分頻相干、形態(tài)指數(shù)技術(shù)在沁南東陷落柱解釋中的應用

馮小英，秦 琛，劉慧，郭增強，王一惠，耿立英

(1.華北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘 062552； 2.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 163414)

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分頻相干、形態(tài)指數(shù)技術(shù)在沁南東陷落柱解釋中的應用

馮小英1，秦 琛2，劉慧1，郭增強1，王一惠1，耿立英1

(1.華北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘 062552； 2.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 163414)

煤層氣地層中的陷落柱不利于煤層氣的保存，又易引起井壁垮塌，影響鉆井工程質(zhì)量，尤其是水平井。陷落柱的存在嚴重制約了煤層氣開發(fā)效率，因此準確判斷尤其重要。以沁南東三維區(qū)為例，根據(jù)陷落柱在地震剖面上的特征，優(yōu)選了分頻相干、形態(tài)指數(shù)、方差體等地震屬性，準確地預測了該區(qū)陷落柱的平面分布規(guī)律。與常規(guī)地震剖面圈定的30個直徑100～300m陷落柱相比，應用分頻相干、形態(tài)指數(shù)、方差體等屬性技術(shù)，圈定直徑20～0m的陷落柱達40個，修正了陷落柱的大小及形態(tài)。本區(qū)的精細解釋結(jié)果為井位部署，尤其是水平井位部署提供了技術(shù)保障。在全區(qū)的200口開發(fā)井中，由于避開了陷落柱，使低效井比例由前期的28%降低到10%，有效提高了水平井質(zhì)量及單井日產(chǎn)氣量。

陷落柱、分頻相干、形態(tài)指數(shù)、方差體、沁南東三維區(qū)

0 引言

沁水盆地煤層氣開發(fā)中經(jīng)常遇見陷落柱，尤其是在奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育礦區(qū)。針對煤層氣藏, 陷落柱的存在既會破壞煤層的連續(xù)性, 又可導致相鄰富水地層與煤層連通, 最終影響煤層氣的保存[1]。另外也極易引起井壁垮塌，影響鉆井工程質(zhì)量,嚴重制約了煤層氣開發(fā)的效率。因此,搞清陷落柱的分布規(guī)律, 對于提高煤層氣的開采效率意義重大。相比較常規(guī)的陷落柱探查方法,利用地震屬性綜合分析能對陷落柱等構(gòu)造異常體作更準確的判斷[2-3],而目前瞬時相位、方差體、相干、最大反射強度、瞬時頻率等屬性是解釋陷落柱中常用的幾種屬性[4-6]。以沁南東三維區(qū)(圖1)為例，開展了陷落柱的地震識別技術(shù)應用研究。應用研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的或單一的瞬時相位或方差體等屬性，其解釋結(jié)果并不盡人意，而經(jīng)過目標處理或多方法結(jié)合后，能夠克服各種擾性，避免多解性。

圖1 沁水盆地南部勘探示意圖Figure 1 A schematic diagram of prospectingin southeastern Qinshui Basin

1 陷落柱的地震響應特征

研究陷落柱的地震響應特征，需先了解陷落柱的成因與類型。

1.1 陷落柱的成因與分類

陷落柱是可溶性巖層在地下水強徑流作用下，被溶蝕形成的空洞。隨著空洞的不斷增多、擴大，最終導致上部巖層垮塌陷落而形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造。

典型的煤礦陷落柱按外形分四類[7]：椎體型、筒型、斜塔型、不規(guī)則型；根據(jù)陷落柱的塌陷程度不同，可分為通天柱、半截柱及下伏柱三類；按直徑(d)分大、中、小三類：大(d>300m)、中(150～300m)、 小(d<150m)，高度一般從一百米到數(shù)百米不等。平面上一般表現(xiàn)為：圓形，橢圓形，或者不規(guī)則形。

