匹配追蹤強反射層分離方法及應(yīng)用

朱博華,向雪梅,張衛(wèi)華

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

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匹配追蹤強反射層分離方法及應(yīng)用

朱博華,向雪梅,張衛(wèi)華

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

摘要:針對油頁巖強反射屏蔽儲層有效信號的問題,開展了基于匹配追蹤的強反射層分離方法研究,目的是較好地弱化強阻抗界面的影響,增強儲層有效信號。結(jié)合匹配追蹤算法和強反射形成機理,首先建立強反射層分離流程，然后基于二維模型,對強反射層分離過程中子波控制參數(shù)的選取進行了詳細(xì)討論,并提出利用能量增長率作為參數(shù)優(yōu)選的依據(jù)。研究認(rèn)為,當(dāng)給定1～2Hz的頻率擾動范圍、且將匹配子波全部(1倍)從原始記錄中減去時,強反射層分離效果最佳。以華北彬縣—長武區(qū)塊油頁巖強反射為例,通過對目的層段測井響應(yīng)特征和地震響應(yīng)特征的分析,結(jié)合模型試驗結(jié)果確定了子波控制參數(shù),并對油頁巖強反射層進行了有效分離。分析表明,強反射層分離后儲層弱反射信號得到了有效增強,平面屬性能更加客觀地反映河道邊界和砂體展布特征,井點吻合率達(dá)到75%,取得良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：弱信號；頁巖強反射；匹配追蹤；模型試驗；砂體識別

在頁巖層或煤層發(fā)育區(qū),上、下界面較大的波阻抗差異導(dǎo)致了強反射同相軸的出現(xiàn),強反射同相軸嚴(yán)重屏蔽了相鄰儲層的弱信號,降低了儲層預(yù)測的精度。常規(guī)處理的地震資料很難滿足復(fù)雜儲層精細(xì)解釋的需求。

針對上述問題,許多學(xué)者開展了研究和討論,如常規(guī)的高分辨率處理,屬性分析,疊前、疊后反演及強反射層分離等。龐尚明等[1]采用逆向地震儲層預(yù)測方法,對含鹽強反射地層進行了有效的巖性預(yù)測；張軍華等[2]針對東營凹陷油頁巖強反射問題,采用提高分辨率、屬性分析等技術(shù)對油頁巖背景下的灘壩砂體進行了預(yù)測,取得了一定的效果；劉保國[3]針對大牛地氣田煤系強反射問題,利用巖性反演、反射結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)對山1段儲層進行了有效預(yù)測；張軍華等[4]利用多子波分解與重構(gòu)方法,對勝利探區(qū)五號樁油田T2強反射層進行了剝離,提高了儲層刻畫的精度；秦雪菲等[5]針對大牛地氣田煤層的影響,采用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)對煤層進行定位和去除,很好地預(yù)測了上覆、下伏儲層的分布；Wang[6]利用多道匹配追蹤新算法,較好地消除了煤層強反射影響,很好地展示了目標(biāo)層反射；李海山等[7]利用匹配追蹤算法分離了煤層強反射,利用疊前反演方法對含氣層進行了有效識別。常規(guī)的方法雖取得了一定的效果,但很難從根本上解決強阻抗界面問題,應(yīng)用效果有限；而匹配追蹤強反射層分離算法缺乏理論模型驗證和參數(shù)的詳細(xì)討論,制約了該方法的進一步推廣應(yīng)用。

匹配追蹤算法源于MALLAT等[8]提出的“波形匹配追蹤”算法的思想。該方法把原始信號分解成多個原子的線性組合,這些原子被稱為匹配子波。匹配子波的選取是通過子波控制參數(shù)確定的,一旦確定了一組子波控制參數(shù),也就得到了唯一的子波波形。常用的原子庫有Morlet原子庫[9]和Ricker原子庫[10],不少學(xué)者對匹配追蹤算法進行了深入的討論和改進,分別在時頻分析[11]、頻譜成像及薄砂體預(yù)測[12-13]、濾波去噪[14]、剩余時差校正[15]等方面取得了較好的應(yīng)用效果,同時在強反射層分離中也取得了一定的應(yīng)用效果[4-7]。

