S變換方法在薄儲層描述中的應(yīng)用*

彭麗娟

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 信息技術(shù)系， 山東 東營 257000)

薄層、薄互層結(jié)構(gòu)是陸相含油氣盆地中普遍發(fā)育的儲層結(jié)構(gòu)類型，往往具有單層厚度薄，橫向變化快，儲層厚度與邊界難描述的特點.受地震分辨率影響，一直以來對薄儲層地震勘探方法應(yīng)用均處于摸索階段.樂安油田草橋地區(qū)第三系沙河街組沙三段主要發(fā)育三角洲前緣席狀砂儲層，即為薄層結(jié)構(gòu)，草25區(qū)塊下第三系地層向南超剝現(xiàn)象嚴(yán)重.東營組、沙一、沙二段地層在草38號井以南完全被剝蝕，只殘留部分下沙三段的地層，第三系與上覆地層的接觸關(guān)系是平行不整合，與下覆地層則為角度不整合.因此，確定地層超覆線和儲層邊界及精確描述砂體是該區(qū)塊進(jìn)一步勘探開發(fā)的重要工作，也對儲層地震描述技術(shù)提出了更高的要求.

生產(chǎn)實踐證明，利用常規(guī)地震描述方法難以解決上述的難題，因此，必須借助某些針對性的技術(shù)方法來挖掘地震資料中隱含的地質(zhì)、油氣信息，提高地震資料分辨能力.目前在這方面已有許多成熟算法，主要有頻譜分解技術(shù)、小波變換及(廣義)S變換等[1]，其中頻譜分解主要是利用頻率信息對儲層進(jìn)行刻畫描述，該方法可在主頻相關(guān)的范圍內(nèi)有效提高地震分辨率，對挖掘三維地震資料中隱含的細(xì)致地質(zhì)信息有十分重要的作用.在常規(guī)一百余種地震屬性當(dāng)中，吸收衰減屬性成為目前檢測地層含油氣有效屬性之一.由于地層對高頻成分吸收衰減快于低頻成分，當(dāng)?shù)貙雍杏蜌鈺r，會引起地震波的衰減，從而實現(xiàn)地層含油氣情況的檢測[2].S變換相對于短時傅里葉和小波變換優(yōu)勢明顯，成為當(dāng)前頻譜分析中常用的算法之一，利用S變換的吸收衰減屬性識別含油氣儲層，具有更高的準(zhǔn)確性，已經(jīng)在草橋油田沙三中亞段3號砂體儲層描述中得到了驗證.

1 S變換原理

S變換是一種繼承性變換，它是短時傅里葉與連續(xù)小波變換相結(jié)合的一種變換形式，也可看成是短時傅里葉變換的特殊形式[3-5]，其計算公式為

(1)

式中：f為頻率；τ為時窗函數(shù)中央點，是在時間軸上高斯窗函數(shù)變化的位置；h(t)為變換函數(shù).S變換可看作是縮放因子與|f|有關(guān)的特定小波基下的小波變換，S變換分析窗口與|f|直接相關(guān).它的優(yōu)點是對計算對象組織頻率可以進(jìn)行自適應(yīng)采樣[6]，因此，計算得到的分頻信號信息比單頻計算結(jié)果更為精確，相對于傅里葉、小波等時頻變換，其優(yōu)勢已被前人多次論證.

2 主要方法

2.1 S變換頻譜分析方法

頻譜分析利用時頻變換將時間域地震數(shù)據(jù)變換到頻率域，通過分頻處理得到一系列單一頻率的地震振幅屬性能量體，可描繪儲層時間厚度的變化[7].而S變換采用線性變換算法，在處理信號的過程中不會出現(xiàn)衍生交叉項問題，也不會放大信號中的噪音部分，因此在處理信號時，克服了干擾信號隨頻率增大而放大的缺點，這就使得所處理的高頻信息對應(yīng)的地質(zhì)意義更加可信.

