基于連續(xù)小波變換目標處理技術(shù)在儲層預測中的應用

尹繼堯,鐘　磊,張吉輝,趙　俊,張　田

(中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000)

基于連續(xù)小波變換目標處理技術(shù)在儲層預測中的應用

尹繼堯,鐘磊,張吉輝,趙俊,張?zhí)?/p>

(中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000)

摘要:隨著油氣藏勘探開發(fā)的不斷深入,預測隱蔽性復雜巖性油氣藏的空間展布規(guī)律變得越來越重要。采用基于傅里葉算法的連續(xù)小波變換信號分解和重構(gòu)技術(shù)，對目的層段進行地震資料解釋性目標處理,以提高儲層預測精度。薄層模型正演模擬和兩個實例應用結(jié)果表明,該方法在保持地震資料信噪比的基礎上能有效提高地震資料中具有地質(zhì)意義的弱信號,突出薄互層內(nèi)部細節(jié),其結(jié)果有利于精細刻畫地層巖性油氣藏的空間展布,提高薄儲層預測精度。

關鍵詞:連續(xù)小波變換;弱信號;目標處理;儲層預測

隨著油氣藏勘探開發(fā)的深入,物探技術(shù)正經(jīng)歷著由構(gòu)造油氣藏勘探到地層、巖性油氣藏勘探和油藏地球物理描述的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變,研究任務也由簡單的構(gòu)造成像轉(zhuǎn)為隱蔽性復雜巖性預測,甚至儲層孔滲特征描述、油藏靜態(tài)描述和動態(tài)監(jiān)測等。相應的解釋需求發(fā)展方向也由疊后走向疊前,從單一走向綜合?？碧胶驮u價開發(fā)的精細化對儲層預測的精度要求越來越高,更需要精細物探技術(shù)的支持和處理解釋的一體化,對地震基礎資料精細程度的要求也在不斷提高。但是由于受檢波器、信號處理、野外采集環(huán)境等因素影響,地震資料主頻通常偏低,一些地層的厚度遠低于當前地震勘探的分辨范圍。因此,如何在現(xiàn)有地震資料基礎上針對目的層進一步提高地震資料品質(zhì),對于更加精確預測儲層的空間展布規(guī)律是一項具有重要意義的工作。目前,常規(guī)目標處理通常需要兼顧淺、中、深層地震剖面的整體效果,往往無法有效突出由于薄互層等影響造成的有用地質(zhì)弱信號,這對后續(xù)地震解釋中的反演和屬性提取等儲層預測工作帶來非常大的影響,因此,必須高精度處理解釋一體化,井震結(jié)合,切實提高目的層的有用地質(zhì)弱信號,提高儲層預測精度。

