肖廣銳,李 堯,張羽茹,徐德奎

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300459)

裂縫型儲(chǔ)層作為重要的石油天然氣儲(chǔ)層之一,在油氣生產(chǎn)中占有重要地位。但裂縫型油氣藏特征復(fù)雜,尤其是深埋變質(zhì)巖潛山裂縫型儲(chǔ)層具有孔隙度低,非均質(zhì)性強(qiáng)且裂縫分布復(fù)雜的特點(diǎn),如何有效地對(duì)裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)是裂縫型油氣藏勘探開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)之一。目前,針對(duì)潛山裂縫型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的方法主要包括測(cè)井、基于裂縫成因分析和基于裂縫地震響應(yīng)特征等方法[1-2]。其中,測(cè)井法主要利用成像測(cè)井資料進(jìn)行裂縫儲(chǔ)層識(shí)別,但僅局限于井筒附近,難以刻畫(huà)儲(chǔ)層的橫向分布[3];基于裂縫成因分析的方法主要是利用裂縫形成的地質(zhì)因素分析,如古地貌恢復(fù)、應(yīng)力場(chǎng)分析以及沉積相分析等方法,進(jìn)而預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育的有利區(qū)帶和發(fā)育程度,該類方法的分辨率相對(duì)較低[4];基于裂縫地震響應(yīng)特征的方法主要利用裂縫型儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征分析[5],提取地震數(shù)據(jù)的波形、振幅和頻率類的屬性預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育特征,如不連續(xù)性檢測(cè)、相干分析、波形分析、振幅屬性、頻率和吸收衰減屬性、彈性反演以及各向異性分析等。通常太古界潛山內(nèi)幕無(wú)明顯強(qiáng)反射界面,導(dǎo)致地震反射波能量較弱,加之裂縫發(fā)育造成地下介質(zhì)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,地震波的散射或繞射作用明顯,地震響應(yīng)為雜亂反射,常規(guī)反射波無(wú)法實(shí)現(xiàn)潛山內(nèi)幕大角度裂縫的清晰成像。繞射波是反映地下介質(zhì)非均質(zhì)性重要信息,對(duì)小尺度特殊地質(zhì)體、裂縫發(fā)育帶引起的地層非均質(zhì)性具有直接的指示作用。利用繞射波成像能夠有效地突出潛山內(nèi)幕大角度裂縫的地震響應(yīng),改善潛山內(nèi)幕成像效果。因此,可以利用繞射波數(shù)據(jù)開(kāi)展?jié)撋絻?nèi)幕中、小尺度裂縫儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)[6-7]。

自20世紀(jì)80年代至今,學(xué)者們對(duì)繞射波的分離與應(yīng)用開(kāi)展了大量研究。目前針對(duì)繞射波的分離主要有疊后和疊前兩種方式。疊后分離利用繞射波造成地震振幅的擾動(dòng),主要有特征向量分析[7]、中值濾波和擴(kuò)散濾波[8]以及預(yù)測(cè)反演[9]等方法。疊前分離主要包括疊前道集上的分離和偏移過(guò)程中的分離。其中,疊前道集上的分離主要有基于共偏移距道集的傾角濾波方法[10-11]、共炮點(diǎn)道集的聚焦反聚焦方法[12]、平面波解構(gòu)濾波[13]和平面波預(yù)測(cè)方法[14]等。偏移過(guò)程中的分離主要是在傾角域共成像點(diǎn)道集上開(kāi)展[15],主要有反穩(wěn)相濾波法[16]、相似譜分析法[17]、Radon變換法[18-19]和行波分解法[20]等。疊前分離方法主要是利用特定道集中反射波和繞射波的幾何形態(tài)差異。然而,繞射波與反射波在繞射頂點(diǎn)處是相切的,僅利用幾何形態(tài)很難實(shí)現(xiàn)二者的完全分離。目前,繞射波的應(yīng)用主要是用于斷層、尖滅點(diǎn)和溶洞等不連續(xù)地質(zhì)體的識(shí)別[21-24],而裂縫型儲(chǔ)層發(fā)育程度的預(yù)測(cè)則對(duì)繞射波的保幅性有更高的要求。

