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物探与化探, 2024, 48(6): 1653-1663 doi: 10.11720/wtyht.2024.0059

方法研究·信息处理·仪器研制

基于稀疏约束频率域抛物线Radon变换的波场分解

张永升,1, 张荣1, 樊易2, 张安家2, 李英才2

1.中石化西北油田分公司,新疆 乌鲁木齐 830011

2.北京软岛科技有限公司,北京 100083

Wavefield decomposition based on sparse-constrained parabolic Radon transform in the frequency domain

ZHANG Yong-Sheng,1, ZHANG Rong1, FAN Yi2, ZHANG An-Jia2, LI Ying-Cai2

1. Northwest Oil Field Company, SINOPEC, Urumqi 830011, China

2. Beijing Softland Scientific & Technology Co. Ltd., Beijing 100083, China

第一作者: 张永升(1969-),男,硕士,高级工程师,主要从事石油物探研究工作。Email:zhangys.xbsj@sinopec.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2024-02-20   修回日期: 2024-08-13  

基金资助: 中石化科技部项目“超深碳酸盐岩断控储集体地震波场特征及反演研究”(P22147)

Received: 2024-02-20   Revised: 2024-08-13  

摘要

在塔里木盆地深部碳酸盐岩地层中发现了多种类型的非层状、非规则油气储集体,这些储集体不同于层状储层,是横向尺度至少在一个方向为有限的地质体。实际观测到的地震反射波场,是由层状地层与非层状、非规则地质体形成的反射波、绕射波(散射波)组成的复合波场,在不同的数据集中此三类波场呈现不同的形态特征。本文以波场形态特征差异为基础,采用基于图形引导的稀疏约束频率域抛物线Radon变换的层状波场与随机波场的分离技术,将高信噪比的、未经偏移处理或经偏移处理的复合反射波场数据分解为横向尺度“无限”延伸的反射波场和横向尺度有限的非规则地质体的绕射(散射)波场,为直接对非规则储集体进行预测和研究奠定基础。该技术在塔里木盆地和鄂尔多斯盆地应用取得了很好的效果。

关键词: 波场分解; 非规则储集体; 缝洞体; 储层预测; 拉东变换

Abstract

Multiple types of non-layered and irregular hydrocarbon reservoirs have been found in the deep carbonate strata within the Tarim Basin. These carbonate reservoirs, different from layered reservoirs, are geological bodies with limited lateral bodies in at least one direction. The observed seismic reflected wavefield is a composite field composed of reflected and diffracted (scattered) waves formed by layered strata and non-layered and irregular geological bodies. The three types of wavefields exhibit different morphological characteristics in different datasets. Based on the differences in wavefield morphology, this study, using a technique for separating layered and random wavefields based on an image-guided, sparse-constrained parabolic Radon transform in the frequency domain, decomposed high signal-to-noise-ratio data of complex reflected wavefields, which had undergone migration processing or not, into a reflected wavefield with infinite lateral extent and a diffracted (scattered) wavefield of irregular geological bodies with limited lateral extent. This technique provides a foundation for the direct prediction and investigation of irregular reservoirs and has been successfully applied in both the Tarim and Ordos basins.

Keywords: wave field decomposition; irregular reservoir; vuggy-fractured body; reservoir prediction; Radon transform

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本文引用格式

张永升, 张荣, 樊易, 张安家, 李英才. 基于稀疏约束频率域抛物线Radon变换的波场分解[J]. 物探与化探, 2024, 48(6): 1653-1663 doi:10.11720/wtyht.2024.0059

ZHANG Yong-Sheng, ZHANG Rong, FAN Yi, ZHANG An-Jia, LI Ying-Cai. Wavefield decomposition based on sparse-constrained parabolic Radon transform in the frequency domain[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(6): 1653-1663 doi:10.11720/wtyht.2024.0059

0 引言

早期油气勘查的目标多为层状油气藏,如常规海相、陆相地层中的砂岩油气藏,采用相对简单的光点和模拟磁带地震仪和人工对比解释的反射地震波法,利用地震波运动学特征探测层状砂岩储层的构造形态,即可为这类油气藏的探测提供依据。这一时期,地震勘探工作者关心的常常是以横向“无限”延伸的层状地层形成的层状波场,从中探测横向规模较大的构造型油气藏。我国开发大庆油田时使用的地震勘探,即采用了这一技术思路和工作方法[1]。这一技术思路和工作方法一直持续到数字地震时代。在塔里木盆地,先后发现多样化、非规则特征的非层状油气藏。如:塔河油田下奥陶统风化壳的洞缝型油藏,顺北油田断控缝洞体油藏,桑塔木南三叠系阿四段和石炭系厚度5~10 m的河道、扇体砂层中的含油气砂体,塔中北坡古生界薄砂岩储层内非规则含油气砂体等。为适应非层状、非规则储集体形成的油气藏的探测,开展了多种地震预测方法技术研究[2-8]

研究发现,非规则、非层状油气藏的地震波场,有的以强振幅的特征出现,形成串珠状特征,易于识别,但更多的非规则体的波场常被层状反射波干涉、掩蔽、淹没,不利于非规则体波场的直接探测。为了对这类油气藏进行探测,宏观散射波场和广义绕射波场理论受到重视[9-12],绕射波场分解技术也得以研发和应用。与此同时,波场分离技术的研发也取得不少成果,如:局部倾角滤波和预测反演联合分离绕射波[13],基于反稳相的深度域绕射波分离成像[14],混合域高分辨率Radon变换绕射波分离与成像[15],基于奇异值分解技术绕射波分离成像[16],基于行波分解的绕射波成像[17],倾角域逆时偏移绕射波成像 [18],应用迭代收缩高分辨率Radon变换的绕射波分离与成像[19],绕射波叠前共虚震源道集分离方法[20]等。栾锡武等[21]综述了地震绕射波波场分离与成像方法,并根据绕射能量拾取方式的不同,将绕射目标成像方法分为“直接法”和“间接法”两类。 “直接法”绕射目标成像是在偏移成像过程中,依据反射、绕射能量特征差异,直接分离成像绕射能量;“间接法”绕射目标成像是从叠前道集总波场中分离出绕射波场,然后,再对分离后的绕射波场单独成像。