1.2 陷落柱的地震響應特征

陷落柱的內(nèi)部被各種松散物充填，填充物巖塊雜亂無章，棱角明顯，膠結(jié)程度不一，非均質(zhì)性較強，其外側(cè)的巖層通常裂隙也較發(fā)育。故陷落柱內(nèi)的速度比圍巖的速度要低[8]。 據(jù)此建立了直徑為20、40、60、80m的筒型陷落柱地質(zhì)正演模型[9-10]，使用30Hz主頻的雷克子波，采用簡單直觀的成像射線追蹤法。這種方法射線在地表面開始沿90°方向向下傳播，在相交邊界處按照Snell定律產(chǎn)生繞射，并穿過地下界面?zhèn)鞑?，可以克服煤層的屏蔽作用，得到完整的成像結(jié)果[11]，模擬不同大小陷落柱模型的地震響應特征(圖2)。由圖可見：隨著陷落柱直徑的增大，地震響應特征越來越明顯。直徑20m時，地震反射僅僅變?nèi)?，不易識別；直徑40m時，地震反射表現(xiàn)為向下彎曲；直徑80m時，地震反射明顯中斷、頻率變低、相位會發(fā)生改變。

圖2 不同大小陷落柱模型的地震響應特征Figure 2 Seismic response characteristics of different sizedsubsided column models

在沁南東三維實際地震剖面上，陷落柱的地震響應特征，除了變?nèi)?、向下彎曲、反射中斷，還存在以下特征(圖3)，如常伴有小斷層出現(xiàn)，反射波形、頻率發(fā)生變化， 出現(xiàn)繞射波等異常波等[12]， 這些都是直徑大于百米的陷落柱。直徑小于百米， 甚至小于50m的陷落柱地震響應弱，在地震剖面上肉眼難以識別。

圖3 實際陷落柱的地震反射特征Figure 3 Seismic reflection features of actual subsided columns

2 陷落柱的地震識別技術(shù)

2.1 構(gòu)造導向濾波技術(shù)應用

當陷落柱直徑小于20m時，應用常規(guī)地震屬性技術(shù)的檢測效果不明顯。鑒于此，對地震數(shù)據(jù)體進行目標處理就顯得十分重要，尤其針對噪聲嚴重的地震數(shù)據(jù)。用于去除噪聲、提高信噪比的濾波方法很多[13]，如平均濾波、pc濾波等，但這些濾波方法在提高信噪比的同時，也模糊了橫向不連續(xù)性。

針對這一問題，Hocker等提出了構(gòu)造導向濾波[14]，該算法的關(guān)鍵是在處理過程中增加了地震反射界面傾角、方位角控制及地震反射橫向連續(xù)性的判定功能，從而達到在不減弱橫向信號的情況下增加地震資料的信噪比，實際資料經(jīng)構(gòu)造導向濾波后反射同相軸更加連續(xù)且陷落柱或斷層變得更為清楚。同時構(gòu)造導向濾波后的相干屬性反映微陷落柱或斷層的能力更強，直徑小于10m的微陷落柱或落差5～10m的微斷層在構(gòu)造導向濾波剖面上較容易識別[14]。如圖4中紅箭頭所示，通過對沁南東三維區(qū)地震資料進行處理后，陷落柱邊界或斷點更加清晰,為利用多地震屬性識別陷落柱奠定了基礎。

圖4 處理前(上)后(下)剖面Figure 4 Sections before (above) and after (below) processing

2.2 地震屬性識別陷落柱

2.2.1 分頻相干屬性

分頻相干首先是通過付立葉變換將時間域地震資料轉(zhuǎn)換成頻率域振幅能量體或相位數(shù)據(jù)體, 然后在此基礎上提取不同頻率的相干屬性。利用頻率域信號對某些特定地質(zhì)體地震信息變化規(guī)律反映更敏感的特性, 以表現(xiàn)一些細微的地質(zhì)信息, 從而提高對不連續(xù)性地質(zhì)體，如斷層、陷落柱的解釋精度。

如圖5a為某任意線時間域地震剖面，除中間直徑約200m的陷落柱可以清楚地觀測到，其它小的陷落柱，均不易識別，從該時間域數(shù)據(jù)體所提取的3#煤層時間域相干平面圖上(圖5b),也只能觀測到大的陷落柱。而通過將3#煤層上下各40ms時窗的時間域地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率域數(shù)據(jù)體后，在該任意線頻率域剖面(圖5c)上，在中間約200m直徑大小的陷落柱兩側(cè)的短徑20～80m的幾個小陷落柱可以清楚地看到，從該頻率域數(shù)據(jù)體所提取的沿3#煤層60Hz相干平面圖上(圖5d)，可以清楚地看出若干橢圓、小圓、圓點或不規(guī)則形狀的微小陷落柱。

