深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)方法技術(shù)研究

曹俊興,薛雅娟,田仁飛,舒亞祥

(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610059;2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院,四川成都610059;3.成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院,四川成都610225)

天然氣是我國(guó)緊缺的戰(zhàn)略潔凈能源,2017年我國(guó)天然氣對(duì)外依存度已逾39%。天然氣的增儲(chǔ)上產(chǎn)是國(guó)家潔凈能源戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。近年來(lái)四川盆地川中加里東古隆起安岳氣田等的發(fā)現(xiàn)和油氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明,我國(guó)大陸深層古老碳酸鹽巖地層蘊(yùn)藏有豐富的天然氣資源[2]。但安岳氣田歷經(jīng)近40年的勘探研究才被發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)說(shuō)明,深層碳酸鹽巖地層的天然氣勘探困難,主要原因在于:

1) 埋深大、孔隙度小、孔隙流體密度大等因素使得含氣層和圍巖物性差異小,導(dǎo)致地震響應(yīng)信號(hào)微弱[3];

2) 古老地層經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造后,地層中的油氣發(fā)生多次遷移聚散,油氣分布的地質(zhì)相控作用減弱,斷控、位(置)控作用加強(qiáng)[4-5],因而含氣性檢測(cè)成為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的瓶頸。另一方面,深層油氣勘探中鉆探成本極其高昂,且目前風(fēng)險(xiǎn)鉆探成功率不到40%,迫切需要提高深層儲(chǔ)層含氣性預(yù)測(cè)的成功率。

深部?jī)?chǔ)層埋深大,除了鉆探及依賴于鉆井的測(cè)井探測(cè)之外,地震是我們所能使用的最好的探測(cè)手段?；诘卣鸬膬?chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)通過(guò)計(jì)算所謂的烴指標(biāo)(hydrocarbon indicator,HCI)或直接烴指標(biāo)(direct hydrocarbon indicator,DHI)來(lái)實(shí)現(xiàn)。烴指標(biāo)或直接烴指標(biāo)實(shí)際是一些對(duì)儲(chǔ)層含氣性敏感的巖石物理或地震屬性參數(shù)[6],如vP/vS[7]、AVO特性[8]、低頻陰影[9]等。最早發(fā)現(xiàn)并使用的烴指標(biāo)是“亮點(diǎn)”[10]。這些指標(biāo)的運(yùn)用都有一定的適用條件,既有成功的案例,也有完敗的案例。本文從現(xiàn)有烴指標(biāo)物理內(nèi)涵入手,探討其在深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)中的適用性,然后介紹近年來(lái)為解決深層儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的地震紋分析方法,以期為深層天然氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)實(shí)踐和研究提供參考。

1 常用烴檢測(cè)方法技術(shù)

1.1 亮點(diǎn)分析

亮點(diǎn)是指地震剖面上相對(duì)于背景的強(qiáng)反射。氣層在地震剖面上的亮點(diǎn)特征發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初[10]。亮點(diǎn)技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上得益于自動(dòng)增益技術(shù)的發(fā)明,它使得地震剖面上的反射振幅變化得到了凸顯,使氣層的識(shí)別成功率從12%左右提高到了60%～80%。

亮點(diǎn)反映了含氣砂巖與其蓋層——頁(yè)巖之間存在較大的波阻抗差,其物理機(jī)制是二者的密度和速度等物性差異較大。亮點(diǎn)技術(shù)之所以達(dá)不到百分之百準(zhǔn)確,主要原因是巖性的變化,如砂巖與灰?guī)r、煤層、火山巖等界面,都會(huì)在地震剖面上形成假亮點(diǎn),引起誤判。因此,經(jīng)常和亮點(diǎn)技術(shù)一起使用的還有兩個(gè)判識(shí)標(biāo)志:負(fù)極性、平直的氣水界面。

