一種變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)及其應(yīng)用

王明春 明 君

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院）

目前，國內(nèi)外比較流行的地震相分析方法主要有波形分類法、地震屬性特征映射法及基于地震地貌學(xué)的相劃分方法［1］，其中波形分類法是基于地震道波形特征的地震相劃分方法，具有分類簡單、算法成熟等特點(diǎn)而被商業(yè)軟件所廣泛采用。然而，傳統(tǒng)的地震波形分類方法大都是以等時(shí)窗內(nèi)地震道波形相似性來劃分地震相，無法對(duì)目的層段厚度變化大的情況進(jìn)行精確地震相分析。隨著層序地層學(xué)和地震沉積學(xué)的深入發(fā)展，以及滿足層序地層學(xué)在等時(shí)地層格架內(nèi)研究儲(chǔ)層的需要，發(fā)展變時(shí)窗地震相分類技術(shù)已成為地震相分析技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。本文提出了一種變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)，對(duì)其基本原理、實(shí)現(xiàn)流程及關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)闡述，并通過實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了本文方法的正確性和可行性，從而為應(yīng)用三維地震資料研究沉積相提供了一種有效手段。

1 變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)

地震道波形是地下地質(zhì)體巖性、物性、流體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的綜合響應(yīng)，又是地震波振幅、相位、頻率的綜合表現(xiàn)，任何與地震波傳播有關(guān)的地質(zhì)和地球物理參數(shù)都可以通過地震道波形的變化表現(xiàn)出來。因此，根據(jù)地震道的波形變化進(jìn)行波形相似性聚類，可以找出地震道波形變化的總體規(guī)律，認(rèn)識(shí)地震相的變化規(guī)律，從而認(rèn)識(shí)沉積相和巖相的變化規(guī)律。

1.1 基本原理與實(shí)現(xiàn)流程

基于波形分類的地震相分析原理，是利用地震道波形特征對(duì)某一層段內(nèi)地震數(shù)據(jù)道進(jìn)行逐道對(duì)比，把代表同一類沉積相的地震反射波分為一類，從而得到地震異常體平面分布規(guī)律，并以此來揭示同一沉積相帶［2］?，F(xiàn)有波形分類技術(shù)選取的目的層段都是等厚時(shí)窗，而不是一個(gè)完整波形的選取，造成在選取等厚時(shí)窗的情況下不能很好地反映波形與儲(chǔ)層的對(duì)應(yīng)關(guān)系。要想對(duì)縱橫向變化大的復(fù)雜儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)地震相分析，發(fā)展一種可變時(shí)窗的波形分類技術(shù)很有必要。

目前尚沒有對(duì)變時(shí)窗地震相分類方法的系統(tǒng)闡述。通過分析研究，我們認(rèn)為實(shí)現(xiàn)變時(shí)窗波形分類大致有2種途徑：第一種是對(duì)時(shí)間域不等長地震信號(hào)重采樣成等長地震信號(hào)（即對(duì)地震道波形進(jìn)行拉伸或壓縮）再聚類；第二種是將時(shí)間域不等長地震信號(hào)變換到頻率域，選取一個(gè)合適的恒定頻寬進(jìn)行聚類。第一種方法在信號(hào)重采樣過程中存在波形畸變，會(huì)對(duì)后續(xù)波形聚類產(chǎn)生影響；第二種方法不存在波形被拉伸或壓縮而發(fā)生波形畸變的問題。實(shí)際上，時(shí)間域和頻率域構(gòu)成了一個(gè)信號(hào)的2種表示方式，只不過在不同的域反映的信號(hào)特征不同。第二種方法正是利用了信號(hào)的不變性，實(shí)現(xiàn)了時(shí)窗厚度的可變性，從理論上看是可行的。

在分析頻率域變時(shí)窗地震相分類基本原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該項(xiàng)分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程（圖1）：①基于等時(shí)地層格架，對(duì)目的層頂?shù)走M(jìn)行層位解釋；②把目的層段內(nèi)時(shí)間域地震資料變換到頻率域；③頻率域不等長地震信號(hào)插值；④頻率域波形聚類；⑤根據(jù)波形分類結(jié)果生成地震相圖，綜合地質(zhì)分析，編制沉積相圖。變時(shí)窗波形分類方法雖然工作量較大，但物理意義明確，預(yù)測結(jié)果更為合理有效。

