小波時頻分析技術(shù)在松遼盆地陸相深水沉積層序地層單元劃分及等時對比中的應(yīng)用

李翔

(中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

劉招君

(吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；吉林省油頁巖與共生能源礦產(chǎn)重點實驗室，吉林 長春 130061)

趙漢卿

(中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

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小波時頻分析技術(shù)在松遼盆地陸相深水沉積層序地層單元劃分及等時對比中的應(yīng)用

李翔

(中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

劉招君

(吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；吉林省油頁巖與共生能源礦產(chǎn)重點實驗室，吉林 長春 130061)

趙漢卿

(中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

由于陸相深水沉積的地層巖性單一、標(biāo)志物少，其層序地層單元的劃分與等時地層對比一直是地層層序研究中的難點。以松遼盆地青山口組(K2q)深水地層為例，應(yīng)用測井曲線小波變換技術(shù)進(jìn)行層序地層單元劃分及等時對比，三至五級層序界面在小波時頻能量圖上特征明顯：三級層序邊界強(qiáng)能量向中間轉(zhuǎn)移；在層序內(nèi)部時頻能量具有從向大尺度轉(zhuǎn)移-向小尺度轉(zhuǎn)移-趨于穩(wěn)定-向大尺度轉(zhuǎn)移的特征，是體系域從低水位-水進(jìn)-高水位-水退的垂向響應(yīng)；其內(nèi)部的每個能量團(tuán)代表五級準(zhǔn)層序，由此實現(xiàn)各級層序單元的劃分，該結(jié)果與利用高精度地球化學(xué)測試手段所劃分的結(jié)果較為一致。從湖盆中心到盆地邊界，小波能量由弱變強(qiáng)，反映了水體能量的橫向變化，由此建立了深水湖盆地層的等時對比，為深水沉積層序地層的劃分與對比提供了一種新手段和新思路。

小波變換；陸相深水地層；層序地層；等時對比

陸相深水沉積由于巖性單一、缺乏標(biāo)志物，地層的劃分與對比一直是其難點。青山口組(K2q)沉積時期是松遼盆地湖盆范圍最大的時期之一，依據(jù)地震終止反射關(guān)系和巖性關(guān)系，K2q可劃分為3個層序、11個體系域，受構(gòu)造沉降、海侵事件和全球缺氧事件影響。青山口組一段(K2q1)沉積時期湖水最深，沉積物以深灰色、黑色泥巖、油頁巖為主，是重要的烴源巖和油頁巖發(fā)育層位；青山口組二、三段(K2q2、K2q3)沉積時期緩慢水退，湖盆中心沉積物仍以泥巖為主，層序單元的劃分較盆地邊緣困難許多。

前人針對深水細(xì)粒沉積地層劃分提出了多種方法[1～4]，如利用生物標(biāo)志化合物、微量元素、稀土元素及黏土礦物等資料進(jìn)行劃分；劉招君等[5]利用地球化學(xué)資料對松遼盆地深水地層的各級層序單元進(jìn)行了劃分，該方法最為精確，但取樣價格昂貴。測井曲線包含豐富的地層旋回特征[6]，利用小波變換技術(shù)將一維測井曲線轉(zhuǎn)換為二維時間(深度)-頻率域，將不同時間域的層序單元分開，通過與地球化學(xué)資料對比發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠較好地反映單一巖性地層的層序單元。

1　小波變換原理

(1)

小波變換就是用該小波函數(shù)簇去逼近測井信號f(t)，得到具有雙參數(shù)的函數(shù)：

(2)

一維測井信號f(t)經(jīng)過小波變換后轉(zhuǎn)換到了二維深度(時間)-頻率域上，既包含深度(時間)信息，又包含了頻率信息，使得測井信號中所包含的不同尺度的地質(zhì)信息更容易體現(xiàn)出來[7]。

1.1小波變換步驟

利用測井曲線進(jìn)行小波變換的步驟一般包括4步：

1)選擇一個基本小波(如Morlet小波)，與測井信號的第一節(jié)進(jìn)行比較，計算小波與第一節(jié)信號的相似程度。

2)移動小波至第二節(jié)測井信號，重復(fù)步驟1)，計算相似程度，直至覆蓋整個信號。

3)隨a變大，伸展小波，重復(fù)步驟1)～2)。

4)對于所有尺度進(jìn)行伸展，重復(fù)步驟1)～3)。

1.2小波變換劃分層序單元的理論基礎(chǔ)

