地震分頻技術在扇三角洲前緣砂體預測中的應用
——以海拉爾盆地烏爾遜斷陷銅缽廟斷裂帶南屯組為例

王 江，陳 沫，王 杰，劉 霜，周 豪

1 中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院；2 中國石油大慶油田有限責任公司采油一廠；3 中國石油新疆油田公司采油一廠

0 前 言

海拉爾盆地為中、新生代的多旋回、疊合式、斷-拗轉(zhuǎn)換型盆地［1］，盆地經(jīng)過多期改造和建造，斷裂發(fā)育、構造復雜。烏爾遜斷陷位于海拉爾盆地中部斷陷帶，中石油第四次資源評價的資源量為2.52×108t,現(xiàn)已提交探明儲量累計0.38×108t，探明率僅為15.1%，表明烏爾遜斷陷具有較大的勘探潛力。隨著烏爾遜斷陷勘探開發(fā)的逐步深入，勘探開發(fā)區(qū)帶由隆起帶轉(zhuǎn)向了凹陷區(qū)，油藏類型由構造油藏轉(zhuǎn)向了巖性油藏。下白堊統(tǒng)銅缽廟組、南屯組和大磨拐河組等目的層發(fā)育扇三角洲前緣砂體，砂巖相帶窄、相變快、非均質(zhì)性強，砂泥巖以薄互層組合，儲層厚度薄，縱、橫向巖性變化大。砂巖儲層橫向連續(xù)性差，導致區(qū)塊優(yōu)選、井位部署及滾動鉆井評價難度加大。針對烏爾遜斷陷扇三角洲前緣砂泥巖薄互層組合，曾經(jīng)開展過多輪次地震預測工作，但受地震資料及單一預測方法限制，研究區(qū)扇三角洲前緣砂體、湖底扇砂體的地震響應特征不明顯，砂體邊界不清，預測精度無法滿足現(xiàn)階段巖性油藏勘探評價的地質(zhì)需求。因此，為了解決巖性油藏薄窄砂體刻畫難題，在借鑒前人研究成果的基礎上，通過井震結(jié)合開展精細儲層預測，形成了適合于復雜斷陷巖性目標區(qū)的地震匹配追蹤時頻處理解釋技術。

地震分頻處理技術是地震屬性分析中的一種頻率域解釋方法［2］。國內(nèi)外學者對分頻處理、解釋研究可追溯到20 世紀80—90 年代，當時只是應用分頻處理資料沿地震反射層的一定時窗內(nèi)提取地震屬性，進行定性的沉積環(huán)境、沉積相分析，但受傅里葉變換固定時窗的影響，限制了在薄儲層領域的應用。前人［3-5］在分析地震資料時，引入了在時間域和頻率域都可以表征信號局域化特征及變時窗特點的小波變換，其分頻處理資料得到了明顯改善，優(yōu)勢頻率地震剖面的儲層分辨能力得到了提高，也出現(xiàn)Gabor小波、離散Mallat小波等各種基于小波決定的算法。同傅氏變換相比，小波變換的分頻效果更好，但數(shù)學運算上不但要求正交的小波函數(shù)，同時在一定程度上受地震處理時窗的影響。Stockwell等［6］提出的S 變換時頻分析是介于短時傅里葉變換和連續(xù)小波變換之間的、應用小波變換的多尺度時頻分析方法，S 變換時頻分析在克服傅里葉變換不能調(diào)節(jié)分析窗口頻率的同時還可以進行相位校正。應用地震分頻資料開展碎屑巖、碳酸鹽巖儲層預測，以及小斷層識別解釋和高頻沉積旋回研究，取得了不同程度的研究效果［6-9］。

本文應用地震匹配追蹤時頻處理技術，通過一系列小波構建初始模型，經(jīng)過迭代優(yōu)化逼近原始信號的瞬時譜，將時間域的地震信號分解成頻率域的離散調(diào)諧體，應用頻率域的離散數(shù)據(jù)開展扇三角洲前緣砂體預測，精細刻畫扇體的三維輪廓和內(nèi)部結(jié)構，應用研究成果指導巖性油藏井位部署及滾動評價，在烏爾遜斷陷銅缽廟斷裂帶識別的9 個有利巖性體中的7 個實施勘探部署，其中在5 個砂體中獲工業(yè)油流，在2個砂體中獲得低產(chǎn)油流，預測砂體頂界構造深度相對誤差均小于0.3%，預測砂巖厚度的絕對誤差均小于1 m。

1 地震匹配追蹤時頻處理技術

地震匹配追蹤時頻處理是一種基于投影追蹤、逐步遞推的小波算法，該算法是將地震信號分解為一系列反射時間不同、振幅各異的地震子波，對分解得到的子波進行時頻分析，原始地震道頻譜就是所有子波頻譜疊加的結(jié)果。

