強反射背景下不整合圈閉儲層描述方法
——以濟陽坳陷長堤地區(qū)中生界為例

吳笑荷

（ 1中國地質大學（北京）能源學院；2中國石化勝利油田分公司物探研究院 ）

長堤油田位于濟陽坳陷東北部[1]，緊鄰黃河口凹陷，具有良好的油源條件，中生界與上覆古近系呈角度不整合接觸，形成不整合圈閉，發(fā)育不整合油藏，且具有埋深淺、自然產能高的特點，是現(xiàn)實的效益儲量陣地。

地層油藏勘探已經有較為成熟的理論和行之有效的技術[2-7]，對于長堤油田不整合油藏的描述難點在于：中生界廣泛發(fā)育大套致密高速砂巖，但有效儲層僅為不整合面之下20m以內的低速疏松砂巖。高速砂巖與上覆古近系低速泥巖形成連續(xù)低頻強反射Tr同相軸，有效儲層的反射波形被Tr同相軸淹沒，常規(guī)地震資料預測缺乏有效技術手段[8-9]。

針對強反射屏蔽有效信息的問題，多位學者展開了研究，已經明確了強反射背景下地震反射現(xiàn)象的形成機理[10-13]，即不整合點附近，由于地層厚度減薄發(fā)生調諧效應，且在高速層屏蔽、低地震分辨率的共同影響下，使得地震反射能量減弱，反射波形提前終止，形成空白反射。張軍華[9-10]、劉保國[14]等分別利用巖性反演、提高分辨率及多屬性融合等常規(guī)技術描述了強反射屏蔽的砂體展布；秦雪霏[15]等利用多子波分解與重構的方法去除了煤層強反射，提高儲層描述精度；Wang[16]、李海山[11]、李傳輝[17]等利用匹配追蹤算法分離煤層形成的強反射。以上方法應用于長堤地區(qū)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)技術雖然有一定效果，但是描述精度不高；與多子波分解與重構相比，匹配追蹤算法時頻分辨率更高，但是匹配追蹤算法由于搜索原子庫尋找匹配原子方法的不同，計算效率和適用性有待提高。

本文針對以上問題，提出了一種強反射背景下描述不整合圈閉有效儲層的方法。為改進匹配追蹤算法，加入局部頻率約束算子以提高運算穩(wěn)定性和速度；結合實際鉆測資料構建一維和二維模型分別驗證了該方法的可行性，并明確了振幅屬性可以作為預測有效儲層的敏感參數(shù)。在模型試驗的基礎上，分離長堤地區(qū)中生界頂面強反射，得到能夠凸顯有效儲層的地震數(shù)據(jù)體，利用振幅屬性描述了不整合面之下的有效儲層平面展布規(guī)律。

1 基于局部頻率約束的動態(tài)快速匹配追蹤方法

匹配追蹤方法是一種有效的信號稀疏分解方法，目前最常用的是動態(tài)匹配追蹤算法，其參數(shù)搜索方式可以表示為[18]：

式中 γn——小波字典的控制參數(shù)集合；

A(t)——瞬時振幅；

A(t0)——t0時刻瞬時振幅；

φ——瞬時相位；

ω——瞬時頻率；

u0——最大瞬時振幅包絡A(t)對應的時間中心；

U[ω(u0),δω]——以瞬時屬性為中心的頻率搜索鄰域；

U[φ(u0),δφ]——以瞬時屬性為中心的相位搜索鄰域；

δω、δφ——根據(jù)信號時頻特征定義的參數(shù)搜索半徑。

這種算法優(yōu)勢在于搜索頻率范圍時使用動態(tài)局部搜索比全局搜索方式增加了計算速度。采用對瞬時相位求導得到瞬時頻率，然而此方法求得的瞬時頻率不穩(wěn)定，當信號信噪比較低時會出現(xiàn)不切實際的數(shù)值。

