基于目标性滤波器的倾角道集绕射体成像

doi:10.11720/wtyht.2020.1344

基于目标性滤波器的倾角道集绕射体成像

郝爽¹^,²^,³

1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100083

2. 中国石化弹性波理论与探测技术重点实验室,北京 100083

3. 中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083

Seismic dip gathers imaging based on target dip filter for diffraction energy

HAO Shuang¹^,²^,³

1. State Key Laboratory of Oil and Gas Enrichment Mechanism and Effective Development of Shale,Beijing 100083,China

2. Sinopec Key Laboratory of Elastic Wave Theory and Detection Technology,Beijing 100083,China

3. Sinopec Petroleum Exploration and Development Research Institute,Beijing 100083,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2019-07-8 修回日期: 2020-03-5 网络出版日期: 2020-06-20

基金资助:

“十三五”国家重大科技专项“陆相页岩油甜点地球物理预测模块集成”. 2017ZX05049002-005

Received: 2019-07-8 Revised: 2020-03-5 Online: 2020-06-20

作者简介 About authors

郝爽(1986-),女,工程师,主要从事地球物理数据处理与解释工作等。Email:haoshuang.syky@sinopec.com 。

摘要

利用绕射能量对地下异常地质体进行精确成像是近年地震勘探的突破性技术进展之一。通过对倾角道集滤波后叠加成像,是有效利用地震绕射信息的主要技术手段。本文应用灵活和高效的计算方法生成倾角成像道集,同时设计高效倾角目标性滤波器,应用于倾角成像道集,通过模型试算分析反射能量和绕射能量在倾角道集中的区别与联系,实现更高效的绕射能量与反射能量的滤波分离。中国西北地区缝洞型油气储集体对绕射波比较敏感,通过对该区的实际数据应用测试,实现了更加节省计算时间同时具有更高成像精度绕射波成像的效果。

关键词： 倾角成像道集 ; 目标性滤波器 ; 绕射能量 ; 缝洞型储层

Abstract

Accurate imaging of subsurface anomalous geological bodies with diffraction energy is one of the breakthrough technologies in seismic exploration in recent years.Stacking the dip gather after effective filtering is the main technical means to effectively utilize the seismic diffraction information.In this paper,the authors improved the calculation method of dip domain common image gathers in a more flexible and efficient way and,through model test,analyzed the differences and relations between reflected energy and diffracted energy in DDCIG(Dip Domain Common Image Gathers).Then,a new target dip filter was designed for dip domain common image gathers to achieve better diffraction information.The authors testified the new methods both on a model data and on actual production data of beaded reservoir in Northwest China which highly demands diffracted imaging.With achieving better diffraction energy, the authors finally succeeded in improving imaging for weak diffraction geological body with less calculation time.

Keywords： dip domain common image gathers ; target dip filter ; diffraction energy ; beaded reservoir

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本文引用格式

郝爽. 基于目标性滤波器的倾角道集绕射体成像. 物探与化探[J], 2020, 44(3): 591-598 doi:10.11720/wtyht.2020.1344

HAO Shuang. Seismic dip gathers imaging based on target dip filter for diffraction energy. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(3): 591-598 doi:10.11720/wtyht.2020.1344

0 引言

地下介质信号响应特征的识别和应用是地球物理技术长期研究的课题^[1]。地震波的成像信号既可以表征在反射能量中,也可以表征在绕射能量中^[2];在反射地震数据中,反射波主要表征的是地下层状界面的信号,一般表现为连续性特征;而绕射波则是反映地下介质不规则异常体的重要信息,主要表现为非连续性特征,如砂体尖灭、不整合、大尺度断层以及小尺度的孔、洞、缝等地质异常体^[3]。针对这些不规则的地质异常体的识别与描述,特别是针对复杂非均质的碳酸盐岩岩溶缝洞型储层^[4,5],在地震资料处理成像中注重保护绕射波信息,能够进行异常体的精确成像。

