多屬性融合技術(shù)在裂縫儲(chǔ)層預(yù)測中的應(yīng)用

史 維，李偉波

(1. 長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020; 2. 長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100)

0 前 言

近些年，隨著勘探技術(shù)的不斷提高，深度的不斷加深，地震勘探的重心已由早期的構(gòu)造解釋逐漸向儲(chǔ)層預(yù)測、精細(xì)描述等過渡。20世紀(jì)60年代，地震屬性分析作為一種可行的方法正式出現(xiàn)。經(jīng)過多年發(fā)展，從最早的烴類檢測、亮點(diǎn)技術(shù)到迅速發(fā)展起來的儲(chǔ)層預(yù)測、油氣預(yù)測和物性分析等領(lǐng)域，最后到逐漸成熟的多維地震屬性、多屬性分析時(shí)代[1]。在地震勘探的采集、處理和解釋過程中，地震數(shù)據(jù)體中往往隱藏著諸多儲(chǔ)層物性的變化、孔隙流體成分和儲(chǔ)層參數(shù)等相關(guān)的有用信息。而地震屬性就是在原有的疊前或疊后的地震數(shù)據(jù)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)思維方式變換推導(dǎo)出的有關(guān)于地震波的幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征以及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的度量值[2]，通過對(duì)所取地震屬性進(jìn)行分析，做出標(biāo)定并消除畸變，最終可以得到揭示儲(chǔ)層的相關(guān)信息。

地震屬性分析在地球物理研究領(lǐng)域雖已取得了一定成果，但仍舊存在一些問題。地震屬性與所預(yù)測儲(chǔ)層對(duì)象之間不是單純的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是一種多元復(fù)雜的非線性關(guān)系，在地質(zhì)條件相對(duì)簡單、資料信噪比較高的情況下，單屬性分析技術(shù)就能很好預(yù)測；但對(duì)于儲(chǔ)層物性參數(shù)變化大的復(fù)雜介質(zhì)，影響地震有用信息的因素會(huì)越來越多，存在較大誤差和不確定性；單單僅用一種地震屬性很難以準(zhǔn)確地進(jìn)行儲(chǔ)層裂縫預(yù)測、油氣藏預(yù)測以及儲(chǔ)層參數(shù)特征描述等[3]。因此，對(duì)于開展地震多屬性融合分析研究就顯得十分重要了。

1 地質(zhì)背景

車排子石炭系地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起，屬于次一級(jí)構(gòu)造單元的凸起。石炭系整體上受東—西向主應(yīng)力作用的影響，發(fā)育的大斷裂多呈南北走向，與紅車斷裂近似平行，這些斷裂控制了二級(jí)構(gòu)造帶的展布方向，形成了石炭系南北成帶、西高東低的斷階式構(gòu)造。石炭系頂面遭受強(qiáng)烈剝蝕，總體呈現(xiàn)西北高、東南低的單斜形態(tài)(圖1a)。比如排66斷塊是受北東東走向的排61南斷層、近北西向的排661南斷層夾持的斷塊圈閉，構(gòu)造形態(tài)為近東南傾的單斜(圖1b)。

2 地震屬性分類及優(yōu)選

2.1 屬性分類及提取

地震屬性是通過直接觀測或間接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和邏輯推理從地震數(shù)據(jù)中獲取相關(guān)信息資料。隨著地震屬性的研究不斷推進(jìn)，目前可以從地震數(shù)據(jù)體中提取近百種屬性，屬性種類繁多，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)地震屬性有不同的分類。20世紀(jì)90年代初，Taner等將地震屬性分為兩大類[4]：①為幾何屬性，主要反映的是地質(zhì)體空間幾何特征，與地層幾何形態(tài)和波形有關(guān)，如地層方位等；②物理屬性，主要指地震數(shù)據(jù)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性，基于物理屬性用于巖性及儲(chǔ)層特征解釋，他又大致可分為兩類[5]，由解析地震道計(jì)算出的屬性(瞬時(shí)相位、頻率等)和由疊前資料計(jì)算得到的屬性(正常時(shí)差)。地震屬性的提取方式雖然很多，但不同的勘探工區(qū)存在不同的地質(zhì)環(huán)境及不同的勘探程度，所需解決的問題也不同，為此需要采取合適的方法才能獲得更好的效果。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西緣石炭系頂面構(gòu)造

