一種基于地震約束的井控匹配追蹤煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)

何 峰 翁 斌 韓 剛 丁繼才 田永曉

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東青島 266580)

國內(nèi)外對(duì)煤層地震反射的研究相當(dāng)多，但絕大多數(shù)是以煤層對(duì)下部能量的屏蔽為主，通過減弱煤層強(qiáng)反射而突出目的層弱反射為目的，使用方法主要是子波分解與重構(gòu)[1-2],其次是匹配追蹤分離[3-5]、時(shí)頻分解[6]、廣義S 變換[7-8]和反Q 濾波[9-10]等，研究地區(qū)主要是鄂爾多斯大牛地氣田、蘇里格氣田及準(zhǔn)噶爾盆地陸梁油田。

臨興-神府區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣，近幾年隨著勘探的深入，發(fā)現(xiàn)了多層致密砂巖氣，產(chǎn)氣層位縱向分布多，從石炭系本溪組到二疊系太原組、山西組、石盒子組及石千峰組均有分布[11]，其中太原組二段(即太2段)測試產(chǎn)量較高，是該區(qū)主力勘探層系。但是，太2段上下均有煤層發(fā)育，煤層在地震剖面上表現(xiàn)為低頻、連續(xù)、強(qiáng)反射的特點(diǎn)，屏蔽了含氣砂體的反射特征，利用常規(guī)地震儲(chǔ)層預(yù)測方法難以識(shí)別。

研究表明，使用匹配追蹤算法去除煤層強(qiáng)反射是一種較常用的方法，在單一煤層且厚度變化不大的情況下是比較準(zhǔn)確的，通常是以理論子波作為初始子波進(jìn)行追蹤匹配；然而，研究區(qū)發(fā)育多套煤層，波形不規(guī)則，使用測井?dāng)?shù)據(jù)和井旁地震道分析得到適合于當(dāng)前區(qū)塊的初始匹配子波更為合理,因此本文提出基于地震約束的井控匹配追蹤煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)。本文首先介紹了匹配追蹤基本原理及煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)流程，然后通過理論模型、合成記錄及實(shí)際地震剖面對(duì)本文方法進(jìn)行了效果驗(yàn)證。

1 方法原理

1.1 匹配追蹤基本原理

匹配追蹤算法是在一個(gè)完備的小波庫中自適應(yīng)地選擇一系列小波來表示信號(hào)的一個(gè)計(jì)算過程，該小波庫中的每個(gè)小波都被稱為原子，所以該小波庫也被稱為時(shí)頻原子庫。匹配追蹤算法的基本思想是將待處理的信號(hào)投影到原子庫中的不同原子上，把原始信號(hào)最后表示為一系列原子的線性組合；當(dāng)原子庫是過完備的時(shí)候，可以利用這一系列原子精確地表示出原始信號(hào)[12-13]。匹配追蹤方法本質(zhì)上是對(duì)原始信號(hào)的稀疏分解[14-15]，其基本原理是通過分析一系列簡單信號(hào)的時(shí)頻特征來獲取處理信號(hào)的時(shí)頻特征，或者通過分解原始信號(hào)去除噪音等干擾信號(hào)，然后把分解出的原子線性求和(圖1)，得到重構(gòu)信號(hào)。

圖1 匹配追蹤分解示意圖Fig.1 Matching pursuit decomposition diagram

信號(hào)稀疏分解的思想是Mallat和Zhang在1993年首次提出的[16]，其基本思想是把一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)在一個(gè)過完備的原子庫中根據(jù)信號(hào)自身特點(diǎn)自適應(yīng)地展開，最后通過分解得到一個(gè)簡潔的表達(dá)式。

匹配追蹤是通過在完備原子庫中求取信號(hào)與原子的內(nèi)積最大值來尋找最優(yōu)時(shí)頻原子，并通過反復(fù)迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的分解。設(shè)H為Hilbert空間，定義一個(gè)原子庫D=(gγ)γ∈Γ在H中，并且滿足‖gγ‖=1。

設(shè)信號(hào)h∈H，在原子庫D中把信號(hào)h分解為一系列原子的線性組合。設(shè)gγ0∈D，則根據(jù)匹配追蹤基本原理可將信號(hào)h分解為

h=〈h,gγ0〉gγ0+Rh

(1)

式(1)中:Rh為信號(hào)經(jīng)過一次迭代后的殘差;gγ0為信號(hào)在原子庫中的投影。因此，可知gγ0與Rh是正交的，即

‖h‖2=|〈h,gγ0〉|2+‖Rh‖2

(2)

為了使殘差Rh最小，必須選擇一個(gè)gγ0∈D使|〈h,gγ0〉|最大,即

(3)

式(3)中:系數(shù)α為最優(yōu)因子且滿足0<α≤1。

(4)

(5)

重復(fù)上述過程，直到達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)或者殘差能量小于所設(shè)定的閾值為止。假設(shè)迭代分解次數(shù)為m，則可以將信號(hào)表示為

(6)

把式(5)代入式(6)，可得

(7)

同樣，可以把‖h‖2寫成線性和的形式,即

(8)

由此可得能量守恒公式為

(9)

這樣，原始信號(hào)被分解為一系列原子之和。雖然分解過程不是線性的，但是分解過程維持了能量守恒，最后右面的原子組合可以逼近原始信號(hào)。

1.2 煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)流程

匹配追蹤作為一種子波分解方法，可以把信號(hào)分解成多個(gè)最佳匹配子波的線性組合。如果可以基本確定煤層的反射波形，那么使用匹配追蹤算法就可以很好地將其從原始地震中去除掉(圖2)。該技術(shù)的具體流程為：