圖1　小波變換劃分層序單元理論示意圖

圖2　3種理想準(zhǔn)層序組疊加模型

沉積地層擁有多周期的地層旋回性[8]，而測井曲線是巖石特征的一種物理表現(xiàn)[9]，深水地層巖性雖然相對單一，但測井曲線可以將巖性中粒度的細(xì)微變化表現(xiàn)出來，因而利用測井曲線的時頻能譜特征可以反映不同級次的地質(zhì)旋回周期[10]，這是利用小波變換技術(shù)劃分地層層序單元的理論基礎(chǔ)(圖1)。

1.3建立理想地層疊加模型

根據(jù)沉積物的供給速率和基準(zhǔn)面變化的大小關(guān)系，可將沉積地層分為加積型、進(jìn)積型和退積型，由此建立了3種準(zhǔn)層序組的理想模型：假定3種準(zhǔn)層序組均為砂泥互層，假定泥巖和砂巖的自然伽馬分別對應(yīng)100API和50API，且砂、泥巖的自然伽馬不變，采樣點為500個(見圖2)。對3種準(zhǔn)層序組的自然伽馬測井信號進(jìn)行小波變換，小波能量圖具有以下特征：加積型準(zhǔn)層序組的時頻能量圖，其能量團(tuán)基本保持不變；退積型準(zhǔn)層序組在時頻能量圖上具有能量團(tuán)向上、向小尺度變?nèi)醯奶卣鳎贿M(jìn)積型準(zhǔn)層序組在時頻能量圖上具有能量團(tuán)向上、向大尺度變強(qiáng)的特征。

三級層序可以劃分為低水位體系域、水進(jìn)體系域、高水位體系域、水退體系域共4種類型[11]，其在縱向上的地層疊加方式分別為加積(進(jìn)積)、退積、加積、進(jìn)積。在陸相地層中，層序內(nèi)頂、底的粒度較粗，水動力最強(qiáng)，故而在大尺度的小波時頻能量圖中，一套層序的頂、底能量較強(qiáng)且向中央聚攏；在層序內(nèi)部，低水位體系域沉積物粒度較粗，水動力較強(qiáng)，在小波時頻能量圖上能量向上、向大尺度變強(qiáng)或相對大尺度保持穩(wěn)定；水進(jìn)體系域沉積物粒度向上變細(xì)，水動力向上變小，在小波時頻能量圖上能量向上、向小尺度變?nèi)?；高水位沉積物粒度較均勻，水動力變化不大，在小波時頻能量圖上能量變化不大；水退體系域沉積物粒度向上變粗，水動力向上變強(qiáng)，在小波時頻能量圖上能量向上、向大尺度變強(qiáng)。

一套三級層序內(nèi)部經(jīng)歷了從低水位-水進(jìn)-高水位-水退的過程，層序內(nèi)部能量團(tuán)垂向上遷移具有向大尺度轉(zhuǎn)移(或在大尺度穩(wěn)定)-向小尺度轉(zhuǎn)移-趨于穩(wěn)定-向大尺度轉(zhuǎn)移的特征；體系域依靠內(nèi)部能量團(tuán)在垂向變化上的疊加反映出來，每一個能量團(tuán)代表了一個準(zhǔn)層序，因此可以利用小波時頻能量圖進(jìn)行各級層序單元的劃分。

2　小波變換技術(shù)的應(yīng)用

2.1單井層序時頻特征分析

利用小波變換技術(shù)對湖盆中部的全井段取心井ZK0833井的自然伽馬曲線進(jìn)行了小波變換，在a=170～256范圍內(nèi)，劃分出3個層序(層序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)；在a=80～170范圍內(nèi)，劃分出11個體系域，與傳統(tǒng)方法劃分結(jié)果對應(yīng)較好。對層序Ⅰ進(jìn)行時頻分析，在a=50～80范圍內(nèi)依據(jù)能量團(tuán)的變化可以進(jìn)行準(zhǔn)層序的識別，其中TST(水進(jìn)體系域)識別出3個準(zhǔn)層序，HST(高水位體系域)識別出8個準(zhǔn)層序，RST(水退體系域)識別出6個準(zhǔn)層序，與精細(xì)地球化學(xué)方法(ZK0833井層序Ⅰ為每米取樣測試)的準(zhǔn)層序劃分結(jié)果對應(yīng)較好。