本文基于匹配追蹤強反射層分離算法,重點對算法參數(shù)的選取進行了較為詳細(xì)的討論,并對實際數(shù)據(jù)進行了處理分析。利用二維強反射模型,分別從匹配子波的生成、減去準(zhǔn)則、控制參數(shù)選取等方面進行了試驗,優(yōu)化算法參數(shù)。在模型驗證的基礎(chǔ)上,針對華北彬縣—長武區(qū)塊油頁巖強反射的問題,應(yīng)用該方法對油頁巖強反射層進行分離,并提取均方根振幅屬性進行砂體預(yù)測。

1匹配追蹤方法及其實現(xiàn)

1.1基本原理

匹配追蹤方法是一種有效的信號稀疏分解方法[16],其算法基本表達(dá)式為:

(1)

式中:f為希爾伯特空間里的任意信號；〈f,gγ0〉為原始信號f與第1次迭代時所選基函數(shù)的內(nèi)積；R1f為第1次迭代后所產(chǎn)生的殘差。為了使殘差量最小,則必須使內(nèi)積項〈f,gγ0〉盡可能大,R1f和gγ0正交,滿足:

(2)

通過m次迭代后,得到:

(3)

式中:Rmf為最后的殘差項。

1.2子波控制參數(shù)求取

匹配追蹤方法的關(guān)鍵是子波控制參數(shù)的求取,本文利用三步法實現(xiàn)子波控制參數(shù)的求取[16]。首先以Morlet小波作為基本原子,通過子波中心延遲時間、主頻、相位和尺度因子來表征匹配子波,子波控制參數(shù)為γ={u,f,φ,k}。

Morlet小波時間域表達(dá)式為:

(4)

式中:fm是子波主頻；u為中心延遲時間；φ為相位；k為尺度因子。子波控制參數(shù)的具體求取方法如下:

1) 利用復(fù)數(shù)地震道分析技術(shù)得到三瞬屬性,將瞬時振幅最大包絡(luò)處的時間作為初始中心延遲時間un,將該時間點處的瞬時頻率fn和瞬時相位φn作為匹配子波的主頻和相位初始值,得到初步估算的3個參數(shù){un,fn,φn}。對于Morlet子波,還應(yīng)給定尺度因子k,這樣才能確定唯一的Morlet子波,尺度因子通過公式(5)計算得到。

(5)

2) 求取最優(yōu)化參數(shù)以確定匹配子波gγn,用公式(5)在搜索字典中最優(yōu)化4個子波控制參數(shù),然后在初始值附近擾動,得到搜索范圍[un-Δu,un+Δu],[fn-Δf,fn+Δf],[φn-Δφ,φn+Δφ],[kn-Δk,kn+Δk]。其中,Δu為時間間隔；Δf為頻率間隔；Δφ為相位間隔；Δk為尺度參數(shù)間隔。

3) 估計振幅參數(shù)an,利用公式(6)獲得子波振幅。

(6)

2強反射層分離

地震記錄上的單個反射波并不是單一界面的反映,而是多個界面或者一套界面地震反射子波疊加的結(jié)果。因此,地震記錄上的一個反射波組并不嚴(yán)格地對應(yīng)于地層柱狀圖某一地層分界面。在這樣一組靠得很近的界面中,必然有起主要作用的界面。如果這些地層厚度和巖性在一定的區(qū)域內(nèi)保持相對穩(wěn)定,則來自這組界面的許多地震反射子波的相互關(guān)系(振幅差異,旅行時差異等)也應(yīng)當(dāng)是相對穩(wěn)定的,得到的地震反射波組特征(相位個數(shù),強度等)也具有相對穩(wěn)定的性質(zhì)。

基于上述分析,結(jié)合匹配追蹤的基本原理,確定了強反射層分離方法的主要流程:

1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。包括地震數(shù)據(jù)體、精細(xì)層位解

釋結(jié)果等。

2) 對強反射同相軸進行三瞬分析,求取強反射位置的瞬時頻率值,從而確定同相軸的主頻。

3) 利用模型試驗分析和實際資料特征分析結(jié)果,設(shè)定初始子波參數(shù),包括主頻、相位、尺度因子、中心延遲時間等,對強反射同相軸進行分離。

4) 結(jié)合井點處地層組合、砂體厚度等特點,分析處理結(jié)果的合理性,確定是否需要進行參數(shù)調(diào)整。

5) 利用最終確定的參數(shù)進行全區(qū)分離,然后再對分離后數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析,預(yù)測有利目標(biāo)。