實例表明分頻相干屬性提取技術(shù)在識別微小陷落柱方面，效果確實優(yōu)于單一常規(guī)的相干屬性提取技術(shù)。

2.2.2 曲率類屬性

曲率屬性與相干屬性類似，大部分目的都是為了描述斷裂構(gòu)造的，陷落柱與圍巖之間也呈現(xiàn)斷點特征。差別是斷層在平面上是線形，而陷落柱呈圈形。因此，研究斷裂分布的曲率方法，同樣適用于陷落柱。

曲率屬性用于描述地質(zhì)體的幾何變化[15]，與地震反射體的彎曲程度相對應，對巖層的彎曲、褶皺和裂縫、斷層等反應敏感，是尋找地層構(gòu)造特征的有效手段。當?shù)貙訛樗綄踊蛐逼綄訒r定義曲率為零，當?shù)貙訛楸承睍r定義曲率為正，向斜時為負。層面彎曲變形越厲害，曲率的絕對值就越大。如果將這些構(gòu)造變形如擾曲、褶皺等的定量結(jié)果與常規(guī)的斷裂圖像結(jié)合起來，就為利用構(gòu)造變形來預測地質(zhì)構(gòu)造分布提供了可能[13]。

由于單一曲率的局限性，采用多尺度曲率屬性的融合可以獲得更加精確的地質(zhì)構(gòu)造信息。形態(tài)指數(shù)就是其中的一種。其公式如圖6上所示，把極小曲率和極大曲率結(jié)合起來可以得到形態(tài)指數(shù)。該曲率能對形態(tài)進行準確定量定義，可描述與地層尺度無關(guān)的局部形態(tài)，換句話說，碗狀物就是碗狀物，無論湯碗大小，正著放置，還是倒置，形態(tài)不變，如圖6所示,穹窿構(gòu)造(背斜)和碗狀構(gòu)造(向斜)的形態(tài)指數(shù)絕對值為1。形態(tài)指數(shù)對特別微小的斷層和線性構(gòu)造等極為敏感，可用于指示小的斷層和陷落柱。

(a)

(b)

(c)

(d)

碗狀構(gòu)造(basin)S=-1 谷狀構(gòu)造(synform)S=-0.5

鞍狀構(gòu)造(saddle)S=0 平面構(gòu)造(plane)S=0

脊狀構(gòu)造(antherm)S=0.5 穹窿構(gòu)造(dome)S=1

K2:maximum positve curvatureK2:maximum positve curvature

圖6 不同地層構(gòu)造對應的形態(tài)指數(shù)示意圖

Figure 6 A schematic diagram of morphology indices corresponding to different strata and structures

通過該屬性在沁南東三維區(qū)3#煤層的實際應用，形態(tài)指數(shù)屬性可以有效的指示陷落柱的位置。如圖7地震剖面顯示出的A、B兩個筒型陷落柱，在形態(tài)指數(shù)曲率平面圖(圖8)上，可以較清晰的識別。筒型陷落柱A在平面上表現(xiàn)為近橢圓形，筒型陷落柱B在平面上則表現(xiàn)為近月牙形。

圖7 沁南東地震剖面上的陷落柱Figure 7 Subsided column on seismic section in southeastern Qinshui Basin

圖8 3#煤形態(tài)指數(shù)曲率屬性平面圖Figure 8 Coal No.3 morphology index curvature attribute plan

2.2.3 方差體屬性

方差體技術(shù)應用較廣，它主要是對所求取的三維數(shù)據(jù)體所有樣點的方差值進行分析研究[4]。根據(jù)陷落柱的地球物理與屬性特征，陷落柱樣點值與周邊樣點值差異明顯，利用方差體屬性也能較好的解釋出陷落柱。圖7中的筒型陷落柱A、B，在3#煤方差屬性平面圖(圖9)中，也清晰可見，只是形狀不如形態(tài)指數(shù)曲率屬性顯示的準確可靠?？梢姺讲铙w屬性僅可做為陷落柱的存在指示。