地震数据处理叠前成像算法的核心问题之一是如何精确求取各类共成像点道集(common image gather,CIG)。在地震信号处理中,利用反射共成像道集CIG进行叠加成像、偏移速度分析、振幅属性分析和储层特征分析及求取反射能量的方法和流程已成为常规地震勘探应用手段,而目前利用绕射波能量中的地质异常体信息进行成像仍处于挖潜阶段^[6,7]。由于地震绕射波信号能量较弱,不容易分离,在处理中常常作为噪声被滤掉^[8,9]。随着处理新技术的发展,倾角道集(dip domain common image gathers,DDCIG)计算方法的应用,使得绕射波能量的利用有了新的进展。国内外诸多学者提取了倾角道集,并分析了反射波和绕射波在倾角域的响应特征^[10,11,12],使得在其他各类共成像点道集中难以描述和刻画的反射和绕射能量得到了一定程度上的区分。倾角道集的应用分为以下几类:第一类是利用DDCIG进行速度分析,由于在DDCIG上绕射波对速度的误差较敏感,Landa等^[13,14]先后发展了基于绕射波的速度分析方法;第二类是利用DDCIG进行绕射波的分离与成像,根据反射波和绕射波在倾角域的差异,利用平面波解构滤波技术进行绕射波的分离与成像^[15] ,利用相似度扫描去除反射顶点与混合Radon变换相结合的方法,在DDCIG上进行绕射波场的分离;Bai等^[16]在倾角域应用中值滤波器实现了二维和三维观测下的绕射能量提取;第三类是利用DDCIG压制偏移噪声,Wang等^[17]针对低信噪比数据,提出了在倾角域进行Kirchhoff叠前深度偏移以压制偏移噪声的方法。

在分析总结了上述方法的基础上,文中采用新的快速算法进行倾角道集的求取,该方法对输入道集数据的要求比较灵活,共中心点道集或炮集等都可以作为输入数据;该方法设计一个针对性目标滤波器TDF(target dip filter),在倾角道集中识别反射能量与绕射能量,在指定倾角范围内对倾角道集进行滤波,利用其倾角特性进行更为准确的地震成像,对弱反射异常地质目标体的成像改善明显。

1 倾角道集计算

提取角道集的方法首先需要计算角度参数^[18]。角度的计算既可以基于波动理论,借助于波场局部方向分解得到;也可以基于射线理论,通过计算地震走时的空间梯度得到^[19,20]。文中利用基于射线的方法进行倾角道集的求取工作。图1给出了地下射线的路径、对应的各点和各个角度。入射路径走时为t_s,反射路径走时为t_r,θ为射线在C点的真实入射角度,φ为需要扫描的倾角。根据Snell定理,角度计算采用式(1)、(2)、(3)。之后,通过对α₁、α₂ 在不同情况下的相对大小关系,便可由几何关系(4)直接求得倾角φ的大小,如图1所示。

图1

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图1 地震波路径示意

Fig.1 Schematic diagram of seismic wave path

成像过程就是当输入任一未经偏移的地震道集(炮集、共中心点道集或偏移距域道集等),对于输入的每一道地震数据,扫描地下每个成像点C,在有效孔径范围内通过扫描的方法来进行CIG求取,将能量归位到对应的倾角道集中;按照上述方法依次把所有地震道计算后,便可得到ix成像点地震道的地下局部角度域共成像点道集;依此类推,便可以求得各个成像点的角道集。

该算法的主要优点就是对输入数据体要求不很严格,无论炮集、CMP道集或者其他形式道集均可适应。

图1表示C为地下iz时间点处一成像点,ACB为地震弯曲射线路径,EC为射线在C处的切线,α₁为AC与铅垂线的夹角,α₂为BC与铅垂线的夹角。θ为射线在C点的入射角度。φ即为倾角,地震道t_i时刻的能量为e。以上各角度的求取公式如下:

(1)

\begin{array}{l} α_{1} = \arcsin (v_{int} ρ_{s}) = \arcsin (v_{int} \frac{d t_{s}}{d r}), \end{array}

(2)

α_{2} = \arcsin (v_{int} ρ_{r}) = \arcsin (v_{int} \frac{d t_{r}}{d r}),

(3)

θ = (α_{1} + α_{2}) / 2,

(4)