渤中A凝析氣田位于渤中西南洼和渤中主洼之間的近南北向構(gòu)造脊上,整體具有洼中隆的構(gòu)造背景,成藏條件優(yōu)越,是渤海灣盆地目前發(fā)現(xiàn)最大的天然氣田。其目的層主要為太古界潛山,巖石類型多樣,主要為變質(zhì)巖和后期侵入的巖脈,變質(zhì)巖以片麻巖、變質(zhì)花崗巖、混合片麻巖、碎裂巖和碎斑巖為主。該氣田潛山頂面平均埋深超過(guò)4500m,上覆地層多期高速火山巖和砂礫巖等復(fù)雜地質(zhì)體發(fā)育,對(duì)地震波有一定的屏蔽作用,導(dǎo)致潛山地層地震波能量弱,資料信噪比低。同時(shí),該氣田位于郯廬斷裂帶與張蓬斷裂帶的交匯區(qū),構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,潛山裂縫型儲(chǔ)層凈毛比在19%至68%之間不等,具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,導(dǎo)致潛山內(nèi)幕地震成像質(zhì)量較差,給該氣田的勘探評(píng)價(jià)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)渤海海域渤中A氣田太古界變質(zhì)巖潛山裂縫儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn),利用局部?jī)A角濾波與核主成分分析(KPCA)聯(lián)合的算法改進(jìn)了常規(guī)繞射波分離的精度,改善了潛山內(nèi)幕繞射波成像的保幅性,利用繞射波能量和曲率屬性實(shí)現(xiàn)了潛山裂縫儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。

1 方法原理

繞射波與反射波的顯著差異在于時(shí)距曲線不同,地面地震記錄中的繞射波時(shí)距曲線由雙平方根方程描述,而反射波時(shí)距曲線為雙曲線[25]。這種時(shí)距關(guān)系上的差異在共偏移距道集或平面波域共斜率(p)道集上,繞射波仍然表現(xiàn)為雙曲特征,而反射波則表現(xiàn)為擬線性特征。二者傾角差異顯著,繞射波同相軸能量大部分包含在高傾角信息成分中。

(1)

(2)

(3)

目前用于繞射波的疊前分離方法大多是針對(duì)大傾角繞射波部分。

1.1 基于局部?jī)A角濾波的大傾角繞射波分離

根據(jù)反射波與繞射波在平面波域共p道集或共偏移距道集上的幾何形態(tài)特征,二者存在明顯的傾角差異。反射波主要表現(xiàn)為小傾角特征,而繞射波能量主要包含在大傾角信息成分當(dāng)中。因此,可以利用局部?jī)A角濾波進(jìn)行分離。

局部?jī)A角濾波的公式為:

(4)

由于繞射波雙曲線在繞射頂點(diǎn)處與反射波同相軸相切,因而利用傾角濾波無(wú)法實(shí)現(xiàn)繞射波和反射波的完全分離,僅能分離出繞射波雙曲線兩翼的大傾角繞射波。繞射點(diǎn)附近的小傾角繞射波總會(huì)殘留一部分在分離后的反射波能量當(dāng)中,其殘留能量的大小取決于濾波參數(shù)σm。當(dāng)σm較大時(shí),殘留的繞射波能量相對(duì)較多;σm較小時(shí),殘留的繞射波能量相對(duì)較少。但當(dāng)σm取值較小時(shí),又會(huì)造成一部分反射波能量泄露到繞射波當(dāng)中。在實(shí)際濾波處理中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際資料選擇合適的傾角濾波參數(shù),在保證反射波分離的情況下盡可能的保留更多的繞射波能量。

1.2 基于核主成分分析的小傾角繞射波分離

局部?jī)A角濾波僅能獲得繞射波同相軸高傾角部分信息,而繞射波同相軸頂點(diǎn)附近的低傾角能量不能基于傾角濾波進(jìn)行分離,導(dǎo)致繞射波成像保幅性相對(duì)較差。在平面波共p道集或共偏移距道集上殘留的低傾角繞射波信息以孤立的振幅異常與反射波疊加在一起,這部分能量異常會(huì)造成反射波同相軸能量的擾動(dòng)。通常,反射波能量遠(yuǎn)大于繞射波能量,反射波信息仍然是信號(hào)的主要成分,而殘余的繞射波能量為信號(hào)的次要成分。因此,可以利用主成分分析(PCA)算法提取出特征值較大的有效反射信號(hào),獲得特征值很小的繞射信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)反射波與繞射波的信噪分離。