單道強反射同相軸分離示意圖如圖1所示。強反射層分離后,原本被強反射淹沒的信息得到較好的展示,有利于對弱反射信號進行研究和分析。

圖1　單道強反射層分離示意圖解

基于強反射形成的基本特征,結(jié)合上文匹配追蹤算法的討論分析和強反射層分離流程,本文開展了模型試驗分析。

2.1二維模型試驗

我們制作了一個強反射界面下存在砂巖儲層的模型,如圖2所示。背景是低速地層,設(shè)定速度為1000m/s,密度為1.650g/cm3,中部整體上是一套泥巖地層,設(shè)定速度為2500m/s,密度為2.200g/cm3,紫色部分代表砂巖,設(shè)定速度為3500m/s,密度為2.275g/cm3,砂巖地層緊挨著上面的阻抗界面,距離為3～5m不等。穩(wěn)定面反射系數(shù)是其下砂泥巖分界面反射系數(shù)的2.95倍左右,對砂泥巖波阻抗界面來說,穩(wěn)定面可看作是一個強反射界面。砂巖分布厚度為2,3和5m不等。

圖2　強反射界面下存在砂巖儲層的理論模型(a)及局部放大(b)

對模型進行正演模擬,子波選用35Hz零相位Ricker子波,采樣間隔1ms,采用自激自收方式進行正演,得到的正演剖面如圖3所示,圖中紅線為拾取的強反射同相軸。

圖3　模型正演剖面

從正演剖面上看,直觀識別強反射軸下的砂體發(fā)育情況比較困難。橫向上能見到微弱的波形變化,但這種微弱的變化幾乎全部淹沒在上覆強反射中,給砂體識別帶來了較大困難。

為了得到強反射同相軸的主頻分布特征,設(shè)定了較大的頻率擾動區(qū)間,對強反射同相軸進行匹配追蹤,得到初始主頻,如圖4所示。通過計算平均值,確定強反射同相軸的最佳匹配主頻為31.7Hz。

圖4　初始匹配主頻

我們對正演剖面進行了強反射同相軸的識別和分離。設(shè)定子波為零相位,其主頻為31.7Hz,k=0.17,初始中心延遲時間設(shè)定為波峰位置,將提取出的子波全部減去,處理后得到的剖面如圖5所示,紅線為原始強反射同相軸的位置。

由圖5可知,強反射層分離后,砂體信息相對比較明顯,但是僅從剖面上分析缺乏說服力。為了定量描述強反射層分離后砂體在屬性上的表現(xiàn)特征,提取了強反射軸往上10ms,往下40ms時窗內(nèi)的均方根振幅屬性,來進一步分析強反射層去除前、后的效果,如圖6所示。由圖6可見,強反射層去除前、后模型的均方根振幅曲線特征較為一致。

圖5　去除強反射層后的剖面

圖6　強反射層去除前、后均方根振幅曲線對比

地震勘探本質(zhì)上是相對量的勘探,基于這種思想,本文進一步分析了曲線的變化規(guī)律,對處理前、后均方根振幅的變化率進行了統(tǒng)計分析,將無砂體地震道的均方根振幅作為背景值RA,其它地震道的均方根振幅值記為變量RA(x),x=1,2,3,…,設(shè)能量增長率為R(x),則有:

(5)

R(x)反映了均方根能量相對于背景值的變化情況,它能直觀地展示強反射層分離前、后地震屬性的變化特征。

圖7給出了強反射層去除前、后均方根能量的增長率曲線對比結(jié)果。由圖7可知,強反射層去除前、后的能量增長率發(fā)生了明顯的變化,去除后能量增長率變大,這說明相對于背景反射來說,砂巖段在振幅屬性上的響應(yīng)更加明顯,該結(jié)論對于后期屬性提取非常有利。

圖7　強反射層去除前、后均方根能量增長率

上述只是強反射層分離的一種特殊情況,針對該方法實現(xiàn)過程中的參數(shù)選取問題,我們詳細(xì)討論了頻率擾動范圍和匹配子波減去準(zhǔn)則對分離效果的影響。

