譜分解技術(shù)在斷層描述及儲層預(yù)測中的應(yīng)用

黃龍澤，周 晶，王 嶺

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海 200120）

譜分解技術(shù)在斷層描述及儲層預(yù)測中的應(yīng)用

黃龍澤，周 晶，王 嶺

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海 200120）

摘 要：譜分解技術(shù)是通過離散傅里葉變換或最大熵變換等數(shù)學(xué)方法，將地震資料從時間域變換到頻率域，利用振幅譜及相位譜識別薄儲層和不連續(xù)地質(zhì)體邊界的一項新技術(shù)。譜分解主要形成兩種調(diào)諧體，一種是振幅調(diào)諧體，通常用于描述薄層的厚度變化，另一種是相位調(diào)諧體，通?？梢灾甘拘鄬印ＷV分解已被證明是一種薄儲層估算和識別小斷層的有效方法。此次譜分解應(yīng)用區(qū)為W斷背斜區(qū)，該區(qū)斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是小斷層比較發(fā)育。已鉆井揭示油氣層很薄，不超過10 m。利用譜分解技術(shù)處理后，小斷層在平面上表現(xiàn)更加清晰，砂巖儲層段在平面上的展布得到了更為精細的刻畫描述，為進一步勘探提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：譜分解；振幅；相位；斷層；薄儲層

Application of Spectrum Decomposition to Faults Recognition
and Reservoir Prediction

HUANG Longze, ZHOU Jing, WANG Ling

（Institute of SINOPEC Shanghai Offshore Oil and Gas Company, Shanghai 200120, China）

Abstract:Spectral decomposition is a new technique, by which the seismic data is transformed into frequency domain through Discrete Fourier Transform (DFT) or Maximum Entropy Method transform (MEM), the amplitude spectra and phase spectra is used to identify thin reservoir and discontinuous geological boundary. By spectral decomposition, two kinds of spectrum can be developed, one is transformed amplitude spectrum, and the other is phase spectrum. The transformed amplitude spectrum is used to delineate change of bed thickness, while the phase spectrum is used to indicate lateral geologic discontinuities. This technique has proven to be an effective method for thickness estimation and fault identification. There are a lot of faults in W area, and the thickness of the hydrocarbon reservoirs is less than 10 m. By using spectral decomposition, the fault can be identified, and the lateral distribution of thin reservoirs can be described finely, which can provide a solid basis for future hydrocarbon exploration

Keywords:spectral decomposition; amplitude; phase; fault; thin reservoir

譜分解技術(shù)是指對記錄的地震道數(shù)據(jù)進行連續(xù)時頻分析獲得頻譜信息（振幅譜及相位譜）。譜分解不僅可以有效的提高地震資料對薄儲層的預(yù)測能力，而且能提供更多、更豐富的地質(zhì)信息，提高對地質(zhì)體的識別能力。因此，譜分解技術(shù)成為地震勘探技術(shù)發(fā)展的熱點，并在多個區(qū)塊取得了良好的應(yīng)用效果[1]。

1　基本原理

譜分解技術(shù)是利用離散傅氏變換（DFT）或最大熵譜變換（MEM），將地震數(shù)據(jù)從時間域變換到頻率域。其在對三維地震資料的時間厚度、地質(zhì)不連續(xù)性成像及解釋時，可以在頻率域內(nèi)對某一頻率所對應(yīng)的振幅進行相應(yīng)分析，這種方法消除了不同頻率成份的相互干擾，從而可以得到高

于傳統(tǒng)分辨率的解釋結(jié)果。譜分解處理后一般可得到振幅譜和相位譜。振幅譜可描述地層的時間厚度變化，檢測砂體空間分布，用于描述沉積相和沉積環(huán)境；相位譜則可顯示地質(zhì)體的橫向連續(xù)性，對斷層進行精細刻畫[2]。

譜分解技術(shù)的理論基礎(chǔ)是薄地層反射在頻率域中的響應(yīng)可指示地層的時間厚度。一個簡單的均勻薄地層將一可預(yù)測的和周期性的陷頻序列引入到復(fù)合反射的振幅譜中（圖1）[3]。然而，地震子波通常是穿過多個地層，而不是一個簡單的薄層，這一層狀系統(tǒng)產(chǎn)生一個具有唯一頻率域響應(yīng)的復(fù)雜諧振反射[4]。

