The application of formation Q value compensation method based on wavelet frequency division to the exploration of middle-deep hydrocarbon in the East China Sea
-
摘要: 东海陆架盆地是中国近海最大的边缘海盆地，其地下地质结构较为复杂，地震剖面的中深层地震资料品质较差，常规的地震波能量补偿技术很难获得有效的地层信息，从而制约了东海陆架盆地中深层构造结构研究及中深层油气勘探。基于此，本文利用基于小波分频的地层Q值补偿技术，该技术针对东海陆架盆地中深层地震资料的频率特点，逐点进行小波分频处理，得到目标频率信息的地震数据，在此数据基础上利用小波域谱比法计算地层Q值，避免了其他频率信息对提取Q值的影响，提高了Q值提取的稳定性，最后进行地层Q值的振幅和相位补偿。模型和实例分析表明，该方法有效地补偿了东海陆架盆地中深层地震资料的振幅和相位，提高了主频，展宽了频带，从而提高了中深层地震资料的质量，有利于后期地震资料的反演。Abstract: The East China Sea Shelf Basin is the largest marginal basin in China's offshore waters. Its underground geological structure is relatively complex and thus the quality of mid-deep seismic data is poor. Conventional seismic wave energy compensation technology is not efficient enough to obtain effective stratigraphic information and the research of mid-deep structure and the exploration of mid-deep oil and gas are restricted in the East China Sea. In order to solve the problem, this paper introduced the method of formation Q-value compensation method based on wavelet frequency division. This method focuses on the target layer and divides the seismic data into frequency segments so as to avoids the mutual influence of seismic signals from different frequency components, so that the frequency information of the target layer might be better treated. As the result, the stability of formation Q value extraction is improved. Finally, the amplitude and phase compensation of target layer Q value are performed. The model and examples show that this method can effectively compensate the deep seismic data in the East China Sea, improve the main frequency, broaden the frequency band, and thus improve the quality of seismic data, which is favorable for inversion of seismic data.
-
地震波在实际地层中传播时，随着传播深度的增加，吸收也在不断增强，尤其是东海陆架盆地的中深层。东海陆架盆地位于欧亚板块的东南缘，中生代以来，盆地形成和演化过程受到古太平洋板块多期俯冲及多构造体系的叠加改造，地质构造复杂，地下存在复杂的地质体和粗糙界面，地震波传播过程需要经过较长的时间和路径，其间会产生散射干扰，从而造成地震反射信号的衰减，再加上各种噪音的影响，造成了东海陆架盆地中深层地震资料主频低，频带窄，信噪比低，有的反射同相轴会淹没在随机噪音中，难以识别和追踪，从而增加了勘探的难度，制约了中深层油气资源的开发[1-7]，因此，需要补偿中深层的吸收衰减，消除大地滤波的影响，提高东海陆架盆地中深层地震数据的分辨率。