φ = α_{i} - θ 。

2 倾角道集反射波和绕射波特征分析与TDF目标性滤波器设计

由Snell定律可知,入射角和地下倾角唯一确定了反射路径,无论地震采集的能量是归位到DDCIG还是共反射角道集ADCIG(angle domain common image gather)中,能量都是一一归位的^[21]。在共反射角道集ADCIG或共偏移距道集OCIG(offset domain common image gather)中,地下成像点在道集中的能量表征均为一个水平的同相轴,可以通过道集的直接水平叠加得到此成像点的成像^[7]。但在此类道集中,绕射波和反射波均混叠在一起,难以区分和识别,对砂体尖灭、不整合、大尺度断层及小尺度的孔、洞、缝等地质异常体的成像精确度难以保证。

而在倾角道集中,由于反射波与大多数绕射波的倾角不同,使得两者的归位并未完全混叠。在倾角道集中,射线反射角和倾角的对应关系可以表示为^[22]:

(5)

T_{m} (φ') = rT \frac{\tan (θ_{i} - φ) + \tan (θ_{i} + φ)}{\tan (θ_{i}^{'} - φ_{i}^{'}) + \tan (θ_{i}^{'} + φ_{i}^{'})},

式中,T_m、 $θ_{i}^{'}$ 、 $φ_{i}^{'}$ 为偏移场中的深度、反射角和倾角,T、θ_i、φ为真实地下成像点的深度、反射角和倾角;r是偏移速度和真实速度之比。

图2是一个地质模型及偏移结果。图2a为一倾斜地层的速度模型,地层倾角为φ;图2b为在一均匀速度场中有一个圆形异常速度体模型;图2c是图2a在蓝线CMP道集处的DDCIG,图中共成像点的能量呈现出双曲线状,且双曲线的顶点对应横坐标即为模型的地层倾角φ,顶点处的能量主要为反射能量,双曲线顶点范围外的能量为绕射能量;图2d是图2b在垂直过圆形速度异常体圆心点(蓝线)CMP道集处的DDCIG,可以看到图中的能量分布为水平形状同相轴,即反射与散射能量均匀分布在同相轴中。由此可以发现,反射层的倾角道集能量同相轴为双曲线,而异常体的散射能量表征为水平同相轴,从而,应用倾角道集可以表征和分离反射与绕射能量,两种能量有规律且各不相同的分布在DDCIG中,并少有重叠。

图2

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图2 地质模型及偏移结果

a—倾斜速度模型;b—绕射异常体速度模型;c—倾斜模型倾角道集;d—绕射体倾角道集

Fig.2 Geological model and offset results

a—tilted velocity model;b—diffraction velocity model;c—DDCIG of tilted model;d—DDCIG of diffraction model

根据以上特点,通过设计针对性的倾角滤波器,优选计算时窗进行滤波,通过两种能量的分离进而有效改善成像质量。传统方法是设计一定的时窗来对整个DDCIG道集进行全部扫描,在每个DDCIG中,通过在不同区域或不同深度的几个时窗内扫描,寻求局部极值来区别散射能量和反射能量,然后,在DDICG内对指定时窗和指定振幅值范围内的能量进行滤波,实现绕射波和反射波分离成像。该设计仅考虑了DDCIG自身内部反射波和绕射波的形态和能量特征分布,没有考虑其他地震信号的信息特征。本文对上述方法进行改进,增加一个倾角属性和连续性的参考数据,设计了一种目标倾角滤波器TDF,可以在保证精度的前提下,减少扫描计算量。首先,对地震体进行倾角扫描,即计算与DDCIG对应的成像地震体的倾角属性体,由于地震体一般数据量很小,扫描时间很快,且每个成像点均会有对应的倾角属性值;其次,计算倾角属性体的连续性,得到此倾角连续性的表征体;最后,基于倾角属性体和连续性体,对倾角道集的倾角扫描之后,再对倾角道集进行针对性叠加。

传统的倾角道集滤波成像方法如式(6)所示,(m,n)区间为全部或者大部分DDCIG数据点所覆盖的倾角角度范围,滤波函数为f(c_i),A为成像道,A_i为成像道对应的不同深度的成像点。