由諧振反射得到的振幅譜確定了單個地層的聲波特性之間的關(guān)系。振幅譜通過譜陷頻曲線來確定薄層的變化，這種譜陷頻曲線與局部巖體的變化有關(guān)。同樣，相位譜通過局部相位的非穩(wěn)定性來反映地層的橫向不連續(xù)。將振幅譜和相位譜結(jié)合起來，在大規(guī)模的三維地震勘探中快速有效地評價和繪出局部巖體的變化圖。

分頻處理后每個單一頻率對應(yīng)的振幅都是調(diào)諧振幅，地層的時間厚度根據(jù)Rayleigh準(zhǔn)則導(dǎo)出：

地層調(diào)諧厚度ΔZ＝λ /4 （λ為波長；ΔZ是調(diào)諧厚度），又ΔZ＝（T/2）*V（T為雙程旅行時；V為速度；V＝λ*f，f為頻率），則地層的時間厚度T＝1/（2f）。

對于厚度小于四分之一波長的薄層而言，在時間域，隨著薄層厚度的增加，地震反射振幅逐漸增加[5]。當(dāng)薄層厚度增加至四分之一波長的調(diào)諧厚度時，振幅達到最大。然后，隨著薄層厚度的增加反射振幅逐漸減小。時間域的最大反射振幅值，對應(yīng)著頻率域的最大振幅能量值。頻譜成像處理可產(chǎn)生單一頻率的一系列的振幅能量體，同時還可產(chǎn)生單一頻率的一系列的相位數(shù)據(jù)體，相位的變化指示了薄層的聲學(xué)特征及其厚度的橫向不連續(xù)。將振幅能量的調(diào)諧干涉現(xiàn)象和相位的變化綜合在一起，就能迅速而有效地描述薄層厚度及其在空間變化。

在譜分解中，時窗長度的大小對振幅譜的頻率響應(yīng)非常重要，大時窗振幅譜的頻率響應(yīng)近似于子波譜，可以產(chǎn)生譜白化（圖2）。小時窗振幅譜的頻率響應(yīng)則僅是對單一目標(biāo)體的子波濾波，不會產(chǎn)生譜白化[6]（圖3）。

圖1　薄地層的頻譜圖像

圖2　長時窗譜分解結(jié)果及其與褶積模型的關(guān)系

圖3　短時窗譜分解結(jié)果及其與褶積模型的關(guān)系

來自短時窗的響應(yīng)取決于時窗內(nèi)地層的聲波特性和地層厚度。時窗越小，被采樣地層的隨機性越小，振幅譜不再與子波譜相似，而是類似于子波與地層相加的結(jié)果。在小時窗內(nèi)地層相當(dāng)于一個子波濾波器使頻率譜發(fā)生衰減，其結(jié)果是振幅譜不再白化，而是反映了時窗內(nèi)的干涉圖形[7]。

實際工作中，譜分解主要生成兩種類型的數(shù)據(jù)體：調(diào)諧體和離散頻率能量體。調(diào)諧體（圖4）是研究目的層面，或?qū)蓪又g進行短時離散傅里葉變換，生成垂向上頻率連續(xù)變化的振幅數(shù)據(jù)體。調(diào)諧體在垂向上為連續(xù)變化的頻率，在平面上為單一頻率對應(yīng)的經(jīng)歸一化之后的振幅。

圖4　調(diào)諧體處理流程

離散頻率能量體（圖5）是沿短滑動時窗生成一系列離散頻率的調(diào)諧振幅數(shù)據(jù)，與調(diào)諧體的區(qū)別是該數(shù)據(jù)體在垂向上與常規(guī)數(shù)據(jù)體相同，均為時間，但是每個生成的數(shù)據(jù)體中只包含單一的頻率成分。

圖5　離散頻率能量體處理流程

2　應(yīng)用實例

保俶斜坡為東海重要的油氣富集區(qū)，油氣主要聚集在始新統(tǒng)平湖組。平湖組是一套以泥巖為主的砂泥巖互層的潮坪—三角洲前緣相沉積，夾瀝青質(zhì)煤層。單個砂體的沉積厚度一般有幾米到幾十米，且砂體的橫向變化很大，儲層延續(xù)性差。本次研究為保俶斜坡帶平北W區(qū)塊，W區(qū)塊構(gòu)造類型為斷背斜，斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是小斷層十分發(fā)育，目前該區(qū)塊已鉆探W1、W2井，并在埋深3 500 m以下中深層P3、P7分別發(fā)現(xiàn)油氣層，但儲層很薄均不超過10 m。針對W工區(qū)的特點，應(yīng)用譜分解技術(shù)對小斷層和薄儲層進行分別研究。