地震波能量补偿的目的是使反射波能量与非地质因素无关，只与界面的反射系数有关，即消除了这种非地质因素对反射波能量造成的影响。早期地震波能量补偿主要是地表一致性振幅补偿和球面扩散补偿，但是随着地震波衰减的进一步研究，国内外地球物理学家们提出了许多新的补偿方法：Hargreaves等在1987年提出了相移反Q滤波法[8]。Hale在1982年提出了Hale算法，但是该方法没有解决相位不相容性问题[9]，1993年，Varela等将Hale算法进行了改进，解决了Hale算法中的不相容性问题[7]。1992年，赵建勋等提出串联反Q滤波方法，该方法运用变Q对实际资料进行处理，处理的结果更准确[10]。1994年，赵圣亮等提出了高频能量补偿的方法，该方法是在频率域中进行的[11]；1996年，高军等利用傅里叶变换，同样是在频率域中进行地震波能量的补偿[12]；2000年，李鲲鹏等针对常规方法中的不足，提出了利用小波包分解方法进行地震波能量的补偿，该方法是在时频域中进行的[13]；2002年，Yanghua Wang提出一种稳定反Q滤波方法，该方法是基于分层的常Q模型，2006年又对其进行了改进，将Q值随旅行时变化的模型代替了基于分层的常Q模型[14-15]；2005年，Ralf Ferber等利用滤波组方法进行地震波能量的补偿，该方法中Q值可随时间任意的变换[16]。以上的这些吸收补偿技术已逐步地走向了成熟和实用化，但地层Q值的准确估算仍然是目前面临的实际而具体的问题。
针对以上问题，本文选取了基于小波分频的地层Q值补偿方法，该方法在提取Q值时，可根据地震资料的频率特点，利用小波分频技术将地震资料分成不同的频率段，根据不同目标层的频率信息计算地层Q值，避免不同频率成分地震信号的相互影响，提高Q值提取的稳定性，从而提高地层Q值补偿的稳定性[17-18]。
1. 方法原理
1.1 地层Q值提取
地层Q值提取应用的是基于小波分频技术的地层Q值提取方法，该方法首先利用小波变换对目标层进行分析，选择适合目标层的频率区间，下面是连续小波变换的公式：
$$\left( {{W_\psi }f} \right)\left( {a,b} \right) = {\left| a \right|^{ - {1/2}}}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {f\left( t \right)\overline {\psi \left( {\frac{{t - b}}{a}} \right)} dt} $$ (1) 式中，
$f\left( t \right)$ 为实信号，$t$ 为时间，$\psi \left( t \right)$ 为小波变换的母小波，上面的短横“—”表示取其负数共轭，$a$ 和$b$ 分别是尺度因子和平移因子，$\left( {{W_\psi }f} \right)\left( {a,b} \right)$ 是小波变换的系数。$\hat \psi \left( \omega \right)$ 为$\psi \left( t \right)$ 的傅氏变换，小波变换母小波满足如下允许条件，$$\int_{ - \infty }^\infty {\frac{{{{\left| {\hat \psi \left( \omega \right)} \right|}^2}}}{{\left| \omega \right|}}d\omega < + \infty } $$ (2) 并满足绝对可积且平方可积；
在实际应用中，采用的是修正后的Morlet小波，即
$${\psi _m}\left( t \right) = {\pi ^{ - {1/4}}}{e^{imt}}{e^{ - {{{{\left( {ct} \right)}^2}}/2}}}$$ (3) 其中m≥5，表示调制频率；
$c$ 是调幅因子，用来控制小波函数的长度。然后对地震资料逐点进行时频分析，得到每一点的目标频率段，再对地震数据进行分频处理，得到目标频率段的地震数据，最后利用小波域谱比法提取地层Q值，这样估算的Q值只考虑了目标频率段信息，不会受其他频率段信息的影响，使估算结果更精确。该技术容易受到各种噪音的影响，因此在应用之前，需要对地震资料进行去噪处理。本文主要针对东海陆架盆地中深层地震资料的频率特点，利用该方法的优势，估算地层Q值。下面是小波域谱比法的计算公式，它假定地震子波为一般的零相位子波，
$$\ln \frac{{\left| {W\left( {a,{t_1}} \right)} \right|}}{{\left| {W\left( {a,t} \right)} \right|}} = - \lambda \frac{{\left( {{t_1} - t} \right)}}{Q}$$ (4) 其中
$\lambda = \dfrac{{\pi \left( {\frac{{{f_1}}}{\tau } + af} \right)}}{{\frac{1}{\tau } + {a^2}}}$ ；$\tau $ 为能量衰减率，为常数；对于所研究的目标层，假设波传播到该目标层上下界面所用的时间分别是$t$ 和${t_1}$ ，${\left| {W\left( {a,t} \right)} \right|_{\max }}$ 为不同的尺度因子在同一个时间处对应时频谱的最大值。最后进行线性回归估算地层的Q值[19-25]。1.2 地层Q值补偿