本文提出一种基于波形特征差异的波场分解方法技术,其核心是基于稀疏约束的频率域抛物线Radon变换,其基础是不同波场的形态特征差异,其关键是波场差异性的强化处理,从而实现层状反射波场与非层状、非规则体波场分离,也可使强振幅层状波场弱化,突出显现非规则体波场。该方法既可应用于叠前道集数据,也可应用于叠后偏移数据;既可在偏移处理前的数据上实现层状反射波与非规则体绕射波的波场分解,也可在偏移处理后的数据上实现层状反射波与非规则体短轴波场的分解。

1 塔里木盆地多样化油气藏形成了多样化地震波场

塔里木盆地的油气藏具有多样化的特征。图1为典型的含有非规则储集体的地震剖面,其中,图1a为塔河油田碳酸盐岩风化壳洞缝型油藏,碳酸盐岩风化壳充填流体的溶蚀洞穴,因波阻抗差异大而形成强振幅的串珠反射特征,但也受层状反射波的干涉;图1b为顺北油气田断控缝洞体地震反射典型剖面,其异常能量在垂向上延伸很深,但其断裂及溶蚀洞穴的特征和细节不是很清楚。

图1

图1   塔里木盆地含有非规则地质异常体地震波场特征典型剖面

Fig.1   Typical section of seismic wave field characteristics of geological anomalies in Tarim Basin


为适应非层状、非规则储集体形成的油气藏的探测,应用了基于波场形态特征差异的波场分解方法,将非层状、非规则储集体的波场从层状波场背景中分离出来,实现波场分解。

2 波场形态特征差异是波场分解的基础

常规油气勘探观测到的地震反射波场,在经过压制干扰和噪声等一系列地震数据预处理后,形成复合波场,复合波场常表现为层状反射特征。

宏观散射理论或惠更斯-菲涅尔原理认为,观测得到的地震波场为宏观散射波场或广义绕射波场[9-12];宏观散射波或广义绕射波则因地下介质的尺度大小不同、形态不同、物性差异不同,而表现为具有形态特征差异的波场,狭义上称之为反射波、绕射波或散射波。这些波在不同数据域中具有不同的波场形态特征,包括走时、振幅、波形等运动学和动力学特征,这些特征在不同数据域中的差异是不同的。正演模拟研究表明,不同地质参数对波场特征的影响不同,不同数据域中同一波场的形态特征也会发生变化 。

2.1 波场形态特征运动学差异

首先分析层状介质与非规则体波场的运动学特征,即波场几何形态特征的差异。

在共炮域、共接收点域、共中心点域以及共面元数据域中,若未作偏移处理,横向“无限”延伸的层状介质的反射波,与层状介质的中断点、错位点,或横向尺度有限的小尺度非规则体的绕射波,都具有二次曲线(面)形态。共偏移距数据域包括自激自收和叠加处理的数据集,在未经偏移处理时,横向“无限”延伸的层状介质的反射波呈现横向“无限”延伸的特点,而层状介质的中断点、错位点,或横向尺度有限的小尺度非规则体的绕射波则呈现二次曲线(面)的特征,两种波场形态特征存在差异。可见,在共偏移距数据域中,两类波场存在几何形态特征的差异。

图2为层状介质和非规则体模型的弹性波正演模拟[2-3]。其中图2a为三层水平层状介质+非规则异常体速度模型,非规则异常体(充填流体溶洞,以下简称为溶洞)的纵、横向尺度用平均高度和平均宽度来表征。模型中,溶洞高度为15 m,溶洞中流体的纵波速度为1 420 m/s,密度为1.0 g/cm3,溶洞的围岩纵波速度为6 000 m/s。采用自激自收观测方式,子波主频为20 Hz。图2b图2c是高度同为15 m,宽度分别为10 m和50 m的两组模型的完全弹性波动方程正演剖面。图2表明:横向尺度无限延伸的界面反射波具有无限延伸的特征,横向尺度有限的非规则体溶洞的波场为横向延伸尺度有限的二次曲线型绕射波;高度同为15 m,不同宽度(10 m、50 m)的含流体溶洞,其绕射波振幅在横向上存在较大的变化,而层状介质的反射波振幅在横向上变化不大。

图2

图2   三层地质+非规则异常体(溶洞)模型正演

Fig.2   Forward modeling of three-layer medium+irregular anomalous body (karst cave) model


将三层模型中平界面改为一个相对高差约为100 m、不光滑的峰谷相间的风化界面,风化面下溶洞高度为6 m,溶洞宽度依然为10 m和50 m,如图3a所示。图3bc为正演剖面,可以看到:尽管起伏不平的风化面反射波振幅减弱,但仍保持横向“无限”延伸、略有起伏的层状形态特征,溶洞体依然形成二次曲线型的绕射波,在强振幅绕射纵波之下还有弱振幅绕射横波。图3de为偏移剖面,风化面仍然保持层状波场形态,二次曲线型的绕射波则收敛为短轴波。此外,还可看出,相同高度溶洞的绕射波和短轴波,其振幅随宽度变化而变化,宽度大振幅强,宽度小振幅弱。

图3

图3   起伏风化面+非规则异常体(溶洞)模型正演

Fig.3   Forward modeling of undulating weathering surface + irregular anomalous body (karst cave)


按照图3a不光滑风化面下非规则溶洞体模型制作了两组模型:①宽度同为60 m、高度分别为0~40 m的14组溶洞模型;②高度同为6 m、宽度分别为10~300 m的14组溶洞模型。采用上述正演模拟参数进行弹性波正演模拟,图4为得到的2组偏移剖面,图中可见溶洞绕射波均已收敛为串珠状的短轴波。正演结果表明:宽度同为60 m的溶洞,当其高度从2 m变化到40 m时,串珠形态基本不变,振幅变化不大(图4a);高度同为6 m的溶洞,当其宽度从10 m变化到300 m时,其串珠的横向尺度由窄变宽,振幅由小变大(图4b)。可见,溶洞高度对串珠形态和振幅的影响不大,而宽度大小对串珠形态和振幅的影响较大。