近年來迅速發(fā)展的小波分析方法是一種具有多分辨功能的時頻分析方法,被譽為數(shù)學顯微鏡,在石油勘探、圖像處理和語音分析等眾多領域都有廣泛應用。路鵬飛等[1]利用能量準則和相似系數(shù)將小波變換與振幅譜補償相結(jié)合,在保持較高信噪比前提下,給出了薄互層高分辨率分析方法。高靜懷等[2]采用定性分析與Monte Carlo仿真相結(jié)合的方法,研究了在物理小波為基本小波的變換域隨機噪聲局部小波功率譜的統(tǒng)計特性,利用假設檢驗給出了在給定置信度下確定有效信號在小波變換域內(nèi)能量分布空間的方法,通過在有效信號能量分布空間重建信號來壓制噪聲。王真理[3]在研究薄互層的儲層預測問題時提出特征分辨率和儲層特征信號的概念,同時利用二進正交小波變換,結(jié)合相似系數(shù)法提高薄互層分辨率。李春峰等[4]根據(jù)小波變換特征提出奇異性指數(shù),能夠準確反映數(shù)據(jù)中奇點位置和奇異性強度,可以作為一種精確刻畫地層邊界的地震屬性。熊曉軍等[5]利用廣義S變換通過提取單頻剖面或單頻曲線方法,研究如何提高地震波主頻。岳文正等[6]根據(jù)小波變換特點提出一種識別儲層流體新方法。羅永健等[7]基于小波變換多分辨率特性和調(diào)焦作用,提出利用小波在薄層地震記錄上檢測結(jié)構(gòu)特性和估算薄層厚度新方法。高靜懷等[8]提出三參數(shù)小波,通過選擇這3個參數(shù),可使其最適合于所給定問題,并通過對三參數(shù)小波的參數(shù)加以約束,獲得新近似解析小波,論證了通過恰當選擇參數(shù),三參數(shù)小波不僅適合于分析包含慢變頻率和振幅分量信號,而且也適合于包含快變分量信號;并以三參數(shù)小波為分析小波,提出了一種用于薄互層的地震資料分析方法。此外,在地震資料去除面波干擾、混合相位子波模擬、噪聲去除及儲層預測方面小波變換也得到了廣泛的應用[9-13]。上述給出的小波分析方法,大部分都是在離散小波變換基礎上進行的信號分析和重構(gòu),無法針對所需要的細節(jié)信號進行任意尺度和任意空間上的操作和分析,也不能精確針對特定頻率段的子波特征增強弱信號。由于調(diào)諧頻率等存在,有用地質(zhì)弱信號往往存在于特定頻率段中,必須進行連續(xù)小波變換的重構(gòu),而由于連續(xù)小波為冗余變換,存在著逆變換的定義非唯一性,不能直接進行逆變換?；谝陨显?本文采用基于傅里葉算法的連續(xù)小波變換進行信號的分解和重構(gòu),達到連續(xù)小波變換逆變換的目的,同時有效結(jié)合目標層段的地震反射特征和地質(zhì)特征,并且井震結(jié)合,有針對性地進行解釋性目標處理,從而提高地震資料的品質(zhì),提高儲層預測精度。

1方法和原理

連續(xù)小波變換(CWT)表達式[14-15]為:

(1)

式中:a為縮放因子(對應于頻率信息);b為平移因子(對應于時空信息);ψ為小波函數(shù)(又叫基本小波或母小波);“*”表示復共軛。

連續(xù)小波變換是一種類似于信號基于頻率的濾波處理,將公式(1)改寫成逆傅里葉變換,得到如下公式[16]:

(2)

逆連續(xù)小波變換通常為雙積分形式(double-integral form),為使之能進行唯一逆變換,需將其變?yōu)閱畏e分形式(single-integral form),逆CWT單積分公式為:

(3)

通過(3)式我們可以依靠增強CWT中包含有用地質(zhì)弱信號的特定尺度信號到原始信號中,突出目的層的有效信息,從而達到提高目的層儲層預測精度的目的。目前有許多小波函數(shù)可供選擇,這些函數(shù)具有不同的時頻特征,根據(jù)研究目的選擇合適的分析小波函數(shù)就顯得非常重要。Morlet小波具有較好頻率分析能力,很多學者在使用小波變換進行相關地震屬性分析時,大都采用Morlet小波函數(shù),因此本文選取該小波函數(shù)進行研究。

基于連續(xù)小波變換解釋性目標處理流程如圖1 所示,具體過程和步驟如下:

1) 對目的層段進行地質(zhì)分析,確定目的層段巖電特征,井震結(jié)合精細標定,特別對含油層段反復確認標定,綜合確定目的層段儲層地震地質(zhì)特征;

2) 對原始地震資料進行全頻段子波分解和重構(gòu),首先對有效頻帶范圍內(nèi)的子波以窗長5Hz,步長10Hz滑動掃描方案進行分解和重構(gòu),把重構(gòu)后的子波段疊加到原始資料中得到多個新數(shù)據(jù)體(按頻寬5～75Hz計算,將會得到14個新數(shù)據(jù)體),對該批新數(shù)據(jù)體再進行新一輪標定、屬性分析、反演等驗證分析,選取標定效果最好、反演和屬性分析結(jié)果最符合區(qū)域基本地質(zhì)認識和儲層特征描述的數(shù)據(jù)體為最終數(shù)據(jù)體,最后再對該數(shù)據(jù)體所對應的子波頻率段以窗長1Hz,步長5Hz進行精細掃描,選取最優(yōu)方案。