主成分分析算法將數(shù)據(jù)方差的大小作為信號(hào)衡量的標(biāo)準(zhǔn),方差越大,所能提供的信息越多,反之提供的信息就越少[23]。主成分分析算法實(shí)際上是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)線性坐標(biāo)變換的過(guò)程。然而地震信號(hào)為非線性信號(hào),從而制約了主成分分析算法的應(yīng)用效果。核主成分分析(KPCA)算法利用了核方法的性質(zhì),即通過(guò)一個(gè)非線性映射函數(shù),將在原始空間的線性主成分分析方法推廣到高維特征空間[27]。相對(duì)原始空間,它是非線性的。主成分分析算法只利用二階統(tǒng)計(jì)信息,不能獲得數(shù)據(jù)的高階特征,忽略數(shù)據(jù)的非線性信息。而核主成分分析算法是主成分分析算法的一種非線性推廣,能獲得數(shù)據(jù)的高階統(tǒng)計(jì)特征,從而在分析過(guò)程中獲得較為豐富的信息,對(duì)地震數(shù)據(jù)中彎曲同相軸和傾斜同相軸具有更好的應(yīng)用效果[28]。

利用核主成分分析算法進(jìn)行小傾角繞射波提取的步驟為:

1) 選擇合適的核函數(shù)φ,將地震數(shù)據(jù)映射到高維空間,并計(jì)算核矩陣。

K=φ(s)Tφ(s)

(5)

2) 求核矩陣K的特征值λ和特征向量w。

λ=wKwT

(6)

(7)

式中:λ為特征值矩陣,λ1>λ2>…>λn;n≤D;w為對(duì)應(yīng)特征向量矩陣。

3) 將特征向量w按對(duì)應(yīng)特征值大小,取前k(k

4) 提取原始地震數(shù)據(jù)中主能量(即反射波)。

r=wkx

(8)

式中:r=rp(x,τ)為計(jì)算得到的反射波。

5) 得到提取的小傾角繞射波場(chǎng)。

d=x-r

(9)

(10)

式中:dp(x,τ)為最終得到的相對(duì)完整的繞射波場(chǎng)。

2 應(yīng)用測(cè)試

2.1 模型數(shù)據(jù)測(cè)試

為了測(cè)試該方法的有效性,利用模型正演數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。建立大小為10000m×3000m的3層理論模型(圖1)。在模型不同位置加入了8個(gè)不同尺度的繞射點(diǎn)和1個(gè)等效的裂縫帶。其中,在第1層和第2層界面(深度為1000m),橫向位置2000,3000,4000m處分別添加3個(gè)橫向尺度為15m的繞射點(diǎn)。在第2層內(nèi)部(深度為1500m),橫向位置4500,5000,5500,6000,6500m處分別添加橫向尺度為5,10,15,20,30m的5個(gè)繞射點(diǎn)。在第2層介質(zhì)內(nèi)部(深度大約為1500m),橫向位置7500～8200m附近添加一個(gè)等效的裂縫繞射帶。對(duì)模型進(jìn)行聲波方程正演,其中,共模擬141炮;炮間距為50m;最大偏移距為3000m;道間距為25m。

