2. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学), 武汉 430100;
3. 川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司, 成都 610213
2. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University), Ministry of Education, WuHan 430100, China;
3. Sichuan Geophysical Company of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chengdu 610213, China
滤波是地震资料处理过程的关键环节之一,其目是获取高品质地震资料.地震资料滤波处理涉及到野外采集、室内处理以及储层地震等各个环节.在野外地震采集及偏移叠加阶段的地震资料处理的质量控制方面,主要是按照各大石油公司及相关部门的工程化技术质量管理方法,并以ISO9001《质量管理体系要求》为基础,建立了一套完整的地震资料处理质量控制体系,并在实际生产中得到应用(熊翥, 1993).其监控指标主要是地震剖面对比分析、地震资料频谱分析、合成地震记录以及其他地震属性,即主要是针对波形特征是否合理、地震资料主频及频宽是否满足处理要求,从而确定分辨率是否能满足地质任务的要求(李雪英等, 2012).由于噪声存在地震数据体中,影响地震资料的品质,并且造成解释的假象.而噪声和信号在实际地震记录中很难有一个明确的数学关系可以直接界定,因此,在地震资料滤波处理方面形成一个有效的滤波质量控制指标有待建立,尤其是在利用地震资料进行储层预测中,有效信号和噪声的界定十分关键.而在实际地震资料滤波处理中,地震记录中的信号和噪声难以区分,为了信噪分离,各种滤波方法随之发展.近10年来,地震资料滤波广泛应用滤波方法有f-k滤波、τ-p变换滤波、Wavelet变换滤波,但这些方法各有优缺点,一些学者相继提出一些新的滤波方法来提高地震资料品质.洪菲等人(2004)提出优化聚束滤波方法,该方法是在一种包括信号和相关噪声的模型上消除地震噪声.还有学者提出二维滤波器(Liu et al.,2006)、一维时变中值滤波器(Liu et al.,2008)、局部相关加权中值滤波(刘洋等,2011)及时频峰值滤波(Lin et al.,2013)对地震资料滤波,增强了地震资料有效信息.另外,针对地震信号与噪声差异较小的情况,Wang等人(2008)利用形态滤波对地震资料进行处理,取得了一定的效果;针对大地滤波作用对地震数据进行补偿,校正地震子波相位的拉伸、补偿地震波振幅和频率的损失,也可以利用反Q滤波技术(Liu等,2009)来提高地震资料分辨率,达到对小断层的识别.自Candès等人(2006)提出快速曲波变换以来,Neelamani等人(2008)利用该方法来消除随机噪声,该方法结合了脊波变换的各向异性及小波多尺度特点,可以在压制随机噪声的同时保护有效信号.而各向异性扩算滤波方法是在偏微分方程的基础上,引入结构分析,将扩散系数变为矢量(Weickert,1999)对地震资料进行去噪,该方法主要是通过结构张量的特征向量控制扩散方向,利用扩散张量的特征值控制特征方向上的扩散量对地震资料进行滤波,达到对地震有效信号的保留,除去噪声,并保护断层,为更好地进行边界检测和结构滤波,对地震数据体的倾角和方位的估算(Marfurt, 2006),可以进一步增强地震资料的横向分辨率和减少随机和相关噪声对地震有效信号的干扰,提高断层的检测精度.
这些滤波方法对叠后储层预测的应用效果的没有形成规范.为更好地服务实际生产,从叠后地震资料滤波过程出发,以断裂检测为例,总结地震滤波质量控制标准,对地震资料频谱特征、合成地震记录相关系数,以及对滤波前后地震属性进行定性分析,最终根据以上分析总结叠后储层断裂检测中地震数据体滤波质量控制标准,并将这些质量控制方法应用到断裂检测实例研究中,确保断裂检测精度.
地震资料频谱分析是确定地震资料主频、频带的重要手段,也是评价地震资料滤波效果的重要方法之一.在地震资料频谱上可以看出有效信号及部分噪声在频谱上特征,并在此基础上可以借助频谱分析结果,判断地震资料识别地质目标的能力,以及为精细地震资料处理和解释提供基础数据.
时间域地震资料频谱分析以傅 立叶变换为基础,对地震资料进行频谱分析.设x(n)为N点的有限长序列,则其正变换DFT为
其中WN=e-j2*π/N.
