基于厚度約束的匹配追蹤算法識別石灰?guī)r頂界地層

高妍芳 李 闖 陳 軍 李建海 楊 忠

1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

基于厚度約束的匹配追蹤算法識別石灰?guī)r頂界地層

高妍芳1李 闖1陳 軍1李建海2楊 忠2

1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

高妍芳等.基于厚度約束的匹配追蹤算法識別石灰?guī)r頂界地層.天然氣工業(yè)，2016,36(12): 45-50.

塔里木盆地塔中地區(qū)奧陶紀石灰?guī)r地層與泥巖地層界面有兩種特殊的地質現(xiàn)象：①泥巖沉積期局部發(fā)育石灰?guī)r，與下伏石灰?guī)r沉積形成假連續(xù)沉積；②石灰?guī)r頂不整合面發(fā)育巖溶儲層，儲層波阻抗與上覆泥巖地層相近。因此在地震記錄上可能會出現(xiàn)“穿時”的地震響應特征而掩蓋真實的儲層信息和地層信息。為此，提出了基于厚度約束的匹配追蹤算法，以挖掘出更多、更準確的地震信息去表征所要關注的地質體。首先將原始地震數(shù)據(jù)分解成不同頻率的多個原子；然后以地質目標體厚度所對應的頻率作為約束閾值，剔除分辨率低于地質目標體的低頻原子，從剩余原子中篩選出最能體現(xiàn)地質目標體的原子來做地震重構；最后利用重構地震數(shù)據(jù)完成儲層預測和石灰?guī)r地層分布預測。該方法在R井區(qū)的實際應用中，重構的地震剖面還原了“串珠”頂部的真實位置，結合地震反演后成功識別出泥巖底部局部沉積的石灰?guī)r地層，為地震解釋方案的制定和探井深度設計提供了參考依據(jù)。

塔里木盆地中部 奧陶紀 石灰?guī)r 泥巖 穿時 厚度約束 匹配追蹤 地震重構 地震反演

塔里木盆地塔中北部斜坡帶西部地區(qū)下古生界碳酸鹽巖平均埋深達5 500 m，發(fā)育巖溶型儲層和裂縫型儲層[1-5]。奧陶系自下而上分別為良里塔格組石灰?guī)r和桑塔木組泥巖，為平行不整合接觸[6-8]。過去認為石灰?guī)r與泥巖的接觸面與地層界面具有一致性，即石灰?guī)r頂界就是良里塔格組地層頂界[9]，由于石灰?guī)r、泥巖界面的波阻抗差異大，故石灰?guī)r頂界表現(xiàn)為強地震反射。但近年對地層的研究表明，塔中西部桑塔木組泥巖地層底部在局部地區(qū)也發(fā)育有石灰?guī)r，導致石灰?guī)r頂與地層界面一致性的觀點被打破[10-11]；此外，在部分地區(qū)的石灰?guī)r頂部也發(fā)育有巖溶儲層和裂縫型儲層，而地層信息和儲層信息都被掩蓋在強地震反射中。

針對以上兩種地質現(xiàn)象，在地震信號主頻和帶寬已經(jīng)固定的情況下，嘗試從中挖掘出更多、更準確的信息去表征所要關注的地質體，提出了基于厚度約束的剩余信號匹配追蹤法。首先通過對地震信號的分解和重構去表征碳酸鹽巖頂界的儲層響應，在此基礎上結合地震反演識別出桑塔木組底部的石灰?guī)r地層。應用該技術方法組合在塔中地區(qū)有效地識別出不同類型、不同級別的碳酸鹽巖儲層，并預測了桑塔木組底部石灰?guī)r地層，一定程度上解釋了實際生產(chǎn)中長期被困擾的問題。

