頻散屬性在致密薄儲(chǔ)層識(shí)別中的應(yīng)用

胡 瑋,韓立國(guó),尚 帥

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026)

鄂爾多斯盆地北部的大牛地氣田發(fā)育多套致密砂巖薄儲(chǔ)層,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)十分困難,而薄層和薄互層是影響儲(chǔ)層預(yù)測(cè)效果的重要因素。早期主要以構(gòu)造和振幅信息為主開(kāi)展相帶研究,尋找砂體并分析有利儲(chǔ)集體,進(jìn)而開(kāi)展儲(chǔ)層預(yù)測(cè)[1-2]。隨著勘探開(kāi)發(fā)程度的提高,對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。在地層為致密儲(chǔ)層情況下,不同儲(chǔ)集類型波阻抗差異小,振幅對(duì)于地層巖性變化響應(yīng)不敏感；而薄層或薄互層又使反射波振幅調(diào)諧作用明顯。所以,以振幅信息為主的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)刻畫(huà)描述致密薄儲(chǔ)層的能力受到一定限制。此時(shí),引入振幅變化以外的信息,是提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)效果的有效途徑。

研究表明,當(dāng)儲(chǔ)層為薄層或薄互層時(shí),儲(chǔ)集類型的變化會(huì)引起地震波動(dòng)力學(xué)特征變化,特別是頻率成分的變化。Chapman等[3-5]對(duì)兩個(gè)彈性地層之間存在填充流體的模型開(kāi)展理論研究,證實(shí)了反射系數(shù)和頻率具有相關(guān)性,即頻散AVO現(xiàn)象。由頻散AVO理論可知,地震波在通過(guò)含油氣儲(chǔ)層時(shí)會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象,即地震屬性(如速度等)隨頻率發(fā)生變化。Brown(2009)[6]論證了鹽水飽和巖石速度頻散很小,而含油氣地層速度頻散異常增大,說(shuō)明將速度頻散程度定量地表征為頻散屬性,可以用于儲(chǔ)層的含油氣性檢測(cè)。因此,針對(duì)復(fù)雜的致密薄互層儲(chǔ)層,在通過(guò)正演模擬分析儲(chǔ)層響應(yīng)與頻率相關(guān)性的基礎(chǔ)上,利用頻散AVO屬性進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè),可以減少多解性并提高預(yù)測(cè)的精度。

為了提高頻散分析的精度和頻散屬性提取的可靠性,需要利用時(shí)頻分析技術(shù)來(lái)分析縱波分頻能量特征及其隨頻率的變化規(guī)律,為頻散屬性提取奠定基礎(chǔ)。常規(guī)的時(shí)頻分析技術(shù)受時(shí)頻分辨率的限制,很難對(duì)薄互層作精細(xì)描述,基于稀疏反演的譜分解技術(shù)可以很好地將與頻率相關(guān)的反射系數(shù)從地震記錄中分解出來(lái),實(shí)現(xiàn)高分辨率的時(shí)頻分析,更適用于薄儲(chǔ)層的頻散研究[7-9]。

我們利用鄂北大牛地氣田地震資料,通過(guò)正演分析反射波振幅與頻率的相關(guān)性,基于反演譜分解進(jìn)一步分析儲(chǔ)層響應(yīng)與頻率的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提取盒3段儲(chǔ)層的頻散屬性進(jìn)行含氣性預(yù)測(cè)分析,預(yù)測(cè)結(jié)果與已知井吻合較好,證明了頻散屬性用于研究區(qū)致密薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的有效性。

1 基于反演譜分解的頻散分析原理

1.1 頻散AVO反演

地震波在地層中傳播的過(guò)程中能量會(huì)發(fā)生衰減,并且往往伴隨著速度變化和頻率分散,當(dāng)?shù)貙拥乃俣入S頻率出現(xiàn)異常變化時(shí),這就成為一種有用的烴類檢測(cè)參數(shù)。雖然產(chǎn)生這種現(xiàn)象的具體機(jī)理尚未明朗,但科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的Batzle等(2001)[10]已在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了這種頻散現(xiàn)象。根據(jù)Smith和Gildlow(1987)[11]對(duì)經(jīng)典Zoeppritz方程簡(jiǎn)化后給出的近似方程,反射系數(shù)表達(dá)式可寫(xiě)為

