相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)
——以勝利油田埕島地區(qū)河道砂為例

羅紅梅 楊培杰* 王延光 穆 星 王長(zhǎng)江

(①中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015； ②中國(guó)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng) 257015)

0 引言

頻率域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)[1]已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要利用地震振幅譜信息檢測(cè)儲(chǔ)層流體[2]、預(yù)測(cè)薄互層[3]、劃分地層旋回[4]以及提高分辨率處理[5]等。地層結(jié)構(gòu)特征以及含油氣性是引起地震振幅譜變化的主要因素，在同樣的地層速度組合情況下，地層越厚，地震數(shù)據(jù)的主頻越低，因此可以通過(guò)振幅譜隨時(shí)間的變化特征定量解釋地層厚度以及劃分地層旋回。儲(chǔ)層含流體會(huì)導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)低頻能量增加、高頻能量衰減現(xiàn)象發(fā)生，利用這一特征可檢測(cè)儲(chǔ)層流體。此外，不同巖性、物性變化還會(huì)引起地震信號(hào)相位變化，因此，從地震數(shù)據(jù)中有效地提取相位信息并進(jìn)行分析，一直是地震數(shù)據(jù)處理和解釋的熱點(diǎn)之一。

相位信息在油藏地球物理數(shù)據(jù)處理中具有重要作用，在進(jìn)行子波估計(jì)和反褶積時(shí)[6]，要考慮子波的相位信息，如最小相位、零相位、混合相位等，不同相位假設(shè)具有不同的相位估計(jì)和反褶積結(jié)果； 在地震反演方面，相位信息用于全波形反演[7]、波阻抗反演[8]、品質(zhì)因子Q反演[9]等方面，有效地減小了多解性，提高了反演精度； 在地震資料解釋方面，主要將相位作為一種地震屬性進(jìn)行分析和處理，如通過(guò)瞬時(shí)相位信息識(shí)別超剝線[10]、計(jì)算薄層厚度[11-12]等。目前，利用由地震數(shù)據(jù)的相位分解與重構(gòu)[13-14]得到的分相位數(shù)據(jù)體可有效識(shí)別特殊地質(zhì)體以及目標(biāo)儲(chǔ)層[15]。

相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)利用地震數(shù)據(jù)的相位譜信息預(yù)測(cè)儲(chǔ)層，包括三個(gè)步驟：一是地震道的相位分解與重構(gòu)，可得到相位重構(gòu)后的分相位地震數(shù)據(jù)以及相位道集； 二是敏感相位分析，根據(jù)研究區(qū)的地震、地質(zhì)特征得到對(duì)儲(chǔ)層變化最敏感的相位； 三是應(yīng)用地震屬性分析技術(shù)分析分相位數(shù)據(jù)體，主要包括剖面分析以及切片分析等，最終實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。本文將相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)用于河道砂體描述，預(yù)測(cè)精度較高，為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了更豐富的技術(shù)手段。

1 地層組合及其地震相位特征

地震數(shù)據(jù)可以看作是地震子波與地層反射系數(shù)褶積的結(jié)果，而不同相位的地震子波、不同反射系數(shù)及其組合產(chǎn)生的地震瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是不同的[15]。從地震、地質(zhì)的角度來(lái)看，地震振幅和相位信息與地質(zhì)體的地層組合有關(guān)。對(duì)于不同地層組合模型，采用零相位30Hz雷克子波進(jìn)行正演，得到合成記錄。結(jié)果表明：對(duì)于地層組合1～組合6，在界面處合成記錄分別呈近似0°(圖1a右)、180°(或-180°)(圖1b右)、90°(圖1c右)、-90°(圖1d右)、45°(圖1e右)、-45°(圖1f右)相位特征[16]，即不同的地層組合對(duì)應(yīng)不同相位的地震波形，這是相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)。

圖1 不同地層組合模型(左)的反射系數(shù)(中)、合成記錄(右)

在分析研究區(qū)的敏感相位的基礎(chǔ)上，通過(guò)分相位重構(gòu)得到只包含指定相位信息的地震數(shù)據(jù)(單相位數(shù)據(jù)體)，表示某種地層組合的地震響應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行屬性分析實(shí)現(xiàn)相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。

2 相位分解與重構(gòu)

