譜反演方法在致密薄層砂體預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究

遲喚昭,劉 財(cái),單玄龍,鹿 琪

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春130061;2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130026)

譜反演方法在致密薄層砂體預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究

遲喚昭1,劉 財(cái)2,單玄龍1,鹿 琪2

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春130061;2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130026)

在以致密砂巖為儲(chǔ)層的非常規(guī)致密油勘探開發(fā)中,由于靶區(qū)選擇和水平井部署的需要,落實(shí)致密砂體的橫向展布至關(guān)重要。松遼盆地北部白堊系扶余油層致密砂體整體薄層發(fā)育,特別是T2強(qiáng)反射界面屏蔽問題的存在,一直制約著致密薄層砂體的識(shí)別精度。為此,開展了針對(duì)大慶長垣扶余油層致密薄砂體預(yù)測(cè)的譜反演方法應(yīng)用研究。在簡(jiǎn)介譜反演方法原理的基礎(chǔ)上,為了保證反演算法的計(jì)算精度,利用復(fù)數(shù)域快速匹配追蹤算法提高時(shí)頻轉(zhuǎn)換的精度;通過提取時(shí)變子波提高反射系數(shù)時(shí)頻譜的準(zhǔn)確性。應(yīng)用研究結(jié)果表明,將譜反演得到的地震反射系數(shù)體與寬頻零相位子波進(jìn)行褶積運(yùn)算,獲得的研究區(qū)寬頻保幅地震數(shù)據(jù)有效削弱了T2的屏蔽效應(yīng),改善了復(fù)合波的疊置問題,清晰地反映出了薄層砂體頂、底界面,并很好地保持了振幅與砂體的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

譜反演;快速匹配追蹤;時(shí)變子波;致密砂體;T2屏蔽效應(yīng)

非常規(guī)油氣資源已成為人們關(guān)注的勘探熱點(diǎn)之一,其中以致密砂巖為儲(chǔ)層的致密油/氣是目前最現(xiàn)實(shí)的勘探目標(biāo)[1]。針對(duì)致密油儲(chǔ)層的精細(xì)勘探開發(fā),國內(nèi)多家油田開始了大規(guī)模的水平井部署,這對(duì)地震資料的分辨率和薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用效果提出了更高的要求。為了提高致密薄砂體地震預(yù)測(cè)的精度,人們相繼提出了一系列技術(shù)方法,目前實(shí)際應(yīng)用較廣泛的是井控波阻抗反演技術(shù),以及基于地震保幅資料的屬性分析技術(shù)[2-4]。前者由于井資料的參與,具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn),但是其缺點(diǎn)同樣突出,主要表現(xiàn)在“牛眼”現(xiàn)象嚴(yán)重,井間內(nèi)插算法無法適應(yīng)河流相巖相的快速變化;而后者不受井的約束,雖然分辨率不是很高,但是對(duì)砂體橫向厚度的變化刻畫得更加真實(shí),在致密油勘探中已發(fā)揮出較好的效果。實(shí)踐表明,拋棄保幅資料僅依據(jù)有井約束反演資料作為水平井軌跡設(shè)計(jì)與導(dǎo)向,大多數(shù)情況下砂體的鉆遇率均不盡如人意。以大慶長垣扶余油層為例,存在的地質(zhì)問題是:3～5m的砂泥巖薄互層發(fā)育,古河道多期疊置現(xiàn)象普遍,區(qū)內(nèi)地層巖性的橫向非均質(zhì)性非常強(qiáng),相變速度很快[5]。如果想進(jìn)一步提高砂體預(yù)測(cè)的符合率,并且完全滿足水平井鉆探的需要(至少在1000m以下成功預(yù)測(cè)3m厚度的砂巖),常規(guī)地震資料的分辨率已變得無能為力。尤其是T2強(qiáng)反射界面屏蔽現(xiàn)象的存在,致使目的層有效信號(hào)微弱,不足以清晰刻畫薄砂體。因此,提高保幅資料的“真分辨率”乃是大慶長垣扶余油層致密薄砂體橫向展布預(yù)測(cè)需要解決的核心問題。