(1)

式中：θ為入射角；vP為縱波速度；vS為橫波速度；A和B為通過(guò)Smith和Gildlow近似方程得到的兩個(gè)計(jì)算系數(shù)。對(duì)(1)式在任意頻率f0處作泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),可得到

(3)

式中：Ia和Ib分別表示縱波阻抗和橫波阻抗的導(dǎo)數(shù),稱之為反射率頻散,是彈性波頻散程度的描述,可通過(guò)最小平方反演求得?？紤]到橫波速度相對(duì)頻率基本不發(fā)生變化,一般只計(jì)算縱波的頻散屬性，用以進(jìn)行油氣檢測(cè)分析[12]。

1.2 反演譜分解

在計(jì)算頻散屬性時(shí),需要已知R(θi,fj)各個(gè)頻率的分量,我們利用時(shí)頻分析的方法來(lái)獲取譜分解數(shù)據(jù)[13]。常規(guī)的譜分解方法有短時(shí)傅里葉變換、小波變換及廣義S變換等,我們采用的是基于稀疏反演的譜分解方法[14]。

常規(guī)的褶積模型無(wú)法表示地震信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化。因此,在褶積模型中考慮對(duì)應(yīng)不同主頻的子波和不同頻率的反射系數(shù),褶積后再相加得到地震記錄,并加上隨機(jī)噪聲干擾,即得到非平穩(wěn)地震褶積模型：

(4)

式中：wk表示對(duì)應(yīng)不同主頻的子波；rk為不同頻率的反射系數(shù)；k為參與計(jì)算的總個(gè)數(shù)；n(t)為隨機(jī)噪聲。

由(4)式可得出(5)式：

(5)

其中,Wk表示子波wk的褶積矩陣。令C=(W1,W2,…,Wk)代表褶積矩陣庫(kù),m=(r1,r2,…,rk)T表示與頻率相關(guān)的地層反射系數(shù)矩陣,則(5)式可改寫(xiě)為

(6)

(6)式表示用一系列不同主頻的子波分解地震記錄,可以得到與頻率相關(guān)的反射系數(shù)矩陣m,即可認(rèn)為是時(shí)頻譜[15]。

1.3 頻散屬性分析流程

頻散屬性分析的流程如圖1所示。

圖1 頻散屬性分析流程

2 頻散分析在大牛地氣田的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

鄂北大牛地氣田地層平緩(地層傾角為1°左右),構(gòu)造圈閉不發(fā)育,氣藏圈閉主要為巖性圈閉。大牛地氣田沉積相和沉積巖性垂向均以薄層或薄互層為主。有效砂體薄,儲(chǔ)層與圍巖的波阻抗差異小,隱蔽性強(qiáng)。本區(qū)地震資料品質(zhì)較好,盒3段目的層主頻在25Hz左右,頻寬為5～70Hz,但受分辨率的限制,反射波往往反映地層中沉積物性差異較大的界面以及界面之間大套地層的沉積變化情況,而對(duì)其中的薄儲(chǔ)層難以進(jìn)行識(shí)別[16]。在致密儲(chǔ)層條件下,其儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和油氣檢測(cè)的難度大,技術(shù)要求高。為提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度,已進(jìn)行了地震波正演模擬、地震相劃分等多項(xiàng)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究，但面對(duì)致密薄儲(chǔ)層氣藏高精度開(kāi)發(fā)的地質(zhì)需求,仍然有一定的研究空間,有待進(jìn)一步加強(qiáng)地震屬性研究,以提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度[17]。

本次研究選取大牛地氣田典型的有已知井驗(yàn)證的區(qū)塊。盒3段是D11井區(qū)的主力儲(chǔ)層,多口井在盒3段都獲得了高產(chǎn)氣流。D15井是盒3段的高產(chǎn)井,相鄰的DK17井與DK6井在該層無(wú)明顯氣藏。因此,選取D15井、DK17井和DK6井所在區(qū)塊作為頻散屬性分析技術(shù)應(yīng)用的研究區(qū)。

