王 江，陳 沫，王 杰，劉 霜，周 豪

1 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院；2 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠；3 中國石油新疆油田公司采油一廠

0 前 言

海拉爾盆地為中、新生代的多旋回、疊合式、斷-拗轉(zhuǎn)換型盆地［1］，盆地經(jīng)過多期改造和建造，斷裂發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜。烏爾遜斷陷位于海拉爾盆地中部斷陷帶，中石油第四次資源評價(jià)的資源量為2.52×108t,現(xiàn)已提交探明儲量累計(jì)0.38×108t，探明率僅為15.1%，表明烏爾遜斷陷具有較大的勘探潛力。隨著烏爾遜斷陷勘探開發(fā)的逐步深入，勘探開發(fā)區(qū)帶由隆起帶轉(zhuǎn)向了凹陷區(qū)，油藏類型由構(gòu)造油藏轉(zhuǎn)向了巖性油藏。下白堊統(tǒng)銅缽廟組、南屯組和大磨拐河組等目的層發(fā)育扇三角洲前緣砂體，砂巖相帶窄、相變快、非均質(zhì)性強(qiáng)，砂泥巖以薄互層組合，儲層厚度薄，縱、橫向巖性變化大。砂巖儲層橫向連續(xù)性差，導(dǎo)致區(qū)塊優(yōu)選、井位部署及滾動鉆井評價(jià)難度加大。針對烏爾遜斷陷扇三角洲前緣砂泥巖薄互層組合，曾經(jīng)開展過多輪次地震預(yù)測工作，但受地震資料及單一預(yù)測方法限制，研究區(qū)扇三角洲前緣砂體、湖底扇砂體的地震響應(yīng)特征不明顯，砂體邊界不清，預(yù)測精度無法滿足現(xiàn)階段巖性油藏勘探評價(jià)的地質(zhì)需求。因此，為了解決巖性油藏薄窄砂體刻畫難題，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過井震結(jié)合開展精細(xì)儲層預(yù)測，形成了適合于復(fù)雜斷陷巖性目標(biāo)區(qū)的地震匹配追蹤時(shí)頻處理解釋技術(shù)。

地震分頻處理技術(shù)是地震屬性分析中的一種頻率域解釋方法［2］。國內(nèi)外學(xué)者對分頻處理、解釋研究可追溯到20 世紀(jì)80—90 年代，當(dāng)時(shí)只是應(yīng)用分頻處理資料沿地震反射層的一定時(shí)窗內(nèi)提取地震屬性，進(jìn)行定性的沉積環(huán)境、沉積相分析，但受傅里葉變換固定時(shí)窗的影響，限制了在薄儲層領(lǐng)域的應(yīng)用。前人［3-5］在分析地震資料時(shí)，引入了在時(shí)間域和頻率域都可以表征信號局域化特征及變時(shí)窗特點(diǎn)的小波變換，其分頻處理資料得到了明顯改善，優(yōu)勢頻率地震剖面的儲層分辨能力得到了提高，也出現(xiàn)Gabor小波、離散Mallat小波等各種基于小波決定的算法。同傅氏變換相比，小波變換的分頻效果更好，但數(shù)學(xué)運(yùn)算上不但要求正交的小波函數(shù)，同時(shí)在一定程度上受地震處理時(shí)窗的影響。Stockwell等［6］提出的S 變換時(shí)頻分析是介于短時(shí)傅里葉變換和連續(xù)小波變換之間的、應(yīng)用小波變換的多尺度時(shí)頻分析方法，S 變換時(shí)頻分析在克服傅里葉變換不能調(diào)節(jié)分析窗口頻率的同時(shí)還可以進(jìn)行相位校正。應(yīng)用地震分頻資料開展碎屑巖、碳酸鹽巖儲層預(yù)測，以及小斷層識別解釋和高頻沉積旋回研究，取得了不同程度的研究效果［6-9］。

