0 引言

随着中国能源需求的增长、油气田勘探开发难度日益增加和勘探技术的进步，勘探目标逐渐向复杂断块和潜山、岩性—地层油气藏、深层和超深层油气藏及非常规油气藏方向发展，对地震资料成像精度和分辨率要求更高。中国深层油气储层主要以埋藏深、时代老、成岩作用和构造作用复杂的海相碳酸盐岩为主，重点勘探区域包括塔里木、鄂尔多斯、四川及渤海湾等盆地^[1-2]。

近年来，川中地区震旦系—寒武系白云岩储层勘探获得了重大突破，该区域主要以生物礁和颗粒滩储层为主，地震勘探主要面临以下难题：①目的层埋藏较深，地震波传播距离长，信号能量衰减严重；②地层吸收作用明显，地震波高频成分损耗严重；③表层与地下介质速度横向变化大，地震波传播路径复杂。

针对深层薄储层勘探，高分辨率处理一直是地震资料处理的重点研究方向^[3]。刘凯等^[4]通过复杂近地表区高分辨率地震勘探激发参数优选，提高了地震波主频，拓宽了有效频带；潘家智等^[5]在川东北TJ地区通过实施精细岩性调查，优化激发因素设计和接收，实现了宽频激发和接收技术；公亭等^[6]在传统高分辨率处理技术的基础上，形成了基于震源信号低频补偿等为特色的宽频配套处理技术；云美厚等^[7]提出利用薄层衰减地震响应变化准确反演或估算地层品质因子Q值，减少反演结果的不确定性；苏勤等^[8]提出了一种基于近地表模型的确定性定量补偿方法，实现了稳定的表层Q时、空变补偿，提高了资料分辨率；许李囡等^[9]提出了一种新的基于S变换和变分法的Q估计方法，提高了Q值计算的准确性和稳定性；朱洪昌等^[10]运用高分辨率地震资料处理技术识别薄储层及微幅构造；赵岩等^[11]基于衰减补偿的地震资料高分辨率处理方法，有效提高地震记录的分辨率；陈树民等^[12]引入描述黏性吸收的等效Q值参数, 发展了补偿介质吸收的叠前时间偏移地震资料处理配套技术，恢复了地震波中被衰减的高频成分，提高了地震成像的分辨率；白英哲等^[13]开展了基于Kirchhoff保幅Q偏移方法的深入研究，有效地提高了深层碳酸盐岩地震信号的分辨率和保真度；赵玲芝等^[14]开展了积分法Q成像技术的应用研究，提高了深层地震信号的分辨率和保真度；马俊彦等^[15]通过层析反演品质因子Q和黏滞介质Q偏移技术在准噶尔盆地南缘低信噪比地区的应用，有效提升了深层高分辨率成像精度；孙天真等^[16]实现了双域叠前深度反Q滤波偏移，提高了偏移的精确度，有效补偿了由于地层非弹性吸收造成的振幅和频率损失；妥军军等^[17]和谷玉田等^[18]提出了地震数据低频增强处理技术，基于深层地震资料高频段信噪比低于低频段的特点设计了低频能量增强因子，对地震资料进行低频信息增强补偿，提高了深层石炭系偏移成像精度。

在单点激发、单点接收基础上，本文通过宽频地震资料采集和处理技术提高了地震成果资料的倍频程，使子波具有更少和更小的旁瓣，尤其是低频信息可提高地震分辨率、增强深层地震能量，可提供用于地震属性反演的宽频地震数据，形成了宽频地震勘探技术，在其他深层、超深层油气勘探或复杂构造区具有一定的推广价值。

1 研究区概况

研究区位于川中古隆起平缓构造区仪陇构造群磨溪北斜坡地区，以山地—丘陵地貌为主。工区内河流较为发育，地表主要出露侏罗系蓬莱镇砂泥岩，在工区北边出露白垩系苍溪组砂泥岩，在涪江及梓江河流域发育第四系砾石，近地表吸收严重。本工区勘探主要存在以下难点：