图4

图4   溶洞高度和宽度对串珠形态影响的正演模拟

Fig.4   Forward simulation of the effect of cave height and width on bead morphology


2.2 波场形态特征动力学差异分析

进一步分析层状介质与非规则体波场的动力学特征差异,主要是振幅特征的差异。

前文分析表明,层状介质界面反射波振幅会因界面光滑度的差异发生变化,而非规则地质异常体(溶洞)的绕射波和偏移后的短轴波振幅则随其宽度变化较大。姚姚等[3]用正演模拟方法对不同高度、不同宽度溶洞的振幅变化进行了研究,本文在此基础上进一步分析了高度相同、宽度不同的溶洞绕射波振幅曲线变化特征。图5是在图2a正演模型基础上制作的高度同为15 m、宽度为15~600 m溶洞的波场振幅曲线,可以看出振幅曲线随溶洞宽度的变化特征。

图5

图5   高度15 m、宽度10~600 m溶洞的绕射波振幅曲线

Fig.5   Diffraction wave amplitude curve of the cave with a width of 15m and a height of 10~600m


1)高度同为15 m、宽度为30~100 m的溶洞,波场的振幅曲线都有一个相对强振幅的主振区,主振区宽度约为75 m,相当于纵波速度为6 000 m / s的高速层中20 Hz子波波长的1/4。主振区两侧,振幅随距离增大而快速减小,而且主振区外侧的振幅曲线具有起伏变化特征,相当于光缝衍射条纹的明暗区。主振区+大小振幅相间的振幅区表明其具有绕射特征,这是绕射波振幅变化的重要特征。

2)溶洞宽度为15 m,波场振幅曲线总体为弱振幅,但在大约250 m的范围内曲线的振幅值基本不变,表明宽度为15 m的溶洞,其波场已具有散射波特征。

3)宽度为100、200、300、600 m(相当于1/3、2/3、1、2个波长)的溶洞,其波场振幅随宽度的变化曲线具有另一些特征:当溶洞宽度为1/3波长时,波场仍保持绕射波特征;当溶洞宽度为2/3波长和1个波长时,为绕射与反射波过渡型振幅(波浪式起伏的高台+二端点绕射);当溶洞宽度为波长的2倍时,在界面延伸的范围内,则更多表现为横向延伸的反射波场特征。

2.3 绕射波偏移后的短轴波视宽度的有限性

图4b中,溶洞绕射波经偏移处理后得到短轴波,其宽度与溶洞宽度呈正相关。但短轴波的宽度是否可以正确指示溶洞的宽度,针对这一问题,进行了正演模拟研究。

按照图2的正演模型,设定溶洞高度为15 m,宽度分别为10 m、30 m和100 m,其偏移剖面如图6所示,剖面道距为5 m,子波主频为20 Hz,围岩介质速度为6 000 m/s,围岩中反射波1/4波长为75 m。如果将偏移后的短轴波强振幅主体与两侧最大振幅变化(斜率)位置作为短轴波的视宽度,可以看出宽度100 m溶洞的短周波的宽度大约为100 m,表明短轴波的宽度与溶洞的宽度相当。如果溶洞宽度为10 m、30 m时,短轴波的宽度接近75 m,这就是说,宽度小于围岩高速介质中1/4波长的溶洞,其绕射波偏移得到的短轴波宽度总是围岩介质中波长的1/4。

图6

图6   溶洞绕射波偏移后短轴反射波的宽度与溶洞宽度相关性分析

Fig.6   Correlation analysis between the width of short-axis reflected wave and the width of karst cave after diffraction wave migration


这一结果说明,在共偏移距域中,非规则体绕射波经偏移处理的短轴波的视宽度不小于1/4波长,但不大于溶洞真实宽度,因此短轴波的视宽度仍是有限的。

2.4 波场形态特征横向延伸的有限性和无限性是波场分解的基础

从上述分析可以看出,横向延伸有限的非规则体与横向延伸无限的层状介质的波场形态特征的差异,既有几何形态空间分布特征的差异,也有能量空间分布特征的差异。

非规则体绕射波横向延伸宽度虽然不小于非规则体的真实宽度,但仍是有限的,而且对于宽度小于1/4波长的非规则体,其短轴波的强振幅主振区宽度更局限于1/4波长范围内。经绕射波偏移处理后的短轴波主体视宽度不小于1/4波长,但不会大于非规则体的真实宽度,表明横向尺度有限的非规则体的短轴波宽度具有有限性。这就表明,在共偏移距数据域中,包括自激自收数据及叠加、偏移处理后的数据集,横向无限延伸的层状介质与横向尺度有限的非规则体,其波场特征的重要差异是波场的运动学和动力学特征的无限性和有限性。本文提出的波场分解的基础,正是波场的这种无限性和有限性的差异。

需要说明的是,这里所述的1/4波长,是指非规则体围岩介质中地震波场的1/4波长,以下叙述中,除非特别说明,所述波长均指围岩介质中的波长。

3 基于波场形态特征差异的波场分解技术

3.1 基于稀疏约束频率域抛物线Radon变换是波场分解的技术核心

基于稀疏约束频率域抛物线Radon变换,既可分离二次曲线型与近线性的波场,也可分离规则形态与随机形态的波场。将稀疏约束的思想应用于频率域抛物线Radon变换,使慢度域的能量团更加收敛、聚焦,分辨率更高,以实现横向尺度“无限”延伸的层状波场与横向尺度“有限”延伸波场和随机波场的分离。

稀疏约束反演Radon波场分离技术的基础为

J=D-LM2+α|M|p, 0p1 ;

式中:J为目标函数;L为拉东反变换算子;D为道集数据;M为Radon域结果;α为稀疏约束因子,该因子越大,结果越稀疏;p为Radon域能量团聚焦因子,p 值越小越聚焦。

稀疏约束反演Radon域去噪技术既可去除中远偏移距弯曲相干噪声,亦可去除近偏移距随机噪声。图7是从叠前道集数据中分解出的层状反射和随机波场,图7a为输入的道集数据,图7b是从图7a中分解出的层状反射数据,图7c为分解出的随机波场(噪声数据)。