2006 年Liu［10］基于Ricker 子波匹配追蹤算法通過復地震道分析技術得到三瞬地震屬性（瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率），以最大瞬時振幅處的地震反射時間作為時間延遲的初始值，得到延時處的瞬時相位和瞬時頻率。

主頻為fj的零相位Ricker 子波在時間域的表達式為：

式中:fj為地震主頻，Hz；t為地震反射時間，s；WR（t,fj）為時間域Ricker子波；j為迭代次數(shù)。

在頻率域的傅氏頻譜為：

式中:f為地震頻率，Hz；WR（f,fj）為主頻為fj的頻率域Ricker子波傅氏頻譜；j為迭代次數(shù)。

地震信號的稀疏表達式為：

式中:s(t)為時間域帶限地震信號；Rs(m)(t)是匹配追蹤后的殘差；m為通過設置的閾值來判斷迭代終止條件而確定的迭代原子個數(shù)。原子個數(shù)通過時間遲延tj（單位：s）、地震主頻fj（單位：Hz）、相關系數(shù)aj和相位φj等4個處理參數(shù)來控制。

s(t)匹配追蹤時頻譜u(t,f)的解析式為：

式中：env是WR的瞬時振幅。

2 技術應用及效果

烏爾遜斷陷北部地震數(shù)據(jù)頻帶范圍為8～60 Hz,主頻（f）為28Hz,砂巖平均層速度（v）為3 897～4 012 m/s，根據(jù)地震可分辨的極限厚度ΔZ=v/(4×f) 計算,可識別的最薄砂體厚度為34～36 m?？梢?，目前地震資料無法識別研究區(qū)20～30 m 厚的砂體,利用疊后地震波阻抗反演可識別的砂巖厚度僅為幾十米, 因此, 對于薄層的單砂體, 利用傳統(tǒng)的地震波阻抗反演方法難以分辨。在頻譜分解之前首先對地震資料進行脈沖反褶積提頻處理, 將地震的頻寬拓展到8～80 Hz, 提頻后的地震帶寬比常規(guī)地震數(shù)據(jù)帶寬在高頻端高出20 Hz,低頻端保持不變,主頻從原先的28 Hz 拓展到37 Hz, 這樣拓頻后的地震數(shù)據(jù)比常規(guī)地震數(shù)據(jù)豐富了很多細節(jié)。

2.1 分頻處理的優(yōu)勢頻率分析

傳統(tǒng)的地震分辨率是指時間域內(nèi)的地震儲層分辨能力，分辨的極限厚度是λ/4(λ為波長)，而頻譜分析突破了傳統(tǒng)地震分辨率的限制，在頻率域內(nèi)對儲層進行分辨，每個薄儲層產(chǎn)生的地震反射在頻率域都有一個特定的優(yōu)勢頻率與其對應。圖1為縱向砂巖厚度分別為3 m、5 m、10 m、20 m，橫向頻率f分別為30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz 和80 Hz 的時頻正演理論模型，從圖中可以看到高頻調(diào)諧能量反映的是薄層的調(diào)諧響應，而低頻調(diào)諧能量是厚層的調(diào)諧響應，各單一頻率的子波對不同厚度儲層的調(diào)諧響應是不同的，不同厚度的砂巖對應著不同的優(yōu)勢頻率。因此經(jīng)分頻處理得到的單頻三維地震資料，在有效地震頻帶內(nèi)降低了子波疊覆和鳴振效應，突出了不同地質(zhì)體對不同頻率成分地震資料的敏感響應，而常規(guī)疊后地震資料是對整個地震頻帶范圍的地震數(shù)據(jù)成像，無法滿足對所有地質(zhì)體都達到最佳的成像效果。因此，利用頻率域的振幅譜可以識別沉積相帶變化、沉積扇體三維輪廓以及薄儲層的時間厚度。

圖1 不同厚度砂巖的時頻正演理論模型Fig.1 Theoretical model of time-frequency forward modeling of sandstone with different thickness

根據(jù)對烏爾遜斷陷北部主要含油目的層儲集特征與測井相的分析，目的層砂體厚度(ΔZ)一般為20～26 m (大磨拐河組20～25 m，南屯組23～30 m)，砂巖平均層速度大磨拐河組為3 897 m/s、南屯組為4 012 m/s。據(jù)f=v/(4×ΔZ)計算砂巖儲層的最小調(diào)諧頻率，大磨拐河組為39～48 Hz，南屯組為38～43 Hz，即識別大磨拐河組、南屯組有利含油砂體的地震優(yōu)勢頻率理論上為38～48 Hz。圖2 為烏爾遜斷陷北部S46 井實際鉆井的時頻分析對比圖，可見26 m 砂組對應的優(yōu)勢頻率為40 Hz 左右，該頻率下表現(xiàn)的調(diào)諧響應最強，而8～15 m 砂組對應的優(yōu)勢頻率為60～80 Hz。優(yōu)勢頻率分析為單頻剖面處理、利用優(yōu)勢頻率識別砂體提供了理論基礎和實踐根據(jù)。