(1) 河流较为发育，第四系砾石主要分布在涪江、梓江河沿岸附近，激发、接收条件相对较差，近地表吸收严重，深层地震资料分辨率较低；

(2) 地层埋藏深、地震反射波能量弱，低频信号具有传播距离长、穿透力强等优点，对深层碳酸盐岩高分辨率保真成像更为重要，因此对低频成分要求更高；

(3) 储集层与非储集层的地震反射特征差异小、台缘斜坡反射特征不明显，造成储集层识别与预测困难、台缘礁滩相地貌刻画困难，对地震资料分辨率和保真度要求更高。

2 宽频地震勘探技术 2.1 单点宽频激发技术

针对深层碳酸盐岩薄储层高分辨率成像难题，通过设计宽频激发、宽方位三维观测系统和合理的炮检距，配套单点激发，获得了更丰富的波场信息，采集的原始地震资料较常规三维具有更高的分辨率和保真度，为中、深层碳酸盐岩高分辨率成像奠定了资料基础。表 1为本次宽频野外采集的参数。

激发参数对地震资料的主频、频宽有较大的影响。在选择合理炸药类型的基础上，根据噪声强度、反射能量、低降速带厚度和岩性等确定激发药量及井深范围。在陆上宽频、高分辨率地震勘探中，一般使用小药量，有利于提高地震资料的分辨率。激发药量、激发能量和激发主频之间的关系为

$ N=\frac{1}{f}=\sqrt[3]{Y} $

(1)

式中：Y为激发药量；N为激发能量；f为激发主频。可以看出激发药量越小，激发主频越高，越有利于提高主频。但针对深层碳酸盐岩勘探，若激发药量小，激发子波的能量就小，经近地表和中深层地层吸收衰减，深层碳酸盐岩有效反射波能量就会较弱，导致地震资料的能量和信噪比较低，故激发药量的选择首先要保证信噪比，再合理拓宽激发子波的频带范围^[19-20]。图 1为不同药量激发时单炮全频段和分频段显示对比图，红色箭头为二叠系茅口组地层地震反射。从全频段、低频段和高频段不同药量激发原始单炮对比图可以看出，当药量为10kg左右时，深层碳酸盐岩有效波信号能量较强。

2.2 高灵敏度宽频单点检波器接收技术

单点接收对有效信号和干扰实行“宽进宽出”，避免了采集过程中因组合压噪而伤害有效反射信息。处理过程可基本实现信号和噪声完全分离，最大限度保持反射信息的真实性和丰富性，提高静校正精度、数据保真度，增强深层高频弱信号能量。本次采集采用单点激发、单点接收，避免了常规检波器组合接收的低通滤波效应，同时能够记录更完整的波场信息，低频信息更为丰富，有利于中、深层碳酸盐岩的宽频带处理和地层各向异性研究。图 2为采用GT DS-10H高灵敏度单点检波器单点激发接收和常规组合接收采集的原始单炮及其频谱对比图，可以看出高灵敏度单点检波器接收的单炮灵敏度高，中、深层能量更强，频带更宽，尤其是低频段和中、高频段能量较强。

2.3 Q吸收补偿技术

在地震波向下传播过程中，因近地表及地下介质的吸收、衰减作用，高频信号衰减严重，地震资料分辨率大幅降低。另外，不同频率的地震波传播速度不同导致表层吸收的影响不同，会造成频散和相位畸变，严重降低地震记录的分辨率和最终成像质量。再者，表层介质的空间变化大，其吸收和频散作用会造成子波能量和相位的空间变化，引起成像的空间变化，且这种变化要远大于地质和油气因素引起的储层信息空间变化，给储层识别带来困难^[21]。

将一维波动方程进行傅里叶变换^[22]