相對于傅里葉變換、小波變換，S變換算法在頻譜處理分析時，最大程度地保留了時頻域可辨率、可信度及能量保真性.對東營凹陷南坡沙三段主要目的層三維地震剖面(線號CDP741)進(jìn)行小波變換和S變換處理，得到的能量譜結(jié)果如圖1所示，體現(xiàn)出明顯差距.S變換后地震資料刻畫儲層更為細(xì)致、精確，使S變換的分頻結(jié)果在油藏地質(zhì)分析中得到廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用S變換高頻地震信息體來對油藏地層超覆線和儲層邊界進(jìn)行識別.

圖1 單道地震信號局部能量譜Fig.1 Local energy spectrum ofsingle line seismic signal

常規(guī)地震屬性分析技術(shù)受限于地震資料的主頻，提取得到的地質(zhì)信息無法滿足解釋薄層的需要，而頻譜分解技術(shù)可以充分利用豐富的三維地震資料信息，對地下的巖性油氣藏等復(fù)雜地質(zhì)條件具有敏感響應(yīng)，從而實現(xiàn)對油藏地質(zhì)異常體橫向不連續(xù)性改變的刻畫，得到相對于時間域更高的分辨率.頻譜分析針對薄地層的反射，可以在頻率域指示地層厚度，具體原理[8-9]為：首先把時間域三維地震數(shù)據(jù)運用S變換算法轉(zhuǎn)換到頻率域，然后應(yīng)用調(diào)諧振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系研究儲層在橫向上變化的規(guī)律，最后得到的地震分辨率結(jié)果要高于常規(guī)地震主頻對應(yīng)的1/4波長時間域分辨率[10].地震調(diào)諧體通過沿層位建立時間窗，然后利用S變換逐一計算目的層頻率或相位，其中選取頻率值時要遵循目標(biāo)地質(zhì)體的合理尺度.計算結(jié)果賦給層位數(shù)據(jù)的網(wǎng)格點上，再通過平衡處理消除子波重疊效應(yīng)，其實現(xiàn)流程如圖2所示.

圖2 頻譜分析流程圖Fig.2 Flow chart of frequency spectrum analysis

2.2 S變換吸收衰減屬性預(yù)測方法

物質(zhì)對地震波的吸收衰減程度隨密度的不同而改變，流體介質(zhì)的衰減明顯高于固體介質(zhì).當(dāng)油藏儲層具有高孔且填充有油氣水時，會明顯吸收地震的反射波，尤其是對高頻能量的吸收會大大增加.實驗證明，對巖性相同的儲層來說，在高頻能量吸收衰減上，含油氣水的儲層明顯強于不含油氣水的儲層[11]，因此，可以依據(jù)儲層吸收衰減性質(zhì)以及與孔隙度、儲層厚度、油氣水填充度及地震相的關(guān)系對儲層巖性進(jìn)行預(yù)測，并在某些特定情況下可以直接對油氣存在情況進(jìn)行判斷.

2.2.1 吸收衰減

描述吸收衰減的參數(shù)為對數(shù)衰減率δ、品質(zhì)因素Q及吸收系數(shù)α等.其中巖石對彈性波的吸收特點是通過Q表征的，該參數(shù)的含義是地震波能量E在波長λ距離上的相對衰減量，其表達(dá)式[12]為

(2)

式中：1/Q為耗損因子；ΔE/E為能量相對變量；δ為對數(shù)衰減率，代表地震波振幅能量在1個波長λ或周期T上的衰減量.而對數(shù)衰減率δ與吸收系數(shù)α的關(guān)系為

(3)

通過式(3)可以看出，吸收系數(shù)α與頻率f之間的關(guān)系是線性的，表示單位長度上的吸收量.在地震勘探領(lǐng)域，均勻非完全彈性介質(zhì)的吸收衰減表現(xiàn)為：地震波的振幅隨地震波傳播距離的增大呈指數(shù)衰減[5]，具體表達(dá)式為

(4)

式中：Aγ為距離震源γ時的振幅；A0為初始振幅；γ為傳播距離；t為時間.

