基于疊前分頻振幅差異的溶洞識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用

孫振濤

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層是目前研究的熱點(diǎn)之一,碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),縫洞發(fā)育,埋藏深,且受地震資料分辨率限制,儲(chǔ)層定量描述較為困難[1]。隨著勘探開發(fā)程度的深入,碳酸鹽縫洞型儲(chǔ)層的外形、縫洞結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫成為了目前研究一大難點(diǎn),能否準(zhǔn)確刻畫不同尺度縫洞體的空間分布成為制約此類油田開發(fā)的重要因素。

國內(nèi)外學(xué)者針對這一難題做了很多研究,取得了一些進(jìn)展,逐步推動(dòng)了縫洞型儲(chǔ)層的勘探和開發(fā)。胡中平[2]、李凡異等[3]分析了“串珠狀”形成機(jī)理,結(jié)果表明“串珠狀”反射特征是多次繞射成像以后的地震現(xiàn)象,為“串珠狀”反射特征提供了一種解釋機(jī)制。曲壽利等[4]利用數(shù)值模擬和物理模擬的方法,定量分析了碳酸鹽巖孔洞型儲(chǔ)集體的地震響應(yīng)特征,當(dāng)異常體縱向尺度等于調(diào)諧厚度時(shí),反射振幅最強(qiáng),這對孔洞儲(chǔ)集體的預(yù)測和刻畫具有重要意義。魏建新等[5]建立了不同尺度孔洞模型,并采用地震物理模擬技術(shù)對孔洞繞射特征進(jìn)行了詳細(xì)分析,認(rèn)為溶洞繞射能量不僅與溶洞尺度有關(guān),還與溶洞形態(tài)有關(guān),為有效識(shí)別溶洞提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。李凡異等[6-7]對不同尺度、不同填充物的溶洞模型進(jìn)行正演模擬和疊前偏移成像,分析了不同尺度溶洞的地震響應(yīng)特征,認(rèn)為溶洞偏移響應(yīng)的半幅值成像寬度可以有效表征溶洞真實(shí)寬度,且受溶洞填充物性質(zhì)影響較小,為研究“串珠狀”地震反射特征提供了更好的手段,有效降低了溶洞尺度識(shí)別的多解性。針對實(shí)際資料中碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層精確成像的問題,郭念民等[8]利用單點(diǎn)高密度地震勘探技術(shù)開展了研究,該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的效果,為儲(chǔ)層預(yù)測奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。陳明政等[9]針對碳酸鹽巖儲(chǔ)層弱反射的難題,利用繞射波分離成像技術(shù)提高了弱反射異常體的識(shí)別能力,在儲(chǔ)層預(yù)測中得到了良好的應(yīng)用效果。在碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層高精度成像的基礎(chǔ)上,LIU等[10]針對塔里木盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究難點(diǎn),從不連續(xù)性檢測、地震相分類、隨機(jī)反演和巖相分類等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,取得了較好的應(yīng)用效果;LI等[11]針對縫洞儲(chǔ)層信號(hào)弱的問題,采用剩余信號(hào)匹配追蹤技術(shù),對小尺度縫洞儲(chǔ)層進(jìn)行了識(shí)別,有效提高了儲(chǔ)層識(shí)別精度;LI等[12]利用高頻異常對碳酸鹽巖裂縫型儲(chǔ)層開展了識(shí)別和描述,認(rèn)為高頻異常是一種更可靠的含油氣性指示因子;劉春園等[13]利用頻譜分解技術(shù)對碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層進(jìn)行了識(shí)別,取得了初步的成效。

這些研究通過正演模擬較好地分析了溶洞特征,但在具體的溶洞識(shí)別研究方面缺少有效的方法。本文在研究實(shí)際資料疊后分頻與疊前分頻的基礎(chǔ)上,提出了一種基于疊前分頻振幅響應(yīng)差異的多尺度溶洞識(shí)別方法,即通過應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)確定疊前道集的分頻參數(shù),基于分頻CMP道集開展疊前偏移成像,建立不同頻段偏移數(shù)據(jù)的振幅與溶洞尺度的關(guān)系,從而識(shí)別溶洞的大小。

