基于波形分解的重構(gòu)地震數(shù)據(jù)體技術(shù)在致密油薄儲(chǔ)層預(yù)測中的應(yīng)用

李奎周 鄭緒瑭 趙海波 楊志會(huì) 周 磊

（1. 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3. 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163114）

0 引 言

作為松遼盆地致密油勘探開發(fā)的重點(diǎn)層位，扶余油層不僅分布廣泛，其資源潛力也十分巨大［1-7］。隨著勘探程度的加深，如何有效地利用地球物理技術(shù)尋找致密油薄儲(chǔ)層成為科研人員面臨的主要難題。作為常規(guī)的儲(chǔ)層預(yù)測方法［8-9］，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演、Z反演、波形指示反演及振幅屬性分析等在目前難以解決強(qiáng)反射背景下的儲(chǔ)層預(yù)測問題。在這種情況下，子波分解重構(gòu)技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注。馮興強(qiáng)［10］利用子波分解重構(gòu)法對(duì)儲(chǔ)層內(nèi)部流體的分布特征進(jìn)行了詳細(xì)研究；亓亮［11］運(yùn)用波形分解技術(shù)對(duì)優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了有效預(yù)測，以上事實(shí)均充分說明子波分解重構(gòu)技術(shù)與波形分解技術(shù)具有較好的應(yīng)用效果。然而，隨著勘探程度的深入，由于噪聲和強(qiáng)屏蔽的干擾，以往將2 種技術(shù)單獨(dú)使用進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測的研究方法難以滿足現(xiàn)階段高精度儲(chǔ)層預(yù)測的需求。通過“基于波形分解重構(gòu)地震數(shù)據(jù)體技術(shù)”可以將子波分解重構(gòu)技術(shù)與波形分解技術(shù)融合，既大大削弱了噪聲的影響，又有效解決了強(qiáng)反射背景下的儲(chǔ)層預(yù)測問題，在致密油薄儲(chǔ)層預(yù)測領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

1 技術(shù)原理

致密油儲(chǔ)層的物性特點(diǎn)主要是滲透率低、孔隙度低。滲透率主要集中在0.2×10?3~2×10?3μm2，而孔隙度多集中在4%~15%［12］。以T2反射層（扶余油層頂）為界，上部青山口組泥巖層具有更高的主頻（35~70 Hz），而且相位、波形穩(wěn)定；下部扶余油層由于砂泥巖疊置的影響而導(dǎo)致主頻較低（30~60 Hz），同時(shí)相位、波形不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)復(fù)合波。由于扶余油層的儲(chǔ)層巖性多為粉砂巖，這種情況下的薄互層地震響應(yīng)特征是若干單層反射波相互疊加干涉在一起的總體響應(yīng)［13-14］。

子波分解與重構(gòu)的目的有2 個(gè)：一是去噪，二是減少非儲(chǔ)層信息的影響?；诘卣饠?shù)據(jù)體的波形分解的目的只有一個(gè)，就是通過消除強(qiáng)反射軸造成的屏蔽效應(yīng)來提高薄儲(chǔ)層砂體的識(shí)別能力。本次方法應(yīng)用的創(chuàng)新之處就在于通過2 種方法結(jié)合，在減少非儲(chǔ)層信息影響的基礎(chǔ)上除去第一分量來突出儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征，為松遼盆地強(qiáng)反射背景下的致密油薄儲(chǔ)層預(yù)測探索出一條新的思路。需要注意的是，子波分解與重構(gòu)技術(shù)是第一步，基于地震數(shù)據(jù)體的波形分解技術(shù)是第二步，二者順次共同使用，順序不可顛倒。

1.1 子波分解與重構(gòu)原理

在當(dāng)前階段，常規(guī)地震道模型為最基本的褶積模型，它的原理是利用地震子波與反射系數(shù)的褶積，從而得到原始地震數(shù)據(jù)道，即