2.2 頻散特征正演分析

首先通過(guò)正演模擬研究分析工區(qū)內(nèi)頻散現(xiàn)象的存在及縱波頻散程度。由于研究區(qū)內(nèi)砂巖致密,薄互層發(fā)育,泥巖蓋層與砂巖含氣層之間往往存在著差氣層。此外,干層和差氣層也有交替存在的情況?；趯?shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),針對(duì)盒3段設(shè)計(jì)兩種薄互層地質(zhì)模型開(kāi)展正演模擬研究,分析地震響應(yīng)在不同儲(chǔ)層條件下的動(dòng)力學(xué)特征,特別是頻率變化情況。模型一為泥巖蓋層與砂巖差氣薄層夾砂巖含氣薄層；模型二為泥巖蓋層與砂巖干薄層夾砂巖差氣薄層。兩個(gè)薄互層模型各層的參數(shù)(表1)均參考實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)設(shè)置。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況,儲(chǔ)層埋藏深度設(shè)計(jì)為2500m(1350ms)，子波長(zhǎng)度為140m。薄互層中的每一個(gè)薄層厚度皆為10m,遠(yuǎn)小于薄層定義的1/4波長(zhǎng),同時(shí)也符合研究區(qū)實(shí)際情況。

圖2a和圖2b分別為模型一和模型二的波動(dòng)方程正演模擬地震響應(yīng)。圖2a中的地震響應(yīng)信號(hào)雖然有調(diào)諧效應(yīng),但仍然可以清楚地看到反射波振幅隨偏移距增加而增大的趨勢(shì)；圖2b中的地震振幅則隨偏移距的增加先減小后增大。將兩組模擬地震記錄轉(zhuǎn)化為角道集做頻散程度分析,得到圖3所示的兩組頻散程度絕對(duì)值曲線,其中紅色曲線為模型一的頻散程度絕對(duì)值,藍(lán)色為模型二的頻散程度絕對(duì)值,可見(jiàn)有含氣薄層的模型一頻散值高得多。針對(duì)研究區(qū)所做的正演研究和理論分析結(jié)論一致。

表1 薄互層模型地層參數(shù)

圖2 薄互層模型一(a)和模型二(b)正演地震響應(yīng)

圖3 模型一和模型二的頻散程度絕對(duì)值曲線

2.3 反演譜分解時(shí)頻分析

當(dāng)?shù)貙虞^厚時(shí),縱波能量衰減異常明顯；但在薄互層情況下,衰減就不明顯了,可通過(guò)低頻陰影來(lái)分析儲(chǔ)層特征。前人研究分析表明,當(dāng)儲(chǔ)層中含有油氣時(shí),含油氣位置在低頻時(shí)相對(duì)周圍不含油氣部位會(huì)表現(xiàn)出低頻強(qiáng)能量；在高頻時(shí)相對(duì)周圍不含油氣部位會(huì)表現(xiàn)出高頻弱能量。所以,可以通過(guò)地震譜分解技術(shù)來(lái)分析縱波分頻能量特征及其隨頻率的變化規(guī)律,為頻散屬性提取奠定基礎(chǔ)。

基于研究區(qū)地震資料疊后三維數(shù)據(jù)體,截取DK17-D15-DK6連井地震剖面,計(jì)算其縱波分頻能量。圖4是過(guò)DK17-D15-DK6井疊后地震剖面。圖5a和圖5b分別為過(guò)DK17-D15-DK6井地震剖面的25Hz和35Hz縱波分頻能量剖面。在25Hz分頻剖面(圖5a)上,D15井處盒3段儲(chǔ)層位置有低頻強(qiáng)反射陰影區(qū),隨著頻率增高至35Hz(圖5b)陰影區(qū)逐漸減弱,幾近消失。而DK17井和DK6井的儲(chǔ)層位置在分頻剖面上沒(méi)有隨頻率增高陰影區(qū)逐漸減弱的現(xiàn)象。時(shí)頻分析結(jié)果表明研究區(qū)含氣層與頻率具有關(guān)聯(lián)性,說(shuō)明頻散屬性可以在研究區(qū)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中發(fā)揮相應(yīng)作用。