$ \frac{\partial^2 U(z, \omega)}{\partial z^2}+k_z{ }^2 U(z, \omega)=0 $

(2)

式中：U(z, ω)为波函数的谱，其中z为波的传播距离，ω为波的角频率；k_z为空间复波数。

考虑地震波的吸收效应得到稳定的表层吸收补偿算法，就可对叠前数据在频率域进行表层Q空变补偿

$ \begin{aligned} & U(\tau+\Delta \tau, \omega)= \\ & \quad U(\tau, \omega) \exp \left[\left(\frac{\omega}{\omega_{\mathrm{R}}}\right)^{-\gamma} \frac{\omega \Delta \tau}{2 Q}\right] \exp \left[\mathrm{i}\left(\frac{\omega}{\omega_{\mathrm{R}}}\right)^{-\gamma} \omega \Delta \tau\right] \end{aligned} $

(3)

式中：U(τ, ω)为未经补偿的频率域数据，其中τ为近地表旅行时；U(τ+Δτ, ω)表示经过振幅和相位补偿后的频率域地震数据，其中Δτ为表层旅行时增量；ω_R为参考频率，是与地震波频带的最高频率有关的调整参数；$\gamma=\frac{2}{\pi} \tan ^{-1} \frac{1}{2 Q} $。振幅补偿项和相位补偿项共同构成Q补偿。

图 3为Q吸收补偿前、后单炮及相应频谱的对比。由图可见，Q吸收补偿消除了近地表吸收造成的地震波吸收衰减，分辨率得到了较大提升，中、高频成分得到了补偿，频带拓宽了15~20Hz，低频成分也得到较好保留。

2.4 基于数据驱动的Q层析建模方法

Q叠前深度偏移实际应用时，首先需要建立准确的速度—深度模型，然后通过Q层析或其他方法得到与速度—深度模型对应的Q深度模型，最后进行Q叠前深度偏移，因此Q场的准确求取是开展Q叠前偏移的关键。常规旅行时层析反演需建立观测到的旅行时误差与地震射线穿过介质的慢度的关系方程，根据网格层析反演的思路求取地下介质每个点的Q值。Q层析反演需建立观测到的等效Q场(同相轴全路径传播过程中Q效应的累计测量)与地下某个度量间隔内的Q值的对应关系。等效Q场Q_eff定义为

$ \frac{t}{Q_{\mathrm{eff}}}=\sum\limits_{i=1}^n \frac{t_i}{Q_i} $

(4)

式中：t为射线总走时；Q_i为沿射线路径上覆第i层介质的Q值；n为射线传播路径上介质总层数；t_i是沿射线路径第i层介质的垂直旅行时^[18]。

使用初始速度模型、初始Q场共成像点道集进行射线追踪，对于每一对射线，沿着射线路径以及利用初始Q模型的层间Q值，可以累加得到Q_eff的模拟值，从而得到

$ \frac{t}{Q_{\text {eff }}^{\text {ofb }}(t)}-\frac{t}{Q_{\text {eff }}^{\text {mod }}(t)}=\sum\limits_{i, j, k=1}^n\left(t_{i, j, k} \delta Q_{i, j, k}^{-1}\right) $

(5)

式中：Q_eff^obs(t) 为t时刻Q_eff的观察值；Q_eff^mod(t)为t时刻Q_eff的模拟值；i、j、k为反演网格的索引；t_{i, j, k}为当前反演网格内的走时；δQ_{i, j, k}^-1为层间值Q^-1的修正量。多条射线路径即组成一个稀疏线性矩阵方程组，定义Q层析的目标函数，求解大型稀疏线性方程组，即

$ \begin{aligned} & \Delta \boldsymbol{Q}^{-1}= \\ & \quad \arg \min\nolimits _{\Delta Q^{-1}}\left(\left\|\boldsymbol{L} \boldsymbol{S} \Delta \boldsymbol{Q}^{-1}-\Delta t^*\right\|+\lambda\left\|\Delta \boldsymbol{Q}^{-1}\right\|\right) \end{aligned} $

