張水山

(中國石化江漢油田分公司 物探研究院，武漢 430035)

論“低頻陰影”分析方法

張水山

(中國石化江漢油田分公司 物探研究院，武漢 430035)

近年來國內(nèi)學(xué)者從數(shù)值模擬、瞬時譜的計算和實例應(yīng)用等方面對“低頻陰影”分析方法進(jìn)行了詳細(xì)地研究，但少見“低頻陰影”分析方法作為主力方法進(jìn)行流體識別的成功案例。以國內(nèi)某區(qū)的油水儲層預(yù)測為實例，分析并總結(jié)了水層、油層和含油水層的瞬時譜特征，以詳實的測井?dāng)?shù)據(jù)和瞬時譜剖面論證了“低頻陰影”分析方法的適用性問題和“低頻陰影”的成因問題。實例研究結(jié)果表明：①“低頻陰影”的成因非單一的“衰減”因素；②“低頻陰影”分析方法能有效地用于油層地識別，對于水層的識別具有一定的適用性，即使對于同一個研究區(qū)的同一地層的上段與下段地層的瞬時譜特征具有較大的差異；③“油層”與“含油水層”具有不同的“低頻陰影”特征，且兩者的“低頻陰影”的主要成因機(jī)制也不一樣。

低頻陰影； 譜均衡； 油水識別； 衰減； 瞬時譜

0 引言

Sheriff[1]在勘探地球物理百科詞典中對“低頻陰影”的定義為“A region of lowered instantaneous frequency that may lie immediately under a hydrocarbon accumulation”，其中文的解釋：低頻陰影是低頻瞬時譜上出現(xiàn)在油氣層的正下方的一個區(qū)域；Taner等[2]最早發(fā)現(xiàn)了實際地震剖面上的低頻陰影現(xiàn)象，但是這種現(xiàn)象是經(jīng)驗性的，有多解性，他們還無法對其進(jìn)行解釋。在隨后的20多年時間里，低頻陰影的研究一直處于停止?fàn)顟B(tài)。直到2003年，Castagna[3]采用基于小波變換的瞬時頻譜分析技術(shù)進(jìn)行墨西哥灣含氣砂巖與含水砂巖的檢測，并重新定義了“低頻陰影”的特征為“High energy below reservoir at low frequency”，即“在儲層部位，高頻能量強(qiáng)，低頻能量弱；而在儲層下方，高頻能量弱，低頻能量強(qiáng)”，有效地推動了“低頻陰影”分析方法的實際應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者對于“低頻陰影”的研究相對較晚，中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)中的文獻(xiàn)主要集中在2008年至2015年，大致可以分為3類：①“低頻陰影”的數(shù)值模擬研究，主要有基于彌散—粘滯波動方程的方法[4-7]和基于粘彈性波動方程的方法[8]；②“低頻陰影”中的時頻譜分析方法的研究，主要有基于小波變換的方法[9-10]、基于S變換和廣義S變換的方法[11-13]、基于反褶積短時傅立葉變換的方法[14]、基于匹配追蹤算法的方法[15]；③“低頻陰影”的實際應(yīng)用，主要有砂巖預(yù)測(塔河油田，儲層為油層；遼東灣錦州地區(qū)，儲層為油層或氣層[16]；等)、生物礁灘儲層預(yù)測(川東北地區(qū)，儲層為氣層[17]；珠江口盆地，儲層為油層；等)、溶洞型碳酸鹽巖儲層預(yù)測(塔里木盆地，儲層為油層)等。

基于對前人研究的整理與分析，筆者結(jié)合國內(nèi)某區(qū)的碎屑巖油水儲層預(yù)測的實例，對目前的“低頻陰影”分析方法的研究和應(yīng)用進(jìn)行了一定的探索性分析和討論。

1 “低頻陰影”分析方法

1.1 方法原理

1.1.1 技術(shù)流程

基于前面的文獻(xiàn)資料分析，“低頻陰影”分析方法主要包含2個步驟：①瞬時譜的計算；②瞬時譜的分析。

瞬時譜的計算：目前常用的方法有基于S變換的方法、基于小波變換的方法等方法。

瞬時譜的分析，可以細(xì)分為2類方法：①剖面特征對比分析方法，該方法選取多個頻率(低頻、高頻等)的瞬時譜剖面進(jìn)行對比分析，總結(jié)相應(yīng)的“低頻陰影”特征；②平面特征分析方法，該方法以剖面特征分析為基礎(chǔ)，選取多個瞬時譜的沿層切片或時間切片進(jìn)行對比分析，總結(jié)多個切片在不同頻率的頻譜差異(或采用數(shù)學(xué)運算計算不同頻率的振幅譜的差，即“差頻”切片)。