譜反演是一種基于先驗(yàn)信息和頻譜分解技術(shù)的高分辨率反射系數(shù)成像方法,可以提高小于調(diào)諧厚度薄地層的成像精度。Portniaguine等[6]首先提出了有別于常規(guī)地震反演理論的譜反演方法,其主要特點(diǎn)是只采用部分頻譜資料就可以反演出稀疏反射系數(shù)或?qū)雍瘛uryear等[7]利用奇偶反射系數(shù)分解理論,發(fā)展了一種新的譜反演算法,通過對(duì)奇偶反射系數(shù)權(quán)重的重新匹配,利用短時(shí)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)時(shí)頻轉(zhuǎn)換,理論上可以更穩(wěn)健地識(shí)別小于地震調(diào)諧厚度的薄層。目前，國內(nèi)有關(guān)譜反演方法理論研究和應(yīng)用研究的文獻(xiàn)尚為數(shù)不多。柴新濤等[8]利用LSQR算法對(duì)譜反演目標(biāo)函數(shù)的求解進(jìn)行了理論探討;曹鑒華等[9]對(duì)譜反演處理技術(shù)進(jìn)行了闡述,并將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)資料中,清晰識(shí)別了薄儲(chǔ)層反射特征;劉萬金等[10]用譜反演方法對(duì)三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行反演及地震屬性分析,提高了識(shí)別沉積相和小斷層的能力；孫雷鳴等[11]提出了線性譜反演約束方法,使反演結(jié)果更加精確,提高了地震勘探分辨率的能力。

針對(duì)非常規(guī)致密油薄儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測(cè)的需求,本文在簡(jiǎn)要介紹譜反演方法原理的基礎(chǔ)上,對(duì)影響譜反演計(jì)算精度的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn):利用復(fù)數(shù)域快速匹配追蹤算法提高了時(shí)頻轉(zhuǎn)換精度[12-13];通過提取時(shí)變子波提高反射系數(shù)時(shí)頻譜的準(zhǔn)確性[14-15];通過對(duì)譜反演反射系數(shù)體進(jìn)行0.5ms的重新采樣,提高地震資料與測(cè)井資料的匹配程度。大慶長垣扶余油層致密薄砂體預(yù)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用取得了良好效果。

1 譜反演方法原理

譜反演方法是一種在時(shí)頻分析及子波提取技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用反射系數(shù)奇偶分解理論[16],求解薄層反射系數(shù)及其地層厚度的反演方法。在保幅的前提下,可將由于地層的調(diào)諧作用而模糊了的薄層信息反演出來,提高地震資料的分辨率。

1.1 多層模型應(yīng)用

盡管雙層模型[17-18]由于容易反演而很有價(jià)值,但是實(shí)際地層具有多套反射層,因此將該方法推廣到多層反射模型更有實(shí)際意義。我們可以將反射系數(shù)序列r(t)表示為奇部分量和偶部分量脈沖對(duì)的和[7],即:

(1)

式中:ro(t)和re(t)分別表示奇部分量與偶部分量;T(t)為地層時(shí)間厚度;δe為偶部脈沖對(duì);δo為奇部脈沖對(duì);τ為時(shí)間延遲。

對(duì)反射系數(shù)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換可得:

(2)

式中:r(t,f)為r(t)的時(shí)頻譜;tw為時(shí)窗的半長度。

i2ro(t)sin[πfT(t)]}dt

(3)

式中:f為頻率。

多套地層模型中包括兩個(gè)以上的反射同相軸,所以在計(jì)算的時(shí)候有必要使用正好適于層間反射界面的目標(biāo)函數(shù)。如果子波時(shí)頻譜已知,可以利用最小二乘共軛梯度法[19-21]求解目標(biāo)函數(shù)o(t,re,ro,T)的最小值,進(jìn)而得到r(t)和T(t),該函數(shù)為:

(4)

式中:fL為低頻截止值;fH為高頻截止值;αe和αo為權(quán)重函數(shù),用來調(diào)節(jié)噪聲和分辨率。在αe/αo為高值時(shí),反射率就比較接近Widess模型,分辨率極限值變?yōu)棣?8。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的改進(jìn)

從譜反演目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建上可以看出,地震信號(hào)與子波的時(shí)頻轉(zhuǎn)換以及子波的提取是直接影響譜反演算法本身精度的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.2.1 時(shí)頻轉(zhuǎn)換

為了保證地震信號(hào)與子波的時(shí)頻譜的計(jì)算精度及時(shí)效性,本文利用復(fù)數(shù)域快速匹配追蹤算法進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，在保證時(shí)頻分辨率高的同時(shí),確保了較高的計(jì)算效率,這已在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

具體流程如下。

1) 利用多參數(shù)控制的Morlet小波函數(shù)建立完備原子庫,小波函數(shù)表達(dá)式為:

(5)

式中:μ為位置函數(shù);ωm為頻率;φ為相位;σ為尺度。

2) 利用Hilbert變換得到復(fù)地震道,進(jìn)一步計(jì)算地震信號(hào)的三瞬屬性。

3) 初步確定小波匹配原子:瞬時(shí)振幅確定匹配起始位置;瞬時(shí)相位替代小波相位;瞬時(shí)頻率平均替代小波主頻。之后利用局部動(dòng)態(tài)掃描方法提高匹配計(jì)算的效率。

4) 通過迭代匹配,得到一組匹配最佳的時(shí)頻原子,完成地震信號(hào)的稀疏分解,地震信號(hào)可表示為:

(6)

式中:an為匹配段的地震信號(hào);m為時(shí)頻原子;Rn+1為殘差。

5)計(jì)算時(shí)頻原子的Wigner分布之和,得到地震信號(hào)的時(shí)頻譜(如圖1,單分量信號(hào)不存在交叉干擾項(xiàng),而且時(shí)頻分辨率很高[22])。

(7)

式中:W(t,f)為Wigner分布;x*為x的共軛;τ為時(shí)間延遲。

圖1給出了模擬信號(hào)(圖1a)及其Wigner分布時(shí)頻譜(圖1b)與廣義S變換時(shí)頻譜(圖1c)的時(shí)頻分辨率比較結(jié)果。

1.2.2 子波提取

至于地震子波的提取,當(dāng)然我們最需要的是既具有時(shí)變性質(zhì)又具有空變性質(zhì)的地震子波。子波的提取方法中基于高階統(tǒng)計(jì)量理論的方法[23]目前研究較多,本文通過提取時(shí)變子波提高反射系數(shù)時(shí)頻譜的準(zhǔn)確性。具體做法是首先對(duì)地震數(shù)據(jù)開窗分段,在時(shí)窗內(nèi)采用實(shí)用性更強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)子波估計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)時(shí)變子波求取(圖2)。采用時(shí)變子波與前人采用非時(shí)變子波進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖3所示(紅色橢圓標(biāo)記內(nèi)),可以看出,提取時(shí)變子波作譜反演處理后的地震剖面分辨率更高。