圖2 匹配追蹤去除煤層反射示意圖Fig.2 Diagram of de-coal reflection by matching pursuit

1) 通過標(biāo)定得到井附近的煤層反射匹配波形；遠(yuǎn)離井的位置首先采用內(nèi)插獲取匹配子波，然后與該位置的地震信號(hào)進(jìn)行主成分分析，取其共有特征作為初始匹配子波。

2) 使用復(fù)數(shù)域快速匹配追蹤算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整匹配子波的特征參數(shù)，使其與地震具有最佳的相似系數(shù)，該最佳子波作為該道的煤層強(qiáng)反射。

3) 從原始地震中去除煤層強(qiáng)反射，得到成果數(shù)據(jù)，用于研究區(qū)煤系地層致密氣儲(chǔ)層預(yù)測。

2 效果驗(yàn)證

2.1 模型正演驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，主力勘探層系太2段砂體分布在煤層附近，在煤層上下均有分布，對(duì)于這種情況，設(shè)計(jì)了有針對(duì)性的模型(圖3):中間煤層厚度從12 m變至5 m，速度2 500 m/s;煤層上下以不同距離分布厚度不等的砂巖透鏡體，砂巖速度4 600 m/s，泥巖速度為3 800 m/s。圖4a為用35 Hz雷克子波正演得到的合成記錄，從地震振幅變化中可以看到部分厚砂巖微弱響應(yīng)，而薄砂巖很難識(shí)別，砂巖地震響應(yīng)已基本被煤層反射屏蔽。利用匹配追蹤算法得到的煤層地震反射如圖4b所示，同相軸變化較好地反映了煤層變化，振幅強(qiáng)度從左至右變?nèi)?，與煤層厚度變化一致。在原始記錄中去除煤層反射之后得到的砂體反射如圖4c所示，可以明顯看到4個(gè)砂體的分布范圍，其振幅能量較好地反映了厚度變化特征，消除煤層之后的地震反射較好地反映了實(shí)際砂體變化規(guī)律，保證地震記錄不失真，驗(yàn)證了本文方法的合理性。

圖3 砂體分布在煤層附近的地下模型Fig.3 Model of sand body distributed around the coal seam

圖4 模型試算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of model computation

2.2 合成記錄驗(yàn)證

圖5是去煤過程井標(biāo)定結(jié)果。圖5a為原始地震記錄標(biāo)定結(jié)果，可見煤層表現(xiàn)為明顯的低阻抗值，從上到下有多套煤層分布，煤層地震反射能量非常強(qiáng)，目標(biāo)層段內(nèi)砂體反射幾乎看不到，因而無法在地震上進(jìn)行儲(chǔ)層識(shí)別。圖5b為煤層反射標(biāo)定結(jié)果，可見合成記錄與匹配追蹤算法得到的煤層反射非常相似，說明匹配追蹤算法得到的煤層地震反射合理，能較好反映煤層的綜合響應(yīng)特征。圖5c為去除煤之后砂體反射標(biāo)定結(jié)果，可見合成記錄與去除煤后地震反射吻合度很高，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

2.3 地震剖面驗(yàn)證

研究區(qū)過井的原始地震剖面(圖6a)中顯示煤層反射很強(qiáng)，使砂體反射被掩蓋，只能模糊地分辨出部分砂體反射波，而且受煤層反射子波延續(xù)時(shí)間的影響，其振幅信息已經(jīng)很不準(zhǔn)確。根據(jù)對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，該地區(qū)煤層分布是廣泛的，其對(duì)應(yīng)的地震反射也具有很好的橫向連續(xù)性，符合本文井控匹配追蹤煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)應(yīng)用的前提條件，因而使用井標(biāo)定和主成分分析得到初始匹配子波，然后對(duì)其進(jìn)行匹配追蹤計(jì)算，獲取最終煤層反射波(圖6b)。圖6c是去除煤層反射后的砂體反射剖面，與原始地震剖面對(duì)比，去除煤層反射后的地震剖面砂體反射清晰，砂體位于藍(lán)線以上的紅色同相軸處，該同相軸橫向變化合理，波形自然無畸變，有效地凸顯了砂體反射。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行波阻抗反演后提取了研究區(qū)太2段砂巖厚度平面圖(圖7)，與已鉆井砂巖厚度吻合度較高,驗(yàn)證了本文方法的可靠性。

圖5 合成記錄標(biāo)定對(duì)比Fig.5 Comparison of well-seismic calibration

圖6 實(shí)際地震剖面對(duì)比Fig.6 Comparison of actual seismic profiles

圖7 研究區(qū)太2段砂巖厚度平面圖Fig.7 Sand thickness distribution of Tai-2 formation in the study area

3 結(jié)論

通過對(duì)鄂爾多斯盆地東緣臨興-神府區(qū)塊太2段附近強(qiáng)反射振幅特征的分析，明確其產(chǎn)生機(jī)理，提出了一種基于地震約束的井控匹配追蹤煤層強(qiáng)反射消除技術(shù)，即利用井旁地震道提取合理的煤層反射匹配波形，通過改進(jìn)的匹配追蹤算法動(dòng)態(tài)調(diào)整匹配子波控制參數(shù)，獲取煤層反射特征之后再從原始地震中將煤層強(qiáng)反射去除，突出砂巖反射特征。通過理論模型、合成記錄及實(shí)際地震剖面進(jìn)行了效果驗(yàn)證，消除煤層屏蔽的地震剖面目標(biāo)砂體得以突出，反演預(yù)測結(jié)果與已鉆井砂巖厚度吻合度較高。