圖2 銅缽廟斷裂帶S46井不同厚度砂巖的時頻分析對比圖Fig.2 Time frequency analysis and comparison of sandstone with different thickness of Well S46 in Tongbomiao fault zone

2.2 優(yōu)勢頻率的單頻剖面特征

針對烏爾遜斷陷復雜的地質(zhì)條件，根據(jù)大磨拐河組和南屯組有利含油儲層38～48 Hz 的優(yōu)勢頻率范圍，對烏爾遜斷陷北部銅缽廟斷裂帶三維地震資料應用匹配追蹤時頻處理技術開展分頻處理。首先將地震道與小波庫內(nèi)所有小波互相關，再將從地震道中去除相關性最大的子波投影所得到的殘差與小波庫互相關，再去除最大相關子波的投影，如此遞推迭代，直到剩余能量達到某一給定的門檻值，迭代過程收斂，得到一系列離散頻率的調(diào)諧數(shù)據(jù)體。然后通過地震四維時頻頻譜分析，利用代表某一特定主頻的單頻能量的單頻體、峰值振幅和峰值頻率等多種時頻地震屬性來預測有利儲層。

從圖3 常規(guī)地震偏移剖面（圖3a）與42 Hz 單頻偏移剖面（圖3b）的對比圖中可見，42 Hz 單頻偏移數(shù)據(jù)反映的S46 井砂體邊界清晰(見圖3b 虛線標注部分)，反射結(jié)構波組特征清楚，地層接觸關系明確，而常規(guī)疊后地震資料是對整個地震頻帶范圍的地震數(shù)據(jù)成像疊加，無法滿足所有不同尺度地質(zhì)體都能達到最佳的成像效果。

圖3 銅缽廟斷裂帶三維常規(guī)偏移剖面與單頻偏移剖面對比Fig.3 Comparison of 3D seismic conventional migration profile and single frequency migration profile in Tongbomiao fault zone

2.3 分頻處理技術的地質(zhì)效果

地震屬性是對地震反射資料的描述和量化，是地震資料中所包含全部地質(zhì)信息的子集，能揭示出地震數(shù)據(jù)體中的沉積、巖性和儲層等信息［11-15］。分頻處理增強了薄儲層頻率響應，提高了地震資料的分辨率，可精細地反映地震屬性異常變化，增強了薄儲層的識別能力。

2.3.1 儲層分布定性預測效果

在下白堊統(tǒng)銅缽廟組—南屯組沉積時期，烏爾遜斷陷東部受北東向控陷斷層——銅缽廟斷層控制［11］，在半深湖—深湖背景下發(fā)育扇三角洲前緣砂體，與早期斷層配合形成構造-巖性、巖性油氣藏［12］。但是，研究區(qū)地震資料分辨率較低，砂體的地震響應特征不明顯，疊后、疊前時間偏移資料均無法確定砂體邊界及巖性體間的關系。為了驗證單頻地震資料的預測效果，分別應用常規(guī)地震資料和單頻地震資料，考慮了儲層厚度、位置及層速度，以等時地層格架為約束，在大磨拐河組一段、南屯組一段3砂組（簡稱南屯組1-3砂組）、南屯組2-1砂組出油層位的上、下30 ms 選取時窗，由線到面提取敏感地震屬性。圖4a 為烏北銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組常規(guī)地震均方根振幅屬性圖，從圖中可見，振幅類屬性基本可以反映扇三角洲前緣和湖底扇儲層的展布規(guī)律，但儲層邊界不清楚。通過與鉆井對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)資料單一屬性在預測儲層分布上存在局限性。例如，鉆井證實W1 井、S11 井、S22 井和S37 井南屯組1-3 砂組巖性以泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖為主，砂巖不發(fā)育，應該具有弱振幅、中高頻的反射特征，但在常規(guī)地震資料均方根振幅屬性上，這4口井均落入了強振幅指示的砂巖發(fā)育區(qū)內(nèi)。而且，鉆井證實的S35 井湖底扇砂體和S45 井扇三角洲前緣砂體間的均方根振幅屬性邊界不清，也影響了巖性圈閉的識別與刻畫。圖4b為銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組42 Hz 單頻地震均方根振幅屬性圖，通過強振幅屬性與鉆遇砂巖一致性的對比分析發(fā)現(xiàn)：區(qū)域內(nèi)28 口探井和評價井中，有14 口井在南屯組1-3 砂組鉆遇砂巖儲層，在圖4b上顯示均方根相對振幅值大于400；另外14 口井南屯組1-3 砂組的砂巖儲層不發(fā)育，在圖4b 上顯示均方根相對振幅值小于400?？梢妴晤l地震資料預測砂體的符合率為100%，明顯優(yōu)于常規(guī)地震資料的預測結(jié)果。