本文的目标倾角滤波器TDF设计如式(7)所示,f(a_i)、f(b_i)为TDF滤波器,(m',n')为针对成像点的对应倾角值大小范围内的角度,有别于传统DDCIG对应的所有角度数据点,f(a_i)为与倾角属性体对应的倾角滤波因子,f(b_i)为与倾角属性连续性体对应的连续性因子。该TDF滤波器引入了地震体的倾角属性和倾角属性连续性体,既可以减小扫描量,也能提高成像精度。

如何通过滤除反射波进行绕射波成像。由式(7)得知,当f(b_i)相对较小时,意味着对应点的层位连续性差,绕射强度会相对较大,需要强化此类绕射能量,就能突出异常体。此时,f(b_i)可以被赋予较大的值,且(m',n')区间需要放大到f(a_i)对应的较大范围的倾角角度甚至是全角度范围,因为绕射能量会相对均匀的分布于大多数角度范围内。f(b_i)相对较大时,意味着对应的点的层位连续性强,反射能量强度相对较大,需要弱化此类反射能量,才能突出异常体。此时,(m',n')区间范围缩小到与f(a_i)对应的倾角角度的小范围内。

当进行构造成像时,则反用上述TDF滤波器,即,当f(b_i)相对较小时,(m',n')区间范围缩小到与f(a_i)对应的倾角角度的小范围内;而当f(b_i)相对较大时,(m',n')区间范围放大到与f(a_i)对应的倾角角度的较大范围内。

(6)

\begin{array}{l} A = \int_{m}^{n} f (c_{i}) A_{i}, \end{array}

(7)

A = \int_{m'}^{n'} f (a_{i}) f (b_{i}) f (c_{i}) A_{i} 。

图3是应用传统滤波器与TDF滤波器的滤波效果对比。图3a设计了一个时间域的层速度模型,其中左图为未经滤波的DDCIG叠加成像剖面,右图为对应的CMP600成像点处的倾角道集,横坐标表示道数,中间道为0°倾角,左侧为-90°,右侧最大角度为+90°,每个成像点的道集大约120道。在左图CMP点为600,时间为1 500 ms处,有一低速串珠异常体,3 000 ms以下为层状介质,对应右图中的串珠在DDCIG中相应位置的同相轴为水平轴,而串珠以下层状介质反射为双曲线,在双曲线顶点处,所对应倾角角度接近于0°。图3b是传统倾角滤波后地震成像剖面与倾角道集的成像效果。虽然串珠能量比未滤波的成像效果收敛,但在DDCIG中,反射波双曲线顶点处仍有较强能量,即滤除反射波后的残余能量仍然较多。图3c是采用TDF目标性滤波器滤波后的地震成像剖面和倾角道集,从图上看出,反射波剩余能量很少,而串珠成像效果更加收敛。

图3

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图3 TDF滤波器的滤波与成像效果对比

a—未滤波地震成像剖面与对应的倾角道集;b—传统倾角滤波后地震成像剖面与倾角道集;c—本文TDF倾角滤波后地震成像与倾角道集

Fig.3 Comparison of filtering and imaging results for TDF filter

a—unfiltered seismic model imaging section and corresponding DDCIG;b—conventional dip filter imaging and filtered DDCIG;c—TDF imaging and filtered DDCIG

从算法的运行时间分析,基于针对目标性倾角范围(m',n')进行滤波处理的TDF滤波算法的机时为0.075 s,传统方法计算耗时为0.865 s,因此,单个成像点的滤波计算耗时降低10倍以上;随着采集数据量的不断增大,一般的DDCIG有几十个T数量级,TDF算法能大大缩减计算时间,提高实际生产效率。

3 串珠体实际数据验证

塔河油田碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏的主体开发区已进入挖潜阶段,前期对于强能量串珠状异常反射的大尺度缝洞储集体开发动用程度高,而深层呈非典型地震弱异常反射的小尺度缝洞储集体的开发还处于探索初期,那么,进行这类储集体的精细刻划和提高识别精度是进一步提高塔河油田储量的关键所在。由于岩溶孔缝洞结构与分布规律复杂,孔缝洞尺度不一,填充物类型多样,几何形状不规则,空间变化剧烈;而岩溶缝洞体的大小、充填、形态都与绕射波有着密切的关系,其地震信号表现为复杂的绕射波特征。这些小尺度异常体在地震剖面上也同样表现为串珠状反射特征,如何进行弱小异常体的预测和分析,是目前面对的主要难题。