式中：W（t）——地震子波；

R（t）——反射系數(shù)；

N（t）——噪聲，dB；

S（t）——原始地震道。

這種常規(guī)的地震道模型完全把子波定義為時(shí)間（t）的函數(shù)，而未考慮地震子波在傳播過程中遇到不同的介質(zhì)而造成振幅及波形的變化［15］。但實(shí)際的情況卻是：在經(jīng)過具有不同物性的巖層（如儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層）后，地震子波發(fā)生的改變也一定是不同的，包括波形、振幅、頻率都會(huì)發(fā)生各自不同的變化。由此可見，利用這種單純基于時(shí)間（t）函數(shù)的地震子波的常規(guī)地震道模型來預(yù)測儲(chǔ)層可能會(huì)丟掉部分有價(jià)值的信息，也可能引入部分虛假信息。

基于以上分析，如果將反射系數(shù)R（t）設(shè)立為序列函數(shù)，那么對(duì)應(yīng)的地震道模型S（t）可以表示為

式中：Ri（t）（i=1，2，…，M）——某一反射系數(shù)序列；

Wi（t）（i=1，2，…，M）——對(duì)應(yīng)的子波序列。

如果所有的子波序列都完全相同，那么依據(jù)積分的可加性，這種含有多個(gè)不同子波序列的地震道模型就再次變?yōu)槌Ｒ?guī)的褶積模型，即

W(t)*R(t) +N(t) =S(t) （3）

在日常工作中，多子波分解重構(gòu)技術(shù)主要分2步進(jìn)行。首先要對(duì)疊后地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行分解，就是將目標(biāo)層段的地震數(shù)據(jù)分解為不同主頻的地震子波序列，接下來就是數(shù)據(jù)體的重構(gòu)分析，即將分解好的子波序列在選定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行重新組合，得到新的重構(gòu)數(shù)據(jù)體。整個(gè)過程中最為關(guān)鍵的因素就是數(shù)據(jù)分解時(shí)子波的選取，根據(jù)研究工作的不同選取的子波類型也不同，事實(shí)證明雷克子波在薄互層儲(chǔ)層預(yù)測方面具有較好的應(yīng)用效果［16］，故本次研究所選用的是雷克子波，即將常規(guī)地震數(shù)據(jù)分解為不同主頻的雷克子波組合。

1.2 基于地震數(shù)據(jù)體的波形分解原理

地震子波的波形在傳播的過程中遇到不同響應(yīng)特征的地質(zhì)體（如儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層）會(huì)有不同的變化，而遇到具有相似響應(yīng)特征的地質(zhì)體就會(huì)有相似的變化。波形分解技術(shù)就是利用儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層的不同響應(yīng)特征來去除強(qiáng)反射界面對(duì)緊鄰儲(chǔ)層的屏蔽作用，提高儲(chǔ)層預(yù)測精度［17］。

例如，對(duì)某確定時(shí)間段的地震數(shù)據(jù)可以用矩陣A表示，具體可以定義為

式中：M——該段地震數(shù)據(jù)的道數(shù)；

N——樣點(diǎn)數(shù)；

Aij（i=1，2，…，M；j=1，2，…，N）——某道地震數(shù)據(jù)的樣點(diǎn)能量值；

A——地震數(shù)據(jù)段。

對(duì)于給定的地震數(shù)據(jù)段，A則又可以表示為

式中Ai（i=1，2，…，M）——地震數(shù)據(jù)A的第i個(gè)分量。

將Ai進(jìn)行分解運(yùn)算，結(jié)果可以得到N個(gè)基本分量

式中：Ai（i=1，2，…，N）——地震數(shù)據(jù)段的某一分量；

Cki（k=1，2，…，N）——某一分量的基本分量。

那么地震數(shù)據(jù)段Ai又可以簡單地表述為

式中：aik（k=1，2，…，N）——地震數(shù)據(jù)段Ai的第k分量的能量值；

aikCk（k=1，2，…，N） ——Ai的 第k個(gè)分量。

至此，每個(gè)地震數(shù)據(jù)段便被分解為N個(gè)能量和波形特征均不相同的基本分量的線性疊加。

如果某工區(qū)的沉積模式以小規(guī)模河流相沉積為主，而工區(qū)范圍內(nèi)的沉積地層巖性則以頁巖和泥巖為主，那么工區(qū)范圍內(nèi)的頁巖和泥巖的沉積特征可以被解讀為波形分解的第1 分量。由于作為儲(chǔ)層的河道砂體分布規(guī)模較小，其沉積特征可被解讀為第2 或第3 分量。因此，不同的沉積環(huán)境和物性條件會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層所對(duì)應(yīng)的波形分量也有所不同。