(6)

式中：L是与吸收旅行时相关的反演大型稀疏线性方程组；S是平滑因子；λ为阻尼系数。通过层析反演获得对于网格单元(i, j, k)中初始Q模型的更新量δQ_{i, j, k}^-1，最终得到地下三维空间的Q模型。

2.5 Q叠前深度偏移技术

常规偏移中的振幅补偿项一般只补偿球面扩散能量损失，而不考虑介质吸收效应对不同频率的能量影响。而反Q滤波多为一维算法，仅补偿地震波在垂直时间方向振幅损失和相位畸变，而不考虑地震波实际传播路径的差异。

地震勘探中薄砂体、小断层的精细识别是有利储层预测的关键，提高分辨率处理一直是地震资料处理的重要环节之一。常规积分偏移法没有补偿黏性吸收引起的幅值衰减，也没有进行频散校正，因此偏移成像分辨率较低。Q叠前深度偏移技术考虑了地震波在传播过程中的介质吸收因素，消除了从炮点到反射点再到检波点全路径上由于介质非弹性因素引起的衰减和频散，可得到纵向分辨率更高的成像结果，同时对吸收引起的能量衰减也进行一定程度的补偿^[23-26]。

由于地下介质并非完全弹性，地震波在传播过程中发生衰减，可以用品质因子Q来描述该衰减过程。通常假定品质因子Q与频率无关或者弱相关，即恒Q模型。复速度c(ω)与实速度v_real(ω)关系式如下

$ \frac{1}{c(\omega)}=\frac{1}{v_{\text {real }}(\omega)}\left(1-\frac{\mathrm{j}}{2 Q}\right) $

(7)

考虑地震波的速度频散，即

$ v_{\text {real }}(\omega)=v_{\text {real }}\left(\omega_{\mathrm{R}}\right)\left[1+\frac{1}{\pi Q} \operatorname{In}\left(\frac{\omega}{\omega_{\mathrm{R}}}\right)\right] $

(8)

当频率趋向于ω_R时，v_real接近常值，因此可用主频ω₀替代高阶频率ω_R，ω₀对应的v_real刚好是通过速度估计方法得到的，因此

$ v_{\text {real }}(\omega)=v_{\text {real }}\left(\omega_0\right) \frac{1+\left(\frac{1}{\pi Q}\right) \operatorname{In}\left(\frac{\omega}{\omega_{\mathrm{R}}}\right)}{1+\left(\frac{1}{\pi Q}\right) \operatorname{In}\left(\frac{\omega_0}{\omega_{\mathrm{R}}}\right)} $

(9)

将式(9)代入式(7)得

$ \frac{1}{c(\omega)}=\frac{1}{v}\left(1-\frac{\mathrm{j}}{2 Q}\right)\left(1-\frac{1}{\pi Q} \operatorname{In} \frac{\omega}{\omega_0}\right) $

(10)

式中：v为常规的偏移速度；Q代表与频率无关的恒Q值。

对任一地震道d(t)，假设常规处理流程中反褶积处理消除了震源子波的影响，应用反褶积成像条件，可得到单道数据的成像结果，即脉冲响应

$ I(x, y, z)=\frac{\tau_{\mathrm{g}} r_{\mathrm{s}}^3}{\tau_{\mathrm{s}} r_{\mathrm{g}}^3}\left[D(\omega) \omega \exp \left(-\mathrm{j} \frac{\pi}{2}\right) \exp \left[\mathrm{j} \omega\left(\tau_{\mathrm{s}}+\tau_{\mathrm{g}}\right)-\left(\frac{\tau_{\mathrm{s}}}{Q_{\mathrm{s}}}+\frac{\tau_{\mathrm{g}}}{Q_{\mathrm{g}}}\right) \frac{\operatorname{In}\left(\omega / \omega_0\right)}{\pi}\right] \exp \left[\frac{\omega}{2}\left(\frac{\tau_{\mathrm{s}}}{Q_{\mathrm{s}}}+\frac{\tau_{\mathrm{g}}}{Q_{\mathrm{g}}}\right)\right] \mathrm{d} \omega\right. $