地层吸收会引起地震波能量衰减和速度频散，因此，需要对其进行振幅和相位的补偿，提高地震数据的分辨率。
首先利用小波变换将地震数据转成时频域，然后根据提取的地层Q值，利用时频域地震波衰减补偿公式，进行振幅和相位的补偿，下面是时频域地震波衰减补偿公式：
$${U_0}\left( {f,t} \right) = U\left( {f,t} \right)A\left( {f,t} \right)P\left( {f,t} \right)$$ (5) 式中，
${U_0}\left( {f,t} \right)$ 表示脉冲震源，$U\left( {f,t} \right)$ 是平面波在均匀介质中传播的时频域表达式，$t$ 表示传播时间，$f$ 表示传播频率，$A\left( {f,t} \right) = \exp \left( {\frac{{\pi ft}}{Q}} \right)$ 表示振幅补偿算子，$P\left( {f,t} \right) = \exp \left( {i\frac{{2ft}}{Q}\ln \left| {\frac{{{f_r}}}{f}} \right|} \right)$ 表示相位补偿算子，在补偿过程中，采用自适应增益限，对有效频带范围之外的采用斜坡式衰减，最后对补偿后的时频谱进行小波反变换，得到时间域地震信号[26-29]。图1是该技术的流程图。2. 模型和实例分析
根据东海地震资料的特点[30]，采用地震子波主频为35 Hz的雷克子波，建立了一个水平层状模型。图2a是一无衰减模型。图2b是衰减模型，其中Q值分别是55（0～800 ms）、85（801～1 600 ms）、125（1 601～2 400 ms）。图2c是利用本文方法补偿后的模型，可以看出，目标层的振幅和主频都得到了提高，频带得到了展宽。为了对补偿效果做进一步的分析，我们选取了一道数据，进行了补偿前后的时频谱对比，见图3，可以明显地看出，振幅和相位都得到了补偿，主频得到了提高，频带得到了展宽，进而可以得出本方法可以较好的补偿由于大地吸收引起的衰减，使信号频谱展宽，高频得到提升，中深层分辨率得到提高，更有利于后期地震资料的反演。
![]()
图 2 衰减模型进行时频域补偿效果图Figure 2. Compensation effect of the attenuation model in time-frequency domain本文主要针对东海陆架盆地中深层地震资料特点，首先利用基于小波分频的地层Q值提取方法逐点计算中深层的地层Q值，然后对中深层地震资料进行振幅补偿和相位补偿。图4是A测线中深层数据补偿前剖面图，图5是A测线经过本文方法补偿后的地震剖面，通过对比可以看出，补偿后剖面振幅的能量得到了提高，相位得到了校正。为了更加直观地分析补偿后的效果剖面，我们选取了过目标层的一点数据，做了补偿前后时频谱曲线的对比，见图6，通过对比可以更明显看出振幅能量得到了提高，尤其是高频能量，频带得到了展宽，相位也得到了校正。图7和图8分别是截取的第1 000道数据处理前后的时频谱对比，通过比较可以明显看出补偿前后时频谱的变化，尤其是箭头所指位置，频带宽度得到了展宽，相位得到了校正，与上面的分析吻合，从而也得出本方法适用于东海陆架盆地中深层地震资料。图9和图10是B测线补偿前后的对比图，图11是B测线补偿前后的振幅谱对比图，同样可以看出补偿效果较好，进一步说明本文方法可以有效地补偿由大地吸收引起的衰减，使东海陆架盆地中深层的能量得到补偿，频谱被展宽，弱反射信号的能量得到提高，同相轴的连续性得到改善，从而恢复原来的地震波形态，提高地震数据的质量，有利于东海陆架盆地中深层地震资料的反演。
![]()
图 6 A测线补偿前后的振幅谱对比（其中红色是补偿后，蓝色是补偿前）Figure 6. Comparison of amplitude before and after compensation of line A（where red is compensated and blue is non-compensation）![]()
图 7 第100道数据补偿前时频谱Figure 7. The time-frequency specta of the 100th trace after compensation![]()
图 8 第100道数据补偿后时频谱Figure 8. The time-frequency spectra of the 100th trace before compensation![]()
图 11 B测线补偿前后的振幅谱对比（其中红色是补偿后，蓝色是补偿前）Figure 11. Comparison of amplitude before and after compensation of line B（where red is compensated and blue is non-compensation）该技术是逐点进行地层Q值的提取和补偿，当地震数据中存在严重的噪音干扰时，噪音也会相应的得到加强，所以，在应用本文方法时，需要首先对东海中深层地震资料进行去噪处理，然后再进行地层Q值的补偿。
