基于頻陷特征的薄層砂地比預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用
——以阿爾及利亞X區(qū)塊為例

袁野，韓文明，趙紅巖，劉瓊，陳全紅

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司海外技術(shù)支持中心，北京 100028

阿爾及利亞X區(qū)塊地表被沙漠覆蓋，主要目的層埋深近4000m，上覆巨厚膏、巖鹽，導(dǎo)致深層地震資料高頻成分缺失，地震主頻較低僅有18Hz，可以分辨的地層厚度約為60m。同時(shí)研究區(qū)目的層上覆火成巖，通過(guò)已鉆井合成地震記錄標(biāo)定顯示，在低分辨資料背景下，目標(biāo)砂巖儲(chǔ)層的地震反射特征完全淹沒(méi)在火成巖與下覆大套泥巖間的強(qiáng)波阻抗界面之內(nèi)(見(jiàn)圖1)，導(dǎo)致地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度較大，常規(guī)地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法效果不佳。

圖1 合成地震記錄標(biāo)定圖Fig.1 Calibration diagram of synthetic seismic records

針對(duì)低分辨率地震強(qiáng)屏蔽下的薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)這一難題，目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在時(shí)域分析和頻域分析2個(gè)方向。時(shí)域分析主要從地震資料中提取振幅類信息，以調(diào)諧振幅作為研究的主要手段：文獻(xiàn)[1，2]運(yùn)用薄層模型分析振幅與厚度間的關(guān)系預(yù)測(cè)薄層厚度，但主要基于模型進(jìn)行研究，未開(kāi)展實(shí)際資料應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]基于90°相位剖面運(yùn)用調(diào)諧振幅預(yù)測(cè)薄層厚度，但90°相位技術(shù)對(duì)單砂體厚度有一定要求，在此次研究區(qū)不適用；文獻(xiàn)[4]開(kāi)展了處理解釋一體化的調(diào)諧振幅分析研究，但處理解釋一體化的組織方式在海外區(qū)塊難以實(shí)踐。頻域分析主要運(yùn)用小時(shí)窗對(duì)地震資料進(jìn)行譜分解，聚焦薄層所在地震反射同相軸上下的頻率特征[5]：文獻(xiàn)[6,7]分析了峰值頻率與薄層間的關(guān)系；文獻(xiàn)[8]分析了薄層瞬時(shí)頻譜的峰值頻率和陷頻頻率特征；文獻(xiàn)[9]運(yùn)用譜反演方法識(shí)別薄層，但相關(guān)研究主要基于模型數(shù)據(jù)，未開(kāi)展實(shí)際資料應(yīng)用；文獻(xiàn)[10]運(yùn)用分頻方法開(kāi)展薄層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，但也指出分頻方法受地震資料信噪比影響較大，縱向分辨率也有極限；文獻(xiàn)[11]運(yùn)用譜分解方法預(yù)估薄層厚度，但也指出研究主要針對(duì)大套泥巖中的薄砂巖預(yù)測(cè)，對(duì)此次研究靶區(qū)的“砂包泥”巖性組合是否適用也需要開(kāi)展進(jìn)一步分析。

通過(guò)調(diào)研分析，筆者發(fā)現(xiàn)頻率信息對(duì)薄層頂?shù)椎姆瓷湎禂?shù)不敏感，對(duì)厚度更敏感，在對(duì)儲(chǔ)層砂地比的預(yù)測(cè)中，頻域方法相比時(shí)域方法多解性更低，穩(wěn)定性更好。為此，在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)分析薄儲(chǔ)層的調(diào)諧效應(yīng)在頻率域引發(fā)的能量譜變化特征，利用模型試算提出了利用第一頻陷處能量屬性表征砂地比的思路；在研究區(qū)基于實(shí)際資料開(kāi)展屬性的提取和應(yīng)用，已鉆井顯示提取的屬性與目的層段砂地比具有較好的相關(guān)性；相關(guān)研究為儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)井部署提供支撐，并得到了新鉆井R-1井的驗(yàn)證。

1 方法原理

圖2 振幅和時(shí)間分辨率與地層厚度變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of amplitude and time resolution and formation thickness variation

