匹配追蹤子波分解重構(gòu)技術(shù)在氣層檢測中的應用

陳 勝，歐陽永林，曾慶才，包世海，李新豫,楊 青

（中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

匹配追蹤子波分解重構(gòu)技術(shù)在氣層檢測中的應用

陳 勝，歐陽永林，曾慶才，包世海，李新豫,楊 青

（中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

川中地區(qū)震旦系巖溶風化殼儲層縫洞系統(tǒng)復雜、非均質(zhì)性強、上覆泥巖對儲層地震反射的影響較大，使儲層地震響應及AVO特征均不明顯，給儲層預測和氣層檢測帶來了較大困難。運用基于匹配追蹤算法的子波分解重構(gòu)技術(shù)有效剔除了泥巖的影響，并在此基礎上進行了儲層預測和氣層檢測，均取得了良好的效果。子波分解重構(gòu)技術(shù)可將以往只能從宏觀上整體描述的地震數(shù)據(jù)分解為不同形狀、不同頻率和不同能量的子波，然后根據(jù)需要對分解得到的子波進行合理的重構(gòu)，其時間分辨率和頻率分辨率均較高，為含有強反射干擾的復雜儲層預測和氣層檢測提供了新的思路和方法。

子波分解；匹配追蹤；子波重構(gòu)；儲層預測；氣層檢測

0 引言

川中地區(qū)元古界震旦系燈影組屬碳酸鹽巖巖溶儲層，目的層埋藏深，高孔白云巖與致密白云巖的地球物理特征差異不明顯，縫洞系統(tǒng)復雜，儲層預測和氣層檢測難度均較大。震旦系儲層形成早，雖然區(qū)域分布穩(wěn)定，但受后期多期風化改造，發(fā)育多期溶蝕孔（洞），縱、橫向非均質(zhì)性均較強［1］。研究區(qū)儲層上覆泥巖與致密白云巖的波阻抗差異明顯，泥巖較厚、且呈區(qū)域性分布，在儲層的頂界面處形成了強反射同相軸，儲層地震響應特征不明顯。泥巖強反射的波場調(diào)諧和屏蔽作用不僅使儲層地震有效反射信號較弱，而且導致儲層AVO現(xiàn)象不明顯，儲層預測及氣層檢測均面臨巨大挑戰(zhàn)。

匹配追蹤子波分解重構(gòu)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀90年代。該技術(shù)分辨率高但計算量大，受當時計算機性能的限制未能得到推廣［2］。近年來，隨著計算機性能的提高，該技術(shù)在地震勘探中得以廣泛應用。它將地震數(shù)據(jù)分解為不同形狀、不同頻率和不同能量的地震子波，然后根據(jù)需要對地震信號進行合理重構(gòu)，從而剔除干擾和增強有效信號［3］。筆者應用匹配追蹤子波分解重構(gòu)技術(shù)去除儲層上覆泥巖的影響，突出儲層特征，在重構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎上進行儲層預測和氣層檢測，力爭取得較好的效果。

1 匹配追蹤子波分解與重構(gòu)

1.1 匹配追蹤子波分解與重構(gòu)的數(shù)學原理

在常規(guī)的地震資料處理和解釋中，地震道可表示為地震子波和地層反射系數(shù)序列的褶積，即

S（t）=R（t）*W（t）+N（t）（1）式中：S（t）為地震道，無量綱；R（t）為反射系數(shù)序列，無量綱；W（t）為地震子波，無量綱；N（t）為噪聲，無量綱。

然而，這種基于單一子波假設的褶積模型與實際情況有很大差別。一方面，由于震源及激發(fā)條件的差異使得經(jīng)過多個界面多次反射后的子波在能量、頻率及極性等方面均存在很大差異；另一方面，由于地震波在穿過不同巖性與不同含油氣性的地層后，波形會發(fā)生變化，地震子波會不同程度地被改造［4］。因此，所有基于單一地震子波褶積模型的儲層預測和氣層檢測方法均損失了部分與儲層和油氣有關的地震信息。