依據(jù)吸收衰減參數(shù)的應(yīng)用，目前可以表征地震吸收衰減屬性的計算方法主要有斜率法(即衰減梯度因子)、譜比法(通過高頻和低頻面積比計算)以及譜分離法.將振幅譜分離成子波和反射系數(shù)，利用子波估算吸收系數(shù)，其中，吸收衰減梯度是一種對含油氣多少變化比較敏感參數(shù)，對式(4)兩邊取對數(shù)得到

(5)

由此得到對數(shù)振幅隨頻率的衰減梯度為

(6)

式中：f1為目標(biāo)地震體65%總能量的對應(yīng)頻率；f2為目標(biāo)地震體85%總能量的對應(yīng)頻率.在該頻率變化范圍內(nèi)，根據(jù)頻率對應(yīng)的能量值得到目標(biāo)地震體振幅能量的衰減梯度如圖3所示.

圖3 衰減梯度原理示意圖Fig.3 Schematic attenuation gradient principle

當(dāng)頻率增加時地震波的衰減也會隨之增大，吸收系數(shù)與頻率之間為近似線性變化關(guān)系，因此，頻率的吸收具有選擇性，在其他因素不變時，高頻振動具有更快的衰減速度.在分頻段對地層的吸收情況進(jìn)行計算，分別得出高頻和低頻的吸收系數(shù)，從而使高、低頻吸收系數(shù)變化更大，有利于地質(zhì)人員結(jié)合其他地震信息對儲層進(jìn)行含油氣預(yù)測和分析.

2.2.2 S變換高亮體

S變換高亮體是基于S變換算法的高頻衰減屬性體，研究表明，地震波在油氣儲層中傳播時其波動能量會衰減，且高頻能量部分要比低頻能量部分衰減的速度快，最終導(dǎo)致三維地震反射的地震主頻降低.理論研究表明，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诤?、油以及氣等流體的地質(zhì)體中傳播時，其散射和能量衰減幅度比致密地質(zhì)體大.相關(guān)實驗研究表明，當(dāng)流體飽和度大于25%時，含氣與含油所導(dǎo)致的能量衰減差異小于6%，且均明顯差異于含水，因此，對于油水同層的儲層，能量衰減主要由油造成.對于高滲透性巖石來說，孔隙流體存在比較嚴(yán)重的粘滯損失，因此，吸收類屬性可作為預(yù)測含油氣性的一種常用屬性[13].由于吸收衰減作用，含油氣儲層段能量降低了，因此，可以通過提取地震衰減屬性間接地判斷儲層含油可能性.

3 應(yīng)用實例

草橋油田草25位于廣饒潛山凸起北坡，沙三段為繼承性發(fā)育的單斜構(gòu)造，南部地層存在超剝現(xiàn)象，地層尖滅線在草24井～草6井一線，其展布近東西向.沙三段地層構(gòu)造單一，油藏埋藏淺，儲層物性好，單井產(chǎn)能高，是草橋地區(qū)的主力含油層系.該區(qū)塊由于砂體厚度薄，地震資料分辨率不足，導(dǎo)致對儲層邊界位置的識別不清，從而制約了對其進(jìn)行勘探開發(fā)的進(jìn)程.而儲層邊界描述是提高開發(fā)精度，確保增儲上產(chǎn)的有效步驟之一.普通的地震屬性(如均方根振幅等)難以準(zhǔn)確刻畫儲層邊界，本研究應(yīng)用S變換方法對沙三段儲層含油氣性進(jìn)行描述，落實儲層邊界，為該區(qū)滾動勘探提供了借鑒.

根據(jù)該區(qū)沙三段已鉆井砂體對比發(fā)現(xiàn)，沙三中亞段共發(fā)育三套主力含油砂體，自上而下依次為1，2，3號砂體.結(jié)合圖4油藏剖面圖及地震相資料可以判斷，該區(qū)的沙三段沉積相類型主要為三角洲前緣沉積亞相(圖4中單位為m).2號砂體在地震剖面上處于強反射軸之下，無法在常規(guī)剖面上追蹤描述，更難以確定該套砂體的邊界.草25沙三段的上部遇到了兩套砂體，其中上部砂體是含水層，而下部的砂體則是油干層，可用S變換對其描述.