本文提出局部頻率替代瞬時頻率，它能快速且系統(tǒng)地處理噪聲強的數(shù)據(jù)甚至是部分缺失的數(shù)據(jù)。用瞬時振幅A（t）和瞬時相位φ（t）來表示復數(shù)道，如下式：

式中 c（t）——地震道的復數(shù)道；

x（t）——地震道；

h（t）——實際地震道x（t）的希爾伯特變換。

由此得到對于瞬時頻率屬性的地震道的數(shù)學表達式為：

從上式可以看出瞬時頻率是瞬時相位的導數(shù)，且瞬時頻率是兩個信號進行相除，寫出瞬時頻率的矩陣表達式，即：

式中 W——瞬時頻率向量；

n——匹配原子數(shù)目；

D——對角矩陣算子。

為了避免出現(xiàn)“除以零”導致計算錯誤的現(xiàn)象，在分母上加一阻尼項ε，成為：

式中 Winst——加阻尼項的瞬時頻率向量；

ε——阻尼項；

I——單位矩陣。

阻尼項ε可以防止瞬時頻率受噪聲和不穩(wěn)定性因素的影響，卻不能使其變得穩(wěn)定。故選取形狀正則化算子，結合整形光滑算子S，進行進一步約束，用迭代反演法進行求解，如下式：

式中 Wloc——加入尺度因子的瞬時頻率向量；

S——整形光滑算子；

λ——尺度因子。

利用迭代反演方法求解時，通過尺度因子λ進行縮放，可以保留原始物理維度，從而有效加快收斂速度。

2 強反射層分離

2.1 強反射分離流程

在地層結構復雜、沉積類型多變的地區(qū)，地震同相軸通常是多個地層或巖性界面的疊加反映[19]。匹配追蹤算法可實現(xiàn)對每個界面子波的匹配識別，將干擾信息進行分離，從而得到有效信息。具體流程如下：

(1）利用測井資料進行合成記錄標定，分析目的層段地震資料時頻特征，確定強反射界面的主頻。

(2）根據(jù)時頻分析特征，提取地震數(shù)據(jù)體子波，構建超完備子波字典。

(3）利用局部頻率約束的匹配追蹤算法搜索子波字典，實現(xiàn)強反射特征原子的匹配拾取，并獲得最終的強反射干擾記錄。

(4）結合實際井區(qū)地質背景，建立模型，分析反射系數(shù)、頻率、相位、尺度因子λ，實現(xiàn)強反射分離。

(5）結合實鉆資料，檢驗分離方法的合理性。

2.2 模型試算

為驗證強反射分離方法的可行性，依據(jù)長堤地區(qū)中生界的實際鉆測資料構建模型進行正演。統(tǒng)計工區(qū)內38口井的速度特征，古近系底部為沙三段泥巖，速度為3300m/s；中生界砂巖速度在4500m/s左右，泥巖速度為3800m/s。以此速度特征為基礎數(shù)據(jù)，首先建立一個不含不整合強反射系數(shù)的一維地質模型（圖1a列），圖中紅框內上部0.1s處的反射系數(shù)代表了一套儲層，正演得到的原始地震記錄（圖1b列）能夠反映該套儲層。在該套儲層處加入強反射系數(shù)，使得該套儲層的反射系數(shù)包含于不整合強反射系數(shù)之中（如圖1c列），由于波阻抗差異較大，在0.1s處出現(xiàn)一個較強的反射系數(shù)（圖1d列），在地震記錄(圖1e列)中出現(xiàn)強反射同相軸，將儲層的反射信息屏蔽。利用局部頻率約束的匹配追蹤算法，匹配出強反射（圖1f列），該強反射分離后得到地震記錄（圖1g列)，其中黑色波形顯示為分離強反射后的地震記錄，紅色為不含強反射系數(shù)模型得到的地震記錄，可以看出兩種地震記錄波形基本吻合。正演結果驗證了該方法對分離不整合地層強反射的有效性與準確性，可以利用該方法得到不整合面附近被屏蔽的有效反射信息。