圖4 過(guò)DK17-D15-DK6井疊后地震剖面

圖5 過(guò)DK17-D15-DK6井25Hz(a)和35Hz(b)縱波分頻能量剖面

2.4 基于頻散屬性的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

由正演模擬結(jié)果可知,研究區(qū)內(nèi)含氣儲(chǔ)層的地震響應(yīng)具有明顯的頻散現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)際資料的分頻處理,進(jìn)一步證實(shí)了可以利用頻散屬性預(yù)測(cè)和刻畫(huà)本區(qū)含氣儲(chǔ)層。對(duì)研究區(qū)盒3段含氣儲(chǔ)層進(jìn)行頻散屬性分析,圖6是過(guò)DK17-D15-DK6井連井剖面所對(duì)應(yīng)的頻散屬性剖面。由圖6可見(jiàn),在D15井處含氣儲(chǔ)層位置(圖6中間白圈處)具有較強(qiáng)的頻散現(xiàn)象,而DK17與DK6井附近的儲(chǔ)層(圖6 兩側(cè)白圈處)卻無(wú)明顯高值,預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井結(jié)果吻合。圖7是頻散屬性體沿儲(chǔ)層切片圖,從平面展布上同樣可以看到,鉆遇氣層的D15井處有較大的頻散,而DK17井與DK6井處均未見(jiàn)明顯的頻散異常。剖面和平面上的預(yù)測(cè)結(jié)果可以表明,頻散屬性對(duì)研究區(qū)致密砂巖薄儲(chǔ)層的含氣性預(yù)測(cè)是有效的。

圖8給出了研究區(qū)同一層位常規(guī)的儲(chǔ)層波谷屬性切片(圖中藍(lán)色至黃綠色反映有利儲(chǔ)層的信息),可見(jiàn)其在整體反映儲(chǔ)層有利區(qū)域上具有一定的參考價(jià)值,但是具體到幾個(gè)井位處,預(yù)測(cè)結(jié)果存在明顯的多解性。而針對(duì)D15井、DK17井和DK6井的頻散屬性預(yù)測(cè)結(jié)果(圖6,圖7)都與已知井吻合較好。對(duì)比分析結(jié)果表明,針對(duì)研究區(qū)的致密砂巖薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè),可在常規(guī)地震屬性分析預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)求取頻散屬性做進(jìn)一步的預(yù)測(cè)分析,綜合圖6,圖7和圖8的分析結(jié)果提出井位建議。

圖6 過(guò)DK17-D15-DK6井頻散屬性剖面

圖7 研究區(qū)儲(chǔ)層段頻散程度平面分布

圖8 研究區(qū)儲(chǔ)層段波谷屬性平面分布

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1) 頻散AVO屬性有利于提高鄂北大牛地氣田的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度。在致密薄儲(chǔ)層條件下,不同儲(chǔ)集類型波阻抗差異小,且反射波振幅調(diào)諧作用明顯,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度大。針對(duì)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件與勘探開(kāi)發(fā)需求,引入振幅變化以外的信息,加強(qiáng)多屬性特別是疊前地震屬性的綜合應(yīng)用研究是十分必要的。

2) 針對(duì)大牛地氣田特定研究區(qū)塊的頻散屬性應(yīng)用研究,要做好正演和時(shí)頻分析等基礎(chǔ)研究工作。正演分析可以了解具體區(qū)塊與儲(chǔ)層段反射系數(shù)隨頻率的變化情況；利用高精度譜分解算法的地震道分解與重構(gòu)技術(shù)得到的縱波分頻能量剖面,可以根據(jù)低頻陰影及其在不同頻率分頻剖面上的變化規(guī)律來(lái)分析薄儲(chǔ)層響應(yīng)異常與頻率的關(guān)聯(lián)性。

3) 不同的疊前地震屬性對(duì)探區(qū)油氣地質(zhì)條件的適應(yīng)性不盡相同。在開(kāi)展頻散AVO屬性應(yīng)用研究時(shí),要根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)分析方法的適應(yīng)性,以便開(kāi)展針對(duì)性的工作。同時(shí),應(yīng)重視頻散屬性與其它地震屬性的聯(lián)合應(yīng)用,以及結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井和各種物探資料的綜合分析,以提高儲(chǔ)層含油氣性預(yù)測(cè)的可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 關(guān)達(dá),張衛(wèi)華,管路平,等.相控儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)及其在大牛地氣田D井區(qū)的應(yīng)用[J].石油物探,2006,45(3):230-233