1 基于厚度約束匹配追蹤原理

地震能量包含了地層巖性信息、儲層信息、流體信息，當儲層信息或者流體信息很弱的時候，地層巖性信息就占據(jù)主導，此時只有“剝離”主要能量，才能表征我們預期的地質目標。解決問題的關鍵在于確定地質體對應的敏感頻率段。匹配追蹤算法在一定程度上改善了地震分辨率，但面臨的主要問題是算法最優(yōu)時未必效果最優(yōu)，因而需要明確地質目標，使得匹配追蹤算法重構的地震數(shù)據(jù)對期望的地質體是可分辨的。故提出基于厚度約束的剩余地震信號匹配追蹤方法。地震信號的稀疏表達式如下：

式中s(t)表示帶限地震信號；Rs(n)(t)表示匹配后的殘余信號；n表示迭代的原子個數(shù)。原子是通過4個參數(shù)，即tj（延時）、fj（主頻）、aj（相關系數(shù)）和φj（相位）來控制的[12-14]。

假設識別儲層的最小頻率為fmin，給定D={wk，k=1，2，…，k}，用來表示將地震拆分為由若干種巖性、不同厚度的儲層和流體的原子庫，將D分解為D1={wi,i=1, 2, …，i}和D2={wm,m=1, 2, …,m}2個原子庫，D1中每個原子反應特定分辨率的儲層，從中選出若干對地震進行重構，每個原子均滿足fmin≥fi；D2中的原子表示分辨率較低的地震巖性背景，滿足fmin＜fm，且滿足||wk||=1、||wi||=1。將D向量擴展成N維Hilbert空間。對于任意地震信號s(t)，從D1中尋找與其最匹配的原子，而D2中所有的原子疊加作為約束閥值，滿足如下匹配條件：

為了確保地震重構時每次選取的原子都能包含需要被關注的儲層和流體信息，用Rs(i)(t)表示投影值和信號的差值，該差值中必須始終包含被剝離的地層巖性背景信息s'(t)，用R's(i)(t)表示剩余信號殘差，則滿足：

經(jīng)過第一次算法迭代后重構的地震信號可以表示成：

將式（5）帶入式（4）：

顯然原始地震信號s(t)和地層巖性背景信號s'(t)是定值，因此式（6）可以寫為：

選擇的全部n個原子，第n次殘差能量與第n+1次殘差能量滿足關系式：

最終信號被分解為最優(yōu)重構地震信號、迭代殘差噪音與需要剝離的地層巖性信號：

MP算法是通過迭代掃描整個函數(shù)集合的數(shù)學算法，利用地層巖性信號s'(t)作為閥值對MP算法地震原子函數(shù)集合做了約束從而獲得對儲層可分辨的重構地震數(shù)據(jù)，重構所用的地震信號全部為向量D1中的原子[15-16]。

2 模型分析

為了進一步說明改進后的技術效果，設計了相應的地質模型（圖1-b）進行驗證。模型背景為泥巖層，其內的地震波傳播速度設計為4 000 m/s。設計2套石灰?guī)r地層，第1套石灰?guī)r地層厚度為100 m，地震波傳播速度為6 000 m/s，并將其作為標識層；設計泥巖隔層厚度為30 m；第2套石灰?guī)r為巖溶儲層，設計厚度為30 m，聲波傳速度為4 500 m/s。從正演結果（圖1-a）來看，標識層頂界與波峰最大值對應，而第2套石灰?guī)r巖溶儲層的頂界面由于受到標識層底界反射的調諧影響，其地震反射界面與地質模型的界面不一致，具有一定誤差。因此，針對第2套巖溶儲層選取合理的處理時窗，利用本文算法進行地震重構獲得了新地震數(shù)據(jù)體（圖1-c），巖溶儲層頂界的地震波峰最大值與地層界面具有較好的匹配關系，消除了調諧引起的誤差，說明該算法具有較高的可靠性與精確性。

圖1 地質模型正演與地震重構剖面對比圖

圖2 R井區(qū)地層接觸關系示意圖

3 實際地震資料應用

R井區(qū)位于塔里木盆地塔中北部斜坡區(qū)，發(fā)育奧陶系碳酸鹽巖巖溶風化殼儲層（圖2）。地層埋深較大，地震信號主頻相對較低。奧陶系碳酸鹽巖上腹地層桑塔木組，巖性為灰質泥巖，其中局部古構造高部位由于水體能量相對較強，發(fā)育層狀泥質石灰?guī)r。

