽效应，由于在生产阶段处理过程中未注意低频有效信号的保护，成果地震资料通常出现下伏地层地震反射同相轴连续性差、能量弱等特点，严重制约了后续岩性与岩相精细刻画工作。为了提升火山岩发育区成像质量，在后续攻关阶段制定了基于低频保护的宽频保真处理流程，采用保低频去噪、数据驱动的低频自适应补偿以及叠前Q偏移等技术，提升了火山岩发育区地震资料成像品质。图5是攻关前后火山岩段剖面对比，从处理效果来看，攻关后地震资料信噪比有了明显提升，低频端能量由12 Hz拓展到8 Hz，火山岩顶底界面清晰，火山内幕波场聚焦程度较之前有较大改善（图5b黄色虚线框内），火山通道成像质量提升（图5b红色箭头处），为区域精细刻画奠定了资料基础。

图5 火山岩发育区攻关前后连井对比剖面图

3.2 高频有效信号的潜力挖掘

从地震采集的角度来说，数字地震仪器中的低频与高频都会被充分记录下来，只是这个过程中必然会伴随着噪音干扰[14-15]，双高处理对低频端精细去噪的讨论较为充分，大多数方法已经实现了大规模工业化应用，但是对于高频端去噪而言还没有特别可行的策略。高频端干扰主要以随机噪声为主，除了从传统信号分析角度出发找出噪音与有效信号之间的差异之外，如何深入挖掘资料潜力，提升高频端资料信噪比，是实现拓展地震资料有效频宽的重要前提。

以实际数据处理结果为例，不同去噪方式对于高频端有效信号保持有着不同的效果，图6是传统去噪方法与基于数据驱动的人工智能去噪后水平叠加剖面滤波显示结果，从原始资料来看高频端有效信号极限在50 Hz左右（图6c），60 Hz以上主要以随机噪声为主（图6d），两种去噪方法在全频带与低频端波形差距不大（图6e、i），其原因是低频端能量比高频段高出5～8倍引起的（图6f、j），但是相较于常规去噪方法结果（图6g、h黄色虚线框内），基于数据驱动的人工智能去噪结果在高频段可以保留下更多的有效信号，去噪后同相轴地震反射特征明显（图6k、l黄色虚线框内），这种对地震数据潜力的充分挖掘也保证了后期高频端能量拓展的有效性。

图6 采用不同去噪方法后水平叠加剖面滤波显示图

1）地震子波是影响地震垂向分辨率的关键，其主频与频宽直接影响子波形态，主频越高，子波波长越短，对于薄层的地震响应越强。频宽越高，地震子波旁瓣能量越弱，可以分辨尺度更小的地质体。

2）高分辨率处理实质是对地震资料低频与高频端有效信号进行真振幅恢复，整个过程应全程注意有效信号保持，低频有效信号缺失会导致地震剖面缺失层次感，造成同相轴假象，高频有效信号缺失会导致分辨率下降，并且在拓频过程中应根据有效频宽范围精细设计参数，避免由于噪音带来的成果资料品质下降问题。

3）地震资料的保真度是频宽拓展的基础，处理过程应挖掘地震资料高低频段弱有效信号潜力，为后期有效频宽的拓展奠定坚实的资料基础。

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