賀 聰，吳遠(yuǎn)東，吉利明，張明震，梁曉飛

(1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

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SP測井小波變換在單井層序劃分中的應(yīng)用

賀 聰1，2，3，吳遠(yuǎn)東1，2，吉利明1，3，張明震1，梁曉飛1，2

(1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

利用單井自然電位(SP)測井曲線經(jīng)coif5小波變換，結(jié)合露頭剖面?zhèn)鹘y(tǒng)層序地層劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討了小波變換曲線與鄂爾多斯盆地南部A井三疊系陸相延長組三級(jí)層序界面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果顯示，SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換后的d12小波(SP_coif5_d12)極大值可能對(duì)應(yīng)湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面(即層序界面)；而小波曲線的極小值對(duì)應(yīng)最大湖泛面，SP_coif5_d12小波可以作為湖盆的三級(jí)層序劃分指標(biāo)，說明coif5小波變換極值點(diǎn)位置檢測到的SP測井信號(hào)與層序界面具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法非常簡捷，在陸相湖盆層序地層研究中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其適于缺乏巖心和地震等資料的單井研究。

自然電位測井；小波變換；層序地層；鄂爾多斯盆地；延長組

0 引 言

層序地層學(xué)理論及其技術(shù)方法在陸相盆地層序分析和油氣勘探開發(fā)中的適用性和有效性已經(jīng)被學(xué)界廣泛接受，其關(guān)鍵是識(shí)別和劃分不同成因的界面以及不同級(jí)次的基準(zhǔn)面旋回[1-2]。近年來，小波分析被引入到層序地層的研究中，利用測井信號(hào)小波變換被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)定量劃分層序的有效途徑[3-7]，該技術(shù)的焦點(diǎn)是小波變換得到的信號(hào)與各級(jí)次分辨率層序的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用露頭、巖心、測井和地震等資料，根據(jù)旋回沉積學(xué)和層序地層學(xué)理論劃分層序的方法已經(jīng)很成熟，其結(jié)果通常也更易被人接受。然而獲取全井巖心和地震資料的成本很高，對(duì)于某些缺乏露頭、巖心和地震資料的井而言，傳統(tǒng)方法顯然有一定的缺陷。相比而言，利用測井信號(hào)進(jìn)行小波變換劃分層序地層則具有簡單、快速和低成本的優(yōu)勢。利用鄂爾多斯盆地南部A井的SP曲線進(jìn)行coif5小波變換，探討其與三級(jí)層序地層界面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將研究區(qū)附近露頭剖面具有高可信度的傳統(tǒng)層序地層劃分方案[8]作為對(duì)比依據(jù)，來判斷和校驗(yàn)該方法和指標(biāo)的可靠性。

1 地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國中部非常重要的含油氣盆地，是華北克拉通最穩(wěn)定的一部分，在中生代之前屬于華北古陸伸向秦祁海域的臺(tái)地邊緣區(qū)。晚三疊世開始，由于華北地臺(tái)西緣受到自西向東擠壓而形成坳陷型盆地，白堊紀(jì)晉西地區(qū)隆起后形成獨(dú)立的盆地[9]，現(xiàn)今被分為6個(gè)一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造單元。印支期華北克拉通逐漸萎縮，進(jìn)入鄂爾多斯內(nèi)陸盆地演化階段，形成了一套東北部較淺、西南部較深的，總厚度超過1 000 m的河湖相—三角洲相碎屑沉積[10]，是盆地內(nèi)重要的油氣產(chǎn)層。延長組在鄂爾多斯盆地四周都有物源區(qū)，在盆地中形成明顯的由河流沉積、三角洲沉積、半深湖沉積所組成的環(huán)狀相帶，使延長組經(jīng)歷了內(nèi)陸湖泊產(chǎn)生、發(fā)展乃至消亡的完整過程。利用研究區(qū)測井資料，根據(jù)凝灰?guī)r和泥頁巖標(biāo)志層自下而上將延長組劃分為長10—長1共10個(gè)油層組，其中盆地南部有些地區(qū)延長組頂部為長4+5，局部地區(qū)僅存長3部分地層[9]。

1.2 延長組層序地層特征

在鄂爾多斯盆地延長組的層序地層研究工作中，應(yīng)用旋回沉積學(xué)和層序地層學(xué)理論，根據(jù)露頭、巖心、測井和地震等資料已獲得了大量成果[8，11-13]。延長組頂部和底部都是區(qū)域不整合面，屬于一個(gè)二級(jí)地層層序，代表了28.4 Ma，記錄了晚三疊世鄂爾多斯湖盆整個(gè)演化階段[8]。Zou等[8]根據(jù)金鎖關(guān)露頭資料并結(jié)合盆地其他地方的多個(gè)露頭剖面識(shí)別出延長組發(fā)育4個(gè)大尺度湖侵—湖退旋回(圖1)。延長組這4個(gè)湖侵—湖退地層旋回分別對(duì)應(yīng)4個(gè)三級(jí)層序(SQ1、SQ2、SQ3和SQ4)，每個(gè)層序的時(shí)間跨度平均為7 Ma，最大湖泛面主要位于長9、長7、長4+5和長1層段中(圖1)。

