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譜反演寬頻處理技術(shù)在河道薄層砂體識(shí)別中的應(yīng)用

2018-08-15 03:31成德安
西部探礦工程 2018年8期
關(guān)鍵詞:子波寬頻反射系數(shù)

成德安

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

1 概述

提高地震資料分辨率一直是地震處理追求的目標(biāo)。若想獲得小于1/4波長(zhǎng)的儲(chǔ)層信息,必須提高地震的主頻[3-7]。高分辨率地震處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是壓縮地震子波,拓寬有效信號(hào)的頻帶范圍,特別是較為準(zhǔn)確地拓寬高頻[1]。凌云項(xiàng)目組驗(yàn)證了在相對(duì)保持處理?xiàng)l件下,通過(guò)地震屬性分析和地層切片來(lái)識(shí)別薄層[10]。近年來(lái),不少學(xué)者利用地震分頻技術(shù)來(lái)解釋薄層,如采用離散傅立葉變換得到的頻譜分解結(jié)果來(lái)求取薄層厚度[2]。在此基礎(chǔ)上,利用譜反演反射系數(shù)中奇偶分量在不同地層厚度時(shí)的相對(duì)振幅、頻率特征,通過(guò)增加偶分量權(quán)重、弱化奇分量信息,提高小于調(diào)諧厚度的薄層成像能力。與常規(guī)疊后拓頻不同,譜反演在保持低頻巖性變化信息的同時(shí),有效地補(bǔ)償了地震資料的高頻成分,提高了分辨率。隨著勘探開(kāi)發(fā)向薄儲(chǔ)層復(fù)雜河道砂體的轉(zhuǎn)變,運(yùn)用譜反演技術(shù)得到具有更高分辨率和信噪比的地震資料,為提高薄層巖性油氣藏識(shí)別能力提供了新的方法和思路。本文在介紹譜反演方法的基礎(chǔ)上,將該法應(yīng)用于實(shí)際地震資料的屬性提取和屬性解釋?zhuān)岣吡撕拥郎绑w識(shí)別的能力。

2 譜反演方法

譜反演是一種采用先驗(yàn)信息和譜分解技術(shù)來(lái)提高小于調(diào)諧厚度的薄層成像地震處理技術(shù),是為地質(zhì)解釋人員精確分析薄互層,準(zhǔn)確觀察地質(zhì)沉積現(xiàn)象的有力工具。利用這種方式在無(wú)需進(jìn)行振幅校正的情況下就可以確定出小于地震調(diào)諧厚度下的地層絕對(duì)厚度,是一種不同于傳統(tǒng)地震反演的新方法。

2.1 譜反演方法

W idess(1973)提出地震波傳播過(guò)程中受噪音和子波頻散的影響,1/4波長(zhǎng)是地震垂向分辨能力的極限,厚度小于該極限值的地層即稱(chēng)之為薄層。常規(guī)方法能夠補(bǔ)償一部分采集過(guò)程中由于大地濾波和近地表影響衰減的高頻信息,但是對(duì)于小于1/4波長(zhǎng)的波儲(chǔ)層,提高地震的成像主頻是關(guān)鍵。進(jìn)行譜約束稀疏矩陣反演,在大規(guī)模的稀疏矩陣的高精度計(jì)算中,反演提取出高頻成分,結(jié)合提取的偶部和奇部的反射系數(shù),組合出完整的寬頻反射系數(shù)體。在處理過(guò)程中會(huì)有一些質(zhì)量控制的步驟,從而保證薄層反演得到最優(yōu)化的結(jié)果。在理想的情況下,譜反演可以識(shí)別任意薄層。

2.2 反射系數(shù)奇偶分解的意義

Portniaguine和Castagna(2008)在前人基礎(chǔ)上提出基于反射系數(shù)奇偶分解原理的譜反演方法,一個(gè)地震道的反射系數(shù)可看成是由一系列的奇、偶分量脈沖信號(hào)組成。據(jù)譜反演理論,可以分解成奇、偶分量,少量的偶分量就可以提高薄層的分辨能力。根據(jù)地震信號(hào)分析理論,在利用反射波法進(jìn)行地震勘探時(shí),反射系數(shù)表征介質(zhì)分界面兩邊存在波阻抗差。反射系數(shù)與地震子波褶積,在其與干擾波n(t)疊加組成反映地下地層信息的地震記錄,即:

式中w(t)、r(t)、n(t)分別為地震子波、反射系數(shù)函數(shù)、噪聲(t為時(shí)間);符號(hào)“*”表示褶積運(yùn)算。

對(duì)于任意反射系數(shù)序列均可以將其分解奇分量ro(t)和偶分量re(t)的和[3],如圖1a所示,即:

Puryear(2006)、Chopra 等(2006a,2006b)以及Puryear和Castagna(2006)都認(rèn)為,在頻率域內(nèi),奇偶分量的頻率變化特征都是隨著厚度減小而增大,總的峰值頻率先隨之增加,在小于λ/8厚度后會(huì)減小并趨于穩(wěn)定(見(jiàn)圖1b)。在能量域內(nèi),偶部序列其振幅先是隨層厚減小而增大(調(diào)諧效應(yīng))然后隨層厚繼續(xù)減小而減弱;奇部序列這個(gè)變化特征正好相反,在層厚減小為零時(shí)振幅為零值;奇偶分量整體貢獻(xiàn)了地震峰值振幅響應(yīng)隨厚度的變化(見(jiàn)圖1c)。對(duì)比結(jié)果表明奇分量削弱薄層的分辨能力,而偶分量起到提高薄層分辨能力的作用。譜反演的實(shí)質(zhì)就是利用偶分量在厚度趨于零時(shí)的有效干涉來(lái)提高地震資料的分辨率。

2.3 譜反演目標(biāo)函數(shù)的建立

譜反演的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是反射系數(shù)對(duì)中奇偶分量的確定。基于公式(1)~(2),聯(lián)立地震道數(shù)據(jù)、子波及反射系數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為獲得極小值時(shí),即可得到滿意的奇偶分量。該方法基本思路可表達(dá)為正則化方程求泛函極小[8-10]:

式中:d——實(shí)際地震道數(shù)據(jù);

F——子波逆變換算子(即正演模擬算子);

m——反射系數(shù)模型;

a——規(guī)則化參數(shù);

S(m)——約束條件。

圖1 反射系數(shù)分解及其厚度響應(yīng)特征(Chopra等)

上述表達(dá)式中第一項(xiàng)為最小二乘模型,用于求取實(shí)際地震道與模型正演結(jié)果之間的誤差極小值,第二項(xiàng)為施加的正則項(xiàng),也即約束條件。整個(gè)表達(dá)式為欠定方程,最終需要求解反射系數(shù)模型m,而其中F算子和S(m)約束條件是最重要的因素。在實(shí)際譜反演過(guò)程中可以利用一系列子波構(gòu)建出模型變換算子F,子波可以是直接從地震數(shù)據(jù)中提取的實(shí)際子波。約束條件S(m)有多種選擇如最小L1范數(shù)法約束、稀疏脈沖法約束等。

在反射系數(shù)能同時(shí)確定時(shí),通過(guò)譜分解反演可以改善對(duì)薄儲(chǔ)層屬性的分析。其結(jié)果為稀疏的反射率反演體,利用該體就可以用來(lái)估算薄層的厚度。我們把這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為譜反演,其結(jié)果與傳統(tǒng)的地震反演方法得到的結(jié)果是不同的。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

本文通過(guò)無(wú)約束寬帶頻譜反演,目的是為提高地震資料的分辨率和解決薄互層河道砂體問(wèn)題。

3.1 譜反演參數(shù)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證譜反演適用性,選取了工區(qū)內(nèi)一口井的測(cè)井聲波阻抗,進(jìn)行了實(shí)際正演測(cè)試分析。圖2a為正演模型,正演子波采用寬頻子波[子波頻帶為(8/15)~(60/90)Hz]。由圖2b可看到,反射系數(shù)剖面具有極高的分辨率,其頻譜(圖2d)上高于90Hz的信號(hào)出現(xiàn)了突然增大的現(xiàn)象,這與正演數(shù)據(jù)的頻帶范圍有關(guān)(8~90Hz),高于90Hz振幅能量極?。▓D2c)。譜反演寬頻處理主要目的就是拓寬地震資料的有效頻寬,該反演方法能在不增加噪音的情況下均衡反演出高頻信號(hào),得到具有較高分辨率的優(yōu)勢(shì)反射系數(shù)體,進(jìn)而追蹤薄砂體儲(chǔ)層界面。從頻譜上看,正演數(shù)據(jù)中高頻成分很弱或者缺失(圖2c),那么,譜反演反射系數(shù)的高頻信號(hào)可能是不合理的,因?yàn)楦哳l有效信號(hào)不可能由頻率域的濾波而產(chǎn)生。譜反演體應(yīng)受到原始地震數(shù)據(jù)頻寬控制,受陸上地震資料信噪比以及采集信號(hào)頻帶限制,地震頻率一般小于100Hz,頻率范圍主要集中在15~60Hz。因此,對(duì)譜反演反射系數(shù)體高頻信號(hào)(>100Hz)的使用需特別注意。合理的做法應(yīng)當(dāng)是根據(jù)原始資料及處理數(shù)據(jù)頻率特征,濾除原始地震頻帶以外的頻率信息(>100Hz),應(yīng)用譜反演放大“弱信號(hào)”(60~100Hz),對(duì)于反射系數(shù)序列中得到的豐富高頻信息,如何確定譜反演數(shù)據(jù)濾波參數(shù)顯得更有必要。對(duì)于低頻信息(<15 Hz)去除譜反演帶入的低頻噪音,使低頻端與原始數(shù)據(jù)相當(dāng);對(duì)于高頻部分,對(duì)譜反演反射系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)高切濾波,一般確定高通限波頻率左膀,順延濾波,再將得到的寬頻資料用于后續(xù)地震解釋。