Guan D,Zhang W H,Guan L P,et al.Reservoir prediction under the constraint of seismic or sediment phase and application to DND Gas Field[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(3):230-233

[2] 張衛(wèi)華,劉忠群,陳勝紅,等.用物探預(yù)測(cè)方法對(duì)巖性氣藏有利目標(biāo)區(qū)作選區(qū)評(píng)價(jià)——以鄂爾多斯盆地大牛地氣田為例[J].天然氣工業(yè),2013,33(3):24-27

Zhang W H,Liu Z Q,Chen S H,et al.Seismic-based play fairway analysis in lithologic gas reservoir exploration:a case study from the Daniudi Gas Field in the Ordos Basin[J].Natural Gas Industry,2013,33(3):24-27

[3] Chapman M,Zatsepin S V,Crampin S.Derivation of a micro-structural poroelastic model[J].Geophysical Journal International,2002,151(2):427-451

[4] Chapman M,Maultzsch S,Liu E,et al.The effect of fluid saturation in an anisotropic multi-scale equant porosity model[J].Journal of Applied Geophysics,2003,54(3/4):191-202

[5] Chapman M,Liu E,Li X Y.The influence of fluid-sensitive dispersion and attenuation on AVO analysis[J].Geophysical Journal International,2006,167(1):89-105

[6] Brown R L.Anomalous dispersion due to hydrocarbons:the secret of reservoir geophysics[J].The Leading Edge,2009,28(4):420-425

[7] Qian S,Chen D.Joint time-frequency analysis[J].IEEE Signal Processing Magazine,1999,16(2):52-67

[8] 苑書(shū)金.非正交小波變換的頻譜分解技術(shù)在大牛地氣田儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2007,27(12):52-54

Yuan S J.Application of spectrum decomposition of non-orthogonal wavelet transforms to reservoir prediction in Daniudi Gasfield[J].Natural Gas Industry,2007,27(12):52-54

[9] 蔡剛,呂錫敏,蘇明軍,等.頻譜分解技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2006,26(4):35-37

Cai G,Lv X M,Su M J,et al.Application of frequency spectrum decomposition technique in exploration in the Junggar Basin[J].Natural Gas Industry,2006,26(4):35-37

[10] Batzle M,Hofmann R,Han D H,et al.Fluids and frequency dependent seismic velocity of rocks[J].The Leading Edge,2001,20(2):168-171

[11] Smith G C,Gidlow P M.Weighted stacking for rock property estimation and detection of gas[J].Geophysical Prospecting,1987,35(9):993-1014

[12] 寧媛麗.頻散介質(zhì)基于反演譜分解的AVO方法研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2012

Ning Y L.Study on AVO of dispersive medium using inverse spectral decomposition[D].Changchun:Jilin University,2012

[13] Partyka G,Gridley J,Lopez J.Interpretational applications of spectral decomposition in reservoir characterization[J].The Leading Edge,1999,18(3):353-360

[14] 黃中玉,王于靜,孫顯義,等.分頻技術(shù)在氣層識(shí)別中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展,2008,31(1):73-76

Huang Z Y,Wang Y J,Sun X Y,et al.Application of frequency division technology in the detection of gas reservoir[J].Progress in Exploration Geophysics,2008,31(1):73-76

[15] 韓利.高分辨率全譜分解方法研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013

Han L.Research on the methods of high-resolution full spectrum decomposition[D].Changchun:Jilin University,2013

[16] 趙彥超,郭振華.大牛地氣田致密砂巖氣層的異常高孔隙帶特征與成因[J].天然氣工業(yè),2006,26(11):62-65

Zhao Y C,Guo Z H.Characteristics and origins of high-porosity zones in tight gas sand in Daniudi Gas Field,the Ordos Basin[J].Natural Gas Industry,2006,26(11):62-65

[17] 苑書(shū)金,董寧,于常青.地震波衰減技術(shù)在鄂爾多斯盆地儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].石油物探,2006,45(2):182-185

Yuan S J,Dong N,Yu C Q.The application of seismic attenuation technology for reservoir prediction in Erdos Basin[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(2):182-185