圖1 3層理論模型

反射波和繞射波在共偏移距道集和平面波域共p道集上具有相似的特征,這里利用共偏移距道集等效為平面波域共p道集。圖2a為模型正演數(shù)據(jù)抽取的共偏移距道集(偏移距為1000m)。圖2b為經(jīng)過(guò)局部?jī)A角濾波得到的大傾角繞射波道集。經(jīng)過(guò)傾角濾波后,較好地分離出反射波和大傾角繞射波,但仍有部分小傾角繞射波殘留在反射波道集上(圖2c)。圖2d 是在圖2c的基礎(chǔ)上進(jìn)一步基于核主成分分析算法分離出來(lái)的小傾角繞射波道集。由圖2d 可見(jiàn),核主成分分析算法能夠有效地分離出小傾角繞射波。圖2e為圖2c和圖2d的差值,由圖2e可以看出,分離后的反射波中幾乎沒(méi)有殘留的繞射波能量。圖2f為分離出的大傾角繞射波和小傾角繞射波相加得到的相對(duì)完整的繞射波道集。因此,通過(guò)局部?jī)A角濾波和核主成分分析聯(lián)合的繞射波分離方法,能夠有效地提高繞射波分離的精度,減少繞射波頂點(diǎn)附近小傾角繞射波能量損失。圖3為疊前時(shí)間偏移剖面。圖3a是全波場(chǎng)的疊前時(shí)間偏移剖面,由于繞射波能量遠(yuǎn)小于反射波能量,第1層與第2層界面處的3個(gè)繞射點(diǎn)的成像被反射波同相軸淹沒(méi),繞射點(diǎn)成像不清晰。同時(shí)大傾角斷面反射波由于傳播路徑較長(zhǎng),在有效偏移距范圍內(nèi)接收到的信號(hào)較弱,導(dǎo)致在常規(guī)偏移剖面上大傾角斷面波不清晰。圖3b 是繞射波的疊前時(shí)間偏移剖面。由圖3b可以看出,由于消除了反射波強(qiáng)能量的干擾,繞射波偏移能夠有效地突出繞射點(diǎn)的成像,同時(shí)對(duì)大傾角斷面成像也有明顯改善。說(shuō)明繞射波成像對(duì)地層的不連續(xù)性和非均質(zhì)性的刻畫(huà)以及大傾角斷裂的成像具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖2 模型數(shù)據(jù)共偏移距道集(偏移距為1000m)繞射波分離a 全波場(chǎng); b 大傾角繞射波; c 經(jīng)過(guò)傾角濾波后,仍殘留在反射波道集上的部分小傾角繞射波; d 小傾角繞射波; e 圖2c和圖2d的差值; f 分離出的大傾角繞射波和小傾角繞射波相加得到的相對(duì)完整的繞射波道集

圖3 疊前時(shí)間偏移效果對(duì)比a 全波場(chǎng)疊前時(shí)間偏移; b 繞射波疊前時(shí)間偏移

2.2 實(shí)際資料應(yīng)用

渤中A凝析氣田太古界潛山儲(chǔ)層從潛山頂面向下,依次可分為風(fēng)化裂縫帶、相對(duì)致密帶、內(nèi)幕裂縫帶和致密帶,其中風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶為儲(chǔ)層發(fā)育段。風(fēng)化裂縫帶受構(gòu)造作用和風(fēng)化淋濾作用的雙重影響,主要發(fā)育孔隙-裂縫型儲(chǔ)層,成像測(cè)井解釋風(fēng)化帶裂縫密度為4～8條/m,走向?yàn)楸薄獤|向,平均傾角范圍為40°～55°。內(nèi)幕裂縫帶主要為受構(gòu)造活動(dòng)影響而形成的構(gòu)造縫,成像測(cè)井解釋內(nèi)幕裂縫帶裂縫密度為2～5條/m,走向?yàn)楸薄獤|向,平均傾角范圍為38°～55°。裂縫儲(chǔ)層相較于相對(duì)致密帶(速度為6000～6200m/s,密度為2.61～2.73g/cm3)表現(xiàn)為低速低密特征,其中風(fēng)化裂縫帶速度為4750～5200m/s,密度為2.52～2.60g/cm3;內(nèi)幕裂縫帶速度為4800～5300m/s,密度為2.55～2.65g/cm3?？紫抖确秶鸀?.2%～21.9%(平均為4.4%),滲透率范圍為(0.003～614.784)×10-3μm2(平均為5.050×10-3μm2),表明該區(qū)變質(zhì)巖儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性強(qiáng)。潛山內(nèi)幕在地震剖面上整體呈雜亂斷續(xù)反射特征,局部可見(jiàn)明顯斷續(xù)、高陡反射特征,地震散射明顯。