2.2井間等時地層對比

將研究范圍擴(kuò)大，對松遼盆地東南部的全井段取心井SK1井、NGN01井和NGN02井分別進(jìn)行小波變換，由此建立過SK1井-ZK0833井-NGN02井-NGN01井的小波時頻連井格架(圖3)，可以看出，從盆地中心到盆地邊緣，K2q的時頻能量具有盆地中心低、向盆地邊緣逐漸增強(qiáng)的特征；位于盆地中心的SK1井的3個層序能量均較弱，而ZK0833井在層序Ⅲ的頂部則出現(xiàn)了強(qiáng)能量，NGN02井受構(gòu)造隆升，層序Ⅲ遭受剝蝕，但層序Ⅱ頂部和層序Ⅲ底部均出現(xiàn)了強(qiáng)能量團(tuán)，位于盆地最邊緣的NGN01井，其3個層序內(nèi)部均有強(qiáng)能量，這與湖盆中水動力的強(qiáng)弱變化規(guī)律相一致，由此實現(xiàn)了深水地層的等時對比。

圖3　松遼盆地東南部小波時頻能量地層格架圖

3　結(jié)論

1)對陸相深水沉積的自然伽馬曲線進(jìn)行時頻分析，其層序地層單元劃分及等時對比劃分結(jié)果與高精度地球化學(xué)測試結(jié)果對應(yīng)較好，在時間(深度)域內(nèi)實現(xiàn)了三至五級層序單元的劃分。

2)從盆地中心到盆地邊緣時頻能量由弱變強(qiáng)，也反映了水體能量得變化，這為地層層序單元的劃分與等時對比提供了新的思路和手段，同時也降低了層序劃分的人為主觀性，提高了工作效率。

[1]Mann U，Stein R. Organic facies variations，source rock potential，and sea level changes in Cretaceous black shales of the Quebrada Ocal，Upper Magdalena Valley，Colombia[J]. AAPG Bulletin，1997，81(4)：556～576.

[2]楊玉峰，王占國，張維琴. 松遼盆地湖相泥巖地層有機(jī)碳分布特征及層序分析[J]. 沉積學(xué)報，2003，21(2)：340～344.

[3]田景春，陳高武，張翔，等. 沉積地球化學(xué)在層序地層分析中的應(yīng)用[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，33(1): 30～35.

[4]于文芹，田海芹. 沉積巖中放射性元素的分布規(guī)律及其在層序地層學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1995，19(3)：17～22.

[5]劉招君，孫平昌，賈建亮，等. 陸相深水環(huán)境層序識別標(biāo)志及成因解釋——以松遼盆地青山口組為例[J].地學(xué)前緣，2011，18(4)：171～180.

[6]趙漢卿，劉招君，姚樹青，等.基于測井曲線的小波變換定量層序地層單元劃分[J].世界地質(zhì)，2013，32(2)：372～378.

[7]張瑩，潘保芝，黃布宙，等. 測井資料小波變換在高分辨率層序地層劃分中的應(yīng)用 [J]. 物探化探計算技術(shù)，2008，30(1)：58～62.

[8]Van W J C，Posamentier H W，Mitchum R M J，et al. An overview of the fundamentals of sequence stratigraphy and key definitions[J]. Sea-Level Changes：An Integrated Approach：SEPM，Special Publication，1988，42：39～45.

[9]Wu H，Zhang S，Jiang G，et al. Astrochronology of the Early Turonian-Early Campanian terrestrial succession in the Songliao Basin, northeastern China and its implication for long-period behavior of the Solar System[J]. Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，2013，385：55～70.

[10]楊勇強(qiáng)，邱隆偉，陳世悅，等. 基于小波能量譜系圖及小波曲線的層序地層劃分[J]. 石油地球物理勘探，2011，46(5)：783～789.

[11]劉招君，董清水，王嗣敏，等. 陸相層序地層學(xué)導(dǎo)論與應(yīng)用[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2002：1～87.

[編輯]龔丹

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金項目(40972076)；吉林省科技發(fā)展計劃項目(20110427)。

李翔(1989-)，男，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣勘探及油氣儲運(yùn)方面研究工作，762694943@qq.com。

P631.84

A

1673-1409(2016)29-0024-04

[引著格式]李翔，劉招君，趙漢卿.小波時頻分析技術(shù)在松遼盆地陸相深水沉積層序地層單元劃分及等時對比中的應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(29):24～27.