在頻率域，薄層調(diào)諧效應(yīng)表現(xiàn)為薄層頂?shù)追瓷湎嗷ジ缮鎸?dǎo)致的周期性頻陷現(xiàn)象[13]。假定某一薄層頂?shù)捉缑娴姆瓷湎禂?shù)分別為r1和r2，透射系數(shù)分別為t1和t2，通過(guò)薄互層的地震波為f(t)，其對(duì)應(yīng)頻譜為g(jω)，薄層頂?shù)捉缑娴碾p程旅行時(shí)為τ，則當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^(guò)薄層后，在地面接收到的地震反射波為頂?shù)追瓷洳ǖ寞B加，可以表示為：

r(t)=r1f(t)+t1r2t2f(t+τ)

(1)

對(duì)應(yīng)的頻譜表示為：

r(jω)=(r1+t1r2t2e-jωτ)g(jω)

(2)

薄層可以認(rèn)為是一個(gè)濾波器，改變了入射地震波的頻譜特性，它的頻譜特征k(jω)可以表示為：

k(jω)=r1+t1r2t2e-jωτ=r1+t1r2t2cosωτ-jt1r2t2sinωτ

(3)

假設(shè)地震波垂直入射，反射系數(shù)極小，透射系數(shù)接近于1，此時(shí)薄層的濾波頻譜特征可以簡(jiǎn)化為：

k(jω)=r1+r2cosωτ-jr2sinωτ

(4)

此基礎(chǔ)上，再假設(shè)薄層頂?shù)捉缑娴姆瓷湎禂?shù)大小相等，正負(fù)相反，如厚泥巖中夾薄砂或厚砂中夾薄泥時(shí)，則有r1=r，r2=-r，此時(shí)的薄層濾波頻譜特征可以表示為：

k(jω)=r(1-cosωτ+jsinωτ)

(5)

對(duì)應(yīng)的振幅譜為：

(6)

對(duì)應(yīng)的能量譜為：

|k(jω)|2=2-2cosωτ

(7)

可以看到，薄層的能量譜為一周期函數(shù)，當(dāng)ωτ=2n-π，n=1,…,N，N→∞時(shí)，能量譜達(dá)到極值，出現(xiàn)陷頻現(xiàn)象。第n個(gè)陷頻為：

(8)

相鄰2個(gè)陷頻的頻率之差為：

(9)

理論上看，這種頻陷特征與薄層的厚度有密切關(guān)系。通過(guò)式(7)可以看到，在第1個(gè)頻陷處，地震反射的能量譜和薄層的厚度呈反比關(guān)系。因此通過(guò)對(duì)薄地震反射頻率特征的分析，可以預(yù)測(cè)薄儲(chǔ)層厚度的分布。

2 頻陷特征正演與屬性構(gòu)建

為探討薄層能量譜與厚度間的關(guān)系，基于研究區(qū)“砂包泥”的巖性組合特征，通過(guò)設(shè)計(jì)薄層楔形模型以開(kāi)展正演分析。根據(jù)已鉆井揭示的地層巖性組合和厚度變化特征，在大套海相低速泥巖(Layer1，Layer6)內(nèi)設(shè)置了多套自上而下依次為45m火成巖(Layer2)、5m泥巖(Layer3)、35 m砂巖(Layer4)和0～15m楔形薄泥巖(Layer5)的地質(zhì)模型(見(jiàn)圖3(a))。各層模型巖性參數(shù)和厚度取值如表1所示，采用16Hz負(fù)極性雷克子波進(jìn)行自激自收正演模擬，時(shí)間域正演地震道如圖3(b)所示。

表1 正演模型參數(shù)取值

圖3 正演模型與剖面圖Fig.3 The diagrams of forward modelling and profile

圖4 正演模型第1個(gè)頻陷處能量極小值與砂地比交會(huì)圖Fig.4 Crossplot of energy minimum at the first frequency notch and sand ratio of forward modelling

對(duì)比地質(zhì)模型，正演地震道中低頻強(qiáng)波谷(藍(lán)色反射同相軸)為火成巖頂面反射界面，低頻強(qiáng)波峰(紅色反射同相軸)為砂巖底面反射界面。為進(jìn)一步分析砂巖中薄層楔形泥巖的頻率特征，以上述強(qiáng)波谷和波峰反射峰值為時(shí)窗上下界對(duì)地震道進(jìn)行譜分解。在頻率域，可以看到在地震主頻16Hz處出現(xiàn)能量譜峰值，而隨著頻率的增大，在約53Hz處出現(xiàn)了第1個(gè)頻陷，在約80Hz處出現(xiàn)了第2個(gè)能量譜峰值(見(jiàn)圖3(c))。這也與式(9)和表1中的參數(shù)計(jì)算得到的頻率變化周期相符合(周期Δf=1/(35/4500×2)≈64，與圖3(c)中2個(gè)能量譜峰值間頻率差一致)。在第1個(gè)頻陷處沿該頻陷以小時(shí)窗提取了能量譜極小值，并與正演模型中Layer4和Layer5代表的砂巖儲(chǔ)層段的砂地比進(jìn)行交會(huì)分析，結(jié)果顯示兩者呈反比關(guān)系(見(jiàn)圖4)。