圖1 模擬信號(hào)及其時(shí)頻譜

圖2 時(shí)變子波及其頻譜

圖3 采用提取的非時(shí)變子波(a)及時(shí)變子波(b)作譜反演處理后的地震剖面

2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

大慶長垣YP1井區(qū)非常規(guī)致密油儲(chǔ)層——扶余油層以曲流河多期疊置沉積為主。雖然該區(qū)巖性比較簡(jiǎn)單,以砂泥巖為主,但儲(chǔ)層物性較差,屬低孔、低滲儲(chǔ)層(孔隙度低于8%的儲(chǔ)層占45.8%,滲透率低于10-3μm2的儲(chǔ)層占74.7%)。另外,該區(qū)河道改道遷移現(xiàn)象普遍存在,不但砂體錯(cuò)疊連片,而且與泥巖交互形成的薄互層(一般小于5m)發(fā)育。在這種特定的沉積環(huán)境及物性條件下,致使砂層整體較薄,地震資料上層間干涉嚴(yán)重,薄層疊置與單砂體地震反射特征相似,難以區(qū)分。亟需能夠清晰刻畫河道砂體邊界的地震預(yù)測(cè)技術(shù),以滿足致密油薄儲(chǔ)層精細(xì)勘探需求。為此,本文嘗試將譜反演技術(shù)應(yīng)用于研究區(qū)致密薄層砂體的精細(xì)預(yù)測(cè),以期為大慶長垣非常規(guī)致密油的勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

與其它疊后反演算法一樣,譜反演的最終結(jié)果也是反射系數(shù)體,反射系數(shù)的極性與大小是砂體頂、底界面波阻抗差的反映。因此,利用譜反演技術(shù)獲得的高分辨率反射系數(shù)體,可以對(duì)薄砂體的頂、底界面進(jìn)行追蹤。抽取F42-F43-F44-F45井連井測(cè)線的反射系數(shù)剖面(圖4)與常規(guī)保幅地震剖面(圖5)對(duì)比,可以看出,反射系數(shù)資料更好地指明了砂泥界面。在水平井隨鉆導(dǎo)向時(shí),將譜反演的反射系數(shù)資料與上、下伽馬曲線結(jié)合應(yīng)用,將可有效防止水平井軌跡“出層”現(xiàn)象的發(fā)生。另外,我們對(duì)反射系數(shù)進(jìn)行了0.5ms重新采樣,其目的主要是提高地震資料與測(cè)井資料的匹配程度,雖然不能增加地震資料的新信息,卻能提高反演結(jié)果的分辨率[24]。

圖4 F42-F43-F44-F45井連井測(cè)線反射系數(shù)剖面

圖5 F42-F43-F44-F45井連井測(cè)線常規(guī)保幅地震剖面

但是,譜反演作為一種無井反演方法,在提高分辨率方面并沒有井的參與控制,因此其分辨率仍受限于保幅地震資料的分辨率。同時(shí),保幅地震資料的信噪比也是影響譜反演效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。

反射系數(shù)資料雖然能清晰反映砂巖頂、底界面,但這是建立在工區(qū)有足夠井資料、對(duì)砂體地震響應(yīng)特征充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上的。反射系數(shù)資料歸根結(jié)底只是反射界面波阻抗差的反映,而人們更關(guān)心的是工區(qū)內(nèi)砂體橫向上厚薄的展布情況。波阻抗是直接與巖性相關(guān)的信息,但是在譜反演反射系數(shù)資料的基礎(chǔ)上,采用道積分方法得到的相對(duì)波阻抗資料分辨率很差,并不適用于3～5m薄砂體的識(shí)別。因?yàn)榉e分算法是一種“平滑”作用,平滑掉了譜反演出來的細(xì)節(jié)信息。

本文根據(jù)Chopra等[25]提出的方法,通過對(duì)譜反演獲取的地震反射系數(shù)體與寬頻零相位子波進(jìn)行褶積運(yùn)算,獲得寬頻保幅地震數(shù)據(jù)。將該方法應(yīng)用到大慶長垣致密砂體預(yù)測(cè)中,取得了非常好的應(yīng)用效果,為研究區(qū)非常規(guī)致密油薄儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫提供了一種新的技術(shù)手段。