3. 结论
（1）基于小波分频的地层Q值提取方法可以根据东海中深层地震资料的频率范围，选取特定的频率段数据计算地层Q值，从而可以提高地层Q值提取的精度。
（2）地层Q值补偿技术可以有效地补偿东海中深层地震数据，提高主频，展宽频带，提高弱反射信号的能量，加强同相轴连续性，从而为东海陆架盆地中深层的地震资料的反演提供了高质量的地震数据。
（3）本文技术是逐点进行小波分频的计算、地层Q值的提取和地层Q值的补偿，因此，技术方法受噪音影响较大，在应用之间，需对地震数据进行去噪处理，这样补偿效果会更好。
-
![]()
图 2 衰减模型进行时频域补偿效果图
Figure 2. Compensation effect of the attenuation model in time-frequency domain
![]()
图 6 A测线补偿前后的振幅谱对比（其中红色是补偿后，蓝色是补偿前）
Figure 6. Comparison of amplitude before and after compensation of line A（where red is compensated and blue is non-compensation）
![]()
图 7 第100道数据补偿前时频谱
Figure 7. The time-frequency specta of the 100th trace after compensation
![]()
图 8 第100道数据补偿后时频谱
Figure 8. The time-frequency spectra of the 100th trace before compensation
-
[1] Futterman W I. Dispersive body waves [J]. Journal of Geophysical Research, 1962, 67(13): 5729-5291.
[2] Hargreaves N D, Calvert A J. Inverse Q filtering by Fourier transform [J]. Geophysics, 1991, 56(4): 519-527. doi: 10.1190/1.1443067
[3] Stolt R H. Migration by Fourier transform [J]. Geophysics, 1978, 43(1): 23-48. doi: 10.1190/1.1440826
[4] Robinson J C. A technique for the continuous representation of dispersion in seismic data [J]. Geophysics, 1979, 44(8): 1345-1351. doi: 10.1190/1.1441011
[5] 刘财, 刘洋, 王典, 等. 一种频域吸收衰减补偿方法[J]. 石油物探, 2005, 44(2):116-118. [LIU Cai, LIU Yang, WANG Dian, et al. A method to compensate strata absorption and attenuation in frequency domain [J]. Geophysical Prospecting For Petroleum, 2005, 44(2): 116-118. doi: 10.3969/j.issn.1000-1441.2005.02.005 [6] 刘建, 沈鸿雁, 边建民, 等. VSP资料Q值提取与补偿处理[J]. 西部探矿工程, 2013, 25(8):144-148. [LIU Jian, SHEN Hongyan, BIAN Jianmin, et al. Processing of Q value extraction and compensation on VSP data [J]. West-china Exploration Engineering, 2013, 25(8): 144-148. doi: 10.3969/j.issn.1004-5716.2013.08.048 [7] Varela C L, Rosa A L R, Ulrych T J. Modeling of attenuation and dispersion [J]. Geophysics, 1993, 58(8): 1167-1173. doi: 10.1190/1.1443500
[8] Hargreaves N D, Calvert A J. A fast inverse Q-filter[J]. 1987, 57th. Ann. Internat. Mtg., Soc. Expl. Geophys., Expanded Abstracts, 252-54.