裂縫型圈閉儲(chǔ)集性能的好壞取決于裂縫發(fā)育程度。無論何種巖性，其裂縫發(fā)育程度都將對(duì)地震波傳播速度、吸收作用等產(chǎn)生一定的影響，因此，在振幅類、頻率類、相關(guān)類屬性和吸收系數(shù)等會(huì)出現(xiàn)較為明顯的特征。本次分類根據(jù)工區(qū)實(shí)際地層特點(diǎn)，利用LandMark地震多參數(shù)屬性計(jì)算對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行屬性的提取。沿石炭系頂界面結(jié)合工區(qū)油藏特點(diǎn)并通過不斷嘗試確定合適的時(shí)窗，然后對(duì)地震數(shù)據(jù)體提取了振幅類、瞬時(shí)類、層序統(tǒng)計(jì)類、頻譜類等三十幾種屬性，并總結(jié)了不同類別屬性的實(shí)際地質(zhì)意義(如表1)。

表1 不同屬性所對(duì)應(yīng)的不同類別及其實(shí)際地質(zhì)意義

2.2 地震屬性優(yōu)化

對(duì)于地震多屬性融合技術(shù)，屬性提取的好壞會(huì)直接影響到后期的儲(chǔ)層預(yù)測精度以及計(jì)算速率，屬性的優(yōu)化選取至關(guān)重要[6]。優(yōu)選地震屬性一般遵循的原則主要有：①所取屬性集對(duì)樣本能夠進(jìn)行有效分類，且保證屬性與地質(zhì)目標(biāo)具有相關(guān)性；②確保優(yōu)選的屬性盡可能相互獨(dú)立，達(dá)到更加多元化、最優(yōu)化；③消除無關(guān)的干擾，使有用信息最大化?？偟恼f來，所提取屬性要具有代表性(敏感性)，能突出其特有的敏感特性，且屬性個(gè)數(shù)要避免冗余，樣本數(shù)不易過多，去粗取精。利用相關(guān)性和屬性特征強(qiáng)度綜合分析方法，對(duì)已提取出屬性進(jìn)一步分析彼此之間存在差異的特征，通過壓制相對(duì)噪音的方法，有效突出與油氣藏相關(guān)的變化信息。針對(duì)以上三十幾種屬性，結(jié)合聚類分析的方法分別分組做相關(guān)性分析[7](如圖2所示)。

圖2 不同類別地震屬性相關(guān)性分析對(duì)比

從圖2中可以直觀看到：5類屬性及其各屬性之間的相關(guān)性，相關(guān)性越好，表示兩種屬性表征的意義越相近，從而可以剔除重復(fù)表征的屬性，同時(shí)結(jié)合油氣藏屬性在地震屬性上反映的特征強(qiáng)弱，最后優(yōu)選出的屬性既具有獨(dú)立性，避免了研究工作的重復(fù)，又能很好的突出油氣藏的變化信息。

3 地震屬性融合技術(shù)及應(yīng)用

地震多屬性融合技術(shù)是一種分析屬性的方法，考慮到不同屬性的實(shí)際物理意義，挑選出表征不同儲(chǔ)層特性的屬性，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法原理將不同的地震屬性融合到一起相互補(bǔ)充和加強(qiáng)，綜合分析來解決由單屬性預(yù)測而存在的不穩(wěn)定、多解性問題，進(jìn)一步來提高儲(chǔ)層預(yù)測的精度，從而更好地指導(dǎo)實(shí)際的地質(zhì)勘探工作。地震多屬性融合的方法有多種，早期使用的基于顏色空間的多屬性融合技術(shù)，通常用3種基本色(紅R、綠G、藍(lán)B)來表示不同的信息[8]。到21世紀(jì)又相續(xù)出現(xiàn)了基于數(shù)學(xué)方法和神經(jīng)學(xué)等學(xué)科的多屬性融合技術(shù)[9]。不同的融合方法有其適應(yīng)范圍和局限性，選取合適的屬性方法對(duì)優(yōu)先屬性進(jìn)行融合顯得很有必要?？紤]到研究工區(qū)位于石炭系頂界面深度不深的特征，本文在基于聚類相關(guān)性分析的思路下優(yōu)選出4種屬性，并結(jié)合多元線性回歸屬性融合技術(shù)進(jìn)行多屬性融合分析。