利用傅立叶变换可以确定地震资料的频带宽度及主频信息,通过对滤波前后地震资料的频谱分析,可以在全局上判定地震资料处理的好坏.因傅立叶变换只能在整个时间段的频谱信息,但要控制地震资料滤波处理过程的每个时间段的细节特征,需要对信号的局部特征进行帅选,然后对局部信号进行频谱分析.小波变换可以有效地从信号中提取信号局部特征,该方法通过伸缩和平移等运算对信号进行多尺度的细化,达到分析信号的局部频谱特征.下面以小波变换为例,对地震资料进行频谱分析.根据Daubechies(1992)将小波变换的定义为: 对任意函数f(x)∈L2(R),其连续小波变换
式中:a≠0为伸缩参数(尺度参数);b为时移参数(时间变量);φa,b为满足一定条件的小波基函数(见式3).小波变换的基函数 1 |a| φ t-d a 是窗函数φa,b的时间平移尺度b和尺度伸缩a的结果:
根据Sinha等人(2005)的研究可知,a的变化可以改变窗口的大小,若尺度参数a>1,则基函数相当于将函数拉伸,使窗口的时宽增大,其频谱缩窄并向低频方向移动;而a<1>,其频谱展宽并向高频方向移动.大的尺度参数对应于低频端,频率分辨率高、时间分辨率低;小尺度的参数对应于高频端,频率分辨率低、时间分辨率高,这就是小波变换的多分辨率特性.
在频谱分析方面,地震资料滤波效果的好坏主要从频带宽度、主频和能量保持三个方面来控制.三者的一致性说明滤波过程是有效的.在分析全局频谱特征时,采用傅立叶变换对原始地震资料进行频谱分析,在原始地震资料的频谱(图 1a)中可以看出大于50 Hz处存在频谱异常,经过滤波处理后的频谱(图 1b)可以看出无明显频谱异常.因此在全局上看,地震资料滤波前后其有效频带宽度均为10~50 Hz,主频均为30 Hz,但从该频谱图上仅仅可以看出频率与振幅之间的关系,而无法判定能量和频率随时间变化的细节信息.
地地震合成记录是地震地质联系的桥梁,通过合成地震记录分析可以确定地震资料滤波的好坏,从而确保地震解释层位标定及地震反演精度(Yilmaz, 2001).以下主要从合成记录验证滤波可靠性角度来分析滤波效果,不涉及到具体合成记录质量控制分析,有关合成记录质量控制可参考宋建国等人(2009)的研究论文.
合成地震记录是检验滤波处理效果好坏的指标之一,在Fuchs等(1971)和 Lindseth(1979)研究的基础上,分别对滤波前后地震资料制作合成地震记录(图 3).在对原始地震资料制作的合成记录(图 3a)中发现,其相关系数极低,主要是由于地震资料极性导致合成记录相关系数低,在调整地震子波极性后其相关系数有所提高.在对两种资料的合成记录制作(图 3a和图 3b)对比分析中发现,地震资料的极性均影响井震相关系数.关于极性问题的判断,根据Hampson等人(2001)通过改变地震子波的极性达到对地震资料极性的判断,其依据主要是根据阻抗关系最终确定.因此,滤波前后地震资料极性的一致性是对比滤波效果好坏的质量控制方法之一.
利用合成地震记录可对地震资料处理效果的好坏进行分析,其判别是根据合成地震记录与井旁道地震记录的相关系数来确定(White,1980).在图 3中,根据滤波前后合成地震记录可以看出,相关系数从滤波前0.446(图 3a)提高到滤波后0.447(图 3b).该相关系数的得出的前提是时深尺、测井数据、地震子波及极性完全一致,而地震数据不一致.从上面分析可以看出,利用合成记录的相关系数,在选定研究区不能很好的评价地震资料滤波的效果,主要是由于合成记录制作过程涉及的参数与测井有关,测井数据质量的好坏及处理测井数据方法的好坏直接影响合成地震记录的相关系数,另外,井震匹配问题也会影响合成地震记录的相关系数,因此选择合成地震记录评价地震资料滤波质量的风险将增加.
地震属性分析在地震储层预测中扮演重要的角色(Chen等,1997),也可以利用该属性检查地震资料滤波效果的好坏进行评价.下面实例以均方根地震属性及信噪比属性对地震资料滤波效果进行综合分析,以此达到地震滤波效果的评价.
信噪比地震属性是利用数学方法对信噪比地震数据体进行计算而得到的一种地震数据,利用该属性可以评价地震资料滤波效果的好坏.通过对滤波前后均方根地震属性及均方根信噪比属性,可以对地震滤波效果进行定性评价.
据研究区目的层分别在原始地震数据及滤波处理后地震数据上提取均方根地震属性,可以看出滤波前后地震属性差异明显(图 4a和图 4b),对照均方根信噪比属性(图 4c)可以明显看出信噪比较低部位对应滤波前后地震属性上较大差异部位,这种差异在滤波前后均方根地震属性平面上可以清楚看出,造成这种差异主要是由于噪声引起的.