图7

图7   从共成像点道集数据中分解出的层状反射和噪声

Fig.7   Layered reflection and noise decomposed from common imaging point gather


3.2 波场差异性强化处理是波场分解的技术关键

稀疏约束反演Radon域去噪技术有一个重要因子,即稀疏约束因子,该因子控制数据稀疏程度。在波场分解中改变数据稀疏程度,可以改变弯曲相干波场的曲率和斜率,也可以使横向尺度较小的相干波场变为随机波场,还可以加大随机波场的随机性,实现差异性强化处理。

所谓差异性强化处理,是采用抽稀数据空间采样间隔的方法,使无限延伸规则形态的波场在基本保持原有特征的同时,或加大横向有限延伸的二次曲线(面)型波场的曲率和斜率,或将尺度和能量有限分布的波场转换为随机形态的波场,最终使层状介质的横向无限延伸的层状波场与横向有限延伸的非规则体绕射波和短轴波的波场特征差异加大,有利于利用Radon变换将二类波场分离。

在共偏移距数据集以及叠加、偏移数据集中,绕射波(无论是二次曲线(面)形态或短轴形态)的形态和能量都具有横向有限延伸的特征,而层状反射波都具有横向无限延伸的特征;对这样的数据进行空间抽稀采样,使抽稀后的空间采样间隔不小于1/4波长。对于绕射波来说,未偏移处理的数据在抽稀后,绕射波主振区仅有一个振幅采样点,以孤立的强振幅存留于抽稀后的道集中;在偏移后的数据中,短轴波的主体仅保留1、2个或有限个数的振幅采样点,从而使横向尺度有限的规则短轴波随机化。对于横向尺度无限延伸的规则层状反射,抽稀采样后,还能保证横向无限延伸的规则特征。以上结果表明,横向尺度有限的绕射波和短轴波或者被随机化,或者与横向无限展布的规则反射波场的差异性加大。

在此基础上,利用基于机器学习P范式稀疏约束Radon变换技术就可以将层状波场与随机波场分离,再将空间采样间隔抽稀后的层状波场数据重新组装为原空间采样间隔,即恢复横向无限延伸的“分解得到的层状反射波场”,从包含两种波场的原始波场数据中减去“分解得到的层状反射波场”,即可得到分解后的横向有限延伸非规则体的绕射波场或短轴波场,实现波场分解。

3.3 波场分解的技术路线和实施

基于波场形态特征差异的波场分解技术,是由数据准备、差异性强化处理、波场分解与重组三个主要步骤来实现,其技术思路如图8所示。

图8

图8   基于波形差异的波场分离实现步骤

Fig.8   Implementation steps of wave field separation based on waveform differences


3.3.1 数据准备

拟进行波场分解的原始数据集,须是高信噪比的共偏移距数据集,因此须作如下处理。

1)提高信噪比。对观测数据进行干扰和噪声压制等一系列处理,得到高信噪比的叠前共中心点或共面元道集数据集、共成像点数据集,或叠加、偏移数据集。

2)道集数据的共偏移距排序。由于需进行波场分解的数据须是共偏移距数据集,因此,对于叠前数据,无论是共中心点或共面元数据集或偏移处理后的共成像点数据集,均需重新排序,转换为共偏移距数据集。叠加、偏移数据集实际上已经是共偏移距数据集,无需重新排序。

叠前共偏移距数据集、叠后和偏移数据集,即为拟进行波场分解的原始数据集,设为SP,SP =SPxyt);其中Δx、Δy为横、纵向空间采样间隔,单位为m;Δt为时间采样间隔,单位为ms。

3.3.2 差异性强化处理的实现

差异性强化处理是在共偏移距域中通过抽稀空间域采样间隔实现的。

首先,试验选择 N值,确定空间域抽稀采样间隔;然后,对原始数据集SPxyt) 进行空间采样间隔抽稀处理,得到采样间隔为NΔxNΔyN个共偏移距数据子集SPi:

SPi=SPi(NΔx,NΔy,Δt);i=1,2,3,,N

式中: N为正整数,N≥2。

N的取值应保证NΔxNΔy均大于非规则体围岩介质中波长的1/4,并通过试验优选确定。例如,顺序号为1、2、3、4、5、6、7…的共偏移距数据集,当确定N=3时,抽稀采样后将得到3个共偏移距子集,3个子集的数据点原顺序号分别为1、4、7、…,2、5、8、…,3、6、9、…;这样,在每一个共偏移距数据子集中,空间采样点数减少为原来的1/N。数据抽稀后,横向尺度无限的层状反射波仍保持层状特征,横向尺度有限绕射波或短轴波与横向尺度无限的层状介质反射波的差异将会扩大,实现不同波场的差异化的强化处理。

3.3.3 波场分离

1)在共偏移距数据子集中压制随机波场和大曲率弯曲波场。对一个点距为(NΔx, NΔy)共偏移距数据子集SPi用稀疏约束反演Radon域去噪技术,压制其中的随机波场,得到点距为(NΔx, NΔy)的横向尺度无限的N个层状反射波场共偏移距数据子集SPHi:

SPHi=SPHi(NΔx, NΔy,Δt),i =1,2,3,,N

2)重构层状反射波场共偏移距数据集。将N个层状反射波场共偏移距数据子集SPHi(NΔx, NΔyt)(i =1,2,3,…,N)按照原始数据集SPxyt) 的排列顺序重构为SPHxyt)数据集,便得到了不含非规则形态波场的层状反射规则波场数据集SPH:

SPH = SPH Δx,Δy,Δt) 

3)非规则体波场的提取。从点距为(Δxy)的原数据集SPxyt) 中减去点距为(Δxy)的反射波规则波场数据集SPHxyt),得到点距为(Δxy)的横向尺度有限的非规则体波场数据集SPR:

SPR =SPRΔx,Δy,Δt)