多元線性回歸分析是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)分支，起源于21世紀(jì)初。但在早期，多元線性回歸就被廣泛運(yùn)用于氣候、海洋、環(huán)境、水文地質(zhì)和地震等領(lǐng)域，并取得了一定的效果[10]。國內(nèi)季玉新等最早將多元線性回歸應(yīng)用于地震多屬性融合分析中，借鑒其在其他領(lǐng)域中的成功經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用多元線性回歸方法可以建立多種地震屬性與儲(chǔ)層參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[11]。多元線性回歸方法的數(shù)學(xué)模型為：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βm-1Xm-1+βmXm+ε ε～N(0,σ2)

(1)

其中：Y是實(shí)際預(yù)測隨機(jī)變量，他受到m個(gè)非隨機(jī)因素X1,X2…Xm-1,Xm以及滿足正態(tài)分布的不可預(yù)測隨機(jī)變量ε～N(0，σ2)的影響；β0、β1、β2…βm-1、βm為回歸系數(shù)。

實(shí)際裂縫儲(chǔ)層Y對(duì)m種屬性X1,X2…Xm-1,Xm的m元線性回歸方程為：

(2)

(3)

D為C0、C1、C2…Cm-1、Cm的m+1元函數(shù)，經(jīng)整理可得到關(guān)于回歸系數(shù)C0、C1、C2…Cm-1、Cm的正規(guī)方程組，通過求解方程組即可得到回歸系數(shù)的解，從而解出m元線性回歸方程式[12]。確定相應(yīng)系數(shù)后，利用該系數(shù)與選擇歸一化的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性融合，結(jié)合實(shí)際的疊前、疊后地震資料對(duì)勘探區(qū)排1(P1區(qū)15～200 ms)進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測。優(yōu)選出的4種地震屬性平面圖具體如圖3所示，將優(yōu)選屬性結(jié)合線性回歸方程進(jìn)行多屬性融合最終得到融合地震屬性平面圖(見圖4)。

從圖3中可以看到均方根振幅、地震弧長和反射強(qiáng)度屬性體現(xiàn)的平面特性相差不大，基本一致，與已知勘探油藏對(duì)應(yīng)較好；但單從相關(guān)系數(shù)這一屬性平面圖上看，除了部分平面特性吻合外又出現(xiàn)了特殊區(qū)域，即如果僅依靠一種屬性來分析、預(yù)測裂縫儲(chǔ)層，就容易出現(xiàn)誤差區(qū)間，最終導(dǎo)致出現(xiàn)多解性問題。而由以上4種屬性進(jìn)行綜合分析，利用線性回歸方法進(jìn)行多屬性融合，抓住不同屬性的共有特征比重，按照不同的系數(shù)比重進(jìn)行融合，降低個(gè)別因素的干擾，最終得到較為精確的融合屬性平面圖(如圖4)。圖4中既包含了多數(shù)敏感屬性所共有的有效區(qū)域(圖中2區(qū))，也剔除了那些容易產(chǎn)生多解的干擾區(qū)域(如圖3c)，還保留了單屬性分析未體現(xiàn)出的有效區(qū)塊(圖4中1區(qū))，很好地解決了由單一屬性儲(chǔ)層預(yù)測帶來的多解性問題。相比4種單屬性平面屬性圖，多屬性融合屬性圖有效區(qū)與車排子石炭系P1區(qū)實(shí)際勘探區(qū)(如圖5)有更好的匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，有更好的吻合程度?？傮w而言，多屬性融合技術(shù)對(duì)于屬性特性的提取分析提供了很好的研究方向，不失為一種好的裂縫儲(chǔ)層預(yù)測方法。

圖3 車排子地區(qū)石炭系P1區(qū)頂界面15～200 ms地震屬性平面

圖4 多屬性融合地震屬性平面

圖5 車排子地區(qū)石炭系p1區(qū)勘探成果

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)石炭系頂面(P1區(qū))遭受強(qiáng)烈剝蝕，總體呈現(xiàn)西北高、東南低的單斜形態(tài)，主要呈現(xiàn)組合式斷塊構(gòu)造格局。

2)結(jié)合數(shù)學(xué)方法對(duì)多種屬性進(jìn)行多屬性融合技術(shù)，對(duì)比分析，基于疊前、疊后信息多屬性融合技術(shù)能夠很好地解決復(fù)雜地質(zhì)和資料缺失等具有風(fēng)險(xiǎn)性的儲(chǔ)層預(yù)測，能夠有效的克服單一屬性所帶來的多解性和不確定性問題。

3)多屬性融合技術(shù)的關(guān)鍵在于前期的屬性提取、優(yōu)化及方法的合理運(yùn)用，其中屬性的相關(guān)性分析和誤差校正是相當(dāng)重要的部分。