HAMMOND[10]指出,亮點(diǎn)技術(shù)適用于海洋盆地時(shí)代較新的淺層氣層鑒識(shí),3000m以下以及陸上老地層中的氣層亮點(diǎn)特征并不明顯。在深層和老地層中,氣層在地震剖面上的響應(yīng)可能表現(xiàn)為“平點(diǎn)(flat spots)”或“暗點(diǎn)(dim spots)”[11-12]。研究表明,隨著埋深的增加和地層的變老,“亮點(diǎn)”會(huì)轉(zhuǎn)換為“暗點(diǎn)”(圖1)[13],這進(jìn)一步證明了亮點(diǎn)技術(shù)不大適用于深層氣藏鑒識(shí)。盡管如此,油氣勘探學(xué)家仍會(huì)將計(jì)算的各種烴指標(biāo)表示為某種“高亮體”,以利于直觀地識(shí)別氣層。

1.2 AVO分析

AVO分析的基礎(chǔ)是Zoeppritz方程。Zoeppritz方程有多種表達(dá)方式,如[14]:

(1)

式中:RP、RS分別為反射縱波和(轉(zhuǎn)換)橫波的反射系數(shù);TP、TS分別為透射縱波和(轉(zhuǎn)換)橫波的透射系數(shù);θ1、θ2分別為縱波的入射角、折射角;φ1、φ2分別為轉(zhuǎn)換橫波的反射角、折射角;vP1、vS1、ρ1和vP2、vS2、ρ2分別為界面兩側(cè)縱、橫波速度及介質(zhì)體密度。

公式(1)所示Zoeppritz方程表明,地震勘探得到的反射波反射系數(shù)及振幅是入射角、反射界面兩側(cè)物性參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。在地震勘探中,地震波的入射角和偏移距有對(duì)應(yīng)關(guān)系,因而反射振幅和偏移距相關(guān),這就是AVO分析技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

Zoeppritz方程比較復(fù)雜,直接從該方程出發(fā)分析介質(zhì)參數(shù)變化對(duì)反射波振幅的影響難度大。為此,學(xué)者們通過(guò)引入不同的近似條件得到Zoeppritz方程的近似簡(jiǎn)化方程[14-20]。天然氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中常用的有AKI等給出的弱反射近似公式[17]、SHUEY給出的以泊松比表示的反射系數(shù)近似表達(dá)式[18]和FATTI等以相對(duì)波阻抗表達(dá)的近似表達(dá)式[19]。

圖1 含氣砂巖和頁(yè)巖等波阻抗隨深度與地層年代增加的變化[13](隨著埋深增加和壓實(shí)加強(qiáng),含氣砂巖的地震響應(yīng)會(huì)由亮點(diǎn)經(jīng)極性反轉(zhuǎn)至暗點(diǎn))

從這些近似方程出發(fā),能發(fā)展出多種疊前地震反演方法[20],獲得多種物性參數(shù),如縱橫波速度和密度、泊松比、相對(duì)波阻抗等,并由此發(fā)展出多種烴檢測(cè)方法。

盡管基于AVO分析的儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)方法種類較多[21-23],但其核心要素都是反射系數(shù)(振幅)隨偏移距的變化。對(duì)于頁(yè)巖/含氣砂巖界面的反射,依據(jù)二者相對(duì)波阻抗的變化,振幅隨偏移距的變化(實(shí)際是反射系數(shù)隨入射角的變化)——AVO效應(yīng)可歸納為四種類型(類型Ⅰ～類型Ⅳ)[23-24](圖2)。類型Ⅰ含氣層的波阻抗(Zg)比蓋層的波阻抗大(Zs),類型Ⅲ、類型Ⅳ含氣層的波阻抗比蓋層的波阻抗小,這兩種情況都會(huì)在疊加地震剖面上出現(xiàn)亮點(diǎn),但AVO效應(yīng)不同。類型Ⅰ含氣層的反射振幅強(qiáng)度隨偏移距的增大由強(qiáng)到弱變化,從亮點(diǎn)變到暗點(diǎn);類型Ⅲ和類型Ⅳ含氣層的波阻抗比蓋層大,反射振幅強(qiáng)度隨偏移距的增大表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì),類型Ⅲ是持續(xù)增強(qiáng),而類型Ⅳ是減弱。類型Ⅱ含氣層的波阻抗和蓋層的波阻抗相當(dāng),在疊加剖面上表現(xiàn)為平點(diǎn)或暗點(diǎn),反射振幅強(qiáng)度隨偏移距的增大逐漸增大。因此,AVO分析實(shí)際上提供了一個(gè)區(qū)分氣層亮點(diǎn)和非氣層亮點(diǎn),以及發(fā)現(xiàn)平點(diǎn)氣藏、暗點(diǎn)氣藏的方法。

