黄土塬地区双井微测井近地表Q模型的求取及应用

doi:10.11720/wtyht.2024.1227

黄土塬地区双井微测井近地表Q模型的求取及应用

夏常亮^,, 戴海涛, 李国强, 古发明, 吴德明, 韩利

中国石油东方地球物理勘探有限责任公司研究院,陕西西安 710021

The calculation and application of a near-surface Q-value model based on dual-well micrologs for a loess tableland area

XIA Chang-Liang^,, DAI Hai-Tao, LI Guo-Qiang, GU Fa-Ming, WU De-Ming, HAN Li

BGP INC., China National Petroleum Corporation, Xi’an 710021, China

第一作者: 夏常亮(1982-),男,河北迁安人,硕士研究生学历,高级工程师,主要从事地震资料二维、三维陆地、海洋和多波、多分量处理及研究工作。Email:40959930@qq.com

责任编辑: 叶佩, 沈效群

收稿日期: 2023-05-22 修回日期: 2023-12-2

基金资助:

中石油集团公司“十四五”科技项目(2021DJ3705)

Received: 2023-05-22 Revised: 2023-12-2

摘要

针对鄂尔多斯盆地黄土塬地区地震资料分辨率低、子波一致性差的问题,提出一种近地表Q模型求取方法,进而开展地震数据近地表Q吸收补偿处理。以往通常采用微测井资料求取Q值进而插值获得全工区Q场,本文在前人基础上采用双井微测井资料计算井点位置的Q值和近地表速度值,通过最小二乘法拟合近地表速度与Q的区域关系函数,利用基础静校正初至波层析反演的近地表速度场,通过区域关系函数得到本区近地表的Q场,从而实现以微测井位置的Q值求得全工区近地表Q场的目的,进而开展叠前道集近地表Q吸收补偿处理。鄂尔多斯盆地黄土塬 “双复杂”地震资料应用结果表明,利用本方法反演Q场开展近地表Q吸收补偿处理,能够有效提高地震资料的子波一致性,拓宽频带,改善井震匹配关系,消除近地表对地震子波的影响。

关键词： 黄土塬; 双井微测井; Q吸收补偿; 子波一致性

Abstract

Given the low resolution and poor wavelet coherence of seismic data for the loess tableland area of the Ordos Basin, this study proposed a method for calculating the near-surface Q-value model for near-surface Q-absorption compensation of seismic data. Investigations reveal that micrologs have been used to obtain the Q field of a whole survey area by calculating the Q value and subsequent interpolation. Based on previous research results, this study calculated the Q values of well sites and near-surface velocity values using dual-well micrologs. Then, the regional relationship function between near-surface velocity and Q was determined through fitting using the least squares method. Furthermore, the near-surface Q field of the study area was obtained using the near-surface velocity field derived from the tomographic inversion of the first arrival wave post basic static correction. Consequently, the near-surface Q field of the whole survey area were calculated from the Q values of microlog positions, and the near-surface Q absorption compensation of prestack gathers was achieved. As indicated by the application of the study area’s seismic data, which are characterized by complex surface and subsurface conditions, the inversion of the Q field for near-surface Q absorption compensation using the method proposed in this study can effectively enhance the wavelet coherence of seismic data, broaden the frequency band, improve the log-seismic matching relationship, and eliminate the influence of near surface on seismic wavelets.

Keywords： loess tableland; dual-well microlog; Q-absorption compensation; wavelet coherence

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本文引用格式

夏常亮, 戴海涛, 李国强, 古发明, 吴德明, 韩利. 黄土塬地区双井微测井近地表Q模型的求取及应用[J]. 物探与化探, 2024, 48(3): 698-704 doi:10.11720/wtyht.2024.1227

XIA Chang-Liang, DAI Hai-Tao, LI Guo-Qiang, GU Fa-Ming, WU De-Ming, HAN Li. The calculation and application of a near-surface Q-value model based on dual-well micrologs for a loess tableland area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(3): 698-704 doi:10.11720/wtyht.2024.1227

0 引言

鄂尔多斯盆地西南部黄土塬地区高程变化大,表层覆盖约几十米到几百米的黄土,黄土厚度变化剧烈^[1],地层结构异常复杂。受近地表低降速层影响^[2],地层对地震波的吸收衰减作用强烈^[3],尤其是高频段的衰减更为严重^[4]。

近地表Q吸收补偿可以补偿地震波的频率衰减,提高弱反射波的能量,改善地震资料同相轴的一致性和提高地震资料的分辨率。国内学者对近地表Q的研究成果颇多^{[5⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-14]}。综合前人的研究,求取Q值的途径有利用地震数据的、有利用双井微测井资料的,求取的数学方法有谱比法、质心频移法、多项式拟合法及广义S变换法^{[15⇓⇓⇓-19]}。从效果分析,质心频移方法较好。