相位分解的目的是提取相位信息以及分相位重構(gòu)。分頻重構(gòu)[17]是為了得到只包含特定頻率信息的地震數(shù)據(jù)(如主頻45Hz數(shù)據(jù)體)； 分相位重構(gòu)是為了得到只包含特定相位信息的地震數(shù)據(jù)(如45°相位數(shù)據(jù)體)，主要包括時(shí)頻分析、相位分解以及分相位重構(gòu)等內(nèi)容。

2.1 基于反演的時(shí)頻分析

相位分解是通過(guò)時(shí)頻分析實(shí)現(xiàn)的。目前常用的時(shí)頻方法包括S變換[17]、短時(shí)傅里葉變換[18]、小波變換[19]等，這些方法的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損的正、反變換。本文采用結(jié)合傅里葉變換和反演理論[16,20]的譜估計(jì)方法(Inversion based Spectral Analysis, ISA)[21-23]進(jìn)行時(shí)頻分析，相對(duì)于上述方法，ISA方法具有更高的頻率分辨率和相位譜穩(wěn)定性。

定義如下正演過(guò)程

d=Fm

(1)

式中：d為待分析信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，d往往是實(shí)數(shù)，為了提高時(shí)頻估計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定性和分辨率，可以通過(guò)Hilbert變換將d轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)形式；m為待求的頻譜向量；F為由不同頻率的三角函數(shù)F

F(t,f)=cos(2πft)+isin(2πft)

(2)

構(gòu)成的矩陣。式中：t為時(shí)間；f為頻率。由式(2)可以看出，F(xiàn)(t,f)為由正弦和余弦三角函數(shù)組成的復(fù)數(shù)。

在式(1)中，已知d和F，求m，是一個(gè)典型的反問(wèn)題。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，式(1)往往是超定或欠定的，所以沒(méi)有精確解。通過(guò)約束最小二乘法，可以得到ISA的解

me=(FTF+μΩ)-1FTd

(3)

式中：Ω為約束對(duì)角矩陣[16]；μ為權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)節(jié)約束，在實(shí)際求解過(guò)程中，可不斷調(diào)節(jié)μ值，直至獲得一個(gè)時(shí)間分辨率和頻率分辨率折中的時(shí)頻分析結(jié)果。在加入μΩ約束分量后，可以有效地提高頻譜分析過(guò)程的穩(wěn)定性。對(duì)地震數(shù)據(jù)逐點(diǎn)加窗求解式(3)，即可得到待求信號(hào)的時(shí)頻譜me。

2.2 相位分解

在ISA時(shí)頻分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)

(4)

可以得到地震數(shù)據(jù)的相位譜信息。式中：ISA(f,t)為通過(guò)ISA獲得的時(shí)頻分析結(jié)果；B(f,θ,t)為地震數(shù)據(jù)的瞬時(shí)相位信息，θ為相位角； Im[·]表示取虛部； Re[·]表示取實(shí)部。通過(guò)式(4)得到的θ∈[-180°,180°]。

圖2為地震道及其ISA時(shí)頻分析結(jié)果。由圖可見(jiàn)，相位譜在地震有效頻帶范圍內(nèi)(0～80Hz)的相位分辨率和穩(wěn)定性較高(圖2c)，從而保障了相位重構(gòu)結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖2 地震道及其ISA時(shí)頻分析結(jié)果

2.3 主頻平均相位

為了提高相位信息分離的實(shí)用性和穩(wěn)定性，本文提出了地震道“主頻平均相位”的概念，對(duì)于相位譜，需要提取地震道的二維相位譜主要信息，并將其轉(zhuǎn)化為向量形式，即將二維相位譜轉(zhuǎn)化為一維信號(hào)。

所謂的主頻平均相位，是將某一時(shí)刻地震數(shù)據(jù)時(shí)頻譜主頻附近的相位信息加權(quán)疊加(一般采用算數(shù)平均值)，并將該平均值作為該時(shí)刻地震數(shù)據(jù)的相位。如原始地震數(shù)據(jù)(圖2a)的主頻約為25Hz，故選擇10～30Hz的相位譜求取算數(shù)平均值，得到主頻平均相位曲線(圖2d)?？梢?jiàn)，主頻平均相位的曲線變化非常平直，在[-180°,180°]范圍存在突變，經(jīng)過(guò)相位解纏繞后，該突變點(diǎn)消失，形成一條連續(xù)的相位曲線。主頻平均相位可用于相位道集以及分相位數(shù)據(jù)重構(gòu)。