四類含氣砂巖可以通過(guò)AVO截距P和梯度G交會(huì)圖上的位置來(lái)區(qū)分(圖3)。P和G是中小角度入射情況下(<30°)Zoeppritz方程Shuey近似表達(dá)形式[18](公式(2))的兩個(gè)系數(shù):

圖2 含氣砂巖AVO類型[24]

RP=P+Gsin2θ

(2)

Δσ=σ2-σ1

式中:σ為介質(zhì)的泊松比,其它參量的物理含義同公式(1)。圖3上的趨勢(shì)線是頁(yè)巖/鹵水飽和砂巖界面的反射。頁(yè)巖/含氣砂巖界面反射的P-G交會(huì)點(diǎn)位置在趨勢(shì)線之下。

AVO效應(yīng)的P-G交會(huì)圖實(shí)際上不是通過(guò)公式(2),而是通過(guò)擬合CDP或CRP道集上目標(biāo)層頂面的反射振幅強(qiáng)度得到的。利用P-G交會(huì)圖分析方法能比較簡(jiǎn)便地判斷出含氣砂巖的類型。需要指出的是,不只是Shuey近似公式可以簡(jiǎn)化為截距和梯度的形式,Aki-Richard等近似公式也可以簡(jiǎn)化或轉(zhuǎn)化為梯度和截距的形式,但所表示的巖石物理含義可能有所不同[23]。

圖3 AVO截距(P)-梯度(G)四象限分類圖及四類含氣砂巖在P-G圖上的位置[24]

AVO分析表觀上有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)理基礎(chǔ),實(shí)際上存在諸多假設(shè)條件,而且目前成功的應(yīng)用案例基本上都是埋藏較淺的碎屑巖儲(chǔ)層。對(duì)于深層,特別是深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層,依據(jù)AVO效應(yīng)評(píng)判儲(chǔ)層的含氣性可靠性不高。部分原因在于碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型及其孔隙結(jié)構(gòu)多樣[25],深層條件下地震射線在傳播到目標(biāo)層頂面之前可能已經(jīng)歷了多次偏轉(zhuǎn),使得射線入射角偏離了依據(jù)偏移距估算的入射角,而AVO效應(yīng)是嚴(yán)格依賴于地震射線入射角的。

總體來(lái)講,AVO分析方法數(shù)理基礎(chǔ)嚴(yán)謹(jǐn),識(shí)別埋藏較淺的砂巖儲(chǔ)層含氣性效果較好,同時(shí)能區(qū)分疊后剖面上的真假亮點(diǎn),但對(duì)于深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層的含氣性檢測(cè)基本不適用。

1.3 低頻陰影分析

低頻陰影指地震剖面上含氣層下方出現(xiàn)的低頻分量能量的相對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)象[26]。其本質(zhì)是含氣層對(duì)高頻分量相對(duì)更強(qiáng)的吸收或衰減,物理機(jī)制是含氣層對(duì)不同頻率地震波的差異吸收,這是含氣層的一種彈性波頻散特征。CASTAGNA等[27]和EBROM[28]介紹了地震剖面上含氣砂巖的低頻陰影現(xiàn)象及其在含氣層識(shí)別與檢測(cè)中的應(yīng)用。HE等[29]使用二維粘滯彌散型波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法證明了含氣砂巖的低頻陰影由含氣層對(duì)高頻地震波相對(duì)更強(qiáng)的吸收造成,同時(shí)指出采用低頻陰影分析方法檢測(cè)含氣層的地震數(shù)據(jù)應(yīng)具有較高的信噪比。