圖 1 一維模型試算

2.3 尺度因子λ確定

從模型試算中可以看出，在強反射分離過程中，有兩個關鍵點：第一，強反射特征原子的最優(yōu)匹配和快速拾取。運用局部頻率約束的匹配追蹤算法得以解決，該方法快速搜索子波字典，實現(xiàn)強反射特征原子的最優(yōu)匹配拾取，并獲得最終的強反射干擾記錄。第二，為了使分離后的地震數(shù)據(jù)，既不被強反射所屏蔽又能最大限度凸顯有效信息，尺度因子λ的選擇至關重要[20]。尺度因子越大，則分離效果越清楚，但如果完全去除，勢必會同時去除掉部分有效信息。為解決這一問題，繼續(xù)設計模型對尺度因子進行實驗。如圖2所示，a列為構建的模型，有效儲層和強反射位于0.25～0.35s之間，b列為原始地震數(shù)據(jù)，c列為匹配拾取的強反射記錄，d列、e列、f列、g列分別為λ取值為0.2、0.4、0.6、0.8時分離后的地震數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰀、e兩列強反射分離不夠，有效儲層沒有顯現(xiàn)；而g列分離過度，同時去除了有效儲層的信息；只有f列紅色波形（無強反射時波形）與黑色波形（分離后的波形）基本重合，做到了強反射合理分離，故而長堤地區(qū)尺度因子λ選為0.6。

圖2 尺度因子λ實驗

3 儲層描述

為準確描述儲層的平面展布規(guī)律，進行二維模型的試算。依據(jù)工區(qū)實際地質情況建立二維地質模型（圖3a），砂巖厚度小于20m，且砂體之間橫向有變化點、縱向疊置，其上穩(wěn)定發(fā)育高速層。圖3b為理論模型的原始正演地震記錄的波形特征，由于受到高速層的影響，底部砂體的有效反射信息被強反射屏蔽，砂體之間不能分辨。圖3c為強反射匹配識別分離后的結果，在砂體尖滅處波形特征有變化，可分辨砂體期次，但追蹤描述單砂體時砂體邊界依然有多解性，不能完全滿足識別需求。

進一步對多種屬性進行分析，發(fā)現(xiàn)振幅屬性能夠體現(xiàn)砂體之間的變化點。從圖3d可以看出，振幅屬性能夠清楚地表示砂體之間的尖滅點。由圖4可以看出，原始地震資料振幅與砂體厚度沒有相關性（圖4a）；分離強反射之后的振幅與砂體厚度呈良好的正相關關系（圖4b）。因此可以利用振幅類屬性預測被強反射屏蔽的儲層的平面展布規(guī)律。

綜上所述，強反射背景下的不整合圈閉儲層描述流程如圖5所示。

4 應用效果

長堤地區(qū)中生界儲層發(fā)育程度受不同地層巖性和不整合面控制較為明顯，中生界三臺組和蒙陰組儲層較為發(fā)育，巖性多為粗砂巖到細砂巖，并且不整合面附近儲層由于長期遭受風化剝蝕，儲層改造作用明顯。通過已鉆井分析，有效儲層段多集中于緊鄰不整合面之下0～20m之內，孔隙度為10%～15%，滲透率為80～150mD，大于20m相同巖性儲層孔滲性變差，孔隙度只有5%～8%，滲透率僅為20～50mD。經過鉆井統(tǒng)計，不整合面附近疏松儲層速度為3900m/s，而遠離不整合面相同層位中生界速度為4500m/s，有效儲集層段速度明顯降低了600m/s，但是由于該段厚度較薄，經過精細標定可知，在地震資料上不能形成單獨反射，淹沒于中生界高速砂巖之中。實際地震資料頻譜分析表明，目的層段主頻僅為20Hz。若平均速度為4500m/s，則可分辨儲層的厚度為60m，而長堤地區(qū)有效儲層厚度小于20m，故用常規(guī)地震屬性無法進行準確描述[21-23]。