鄂尔多斯盆地西南部黄土塬近地表矿物质的性质横、纵向变化大,带来近地表Q值横、纵向变化大。按照前人的研究成果^[6],利用极少数微测井位置的Q值插值获得工区Q场,在本区显而易见是不合适的。本文创新性地提出通过双井微测井资料的地面检波器和井底检波器接收的信号峰值频率变化,建立V和Q的关系函数,再利用初至波层析反演的工区近地表速度,计算得到整个工区的近地表Q场。通过本方法获得的Q场,即保持了已知微测井位置Q值精度,又能够刻画黄土塬近地表Q值的横纵向变化。

1 方法原理

1.1 双井微测井Q值估算

双井微测井观测系统^[20]由激发井和接收井两口井组成,间距5 m,井深约为150 m。在接收井的井口和井底位置埋置检波器;在激发井进行炮点激发,从井底开始,以一定深度间隔进行逐炮激发,直到井口(图1)。

图1

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图1 双井微测井示意

Fig.1 Acquisition method of dual well micrologging

图1中,激发井相邻两炮i和j,假设第j炮的地层界面以上地层的品质因子为Q_u,界面以下地层的品质因子为Q_d。根据于承业等的研究成果^[6],有下列公式:

(1)Q_u=

\frac{f_{d, j}^{2} f_{u, j} t_{u u, j} [π f_{d, i}^{2} f_{u, i} (t_{u u, i} + t_{u d, i}) -}{2 {[f_{d, j}^{2} - f_{u, j}^{2}] [f_{d, i}^{2} f_{u, i} (t_{u u, i} + t_{u d, i}) -}

→
←

\frac{π f_{d, i} f_{u, i}^{2} t_{d d, i}] + π f_{d, j} f_{u, j}^{2} f_{d, i}^{2} f_{u, i} t_{d d, j} t_{u d, i}}{f_{d, i} f_{u, i}^{2} t_{d d, i}] + f_{d, j} f_{u, j}^{2} t_{d d, j} (f_{d, i}^{2} - f_{u, i}^{2})}}

(2)Q_d=

\frac{π f_{d, i}^{2} f_{u, i} (t_{u u, i} + t_{u d, i}) Q_{u} - π f_{d, i} f_{u, i}^{2} t_{d d, i} Q_{u}}{2 Q_{u} (f_{d, i}^{2} - f_{u, i}^{2}) - f_{d, i}^{2} f_{u, i} t_{u d, i}}

式中:f_d_,_i、 ${f_{u}}_{, i}$ 分别为第i炮某道井底检波器和井口检波器接收的地震道初至记录的峰值频率;下标i、j表示第i炮、第j炮;t_dd_,_j、t_uu_,_j分别为第j炮震源子波到达井底检波器和井口检波器的旅行时;t_dd_,_i为第i炮震源子波到达井底检波器的旅行时;t_ud_,_i和t_uu_,_i为第i炮震源子波到达分界面的旅行时和从界面到达井口检波器的旅行时。

根据式(1)和式(2),就可以利用双井微测井井口和井底地震数据初至波的峰值频率和旅行时,求得第j炮界面上、下地层的品质因子。利用所有相邻炮点井口和井底地震数据的初至波计算,可求得所有界面到地面之间的等效Q值。

第i炮激发的地震波传播经过Q_d和Q_u两个地层到达井口检波器,假设i炮激发地震波到达井口检波器过程的等效品质因子为Q_eff,则有公式:

(3)

\frac{t_{u d, i} + t_{u u, i}}{Q_{e f f}}

\frac{t_{u d, i}}{Q_{d}}

\frac{t_{u u, i}}{Q_{u}}

。

有了第j炮和第i炮所在界面以上层的等效Q值,根据式(3),便可以计算出2个界面之间的层Q值。

1.2 最小二乘拟合

最小二乘法是一种数学优化技术,通过使误差的平方和最小来得到数据的最佳函数匹配。

已知给定样点函数Y=a₀+a₁X₁+a₂X₂+…+a_nX_n,其在x₀,x₁,x₂,…,x_n处的值为y₀,y₁,y₂,…,y_n。假定 $\overset{︿}{y}$ = ${\overset{︿}{a}}_{0}$ + ${\overset{︿}{a}}_{1}$ x+ ${\overset{︿}{a}}_{2}$ x²+ ${\overset{︿}{a}}_{3}$ x³+…+ ${\overset{︿}{a}}_{n}$ xⁿ为求取的拟合函数,则有ε=y- $\overset{︿}{y}$ 为误差函数,使误差平方和s= $\overset{n}{\sum_{i = 1}} (y_{i} - {\overset{︿}{y}}_{i})^{2}$ 最小化,求参数 ${\overset{︿}{a}}_{0}$ , ${\overset{︿}{a}}_{1}$ , ${\overset{︿}{a}}_{2}$ ,…, ${\overset{︿}{a}}_{n}$ ;s也可以表示为min ${‖A X - B‖}_{2}^{2}$ ,其中:

(4)

\{\begin{array}{l} A = [\begin{array}{l} 1 1 \dots 1 \\ x_{11} x_{21} \dots x_{n i} \\ ︙ ︙ ︙ \\ x_{1 n} x_{2 n} \dots x_{n n} \end{array}], \\ X^{T} = [a_{0} a_{1} \dots a_{n}], \\ B^{T} = [y_{1} y_{2} \dots y_{n}] 。 \end{array}

解这个方程组,可得参数 ${\overset{︿}{a}}_{0}$ , ${\overset{︿}{a}}_{1}$ , ${\overset{︿}{a}}_{2}$ ,…, ${\overset{︿}{a}}_{n}$ ,从而获得拟合函数。

利用式(1)~式(3)求得各个近地表层的层Q值,再利用双井微测井反演的近地表层的层速度值,通过方程(4)就可以拟合出近地表层速度与品质因子Q的关系函数。

1.3 近地表Q吸收补偿方法

水平层状介质的反Q滤波方程为

(5)P(t,ω)=P(0,ω)exp

[\sum_{i} {(\frac{ω}{ω_{h}})}^{- γ_{i}} (\frac{ω τ_{i}}{2 Q_{i}} + i ω τ_{i})]

式中:P $(t, ω)$ 为t时刻接收点单频反射波场;P $(0, ω)$ 为零时刻激发点单频波场;Q_i为地层品质因子;τ_i为第i个地层的双程传播时间;令 $\frac{1}{Q_{i}}$ = $\sum_{i} \frac{τ_{0 i}}{Q_{i}} / \sum_{i}$ τ₀_i, $\sum_{i}$ τ₀_i=t₀, $\sum_{i}$ τ_i=t,其中t₀是零偏的双程时间,τ₀_i是在第i层的双程传播时间。

根据反射波时距曲线公式,式(5)可以写为

(6)P

(t, ω)

(0, ω)

exp

[{(\frac{ω}{ω_{h}})}^{\frac{1}{π Q_{i}}} (\frac{1}{2 Q_{i}} + i) ω t]

则炮点和接收点处的补偿因子为

(7)R_RS

(ω)

=exp

[{(\frac{ω}{ω_{h}})}^{\frac{1}{π Q_{R}}} (\frac{1}{2 Q_{R}} + i) ω Δ t_{R}

{(\frac{ω}{ω_{h}})}^{\frac{1}{π Q_{_{S}}}}

(\frac{1}{2 Q_{S}} + i) ω Δ t_{S} - {(\frac{ω}{ω_{h}})}^{\frac{1}{π Q_{1}}} (\frac{1}{2 Q_{1}} + i) ω Δ t_{b}]

式中:Δt_R、Δt_S分别为接收点、炮点到高速层的时间校正量;Δt_b为高速层到基准面的校正时间;Q₁为高速层填充的品质因子。

2 实际应用

黄土塬地区地表主要由第四系干燥的亚黏土、亚砂土、牙粉沙、沙粒和石英等组成,中间夹杂砾石层或盐碱层,经过雨水长期冲刷切割,形成了树枝状水系及塬梁、峁、坡并存的独特地貌,地形起伏、沟壑纵横,横纵向变化大。西缘地区高程变化大,黄土厚度变化剧烈,速度不稳定,结构异常复杂。

黄土塬某工区线束地震测线L,高程范围在1 500~2 100 m,最大高程差600 m,炮点间距100 m,检波点间距50 m。每口双井微测井有1条线束,工区内布设了3口双井微测井,共有3条线束,每条线束的三维面积为48 km²。文中选取井口、井底地震记录初至资料品质好的1口井——W井,作为典型实例进行介绍。

W井(激发井、接收井)的井深为88 m。每道记录表示不同炮激发检波器接收的地震数据,截取检波器记录初至部分进行傅里叶变换,转换成频率域数据。利用式(1)~式(3)求取W井的不同近地表层Q值,再利用W井反演的相应层的层速度,获得如图2所示的层速度值与层Q值的散点图。