需要指出,偏移后数据波场分解得到的是非规则体的短轴波,未经偏移处理的叠前数据和叠加数据波场分解得到的非规则体波场是二次曲线(面)形态的绕射波,需进一步进行偏移处理才能得到非规则体的短轴波。因此,本方法也可实现绕射波场分离。

4 波场分解的应用实例

首先是基于道集数据分离隐蔽性异常体的实例。图9 为波场分解在鄂尔多斯盆地古生界和中生界地层中的应用。图9a为叠前时间偏移共成像点道集数据;图9b是波场分解压制层状反射波,保留非规则异常体的共成像点道集数据;图9c是未作波场分解的叠前时间偏移剖面;图9d是波场分解后保留非规则异常体的偏移剖面。

图9

图9   波场分解消去层状反射后凸显了非规则异常体

Fig.9   Irregular anomalous bodies are highlighted after the layer reflection is eliminated by wave field decomposition


下面是叠偏数据压制层状反射的实例。图10是塔里木盆地碳酸盐岩地层中串珠状异常体分解的一个应用实例。由于在常规偏移剖面上的串珠状特征被层状反射干涉,在振幅属性沿层切片上,缝洞体振幅属性被层状反射波振幅严重干涉,影响对缝洞体的识别与空间展布特征的确定。采用波场分解消去了层状反射之后,剖面上串珠特征突出,切片上断裂和缝洞体的空间分布特征清晰。图10cd是与图10ab相对应的沿层切片。

图10

图10   波场分解在塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩地层中缝洞地震反射串珠特征应用

Fig.10   Application of wave field decomposition to seismic reflection beading characteristics in the Ordovician carbonate strata in the Tarim Basin


图11是塔里木盆地顺托果勒地区深部奥陶系碳酸盐岩地层中断控缝洞体的地震反射波场分解应用实例。在常规偏移剖面上,溶蚀缝洞体的串珠状特征被层状反射波掩盖(图11a),经波场分解压制了层状反射之后,异常体属性清晰展示了从T74 (下奥陶统碳酸盐岩顶面)至T80(寒武系顶面)及其下的断控缝洞体的剖面延伸特征(图11b)及平面展布特征(图11cd)。处理结果为该区钻探提供了断控缝洞体的可靠位置。

图11

图11   波场分解在塔里木盆地顺托果勒地区断控缝洞体的应用

Fig.11   Application of wave field decomposition in fault-controlled fracture cave in Shuntogole area, Tarim Basin


5 结论

在油气地震勘探中,观测到的地震波场的表象多为层状波场特征,实际上包含了丰富的内涵,除了层状介质的层状反射波之外,还有非层状、非规则体,以及层状介质的中断点、错位点形成的非规则波场。这些非规则的波场常常被层状反射波干涉、掩盖,甚至淹没,给非层状、非规则地质体的探测造成困难。借助层状波场非层状、非规则体波场的空间几何形态特征和空间能量分布特征的差异,特别是横向尺度延伸的无限性和有限性差异,实现波场分解,将优势的、横向“无限”延伸的层状反射波所干涉、掩盖、淹没了的横向尺度有限的、非规则、随机分布形态特征的波场分离出来,为直接探测非层状、非规则类型的油气藏、特别是深部油气藏勘探开发提供可靠的数据基础。

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[本文引用: 2]

姚姚, 唐文榜.

深层碳酸盐岩岩溶风化壳洞缝型油气藏可检测性的理论研究

[J]. 石油地球物理勘探, 2003, 38(6):623-629,708-579.

[本文引用: 3]

Yao Y, Tang W B.

Theoretical study of detectable cavern-fractured reservoir in weathered Karst of deep carbonatite

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2003, 38(6):623-629,708-579.

[本文引用: 3]

漆立新, 顾汉明, 李宗杰, .

基于地震波振幅分辨塔河油田溶洞最小高度的理论探讨

[J]. 地球物理学进展, 2008, 23(5):1499-1506.

[本文引用: 1]

Qi L X, Gu H M, Li Z J, et al.

Theoretical discussion on resolution of maximum height of cavity in the Tahe oilfield based on seismic amplitude

[J]. Progress in Geophysics, 2008, 23(5):1499-1506.

[本文引用: 1]

王士敏.

塔河油田奥陶系储层地震响应特征研究

[J]. 新疆地质, 2003, 21(2):214-216.

[本文引用: 1]

Wang S M.

The study on seismics response characteristics of Karst fissure-cave-typed carbonate reservoir in ordivician of Tahe oilfield

[J]. Xinjiang Geology, 2003, 21(2):214-216.

[本文引用: 1]

李凡异, 魏建新, 狄帮让.

碳酸盐岩溶洞横向尺度变化的地震响应正演模拟

[J]. 石油物探, 2009, 48(6):557-562,15.

[本文引用: 1]

为了模拟碳酸盐岩储层中不同横向尺度溶洞的地震响应特征,设计了具有不同横向尺度但高度和充填物相同的溶洞地质模型,分别采用数值模拟技术和物理模拟技术进行了正演模拟,分析研究了由溶洞宽度变化引起的地震响应变化的特征。研究结果表明,溶洞宽度的变化会引起溶洞反射特征“串珠”中“珠”的数目发生改变,溶洞顶、底位置与溶洞绕射波的相位有对应关系,在偏移剖面中“串珠”尺度与实际溶洞尺度之间存在较大差异。对比同一模型的数值模拟和物理模拟正演结果发现,所得的不同横向尺度溶洞的地震响应特征总的趋势是一致的,但在细节上有所差异,这表明两种正演方法具有互补性,为研究溶洞的“串珠状”地震波反射特征提供了更好的手段。

Li F Y, Wei J X, Di B R.

Forward simulation of seismic response in carbonate Caverns with varied lateral scale

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2009, 48(6):557-562,15.