1.1.2 對“低頻陰影”分析的方法技術(shù)的思考

目前關(guān)于瞬時譜的計算方法有很多，早期的時頻分析方法主要有短時窗傅立葉變換(STFT)、連續(xù)小波變換(CWT)、S變換(基本小波是簡諧波與Gaussian函數(shù)的乘積)等，現(xiàn)今改進(jìn)或發(fā)展的時頻分析方法主要有三參數(shù)小波變換[18]、廣義S變換(高靜懷,等)[19]、Wigner-Ville 分布(WVD)、匹配追逐方法、經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾取?/p>

結(jié)合前人對時頻分析方法的研究，筆者認(rèn)為小波變換可以用于“低頻陰影”分析的瞬時譜的計算工具，其可以達(dá)到較好的時頻分析精度(后續(xù)改進(jìn)的三參數(shù)小波變換、廣義S變換會對時頻譜的分辨率有一定的提高，但始終受到時頻分辯率限制。由于時頻分辨率始終受“測不準(zhǔn)原理”的制約，不可能同時滿足時間域和頻率域的分辨率的無限提高)。此外，目前很多與“油氣勘探與開發(fā)”相關(guān)的商業(yè)軟件都具有“基于小波變換的瞬時譜”計算功能，這樣油氣田企業(yè)可以直接使用。需要注意的是，常規(guī)的小波變換本質(zhì)上是尺度變換，而非時頻分析，因此，在計算瞬時譜時，需要采用時頻小波變換進(jìn)行計算。

Satish等[20]將信號x(t)的時頻連續(xù)小波變換(TFCWT)定義為：

(1)

式中：t代表時間;ω代表角頻率;CWTx(a,t)是信號x(t)的連續(xù)小波變換;φ(ω)是小波基函數(shù)φ(t)的傅立葉變換。時頻連續(xù)小波變換是對常規(guī)的連續(xù)小波變換的改進(jìn)，其計算結(jié)果是時間—頻率域的瞬時譜，而且具有較好的時頻聚焦性。

在公開發(fā)表的關(guān)于“低頻陰影”的文獻(xiàn)中，都沒有涉及對計算得到的瞬時頻譜進(jìn)行處理的研究。筆者從“低頻陰影”的定義出發(fā)，認(rèn)為“瞬時譜”需要進(jìn)行“譜均衡”處理，理由如下：

1)“低頻陰影”分析的重點是對比分析，即對比分析“低頻”的瞬時譜與“中、高頻”的瞬時譜的差異。在振幅特征差異較明顯時，“譜均衡”技術(shù)能標(biāo)準(zhǔn)化不同頻率數(shù)據(jù)體的能量。利用譜均衡技術(shù)能讓振幅強(qiáng)度歸一化，方便解釋人員對振幅強(qiáng)弱在一個標(biāo)準(zhǔn)之下進(jìn)行比較。

2)基于時頻小波變換計算得到的瞬時譜在值域分布上往往不均勻，通常情況下高頻譜幅值較大，中低頻譜幅值較小。在時頻分析中往往出現(xiàn)高頻剖面上因為幅值較大，在瞬時譜上顯示為強(qiáng)能量團(tuán)；而低頻剖面因為幅值較小，瞬時譜剖面上顯示為弱能量團(tuán)(圖1(a))。這顯然與實際不符，因為地震波在傳播過程中，受大地濾波作用，高頻能量衰減的更快，其體現(xiàn)在時頻譜上應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)較為明顯的衰減。

從圖1中可見，經(jīng)過“譜均衡”處理后的時頻譜在整個時頻譜圖上能量較為均衡，且“中、高頻”端的高值頻譜受到壓制，“低頻”端的低值頻譜被補(bǔ)償。因此，在瞬時譜分析前對瞬時譜進(jìn)行譜均衡處理，有效地保證了資料在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行低、中、高頻振幅強(qiáng)度的判別及分類，對于“低頻陰影”分析過程很有必要。

1.2 “低頻陰影”的成因分析

1.2.1 “低頻陰影”的形成機(jī)制

Ebrom[21]認(rèn)為“低頻陰影”可能與10種因素有關(guān)，其又可細(xì)分為與“疊加”有關(guān)的因素和與“非疊加”有關(guān)的因素：