2.4 分相位重構(gòu)

在主頻平均相位分析的基礎(chǔ)上，設(shè)定待重構(gòu)的相位值θd

θd∈[-180°,180°]

(5)

將θd范圍以外的相位值化為零，在θd范圍對(duì)頻率信息積分，再進(jìn)行傅里葉反變換，即可得到分相位重構(gòu)地震道，即

(6)

式中：D(θd,t)為重構(gòu)后只包含指定相位的地震數(shù)據(jù)； [f1，f2]為積分的頻率范圍，一般包括全頻帶信息。

對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分相位重構(gòu)，就可以得到只含有該相位的地震數(shù)據(jù)，如，重構(gòu)出-90°、0°、90°相位分量。圖3為地震道分相位重構(gòu)。由圖可見(jiàn)：-90°相位分量只包含原始地震數(shù)據(jù)(圖3a)的-90°相位成分，波形呈從波谷到波峰的變化(圖3b)； 0°相位分量只包含原始地震數(shù)據(jù)(圖3a)的0°相位成分，波形呈一個(gè)主瓣外加兩個(gè)旁瓣的近似對(duì)稱形態(tài)(圖3c)； 90°相位分量只包含原始地震數(shù)據(jù)(圖3a)的90°相位成分，波形呈從波峰到波谷的變化(圖3d)； 將所有的分相位數(shù)據(jù)體疊加，可以無(wú)損恢復(fù)原始地震數(shù)據(jù)(圖3a的相位合成數(shù)據(jù))。

圖3 地震道分相位重構(gòu)

2.5 相位道集

所謂相位道集[13-14]，就是對(duì)一道地震數(shù)據(jù)在[-180°,180°]范圍分相位重構(gòu)，然后在橫向排列形成道集。相位道集是非常重要的概念，具有如下特點(diǎn)：①相位道集包含了[-180°,180°]范圍的地震道所有相位信息； ②每個(gè)相位對(duì)應(yīng)的地震道只包含該相位數(shù)據(jù)，即為單相位數(shù)據(jù)； ③將相位道集的所有數(shù)據(jù)橫向疊加，可無(wú)損恢復(fù)原始地震數(shù)據(jù)。

在理論上，相位道集存在無(wú)數(shù)相位道。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高實(shí)用性，往往假設(shè)相位取整數(shù)，間隔為1°，則會(huì)得到361條相位道。圖4為地震道及其相位道集。由圖可見(jiàn)，相位道集(圖4b)非常直觀地描述了地震道(圖4a)隨相位變化的特征。

圖4 地震道(a)及其相位道集(b)

3 敏感相位分析方法

確定研究區(qū)的敏感相位是相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂敏感相位，就是指對(duì)研究區(qū)的儲(chǔ)層參數(shù)變化敏感的相位值。在確定了敏感相位后，通過(guò)分相位重構(gòu)技術(shù)得到分相位數(shù)據(jù)體。

敏感相位分析主要有兩種思路：一是理論分析法，主要適用于由速度或波阻抗信息能夠較好地區(qū)分巖性的地區(qū)，首先進(jìn)行速度分析，然后根據(jù)地震正演結(jié)果分析敏感相位； 二是定性觀察法，主要適用于由速度和波阻抗信息無(wú)法較好地區(qū)分巖性以及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)較少的地區(qū)，首先提取井旁地震道制作相位道集，然后在相位道集周圍移動(dòng)巖性曲線，觀察并確定與巖性最匹配的敏感相位。

4 二維模型驗(yàn)證

選用泥包砂波阻抗模型(圖5a)，在兩套厚層泥巖之間夾10ms厚的薄層(河道間泥巖、河道砂體)，采用25Hz雷克子波制作地震合成記錄(圖5b)。由圖可見(jiàn)：在合成地震記錄上不能體現(xiàn)薄層波阻抗的橫向差異(圖5b)； 合成地震記錄90°相位分量(圖5c)放大了薄層內(nèi)細(xì)微的橫向阻抗差異(黑色箭頭處)，易于識(shí)別，并且同相軸與合成地震記錄(圖5b)一一對(duì)應(yīng)。