[本文引用: 1]

<FONT face=Verdana>In order to simulate the seismic responses of caverns with different lateral scale in carbonate reservoirs,we designed cavern geologic models with same height and fillings but different lateral scale,adopted numerical simulation and physical modeling for forward simulation,and analyzed the variation features of seismic responses via the changes of cave width.The results indicate that the changes of cave width will cause the number of“pill”varying in the“string”reflection characteristic,the top and bottom of cave has corresponding relationship with cave diffracted wave.On migration section,the scale of“string”has large contrast with actual cave width.The comparison on forward simulation results of the same model by numerical simulation and physical modeling methods shows that the overall trend of seismic response of different lateralscale caverns is uniform,but difference exists in detail,which indicates that the two methods are complementary and provides better means for study the“string”reflection characteristic of caverns.</FONT>

李剑峰, 赵群, 郝守玲, .

塔河油田碳酸盐岩储层缝洞系统的物理模拟研究

[J]. 石油物探, 2005, 44(5):428-432,15.

[本文引用: 1]

针对塔河油田碳酸盐岩的地质特点,设计和制作了裂缝、孔洞和洞-缝3种典型物理模型,并采用超声波测试方法进行了模型正演模拟,以分析当地下存在溶洞、裂缝时的地震波传播的能量和反射结构的变化。给出了模型的制作原理和制作材料,对模拟结果进行了分析。结果表明,地层中存在较大的溶洞时,叠加剖面上溶洞的上方会出现弱反射,但溶洞内部往往形成强绕射波,经偏移归位后成为强短反射,并连续出现;地层中存在裂缝时,在叠加剖面上表现为杂乱反射地震相;地层中存在不规则的缝-洞组合时,叠加剖面上以杂乱反射相为主。

Li J F, Zhao Q, Hao S L, et al.

Physical modeling of the fracture-cave systems of carbonate reservoirs in Tahe oilfield

[J]. Geophysical Prospecting for Petrole, 2005, 44(5):428-432,15.

[本文引用: 1]

赵群, 曲寿利, 薛诗桂, .

碳酸盐岩溶洞物理模型地震响应特征研究

[J]. 石油物探, 2010, 49(4):351-358,400,17-18.

[本文引用: 1]

Zhao Q, Qu S L, Xue S G, et al.

Study on the seismic response characteristics on the physical model of carbonate cave

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2010, 49(4):351-358,400,17-18.

[本文引用: 1]

孙建国.

高频渐近散射理论及其在地球物理场数值模拟与反演成像中的应用——研究历史与研究现状概述以及若干新进展

[J]. 吉林大学学报:地球科学版, 2016, 46(4):1231-1259.

[本文引用: 2]

Sun J G.

High-frequency asymptotic scattering theories and their applications in numerical modeling and imaging of geophysical fields:An overview of the research history and the state-of-the-art,and some new developments

[J]. Journal of Jilin University:Earth Science Edition, 2016, 46(4):1231-1259.

[本文引用: 2]

李东安, 漆立新.

全波场地震勘探技术

[J]. 石油勘探与开发, 2022, 49(3):513-521.

DOI:10.11698/PED.20220001      [本文引用: 2]

反射波地震采集设计基于层状介质假设,信号分析过程压制了绕射波、散射波等弱信号,反射波地震成像处理后频带狭窄,这些均限制了原始宽频数据的充分利用。从均衡利用反射波、绕射波、散射波信息入手,重新定义全波场地震勘探的内涵,明确其特点和适应条件,提出一套适用于全波场地震勘探的关键技术。在地震采集阶段,需要采用多套观测系统或一次性部署分期采集设计,即要在常规观测系统中镶嵌小面元、小偏移距、小道间距数据,利用共中心点道集离散化、小偏移距高覆盖等方法,增强原始地震数据中绕射波、散射波等弱信号的能量。在地震处理过程中,原始地震数据中的信号与噪音需要重新定义,通过多观测系统数据融合处理,实现地震数据有效信号的增强;通过不同面元、不同排列方式数据的差异化应用,使不同态式地震波能被有效分解和分别成像。在地震解释过程中,充分利用全波场地震资料,依靠多尺度、多维度井-震标定,实现多态式、多域地震属性解释,揭示复杂岩性体的内幕结构,提高非层状储集层横向分辨能力。

Li D A, Qi L X.

Full wave seismic exploration technology

[J]. Petroleum Exploration and Development, 2022, 49(3):513-521.

[本文引用: 2]

李东安, 王梅生.

全波场地震采集

[J]. 石油物探, 2023, 62(4):592-604,644.

DOI:10.12431/issn.1000-1441.2023.62.04.002      [本文引用: 2]

尽管高精度三维地震采集取得了巨大的成功, 但面对更复杂地质体时, 探索能同时进行连续界面反射及随机介质散射的全波场地震采集的方法依然十分重要。地震采集面临两大困难, 一个是不存在同时满足大倾角界面反射波与小尺度介质散射波的单一观测系统, 即现有野外排列并不能对散射波充分采样; 另一个是面对小尺度介质产生的地震波散射, 不能同时满足横向分辨率与最小介质尺度对空间采样的要求, 认为对小尺度介质进行充分采样无效。在引入量子力学概念后, 地下非均质体与地震波的传播构成量子系统, 散射波被视为概率波, 空间采样密度便不再受限制。全波场地震采集是均衡获取多态式地震波的过程, 由于不能靠稀疏、规则的采样方式获取, 概率波采集需要满足遍历性, 宜采用共中心点道集离散化技术, 基于多观测系统设计和炮道密度控制的细分面元方法实现。考虑到地震散射波信号弱, 存在局域性和不确定性, 应选择小面元、小道距、小偏移距、近偏高覆盖和炮点与检波点局部随机布设等采集参数。全波场地震采集方式灵活, 支持同期、多期镶嵌或井场连续地震采集, 有效信号更丰富, 背景噪声更低, 地震波信号的频率范围更宽, 而且经济上可以接受且物理可实现。

Li D A, Wang M S.

Full-wave field seismic acquisition

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2023, 62(4):592-604,644.