1)與“疊加”有關(guān)的因素：①粗糙的速度拾取；②地震中的非雙曲時差走時關(guān)系(可能是由于各向異性引起)；③局部轉(zhuǎn)換波當(dāng)作有效波疊加；④相位隨偏移距的變化引起的速度拾取異常；⑤過分強(qiáng)調(diào)大偏移距，使得大偏移距信號的動校拉伸畸變嚴(yán)重，振幅變強(qiáng)；⑥儲層頂?shù)椎亩啻畏瓷鋸?qiáng)振幅的疊加。

圖1 譜分解處理前后時頻譜對比圖Fig.1 Time-frequency spectrum before and after spectral balancing(a) 譜均衡處理前時頻譜;(b) 譜均衡處理后時頻譜

2)與“非疊加”有關(guān)的因素：⑦儲層的低Q值；⑧儲層下方地層的Q值處于較低程度，伴生的氣煙囪效應(yīng)；⑨儲層頂?shù)孜恢玫膹?qiáng)振幅多次波；⑩反褶積處理對子波增加了低頻尾瓣。

此外，Castagna[3]也明確指出“低頻陰影”的形成機(jī)制不是僅由“衰減”因素所引起，其更傾向于Ebrom總結(jié)的10種因素。

1.2.2 “低頻陰影”成因的數(shù)值模擬

根據(jù)前面的研究現(xiàn)狀分析可見，國內(nèi)學(xué)者更傾向于“低頻陰影”的“衰減”因素，即“低頻陰影”主要是流體對地震波的吸收衰減而形成，并且采用彌散—粘滯波動方程或粘彈性波動方程進(jìn)行含流體地層的地震波的數(shù)值模擬，獲得了流體層的“低頻陰影”特征。該類研究的主要證據(jù)是Korneev[22]的含流體層狀模型的實驗室測試，其測試結(jié)論是“含水層的反射經(jīng)過低通濾波后的振幅很強(qiáng)，而經(jīng)過高通濾波后的振幅很弱，呈現(xiàn)明顯的低頻效應(yīng)”。

從理論上分析，上述關(guān)于“低頻陰影”成因的數(shù)值模擬研究是可靠的，其也間接地傳遞一種信息——“有流體層，就有低頻陰影”。這或許是目前很多油氣田企業(yè)熱衷于該項技術(shù)的主要原因。

綜上所述，關(guān)于“低頻陰影”的(主要)成因，國內(nèi)學(xué)者與國外學(xué)者有著一定的分歧。由于其涉及太多的因素，目前難以從理論上進(jìn)行推導(dǎo)和證明，基于大量的測井?dāng)?shù)據(jù)和三維地震資料的分析，得到客觀的結(jié)論。

2 油水儲層預(yù)測的實例分析

自Castagna[3]詳細(xì)地且清晰地展示了“氣層”與“水層”的低頻陰影的分析實例后，筆者一直在尋找國內(nèi)的成功案例。遺憾的是國內(nèi)文獻(xiàn)的實例均只展示了1條二維剖面且缺乏測井資料的驗證，缺乏說服力。此外，對于常規(guī)的儲層預(yù)測而言，干層、氣層、水層和油層之間，干層與水層的物性差異最大(較容易識別)，氣層與水層的差異次之(較難識別)，水層與油層的差異最小(最難識別)。Castagna[3]展示的是氣層與水層的實例，Korneev[22]及國內(nèi)學(xué)者的數(shù)值模擬展示的是干層與水層的實例，筆者將展示國內(nèi)某區(qū)的油層與水層的低頻陰影分析的實例。

圖2 研究區(qū)的井位分布 Fig.2 The well location of the study area

研究區(qū)包含60 km2的三維地震資料和13口實鉆井(見圖2)，目的層段是沙灣組1段( “沙1段”，可以細(xì)分為沙1上段和沙1下段)，其地震資料的主頻是65 Hz。沙1段地層呈單斜構(gòu)造，無大斷裂發(fā)育，主要是辮狀河三角洲沉積。

根據(jù)沙1段的測井解釋，將圖2中的13口井分為3類：①儲層是水層；②儲層是油層與水層；③儲層是含油水層與水層。下面將詳細(xì)分析這3類井的瞬時譜特征，并總結(jié)水層、油層和含油水層的“低頻陰影”特征。

2.1 儲層是水層的過井瞬時譜分析

Castagna[3]的研究實例表明水層的中、低頻率的瞬時譜呈弱能量，中、高頻率的瞬時譜呈中強(qiáng)能量特征。此外，Goloshubin[23]的研究表明水層的低頻