1 疊后分頻與疊前分頻效果對比

常規(guī)全頻帶地震剖面包含了不同尺度溶洞的所有信息,不同頻率的地震數(shù)據(jù)可刻畫的溶洞體尺度不同,利用分頻處理技術(shù)可以有效地描述溶洞的大小、邊界及平面幾何形態(tài)。

常規(guī)分頻技術(shù)主要是針對疊后地震資料進(jìn)行不同頻帶分頻處理,疊后分頻技術(shù)在地震勘探中得到了廣泛的應(yīng)用[13],但該方法也存在較明顯的吉布斯效應(yīng)[14],特別是在高頻段,分頻效果欠佳,不能滿足定量化描述溶洞尺度的要求。與疊后分頻不同,疊前分頻成像在全頻帶CMP道集上先進(jìn)行不同頻帶分頻處理,得到不同頻段的CMP道集數(shù)據(jù),然后分別對不同頻段的CMP道集進(jìn)行疊前偏移成像,最終得到與CMP道集分頻數(shù)據(jù)對應(yīng)的不同頻帶的偏移數(shù)據(jù)體。

對比疊后分頻與疊前分頻剖面可知(圖1),疊后分頻剖面常出現(xiàn)一些“信號(hào)震蕩”現(xiàn)象,主頻在30Hz以下時(shí)(圖1a,圖1b),疊后分頻與疊前分頻的效果差異不是很大,當(dāng)主頻超過30Hz時(shí),“信號(hào)震蕩”現(xiàn)象表現(xiàn)尤為嚴(yán)重(圖1c,圖1d),出現(xiàn)“串珠”明顯拉長、變形以及振幅能量明顯失真等現(xiàn)象,不利于溶洞體的定量識(shí)別;疊前分頻剖面具有“寬頻”的特征,低頻信息豐富,剖面的波組特征活躍,特別表現(xiàn)為:在30Hz以上高頻端,數(shù)據(jù)體的“串珠”能量突出、串珠形態(tài)較好保持,解決了疊后分頻高頻端的“信號(hào)震蕩”問題,信息更豐富。因此,疊前分頻數(shù)據(jù)更有利于溶洞體的定量識(shí)別。

圖1 分頻數(shù)據(jù)體剖面對比(上為疊后分頻,下為疊前分頻)a 8～20Hz剖面; b 21～30Hz剖面; c 31～41Hz剖面; d 42～100Hz剖面

2 時(shí)頻分析確定分頻參數(shù)

在常規(guī)分頻處理中,一般通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定分頻參數(shù),缺乏依據(jù)且可靠性不足,而分頻數(shù)據(jù)體與溶洞大小的識(shí)別具有對應(yīng)關(guān)系,因此,合理地設(shè)定分頻參數(shù)對于溶洞尺度的定量描述非常重要。本文應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)來確定分頻參數(shù),針對不同尺度的溶洞進(jìn)行時(shí)頻特征分析,確定不同尺度溶洞的頻率特征,從而得到準(zhǔn)確的分頻參數(shù)。

利用地震串珠特征、鉆錄井信息和產(chǎn)能等數(shù)據(jù),選取4口典型井(小尺度溶洞A井、中小尺度溶洞B井、中大尺度溶洞C井和大尺度溶洞D井)進(jìn)行時(shí)頻特征分析[15-17],提取溶洞處時(shí)頻分析曲線并疊合顯示,結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型井時(shí)頻分析曲線(頻率域)

由圖2可知,不同尺度的溶洞對應(yīng)不同的頻譜特征,具有明顯的頻帶分區(qū)特征,小尺度溶洞(A井位置)對應(yīng)的特征頻率較高,而大尺度溶洞(D井位置)對應(yīng)的特征頻率較低。由此,確定4組分頻參數(shù)(8～20,21～30,31～41,42～100Hz)用于后續(xù)分頻處理,分別代表大洞、中大洞、中小洞和小洞。依據(jù)這4個(gè)頻率段對CMP道集進(jìn)行分頻處理,再對分頻后CMP道集進(jìn)行克希霍夫疊前偏移成像,最終得到與CMP道集分頻數(shù)據(jù)相對應(yīng)的多套疊前分頻數(shù)據(jù)體。