圖5 橫向波阻抗變化模型與90°相位合成地震記錄

5 實(shí)際應(yīng)用

5.1 工區(qū)概況

勝利油田埕島地區(qū)東部斜坡帶[24]位于渤中凹陷西南部(圖6)，該地區(qū)CB27井區(qū)分別在新近系館陶組上3砂組(Ngs3)和館陶組上4砂組(Ngs4)上報(bào)儲(chǔ)量，單井日產(chǎn)普遍在幾十噸以上，表明這些層系是增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要目標(biāo)。為此，希望在該區(qū)應(yīng)用相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)精細(xì)刻畫河道。

圖6 工區(qū)位置

5.2 敏感相位分析

統(tǒng)計(jì)CB27、CB273、CB272等10口井的Ngs3和Ngs4地層速度表明，砂體速度為2400～2700m/s，泥巖速度為2520～2900m/s，整體表現(xiàn)為砂巖低速、泥巖高速，初步分析認(rèn)為-90°相位數(shù)據(jù)體能夠更好地刻畫河道砂的形態(tài)。

由井旁道相位道集進(jìn)一步分析敏感相位，制作了CB27、CB272井井旁道相位道集(圖7)。通過(guò)左、右移動(dòng)巖性柱子，發(fā)現(xiàn)巖性信息和-80°周圍相位的地震信息具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此認(rèn)為Ngs3和Ngs4的敏感相位為-80°。

圖7 CB27(a)、CB272井(b)井旁道相位道集與巖性灰度圖為井的巖性信息，黑色箭頭處指示砂體，數(shù)值表示深度(m)

5.3 地震數(shù)據(jù)分相位重構(gòu)

該區(qū)的敏感相位為-80°，首先進(jìn)行相位分解，然后保留-80°相位信息并實(shí)現(xiàn)-80°相位重構(gòu)。圖8為井旁道原始地震剖面與-80°相位地震剖面。由圖可見(jiàn)，-80°相位數(shù)據(jù)去除了部分非河道的地震反射信息，進(jìn)一步放大了河道與圍巖和蓋層的振幅差異，分辨率更高，更清晰、準(zhǔn)確地刻畫了河道砂體(圖8b)。

圖8 井旁道原始地震剖面(a)與-80°相位地震剖面(b)

5.4 屬性分析與對(duì)比

以Ngs3層位為基礎(chǔ)，提取-80°相位的沿層地震屬性，圖9為Ngs3向下20ms的原始平均振幅屬性與-80°相位平均振幅屬性平面圖及剖面分析。由圖可見(jiàn)， -80°相位平均振幅屬性(圖9b)清楚地反映了河道橫向邊界，合理剔除了縱向干擾信息，清晰地刻畫了大河道(黑色長(zhǎng)箭頭處，CB25井河道寬度約1000m)邊界及小河道(黑色短箭頭處，河道寬度約80m)。因此，分相位數(shù)據(jù)體有效提高了識(shí)別不同級(jí)別河道的分辨能力。

圖9 Ngs3向下20ms的原始平均振幅屬性(a)與-80°相位平均振幅屬性(b)平面圖及剖面分析圖a中AB、CD為原始地震剖面； 圖b中AB、CD為-80°相位平均振幅屬性剖面

圖10、圖11分別為Ngs3向上15、30ms的原始平均振幅屬性與-80°相位平均振幅屬性平面圖?？梢?jiàn)，相對(duì)于原始平均振幅屬性(圖10a、圖11a)，-80°相位平均振幅屬性清楚地刻畫了河道，分辨率更高(圖10b、圖11b)，在Ngs3-Ngs4共識(shí)別2條主河道及一系列小河道，有效提高了河道描述精度。

圖10 Ngs3向上15ms的原始平均振幅屬性(a)與-80°相位平均振幅屬性(b)平面圖

圖11 Ngs3向上30ms的原始平均振幅屬性(a)與-80°相位平均振幅屬性(b)平面圖

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)提出了相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的概念和具體實(shí)現(xiàn)流程。相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的核心是相位分解與重構(gòu)，分析和確定敏感相位是相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成敗的關(guān)鍵。

(2)對(duì)于不同的巖性組合，對(duì)其地震響應(yīng)的不同相位重構(gòu)得到的分相位數(shù)據(jù)體可能會(huì)在某些相位產(chǎn)生一定程度的振幅異常，故可以采用相位重構(gòu)方法區(qū)別巖性。

(3)針對(duì)不同的研究工區(qū)，需要結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定并重構(gòu)敏感相位，最終通過(guò)地震屬性分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位域儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。