(11)

式中：x、y、z为成像点的三维坐标；D(ω)为地震道d(t)的傅里叶变换；r_s为炮点到成像点的直线距离；r_g为成像点到检波点的直线距离；τ_s为炮点沿射线路径至成像点的走时；τ_g为成像点沿射线路径至检波点的走时；Q_s为炮点处射线路径相关的等效Q值，Q_g为检波点处射线路径相关的等效Q值；$\frac{\tau_{\mathrm{g}} r_{\mathrm{s}}^3}{\tau_{\mathrm{s}} r_{\mathrm{g}}^3} $是成像权系数，用于补偿地震波的球面扩散影响。

图 4为常规叠前深度偏移(左)和Q叠前深度偏移(右)对比，由图可见，通过Q偏移后，深层碳酸盐岩成像分辨率得到了显著提升，层间薄储层弱反射特征更加清晰(图 4红框区域)。

2.6 低频补偿技术

低频信号具有更强的穿透力，可突破屏蔽层，传播得更深、更远，且具有更强的能量，这对提高深层碳酸盐岩资料的信噪比十分有利。有了充分的低频信息，进行波阻抗反演时就可减少对地质模型的依赖，减小由井曲线插值引起的误差，从而提高波阻抗反演的准确性。

本文采用GeoEast系统中基于数据驱动的自适应补偿方法进行低频补偿，该方法以地震子波估计为基础，先对输入数据做频谱分析，以确定低频补偿的起始频率和终止频率。对于基于数据驱动的自适应补偿，起始频率一般选择有效信号的最低频率，终止频率一般应选择大于地震数据的峰值频率。通过估算地震数据的地震子波，拓宽其低频带宽，达到补偿地震数据低频信号的目的。图 5为低频补偿前、后叠前深度偏移剖面对比，由图可见，低频补偿后深层灯影组台缘带成像和地层接触关系更清楚(图 5红圈区域)。

3 实际资料应用效果

本次实际数据为大川中射洪—盐亭三维工区，满覆盖面积为2052.1km²。工区属低丘陵山地地貌，局部高程变化较大，海拔高度一般在350~720m，地势低洼处多为涪江及梓江河沿岸，北部地势相对较高，工区内水域面积大。第四系砾石主要分布在涪江、梓江河沿岸附近，激发、接收条件相对较差，近地表吸收严重。

通过宽频采集获得宽频地震资料，在保证深层碳酸盐岩地震资料信噪比的基础上，开展了高保真、高分辨率地震处理，合理拓宽地震信号的有效频带宽度，地震资料分辨率、深层碳酸盐岩的成像效果得到显著提升，台缘带成像更清楚，地层接触关系和断层刻画更加清晰，薄储层成像分辨率得到了显著提升(图 6蓝框和蓝圈区域)，利于开展精细层位解释、层序划分和储层预测。

4 结束语

本文讨论了宽频地震勘探技术方法。通过开展宽频地震资料采集，利用GeoEast地震资料处理系统中Q吸收补偿技术、Q层析建模技术、Q叠前深度偏移技术和低频补偿技术等宽频地震资料处理特色技术，较好地补偿了近地表和地下地层的高频吸收、衰减，深层碳酸盐薄储层弱信号得到了恢复和增强，实现了深层碳酸盐岩薄储层高保真、高分辨率(“双高”)地震成像，地层接触关系和断层刻画更清晰，利于开展精细层位解释和储层预测。该技术系列在其他薄储层高分辨率成像、非常规油气储层“双高”处理和深层复杂构造地区高分辨率成像也具有较好的应用前景。