子波分解與重構(gòu)技術(shù)可將地震道分解為不同形狀、不同頻率和不同能量的地震子波。該子波與傳統(tǒng)意義上的地震子波不同，一方面它可以是傳統(tǒng)意義上的子波形式，如Morlet，Gabor或Rick子波，但其頻率與能量隨時間和空間的變化而變化；另一方面它也可以是用戶自己定義的子波形式，故每1個被分解出來的子波成分又被稱為原子，其數(shù)學表達式為

式中：ai為振幅，無量綱；mi為第i個原子，無量綱；fm為原子的頻率，Hz；td為中心位置，無量綱；Φ為相位，（°）；E（N）f為殘差，無量綱。

按式（2）對實際地震道分解后，就可根據(jù)需要對這些原子進行選擇性重構(gòu)。匹配追蹤子波分解與重構(gòu)技術(shù)基于匹配追蹤多子波分解和Wigner-Ville分布的地震信號分析方法，無需加時窗處理，其時頻譜無交叉項，具有較高的時間分辨率和頻率分辨率［5］。其基本流程為：①利用1個基函數(shù)形成1個冗余原子庫；②將地震信號與該庫中的原子進行匹配，選取匹配能量（相關系數(shù)）最大的原子作為第一分量，它代表數(shù)據(jù)中具有最大共性和能量最強的波形，是區(qū)域內(nèi)最大一級沉積相在地震上的響應；③對剩余的殘余信號繼續(xù)在原子庫中尋找最佳原子，直到滿足某一設定的閾值條件為止；④重復步③，直到殘差E（N）f小于設定誤差［6］。匹配追蹤算法是一種貪婪算法，它通過不斷迭代尋找局部最佳原子的方法對原始地震信號逐步逼近。目前，該方法在國外已廣泛應用于地震信號處理、儲層預測和氣層檢測，形成了一系列實用方法和技術(shù)［7］。

1.2 儲層地震信號的分解與重構(gòu)

首先應用匹配追蹤算法將以往只能從宏觀上整體描述的地震數(shù)據(jù)分解為不同形狀、不同頻率和不同能量的原子，這些原子與界面上下的地層巖性、物性和流體性質(zhì)等均有關。被分解出來的原子均可由分析人員控制，因而可對這些原子進行選擇性重構(gòu)，進而從不同方面表征儲層特征。

經(jīng)過多子波分解，地震道被分解成多個不同形狀、不同頻率和不同能量的原子［圖1（a）］。若將所有原子重新進行線性組合，即可精確重構(gòu)出原始地震道；若選擇部分原子進行線性組合，即可重構(gòu)出1個全新的地震道［圖1（b）］。重構(gòu)方式一般有2種：一種是按能量重構(gòu)，另一種是按頻率成分重構(gòu)。實際重構(gòu)過程中，可根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)特征和巖性組合關系，剔除影響儲層反射特征的原子，將剩余原子進行重構(gòu)，以剔除強干擾信號，增強弱有效信號［8］。重構(gòu)主要依據(jù)測井解釋成果和鉆井油氣資料，以已知井井旁道為標準，用不同原子組合進行重構(gòu)實驗，選取與儲層及油氣關系密切的原子，重構(gòu)出與已知井儲層及含油氣性相關的數(shù)據(jù)，使得重構(gòu)后的數(shù)據(jù)體能最大限度地反映儲層展布特征，為儲層橫向預測和氣層檢測提供有效依據(jù)。

圖1 匹配追蹤子波分解（a）和選擇性子波重構(gòu)（b）示意圖Fig.1 Schematic diagram of matching pursuit wavelet decomposition（a）and wavelet reconstruction（b）

2 應用實例及效果

川中地區(qū)震旦系巖溶風化殼儲層埋藏深度大于4 500 m，與儲層對應的反射同相軸較弱，古巖溶風化殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部邊界精確成像均較差。該區(qū)儲層年代老，溶蝕孔（洞）發(fā)育，裂縫系統(tǒng)復雜，縱、橫向非均質(zhì)性均較強。儲層AVO特征受多種因素影響，使得儲層預測和氣層檢測難度均較大，尤其是由于儲層上覆泥巖與致密白云巖的波阻抗差異明顯，泥巖較厚，且呈區(qū)域性分布，常常在儲層的頂界處形成強反射同相軸［9］，屏蔽了來自儲層的地震反射能量，使儲層反射較弱（圖2）。在原始數(shù)據(jù)體上進行的波阻抗反演中［圖3（a）］目的層為雜亂弱反射，表明利用原始數(shù)據(jù)體進行儲層預測存在一定困難，無法進行AVO分析，氣層檢測面臨巨大挑戰(zhàn)。