本文應(yīng)用地震匹配追蹤時(shí)頻處理技術(shù)，通過一系列小波構(gòu)建初始模型，經(jīng)過迭代優(yōu)化逼近原始信號的瞬時(shí)譜，將時(shí)間域的地震信號分解成頻率域的離散調(diào)諧體，應(yīng)用頻率域的離散數(shù)據(jù)開展扇三角洲前緣砂體預(yù)測，精細(xì)刻畫扇體的三維輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用研究成果指導(dǎo)巖性油藏井位部署及滾動評價(jià)，在烏爾遜斷陷銅缽廟斷裂帶識別的9 個(gè)有利巖性體中的7 個(gè)實(shí)施勘探部署，其中在5 個(gè)砂體中獲工業(yè)油流，在2個(gè)砂體中獲得低產(chǎn)油流，預(yù)測砂體頂界構(gòu)造深度相對誤差均小于0.3%，預(yù)測砂巖厚度的絕對誤差均小于1 m。

1 地震匹配追蹤時(shí)頻處理技術(shù)

地震匹配追蹤時(shí)頻處理是一種基于投影追蹤、逐步遞推的小波算法，該算法是將地震信號分解為一系列反射時(shí)間不同、振幅各異的地震子波，對分解得到的子波進(jìn)行時(shí)頻分析，原始地震道頻譜就是所有子波頻譜疊加的結(jié)果。

2006 年Liu［10］基于Ricker 子波匹配追蹤算法通過復(fù)地震道分析技術(shù)得到三瞬地震屬性（瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率），以最大瞬時(shí)振幅處的地震反射時(shí)間作為時(shí)間延遲的初始值，得到延時(shí)處的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率。

主頻為fj的零相位Ricker 子波在時(shí)間域的表達(dá)式為：

式中:fj為地震主頻，Hz；t為地震反射時(shí)間，s；WR（t,fj）為時(shí)間域Ricker子波；j為迭代次數(shù)。

在頻率域的傅氏頻譜為：

式中:f為地震頻率，Hz；WR（f,fj）為主頻為fj的頻率域Ricker子波傅氏頻譜；j為迭代次數(shù)。

地震信號的稀疏表達(dá)式為：

式中:s(t)為時(shí)間域帶限地震信號；Rs(m)(t)是匹配追蹤后的殘差；m為通過設(shè)置的閾值來判斷迭代終止條件而確定的迭代原子個(gè)數(shù)。原子個(gè)數(shù)通過時(shí)間遲延tj（單位：s）、地震主頻fj（單位：Hz）、相關(guān)系數(shù)aj和相位φj等4個(gè)處理參數(shù)來控制。

s(t)匹配追蹤時(shí)頻譜u(t,f)的解析式為：

式中：env是WR的瞬時(shí)振幅。

2 技術(shù)應(yīng)用及效果

烏爾遜斷陷北部地震數(shù)據(jù)頻帶范圍為8～60 Hz,主頻（f）為28Hz,砂巖平均層速度（v）為3 897～4 012 m/s，根據(jù)地震可分辨的極限厚度ΔZ=v/(4×f) 計(jì)算,可識別的最薄砂體厚度為34～36 m?？梢?，目前地震資料無法識別研究區(qū)20～30 m 厚的砂體,利用疊后地震波阻抗反演可識別的砂巖厚度僅為幾十米, 因此, 對于薄層的單砂體, 利用傳統(tǒng)的地震波阻抗反演方法難以分辨。在頻譜分解之前首先對地震資料進(jìn)行脈沖反褶積提頻處理, 將地震的頻寬拓展到8～80 Hz, 提頻后的地震帶寬比常規(guī)地震數(shù)據(jù)帶寬在高頻端高出20 Hz,低頻端保持不變,主頻從原先的28 Hz 拓展到37 Hz, 這樣拓頻后的地震數(shù)據(jù)比常規(guī)地震數(shù)據(jù)豐富了很多細(xì)節(jié)。