地震属性在平面上可以看出滤波前及滤波后地震数据体差异,但是这种差异无法直接反映在实际地震数据体上.而地震剖面对比分析就可以直接看出滤波效果,对地震资料滤波处理效果分析中,最直接的办法就是通过地震剖面来检查.以目的层J2t2为例,根据Fomel (2002)提出的滤波方法对地震数据进行处理,并分析滤波前地震剖面(图 5a)及滤波后地震剖面(图 5b),可以发现地震剖面质量存在差异.
从地震剖面反射特征来看,滤波前后地震剖面的差异不明显,而从信噪比剖面来看,可以全局提供整个剖面信噪比大小分布情况,在信噪比分析的基础上就很快确定剖面差异所在之处,通过滤波处理后地震资料与信噪比剖面叠加剖面上可以很好确定滤波前后地震数据体差异所在部位.因此信噪比为地震资料滤波合理性提供直接评价的标准.
研究区侏罗系头屯河组层间反射能量较弱,其层间地震分辨率较低(图5a),在原始地震资料上小断裂识别困难.其主要是因地震波在地下传播过程中除受到波场本身的影响外,还受到地质体和采集条件的影响都会对地震数据造成影响(Fu,2010).这些复杂的地震地质条件对地震数据品质的影响,可认为是噪声对有效信号的干扰,针对该类地质地球物理问题,采用相干体断裂检测(Bahorich等,1995)来验证滤波前后断裂的识别能力,并用此来验证滤波效果的好坏.
据以上滤波质量控制原则,利用相干检测技术分别对滤波前后地震数据进行处理.从滤波后的相干切片可以看出断裂在平面上展布更加清晰(图 7),其中图 7b中黑色框内各小断裂展布比图 7a中清晰.另外,在滤波后地震资料上得到的相干体剖面,经与地震剖面对比分析可知其断裂展布也更加合理,其中滤波后地震相干体(图 8b)检测断裂在剖面上分辨率比原始地震数据相干断裂检测剖面(图 8a)分辨率高,在黑色框(图 8)中可以明显看出两种数据体断裂检测精度.从断裂检测的平面及剖面可以看出,叠后地震资料的滤波对储层断裂检测精度比滤波前断裂检测精度高,因此,对地震资料滤波质量控制方法的研究,可提高对断裂解释精度.
经实例研究中发现,地震资料滤波质量控制的直接指标是确保地震滤波前后地震资料有效频带宽度、主频和能量一致性.
对于地球物理监控手段来看,地震滤波前后时频特征一致性是保证滤波质量的重要监控指标;另外,地震资料的信噪比在区域上具有较好的连续性,不像地下岩层一样变化快,因此可以利用信噪比剖面及其地震属性对地震资料进行质量控制.而利用信噪比地震属性对地震资料滤波效果进行评价比合成地震记录、单纯地震剖面对比以及地震属性综合对比来判断滤波效果更有优势.
在地震属性以及地震剖面的综合分析基础上,可以从滤波前后地震数据和信噪比数据体提取各种平面及剖面属性达到对地震数据滤波效果好坏的综合评价.该质量评价标准从点到线,线面结合,做到三维一体评价地震滤波效果好坏.经滤波后地震数据可为断裂检测提供可靠的基础数据.
致 谢 感谢感谢油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)开放基金资助项目(K2013-05)和国家自然科学基金“微震监测微地震监测中波场特征与数据处理方法”(41074104)资助;感谢匿名专家提出宝贵的建议及地球物理学进展编辑部的支持与帮助!