圖4 25井近南北向沙三段油藏剖面圖Fig.4 ES3 interval reservoir section of well 25 in NS-direction

該井區(qū)目標(biāo)層段頻譜帶寬范圍在10～60 Hz，通過鉆井統(tǒng)計可知，對于95%以上的儲層來說，單層厚度小于10 m，砂巖的速度范圍在2 200～2 400 m/s之間.根據(jù)調(diào)諧原理，砂巖儲層的最佳響應(yīng)頻率為35～55 Hz，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，結(jié)合地質(zhì)分析認(rèn)為在草橋地區(qū)40 Hz的數(shù)據(jù)體對席狀砂的反映最為清晰.因此S變換參數(shù)設(shè)置為：低頻10 Hz，高頻60 Hz，時窗750～1 800 ms，主頻40 Hz.圖5為基于小波變換和S變換的40 Hz分頻剖面對比圖，發(fā)現(xiàn)基于S變換的砂體薄層響應(yīng)更為明顯，刻畫的內(nèi)容更為細(xì)膩，對于砂體描述更為準(zhǔn)確.

圖5 小波變化與S變換40 Hz分頻剖面對比Fig.5 Original seismic section and S transformation 40 Hz frequency decomposition section

圖6顯示了不同算法下的能量體形態(tài)，S變換下的40 Hz分頻體可以對頻率域的能量變化進(jìn)行更精確的識別，從而使描述儲層精度大大提高.草25在S吸收衰減屬性圖上位于水下分支河道間，主力含油砂體2號儲層為干層，預(yù)測結(jié)果與地質(zhì)規(guī)律相一致.

圖6 小波變換與S變換能量形態(tài)對比Fig.6 Frequency decompostion sections ofwavelet and S transformation

應(yīng)用基于S變換的分頻體對樂安油田草25塊沙三中亞段三套砂體進(jìn)行了標(biāo)定描述，描述圈閉面積3.5 km2，同樣，應(yīng)用基于S變換的吸收衰減屬性(S高亮體)對草25塊進(jìn)行了儲層含油氣預(yù)測，其與普通地震吸收衰減屬性對比如圖7所示.在普通地震振幅屬性圖上顯示模糊，而在S變換吸收衰減梯度(S高亮體)屬性圖上，刻畫儲層含油性變化明顯，邊界清晰.對比分析草25井，草21井，草122等井的實鉆資料與衰減屬性分布圖發(fā)現(xiàn)該衰減梯度屬性與實鉆井十分吻合.應(yīng)用該儲層預(yù)測結(jié)果與砂體描述綜合部署了滾動探井25-1，該井在2號砂體遇油層2.5 m處電測顯示油侵，目的層恰處在衰減梯度屬性圖有利區(qū)邊部.通過實鉆論證了基于S變換的衰減梯度屬性對儲層烴類檢測的有效性，同時為砂體刻畫提供了一種有效途徑.

4 結(jié) 論

本文以樂安油田草橋地區(qū)草25塊為例進(jìn)行分析，在地震資料處理、儲層預(yù)測方面，S變換充分結(jié)合了短時窗傅里葉變換與小波變換的優(yōu)勢，彌補了二者的缺點，被廣泛應(yīng)用于地震資料二次處理和儲層預(yù)測.對薄儲層邊界精細(xì)識別以及儲層含油性的預(yù)測具有可操作性，并取得了較好的效果.

圖7 地震數(shù)據(jù)與S變換吸收衰減對比圖Fig.7 Absorption attenuation contrast of originalseismic data and S transformation

薄儲層始終是高密度勘探開發(fā)后期需要突破的禁區(qū)，S變換頻譜分析所表現(xiàn)出來的地震資料保幅性、薄儲層的刻畫均優(yōu)于小波變換.該技術(shù)還可以與波阻抗約束反演、AVO屬性分析等油氣檢測技術(shù)一起作為儲層和油氣預(yù)測的重要手段，對于缺少鉆井資料的地區(qū)尤為有效.

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