2.2參數(shù)討論

2.2.1頻率擾動范圍

匹配追蹤算法中,主要涉及到振幅、主頻、相位等幾個參數(shù)。本次討論假定子波零相位且匹配子波全部減去,以觀察主頻固定與主頻擾動之間的區(qū)別。假設(shè)主頻擾動范圍為F,那么匹配追蹤算法中的頻率掃描范圍為[31.7-F/2,31.7+F/2],算法自動在此區(qū)間范圍內(nèi)尋找最優(yōu)匹配子波,而不是固定值。提取處理前、后的均方根振幅屬性,計算能量增長率曲線如圖8所示。

由圖8可知,在固定主頻或者主頻擾動范圍較小時,能量增長率最大。1,2,4Hz曲線出現(xiàn)重疊,表明1Hz的擾動范圍已經(jīng)足夠大,再大的擾動范圍也會得到相同的結(jié)果,而且較大的擾動范圍也不符合實際的同相軸波形特征,不僅破壞了原始的子波波形和強反射同相軸特征,還增加了計算時間。綜上所述,針對實際資料的頻譜變化特點,為了準(zhǔn)確反映原始子波特征和同相軸能量變化規(guī)律,最大限度增強這種能量的相對變化,在較為穩(wěn)定的強反射區(qū),建議給定較小擾動范圍,1～2Hz即可。

2.2.2匹配子波減去準(zhǔn)則

通過匹配方法,得到單個匹配子波,該匹配子波代表了強反射能量。如何更好地處理該匹配子波成為比較關(guān)鍵的問題。因此,本文在主頻固定(31.7Hz)的條件下,分別減去匹配子波的0.6倍,0.8倍,1.0倍(全部減去)和1.2倍,提取處理前、后的均方根振幅屬性,并計算能量增長率曲線,結(jié)果如圖9所示。

圖8　處理前、后均方根能量增長率

圖9　處理前、后均方根能量增長率曲線

由圖9可知,在子波全部減去的情況下,能量增長率最大。該模型試驗結(jié)果說明在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)盡量將匹配子波全部減去,這樣才能得到更好的分離效果。

3實際資料處理及效果分析

3.1研究區(qū)概況

圖10　W1井測井綜合解釋(a)及其標(biāo)定結(jié)果(b)

華北彬縣—長武區(qū)塊存在明顯的油頁巖強反射,該區(qū)的主要勘探目標(biāo)是三疊系延長組長8油層組。在長8油層組上部、長7油層組底部發(fā)育了一套穩(wěn)定的區(qū)域性標(biāo)志層——張家灘油頁巖,與圍巖形成了較大的波阻抗差異。由圖10中W1井的測井綜合解釋成果和標(biāo)定結(jié)果可知,油頁巖和儲層存在明顯的波阻抗差異,上、下分界面T6c在地震剖面上形成了穩(wěn)定的強反射同相軸,其主要反映張家灘油頁巖的信息,不反映長8砂體的信息,長8儲層段的信息基本被張家灘油頁巖的信息淹沒,預(yù)測難度非常大。前期采用了多種常規(guī)方法進行分析預(yù)測,但效果不理想。資料分析發(fā)現(xiàn)這種強反射特征相對穩(wěn)定?；趶姺瓷鋵臃蛛x的基本原理和本研究區(qū)的實際地震地質(zhì)特征,可以認(rèn)為,由大套頁巖層產(chǎn)生的反射在研究區(qū)內(nèi)具有相對穩(wěn)定的特征,而相對于強反射而言,儲層弱反射對地震記錄的貢獻較小。對全區(qū)強反射同相軸進行分離,能較好去除油頁巖強反射的影響,增強儲層弱反射,具有實際意義。

3.2實際數(shù)據(jù)處理分析

通過分析目的層段地震資料,確定資料主頻在25Hz左右。結(jié)合上文的理論分析,經(jīng)過參數(shù)測試,最終確定子波主頻區(qū)間為24～25Hz,零相位,尺度參數(shù)選取k=0.17,初始子波中心延遲時間為解釋的T6c層位時間,時間擾動區(qū)間2ms。對工區(qū)內(nèi)張家灘油頁巖強反射層進行全區(qū)分離,得到強反射層分離后的數(shù)據(jù)體。