[9] Hale D. Q-adaptive deconvolution [J]. Stanford Exploration Project Report, 1982, 30: 133-158.
[10] 赵建勋, 倪克森. 串联反Q滤波及其应用[J]. 石油地球物理勘探, 1992, 27(6):722-730. [ZHAO Jianxun, NI Kesen. Cascaded inverse Q filtering and the application [J]. OGP, 1992, 27(6): 722-730. [11] 赵圣亮, 王晓明, 王建华. 一种简易的频率补偿方法[J]. 石油地球物理勘探, 1994, 29(2):231-235. [ZHAO Shengliang, WANG Xiaoming, WANG Jianhua. A simple frequency compensation method [J]. OGP, 1994, 29(2): 231-235. [12] 高军, 凌云, 周兴元, 等. 时频域球面发散和吸收补偿[J]. 石油地球物理勘探, 1996, 31(6):856-866, 905. [GAO Jun, LING Yun, ZHOU Xingyuan, et al. Compensation for spherical divergence and absorption in time-frequency domain [J]. OGP, 1996, 31(6): 856-866, 905. [13] 李鲲鹏, 李衍达, 张学工. 基于小波包分解的地层吸收补偿[J]. 地球物理学报, 2000, 43(4):542-549. [LI Kunpeng, LI Yanda, ZHANG Xuegong. A method to compensate earth filtering based on wavelet packet [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2000, 43(4): 542-549. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2000.04.015 [14] Wang Y H. A stable and efficient approach of inverse Q filtering [J]. Geophysics, 2002, 67(2): 657-664. doi: 10.1190/1.1468627
[15] Wang Y H. Inverse Q-filter for seismic resolution enhancement [J]. Geophysics, 2006, 71(3): v51-v60. doi: 10.1190/1.2192912
[16] Ferber R. A filter bank solution to absorption simulation and compensation[C]//Proceedings of the 75th Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts. Houston. SEG, 2005.
[17] 王小杰, 栾锡武. 基于小波分频技术的地层Q值提取方法研究[J]. 石油物探, 2015, 54(3):260-266. [WANG Xiaojie, LUAN Xiwu. Q value extraction method based on wavelet frequency division technology [J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2015, 54(3): 260-266. doi: 10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.003 [18] 王小杰, 栾锡武. 基于小波分频技术的地层Q值补偿方法研究[J]. 石油物探, 2017, 56(2):203-209. [WANG Xiaojie, LUAN Xiwu. The study of formation Q value compensation method based on wavelet frequency division technology [J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017, 56(2): 203-209. doi: 10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.006 [19] 孙成禹. 地震波理论与方法[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2007: 101-124. SUN Chengyu. Theory and Methods of Seismic Waves[M]. Dongying: China University of Petroleum Press, 2007: 101-124.
[20] 陆基孟. 地震勘探原理[M]. 东营: 石油大学出版社, 1993: 1-26. LU Jimeng. Principles of Seismic Exploration[M]. Dongying: Petroleum University Press, 1993: 1-26.
[21] 王清振. 深层地震波吸收机理及能量补偿方法研究[D]. 中国石油大学(华东)硕士学位论文, 2008. WANG Qingzhen. Research on deep layer seismic absorption mechanism and the method of energy compensation[D]. Master Dissertation of China University of Petroleum (East China), 2008.
[22] 李振春, 王清振. 地震波衰减机理及能量补偿研究综述[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(4):1147-1152. [LI Zhenchun, WANG Qingzhen. A review of research on mechanism of seismic attenuation and energy compensation [J]. Progress in Geophysics, 2007, 22(4): 1147-1152. doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2007.04.021 [23] 李合群, 孟小红, 赵波. 地震数据Q吸收补偿应用研究[J]. 石油地球物理勘探, 2010, 45(2):190-195, 229. [LI Hequn, MENG Xiaohong, ZHAO Bo. Application Studies on Q absorption and compensation for seismic data [J]. OGP, 2010, 45(2): 190-195, 229. [24] 王小杰. 基于叠前地震资料地层吸收参数提取方法研究[D]. 中国石油大学(华东)硕士学位论文, 2009. WANG Xiaojie. The study on methods of layer absorbing parameters extraction based on prestack seismic data[D]. Master Dissertation of China University of Petroleum (East China), 2009.