2.1 對W區(qū)塊小斷層的識別研究

W區(qū)塊斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，小斷層很發(fā)育，常規(guī)的處理方法如時間切片（圖6）和沿層相干屬性圖（圖7）在刻畫小斷層方面難度較大，用譜分解技術(shù)處理后得到了比較好的效果，能夠在平面上清楚的識別出一些小斷層。

在進行譜分解處理之前首先要對地震資料進行頻譜分析，得到地震資料的頻帶范圍和優(yōu)勢頻帶，W區(qū)塊的頻帶范圍為5～120 Hz，其中優(yōu)勢頻帶為10～60 Hz，然后在優(yōu)勢頻帶范圍內(nèi)進行譜分解處理，得到不同頻率的振幅調(diào)諧體和相位調(diào)諧體，通過對比時間切片和沿層相干屬性圖，譜分解后得到的調(diào)諧體頻率切片在小斷層的刻畫方面更有優(yōu)勢，能夠清楚的辨認出小斷層的形態(tài)和在平面上的展布。通過對比振幅調(diào)諧體頻率切片（圖8）和相位調(diào)諧體頻率切片（圖9）可以發(fā)現(xiàn)，相位調(diào)諧體切片在識別斷層方面更有優(yōu)勢，斷層的形態(tài)更加清楚。同時，對比不同頻率的振幅調(diào)諧體（圖10）或相位調(diào)諧體（圖11），可以發(fā)現(xiàn)在低頻的時候大斷層形態(tài)清楚，小斷層不容易識別，而到了高頻的時候小斷層的形態(tài)變的清晰，大斷層反而模糊不清，因此需要用低頻來識別大斷層，高頻識別小斷層。

通過對W區(qū)塊的相位調(diào)諧體分析可知，設(shè)計

井W3井區(qū)周邊小斷層發(fā)育，這些小斷層在常規(guī)的平面斷層識別方法，如時間切片和相干屬性分析中都難以識別，而相位調(diào)諧體可在平面上有效識別這些小斷層。配合斷層剖面解釋，利用相位調(diào)諧體在平面上識別斷層并進行斷層組合，能夠完成精細的構(gòu)造解釋，精細刻畫構(gòu)造形態(tài)，分析斷層對構(gòu)造產(chǎn)生的影響，有利于設(shè)計井W3井的井位部署，降低勘探風(fēng)險。

圖6　W區(qū)塊2 340 ms時間切片

圖7　W區(qū)塊沿砂層組相干屬性圖

圖8　W區(qū)塊振幅調(diào)諧體頻率切片

圖9　W區(qū)塊相位調(diào)諧體頻率切片

圖10　不同頻率的振幅調(diào)諧體頻率切片對比圖

圖11　不同頻率的相位調(diào)諧體頻率切片對比圖

2.2 對W區(qū)塊薄儲層的定性研究

保俶斜坡平北W區(qū)塊目前已鉆探W1、W2兩口井， W1井的P3，W2井的P4和P7分別發(fā)現(xiàn)油氣層，埋深3 500～3 800 m，時窗2 750～3 000 ms之間，厚度較薄，屬于中深層薄互層儲層，由于受埋深、地震頻帶范圍的限制，含油氣儲層已很難識別。