選取了兩口典型井W1井和W2井進行過井剖面的對比和分析,如圖11所示。強反射層分離前,兩口井在T6c處都有很明顯的強反射,儲層特征區(qū)分較為困難。經(jīng)過強反射層分離,可以清晰地看到,W1井在強反射層下出現(xiàn)明顯的振幅響應(yīng)(橢圓所示),而W2井振幅響應(yīng)微弱。由兩口井的錄井資料可知,W1井長8段砂體總厚度達(dá)到31.6m,而W2井長8段砂體總厚度僅為6.6m,與處理后的剖面具有很好的一致性。上述的分析對比表明,T6c強反射軸分離后,長8砂體弱反射信號得到明顯增強,這有助于目標(biāo)儲層的研究。

圖11　過井剖面對比

在過井剖面分析的基礎(chǔ)上,提取了處理前、后的均方根振幅屬性進行對比分析,如圖12所示。時窗為T6c往上10ms,往下50ms,時窗內(nèi)基本反映了長8砂體的信息。對比認(rèn)為,原始平面屬性與井點符合度低,且區(qū)分度較差,基本是強反射的背景。處理后的平面屬性很好地降低了強反射的影響,與井點符合率大大提高,W2井處于不利區(qū),而W1井處于相對有利的區(qū)域,整體上能較好地指示河道砂體的分布,區(qū)內(nèi)共有32口井,其中與預(yù)測的分布范圍相吻合的有25口井,符合率達(dá)到75%,較之前的預(yù)測結(jié)果有較大的提高,與地質(zhì)人員勾繪的砂體等厚圖有很高的一致性。

圖12　處理前(a)、后(b)均方根振幅屬性對比

4結(jié)論

強反射屏蔽儲層弱信號的問題給精細(xì)儲層預(yù)測帶來了巨大的困難。本文基于匹配追蹤算法的強反射層分離方法,對該問題進行了分析處理。利用二維模型,重點對子波參數(shù)選取進行了詳細(xì)討論,提出利用能量增長率作為參數(shù)優(yōu)選的表征參數(shù)。研究認(rèn)為,為了得到最佳的強反射層分離效果,參數(shù)設(shè)置過程中應(yīng)給定較小的頻率擾動范圍,且需將子波全部減去(1倍),這為后續(xù)實際資料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在實際資料應(yīng)用中,首先對資料進行詳細(xì)分析,確定強反射同相軸主頻、相位等關(guān)鍵參數(shù)；結(jié)合模型分析結(jié)論,合理設(shè)置頻率擾動范圍和減去參數(shù),以更加有效地進行強反射層分離。華北彬縣—長武區(qū)塊油頁巖強反射的分析研究結(jié)果表明,處理后的數(shù)據(jù)能在平面上較好地指示長8砂體分布范圍,與井資料吻合度較高,實際應(yīng)用效果明顯,證明了該方法的有效性及應(yīng)用前景。

致謝:本研究得到了中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張軍華教授的指導(dǎo)和幫助,在此表示衷心的感謝。

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(編輯：陳杰)

Strong reflection horizons separation based on matching pursuit algorithm and its application

ZHU Bohua,XIANG Xuemei,ZHANG Weihua

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Abstract:Aimed at the weak reflection signals shielded by strong reflections from oil shale,we study separating strong reflection horizons from seismic data based on matching pursuit algorithm,which can weaken the influence caused by strong impedance interface to enhance the effective signals. Firstly,combined with matching pursuit algorithm and strong reflection forming mechanism,we establish the workflow of strong reflection horizon separation. Secondly,by 2D model,we discuss wavelet control parameters selection during the procedure of strong reflection separation in detail,and propose that the energy growth rate can be regarded as the basis for parameter optimization. Studies show that the strong reflection horizon separation can achieve best results when the minor frequency disturbance range from 1Hz to 2Hz and full matching wavelet subtraction from original records. At last,we take the Binxian-Changwu block in North China as the practical work area,select the wavelet control parameters by the analysis of well loggings and seismic responses from target layers as well as the model test results,and separate the strong reflection events from oil shale effectively. Results show that the reservoir weak reflection signal is enhanced effectively after strong reflection horizons separation,and the plane seismic attributes can reflect the channel boundary and sandbody distribution features more objectively with 75% prediction accuracy,obtaining good practical application effect.

Keywords:weak signal,strong reflection from shale,matching pursuit,model test,sandbody identification

文章編號：1000-1441(2016)02-0280-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.014

中圖分類號：P631

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：朱博華(1987—),男,助理工程師,主要從事地震資料解釋工作。

收稿日期：2014-12-19;改回日期：2015-12-22。