针对本区实际问题,本文采用了基于目标性滤波器的倾角道集绕射体成像技术,并获得了明显的效果,如图4所示。图4是塔河油田碳酸盐岩储层中的串珠型实际地震数据传统方法和TDF方法处理效果比较,图中左侧为叠加偏移剖面,右侧为左侧图中绿色虚线(CMP2635成像点)所对应的DDCIG倾角道集,左侧图的横坐标是道数,右侧图的横坐标为倾角,角度大小取角度的绝对值。每个成像点道集大约50道,倾角大小设置为角度绝对值0~70°。图4a为未经滤波的DDCIG道集与其对应的成像剖面,在CMP2635成像点下方有一弱串珠特征存在,其对应该CMP成像点的DDCIG道集上,明显发现水平同相轴的散射能量现象。图4b为传统倾角道集反射波滤除效果;图4c为应用TDF目标滤波器的效果。比较图4b和图4c右侧的DDCIG道集发现,传统方法的DDCIG道集中的反射波剩余能量较强,尤其在反射波发育的对应顶点处,双曲线的反射波形态仍然有存留,反射波能量滤除效果不理想;而应用TDF倾角针对性滤波器后,在DDCIG道集上的反射波能量滤除效果更好,异常体成像表征明显。

图4

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图4 塔河油田碳酸盐岩串珠型储层的传统方法和TDF方法效果对比

a—未滤波的DDCIG叠加成像与DDCIG;b—传统倾角滤波技术的DDCIG叠加成像与DDCIG;c—TDF针对性倾角滤波的DDCIG叠加成像与DDCIG

Fig.4 Comparison between traditional method and TDF method for Tahe carbonate carbonate beaded reservoir

a—unfiltered seismic imaging section and corresponding DDCIG;b—conventional dip filter imaging and filtered DDCIG;c—TDF imaging and filtered DDCIG

图5给出了两种方法实际地震数据中串珠成像效果的对比剖面。可以看出,传统倾角道集滤波成像效果虽然突出了串珠,但其绕射波的收敛较差,而TDF滤波后的成像效果不仅比传统滤波成像的串珠更加明显,且绕射也相对聚焦,其对串珠异常体的成像分辨率明显提升,串珠、微断裂的成像效果更加聚焦、清晰。

图5

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图5 串珠型地震剖面成像对比

a—未滤波的DDCIG叠加成像;b—传统倾角滤波技术的DDCIG叠加成像;c—TDF针对性倾角滤波的DDCIG叠加成像

Fig.5 Contrast of imaging sections in beaded reservoir

a—unfiltered seismic model imaging section;b—conventional dip filter imaging section;c—TDF imaging section

通过实际地震数据对比测试,TDF除了具有在滤除反射能量方面效果明显提高外,在计算时间上具有很大优势。实际数据的常规滤波方法同一点滤波耗时134.541 s,而TDF方法仅用了20.27 s,TDF单点DDCIG滤波处理效率比常规滤波器提高了10倍以上。

4 结论与认识

1)针对像塔河油田奥陶系碳酸盐岩串珠型异常体的地震成像,采用TDF目标性滤波技术,能够更好地把非典型地震弱异常反射和绕射的小尺度缝洞储集体进行精确成像,成像效果有明显的改善。

2)采用扫描方法生成倾角道集,其计算灵活高效,比常规方法速度提高10倍以上,且对速度和输入道集数据适应性强。

3)通过运用地震连续性和倾角体属性,设计绕射波信号分离滤波器TDF,优化滤波的角度区间,将绕射波进行一定程度的识别分离,滤波效率和成像效果均有所提升。

本文方法无论对串珠溶洞类异常体还是非常规薄储层,通过绕射波成像可以改善分辨率,提高弱反射信号异常体识别度,对具有弱信号串珠型储集体的勘探开发具有指导意义。但需要指出的是,如何定量识别和利用绕射波,如何分离有效绕射和噪声,如何单独应用绕射波或者联合应用反射波,如何做到绕射波成像保幅处理,对不同强度绕射能量,对不同尺度缝洞体的表征等问题,还需要更深一步的研究。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

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