[1] | Bahorich M, Farmer S. 1995. 3-D seismic discontinuity for faults and stratigraphic features: The coherence cube[J]. The Leading Edge, 14(10): 1053-1058, doi: 10.1190/1. 1437077. |
[2] | Candès E, Demanet L, Donoho D, et al. 2006. Fast discrete curvelet transforms[J]. Multiscale Modeling & Simulation, 5(3): 861-899, doi: 10. 1137/05064182X. |
[3] | Chen Q, Sidney S. 1997. Seismic attribute technology for reservoir forecasting and monitoring[J]. The Leading Edge, 1997, 16(5): 445-448, doi: 10.1190/1.1437657. |
[4] | Daubechies I. 1992. Ten lectures on wavelets[M]. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics. |
[5] | Fomel S. 2002. Applications of plane-wave destruction filters[J]. Geophysics, 67(6): 1946-1960, doi: 10.1190/1.1527095. |
[6] | Fu L Y. 2010. Quantitative assessment of the complexity of geological structures in terms of seismic propagators[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 53(1): 54-63, doi: 10. 1007/s11430-009-0167-z. |
[7] | Fuchs K, Müller G. 1971. Computation of synthetic seismograms with the reflectivity method and comparison with observations[J]. Geophysical Journal International, 23(4): 417-433, doi: 10.1111/j.1365-246X.1971.tb01834.x. |
[8] | Hampson D P, Schuelke J S, Quirein J A. 2001. Use of multiattribute transforms to predict log properties from seismic data[J]. Geophysics, 66(1): 220-236. doi: 10. 1190/1.1444899 . |
[9] | Hong F, Hu T Y, Zhang W P, et al. 2004. Attenuating multiples for low signal-to-noise ratio seismic data using optimal Beamforming[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 47(6): 1106-1110, doi: 10.1002/cjg2.611. |
[10] | Li X Y, Chen S M, Wang J M, et al. 2012. Forward modeling studies on the time-frequency characteristics of thin layers[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 55(10): 3410-3419, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.024. |
[11] | Lin H B, Li Y, Yang B J, et al. 2013. Random denoising and signal nonlinearity approach by time-frequency peak filtering using weighted frequency reassignment[J]. Geophysics, 78(6): V229-V237, doi: 10.1190/geo2012-0432.1. |
[12] | Lindseth R O. 1979. Synthetic sonic logs-a process for stratigraphic interpretation[J]. Geophysics, 44(1): 3-26, doi: 10.1190/1. 1440922. |
[13] | Liu C, Liu Y, Yang B, et al. 2006. A 2D multistage median filter to reduce random seismic noise[J]. Geophysics, 71(5): V105-V110, doi: 10.1190/1. 2236003. |
[14] | Liu Y, Liu C, Wang D. 2008. A 1D time-varying median filter for seismic random, spike-like noise elimination[J]. Geophysics, 74(1): V17-V24, doi: 10.1190/1.3043446. |
[15] | Liu Y, Wang D, Liu C, et al. 2011. Weighted median filter based on local correlation and its application to poststack random noise attenuation[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 54(2): 358-367, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.012. |
[16] | Liu Z W, Wang Y C. 2013. A joint high-resolution processing method and its application for thin inter-beds[J]. Petroleum Science, 10(2): 195-204, doi: 10. 1007/s12182-013-0267-4. |
[17] | Marfurt K J. 2006. Robust estimates of 3D reflector dip and azimuth[J]. Geophysics, 71(4): P29-P40, doi: 10.1190/1. 2213049. |
[18] | Neelamani R, Baumstein A I, Gillard D G, et al. 2008. Coherent and random noise attenuation using the curvelet transform[J]. The Leading Edge, 27(2): 240-248, doi: 10.1190/1.2840373. |
[19] | Sinha S, Routh P S, Anno P D, et al. 2005. Spectral decomposition of seismic data with continuous-wavelet transform[J]. Geophysics, 70(6): P19-P25, doi: 10.1190/1.2127113. |
[20] | Song J G, Li H, Liu L, et al. 2009. Quality control methods of synthetic seismograms[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 24(1): 176-182. |
[21] | Wang R Q, Li Q, Zhang M. 2008. Application of multi-scaled morphology in denoising seismic data[J]. Applied Geophysics, 5(3): 197-203, doi: 10. 1007/s11770-008-0033-3. |
[22] | Weickert J.1999. Coherence-enhancing diffusion of colour images[J]. Image and Vision Computing, 17(3): 201-212, doi: 10. 1016/S0262-8856(98)00102-4. |
[23] | White R E. 1980. Partial coherence matching of synthetic seismograms with seismic traces[J]. Geophysical Prospecting, 28(3): 333-358, doi: 10.1111/j.1365-2478. 1980. tb01230.x. |
[24] | Xiong Z. 1993. Applying techniques of seismic data digital processing (in Chinese)[M]. Beijing: Published by Petroleum Industry Press. |
[25] | Yilmaz . 2001. Seismic data analysis: processing, inversion, and interpretation of seismic data[M]. SEG Books. |
[26] | 洪菲, 胡天跃, 张文坡, 等. 2004. 用优化聚束滤波方法消除低信噪比地震资料中的多次波[J]. 地球物理学报, 47(6): 1106-1110, doi: 10.1002/cjg2.611. |
[27] | 李雪英, 陈树民, 王建民,等. 2012. 薄层时频特征的正演模拟[J]. 地球物理学报, 55(10): 3410-3419, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.024. |
[28] | 刘洋, 王典, 刘财,等.2011.局部相关加权中值滤波技术及其在叠后随机噪声衰减中的应用[J]. 地球物理学报, 54(2): 358-367, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.012. |
[29] | 宋建国, 李辉, 刘垒,等. 2009. 合成地震记录制作中的质量控制方法研究[J]. 地球物理学进展, 24(1): 176-182. |
[30] | 熊翥. 1993. 地震数据数字处理应用技术[M]. 北京: 石油工业出版社. |