2.1 分頻處理的優(yōu)勢頻率分析

傳統(tǒng)的地震分辨率是指時(shí)間域內(nèi)的地震儲層分辨能力，分辨的極限厚度是λ/4(λ為波長)，而頻譜分析突破了傳統(tǒng)地震分辨率的限制，在頻率域內(nèi)對儲層進(jìn)行分辨，每個(gè)薄儲層產(chǎn)生的地震反射在頻率域都有一個(gè)特定的優(yōu)勢頻率與其對應(yīng)。圖1為縱向砂巖厚度分別為3 m、5 m、10 m、20 m，橫向頻率f分別為30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz 和80 Hz 的時(shí)頻正演理論模型，從圖中可以看到高頻調(diào)諧能量反映的是薄層的調(diào)諧響應(yīng)，而低頻調(diào)諧能量是厚層的調(diào)諧響應(yīng)，各單一頻率的子波對不同厚度儲層的調(diào)諧響應(yīng)是不同的，不同厚度的砂巖對應(yīng)著不同的優(yōu)勢頻率。因此經(jīng)分頻處理得到的單頻三維地震資料，在有效地震頻帶內(nèi)降低了子波疊覆和鳴振效應(yīng)，突出了不同地質(zhì)體對不同頻率成分地震資料的敏感響應(yīng)，而常規(guī)疊后地震資料是對整個(gè)地震頻帶范圍的地震數(shù)據(jù)成像，無法滿足對所有地質(zhì)體都達(dá)到最佳的成像效果。因此，利用頻率域的振幅譜可以識別沉積相帶變化、沉積扇體三維輪廓以及薄儲層的時(shí)間厚度。

圖1 不同厚度砂巖的時(shí)頻正演理論模型Fig.1 Theoretical model of time-frequency forward modeling of sandstone with different thickness

根據(jù)對烏爾遜斷陷北部主要含油目的層儲集特征與測井相的分析，目的層砂體厚度(ΔZ)一般為20～26 m (大磨拐河組20～25 m，南屯組23～30 m)，砂巖平均層速度大磨拐河組為3 897 m/s、南屯組為4 012 m/s。據(jù)f=v/(4×ΔZ)計(jì)算砂巖儲層的最小調(diào)諧頻率，大磨拐河組為39～48 Hz，南屯組為38～43 Hz，即識別大磨拐河組、南屯組有利含油砂體的地震優(yōu)勢頻率理論上為38～48 Hz。圖2 為烏爾遜斷陷北部S46 井實(shí)際鉆井的時(shí)頻分析對比圖，可見26 m 砂組對應(yīng)的優(yōu)勢頻率為40 Hz 左右，該頻率下表現(xiàn)的調(diào)諧響應(yīng)最強(qiáng)，而8～15 m 砂組對應(yīng)的優(yōu)勢頻率為60～80 Hz。優(yōu)勢頻率分析為單頻剖面處理、利用優(yōu)勢頻率識別砂體提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐根據(jù)。

圖2 銅缽廟斷裂帶S46井不同厚度砂巖的時(shí)頻分析對比圖Fig.2 Time frequency analysis and comparison of sandstone with different thickness of Well S46 in Tongbomiao fault zone

2.2 優(yōu)勢頻率的單頻剖面特征

針對烏爾遜斷陷復(fù)雜的地質(zhì)條件，根據(jù)大磨拐河組和南屯組有利含油儲層38～48 Hz 的優(yōu)勢頻率范圍，對烏爾遜斷陷北部銅缽廟斷裂帶三維地震資料應(yīng)用匹配追蹤時(shí)頻處理技術(shù)開展分頻處理。首先將地震道與小波庫內(nèi)所有小波互相關(guān)，再將從地震道中去除相關(guān)性最大的子波投影所得到的殘差與小波庫互相關(guān)，再去除最大相關(guān)子波的投影，如此遞推迭代，直到剩余能量達(dá)到某一給定的門檻值，迭代過程收斂，得到一系列離散頻率的調(diào)諧數(shù)據(jù)體。然后通過地震四維時(shí)頻頻譜分析，利用代表某一特定主頻的單頻能量的單頻體、峰值振幅和峰值頻率等多種時(shí)頻地震屬性來預(yù)測有利儲層。

從圖3 常規(guī)地震偏移剖面（圖3a）與42 Hz 單頻偏移剖面（圖3b）的對比圖中可見，42 Hz 單頻偏移數(shù)據(jù)反映的S46 井砂體邊界清晰(見圖3b 虛線標(biāo)注部分)，反射結(jié)構(gòu)波組特征清楚，地層接觸關(guān)系明確，而常規(guī)疊后地震資料是對整個(gè)地震頻帶范圍的地震數(shù)據(jù)成像疊加，無法滿足所有不同尺度地質(zhì)體都能達(dá)到最佳的成像效果。