基于低頻陰影分析的含氣層檢測(cè)通常采用時(shí)頻分析方法實(shí)現(xiàn)。時(shí)頻分析能獲得信號(hào)頻率成分隨時(shí)間的變化,對(duì)地震記錄進(jìn)行時(shí)頻分析獲得的是地震波頻率成分隨深度的變化,因?yàn)榈卣鹩涗浀臅r(shí)間是深度的映射。時(shí)頻分析的方法較多,地震記錄的時(shí)頻分析方法有短時(shí)傅里葉變換(STFT)、Gabor變換及連續(xù)小波變換(CWT)、Wigner-Ville分布(WVD)、希爾伯特-黃變換(HHT)、S變換和廣義S變換等。由此發(fā)展了多種低頻陰影分析方法。近年來(lái)發(fā)展了基于EMD分解的時(shí)頻分析方法[30-32],實(shí)踐結(jié)果證明該方法在儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)中的應(yīng)用效果較好,適用于深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)。圖4展示了川西地區(qū)埋深在5600m以下的碳酸鹽巖含氣層低頻陰影(紅色橢圓線圈所示的范圍)案例。其中圖4a是用HHT變換獲得的35Hz分頻剖面,紅色橢圓線圈范圍內(nèi)的分頻能量與背景一致,幅值在4000以下;而圖4b所示的25Hz分頻剖面上,紅色橢圓線圈范圍內(nèi)的分頻能量高于背景值,幅值在4000以上,顯示出清晰的低頻陰影[33]。

圖4 深層碳酸鹽巖天然氣儲(chǔ)層的低頻陰影[33]a 35Hz分頻剖面; b 25Hz分頻剖面

地震記錄的時(shí)頻分析采用多種方法的目的是力圖在時(shí)域和頻域同時(shí)獲得更高的分辨率。多種時(shí)頻分析方法并存的局面既說(shuō)明沒(méi)有最佳的方法,也說(shuō)明現(xiàn)有方法還不能很好地滿足生產(chǎn)需求。BARNES[34]認(rèn)為,真正的含氣層低頻陰影很難鑒別,因?yàn)樗子诒粡?qiáng)界面反射所淹沒(méi)。即使能鑒別出低頻陰影,準(zhǔn)確地確定影子的“本體”范圍也是一個(gè)迄今未能很好解決的問(wèn)題。另外,在深層條件下,信噪比較低對(duì)低頻陰影分析結(jié)果也會(huì)造成較大的影響。

總之,在以上三類儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)方法中,亮點(diǎn)和AVO異常反映的是界面響應(yīng),而低頻陰影反映的是儲(chǔ)層的“體”響應(yīng)。對(duì)勘探而言,儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)不只是確定儲(chǔ)層是否含氣,更期望能確定儲(chǔ)層的含氣量,這才是決定儲(chǔ)層是否具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的關(guān)鍵。要確定儲(chǔ)層的含氣量,需要分析的是儲(chǔ)層的“體”響應(yīng),唯有低頻陰影分析方法具有這種可能性。

2 基于地震紋分析的烴檢測(cè)

2.1 地震紋及地震紋分析

地震紋是2010年前后借鑒聲紋(voiceprint)引入的概念,最初稱為地震聲紋[3,35-37]。聲紋對(duì)說(shuō)話人具有標(biāo)識(shí)性[38],基于聲紋特征分析與比對(duì)的說(shuō)話人識(shí)別(Speaker Identification)技術(shù)大約在20世紀(jì)70年代開(kāi)始應(yīng)用于情報(bào)偵聽(tīng)領(lǐng)域,20世紀(jì)末開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于民用身份認(rèn)證系統(tǒng)。地震波與聲波具有內(nèi)在的一致性,理論上可以用聲紋分析方法通過(guò)對(duì)地震波特征的研究識(shí)別地震事件源地質(zhì)體的屬性,如判斷反射層是否含油氣等。我們將借鑒聲紋分析方法分析研究地震屬性的方法稱為地震聲紋分析,簡(jiǎn)稱地震紋分析,并由“voiceprint”一詞衍造出一個(gè)新的英文單詞“seismicprint”,即地震紋。