圖2 重構(gòu)前常規(guī)地震剖面Fig.2 Conventional seismic profile before reconstruction

為了剔除泥巖底界面處強反射的影響和增強儲層的有效反射信號，首先應用匹配追蹤算法將地震信號分解為不同形狀、不同頻率和不同能量的400個原子，此時殘差剖面能量已經(jīng)非常微弱。通過頻譜分析和對該區(qū)儲層上覆泥巖地震反射特征正演分析發(fā)現(xiàn)，該套泥巖的地震響應與能量最強的原子存在較好的對應關系（圖4）。因此，重構(gòu)方式選擇去除能量最強的原子，其他參數(shù)由實驗結(jié)果確定。將剩余原子進行重構(gòu)，最終得到的重構(gòu)數(shù)據(jù)體能很好地反映儲層特征［參見圖3（b）］。

圖3 重構(gòu)前（a）與重構(gòu)后(b)波阻抗反演剖面對比Fig.3 Comparison of wave impedance inversion profile before（a）and after（b）reconstruction

圖4 子波分解與重構(gòu)技術(shù)模型正演Fig.4 Forward modeling of wavelet decomposition and reconstruction

匹配追蹤子波分解與重構(gòu)技術(shù)能在壓制強干擾信號的同時，增強弱有效信號，并最大限度地保護有效信號［10-11］。儲層敏感信息往往集中于特定頻率段內(nèi)［12］，尤其是碳酸鹽巖儲層，對頻率信息更為敏感。因此，本次研究選用時間分辨率和頻率分辨率均較高的原子，利用匹配追蹤算法對地震信號進行分解，并在重構(gòu)數(shù)據(jù)體上進行波阻抗反演。重構(gòu)后儲層表現(xiàn)為高阻抗背景下的低阻特征，同時井點處的反演效果也得到了改善，橫向連續(xù)性變好（參見圖3）?；谥貥?gòu)數(shù)據(jù)體的地震屬性儲層預測結(jié)果（圖5）也表明該技術(shù)能有效突出儲層特征。文獻調(diào)研表明，該技術(shù)能最大限度地保護地震資料的巖石信息，壓制干擾［10］。從圖5可以看出，well1井區(qū)儲層發(fā)育且其橫向連續(xù)性較好，重構(gòu)后的地震屬性儲層預測結(jié)果與實鉆結(jié)果更吻合，充分證明了該技術(shù)的有效性。

圖5 重構(gòu)前（a）與重構(gòu)后（b）地震屬性儲層預測平面對比Fig.5 Comparison of seismic reservoir prediction before（a）and after（b）reconstruction

重構(gòu)前由于儲層地震波能量被屏蔽，地震反射能量弱且雜亂，AVO特征不明顯，近道與遠道均表現(xiàn)為雜亂反射特征且能量較弱（圖6），無法有效進行儲層AVO特征分析。通過對近道與遠道數(shù)據(jù)體分別進行匹配追蹤子波分解與重構(gòu)，儲層反射得到增強，AVO特征也趨于明顯。近道與遠道振幅差異變大，含氣儲層遠道振幅明顯比近道強，儲層含氣情況下表現(xiàn)為明顯的第三類AVO特征。該技術(shù)的應用為氣層檢測提供了很好的數(shù)據(jù)基礎。

圖6 重構(gòu)后近道（a）與遠道（b）疊加剖面對比Fig.6 Comparison between near stacked section（a）and far stacked section（b）after reconstruction