圖1　基于連續(xù)小波變換解釋性目標處理流程

經(jīng)過上述步驟處理后的結(jié)果既保留了原始地震資料所有信息,同時又有效突出目的層段儲層地震響應特征,處理結(jié)果為目的層段的地震解釋和儲層預測提供了更好的基礎地震資料。

2正演分析

為檢驗基于傅里葉算法連續(xù)變換解釋性目標處理技術(shù)對提高儲層預測精度的有效性,設計模型如圖2所示,圖中黃色代表砂體,上部為一套厚度10～20m的薄砂層,速度2800m/s,薄砂層上部速度為2400m/s,下部速度為3200m/s,底下為兩套呈疊置關系的高速透鏡砂體,厚度為0～10m,速度為3600m/s,兩者之間距離最小3m,最大6m。利用50Hz Ricker子波合成地震記錄,所得結(jié)果如圖2中的波形所示。從圖2可以看到,由于分辨率較低,使得薄砂層中部出現(xiàn)復波,底下兩套透鏡砂體由于間隔小于λ/4,形成砂泥巖薄互層,使得底下一套透鏡砂體中間部分的頂界面由于受到上層透鏡砂體的強反射及折射影響,反射信息較弱,在原始合成地震記錄上無法單獨對這兩套透鏡體進行精確識別和描述,而薄層單砂體邊界的精細刻畫對于優(yōu)化油田開發(fā)方案和井位部署具有非常重要的作用和意義。

利用基于傅里葉算法連續(xù)小波變換對信號進行子波特征分解和重構(gòu),為比較本文所使用的連續(xù)小波變換結(jié)果和常規(guī)離散小波變換結(jié)果的差異,同時對原始合成地震記錄進行離散小波變換信號重構(gòu),所得結(jié)果如圖3所示。其中,圖3a為原始合成地震記錄,圖3b為基于傅里葉算法連續(xù)小波重構(gòu)后的合成地震信號,圖3c為離散小波變換重構(gòu)后的合成地震信號。對比圖3a,圖3b和圖3c可知,基于傅里葉算法連續(xù)小波變換信號重構(gòu)能夠很好地分解地質(zhì)模型中薄砂層的復波,同時突出了底部薄互層的內(nèi)部細節(jié),底下透鏡砂體頂界面弱反射信息得到有效加強,為砂體展布刻畫和儲層預測提供了更好品質(zhì)的地震資料,且保持了較好的地震信噪比和保幅性;而離散小波變換重構(gòu)后得到的合成地震信號,雖然同樣也能區(qū)分復波和突出相應薄互層內(nèi)部細節(jié),但不能有效控制特定頻率段子波重構(gòu)。因此,在信號重構(gòu)的過程中,如要獲得和連續(xù)小波變換相同分辨率,不可避免地會帶來更多高頻噪聲干擾,使得資料的信噪比降低,且保幅性能也相對較差。分析上述正演結(jié)果可知,本文所使用的基于傅里葉算法連續(xù)小波變換地震信號重構(gòu)能提高目標層段儲層預測精度。

圖2　薄層地質(zhì)模型和合成地震記錄疊合結(jié)果

圖3　不同類型小波變換解釋性目標處理效果對比a 原始合成地震記錄; b 基于傅里葉變換算法連續(xù)小波變換地震記錄重構(gòu)效果; c基于離散小波變換地震記錄重構(gòu)效果