圖4 銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組均方根振幅地震屬性圖Fig.4 Root mean square amplitude attribute map of 1-3 sand group of Nantun Formation in Tongbomiao fault zone

通過對圖4b 單頻數(shù)據(jù)體地震屬性精細解釋認為：在烏爾遜斷陷銅缽廟斷裂下降盤發(fā)育扇三角洲前緣砂體，中部發(fā)育湖底扇砂體，是巖性油藏的發(fā)育區(qū)。在單頻數(shù)據(jù)振幅屬性切片上，扇三角洲前緣砂體和湖底扇砂體均表現(xiàn)為明顯的強振幅特征，由此推斷烏爾遜斷陷北部銅缽廟斷裂帶受東部物源控制，發(fā)育扇三角洲—湖底扇—半深湖（深湖）沉積體系。

2.3.2 儲層厚度定量預測效果

根據(jù)Partyka等［16］的薄層分析理論，振幅譜伴隨頻率響應的陷頻周期Pt（單位：Hz）與薄層時間厚度t（雙程旅行時，單位：s）的關系為t=1/Pt；而t=2△Z/v,其中△Z為薄層厚度（單位：m），v為薄層速度（單位：m/s），這樣薄層厚度△Z與Pt的關系為△Z=v/（2×Pt）；將首波峰值頻率f0（單位：Hz）=Pt/2 代入時間厚度和薄層厚度等式后，以上兩式則變?yōu)椋?/p>

式中首波峰值頻率f0可以通過地震資料分頻分析得到，這樣通過公式（6）就可以計算薄層厚度。

圖5a 和圖5b 分別為S9 井區(qū)南屯組1-3 砂組砂體頂界構造圖和根據(jù)分頻處理資料得到的砂體厚度圖，結(jié)合地震屬性圖分析，S9 井區(qū)砂體是受東部物源控制在銅缽廟斷裂下盤形成的扇三角洲前緣砂體，北西和南東方向受斷層控制，沿銅缽廟斷裂走向向北東和南西向尖滅，砂體最大厚度可達30 m。針對在南1-3 砂組中預測的4 個砂體部署的13 口探井和評價井均鉆遇所預測的儲層，鉆井實際與鉆前預測相符，預測砂體頂界構造深度相對誤差均小于0.35%（表1），預測砂巖厚度的絕對誤差均小于1 m，相對誤差均小于4%，預測精度滿足精細儲層預測和勘探開發(fā)的生產(chǎn)需求。

通過地震分頻處理與解釋，在銅缽廟斷裂帶大磨拐河組一段、南屯組1-3 砂組、南屯組2-1 砂組和銅缽廟組共識別有利巖性體9 個，累計面積49.4 km2。目前已鉆砂體7個，其中在5個砂體中獲工業(yè)油流，在2個砂體中獲得低產(chǎn)油流，其中S46井在大磨拐河組一段、南屯組和銅缽廟組分別獲得4.81 t/d 、11.68 t/d和9.6 t/d的高產(chǎn)工業(yè)油流。

圖5 銅缽廟斷裂帶S9井區(qū)南屯組1-3砂組砂體頂面構造圖與砂巖厚度圖Fig.5 Sand body top structural map and sandstone thickness map of 1-3 sand group of Nantun Formation in S9 well block of Tongbomiao fault zone

表1 銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組含油砂體預測精度統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of prediction accuracy of oil-bearing sandbodies in sand group 1-3 of Nantun Formation in Tongbomiao fault zone

3 結(jié) 論

（1）每個有利砂體產(chǎn)生的地震-地質(zhì)響應在頻率域都有一個特定的優(yōu)勢頻率與其對應，在這一優(yōu)勢頻率的單頻地震剖面上，特定厚度的砂體成像效果好，分辨率高。

（2）通過地震匹配追蹤時頻處理,烏北三維單頻地震數(shù)據(jù)適用于特定厚度的砂體預測，可以更清晰地反映烏爾遜斷陷扇三角洲前緣砂體的分布特征。

（3）地震分頻時頻屬性的地質(zhì)意義明確，可以精細刻畫、識別砂體，精細預測含油氣儲層，適用于各種隱蔽巖性油氣藏。