抽取過井A-C-B-D分頻數(shù)據(jù)體地震剖面如圖3所示,可以看出,疊前分頻數(shù)據(jù)能很好地反映不同尺度溶洞的信息,溶洞大小與數(shù)據(jù)頻率特征有很好的相關(guān)性,即低頻剖面上大尺度溶洞(D井位置)地震響應(yīng)特征較為明顯,而相應(yīng)的中小尺度溶洞地震響應(yīng)特征較弱;在高頻剖面上,小尺度溶洞(A井位置)地震響應(yīng)特征明顯增強(qiáng),相對而言,大尺度溶洞地震響應(yīng)特征減弱。

圖3 不同分頻數(shù)據(jù)體地震剖面對比a 全頻帶數(shù)據(jù); b 8～20Hz分頻數(shù)據(jù); c 21～30Hz分頻數(shù)據(jù); d 31～41Hz分頻數(shù)據(jù); e 42～100Hz分頻數(shù)據(jù)

3 基于分頻振幅差異的多尺度溶洞識(shí)別

基于全頻帶偏移數(shù)據(jù)和4套疊前分頻數(shù)據(jù)體,針對4口典型井(A,B,C和D井)進(jìn)行振幅差異對比分析。提取串珠處均方根振幅屬性,結(jié)果如圖4 所示。統(tǒng)計(jì)井點(diǎn)處均方根振幅(表1),建立均方根振幅與溶洞尺度之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)行多尺度溶洞識(shí)別。

從表1全頻帶地震數(shù)據(jù)體振幅屬性可知,溶洞尺度與均方根振幅值的關(guān)系比較明顯,即溶洞尺度越大,振幅響應(yīng)越強(qiáng),但這種振幅的絕對差異沒有特定規(guī)律,難以對溶洞尺度進(jìn)行定量研究,所以需對分頻數(shù)據(jù)體振幅屬性進(jìn)行分析。

圖4 過井剖面及井點(diǎn)處均方根振幅屬性a 過井剖面; b 全頻帶數(shù)據(jù); c 8～20Hz分頻數(shù)據(jù); d 21～30Hz分頻數(shù)據(jù); e 31～41Hz分頻數(shù)據(jù); f 42～100Hz分頻數(shù)據(jù)

表1 不同頻率段井點(diǎn)處均方根振幅統(tǒng)計(jì)

利用分頻數(shù)據(jù)振幅屬性,繪制井點(diǎn)處振幅與分頻參數(shù)的關(guān)系曲線,如圖5所示。對于小尺度溶洞A井(串珠小、能量弱)而言,其均方根振幅比大尺度溶洞均方根振幅值低,與全頻帶數(shù)據(jù)的特征一致。由分頻數(shù)據(jù)體振幅屬性(圖5)可以看出,A井在高頻段(42～100Hz)數(shù)據(jù)體上振幅最強(qiáng),即在該頻段最接近于振幅調(diào)諧;中小尺度溶洞B井在中高頻段(31～41Hz)數(shù)據(jù)體上振幅最強(qiáng),中大尺度溶洞C井在中低頻段(21～30Hz)數(shù)據(jù)體上振幅最強(qiáng),大尺度溶洞D井在低頻段(8～20Hz)數(shù)據(jù)體上振幅最強(qiáng)。高頻數(shù)據(jù)體有利于檢測小尺度溶洞[4],低頻數(shù)據(jù)體有利于檢測大尺度溶洞,不同頻帶的數(shù)據(jù)對不同尺度的溶洞產(chǎn)生調(diào)諧。