DOI:10.12431/issn.1000-1441.2023.62.04.002      [本文引用: 2]

High-precision 3D seismic acquisition has achieved considerable success.However, for complex geological bodies, it is important to develop full-wave field seismic acquisition methods that can adapt to both continuous interface reflection and random medium scattering.There are two difficulties in seismic acquisition.First, there is no single seismic layout that satisfies both the reflection of large dip interfaces and the scattering of small-scale media; thus, the existing field arrays cannot adequately sample the scattered waves.Second, for the scattering of seismic waves generated by small-scale media, existing observation systems cannot satisfy both the lateral resolution and spatial sampling requirements of the minimum medium size; thus, it is impossible to completely sample small-scale media.According to the concept of quantum mechanics, the propagation of underground heterogeneous bodies and seismic waves is considered to constitute a quantum system, and scattered waves are considered probability waves, so that the spatial sampling density is no longer limited.Full-wave field seismic acquisition is a process of obtaining multi-state seismic waves in a balanced manner.Because probability waves cannot be obtained through sparse and regular sampling, probability-wave acquisition must satisfy the ergodicity requirement.It is advisable to adopt common-midpoint gather discretization technology, which is achieved through multiple observation system design and bin subdivision controlled by the trace density.Owing to the weak seismic scattered wave signal and the characteristics of localization and uncertainty, acquisition parameters should be selected, such as a small bin, a small trace spacing, a small spread, high coverage at near-offset, and a local random layout of the shot and receiver.The full-wave field seismic acquisition method is more flexible and can support simultaneous acquisition, multi-phase embedded acquisition, or well site continuous acquisition.The data have richer effective signals, less background noise, and wider frequency bands.This technology is economically acceptable and physically achievable.

石油化学工业部石油地球物理勘探局计算中心站. 地震勘探数字技术:第三册[M]. 北京: 科学出版社, 1977.

[本文引用: 2]

Central computing station of Petroleum Geophysical Prospecting Bureau,Ministry of Petroleum Chemical Industry. Digital technology of seismic exploration:Volume III[M]. Beijing: Science Press, 1977.

[本文引用: 2]

朱生旺, 李佩, 宁俊瑞.

局部倾角滤波和预测反演联合分离绕射波

[J]. 地球物理学报, 56(1):280-288.

[本文引用: 1]

Zhu S W, Li P, Ning J R.

Reflection/diffraction separation with a hybrid method of local dip filter and prediction inversion

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2013, 56(1):280-288.

[本文引用: 1]

刘培君, 黄建平, 李振春, .

一种基于反稳相的深度域绕射波分离成像方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2017, 52(5):967-973,879.

[本文引用: 1]

Liu P J, Huang J P, Li Z C, et al.

A diffraction imaging method in the depth domain driven by anti-stationary phase strategy

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2017, 52(5):967-973,879.

[本文引用: 1]

罗腾腾, 徐基祥, 秦臻, .

混合域高分辨率Radon变换及其在绕射波分离与成像中的应用

[J]. 石油物探, 2020, 59(6):890-900.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.06.007      [本文引用: 1]

为了充分利用地下小尺度不连续地质体如断层、裂缝、河道、粗糙岩丘边缘等携带的高分辨率信息,利用倾角域共成像点道集(CIGs)中反射波同相轴表现为具有稳相顶点的凹形曲线,绕射波同相轴表现为拟线性的明显差异,发展了一种基于稀疏约束预条件共轭梯度法的混合域高分辨率Radon变换绕射波分离成像方法。该方法首先在传统混合域Radon变换算法中引入预条件算子,然后构造了新的时变稀疏模型权,最后实现了倾角域CIGs绕射波分离与成像。与最小二乘Radon变换方法、频率域高分辨率Radon变换方法相比,该方法的分辨率和精度都明显提高。模型数据和实际地震资料的测试结果表明,基于混合域高分辨率Radon变换的绕射波分离成像方法去除反射波更为干净彻底,并且与常规反射波成像方法相比,该方法能有效改善断层等小尺度地质体的成像质量。

Luo T T, Xu J X, Qin Z, et al.

Hybrid-domain high-resolution Radon transform and its application in diffraction wave separation and imaging

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2020, 59(6):890-900.

[本文引用: 1]

魏巍, 高鸿, 刘忠岩.

奇异值分解技术在绕射波分离成像中的应用研究

[J]. 石油物探, 2020, 59(2):236-241.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.02.009      [本文引用: 1]

实现绕射波分离成像,要利用反射波和绕射波的特征差异,不同方法所利用的特征差异不尽相同。在地下反射层位水平连续的假设条件下,基于反射波和绕射波在相干性方面的差异,提出一种基于奇异值分解的绕射波分离成像方法。首先通过炮域动校正拉平反射波,使其相干性增强,而绕射波呈现非线性形态,相干性较弱,两者在相干性方面差异明显。基于此,再利用奇异值分解重构出反射波,并将其从地震数据中减去,从而分离出绕射波。为了在有效压制反射波的同时,尽可能地保护绕射波能量,在重构反射波时采用了一种迭代的方式。最后对数据进行反动校,得到绕射波单炮记录,继而实现绕射波成像。数值模型和实际资料应用结果表明,该方法能够有效压制强反射,提高小尺度非均质体的识别精度,有良好的应用价值。

Wei W, Gao H, Liu Z Y.

Separation and imaging of seismic diffractions using singular value decomposition

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2020, 59(2):236-241.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.02.009      [本文引用: 1]

The difference between the characteristics of reflected waves and those of diffracted waves is utilized in current methods for separating and imaging of seismic diffractions.Under the assumption that the reflective horizons in the subsurface are horizontal and continuous,an approach based on singular value decomposition and using the coherence difference is proposed in this study.First,the NMO corrections in shot gathers were used to flatten the reflections and enhance lateral coherence;the diffractions showed weaker coherence due to their nonlinearity.Subsequently,singular value decomposition was applied to construct the reflections,which were then subtracted from the data to obtain the diffractions.In order to effectively suppress the reflections and better preserve the diffractions,an iterative method was utilized.Finally,after reversing the NMO corrections,the shot gathers that approximately contained the diffractions were obtained;subsequently,the information was used to produce diffraction images.The results obtained by processing both synthetic and actual data showed that the proposed method can effectively suppress strong reflections and improve the identification of small-scale non-homogeneous objects.

朱万怡, 王华忠, 吴成梁, .