圖1 變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 頻率域信號(hào)插值技術(shù)

頻率域信號(hào)插值是對(duì)復(fù)函數(shù)進(jìn)行插值。結(jié)合信號(hào)處理理論，可以推導(dǎo)出頻率域信號(hào)插值公式［3］，即

式（1）中：a（f）為插值函數(shù)值；an為頻率域信號(hào)；n為離散點(diǎn)號(hào)；Δf為頻率域采樣間隔；f為待插值點(diǎn)處頻率值；i是虛數(shù)單位；函數(shù)sin c（x）＝sin（x）/x，稱為sin c函數(shù)，所以式（1）也稱為頻率域sin c插值公式。精確sin c插值在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰盘?hào)無限長，而實(shí)際信號(hào)都被截?cái)酁橛邢揲L離散信號(hào)。通過推導(dǎo)，可以得到有限長離散信號(hào)頻率域的離散sin c插值公式

從公式（2）可以看出，離散sin cd插值函數(shù)要用到信號(hào)頻率域中所有點(diǎn)，當(dāng)N較大時(shí)會(huì)使計(jì)算效率降低。因此，實(shí)際應(yīng)用中一般對(duì)sin cd插值函數(shù)進(jìn)行截?cái)啵∩贁?shù)幾項(xiàng)做插值運(yùn)算。

1.2.2 頻率域聚類技術(shù)

聚類就是將數(shù)據(jù)對(duì)象分組成為多個(gè)類，在同一個(gè)類中的對(duì)象之間具有較高的相似度，而不同類中的對(duì)象之間差別較大［4］。常用的聚類算法可以分為基于劃分的、基于層次的、基于密度的、基于網(wǎng)格的和基于模型的等5類。K均值算法是一種基于劃分的聚類算法，因其簡單、快速、有效等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是該算法隨機(jī)選取初始聚類中心，致使聚類結(jié)果受初始聚類中心的影響較大［5］。自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類具有很強(qiáng)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、魯棒性和容錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)，因此本文利用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得初始聚類中心，再用K均值聚類算法進(jìn)行聚類，通過這種改進(jìn)可以有效改善聚類性能，提高聚類準(zhǔn)確率。

傳統(tǒng)的聚類算法都是針對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)，不能解決矢量聚類問題，為此本文將實(shí)數(shù)域聚類算法推廣到復(fù)數(shù)域。

設(shè)Xi＝（xi1，xi2，…，xip）和 Xj＝（xj1，xj2，…，xjp）是待聚類數(shù)據(jù)的第i和第j個(gè)對(duì)象，定義二者之間親疏程度的距離測度為

式（3）中：xik、xjk都是復(fù)數(shù)；‖xik－xjk‖表示兩復(fù)數(shù)點(diǎn)的距離。定義了待聚類對(duì)象之間相似性距離測度，就可將針對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)的聚類算法推廣到矢量數(shù)據(jù)聚類。

基于自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的K均值聚類算法的實(shí)現(xiàn)流程大致分為2個(gè)階段：第一階段是由自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始聚類，得出初始聚類中心；然后以第一階段得到的結(jié)果作為K均值聚類算法的輸入，進(jìn)行迭代運(yùn)算，直至收斂得到最終聚類結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

渤海JZ油田位于一邊界斷層下降盤，整體構(gòu)造形態(tài)為一被斷層復(fù)雜化的北東走向半背斜。區(qū)域沉積研究表明，JZ油田地區(qū)在古近紀(jì)處于深水湖泊與三角洲交互環(huán)境，形成了一套以扇三角洲和辮狀河三角洲為主的沉積體系，本次開發(fā)的含油目的層沙三中段以扇三角洲和辮狀河三角洲沉積為主。對(duì)JZ油田區(qū)沙三中段儲(chǔ)層研究的思路是以地震層序地層學(xué)為指導(dǎo)，在單井層序劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行井震對(duì)比和標(biāo)定，然后在油田范圍內(nèi)的地震剖面上解釋追蹤沙三中段儲(chǔ)層，最后利用變時(shí)窗地震相分析技術(shù)來研究儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律。