圖3 銅缽廟斷裂帶三維常規(guī)偏移剖面與單頻偏移剖面對比Fig.3 Comparison of 3D seismic conventional migration profile and single frequency migration profile in Tongbomiao fault zone

2.3 分頻處理技術(shù)的地質(zhì)效果

地震屬性是對地震反射資料的描述和量化，是地震資料中所包含全部地質(zhì)信息的子集，能揭示出地震數(shù)據(jù)體中的沉積、巖性和儲層等信息［11-15］。分頻處理增強(qiáng)了薄儲層頻率響應(yīng)，提高了地震資料的分辨率，可精細(xì)地反映地震屬性異常變化，增強(qiáng)了薄儲層的識別能力。

2.3.1 儲層分布定性預(yù)測效果

在下白堊統(tǒng)銅缽廟組—南屯組沉積時(shí)期，烏爾遜斷陷東部受北東向控陷斷層——銅缽廟斷層控制［11］，在半深湖—深湖背景下發(fā)育扇三角洲前緣砂體，與早期斷層配合形成構(gòu)造-巖性、巖性油氣藏［12］。但是，研究區(qū)地震資料分辨率較低，砂體的地震響應(yīng)特征不明顯，疊后、疊前時(shí)間偏移資料均無法確定砂體邊界及巖性體間的關(guān)系。為了驗(yàn)證單頻地震資料的預(yù)測效果，分別應(yīng)用常規(guī)地震資料和單頻地震資料，考慮了儲層厚度、位置及層速度，以等時(shí)地層格架為約束，在大磨拐河組一段、南屯組一段3砂組（簡稱南屯組1-3砂組）、南屯組2-1砂組出油層位的上、下30 ms 選取時(shí)窗，由線到面提取敏感地震屬性。圖4a 為烏北銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組常規(guī)地震均方根振幅屬性圖，從圖中可見，振幅類屬性基本可以反映扇三角洲前緣和湖底扇儲層的展布規(guī)律，但儲層邊界不清楚。通過與鉆井對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)資料單一屬性在預(yù)測儲層分布上存在局限性。例如，鉆井證實(shí)W1 井、S11 井、S22 井和S37 井南屯組1-3 砂組巖性以泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖為主，砂巖不發(fā)育，應(yīng)該具有弱振幅、中高頻的反射特征，但在常規(guī)地震資料均方根振幅屬性上，這4口井均落入了強(qiáng)振幅指示的砂巖發(fā)育區(qū)內(nèi)。而且，鉆井證實(shí)的S35 井湖底扇砂體和S45 井扇三角洲前緣砂體間的均方根振幅屬性邊界不清，也影響了巖性圈閉的識別與刻畫。圖4b為銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組42 Hz 單頻地震均方根振幅屬性圖，通過強(qiáng)振幅屬性與鉆遇砂巖一致性的對比分析發(fā)現(xiàn)：區(qū)域內(nèi)28 口探井和評價(jià)井中，有14 口井在南屯組1-3 砂組鉆遇砂巖儲層，在圖4b上顯示均方根相對振幅值大于400；另外14 口井南屯組1-3 砂組的砂巖儲層不發(fā)育，在圖4b 上顯示均方根相對振幅值小于400?？梢妴晤l地震資料預(yù)測砂體的符合率為100%，明顯優(yōu)于常規(guī)地震資料的預(yù)測結(jié)果。

圖4 銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組均方根振幅地震屬性圖Fig.4 Root mean square amplitude attribute map of 1-3 sand group of Nantun Formation in Tongbomiao fault zone

