基于頻率域高頻恢復(fù)技術(shù)的頁巖氣薄儲層識別方法
——以四川盆地瀘州地區(qū)深層頁巖氣為例

康 昆 楊衛(wèi)寧 李文佳 李鴻明 王 夢 呂康馨

1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探研究院 2.中國石化西南石油局西南油氣分公司采氣一廠

0 引言

下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地下古生界的3套優(yōu)質(zhì)黑色頁巖，其中下志留統(tǒng)龍馬溪組具有分布面積廣、厚度大等特點，具備較好的生烴能力，是四川盆地主力烴源巖，其中志留系龍馬溪組龍一11-2小層頁巖是目前四川盆地川南地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的主力層段[1]。當(dāng)前，我國頁巖氣勘探開發(fā)已進入增儲上產(chǎn)的關(guān)鍵時期，在頁巖氣開發(fā)中，水平井鉆遇率是決定開發(fā)效果的關(guān)鍵影響因素。志留系龍馬溪組龍一11-2小層厚度約10 m，其中黃金箱體厚度僅3～5 m。由于地震縱向分辨率受限，在常規(guī)三維地震剖面中無法識別龍一11-2小層，導(dǎo)致在水平井鉆進中常常鉆出箱體，大大影響了水平井鉆遇率[2-4]，進而影響頁巖氣開發(fā)效果。

隨著頁巖氣地震勘探開發(fā)的深入，通過提高地震分辨率識別龍—11-2小層已成為迫切需求，在開發(fā)過程中，為了提高箱體（龍一11-2小層）的鉆遇率，開展疊后高分辨處理技術(shù)研究來識別龍一l1-2小層，為水平井井位部署、井軌跡優(yōu)化以及保證頁巖氣水平井準(zhǔn)確入靶及鉆進提供支撐[5-7]。

目前國內(nèi)外針對薄層識別、高分辨率地震資料處理方面已經(jīng)做了大量研究，并取得較好成效，尤其是在利用地震資料開展薄砂層識別技術(shù)和方法上已經(jīng)有了很大突破。在地震處理中，有許多方法可提高地震分辨率、擴展信號帶寬，如地震資料處理常用的疊前和疊后反褶積（包括地表一致性處理、反Q、譜白化等方法），精細(xì)速度分析（包括表層速度模型建立），高精度靜校正及小波變換等方法都會提高分辨率。但這些方法在提高分辨率的同時通常會增加噪聲，而且預(yù)期改進量小于一個倍頻程（移頻效應(yīng)），其有效性值得進一步探討商榷。而高分辨率地震資料處理的關(guān)鍵在于如何有效地拓寬信號頻帶范圍，特別是合理的拓寬高頻。只有在拓展高頻成分的同時保持低頻成分，并且不降低地震數(shù)據(jù)的信噪比，高分辨率處理方法才有實用價值[8-13]。

針對上述問題，本文基于頻率域的高頻恢復(fù)技術(shù)是一種以信號時頻分解技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)信號諧波準(zhǔn)則，對地震信號缺失的高低頻信息進行恢復(fù)的地震信號高分辨率處理技術(shù)。該方法利用有效頻帶內(nèi)的地震信號，采用小波變換將其分解為各基頻信號，根據(jù)諧波準(zhǔn)則計算各基波的諧波與次諧波，將其回加入原小波系數(shù)中，進行小波逆變換即可實現(xiàn)信號缺失的高低頻恢復(fù)。理論數(shù)值實驗與實際資料處理均證實了該技術(shù)的可靠性和科學(xué)性，本文方法為薄儲層識別提供了又一有力工具，保障了水平井優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，具有較好應(yīng)用和推廣價值。

1 模型正演分析

四川盆地志留系龍馬溪組自下而上分為龍一段和龍二段，龍一段自下而上分為龍一1亞段和龍一2亞段，根據(jù)巖性、電性特征和沉積構(gòu)造的差異進一步將龍一1亞段可細(xì)分為龍一11、龍一12、龍一13、龍一14四個小層，目前頁巖氣開發(fā)主要目的層段龍一11-2小層的厚度都小于10 m。開展提高分辨率處理的主要目的是識別龍一11-2小層位置，為水平井軌跡設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