圖9 3#煤方差屬性平面圖Figure 9 Coal No.3 variance attribute plan

3 應用效果

利用常規(guī)的地震剖面解釋方法，在沁南東三維區(qū)共識別陷落柱30個(圖10紅圈)，直徑在100～300m。陷落柱主要發(fā)育在北東向和近南北向的斷裂帶附近。而應用分頻相干、形態(tài)指數(shù)、方差等屬性，圈定陷落柱約70個，直徑為20～80m(圖10黑圈)。本區(qū)陷落柱的精細解釋結(jié)果，為井位部署尤其是水平井位部署提供了有利的技術(shù)保障。根據(jù)該區(qū)陷落柱的解釋成果，優(yōu)化井位設計，共部署了約200口開發(fā)井，抽采數(shù)據(jù)表明，低效井比例由前期的28%降低到10%，有效提高了生產(chǎn)效率。

圖10 3#煤陷落柱分布前后對比圖Figure 10 Comparison of coal No.3 subsided column distributions before and after processing

4 結(jié)論

①構(gòu)造導向濾波處理可改善地震資料的品質(zhì)，更有助于各種地震屬性技術(shù)在陷落柱識別中應用。利用處理后的數(shù)據(jù)所應用的曲率體屬性中的形態(tài)指數(shù)屬性在刻畫邊界有繞曲的陷落柱方面，效果更奇特，相比方差體屬性，形態(tài)指數(shù)曲率屬性在刻畫頻率、振幅有變化的陷落柱方面效果更好。

②基于組合技術(shù)的分頻相干屬性較常規(guī)的單一相干等技術(shù)，在精細刻畫陷落柱方面效果更顯著。

③每種屬性都有其局限性與多解性，并不是有顯示的地方都是陷落柱，因此只有剖面、平面相結(jié)合，預測與地質(zhì)相結(jié)合，多屬性相結(jié)合，才能去偽存真，優(yōu)選有效屬性刻畫陷落柱的平面分布特征。

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Application of Frequency Division Coherent and Morphology Index Techniques on Subsided Column Interpretation in Southeastern Qinshui Basin

Feng Xiaoying1, Qin Chen2, Liu Hui1, Guo Zengqiang1, Wang Yihui1and Geng Liying1

(1.Geophysical Prospecting and Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu, Hebei 062552; 2.The Second Oil Production Plant, Daqing Oilfield Co. Ltd., Daqing, Heilongjiang 163414)

The subsided column in strata is disadvantageous to CBM accumulation and easy to cause well collapse, impacting drilling quality, especially in horizontal well. It is seriously constraining CBM exploitation efficiency, thus accurate judgment of its existence is particularly important. Taking the 3D seismic prospecting area in southeastern Qinshui Basin as an example, based on subsided column features on seismic section, have optimized seismic attributes of frequency division coherent, morphology index, variance cube, etc., and accurately predicted planar distribution of subsided columns in the area. Comparing with conventional seismic section have delineated 30 subsided columns with diameter 100～300m, while through this technology delineated 40 subsided columns with diameter 20～80m, and corrected their sizes and shapes. The precise interpretation in the area has provided technical support for well location deployment, especially for horizontal wells. Since subsided column avoiding has made proportion of inefficient well lowered down from previous 28% to 10%, thus effectively improved horizontal well quality and single well daily output.

subsided column; frequency division coherent; morphology index; variance cube; southeastern Qinshui Basin 3D seismic prospecting area

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.14

1674-1803(2017)05-0069-06

中國石油重大科技專項“煤層氣地球物理綜合評價技術(shù)研究”(編號：2013E-2202)資助

馮小英(1969—)，女，四川黔江人，1991年畢業(yè)于江漢石油學院勘查地球物理專業(yè)，2013獲長江大學地質(zhì)工程碩士學位，高級工程師，長期從事地震資料綜合解釋及儲層預測。

2016-10-27

文獻標識碼：A

責任編輯：孫常長