通過對圖4b 單頻數(shù)據(jù)體地震屬性精細(xì)解釋認(rèn)為：在烏爾遜斷陷銅缽廟斷裂下降盤發(fā)育扇三角洲前緣砂體，中部發(fā)育湖底扇砂體，是巖性油藏的發(fā)育區(qū)。在單頻數(shù)據(jù)振幅屬性切片上，扇三角洲前緣砂體和湖底扇砂體均表現(xiàn)為明顯的強(qiáng)振幅特征，由此推斷烏爾遜斷陷北部銅缽廟斷裂帶受東部物源控制，發(fā)育扇三角洲—湖底扇—半深湖（深湖）沉積體系。

2.3.2 儲層厚度定量預(yù)測效果

根據(jù)Partyka等［16］的薄層分析理論，振幅譜伴隨頻率響應(yīng)的陷頻周期Pt（單位：Hz）與薄層時(shí)間厚度t（雙程旅行時(shí)，單位：s）的關(guān)系為t=1/Pt；而t=2△Z/v,其中△Z為薄層厚度（單位：m），v為薄層速度（單位：m/s），這樣薄層厚度△Z與Pt的關(guān)系為△Z=v/（2×Pt）；將首波峰值頻率f0（單位：Hz）=Pt/2 代入時(shí)間厚度和薄層厚度等式后，以上兩式則變?yōu)椋?/p>

式中首波峰值頻率f0可以通過地震資料分頻分析得到，這樣通過公式（6）就可以計(jì)算薄層厚度。

圖5a 和圖5b 分別為S9 井區(qū)南屯組1-3 砂組砂體頂界構(gòu)造圖和根據(jù)分頻處理資料得到的砂體厚度圖，結(jié)合地震屬性圖分析，S9 井區(qū)砂體是受東部物源控制在銅缽廟斷裂下盤形成的扇三角洲前緣砂體，北西和南東方向受斷層控制，沿銅缽廟斷裂走向向北東和南西向尖滅，砂體最大厚度可達(dá)30 m。針對在南1-3 砂組中預(yù)測的4 個(gè)砂體部署的13 口探井和評價(jià)井均鉆遇所預(yù)測的儲層，鉆井實(shí)際與鉆前預(yù)測相符，預(yù)測砂體頂界構(gòu)造深度相對誤差均小于0.35%（表1），預(yù)測砂巖厚度的絕對誤差均小于1 m，相對誤差均小于4%，預(yù)測精度滿足精細(xì)儲層預(yù)測和勘探開發(fā)的生產(chǎn)需求。

通過地震分頻處理與解釋，在銅缽廟斷裂帶大磨拐河組一段、南屯組1-3 砂組、南屯組2-1 砂組和銅缽廟組共識別有利巖性體9 個(gè)，累計(jì)面積49.4 km2。目前已鉆砂體7個(gè)，其中在5個(gè)砂體中獲工業(yè)油流，在2個(gè)砂體中獲得低產(chǎn)油流，其中S46井在大磨拐河組一段、南屯組和銅缽廟組分別獲得4.81 t/d 、11.68 t/d和9.6 t/d的高產(chǎn)工業(yè)油流。

圖5 銅缽廟斷裂帶S9井區(qū)南屯組1-3砂組砂體頂面構(gòu)造圖與砂巖厚度圖Fig.5 Sand body top structural map and sandstone thickness map of 1-3 sand group of Nantun Formation in S9 well block of Tongbomiao fault zone

表1 銅缽廟斷裂帶南屯組1-3砂組含油砂體預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of prediction accuracy of oil-bearing sandbodies in sand group 1-3 of Nantun Formation in Tongbomiao fault zone

3 結(jié) 論

（1）每個(gè)有利砂體產(chǎn)生的地震-地質(zhì)響應(yīng)在頻率域都有一個(gè)特定的優(yōu)勢頻率與其對應(yīng)，在這一優(yōu)勢頻率的單頻地震剖面上，特定厚度的砂體成像效果好，分辨率高。

（2）通過地震匹配追蹤時(shí)頻處理,烏北三維單頻地震數(shù)據(jù)適用于特定厚度的砂體預(yù)測，可以更清晰地反映烏爾遜斷陷扇三角洲前緣砂體的分布特征。

（3）地震分頻時(shí)頻屬性的地質(zhì)意義明確，可以精細(xì)刻畫、識別砂體，精細(xì)預(yù)測含油氣儲層，適用于各種隱蔽巖性油氣藏。