聲紋分析包含相互關(guān)聯(lián)的兩方面:一是聲音信號(hào)的特征分析(如頻譜分析等),二是聲紋的比對(duì)分析(如說(shuō)話人識(shí)別),前者是后者的基礎(chǔ),后者是前者的應(yīng)用。以聲音信號(hào)特征分析為目標(biāo)的聲紋分析,使用了幾乎所有從經(jīng)典到現(xiàn)代的信號(hào)分析方法,這些方法在地震信號(hào)分析與地震屬性提取中也均有使用。人聽(tīng)音識(shí)人,辨別的是說(shuō)話者的“口音”?！翱谝簟痹诼曇粜盘?hào)記錄上并沒(méi)有確定的顯性特征,而是蘊(yùn)藏在聲音的波紋中。以說(shuō)話人識(shí)別為目標(biāo)的聲紋分析,其核心就是要找出對(duì)說(shuō)話人的“口音”具有良好標(biāo)識(shí)性的特征信號(hào)參數(shù),這樣的參數(shù)稱之為聲紋參數(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的探索,目前發(fā)現(xiàn)能有效標(biāo)識(shí)說(shuō)話人“口音”的聲紋參數(shù)只有Mel倒譜系數(shù)(MFCC)等少數(shù)幾個(gè)參數(shù)[39-40]。

儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的目的是尋找油氣儲(chǔ)集體。油氣賦存在巖石的孔/裂隙中,其體積與質(zhì)量只占儲(chǔ)集層巖石的極小一部分,其地震響應(yīng)非常微弱,只能反映在地震記錄的微細(xì)波紋結(jié)構(gòu)中,與聲音記錄中的“口音”信號(hào)類似,很難直觀地鑒別,也很難采用解析方法計(jì)算或采用數(shù)值方法模擬。基于聲波與地震波的本征一致性推測(cè),借鑒說(shuō)話人“口音”信號(hào)特征的聲紋分析方法,有可能識(shí)別出儲(chǔ)層孔隙流體的“流音”特征。

如同聲紋分析的關(guān)鍵是尋找能穩(wěn)定標(biāo)識(shí)說(shuō)話人“口音”的聲紋參數(shù)一樣,地震紋分析的關(guān)鍵是尋找能穩(wěn)定標(biāo)識(shí)地質(zhì)體屬性(如油氣儲(chǔ)層)的地震紋表征參數(shù)。地震波與聲波的本征一致性決定了倒譜分析、Mel倒譜分析等各種聲紋分析方法可以應(yīng)用于地震記錄進(jìn)行地震紋分析,倒譜系數(shù)、Mel倒譜系數(shù)等聲紋參數(shù)可以引申應(yīng)用于地震紋特征的描述。但是,地震記錄與聲音記錄的客觀差異決定了我們不大可能用表征人的“口音”的聲紋參數(shù)來(lái)直接表征諸如儲(chǔ)層的“流音”。地震信號(hào)與聲音信號(hào)的差別主要體現(xiàn)在重復(fù)性、衰減、頻率等方面。聲音記錄的源是說(shuō)話人,“口音”特征具有重復(fù)性,信號(hào)沒(méi)有隨時(shí)間變化的衰減問(wèn)題,頻率較高;地震記錄的源是地震源信號(hào)的反射(可能還有散射等),是次生源,目標(biāo)層(如含氣層)的影響不具有重復(fù)性,隨記錄時(shí)間的延長(zhǎng),信號(hào)會(huì)快速衰減,信號(hào)的頻率較低。聲紋分析是將聲音記錄劃分成幀(即開(kāi)一個(gè)時(shí)窗,將時(shí)窗內(nèi)的信號(hào)叫作一幀),這樣每一幀都可以看成是平穩(wěn)信號(hào);而油氣勘探的目標(biāo)層在整個(gè)地震記錄上是很小的一段,具有瞬時(shí)性,只有在時(shí)窗取很小的時(shí)候才可以看成是平穩(wěn)信號(hào)。地震記錄與聲音記錄的相似性決定了我們可以借鑒分析聲音記錄的聲紋分析方法分析地震記錄。我們采用聲紋分析方法分析地震雷克子波、油氣儲(chǔ)層模型地震響應(yīng)、以及實(shí)際地震數(shù)據(jù)的線性預(yù)測(cè)系數(shù)(LPC)、倒譜系數(shù)、Mel倒譜系數(shù)(MFCC)、線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)(LPCC)等參數(shù)[41],獲得了如下認(rèn)識(shí):①雷克子波的地震(聲)紋參數(shù)隨子波頻率呈非線性變化;②地震紋參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層參數(shù)變化反應(yīng)靈敏;③初步認(rèn)為1階倒譜系數(shù)低值異常與2階倒譜系數(shù)高值異常的交集可以作為含氣儲(chǔ)層的地震紋判據(jù)。