3實際資料分析

3.1金龍井區(qū)實例

準噶爾盆地西北緣金龍井區(qū)二疊系上烏爾禾組與佳木河組為區(qū)域性地層不整合接觸,上烏爾禾組地層自東南向西北逐層超覆沉積于二疊系佳木河組和石炭系地層之上,根據(jù)巖電特征自下而上可分為烏一段、烏二段和烏三段,其中烏一段、烏二段為主要的目的層段。烏一段和烏二段屬于砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的河口砂壩,儲層相對較薄,為巖性構(gòu)造油藏,油水關系較為復雜。該工區(qū)實際三維疊后地震資料目的層為二疊系上烏爾禾組,主頻僅為25Hz,采樣間隔2ms,通過井震結(jié)合,確定了需要分辨的目標層段儲層厚度。根據(jù)前述原理和方法,針對目的層段進行基于連續(xù)小波變換子波特征弱信號增強處理,得到重新處理后的三維數(shù)據(jù)體。圖4為連續(xù)小波變換信號重構(gòu)前、后連井地震剖面。從圖4可以看出:①解釋性目標處理后,地震剖面同相軸連續(xù)性增強,如圖中黑色虛線所示(黑色虛線為百口泉組頂界面),處理后使得該界面橫向更易解釋;②從圖4虛線橢圓中可以看到,很多復波得到分解,薄互層內(nèi)部細節(jié)更加突出,斷點更加清晰;此外,從圖4b頻譜圖上可以看出,基于連續(xù)小波變換解釋性目標處理后,在不改變原始頻率有效頻寬和低頻情況下,提高了資料的主頻。

為進一步評價解釋性目標處理對提高儲層預測精度效果,本文對處理前、后數(shù)據(jù)體在相同井控和反演控制參數(shù)條件下進行稀疏脈沖反演,結(jié)果如圖5所示。圖5中白色、藍色偏泥巖,紅、黃、綠色偏砂巖。圖5剖面中曲線為自然電阻率測井曲線,對比處理前、后反演結(jié)果,可以清楚看到,解釋性目標處理后分辨率得到了明顯的提高,砂體響應關系更好,并且砂體展布更符合地質(zhì)實際。另外,試油結(jié)果表明,位于高部位的X24井為含油水層,而位于低部位的X25井為油水同層,從目標處理后的結(jié)果明顯可以看出,X24井含油水層段屬于單獨一套透鏡砂體(圖中紅色箭頭所示)?？梢?解釋目標處理突出了有效地質(zhì)弱信號,提高了儲層預測精度,對該區(qū)域的油水關系復雜問題進行了有效解釋。本文處理后的數(shù)據(jù)以及相應反演結(jié)果已作為基礎資料用于該研究區(qū)域內(nèi)油藏目標評價工作,為后續(xù)多口評價井的布設和開發(fā)部署方案優(yōu)化提供了重要參考依據(jù)。

圖4　金龍井區(qū)某連續(xù)小波變換信號重構(gòu)前(a)、后(b)的連井地震剖面(左下圖為剖面對應的頻譜分析結(jié)果)

圖5　在相同井控和反演控制參數(shù)條件下數(shù)據(jù)體處理前(a)、后(b)的稀疏脈沖反演結(jié)果

3.2瑪北斜坡區(qū)實例

瑪北斜坡區(qū)主要目的層段為三疊系百口泉組,位于扇三角洲前緣相帶,砂體縱、橫向變化快,疊置特征突出,有利相帶邊界和相對優(yōu)質(zhì)儲層的精細刻畫難度大。三維疊后地震資料采樣間隔2ms,百口泉組主頻僅為30Hz,對該數(shù)據(jù)進行解釋性目標處理,得到連續(xù)小波變換重新處理后的三維數(shù)據(jù)體。圖6為連續(xù)小波變換信號重構(gòu)前、后連井地震剖面。從圖6可以看到:①明顯增強了有用弱信號,目的層百口泉組內(nèi)幕地震反射信息更加豐富,地層接觸關系更加清晰,更易于刻畫砂體疊置特征;②很多復波被分解,薄互層內(nèi)部的細節(jié)更突出;③處理后的地震剖面同相軸連續(xù)性增強。相對于原始疊后資料,處理后的地震數(shù)據(jù)在保持原有波組關系的基礎上獲得了更高的分辨率,復波被分解,地震資料的信噪比也有所保持,處理后的地震數(shù)據(jù)基本上具有振幅相對保持的特點,有利于分辨和解釋薄互層。