由實鉆井建立的正演模型（圖1）可知，龍一1亞段頂界在常規(guī)地震剖面頻率段（通常為5～60 Hz）表現(xiàn)為一波谷反射，底界為強波峰反射。通過不斷提高正演雷克子波最大有效頻率，龍一1亞段頂界波谷反射逐步集中，變窄。當(dāng)最大頻率到150 Hz時，龍一12小層底界為一弱波峰反射，龍一14小層底界表現(xiàn)為弱波谷反射。

圖1 LXX井儲層模型正演圖

根據(jù)實際地質(zhì)模型建立二維地震正演模型，由正演結(jié)果（圖2）可知，當(dāng)子波（雷克子波）頻帶從5～60 Hz逐步提升到5～100 Hz時，五峰組頂?shù)捉绮ǚ逯鸩绞照?，龍?亞段整體為波谷反射，波形逐漸變窄。當(dāng)子波頻帶提升至5～130 Hz，龍一1亞段波谷變?yōu)閺?fù)波，提升至140 Hz時開始出現(xiàn)弱波峰反射，至150 Hz時波峰反射變清晰。同時，正演結(jié)果顯示，無論地震分辨率提高多少，五峰組底界強波峰反射相位特征始終保持一致，不隨頻率的提高而發(fā)生改變。

圖2 實鉆井地質(zhì)模型及不同頻率段帶通子波正演圖

2 原始資料分析

評價原始疊前時間偏移地震資料可知，本次地震資料信噪比相對較高，區(qū)域標(biāo)志層地震反射特征清晰。從地震頻譜來看，地震數(shù)據(jù)主頻為25 Hz，有效頻率介于10～50 Hz（圖3），此時最大可識別頁巖厚度為50 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際地質(zhì)對薄層分辨的需求。

圖3 目的層段地震數(shù)據(jù)頻譜圖

3 提高分辨率處理

3.1 方法原理

地震分辨率是地震勘探工作中獲取地層細(xì)節(jié)信息的關(guān)鍵因素。分辨率包括縱向分辨率和橫向分辨率，縱向分辨率通常是地震信號的頻率函數(shù)，因而，拓展地震資料帶寬問題一直是地球物理研究的重點領(lǐng)域[14]。

基于諧波理論的地震信號頻帶拓寬技術(shù)，是一種以信號時頻分解技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)信號諧波準(zhǔn)則，對地震信號缺失的高低頻信息進行恢復(fù)的地震信號高分辨處理技術(shù)。該技術(shù)利用有效頻帶內(nèi)的地震信號，采用小波變換將其分解為各基頻信號，根據(jù)諧波準(zhǔn)則計算各基波的諧波與次諧波，將其回加入原小波系數(shù)中，進行小波逆變換即可實現(xiàn)信號缺失的高低頻恢復(fù)，該方法為薄儲層識別提供了又一有力工具[15-18]。

該技術(shù)主要根據(jù)傅里葉變換諧波分析原理，采用了地震信號的諧波模型：

式中s(t)表示地震信號；mk(t)代表單個時變諧波成分；e(t)表示噪聲或者干擾。

利用小波變換對地震信號進行時頻分解，得到一系列的基頻分量。對于分解出的每一個時變諧波分量（或稱為基頻分量），可視為某種頻率下地層反射系數(shù)的諧波分量。在已知基頻分量的情況下，通過計算出基頻分量的k次諧波分量，當(dāng)k為大于1的整數(shù)時，相當(dāng)于計算恢復(fù)了基頻分量的高次諧波分量，即恢復(fù)了高頻信息；當(dāng)k為小于1，大于0的真分?jǐn)?shù)時，相當(dāng)于計算恢復(fù)了基頻分量的次諧波分量，即恢復(fù)了低頻信息。