圖1 金鎖關(guān)剖面延長組綜合柱狀圖(據(jù)Zou et al.， 2010，修改)

延長組頂部和底部層序界面是區(qū)域性不整合面，內(nèi)部的層序界面主要表現(xiàn)為湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面，通常是大型河道底部下切面[8]。

2 小波變換及其劃分層序的方法

小波變換是一種工具，把數(shù)據(jù)、函數(shù)或運(yùn)算符分割成不同頻率的成分，然后再用分解的方法(通過濾波器實(shí)現(xiàn))去研究對(duì)應(yīng)尺度下的各個(gè)成分。關(guān)于小波變換的原理可以參考文獻(xiàn)[14]。信號(hào)中的突變部分和奇異點(diǎn)等不規(guī)則部分通常包含重要的信息，應(yīng)用小波變換可以檢測出信號(hào)中突變點(diǎn)的位置、類型以及變化的幅度，如將信號(hào)的突變或瞬變過渡得比較陡峭或者平穩(wěn)，在小波多尺度變化上就表現(xiàn)為最大(小)值的情況[15]。常見的小波主要有haar小波、db小波、bior小波、coif小波、sym小波、morlet小波以及mexican-hat小波等，其中只有前5種小波可以用于離散小波變換，而haar小波在實(shí)際的信號(hào)處理與應(yīng)用中具有較大限制，bior小波主要用于信號(hào)與圖像的重構(gòu)，coif小波具有比db小波及其改進(jìn)小波(sym小波)更好的對(duì)稱性，因此，選取coif小波開展相關(guān)研究。coif小波表示為coifN(N=1、2、3、4、5)，N越大處理后的信號(hào)去噪效果和平滑度越好，故選用coif5小波，其小波函數(shù)、尺度函數(shù)和分解濾波器信息見圖2。

圖2 coif5小波函數(shù)、尺度函數(shù)及分解濾波器圖

小波變換具有多分辨率的特點(diǎn)，能體現(xiàn)時(shí)域、頻域的局部特征，可以模擬由粗到細(xì)的層序單元人工劃分方法[5]。測井信號(hào)提供的關(guān)于地層的各種巖性物理參數(shù)具有縱向分辨率高的特點(diǎn)，是一定時(shí)間序列內(nèi)各種沉積事件的物質(zhì)記錄，能夠真實(shí)、連續(xù)地反映所測地層的沉積特征，對(duì)研究地層多級(jí)別旋回性及識(shí)別地層信息多分辨率突變具有優(yōu)勢[7]。測井信號(hào)經(jīng)小波變換處理后可以獲得清晰的頻率結(jié)構(gòu)，探測到各頻率段之間能反映地質(zhì)環(huán)境發(fā)生突變的區(qū)域，將多個(gè)不同周期(尺度)沉積旋回疊加的測井曲線分解成各自周期獨(dú)立的沉積旋回，以尺度的形式展示出來，形成特定的界面響應(yīng)，根據(jù)多尺度因子下周期性震蕩特征與各級(jí)層序界面的對(duì)應(yīng)關(guān)系劃分層序[6]。但是目前尚未見報(bào)道測井曲線小波變換劃分層序地層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)傳統(tǒng)層序地層劃分方案來鑒定其結(jié)果的可靠程度仍然是最為有效的指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 測井曲線小波變換

在以往的小波變換劃分層序地層中，一般采用GR測井曲線。但研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，離火山口很近，GR值受濁流沉積、凝灰質(zhì)火山巖等干擾嚴(yán)重，因此，GR測井不適宜進(jìn)行該地區(qū)層序地層的劃分。而SP測井是另外一個(gè)最常用來劃分層序地層的測井曲線，因此選取SP曲線作為劃分層序地層的原始信號(hào)。利用Matlab R2013a軟件自帶的小波分析工具箱對(duì)A井延長組的SP測井信號(hào)基于coif5小波多尺度離散變換結(jié)果如圖3。其中S代表自然電位測井原始信號(hào)(SP，單位為mV)，a代表低頻信號(hào)，d代表高頻信號(hào)。原始信號(hào)S第1次分解獲得低頻信號(hào)a1和高頻信號(hào)d1，第2次將低頻信號(hào)a1分解為低頻信號(hào)a2和高頻信號(hào)d2，依次將信號(hào)進(jìn)行12次分解(圖3a)，最后獲得高頻信號(hào)d1～d12和低頻信號(hào)a12，這13個(gè)信號(hào)之和即為原始信號(hào)S(圖3b)。完全分解模式圖中的橫坐標(biāo)從左到右代表由淺到深方向，坐標(biāo)值為自然電位測井采樣點(diǎn)序數(shù)，采樣點(diǎn)總數(shù)為9 200，對(duì)應(yīng)該井段總深度460 m(圖3b)。