總的來說，波形分解技術(shù)就是將子波的分解與重構(gòu)數(shù)據(jù)體分解為多個(gè)地震數(shù)據(jù)分量的線性疊加，同時(shí)這些分量又具有不同的波形特征［18］。通過把某一時(shí)窗內(nèi)的地震數(shù)據(jù)按照波形的不同進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并且按照能量的強(qiáng)弱排好順序（第1 分量、第2 分量，…，第N分量），其中每一級(jí)分量都代表了具有相似巖性或沉積特征的地層。在所有的分量中，第1 分量體現(xiàn)了該分解時(shí)窗范圍內(nèi)具有最大共性及能量的巖性特征或地層沉積特征，第2 分量則體現(xiàn)了去掉第1 分量后的地震數(shù)據(jù)中具有最大共性及能量的巖性或地層沉積特征，依次類推。在通常情況下，第4 分量以后的波形分量多為噪聲分量，能量低，波形不規(guī)則，不具有研究意義。

1.3 強(qiáng)屏蔽的形成原理

總體來講，引起T2反射層強(qiáng)屏蔽的因素主要有2 個(gè)：一是從巖性上看，青山口組泥巖與扶余油層砂巖存在較大的波阻抗差，導(dǎo)致反射系數(shù)很大，進(jìn)而形成T2這一套振幅很強(qiáng)的反射軸；二是從地震子波上來看，子波的連續(xù)疊加是導(dǎo)致T2反射軸頻率低的主要原因，同時(shí)子波旁瓣互相干涉形成的旁瓣效應(yīng)也會(huì)造成類似的結(jié)果。

以三肇凹陷北部的葡北區(qū)塊為例，該區(qū)塊泉四段地層在沉積時(shí)期發(fā)育大面積交錯(cuò)分布的河道砂體，經(jīng)過復(fù)雜的成巖作用儲(chǔ)層較為致密，具有高密度、高速度的特點(diǎn)。據(jù)鉆井資料分析，F(xiàn)I1 油層組泥巖的平均速度約為3 200 m/s，砂巖的平均速度約為3 500 m/s，總平均速度約為3 300 m/s；青一段泥巖的平均速度約為2 500 m/s。在不考慮密度的前提下，地震反射系數(shù)計(jì)算公式為

式中：R——地震反射系數(shù)；

ρ1、ρ2——上下地層密度，g/cm3；

v1、v2——上下地層速度，m/s。

通過計(jì)算得到青一段泥巖與FI1 油層組的反射系數(shù)為0.14，而FI1 油層組內(nèi)部砂巖與泥巖的反射系數(shù)為0.04，遠(yuǎn)小于背景反射系數(shù)，這是最終導(dǎo)致FI1 油層組砂巖儲(chǔ)層的響應(yīng)特征被T2反射層強(qiáng)信號(hào)所屏蔽的主要原因。

如圖1 所示，葡北區(qū)塊扶余油層FI1 油層組在頂面反射層T2的強(qiáng)屏蔽作用下，無論是通過剖面對(duì)比還是平面屬性分析都無法相對(duì)準(zhǔn)確地找到砂巖儲(chǔ)層在橫向和縱向上的分布特點(diǎn)，這給井位部署工作帶來很大的困難。

圖1 T2反射軸強(qiáng)屏蔽示意Fig.1 Sketch of T2 reflection axis strong shielding

2 方法應(yīng)用

研究區(qū)葡北區(qū)塊面積為15 km2，共有探井11口，目的層是位于泉頭組四段地層頂部的FI1 油層組，屬于典型的河流—三角洲沉積模式，其上覆地層為平均厚度80～120 m 的青山口組一段泥巖。通過統(tǒng)計(jì)鉆遇砂巖的6 口探井，該地區(qū)FI1 油層組的儲(chǔ)層平均厚度約為3.5 m。