3.2 處理參數(shù)試驗

針對預(yù)處理后的地震數(shù)據(jù)，不斷調(diào)試參數(shù)，選擇既能滿足薄層識別要求，又能保持信噪比的參數(shù)。通過高分辨處理參數(shù)試驗，本次的地震資料最大頻率提高到140 Hz，就能有效識別龍一12小層底界面。

4 可靠性分析

通過高分辨處理，獲得高分辨率地震數(shù)據(jù)體，下步將進行裂縫預(yù)測、屬性分析、優(yōu)質(zhì)頁巖預(yù)測，因此，有必要研究高分辨率處理的可靠性和有效性。

本次處理采用了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁Y料可靠性分析流程，從3個方面對處理結(jié)果的可靠性及有效性進行了驗證。

4.1 可恢復(fù)性

處理結(jié)果不能破壞原始地震資料的有效信息，處理后的資料可以或近似恢復(fù)到原始地震資料。很多地球物理學(xué)家對地震資料的分辨率與頻帶的關(guān)系做了大量的研究，俞壽朋[19]對地震分辨率做了詳細(xì)的論述，指出在子波是零相位的情況下，分辨率取決于頻率的絕對寬度而非主頻。李慶忠[20]指出不同的頻率成分有不同的用處，特別強調(diào)了不能忽視低頻能量對地震資料分辨率的作用。因此真正的高分辨率處理結(jié)果是高頻部分能夠得到提高，低頻部分也能夠保持，這樣才是真正拓寬了地震資料的有效頻帶。而多數(shù)提高分辨率處理技術(shù)只注重高頻部分能量的提升，往往忽視低頻部分能量的保持，得到視分辨率很高的地震剖面，但由于低頻能量的損傷或者相對降低，破壞了地震信息的空間連續(xù)性，不利于后續(xù)地震屬性提取和反演，因此不能用于后續(xù)綜合解釋的提高分辨率處理是缺少實用價值的[21-22]。

根據(jù)目的層 1 500 ～ 2 100 ms時窗內(nèi)的頻譜特征（圖4），以原始資料的有效頻寬為基礎(chǔ)，按照2個頻段（0～50 Hz中低頻分量、50～140 Hz高頻分量）分別進行掃描。其中0～50 Hz處理前后頻譜整體形態(tài)基本一致，50～140 Hz頻譜特征差異較大，處理后頻譜拓寬，高頻部分能量提高。

圖4 高分辨率處理前后頻譜對比圖

對比處理前全頻段數(shù)據(jù)與處理后的高頻分量，處理后的高頻分量較好地保持了原有地層結(jié)構(gòu)信息和波組能量特征。并且在處理后的高頻分量數(shù)據(jù)上可以反映出更多在原始數(shù)據(jù)上無法得到的地層細(xì)節(jié)信息。

4.2 反射波屬性的保持

處理不能破壞原始地震資料中反射能量的分布特征和空間分布關(guān)系。地震反射波屬性分析是檢驗提高分辨率結(jié)果可靠性及有效性的另一個常用手段。為此，通過對高分辨處理前后的地震數(shù)據(jù)開展瞬時屬性提取與對比，驗證處理結(jié)果可靠性。

瞬時振幅屬性反映了給定時刻反射信號能量大小及能量衰減情況，本次研究主要通過瞬時振幅處理前后相對振幅變化特征做對比，以確定其結(jié)果保幅性。圖5為高分辨處理前后瞬時振幅對比剖面，對比結(jié)果顯示，原始數(shù)據(jù)瞬時振幅在縱向上五峰組底界層位為強反射特征，下部為中弱反射特征。處理后瞬時振幅的橫向相對變化特征保持不變，但分辨率提高，細(xì)節(jié)更加豐富。高分辨處理后斷層邊界更清晰，其瞬時振幅變化趨勢也一致，表明處理結(jié)果保幅（圖6）。