由于地層地震波傳播速度的差異，在地震剖面上，泥巖與石灰?guī)r接觸面表現(xiàn)為“強波峰”地震反射特征，而該區(qū)石灰?guī)r巖溶儲層的地震響應特征為“串珠”狀。對于在石灰?guī)r頂界發(fā)育的小規(guī)模巖溶儲層，由于調諧效應導致地層橫向變化信息被隱藏在強地震反射波形中。而分布在灰泥巖地層底部的泥質石灰?guī)r與下伏石灰?guī)r地層形成“連續(xù)沉積”的模式，在地震上無法準確識別良里塔格組頂界地層。因此本區(qū)要解決2個問題：①弱地震響應的碳酸鹽巖儲層預測；②速度相近但沉積時期不同的石灰?guī)r地層識別。黑色虛線表示可能從地震剖面上解釋出來的石灰?guī)r頂界，它是“穿時”的（圖2）。

3.1弱地震響應的石灰?guī)r頂界儲層識別

R井區(qū)的地質模型表現(xiàn)為：高速地層的頂部分布有薄的次高速地層，上覆相對低速地層。因此其對應的地震反射界面為強波峰地震響應，地震縱向分辨率低。為了獲得重構地震的剩余地震信號閥值，首先對石灰?guī)r頂部發(fā)育的儲層厚度以及泥巖底部的石灰?guī)r厚度進行了統(tǒng)計分析，得知儲層發(fā)育區(qū)的平均石灰?guī)r厚度為17 m，而鉆井鉆遇的泥巖底部石灰?guī)r平均厚度約為20 m，地震分辨頻率為25 Hz。由于實際地震信號主頻為22 Hz，最終將25 Hz作為篩選原子的閥值，利用Hilbert空間中大于25 Hz的原子參與地震重構，重構后的地震數(shù)據(jù)將提高石灰?guī)r頂界的薄層識別率。地震橫向分辨率一般由地震道間距以及信噪比共同決定，對于某種特定的地質體，在其敏感地震頻段，相對信噪比最高，將非敏感頻段的地震信號作為“噪音”予以剔除，此時橫向的儲層與地層識別率將得到提高。

在與實際地震剖面對比（圖3）中可以看出，石灰?guī)r頂界地震反射的原始特征為連續(xù)強反射，通過剩余信號匹配追蹤方法來重構地震信號后，分辨率明顯提高。以CDP736附近的“串珠”為例，圖3-a中可辨識的“串珠”頂位于強地震反射之下。地震重構后（圖3-b）強地震反射的橫向層狀反射變?yōu)椴贿B續(xù)狀反射， CDP736附近的“串珠”與分解后的塊狀反射組成新的串珠，改變了“串珠”頂部位置。根據(jù)朱仕軍等[17]研究表明，“串珠”頂與巖溶儲層頂界具有對應關系。因此準確識別儲層頂界對設計探井井深具有重要意義。對比平面特征，圖4-a地震屬性表現(xiàn)為片狀，地震重構后橫向分辨率明顯提高，具有多個“串珠”狀地震反射目標。