率瞬時譜呈弱能量反射特征。因此，我們對于水層的識別，重點討論中低頻率的瞬時譜是否具有“弱能量”特征。

沙1段的儲層全部是水層的井有8口(c11、c15、c76、c84、c7、c4、c65和c19)，為我們研究水層的瞬時譜特征提供了充足的樣本。通過對上述8口井的過井瞬時譜分析，進(jìn)一步將其細(xì)分為2類：①水層符合“中低頻弱能量”特征的井；②不符合“中低頻弱能量”特征的井。

2.1.1 水層具有“中低頻弱能量”特征

圖3至圖6所示的c11、c15、c76、c84和c7井等5口井的水層位置的瞬時譜能量在高、中、低頻率均呈弱能量特征，符合水層的“中低頻弱能量”特征。此外，圖7和圖8所示的c65和c19井的水層在中低頻率的瞬時譜呈“弱能量”特征，高頻率的瞬時譜呈“中強(qiáng)能量”特征(見圖中黑色矩形區(qū)域)，與Goloshubin[23]的研究結(jié)論一致。

2.1.2 水層不具有“中低頻弱能量”特征

圖9所示的c4井的水層(沙1上段)的瞬時譜能量，不符合水層的“中低頻弱能量”特征。c4井的沙1上段的水層在50 Hz的瞬時譜上呈中強(qiáng)能量特征(見圖中黑色矩形區(qū)域)。

圖3 過c15井和cg11井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.3 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz， 80 Hz of the c15 well and cg11 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖4 過c76井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.4 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz ，80 Hz of the c76 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖5 過c84井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.5 The instantaneous spectral section at 30 Hz， 50 Hz，80 Hz of the c84 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖6 過c7井的30 Hz、50 Hz、80 Hz瞬時譜剖面Fig.6 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz，80 Hz of the c7 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖7 過c65井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.7 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50Hz， 80Hz of the c65 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖8 過c19井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.8 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz， 80 Hz of the c19 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖9 過c4井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.9 The instantaneous spectral section at 30Hz， 50Hz ，80Hz of the c4 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

同一研究區(qū)的同一地層段的上段地層(沙1上段)與下段地層(沙1下段)的水層出現(xiàn)了不同的瞬時譜特征，這正好驗證了“低頻陰影”的成因機(jī)制的復(fù)雜性，而非單獨由“衰減”而形成。

2.2 儲層是油層和水層的過井瞬時譜分析

沙1段的儲層含油層和水層的井共2口：P52井(含4 m油層)和P88井(含3.8 m油層)。根據(jù)Castagna[3]的研究結(jié)論，氣層的“低頻陰影”特征是在低頻或中頻的瞬時譜上氣層位置的瞬時譜能量呈中強(qiáng)特征，油層下方的“陰影”層呈強(qiáng)能量(即“上強(qiáng)下強(qiáng)”特征)；在高頻的瞬時譜上氣層位置的瞬時譜能量呈中強(qiáng)特征，油層下方的“陰影”層呈弱能量(即“上強(qiáng)下弱”特征)。

圖10所示的P52和P88井的油層具有和上述氣層類似的“低頻陰影”特征，即可以采用“低頻陰影”分析方法進(jìn)行準(zhǔn)確地識別。

2.3 儲層是含油水層和水層的過井瞬時譜分析

沙1段的儲層含油水層和水層的井共3口：P51(含6.1 m含油水層)、P50(含4.7 m含油水層)和c18井(含1.5 m含油水層)。圖11至圖13分別是過P51、P50和c18井的3個瞬時譜剖面(30 Hz，50 Hz和80 Hz);由于圖13的c18井的含油水層只有1.5 m，所以其僅顯示為黑色的直線。目前國內(nèi)外尚沒有關(guān)于含油水層的“低頻陰影”特征的描述，因此，我們參考油層的“低頻陰影”特征進(jìn)行含油水層的瞬時譜特征分析。

圖10 過P52井和P88井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.10 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz，80 Hz of the P52 well and P88 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖11 過P51井的30 Hz、50 Hz、80 Hz瞬時譜剖面Fig.11 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz ，80 Hz of the P51 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖12 過P50井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.12 The instantaneous spectral section at 30 Hz，50 Hz，80 Hz of the P50 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖13 過c18井的30 Hz、50 Hz、80 Hz 瞬時譜剖面Fig.13 The instantaneous spectral section at 30 Hz ，50 Hz ，80 Hz of the C18 well(a)30 Hz；(b)50 Hz；(c)80 Hz