通過觀察常規(guī)地震剖面發(fā)現(xiàn)（圖2），F(xiàn)I1 油層組頂界面為T2反射軸中間的解釋層位，是青一段泥巖層與泉四段砂泥巖互層的分界面，底界面為T2反射軸下部位于零相位的解釋層位。研究區(qū)范圍內(nèi)的FI1 油層組表現(xiàn)為低頻率、強(qiáng)振幅、波形穩(wěn)定的反射特征。通過連井對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)I1 油層組橫向的能量變化非常小，與井鉆遇的砂巖厚度變化不一致。

圖2 FI1油層組反射特征Fig.2 Reflection characteristics of FI1 reservoir group

2.1 子波分解重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法與效果

首先要對(duì)原始地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行子波分解，為了盡可能將目的層段的有效信息保留，本次研究將分解時(shí)窗定為：沿T2反射層向上50 ms，向下150 ms。最終將原始地震數(shù)據(jù)體分解為3～80 Hz的雷克子波組合。由于地震數(shù)據(jù)體是地質(zhì)信息的綜合反映，儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層之間也一定會(huì)有不同的地震響應(yīng)特征，在這一思路的指導(dǎo)下結(jié)合相關(guān)的鉆井信息，同時(shí)以目的層段內(nèi)的頻譜分析為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行單井頻率分析，最后確定研究區(qū)內(nèi)與儲(chǔ)層厚度變化相關(guān)的子波頻率是28~47 Hz（表1），隨后將子波頻率范圍內(nèi)所包含的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)數(shù)據(jù)體。

表1 FI1油層組單井頻率Table 1 Single well frequency in FI1 reservoir group

通過研究區(qū)過井地震重構(gòu)前后的剖面對(duì)比可以看出（圖3），重構(gòu)后的數(shù)據(jù)頻率和相對(duì)振幅變化明顯，但剖面整體構(gòu)造特征并沒有發(fā)生改變。在目的層段，P56-87 井砂巖厚度為6.2 m，與原始數(shù)據(jù)強(qiáng)振幅反射特征一致、與重構(gòu)數(shù)據(jù)反射特征一致；P51 井砂巖厚度為0 m，與原始數(shù)據(jù)強(qiáng)振幅反射特征不一致、與重構(gòu)數(shù)據(jù)弱振幅反射特征一致；PF61-902 井砂巖厚度為0 m，與原始數(shù)據(jù)強(qiáng)相對(duì)振幅反射特征不一致、與重構(gòu)數(shù)據(jù)中強(qiáng)相對(duì)振幅反射特征不一致。原始數(shù)據(jù)中3 口井砂巖符合率33.3%，重構(gòu)數(shù)據(jù)中3 口井砂巖符合率66.7%，通過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)重構(gòu)數(shù)據(jù)具有更高的砂巖符合率。因此，子波分解與重構(gòu)的意義就在于去除了部分噪聲的同時(shí)減少了非儲(chǔ)層頻段信息的干擾。

圖3 原始剖面與重構(gòu)剖面對(duì)比Fig.3 Correlation between original and reconstructed sections

2.2 波形分解的實(shí)現(xiàn)方法與效果

重構(gòu)后的地震數(shù)據(jù)并沒有消除T2反射軸強(qiáng)屏蔽所帶來的影響，因此還要在重構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行波形分解。波形分解要遵循的首要原則就是不能將完整的波形拆分。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，以T2反射層為基準(zhǔn)，上7 ms、下8 ms為縱向時(shí)窗，這樣就保證了起始點(diǎn)和截止點(diǎn)均位于T2反射軸的零相位點(diǎn)。在去除具有最大共性的第1 分量以后，第2 分量在圖4 連井剖面上的相對(duì)振幅強(qiáng)弱變化明顯。由圖4 可以看出，P51 井、PF61-902 井的砂巖厚度為0 m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)振幅較弱；PF56-87 井砂巖厚度為6.2 m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)振幅最強(qiáng)。通過以上分析得知，原始數(shù)據(jù)、第1 分量數(shù)據(jù)只有P56-87 井砂巖厚度與反射特征一致，P51井、PF61-902 井砂巖厚度與反射特征不一致，3 口井砂巖符合率33.3%，第2 分量數(shù)據(jù)的3 口井砂巖厚度均與反射特征一致，砂巖符合率為100%。由此可見，第2 分量的相對(duì)振幅強(qiáng)弱變化與FI1 油層組砂巖厚度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系更好。