图2

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图2 W井的层Q值与层速度值散点图

Fig.2 Interval Q and velocity inversed from W well

通过式(4) 构建层速度值v与层Q值的方程组来求取参数。通过如图3所示的初至波层析反演的近地表速度模型,结合关系函数,得到近地表Q模型(图4)。由于图3中横、纵向的变化代表了近地表矿物质和岩性的变化,因此可以看到图4的Q场保持了近地表矿物质和岩性的Q值的横、纵向变化。

图3

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图3 L线束Inline20线初至波层析反演的近地表速度模型

Fig.3 First break tomographic velocity model of Inline20 of swath L

图4

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图4 L线束Inline20线近地表Q模型

Fig.4 Shallow layer Q model of Inline20 of swath L

在未进行地表一致性反褶积处理的地震道集上进行近地表Q吸收补偿处理。图5为L线束Inline20线补偿前后叠加剖面,补偿后波组特征改善,分辨率明显提高,弱信号同相轴连续性有一定的改善。图中CMP1250双程旅行时700 ms处,补偿前基本看不到连续同相轴,Q补偿后高频弱信号同相轴连续性改善;CMP1200双程旅行时1 900 ms处,在Q补偿前两套同相轴之间看不到弱信号同相轴信息,Q补偿后能够有效分辨出两套同相轴之间的弱信号同相轴;CMP1500双程旅行时1 500 ms处,Q补偿前箭头标注位置同相轴波组分辨不出来,Q补偿后同相轴波组清晰可见。

图5

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图5 L线束Inline20线近地表Q补偿前(a)后(b)的叠加剖面

Fig.5 Stack before (a) and after (b) of shallow layer Q compensation of Inline20 of swath L

图6为图4对比剖面的时窗频谱曲线,图中显示频带拓宽明显,高频段在-10 dB范围内拓宽约8 Hz。

图6

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图6 L线束Inline20线近地表Q补偿前后叠加剖面频谱

Fig.6 Frequency spectrum of stacks of shallow layer Q compensation of Inline20 of swath L

图7所示为L线束近地表Q吸收补偿前后单炮对比,左侧为补偿前单炮,右侧为补偿后单炮,可以看到补偿后炮集同相轴压缩明显。从图8所示的L线束近地表Q吸收补偿处理前后炮集的自相关谱可以看到,补偿前地震子波形态横向差异巨大,补偿后地震波形态横向差异小,一致性改善明显,同时地震子波得到有效压缩,分辨率提高。

图7

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图7 L线束Inline20线近地表Q补偿前(a)后(b)的单炮对比

Fig.7 Shot gathers before (a) and after (b) of shallow layer Q compensation of Inline20 of swath L

图8

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图8 L线束Inline20线近地表Q补偿前(a)后(b)炮集自相关

Fig.8 Autocorrelation of shot gathers before (a) and after (b) of shallow layer Q compensation of Inline20 of swath L

利用近地表Q吸收补偿后地震道集进一步开展后续反褶积、速度分析与剩余静校正迭代、叠前偏移等处理工作,其叠前时间偏移成果较未开展近地表Q吸收补偿地震数据的井震匹配更好。将图5a的地震数据叠前道集分别按照图9a、图9b所示的流程进行处理,得到的叠前时间偏移地震数据与合成记录标定如图10所示,可以看出,经过Q补偿处理后,其井震匹配相关系数从常规处理的0.37提高到了0.69。

图9

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图9 地震资料处理流程

Fig.9 Process flow of processingof seismic data

图10

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图10 L线束不同流程叠前时间偏移数据与测井合成记录标定

Fig.10 Well seismic calibrationsof different seismic data processing flow

从实际应用效果看,叠前道集Q补偿处理可以有效提高地震剖面分辨率,改善波组关系,拓宽高频段频谱,弱信号同相轴连续性有一定的改善,消除近地表地层吸收对地震子波的影响,改善子波一致性,是一种提高分辨率处理的有效手段。

3 结语

本文提出利用双井微测井资料计算井点位置的地层速度值和Q值,建立速度与Q的区域关系函数。该方法改变了以往利用极少数井点位置Q值插值获得全工区Q场的方式,利用初至波层析静校正反演得到近地表的速度场和双井微测井得到的速度与Q的关系函数,得到本区近地表的Q场。速度与Q的关系公式是一种统计拟合关系,实际应用中应统计工区内所有双井微测井反演的速度与Q值,从而建立更加科学的拟合公式。

通过叠前道集近地表Q补偿处理,进而开展后续地震资料处理,从叠前时间偏移剖面看,其井震匹配度与未开展近地表Q补偿处理的偏移剖面相比明显提高,井震匹配关系得到改善。从本方法应用效果看,具有很高的推广应用价值。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王有新.

应用地震数据处理方法[M]. 北京: 石油工业出版社, 2009.