基于行波分解的绕射波成像方法研究

[J]. 石油物探, 2020, 59(2):226-235,302.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.02.008      [本文引用: 1]

地震勘探中的绕射体如断层、裂缝、地层尖灭、孔洞、盐体等地质异常体是常见的油气运移通道和(或)储集体,对它们的刻画和描述在油气资源勘探中具有重要意义。在常规地震数据处理中,绕射体往往被能量更强的反射体所掩盖,为更好地识别这些小尺度地质异常体,可对绕射体进行单独成像。为此,发展了基于行波分解的绕射波逆时偏移成像方法,得到了高分辨率的绕射体成像结果。其关键在于利用绕射波和反射波传播方向的差异,单独提取绕射体成像结果。主要步骤如下:构建解析波场,对源检端地震波场分别进行分解得到下左和下右行波;修改逆时偏移成像条件,利用分解得到的下左行波和下右行波对所有入射角度的绕射体和满足Snell定律的正、负倾角的反射层分别进行成像;得到&ldquo;正倾角反射层+绕射体&rdquo;和&ldquo;负倾角反射层+绕射体&rdquo;两种成像结果,并将两种成像结果进行相关,从而达到了压制反射波,提取绕射波的目的。模拟数据和实际数据应用结果表明:该方法得到的绕射波成像结果可以有效压制反射层能量,精准定位地下介质中存在的绕射体。

Zhu W Y, Wang H Z, Wu C L, et al.

Diffraction imaging based on wavefield decomposition

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2020, 59(2):226-235,302.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.02.008      [本文引用: 1]

Diffractors such as faults,fractures,pinch-outs,and karsts are typical migration channels or reservoirs for oil and gas.The quantitative characterization of subsurface diffractors is crucial for oil exploration.In traditional processing,diffractors are often obscured by reflectors with large impedance contrast or contaminated by imaging noises.To better locate and quantitatively characterize these small-scale anomalies,it is necessary to develop a target-oriented method to image the diffraction separately.We herein proposed a diffraction-wave reverse time migration (RTM) method based on directional wavefield decomposition.The key for separation of reflection and diffraction lies in the behavior of wavefield direction,as the reflections obey Snells law while scattering-waves have multiple emergence directions.In this method,the directional wavefield decomposition method was utilized to decompose the seismic wavefields into the downward-left and downward-right propagation waves.Moreover,the conventional RTM imaging condition was modified to produce two directional imaging results,i.e.the imaging for positive dip reflections with diffractions,and the imaging for negative dip reflections with diffractions.By correlating these two results,the reflection images were cancelled out,whereas the diffraction images were enhanced.Tests on both synthetic and real data demonstrated that the proposed method can efficiently suppress the imaging of reflectors,and accurately locate the subsurface diffractors.

汪天池, 刘少勇, 顾汉明, .

倾角域逆时偏移绕射波成像方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2020, 55(3):591-598,471.

[本文引用: 1]

Wang T C, Liu S Y, Gu H M, et al.

Seismic diffraction imaging by reverse time migration in dip angle domain

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2020, 55(3):591-598,471.

[本文引用: 1]

罗腾腾, 徐基祥, 孙夕平.

应用迭代收缩高分辨率Radon变换的绕射波分离与成像方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2021, 56(2):313-322,212-213.

[本文引用: 1]

Luo T T, Xu J X, Sun X P.

Diffraction wave separation and imaging based on high-resolution Radon transform on an iterative model shrinking approach

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2021, 56(2):313-322,212-213.

[本文引用: 1]

杨城增, 张宣堂, 盛同杰, .

绕射波叠前共虚震源道集分离方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2022, 57(4):847-854,739.

[本文引用: 1]

Yang C Z, Zhang X T, Sheng T J, et al.

Diffraction separation method in the prestack common virtual source gather

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2022, 57(4):847-854,739.

[本文引用: 1]

栾锡武, 杨佳佳.

地震绕射波波场分离与成像方法综述

[J]. 石油物探, 2022, 61(5):761-770.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.05.001      [本文引用: 1]

地震资料中的绕射波携带了小尺度地质异常体信息,可以更加清晰地刻画断层、边界以及缝洞储集体等非均质体构造,但在常规地震资料处理中,绕射波往往作为噪声被压制掉。对分离地震绕射波和反射波的方法以及绕射体单独成像方法进行了研究。首先,从理论上阐 述了地震绕射波的产生机制及地震特征;然后,从绕射波与反射波分离的角度出发,利用两者在不同域的形态差异,通过平面波分解技术、多聚焦叠加技术和聚焦切除反聚焦技术对绕射波与反射波进行分离;最后,应用高精度偏移方法对分离后的绕射波进行偏移成像。基于剖 析和总结典型地区的应用实例,发现绕射目标单独成像可以实现小尺度异常体的识别,非均质地质体的成像精度显著提高,对高精度地震解释具有重要意义。由于绕射波本质上是三维现象,在三维情况下实现绕射波与反射波的分离并成像具有重要意义,也是未来研究与应用的 发展方向。

Luan X W, Yang J J.

A review of seismic diffraction wavefield separation and imaging methods

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(5):761-770.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.05.001      [本文引用: 1]

The diffracted wave in seismic data carries the information of small-scale geological anomalies,which can assist in enhancing the accuracy of describing heterogeneous structures,such as faults,boundaries,and fracture cave reservoirs.However,in conventional seismic data processing,the diffraction wave is often suppressed as noise.In this study,the seismic diffraction and reflection waves separation method and the separate imaging method of diffractor are studied.First,the generation mechanism and seismic characteristics of seismic diffracted wave were developed theoretically.Then,from the perspective of the separation of diffracted wave and reflected wave using their morphological differences in different domains diffracted and reflected waves were separated using plane wave decomposition technology,multi-focus superposition technology,and focusing-mute-defocusing technology.Finally,the high-precision migration method was used to migrate and image the separated diffracted wave.By dissecting and summarizing the application examples in typical areas,results showed that the diffraction target imaging alone can achieve the identification of small-scale abnormal bodies.Additionally,the imaging accuracy of heterogeneous geological bodies significantly improved,which is critical for accurate high-precision seismic interpretation.

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