圖6　瑪北斜坡區(qū)某連續(xù)小波變換信號重構(gòu)前(a)、后(b)連井地震剖面

為進一步評價處理后地震資料的效果和保真性,對處理前、后兩套數(shù)據(jù)體分別進行單井標定和平面地震相分析比較。圖7為M3井地震資料目標處理前、后的標定結(jié)果。圖7中紅色框內(nèi)為目的層段,可以明顯看到,目標處理后井旁地震道和合成記錄波組關系對應更好,突出了薄互儲層的反射弱信號,表明采用本文方法處理后,在保持信噪比前提下,提高了有用地質(zhì)信號,為精細儲層研究奠定了更高品質(zhì)的資料基礎。此外,通過綜合測井、地質(zhì)分析,該區(qū)域三疊系百口泉組物源主要來自東北方向的夏子街物源(圖8a)。對比圖8a,圖8b和圖8c可知,處理后平均波峰振幅屬性所揭示的地震相和沉積相更加吻合,表明處理后突出的弱信號為具有地質(zhì)意義的有效信號,在此基礎上再進行疊前反演等儲層預測研究,將會更好地提高該區(qū)域的儲層預測精度。

圖7　M3井地震資料目標處理前、后標定結(jié)果

圖8　地震資料目標處理前、后地震屬性對比a 瑪北斜坡區(qū)百口泉組二段沉積體系分布; b 百口泉組二段平均波峰振幅(處理前); c 百口泉組二段平均波峰振幅(處理后)

4結(jié)束語

本文采用基于傅里葉算法連續(xù)小波變換進行信號分解和重構(gòu),達到連續(xù)小波變換逆變換的目的。根據(jù)目標層段地震反射特征和地質(zhì)特征,井震結(jié)合,針對目的層段進行解釋性目標處理,提高了儲層預測精度。分析了正演和離散小波變換結(jié)果,表明本文方法能很好地分解地質(zhì)模型中薄層復波,突出砂泥薄互層內(nèi)部細節(jié),同時能夠較好保持地震信噪比和保幅性能；而離散小波變換處理結(jié)果降低了資料的信噪比。實例分析結(jié)果表明,處理后的數(shù)據(jù)突出了有效地質(zhì)弱信號,為更好地刻畫砂體邊界和提高儲層預測精度打下了堅實的資料基礎。

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(編輯:顧石慶)

Target processing by continuous wavelet transform coefficients applied to reservoir prediction

YIN Jiyao,ZHONG Lei,ZHANG Jihui,ZHAO Jun,ZHANG Tian

(PetroleumExplorationandDevelopmentResearchInstitute,PetroChinaXingjiangOilfieldCompany,Karamay834000,China)

Abstract:As the deepening of hydrocarbon exploration and development,the prediction of the spatial distribution of subtle complex lithologic reservoir becomes more and more important.Therefore,we adopted the signal decomposition and reconstruction technique by continuous wavelet transform based on Fourier algorithm to carry out interpretative target processing for seismic data and to improve the precision of reservoir prediction.The forward modeling and two application cases indicate that the method can effectively strengthen the weak signals with geological meaning while preserve the S/N of seismic data,which highlights the inner details of thin interbedded layers.Moreover,the results are beneficial for the fine characterization on the spatial distribution of stratigraphic and lithologic reservoirs and improve the precision of reservoir prediction.

Keywords:continuous wavelet transform (CWT),weak signal,target processing,reservoir prediction

收稿日期:2015-07-02;改回日期:2015-10-30。

作者簡介:尹繼堯(1981—),男,博士,高級工程師,主要從事地震地質(zhì)綜合研究。

基金項目:中國博士后科學基金項目(2013M542414)資助。

中圖分類號:P631

文獻標識碼:A

文章編號:1000-1441(2016)03-0433-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.03.014

This research is financially supported by China Postdoctoral Science Foundation (Grant No.2013M542414).