圖6 譜反演寬頻資料(a)和常規(guī)保幅資料(b)與合成記錄的匹配對(duì)比

圖6是譜反演寬頻資料和常規(guī)保幅資料與合成記錄的匹配對(duì)比情況。通過3個(gè)標(biāo)記處(圖中標(biāo)注1,2,3)的對(duì)比可以看出,相對(duì)于常規(guī)保幅資料,譜反演寬頻資料與合成記錄的符合度更高,說明其在保真性、分辨率方面均好于常規(guī)保幅資料,對(duì)薄砂體有更強(qiáng)的識(shí)別能力。尤其在標(biāo)記1處提高的分辨率更有意義:標(biāo)記1處上方為T2地震反射層位(它是青山口組的底,扶余油層之上)。其上覆的青山口組一直被公認(rèn)為下伏扶余油層的油源層,兩者構(gòu)成了“上生下儲(chǔ)”的源儲(chǔ)形式。從非常規(guī)油氣勘探的思路可知,扶余油層上部層組更接近油源,其含油性應(yīng)該最好。但是,一直以來由于T2強(qiáng)反射界面對(duì)下部地層的屏蔽效應(yīng),致使扶余上部油層組反射能量很弱,無法通過地震響應(yīng)特征準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)其分布規(guī)律。所以,扶余油層上部層組的勘探程度最低,這直接影響了對(duì)大慶長垣資源潛力的認(rèn)識(shí)。譜反演寬頻資料在一定程度上削弱了T2的屏蔽效應(yīng),使該部分儲(chǔ)層的地震響應(yīng)得到了加強(qiáng)。

基于測(cè)井曲線的合成記錄只反映出“點(diǎn)”的信息量,評(píng)價(jià)譜反演寬頻資料對(duì)橫向砂體展布的刻畫能力更為重要。圖7顯示的是常規(guī)保幅資料,圖8顯示的是譜反演寬頻資料。常規(guī)保幅資料是大慶長垣扶余油層地震技術(shù)攻關(guān)的結(jié)果,其良好的保幅性已經(jīng)在大慶長垣多個(gè)地震工區(qū)的水平井部署中得到驗(yàn)證。但是常規(guī)保幅資料也存在嚴(yán)重的T2屏蔽效應(yīng)(圖7上部綠色橢圓標(biāo)記內(nèi))、地震波復(fù)合疊加(圖7中紅色橢圓和藍(lán)色方框標(biāo)記內(nèi))。而在圖8所示的譜反演寬頻資料的綠色橢圓標(biāo)記內(nèi),薄砂體的反射能量增強(qiáng),砂體的連通性加強(qiáng),在一定程度上削弱了T2屏蔽效應(yīng);在圖8中紅色橢圓和藍(lán)色方框標(biāo)記內(nèi),復(fù)合波已被打開,而且分開的同相軸與砂體一一對(duì)應(yīng),這將更有利于五級(jí)層序的精細(xì)解釋。圖9a和圖9b分別為常規(guī)保幅資料與譜反演寬頻資料的頻譜,對(duì)比可見寬頻數(shù)據(jù)體具有更寬的頻帶范圍,并不是簡(jiǎn)單地拓展高頻,而是切實(shí)提高了地震資料的“真分辨率”,從而保證了薄砂體和厚砂體均具有相應(yīng)的地震響應(yīng)。

圖7 P64-P41-P611-P611X1井連井剖面常規(guī)保幅資料

圖8 P64-P41-P611-P611X1井連井剖面譜反演寬頻資料

圖9 圖7常規(guī)保幅資料(a)和圖8譜反演寬頻資料(b)的頻譜

圖10 YP1井區(qū)扶余油層中部層位砂體預(yù)測(cè)結(jié)果

圖10a和圖10b分別為基于常規(guī)保幅資料和譜反演寬頻資料的YP1井區(qū)扶余油層中部層位砂體預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)比圖10a和圖10b可以看出,譜反演寬頻資料在橫向上與常規(guī)保幅資料保持了基本的一致性,這說明前者同樣具有良好的保幅性;而在細(xì)節(jié)上寬頻資料的河道砂體邊界更清晰,尤其是對(duì)地質(zhì)家更關(guān)心的地質(zhì)體(“點(diǎn)砂壩”)的刻畫能力更強(qiáng),這說明其具有更高的橫向分辨率。