3 應(yīng)用

阿爾及利亞X區(qū)塊的主力儲(chǔ)層為三疊系河流相砂巖，其埋藏深度深(大于3500m)，成巖作用強(qiáng)，儲(chǔ)層厚度薄(30～50m)，砂地比高(40%～90%)，呈典型“砂包泥”特征[14]。已鉆井揭示該套儲(chǔ)層厚度橫向變化大，儲(chǔ)層物性主要受成巖作用影響，在河道疊置關(guān)系較好的主體區(qū)，砂地比較高，儲(chǔ)層物性普遍較好(見(jiàn)圖5)。因此，開(kāi)展研究區(qū)儲(chǔ)層砂地比預(yù)測(cè)能直接指示儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的分布特征，對(duì)探井和評(píng)價(jià)井的部署具有重要意義。

圖5 研究區(qū)已鉆井孔隙度與砂地比交會(huì)圖 Fig.5 Crossplot between sand ratio and porosity for drilled wells in the study area

以該區(qū)三維疊前時(shí)間偏移地震資料為基礎(chǔ)，沿目的層之上和之下地震反射同相軸為時(shí)窗頂?shù)走M(jìn)行譜分解，得到頻率域剖面(見(jiàn)圖6)，剖面位置見(jiàn)圖7。在頻率域剖面上可以觀察到第1個(gè)頻陷，提取該頻陷處的能量譜極小值，得到了第1個(gè)頻陷處能量極小值屬性(見(jiàn)圖7)。將已鉆井處屬性值與儲(chǔ)層砂地比進(jìn)行交會(huì)分析，可以看到兩者呈反比關(guān)系，與正演楔形模型的特征保持一致(見(jiàn)圖8)。以70%砂地比對(duì)應(yīng)的第1個(gè)頻陷處能量極小值屬性為閾值，在屬性平面上表征研究區(qū)相對(duì)高砂地比的河道主體區(qū)。

圖6 實(shí)際三維地震目的層段頻率域剖面Fig.6 Frequency domain profile of actual 3D seismic target layer

圖7 第1個(gè)頻陷處能量極小值屬性圖Fig.7 Energy minimum attribute graph at the first frequency notch

圖8 已鉆井第1個(gè)頻陷處能量極小值與砂地比交會(huì)圖Fig.8 Crossplot between the energy minimum at the first frequency notch and sand ratio of drilled wells

基于屬性分析結(jié)果，研究區(qū)東南部河道主體為南東-北西向展布，西南部河道主體為近南-北向展布，指示了2支不同方向的物源(見(jiàn)圖7)。在2支物源交會(huì)處的R-1井儲(chǔ)層段砂地比達(dá)到75%，鉆遇油層18m，滲透率可達(dá)235mD，DST測(cè)試日產(chǎn)輕質(zhì)油超過(guò)千方，均創(chuàng)下了研究區(qū)新高。

4 結(jié)論

運(yùn)用正演模型分析了薄儲(chǔ)層在頻率

域的調(diào)諧效應(yīng)特征，基于頻陷特征構(gòu)建了第1個(gè)頻陷處能量極小值屬性，并在實(shí)際資料進(jìn)行應(yīng)用，取得較好應(yīng)用效果。

1)厚層地層中的薄層在地震資料的頻率域會(huì)出現(xiàn)周期性的頻陷特征，頻陷出現(xiàn)的周期與薄層厚度有關(guān)。

2)基于理論分析和正演模型驗(yàn)證，在第1個(gè)頻陷處地震反射的能量譜和薄層的厚度呈反比關(guān)系。利用第1個(gè)頻陷處的能量極小值屬性可以一定程度上表征薄砂巖層段的砂地比。

3)該方法具有較好的可操作性，在實(shí)際資料應(yīng)用中取得較好效果，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。