3.2 層序界面劃分與討論

根據(jù)前人研究的經(jīng)驗(yàn)[3-4，6-7]，通常利用測井曲線小波變換所得到的高頻信號(hào)的低頻部分信號(hào)與各級(jí)次的高分辨率層序地層相對(duì)應(yīng)。將SP曲線coif5小波分解后的各級(jí)信號(hào)(圖3)分別與研究區(qū)金鎖關(guān)剖面的三級(jí)層序劃分方案(圖1)[8]對(duì)比，主要比較小波變換曲線的極大(小)值位置和三級(jí)層序界面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第12次分解獲得的低頻部分信號(hào)d12與該方案較吻合(圖4)。金鎖關(guān)露頭剖面距離A井僅10 km左右(圖1)，兩者沉積環(huán)境和層序發(fā)育一致，因此，具有可比性。從圖4中可以看出，SP小波變換曲線(SP_coif5_d12)的2個(gè)最大值處對(duì)應(yīng)2個(gè)湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面(內(nèi)部層序界面)，分別是長82頂部和長62頂部；而3個(gè)最小值處對(duì)應(yīng)3個(gè)最大洪泛面，分別是長9下部、長7下部和長4+5頂部。在長10—長4+5地層中，長10—長82和長81—長62是2個(gè)完整的湖侵—湖退旋回，對(duì)應(yīng)2個(gè)完整的三級(jí)層序，而長61—長4+5是1個(gè)湖侵半旋回，對(duì)應(yīng)半個(gè)三級(jí)層序，這個(gè)劃分結(jié)果與金鎖關(guān)露頭剖面層序劃分結(jié)果完全一致。除此之外，根據(jù)圖4中長7中下部GR曲線異常高值段可以判斷其為熱頁巖層段，即延長組區(qū)域性標(biāo)志層張家灘油頁巖，是已經(jīng)公認(rèn)的最大湖泛面(凝縮層段)發(fā)育位置，與小波變換后識(shí)別出的長7段最大湖泛面位置也很吻合。由此可見，可以將SP曲線經(jīng)coif5小波變換后的d12小波(SP_coif5_d12)作為研究區(qū)三級(jí)層序劃分標(biāo)準(zhǔn)，其中SP_coif5_d12小波的極大值處對(duì)應(yīng)三級(jí)層序的層序界面(湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面)，而極小值處對(duì)應(yīng)最大湖泛面。

圖3 SP曲線coif5小波變換

圖4 A井延長組(長10—長4+5)層序地層劃分[8]

SP測井小波變換后的曲線極大(小)值處與層序界面(最大湖泛面)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能與小波變換識(shí)別信號(hào)的奇異點(diǎn)(突變點(diǎn))作用密切相關(guān)。在信號(hào)檢測中，突變點(diǎn)的位置可以是小波變換的過零點(diǎn)，也可以是極值點(diǎn)，但一般來說，根據(jù)極值點(diǎn)做檢測比根據(jù)過零點(diǎn)做檢測更準(zhǔn)確[16]。根據(jù)此次研究的結(jié)果，層序界面突變點(diǎn)的位置明顯是與極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)。SP_coif5_d12小波與研究區(qū)三級(jí)層序界面表現(xiàn)出一致性，說明對(duì)應(yīng)小波變換識(shí)別出的信號(hào)奇異點(diǎn)可能就是三級(jí)層序界面，因此，可以將其作為湖盆三級(jí)層序的劃分指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1)SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換劃分鄂爾多斯陸相湖盆南部延長組層序地層具有可行性，SP_coif5_d12小波的極大值處對(duì)應(yīng)三級(jí)層序的層序界面(湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面)，極小值處對(duì)應(yīng)最大湖泛面，說明coif5小波變換極值點(diǎn)位置檢測到的自然電位測井信號(hào)突變點(diǎn)與層序界面有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換后，頻繁突變的信號(hào)曲線變得平滑，突出顯示突變強(qiáng)度最大的信息，使得層序界面的識(shí)別變得簡便、快速，在陸相湖盆層序地層劃分中具有實(shí)用價(jià)值，尤其是在巖心和地震等資料缺乏的單井應(yīng)用中更是可以降低研究成本。

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編輯 黃華彪

20150807；改回日期：20150928

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)“頁巖氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”(XDB10010103)；國家自然科學(xué)基金“鄂爾多斯盆地三疊系延長組湖相烴源巖藻類母質(zhì)及其屬性研究”(41172131)；甘肅省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)“鄂爾多斯盆地延長組烴源巖顯微組分特征及其對(duì)頁巖含氣性的影響”(1309RTSA041)

賀聰(1988-)，男，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)為中國科學(xué)院礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事石油與天然氣地質(zhì)研究

蘇奧(1989-)，男，工程師，2011年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油工程專業(yè)，2014年畢業(yè)于該校礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事盆地流體地質(zhì)油氣成藏及地球化學(xué)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.006

TE122.3

A

1006-6535(2015)06-0025-05