首先利用局部頻率約束的匹配追蹤算法分離強反射，效果明顯。Tr同向軸位于2100ms之上，原始剖面表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定、低頻強振幅，樁213-斜10井在3821～3828m發(fā)育一套有效儲層（圖6c紅框內），標定后位于Tr軸之上（圖6a紅框內），被Tr同相軸所屏蔽，不能識別該套儲層；強反射分離后，從剖面(圖6b)可以看出，Tr反射同相軸成為中弱振幅、時斷時續(xù)，尤其在井點處由于儲層發(fā)育波形有明顯變化，可對該套儲層進行識別描述。

圖 3 二維模型試算

圖4 振幅與砂體厚度關系圖

以分離強反射的地震數(shù)據(jù)體為基礎，沿層包含地震同相軸提取均方根振幅屬性[24]。為對比局部頻率約束算子的算法優(yōu)勢，選取同樣的屬性、開取相同的時窗、應用相同的成圖參數(shù)進行儲層預測（圖7），圖7a是依據(jù)常規(guī)匹配追蹤算法分離強反射后的地震數(shù)據(jù)所做的儲層預測圖，圖7b為加入局部頻率約束算子的匹配追蹤算法分離強反射后的地震數(shù)據(jù)所做的儲層預測圖?？傮w看來，兩張圖都反映了長堤地區(qū)三臺組Ⅳ砂組有效儲層的平面展布規(guī)律，整體呈北西向條帶狀展布，主要發(fā)育在臨近尖滅點處。但是圖7b中有效儲層的邊界刻畫更為清晰，同時也更符合實鉆井況。Ⅳ砂組共有5口直井鉆遇，其中4口井（樁205、樁12、樁205-8、樁205-5）有效儲層厚度在6～21m范圍，樁11井有效儲層不發(fā)育，而圖7a顯示為儲層發(fā)育區(qū)，圖7b更為符合。樁205塊為該層的探明區(qū)塊，而圖7a預測范圍比實鉆范圍明顯減小，圖7b與實際鉆探效果吻合。據(jù)圖7b部署的樁205-平10井在水平段鉆遇有效儲層2層102.2m，即為樁205-5井南部紅色區(qū)域的沿樁205-平10井軌跡的水平寬度，鉆探結果與預測范圍完全吻合，為長堤地區(qū)中生界不整合油藏勘探提供了部署依據(jù)。

圖 5 流程圖

圖6 樁213-斜10井原始剖面與強反射分離剖面對比

5 結論

本文以長堤地區(qū)中生界不整合油藏為例，針對被強反射屏蔽的不整合圈閉有效儲層，形成局部頻率約束的動態(tài)快速匹配追蹤算法分離強反射。構建符合長堤地區(qū)地質特征的模型分析和實際資料處理應用表明：

(1）這一算法能夠快速、穩(wěn)定地對數(shù)據(jù)平滑處理，有效避免常規(guī)匹配追蹤算法可能會出現(xiàn)的瞬時頻率“異常值”。同時，應用該算法處理后的數(shù)據(jù)對于儲層的邊界刻畫更為精確。

圖7 三臺組Ⅳ砂組儲層預測圖

(2）強反射分離時，尺度因子λ的選擇需要反復實驗，保證最大限度地凸顯儲層有效信息，達到強反射波組的合理分離。

(3）強反射分離后的數(shù)據(jù)體能夠識別砂體的變化點，明確砂體的發(fā)育期次。利用振幅類屬性可以預測儲層的平面展布規(guī)律，與實鉆井吻合較好，具有良好的應用前景。但是，要得到準確度更高的有效儲層厚度預測結果，還有待于進一步研究。