3 結(jié)論

（1）基于匹配追蹤算法的子波分解與重構(gòu)技術(shù)能在最大限度保持有效信號特征的前提下剔除強干擾信號，增強弱有效信號。

（2）該方法有效去除了儲層上覆泥巖強反射對儲層反射的影響，使來自儲層的弱反射信號得到了增強。在重構(gòu)數(shù)據(jù)體的基礎上進行的波阻抗反演取得了很好的效果，為該類巖溶風化殼儲層預測提供了新的技術(shù)和思路。

（3）應用該方法對近道和遠道疊加地震數(shù)據(jù)分別進行重構(gòu)處理后，氣層AVO特征趨于明顯，成功解決了川中地區(qū)震旦系巖溶風化殼儲層的氣層檢測問題。

［1］魏國齊，焦貴浩，楊威，等.四川盆地震旦系—下古生界天然氣成藏條件與勘探前景［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（12）：5-9.

［2］張繁昌，李傳輝，印興耀.基于動態(tài)匹配子波庫的地震數(shù)據(jù)快速匹配追蹤［J］.石油地球物理勘探，2010，45（5）：667-673.

［3］龐銳，劉百紅，孫成龍.時頻分析技術(shù)在地震勘探中的應用綜述［J］.巖性油氣藏，2013，25（3）：92-96.

［4］邊立恩，賀振華，黃德濟.飽含流體介質(zhì)的地震波場特征及頻率分布［J］.巖性油氣藏，2008，20（3）：74-78.

［5］趙爽，李仲東，許紅梅，等.多子波分解技術(shù)檢測含煤砂巖儲層［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（9）：44-47.

［6］李曙光，徐天吉，唐建明，等.基于頻率域小波的地震信號多子波分解及重構(gòu)［J］.石油地球物理勘探，2009，44（6）：675-679.

［7］趙天姿，宋煒，王尚旭.基于匹配追蹤算法的時頻濾波去噪方法［J］.石油物探，2008，47（4）：367-371.

［8］蔡瑞.譜分解技術(shù)在儲層預測中的應用［J］.CT理論與應用研究，2003，12（2）：11-25.

［9］高磊，明君，閆濤，等.地震屬性綜合分析技術(shù)在泥巖隔夾層識別中的應用［J］.巖性油氣藏，2013，25（4）：101-105.

［10］Mallat S，Zhang Zhifeng.Matching pursuit with time-frequency dictionaries［R］.IEEE Transactiond in Signal Processing，New York，1993.

［11］An Ping.Sand mapping using multiwavelet seismic trace decompositionandreconstruction［R］.SPE104115，2006，1-2.

［12］張猛剛，洪忠，竇玉壇，等.時頻分析在蘇里格地區(qū)含氣性檢測中的應用［J］.巖性油氣藏，2013，25（5）：76-80.

（本文編輯：李在光）

Application of matching pursuit wavelet decomposition and reconstruction technique to reservoir prediction and gas detection

CHEN Sheng，OUYANG Yongling，ZENG Qingcai，BAO Shihai，LI Xingyu，YANG Qing
（Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang，Langfang 065007，Hebei，China）

The weathering crust karst reservoir in central Sichuan area is characterized by complex fracture-cavity system,strong heterogeneity and abnormal seismic reflection,which causes unobvious seismic response and AVO,and increases difficulties in reservoir perdition and gas detection.On the basis of matching pursuit algorithm,used wavelet decomposition and reconstruction technique to effectively eliminate the effect of mudstone,and then carried out reservoir prediction and gas detection,achieving good results.Wavelet decomposition and reconstruction technique can be used to decompose seismic data into wavelet with different shapes,frequency and energy,and then reconstruct wavelet reasonably,with higher resolution in both time domain and frequency domain.This study provides a new idea and method for complex reservoir prediction with strong reflection and gas detection.

wavelet decomposition；matchingpursuit；wavelet reconstruction；reservoir prediction；gas detection

P631.4

A

1673-8926（2014）06-0111-04

2014-05-07；

2014-07-16

國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2011ZX05013）資助

陳勝（1985-），男，碩士，工程師，主要從事儲層預測與烴類檢測方面的研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市廣陽區(qū)中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院地球物理與信息研究所。E-mail：cs69@petrochina.com。