[25] 王小杰, 印兴耀, 吴国忱. 基于叠前地震数据的地层Q值估计[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(3):423-428. [WANG Xiaojie, YIN Xingyao, WU Guochen. Estimation of stratigraphic quality factors on pre-stack seismic data [J]. OGP, 2011, 46(3): 423-428. [26] 姚振兴, 高星, 李维新. 用于深度域地震剖面衰减与频散补偿的反Q滤波方法[J]. 地球物理学报, 2003, 46(2):229-233. [YAO Zhenxing, GAO Xing, LI Weixin. The forward Q method for compensating attenuation and frequency dispersion used in the seismic profile of depth domain [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2003, 46(2): 229-233. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2003.02.016 [27] 王本锋, 陈小宏, 李景叶, 等. 基于反演的稳定高效衰减补偿方法[J]. 地球物理学报, 2014, 57(4):1265-1274. [WANG Benfeng, CHEN Xiaohong, LI Jingye, et al. A stable and efficient attenuation compensation method based on inversion [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(4): 1265-1274. doi: 10.6038/cjg20140423 [28] 杨学亭, 刘财, 刘洋, 等. 基于连续小波变换的时频域地震波能量衰减补偿[J]. 石油物探, 2014, 53(5):523-529, 602. [YANG Xueting, LIU Cai, LIU Yang, et al. The attenuation compensation of seismic wave energy in time-frequency domain based on the continuous wavelet transform [J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2014, 53(5): 523-529, 602. doi: 10.3969/j.issn.1000-1441.2014.05.004 [29] 张固澜, 熊晓军, 容娇君, 等. 基于改进的广义S变换的地层吸收衰减补偿[J]. 石油地球物理勘探, 2010, 45(4):512-515. [ZHANG Gulan, XIONG xiaojun, RONG Jiaojun, et al. Stratum absorption and attenuation compensation based on improved generalized S-transform [J]. OGP, 2010, 45(4): 512-515. [30] 邓勇, 李添才, 朱江梅, 等. 南海西部海域油气地球物理勘探中地震处理技术新进展[J]. 天然气地球科学, 2011, 22(1):149-156. [DENG Yong, LI Tiancai, ZHU Jiangmei, et al. Progress of seismic data processing technology in western South China Sea [J]. Natural Gas Geoscience, 2011, 22(1): 149-156. -
期刊类型引用(4)
1. 刘鸿，徐华宁，刘欣欣，陈江欣，张菲菲，王小杰，颜中辉，杨佳佳，杨睿. 海洋地球物理数据处理现状及展望. 海洋地质与第四纪地质. 2024(03): 40-52 . 
本站查看
2. 尉佳，岳龙，杨睿，徐清风，李志强，刘云. 基于改进的广义S变换的海洋地震资料随机噪音压制. 海洋地质与第四纪地质. 2022(03): 184-193 . 本站查看
3. 张浩，付昌，满红霞，陈程，方欣欣，李宗星. 地震反射数据Q值估计及其在油气勘探中的应用. 地质力学学报. 2022(04): 550-560 . 百度学术
4. 周青春，黎益仕，高战武，罗浩，王继. 最小二乘地震波4D球面扩散与吸收补偿方法及其应用研究. 震灾防御技术. 2022(03): 539-548 . 百度学术
其他类型引用(1)
下载:
计量
- 文章访问数: 2344
- HTML全文浏览量: 409
- PDF下载量: 12
- 被引次数: 5