針對中深層薄互層儲層識別難點，應(yīng)用譜分解技術(shù)對W區(qū)塊進行處理。首先對W1井P3 （3 500.1～3 513.6 m）油氣層用譜分解進行處理分析。通過分析過W1井的振幅調(diào)諧體剖面（圖12）發(fā)現(xiàn)，在W1井處，當(dāng)頻率為35 Hz時振幅能量值最大，因此認為35 Hz對應(yīng)的是P3油氣層。在進行譜分解前對目標(biāo)層段地震資料進行預(yù)處理，分析優(yōu)勢頻帶范圍為5～55 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)進行譜分解，得到不同頻率下的振幅調(diào)諧體切片，在振幅調(diào)諧體頻率切片中高能量值代表強振幅，強振幅區(qū)域代表了其所反映的薄層在平面上的展布。在35 Hz的振幅調(diào)諧體切片中高振幅值的范圍為目標(biāo)層P3油氣層段在平面上的展布（圖13），從中可以看出W1井揭示的P3油氣層在工區(qū)西南部廣泛發(fā)育，設(shè)計井W3井位于此區(qū)域，預(yù)測W3井將鉆遇此套油氣層。由于P3油氣層屬于薄層，常規(guī)油氣預(yù)測手段對于薄層識別效果不佳，而譜分解技術(shù)能有效識別薄層，結(jié)合構(gòu)造形態(tài)能有效確定油氣層的展布范圍，從而降低薄儲層預(yù)測的勘探風(fēng)險。

圖12　過W1井振幅調(diào)諧體剖面

圖13　35 Hz振幅調(diào)諧體頻率切片

3　結(jié)論

（1）應(yīng)用譜分解技術(shù)處理成果，能夠揭示更加豐富的地質(zhì)信息，可以提高對小斷層、薄儲層的識別、分析和解釋能力。

（2）由于斷層的存在使得相位不穩(wěn)定，小斷層在相位數(shù)據(jù)體頻率切片上比在振幅數(shù)據(jù)體頻率切片上更加明顯；在地震資料有效頻帶內(nèi)，隨著頻率的增高，小斷層變得更加清楚，使得對小斷層的識別能力有了明顯的增強，提高了斷層解釋成果的可靠性。

（3）在薄儲層發(fā)育區(qū)或砂泥巖互層條件下，應(yīng)用譜分解調(diào)諧體剖面和頻率切片，可以直觀、快速、客觀的揭示砂體平面展布特征，展開砂巖定性研究。

（4）高信噪比的地震資料是其應(yīng)用前提，特別是在應(yīng)用譜分解的相位數(shù)據(jù)體時，相位的不穩(wěn)定性除了受到斷層的影響外，噪聲對其影響較大。同時在應(yīng)用譜分解技術(shù)之前，對研究區(qū)原始地震記錄、處理成果進行頻譜特征和信噪比進行對比分析，結(jié)合其地質(zhì)特征，對方法選取、參數(shù)確定和研究成果的可靠性必不可少。

總體而言，利用譜分解技術(shù)在W區(qū)塊小斷層的識別和薄儲層的平面展布定性研究方面得到了比較好的效果。利用譜分解技術(shù)在平面上識別出了更多的小斷層并據(jù)此在剖面上解釋出了更多的小斷層，完善了地震解釋的成果。利用譜分解技術(shù)預(yù)測薄儲層在平面上的展布為更好的研究構(gòu)造的含油氣情況提供了幫助，同時也對下步的勘探工作有指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]凌云研究組．基本地震屬性在沉積環(huán)境解釋中的應(yīng)用研究[J].石油地球物理勘探，2003，38（6）：642-653．

[2]魏志平．譜分解調(diào)諧體技術(shù)在薄儲層定量預(yù)測中的應(yīng)用[J].石油地球物理勘探，2009，44（3）：337-340．

[3]楊艷，盧黎霞，龔志祥，等．譜分解技術(shù)在斷層識別上的應(yīng)用[J].復(fù)雜油氣藏，2009，2（1）：27-28．

[4]GREG Partyka．譜分解在儲層表征中的應(yīng)用[J]．肖蘭雄，譯.石油物探譯叢，2000（6）：67-68．

[5]張進鐸，楊平，王云雷．地震信息的譜分解技術(shù)及其應(yīng)用[J].勘探地球物理進展，2006，29（4）：235-238．

[6]張宏．地震譜分解算法對比與局限性分析[J]．勘探地球物理進展，2007，30（6）：409-414+439．

[7]馮磊，姜在興．基于匹配追蹤的譜分解方法及其應(yīng)用[J]．勘探地球物理進展，2009，32（2）：33-36．

作者簡介：第一黃龍澤，男，1982年生，工程師，碩士，從事海洋油氣勘探工作。E-mail：16493533@qq.com。

收稿日期：2013-08-23；改回日期：2014-11-20

文章編號：1008-2336（2015）01-0036-06

中圖分類號：P631.4

文獻標(biāo)識碼：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.036