圖4a為渤中A氣田實(shí)際地震資料的共偏移距道集(偏移距為800m),可以看出,道集上存在明顯的繞射波。圖4b為經(jīng)過(guò)傾角濾波得到的大傾角繞射波,基本實(shí)現(xiàn)了繞射波與反射波的分離,但損失了繞射波頂點(diǎn)處小傾角能量。進(jìn)一步通過(guò)核主成分分析算法分離出小傾角繞射波(圖4c)。最終將大傾角繞射波與小傾角繞射波相加,得到相對(duì)完整的繞射波場(chǎng)(圖4d)。對(duì)分離出的繞射波進(jìn)行疊前偏移得到繞射波成像結(jié)果(圖5a)。由圖5a可以看出,相對(duì)常規(guī)全波場(chǎng)偏移剖面(圖5b),繞射波偏移能夠有效地改善潛山內(nèi)幕的成像效果,突出高角度反射特征。進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算曲率屬性對(duì)內(nèi)幕斷裂和裂縫的發(fā)育特征進(jìn)行描述,可以看出,基于繞射波的曲率屬性(圖5c)相比全波場(chǎng)曲率屬性(圖5d)對(duì)內(nèi)幕斷層邊界特征和復(fù)雜構(gòu)造特征的刻畫(huà)得到大幅增強(qiáng),有效指示了內(nèi)幕斷裂發(fā)育帶展布特征。圖6為利用繞射波進(jìn)行潛山裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的平面分布,其中繞射波的振幅屬性(圖6a)能夠有效地反映出裂縫儲(chǔ)層的發(fā)育程度,而基于繞射波曲率的沿層切片(圖6b)可以有效反映裂縫發(fā)育方向。通過(guò)繞射波成像預(yù)測(cè)的裂縫儲(chǔ)層發(fā)育程度和裂縫方向與已鉆井結(jié)果具有較好的吻合度,為后續(xù)的井位部署提供了直接依據(jù)。

圖4 實(shí)際資料共偏移距道集(偏移距為800m)繞射波分離a 全波場(chǎng); b 大傾角繞射波; c 小傾角繞射波; d 大傾角繞射波與小傾角繞射波相加得到的繞射波場(chǎng)

圖5 實(shí)際資料應(yīng)用效果對(duì)比a 繞射波偏移剖面; b 全波場(chǎng)偏移剖面; c 繞射波曲率屬性; d 全波場(chǎng)曲率屬性

圖6 潛山裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)平面分布a 繞射波平面振幅屬性(歸一化); b 繞射波曲率沿層切片

3 結(jié)論

本文研究了疊前繞射波分離成像方法,基于局部?jī)A角濾波和核主成分分析算法兩步實(shí)現(xiàn)繞射波分離,并利用繞射波的能量和曲率等屬性實(shí)現(xiàn)裂縫密度和裂縫方向的綜合預(yù)測(cè),在渤中A凝析氣田太古界潛山裂縫儲(chǔ)層研究中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明:

1) 聯(lián)合應(yīng)用局部?jī)A角濾波和核主成分分析算法能夠有效改善繞射波分離效果,降低繞射點(diǎn)附近小傾角繞射波的損失,改善繞射波成像的保幅性和橫向分辨率,對(duì)地下小尺度地質(zhì)體和非均質(zhì)性地層的成像具有較好的應(yīng)用潛力;

2) 繞射波單獨(dú)成像有助于改善太古界變質(zhì)巖潛山的成像效果,潛山內(nèi)幕斷裂的高角度反射明顯突出,提高了潛山內(nèi)幕斷裂的刻畫(huà)精度和潛山裂縫儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)精度,對(duì)變質(zhì)巖潛山的勘探具有借鑒意義;

3) 繞射波能量通常小于反射波能量,在常規(guī)地震資料中與其它類型噪聲混疊,在繞射波分離之前應(yīng)做好資料的去噪處理,保證資料具有較高的信噪比,同時(shí)在去噪過(guò)程中盡量減小繞射波的損失。