圖2 正演數(shù)據(jù)譜反演結(jié)果分析,

圖3比較了譜反演寬頻處理數(shù)據(jù)與寬頻子波正演結(jié)果。圖3a和圖3c分別為(8/15)~(60/90)Hz、(8/15)~(90/110)Hz寬帶子波的正演結(jié)果(加入了15%的隨機(jī)噪聲)。圖3b是圖3a對(duì)應(yīng)的譜反演寬頻處理結(jié)果,使用90~110Hz頻窗高切濾波,使其頻譜在高頻端與圖3c在同一頻率范圍。譜反演寬頻處理結(jié)果與圖3c波阻特征一致,說(shuō)明使用此參數(shù)進(jìn)行譜反演寬頻處理,能有效保持原始資料及處理數(shù)據(jù)頻帶內(nèi)的高頻“弱信號(hào)”,濾除原始地震頻帶以外的頻率信息,抬升高頻信息,使薄層弱反射得到恢復(fù),提高河道薄砂體的識(shí)別能力。

圖3 正演數(shù)據(jù)與譜反演結(jié)果對(duì)比。

3.2 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

松遼盆地SZ地區(qū)FY油層發(fā)育一套水退至水進(jìn)式淺水河流三角洲沉積環(huán)境的致密砂巖儲(chǔ)層。河流相砂體呈寬條帶狀展布,延伸方向?yàn)楸北蔽飨?,視寬?00~300m,河道砂體窄小,沉積砂體以河口壩、遠(yuǎn)砂壩、席狀砂為主,單砂體薄、物性差(孔隙度平均11%,滲透率平均0.42mD),薄儲(chǔ)層(各小層砂巖厚度1~4m,油層1~3m)砂體平面上呈條帶狀展布,油層主要分布在試驗(yàn)區(qū)北部及南部部分?jǐn)嗔衙芗瘏^(qū)。因此,提升薄儲(chǔ)層地震識(shí)別能力是該區(qū)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)。

圖4是該區(qū)的一個(gè)譜反演寬頻處理識(shí)別河道薄砂體的實(shí)例。Well1是研究區(qū)內(nèi)一口工業(yè)油井,孔隙度為10%~12%,是致密油水平鉆探的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。物性相對(duì)較好,但非均質(zhì)性較強(qiáng);含油飽和度為58.5%,測(cè)井曲線顯示目的層內(nèi)發(fā)育了2套薄砂層組(橢圓圈內(nèi)),累積厚度分別為4.2m(A)和5.6m(B)。由于砂層組薄,地震資料分辨率低且反射能量弱(圖4a),圍繞該井部署水平井風(fēng)險(xiǎn)性較大。需要提高地震的成像頻寬,經(jīng)過(guò)譜反演寬頻處理后(圖4b),反射波組特征明顯,橫向連續(xù)性增強(qiáng),與合成地震道吻合(圖4c),特征與伽馬曲線合理匹配。圖5給出了譜反演處理前后的頻譜,頻譜數(shù)據(jù)時(shí)窗為 1200~1500ms,頻寬由 8~90Hz拓寬到 8~110Hz低頻端信號(hào)得到很好保持,高頻端信號(hào)拓寬了20Hz,從B砂層組地震屬性上看(圖6),譜分解反演后(圖6b)地震屬性刻畫(huà)河道砂體的特征更加清晰。沉積砂體規(guī)律清晰,據(jù)此進(jìn)行平面軌跡設(shè)計(jì),部署了1口水平井Well2。

實(shí)鉆結(jié)果表明,目的層砂巖夾泥質(zhì)條帶含鈣,含油飽和度51.3%,砂巖鉆遇率高達(dá)90%,油層鉆遇率90%,壓后抽汲18.03t,取得了較好的鉆探效果。

4 結(jié)論

圖4 譜反演處理前對(duì)比

圖5 譜反演處理前(a)、后頻譜展布對(duì)比(b)

圖6 譜反演處理前、后目的層振幅屬性切片

基于實(shí)際數(shù)據(jù),本文分析驗(yàn)證了譜反演寬頻處理技術(shù)在提高地震分辨率方面的應(yīng)用能力。譜反演寬頻地震資料在橫向上與常規(guī)保幅資料保持了基本的一致性,這說(shuō)明譜反演具有很好的保幅性,而在細(xì)節(jié)上譜反演寬頻資料的河道砂體邊界刻畫(huà)更加清晰,揭示更加精細(xì)的巖性信息,保證了水平井部署鉆探的成功率,為地球物理工作者解決薄層成像問(wèn)題提供了一種新穎的方法。

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