圖5 過井高分辨率處理前后瞬時振幅屬性對比剖面圖

圖6 過井高分辨率處理前后瞬時振幅屬性對比平面圖

4.3 與鉆井資料的可對比性

處理結(jié)果與鉆井?dāng)?shù)據(jù)可對比，通過鉆井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)定，結(jié)果吻合。圖7為高分辨率處理前、后的合成記錄與過井地震道對比，可見五峰組底界標(biāo)志層強反射同相軸波形完全一致，僅由于分辨率提高導(dǎo)致其縱向?qū)挾茸冋?，說明反射界面的反射特征得到很好地保持。處理前、后的波組特征（強波組、弱波組的分布）變化規(guī)律完全一致，表明處理結(jié)果未改變資料的橫向保幅性。

圖7 高分辨處理前后合成記錄標(biāo)定對比圖

5 實際應(yīng)用效果分析

5.1 基于高分辨率地震資料的精細(xì)儲層預(yù)測

圖8為過井高分辨率處理數(shù)據(jù)與波阻抗剖面圖。通過標(biāo)定可知，五峰組底界以下為高阻抗特征，色標(biāo)表現(xiàn)為綠色，波阻抗值在13 500 g/cm3·m/s以上。五峰組底界到龍一11小層之間，以低波阻抗為主，其值小于 10 500 g/cm3·m/s，地震波阻抗反演色標(biāo)顯示為藍(lán)色—紫紅色。龍一11小層為中波阻抗特征，波阻抗值介于 11 000 ～ 13 000 g/cm3·m/s之間，地震波阻抗反演色標(biāo)為紅色—黃色。龍一12-4小層之間為高波阻抗特征，其值在 13 500 g/cm3·m/s以上，地震波阻抗反演色標(biāo)為綠色。波阻抗反演剖面基本能區(qū)分龍一1亞段各小層，但受模型影響，地層邊界模糊，部分地區(qū)清晰度不夠[23-25]。

圖8 過井高分辨率處理數(shù)據(jù)與波阻抗反演剖面圖

5.2 基于高分辨率地震資料的微裂縫預(yù)測

首先進行了不同斷距的小斷層正演模型分析，圖9為不同頻率正演模型疊合相位分析剖面，可知在30 Hz（雷克子波）剖面上斷距為5～10 m微小斷層沒有任何響應(yīng)，而在60 Hz（雷克子波）高分辨率處理后的剖面上相位錯動明顯。由此可見，可以運用高分辨率處理成果來提高微小斷裂的預(yù)測精度。

圖9 模型正演疊合瞬時相位剖面圖

圖10為過HXX井鉆井軌跡及相位屬性剖面圖，利用高分辨率相位剖面在隨鉆跟蹤過程中預(yù)測井深4 120 m 左右可能出現(xiàn)小斷裂，實鉆過程中在 4 115 m鉆遇小斷裂；井深5 310 m左右提示可能有斷層出現(xiàn)，實鉆過程中在5 315 m左右出現(xiàn)斷層。可見高分辨率相位屬性可對水平段的微斷裂進行預(yù)測，對可能鉆遇的斷裂進行預(yù)警，為鉆前評估和風(fēng)險預(yù)測提供了技術(shù)支撐。

圖10 過HXX井鉆井軌跡疊前深度偏移疊合瞬時相位屬性剖面圖

6 結(jié)論

1）基于諧波成像的高分辨處理方法，能雙倍拓展頻寬，同時保證低頻振幅信息和標(biāo)志層相位不變，結(jié)果保真保幅，有利于頁巖薄層識別。

2）基于高分辨率地震資料的儲層預(yù)測，縱向分辨率從30 m提高到約10 m，為水平井井位部署、井軌跡設(shè)計提供了支撐。

3）利用高分辨率處理成果對水平井鉆井進行隨鉆跟蹤指導(dǎo)，能較好地預(yù)判微小斷裂，為預(yù)防鉆井事故、提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率等奠定了基礎(chǔ)，保障了水平井優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，該方法具有較廣泛應(yīng)用和借鑒價值。