根據(jù)JZ油田測井曲線特征并結(jié)合區(qū)域背景對(duì)沙三中段進(jìn)行層序的識(shí)別、劃分和對(duì)比，分為3個(gè)體系域：Es3I高位域、Es3II湖泛域及Es3III低位域（圖2）。在鉆井層序劃分的基礎(chǔ)上，通過合成地震記錄的制作進(jìn)行井震標(biāo)定和對(duì)比，在地震剖面上進(jìn)行地震層序界面解釋（圖3）。本次開發(fā)的目的層位于沙三中段湖泛域Es3II層段，在地震剖面上表現(xiàn)為多期砂體退積疊置，頂部不整合于最大湖泛面之上，砂體厚度從JZ2井到JZ1井向高部位逐漸變薄。從地震相上看，JZ2井區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)振幅中頻連續(xù)亞平行反射，JZ1井區(qū)表現(xiàn)為弱振幅低頻斷續(xù)楔狀反射。在對(duì)地震剖面進(jìn)行層序約束解釋的基礎(chǔ)上，利用變時(shí)窗波形分類技術(shù)對(duì)湖泛域Es3II層段進(jìn)行了地震相聚類分析。圖4是過圖5中AB方向?qū)⒉坏群馝s3II層段變換到頻率域插值成等厚形式的頻譜圖，圖5是變時(shí)窗波形聚類結(jié)果。

從圖5可以清晰看出，以白色實(shí)線為邊界將油區(qū)范圍分為2個(gè)地震相，結(jié)合區(qū)域沉積認(rèn)識(shí)可以得出以JZ1井代表的地震相為近源扇三角洲沉積，以JZ2井代表的地震相為遠(yuǎn)源辮狀河三角洲沉積。

后續(xù)開發(fā)井的鉆探結(jié)果也證實(shí)了上述觀點(diǎn)。圖6是過圖5中AB方向的一條地震剖面圖，鉆后證實(shí)JZ2井與A15、A8、A1等3口開發(fā)井所鉆遇的Es3II層段儲(chǔ)集體分屬不同物源的2套沉積體，同時(shí)3口開發(fā)井都有自己獨(dú)立的油水系統(tǒng)，表明了湖泛域Es3II層段具有多期砂體退積疊置巖性遮擋成藏的地質(zhì)模式。

3 結(jié)束語

變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)為以層序?yàn)檫吔?、在等時(shí)地層格架控制下開展針對(duì)目的層的地震相分類研究提供了一種可行途徑，它是將厚度可變的目的層段的地震資料變換到頻率域，先利用頻率域復(fù)數(shù)插值技術(shù)將不等長頻譜重采樣成等長頻譜，再運(yùn)用頻率域波形聚類算法實(shí)現(xiàn)地震相的劃分。應(yīng)用變時(shí)窗波形分類技術(shù)對(duì)渤海JZ油田目的層段進(jìn)行了地震相的劃分，后續(xù)實(shí)鉆開發(fā)井證實(shí)鉆前地震相劃分結(jié)果合理、可靠。隨著層序地層學(xué)和地震沉積學(xué)的深入發(fā)展，以及滿足層序地層學(xué)在等時(shí)地層格架內(nèi)研究儲(chǔ)層的需要，變時(shí)窗地震波形分類技術(shù)將會(huì)得到長足的發(fā)展和廣闊的應(yīng)用空間。

［1］ 朱劍兵，趙培坤.國外地震相劃分技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.勘探地球物理進(jìn)展，2009，32（3）：167－171.

［2］ 趙力民，郎曉玲，金風(fēng)鳴，等.波形分類技術(shù)在隱蔽油藏預(yù)測中的應(yīng)用［J］.石油勘探與開發(fā)，2001，28（6）：53－55.

［3］ 賀振華，等.反射地震資料偏移處理與反演方法［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1989：71－73.

［4］ 韓家煒，坎伯著，范明，等譯.數(shù)據(jù)挖掘：概念與技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：196－220.

［5］ 丁春榮，楊寶華.基于SOFM網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)K－均值聚類算法［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（10）：61－63.