圖5 井點(diǎn)處均方根振幅與分頻參數(shù)關(guān)系曲線

4 應(yīng)用實(shí)例

在塔河油田奧陶系碳酸鹽巖的溶洞識(shí)別與描述中,根據(jù)該區(qū)目的層段地震資料主頻為30Hz左右的情況,采用上述4組分頻參數(shù)(8～20,21～30,31～41,42～100Hz,分別代表大洞、中大洞、中小洞和小洞)對疊前道集進(jìn)行了分頻處理,對這4組分頻道集數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了疊前時(shí)間偏移成像,應(yīng)用基于疊前分頻振幅響應(yīng)差異的分析技術(shù)對該區(qū)不同尺度的溶洞進(jìn)行了刻畫,取得了很好的效果。

不同尺度溶洞刻畫的平面疊合結(jié)果如圖6a所示,清晰地展現(xiàn)了平面上不同尺度溶洞的分布規(guī)律。塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層速度一般為3600～4000m/s,依據(jù)地震調(diào)諧原理,可以半定量估算溶洞尺度,8～20Hz頻段數(shù)據(jù)對應(yīng)溶洞尺度為50m以上,為大尺度溶洞;21～30Hz頻段數(shù)據(jù)對應(yīng)溶洞尺度為36m左右,為中大尺度溶洞;31～41Hz頻段數(shù)據(jù)對應(yīng)溶洞尺度為25m左右,為中小尺度溶洞;42～100Hz頻段數(shù)據(jù)對應(yīng)溶洞尺度為20m以下,為小尺度溶洞。通過28口井的累產(chǎn)油分析(溶洞的大小與累產(chǎn)油量有一定的對應(yīng)關(guān)系),與預(yù)測結(jié)果相一致的有22口,吻合率達(dá)78.6%。

圖6b展示了不同尺度溶洞與斷裂屬性疊合的結(jié)果(灰色背景為斷裂屬性),可見,溶洞的尺度與斷裂也有一定的相關(guān)性。大尺度溶洞發(fā)育在NNE向主干斷裂和NW向斷裂附近,而中小型溶洞則發(fā)育在次級(jí)斷裂帶附近,離主干斷裂相對較遠(yuǎn),與地質(zhì)認(rèn)識(shí)相吻合。該方法能區(qū)分溶洞的大小,在制定開發(fā)方案和井位部署時(shí),優(yōu)先考慮大尺度溶洞,其次是中尺度溶洞,小尺度溶洞可作為后續(xù)批次的上鉆目標(biāo),進(jìn)一步挖掘油氣潛力并提高效益,具有實(shí)際意義。

圖6 多尺度溶洞識(shí)別平面展示a 溶洞分布平面展示; b 溶洞與斷裂疊合結(jié)果

5 結(jié)論

針對碳酸鹽巖溶洞大小識(shí)別的難題,開展了基于疊前分頻振幅響應(yīng)差異的溶洞識(shí)別方法研究。經(jīng)過疊前分頻成像、時(shí)頻分析和分頻振幅響應(yīng)差異分析等,實(shí)現(xiàn)對溶洞尺度的有效識(shí)別,應(yīng)用該方法在塔河油田對不同尺度的溶洞進(jìn)行了刻畫。主要結(jié)論如下:

1) 疊前分頻剖面的波組特征活躍,高頻端數(shù)據(jù)的串珠形態(tài)保持較好,解決了疊后分頻高頻端“信號(hào)震蕩”的現(xiàn)象,資料更可靠,因此,在識(shí)別多尺度溶洞時(shí),疊前分頻比疊后分頻更具優(yōu)勢;

2) 應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)確定分頻參數(shù),對“串珠狀”反射時(shí)頻特征進(jìn)行研究,分析不同尺度溶洞的時(shí)頻特征,建立特征頻率與溶洞尺度的關(guān)系,確定合理的分頻參數(shù);

3) 形成了基于疊前分頻振幅響應(yīng)差異的多尺度溶洞識(shí)別方法,在實(shí)際資料應(yīng)用中取得了較好的效果,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

目前,本文方法只針對溶洞尺度開展了研究,并未涉及溶洞填充、含流體性等其它因素的影響,后期研究將結(jié)合其它儲(chǔ)層預(yù)測方法進(jìn)行綜合預(yù)測分析,排除多解性,將儲(chǔ)層預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

致謝:在本文的完成過程中,朱博華、楊江峰、呂秋玲等同事給予了幫助,在此表示感謝！

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