3.2桑塔木組泥巖底部的石灰?guī)r識別

在重構地震數(shù)據(jù)體基礎上，利用基于褶積模型的井震聯(lián)合反演[17-18]預測桑塔木底部的石灰?guī)r地層分布。模型反演方法是以地震數(shù)據(jù)作為正演目標，利用原始的井數(shù)據(jù)和地震解釋成果建立初始模型，用重構的地震數(shù)據(jù)作為迭代目標，對良里塔格組頂界面進行識別。重構后的地震數(shù)據(jù)發(fā)生改變。因此相鄰地震道原有的橫向連續(xù)性會被打破。原有地震強反射的橫向連續(xù)性會受到桑塔木底部石灰?guī)r沉積地層厚度變化的影響，造成相鄰地震道振幅能量以及相位的差異。正是基于這樣的差異，可以采用基于褶積模型的地震反演來計算石灰?guī)r頂界的強反射系數(shù)，從而獲得真實的巖性界面。從反演對比效果來看，ZH2井與Z1H井在桑塔木組發(fā)育的石灰?guī)r與單井統(tǒng)計厚度吻合較好，Z7井與T6井風化殼巖溶預測結果與單井統(tǒng)計厚度吻合較好（表1）。原始地震反演的巖性界面是沿強反射界面的最大波峰拾取的包絡面（圖5-a），重構地震反演結果后，石灰?guī)r與碎屑巖的巖性界面不再是沿著原來地震拾取最大波峰處[19]，而是在該界面附近漸變和穿越（圖5-b）。通過實鉆結果標定，該界面之上的高阻抗即為泥巖底部的石灰?guī)r沉積。

圖3 剩余地震信號匹配追蹤與原始地震剖面對比圖

圖4 剩余地震信號匹配追蹤與原始地震平面圖對比圖

表1 單井儲層及巖性厚度統(tǒng)計表

圖5 剩余地震信號匹配追蹤反演剖面效果對比圖

4 結論

1）調諧效應石灰?guī)r頂界的強反射界面掩蓋了地層橫向變化的信息，通過厚度約束匹配追蹤法對地震數(shù)據(jù)進行重構，改善了石灰?guī)r頂界的橫向分辨率，還原了“串珠”狀反射完整的形態(tài)，為設計井準確鉆遇儲層頂提供參考信息。

2）基于褶積模型的井震聯(lián)合反演將重構地震數(shù)據(jù)轉化為巖性信息，反演結果顯示巖性界面不再沿最大波峰拾取，而是在該界面附近漸變和穿越，為識別泥巖底部的石灰?guī)r沉積提供參考依據(jù)。

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（修改回稿日期 2016-10-31 編 輯陳 玲）

Carbonate reservoir top boundary layer identification based on thickness-restricted matching pursuit algorithm

Gao Yanfang1, Li Chuang1, Chen Jun1, Li Jianhai1, Yang Zhong2
(1.Northwest Branch of PetroChina Petroleum Exploration & Development Research Institute, Lanzhou Gansu, 730020, China; 2.Chengdu Crystal Petroleum Technology Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.45-50, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

There are two peculiar geological phenomena in the interface between an Ordovician carbonate reservoir and clastic rock strata in the central Tarim Basin: limestone is developed locally in the period of shale deposition presenting paracontinuity with the underlying limestone deposition; karst carbonate reservoirs develop on the unconformity surface of limestone top layers, and the reservoir impedance is similar to that of those overlying shale layers. That's why "diachronism" may occur in the seismic record, which covers the actual reservoir and strata information. For this reason, the residual signal matching pursuit algorithm was proposed based on thickness restriction to explore much more accurate seismic information for the characterization of geological bodies. First, the original seismic data were decomposed into many atoms with different frequencies as the constraint to the thickness of the geological body. Then, the decomposed low-frequency atoms were rejected with their resolution ratio lower than the geological body, while the top-class atoms were screened from the left characterizing the geological body to make seismic signal reconstruction. Finally, the re-obtained seismic data were applied to predict the reservoirs and limestone strata distribution. From the re-constructed seismic profile in the practical application of this method in R well area, the real location of the top of "string beads" was revivified, and in combination with the seismic inversion, the carbonate reservoirs deposited partly at the bottom of mudstones were successfully identified. This method provides evidence for further seismic data interpretation planning and exploratory well depth designing.

The central Tarim Basin; Ordovician; Carbonate; Mudstone; Diachronism; Thickness restriction; Matching pursuit; Seismic signal reconstruction; Seismic inversion

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.006

“十三五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2016ZX05004-003）。

高妍芳，女，1985年生，工程師，碩士；主要從事地震反演方法的研究工作。地址：（730022）甘肅省蘭州市城關區(qū)雁兒灣路525號。電話：（0931）8686128。ORCID: 0000-0001-5375-9270。E-mail: gaoyanf@petrochina.com.cn