綜上所述,譜反演技術(shù)可以將由于地層的調(diào)諧作用而模糊了的薄層信息(反射系數(shù))反演出來,其寬頻資料在橫向保幅的基礎(chǔ)上提高了對(duì)砂體的識(shí)別能力及細(xì)分研究單元層位解釋的精度。選取YP1井目的層段(河流相沉積)進(jìn)行譜反演方法驗(yàn)證,鉆前預(yù)測(cè)砂巖厚度1523m,根據(jù)隨鉆自然伽馬測(cè)井曲線計(jì)算砂巖厚度1447m,砂體預(yù)測(cè)正確率達(dá)到95%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)大慶長垣扶余油層致密薄砂體預(yù)測(cè)的譜反演方法應(yīng)用研究取得如下認(rèn)識(shí)。

1) 在介紹譜反演算法的基礎(chǔ)上,本文利用復(fù)數(shù)域快速匹配追蹤算法提高時(shí)頻轉(zhuǎn)換的精度;通過提取時(shí)變子波提高了反射系數(shù)時(shí)頻譜的準(zhǔn)確性。

2) 譜反演高分辨率反射系數(shù)體,可以對(duì)砂體頂、底界面進(jìn)行準(zhǔn)確追蹤,這將大大提高非常規(guī)致密油勘探中水平井的鉆探成功率。

3) 為了更好地發(fā)揮地震技術(shù)橫向分辨率高的優(yōu)點(diǎn),利用譜反演高分辨率反射系數(shù)體與寬頻零相位子波褶積,得到保幅的寬頻地震資料。這對(duì)削弱大慶長垣扶余油層的T2屏蔽效應(yīng),克服地震波復(fù)合疊加,提高細(xì)分研究單元的解釋精度有很大幫助。

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(編輯：顧石慶)

Application of spectral inversion for tight thin-bed sand body prediction

Chi Huanzhao1,Liu Cai2,Shan Xuanlong1,Lu Qi2

(1.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China;2CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China)

Due to the need of selecting target areas and deploying horizontal wells,it is very important to understand the lateral distribution of tight sand bodies in unconventional tight sandstone reservoir exploration and development.The tight sandstone is characterized by the development of Cretaceous thin-beds for Fuyu reservoir in the north of Songliao Basin.And the identification accuracy of the thin-bed sand bodies is restricted by the shielding effect from the strong reflection interface T2.Therefore,we study spectral inversion technique for the prediction of the tight thin-bed sand bodies in Fuyu formation,Daqing Placanticline.In order to ensure the accuracy of spectral inversion,fast matching pursuit algorithm in complex domain is used to improve the precision of the time-frequency conversion and the accuracy of time-frequency spectrum of reflection coefficient is increased by the time-varying wavelet extraction.The results of spectral inversion show that:the seismic reflection coefficient volumes from spectral inversion are convoluted with the broadband zero-phase wavelet,thus obtained broadband preserved amplitude seismic data effectively suppress the shielding effect from T2in target area.The results also indicate the improvements of composite reflections overlay,the top and the bottom interface of the thin-bed sandstone detected clearly,and the favorable correspondence between amplitude attributes and sand bodies.

spectral inversion,fast matching pursuit,time-varying wavelet,tight sandstone,shielding effect from T2

2014-07-22;改回日期：2014-10-30。

遲喚昭(1985—),男,博士在讀,主要從事油氣地質(zhì)與地震方法方面研究。

鹿琪(1972—),女,博士,教授,主要從事探地雷達(dá)和地震數(shù)據(jù)處理研究。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CB429805,2009CB219301)、國家自然科學(xué)基金(41174080,41340039)和公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201011078)共同資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0337-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.013