微課是微視頻課程的縮寫，Mini- Course和90年代美國(guó)北愛(ài)荷華大學(xué)Mc Grew教授所提出的60- Second Course。體現(xiàn)以簡(jiǎn)短和精煉的“微觀”教學(xué)視頻的形式承載和實(shí)施課程教學(xué)的新思路，起初這種教學(xué)理念在國(guó)外教育領(lǐng)域得到認(rèn)可和廣泛推廣，2010年中國(guó)專家首次引入了微觀課程的概念。微課以闡述某個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)或解決某個(gè)實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生的心理和興趣，通過(guò)將微內(nèi)容、微活動(dòng)、微過(guò)程制作成短小的微型教學(xué)視頻作為表現(xiàn)形式，用最短的時(shí)間精講某一知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，將知識(shí)碎片化、情景化和可視化。微課易于使用，便于傳播，學(xué)生可利用各種終端方便學(xué)習(xí)，因此具有多種應(yīng)用模式。

2.2 基于地震紋倒譜特征分析的烴檢測(cè)

基于地震紋分析的烴檢測(cè),關(guān)鍵是要找到能標(biāo)識(shí)含氣儲(chǔ)層的地震紋參數(shù),如同基于聲紋分析的說(shuō)話人識(shí)別關(guān)鍵是找到能標(biāo)識(shí)說(shuō)話人“口音”的聲紋參數(shù)一樣。因此我們系統(tǒng)測(cè)試了聲紋分析領(lǐng)域所使用的說(shuō)話人識(shí)別參數(shù),發(fā)現(xiàn)地震記錄的1、2階倒譜系數(shù)對(duì)含氣儲(chǔ)層有較好的標(biāo)識(shí)性[3,37]。

倒譜變換是一種同態(tài)變換,時(shí)序信號(hào)x(n)的倒譜一般可表示為:

(3)

式中:T為Z變換或離散傅里葉變換。由(3)式求得的第1個(gè)采樣點(diǎn)值為1階倒譜系數(shù),第2個(gè)采樣點(diǎn)值為2階倒譜系數(shù),其余依次類推。

將離散地震信號(hào)記為:

(4)

式中:r(t)表示反射系數(shù);w(t)表示地震子波,一般采用Ricker子波。

將離散地震信號(hào)s(t)表示為卷積序列:

(5)

對(duì)該序列作離散傅里葉變換,將卷積變?yōu)槌朔e,得:

(6)

(7)

k=0,1,…,N-1

對(duì)(7)式作傅里葉逆變換,得到地震信號(hào)的倒譜:

n=0,1,…,N-1

(8)

特別地,如果設(shè)地震子波為

(11)

其中fm為子波主頻,則(9)式將變?yōu)?

(12)

即,第一個(gè)倒譜系數(shù)(1階倒譜系數(shù))為反射系數(shù)的自然對(duì)數(shù)。由于取了絕對(duì)值,反射系數(shù)值越小,倒譜系數(shù)值越大。如當(dāng)r(0)=0.10時(shí),C0=2.3,而當(dāng)r(0)=0.01時(shí),C0=4.6。也就是說(shuō),1階倒譜系數(shù)對(duì)弱反射更靈敏;1階倒譜系數(shù)的高值異常,意味著相對(duì)的弱反射,亦即指示了一個(gè)“暗點(diǎn)”。從(10)式可以看出,2階倒譜系數(shù)是高階對(duì)數(shù)反射系數(shù)和高階子波的復(fù)合函數(shù),反映的是散射波的強(qiáng)度,類似地,低值異常意味著強(qiáng)散射。