圖4 原始剖面與第1分量、第2分量剖面對(duì)比Fig.4 Correlations between original section and the first component and the second component sections

3 應(yīng)用實(shí)例

將經(jīng)過基于波形分解重構(gòu)地震數(shù)據(jù)體技術(shù)處理最終得到的第2 分量地震數(shù)據(jù)以T2反射層上下4 ms 為縱向時(shí)窗提取最大相對(duì)振幅屬性，并以同樣的時(shí)窗設(shè)置對(duì)原始地震數(shù)據(jù)提取最大相對(duì)振幅屬性。如圖5 所示，紅色和黃色為相對(duì)振幅高值，表示砂巖發(fā)育好；綠色和藍(lán)色為相對(duì)振幅低值，表示砂巖發(fā)育差或不發(fā)育。完鉆井鉆遇FI1 油層組的砂巖厚度見表2。

表2 砂巖平面符合率Table 2 Areal coincidence rate of sandstone

在圖5（a）中，11 口井中有8 口井符合，總的平面符合率為73%；在圖5（b）中，11 口井中僅有4 口井符合，總的平面符合率為36%。綜合以上分析，經(jīng)過基于波形分解重構(gòu)地震數(shù)據(jù)體技術(shù)得到的第2 分量地震數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比原始地震數(shù)據(jù)具有更好的預(yù)測效果。

圖5 第2分量數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)最大相對(duì)振幅屬性對(duì)比Fig.5 Correlation of maximum relative amplitude attributes between the second component data and original data

致密油薄儲(chǔ)層特殊的物性條件導(dǎo)致其內(nèi)部砂巖與泥巖的反射系數(shù)低，儲(chǔ)層響應(yīng)規(guī)律難以追蹤。本文利用子波的分解與重構(gòu)技術(shù)消除了非儲(chǔ)層信息和噪聲的影響，并以此為基礎(chǔ)利用波形分解原理得到第2 分量數(shù)據(jù)，使FI1 油層組的儲(chǔ)層特征表現(xiàn)出來，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

（1）子波分解與重構(gòu)技術(shù)突破了常規(guī)地震道數(shù)據(jù)中單一子波設(shè)定造成的局限，通過子波分解重構(gòu)后的地震數(shù)據(jù)在保證有效信息不受影響的情況下剔除了部分干擾信息，相對(duì)更好地突出了儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征。子波分解重構(gòu)技術(shù)將目的層噪聲削弱，使儲(chǔ)層的地震反射特征更加易于識(shí)別，提高了信噪比。

（2）波形分解技術(shù)能夠使強(qiáng)反射背景下的薄儲(chǔ)層弱反射特征表現(xiàn)出來，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行屬性分析會(huì)取得更好的預(yù)測結(jié)果。將重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分解得到的第2 分量數(shù)據(jù)，其相對(duì)振幅強(qiáng)弱與目的層砂巖厚度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，第2 分量數(shù)據(jù)具有明顯更高的預(yù)測符合率。

（3）子波分解重構(gòu)技術(shù)與波形分解技術(shù)二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，某些情況下應(yīng)用單一的方法就能達(dá)到預(yù)期效果，若效果不理想，可以考慮將二者結(jié)合。例如在本次研究中，2 種方法順次共同使用既提高了信噪比，又消除了強(qiáng)屏蔽帶來的影響，從而達(dá)到了提高致密油薄儲(chǔ)層的預(yù)測精度這一目的。