圖11所示的P51井的含油水層，在50 Hz和80 Hz的瞬時譜剖面上也出現(xiàn)了類似于油層的“低頻陰影”特征，其與圖10的油層的特征的差異在于，含油水層的低頻強(qiáng)能量在50 Hz的瞬時譜上出現(xiàn)，而油層的低頻強(qiáng)能量出現(xiàn)在30 Hz的瞬時譜剖面上。

圖12所示的P50井的含油水層下方的“陰影”層，在3個單頻的瞬時譜剖面上均呈強(qiáng)能量特征，不符合“低頻陰影”特征。圖13所示的c18井的含油水層僅在80 Hz的瞬時譜上呈強(qiáng)能量特征，且其下方無強(qiáng)能量的“陰影”層，也不符合“低頻陰影”特征。

上述3個不同厚度的含油水層中只有厚度為6.1 m的含油水層呈現(xiàn)出“低頻陰影”的特征，由此我們可以推斷含油水層的厚度與“低頻陰影”的成因有關(guān)。即對于含油水層而言，只有達(dá)到一定的厚度，才能出現(xiàn)“低頻陰影”特征，而厚度又是與波的“衰減”密切相關(guān)的參數(shù)。因此，我們推斷“衰減”因素是含油水層的“低頻陰影”形成的關(guān)鍵成因。

3 結(jié)論

基于國內(nèi)某區(qū)的油水儲層的“低頻陰影”的實例分析，我們得到了水層、油層和含油水層的瞬時譜特征。結(jié)合理論分析，可以得到以下幾點結(jié)論和認(rèn)識：

1)在瞬時譜分析前對瞬時譜進(jìn)行“譜均衡”處理，能有效地保證資料在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行低、中、高頻振幅強(qiáng)度的判別及分類，這對于“低頻陰影”分析過程很有必要。

2)厚度較大的含油水層與油層的“低頻陰影”特征略有差異，含油水層的強(qiáng)能量特征出現(xiàn)的頻率較油層略高。

3)同一研究區(qū)的同一層段的上段和下段地層的水層的瞬時譜特征，可能出現(xiàn)差異，其有力的說明了“低頻陰影”的成因機(jī)制十分復(fù)雜，非單一的“衰減”成因。因此，常規(guī)的“低頻陰影”或“低頻能量”分析方法對“水層”的識別可能會存在一定的誤區(qū)。

4)“油層”具有典型的“低頻陰影”，且“油層”與“水層”在中低頻率的瞬時譜具有較強(qiáng)的能量差異。因此，采用中低頻率瞬時譜的能量特征分析和“低頻陰影”分析方法可以有效地進(jìn)行“油層”識別。

5)“厚度”是含油水層的“低頻陰影”形成的重要成因，而對于油層似乎非主要因素，因為研究區(qū)2.9 m的油層也具有明顯的“低頻陰影”特征。

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Discussion of low frequency shadows analysis method

Zhang Shuishan

(Geophysical Research Institute of Jianghan Oilfield Company, Sinopec, Wuhan 430000, China)

Chinese scholars studied the "low frequency shadows" in detail by using numerical simulation, the instantaneous spectrum calculation and the application examples over the past decade, but they rarely take the "low frequency shadows" analysis as the main research methods of fluid identification as success cases. We take the oil-water reservoir prediction as an example in Xinjiang region, which analyzed and summarized the instantaneous spectral characteristics of water layer, oil and oily water layer by using the detailed logging data and instantaneous spectrum sectional.The applicability and causes of "low frequency shadows" are demonstrated and the direction of "low frequency shadows" analysis method is discussed. The research showed that: (1) the "attenuation" factor is not the only causes of "low frequency shadows"; (2) the "low frequency shadows" analysis method can be effectively used for "oil layer" identification, but it needs to consider the question of the applicability for "water layer", even for the same formation both in the upper section and the lower section may exist different features; (3) "oil layer" and "oily water layer" have different "low frequency shadows" feature which are caused by different mechanisms.

low frequency shadows； spectral balancing； oil water identification； attenuation； instantaneous spectrum

2017-05-17 改回日期：2017-05-23

國家科技重大專項(2016ZX05060-006)

張水山(1964-)，男，教授級高級工程師，主要從事地震資料解釋、儲層預(yù)測及油氣藏描述方面的研究工作， E-mail：zhangss.jhyt@sinopec.com。

1001-1749(2017)04-0506-09

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.11