圖5展示的是埋深在5500m以下含氣碳酸鹽巖儲(chǔ)層(圖5a)與不含氣碳酸鹽巖儲(chǔ)層(圖5b)地震響應(yīng)的1階與2階倒譜系數(shù)特征?？梢?jiàn)氣井附近地震響應(yīng)的1階倒譜系數(shù)為高值異常特征,2階倒譜系數(shù)為低值異常特征,且二者具有鏡像對(duì)稱關(guān)系;干井附近1階、2階倒譜系數(shù)異常不具有明顯的鏡像對(duì)稱關(guān)系。

圖5 含氣碳酸鹽巖儲(chǔ)層(a)和不含氣碳酸鹽巖儲(chǔ)層(b)地震響應(yīng)1、2階倒譜系數(shù)特征對(duì)比

基于含氣儲(chǔ)層地震響應(yīng)1階倒譜系數(shù)異常與2階倒譜系數(shù)異常呈鏡像對(duì)稱這一事實(shí),引入一個(gè)新的參數(shù)C1-2(定義為1階倒譜系數(shù)與2階倒譜系數(shù)之差),可構(gòu)造出一個(gè)指標(biāo)化的地震紋倒譜特征儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)參數(shù)。研究表明,碳酸鹽巖含氣層(圖5)、碎屑巖含氣層和頁(yè)巖氣層地震響應(yīng)的1階倒譜系數(shù)和2階倒譜系數(shù)均具有鏡像對(duì)稱異常特征,只是閾值有所不同,碳酸鹽巖含氣層的C1-2一般大于4.5,碎屑巖含氣層的C1-2一般大于1.50,而頁(yè)巖氣層的C1-2一般為0.45～1.00。

基于地震紋分析的儲(chǔ)層含氣性檢測(cè)直接從疊后地震數(shù)據(jù)入手提取巖石孔隙流體信息,不顯性地涉及地震響應(yīng)的形成機(jī)制,不存在(數(shù)理)模型的近似問(wèn)題,這是它和基于波動(dòng)方程正、反演模擬的儲(chǔ)層含氣性識(shí)別方法的主要區(qū)別。

3 結(jié)束語(yǔ)

亮點(diǎn)分析、AVO分析等方法用于檢測(cè)淺層碎屑巖儲(chǔ)層的含氣性可靠性高,但在深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層條件下,可靠性很低,基本不適用。低頻陰影分析方法理論上適用于深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層的含氣性檢測(cè),但受地震數(shù)據(jù)信噪比低等因素的影響,評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性也常難以保證。基于倒譜變換的地震紋分析方法因其對(duì)弱反射敏感,能夠發(fā)現(xiàn)“暗點(diǎn)”型氣藏,同時(shí)因其與模型無(wú)關(guān)使得我們能夠克服諸多建模帶來(lái)的弊端,實(shí)現(xiàn)對(duì)深層超深層儲(chǔ)層含氣性更為可靠的檢測(cè)。

對(duì)深層天然氣勘探而言,不僅要確定儲(chǔ)層是否含氣,而且要確定儲(chǔ)層的可采氣量是否達(dá)到了商業(yè)開(kāi)采規(guī)模,亦即計(jì)算出儲(chǔ)層的可采儲(chǔ)量。亮點(diǎn)分析、AVO分析、地震紋分析等就其物理機(jī)制而言,獲得的是儲(chǔ)層頂界面附近一個(gè)薄層的特征信息,而計(jì)算可采儲(chǔ)量需要獲得儲(chǔ)層的“體”特征信息。低頻陰影是一種“體”響應(yīng),本質(zhì)是頻散,如果我們能建立比較精確的儲(chǔ)層氣-固雙相或氣-液-固三相頻散介質(zhì)模型,將其與地震紋分析方法結(jié)合,就能從儲(chǔ)層對(duì)地震波的反射與頻散中確定儲(chǔ)層的含氣性并估算其可采儲(chǔ)量。在當(dāng)前難以建立精確儲(chǔ)層頻散模型的情況下,基于地震數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的方法有望能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。