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時頻屬性法薄互層預(yù)測

2017-12-18 10:23:52劉力輝李建海孫瑩頻
石油地球物理勘探 2017年6期
關(guān)鍵詞:互層時頻能譜

劉力輝 李建海 孫瑩頻 胡 誠

(①北京諾克斯達石油科技有限公司,北京 100192; ②成都晶石石油科技有限公司,四川成都 610041)

·綜合研究·

時頻屬性法薄互層預(yù)測

劉力輝①李建海*②孫瑩頻①胡 誠②

(①北京諾克斯達石油科技有限公司,北京 100192; ②成都晶石石油科技有限公司,四川成都 610041)

1/4波長以內(nèi)的薄互層厚度預(yù)測一直是勘探難題,本文主要探討利用時頻屬性預(yù)測薄互層累計厚度的方法。通過薄互層楔狀模型和兩個疊置薄層模型,厘清薄互層累計厚度與時頻屬性的關(guān)系及其主要影響因素。模型研究結(jié)果表明: 凈毛比、層數(shù)和互層模式都對峰值振幅—毛厚度關(guān)系有影響,其中凈毛比影響最大,其次是互層數(shù),影響最小的是互層模式; 凈毛比控制峰值振幅、峰值頻率與毛厚度關(guān)系,也控制調(diào)諧厚度范圍; 在調(diào)諧厚度內(nèi),峰值振幅(積分能譜)與毛厚度呈單調(diào)遞增線性關(guān)系,峰值頻率與毛厚度呈單調(diào)遞減線性關(guān)系; 積分能譜與凈厚度呈線性關(guān)系,積分能譜有擴大調(diào)諧厚度范圍功能,有利于計算薄互層凈厚度。根據(jù)模型試算結(jié)果,在實際資料中運用人工智能方法,利用峰值振幅和峰值頻率等聯(lián)合計算薄互層凈厚度。預(yù)測結(jié)果表明本文方法準確、可靠,實用性強。

薄互層 凈毛比 毛厚度 峰值振幅 峰值頻率 積分能譜 人工智能

1 引言

薄層厚度的預(yù)測方法大體可以分為兩類。第一類是時間域調(diào)諧厚度法,認為λ/4(λ為地震波長)調(diào)諧厚度內(nèi),薄層反射振幅與厚度的關(guān)系為線性關(guān)系[1-3]。第二類是頻率域方法,孫魯平等[4]推導(dǎo)了地震峰值頻率與薄層厚度的理論關(guān)系表達式,但需已知頂?shù)追瓷湎禂?shù)比,模板為一簇曲線。

薄層互層的定量預(yù)測方法有三類。第一類是頻率屬性法。曾洪流等[1]提出了層分辨率的概念,利用時頻分析的主頻率預(yù)測薄互層凈厚度[5]。第二類是振幅法[6-12]。黃文峰等[10]利用薄互層調(diào)諧規(guī)律去調(diào)諧,利用地震振幅計算凈厚度。兩個文獻都指出-90°相位子波有利于分辨薄互層。第三類是波形法[12,13]。楊昊等[13]先構(gòu)建含有薄層厚度的原子庫,用匹配追蹤方法將薄層反射波形和庫中原子匹配,得出薄層反射系數(shù)位置和厚度。對于頻率屬性法,薄互層振幅譜和毛厚度及凈毛比的關(guān)系還沒有相應(yīng)的理論公式,需要近一步發(fā)展。

2 薄互層時頻特征影響因素

薄互層的時間域反射特征主要受毛厚度(砂泥巖薄互層總厚度T)和凈毛比(砂巖累加厚度與毛厚度之比G)影響,還受互層層數(shù)、互層分布模式等影響[10]。那么薄互層時頻特征主要受哪些因素控制呢?時頻域薄互層反射的特征可由峰值振幅和峰值頻率兩個參數(shù)表征。薄互層反射時窗內(nèi),由多個時頻點譜可以計算出一個傅氏譜,其對應(yīng)的最大振幅為峰值振幅,對應(yīng)的頻率為峰值頻率。振幅譜中低頻到子波主頻的積分為積分能譜。下面討論薄互層的毛厚度、凈毛比、層數(shù)和互層模式對峰值振幅的影響。

圖1給出了三組薄互層楔形模型的峰值振幅與毛厚度的關(guān)系曲線。第一組模型的凈毛比相同、互層層數(shù)相同、互層模式(互層由“四薄一厚”五小砂層構(gòu)成,厚砂層位于底部、第四層、第三層對應(yīng)分布1、2、3)不同; 第二組模型為凈毛比相同、互層層數(shù)不同、互層模式相同; 第三組模型的凈毛比不同、層數(shù)相同、互層模式相同。從圖1發(fā)現(xiàn)凈毛比、層數(shù)和互層模式對峰值振幅—毛厚度關(guān)系都有影響,其中凈毛比影響最大,其次是互層數(shù),影響最小的是互層模式。因此,在薄互層時頻分辨率分析中,主要討論毛厚度和凈毛比的影響。

圖1 三組薄互層楔形體峰值振幅與毛厚度關(guān)系曲線

圖2為凈毛比不同、層數(shù)相同、互層模式不同(等厚、遞變)的楔形模型的地震響應(yīng)。其中圖2a、圖2c是等厚模型,圖2b、圖2d是縱向厚度遞變模型。圖3a是圖2中各模型對應(yīng)的時間域振幅—毛厚度隨凈毛比變化曲線,圖3b是時頻域峰值振幅—毛厚度隨凈毛比變化曲線,對比兩張圖可以看出,時間域振幅—毛厚度關(guān)系和時頻域峰值振幅—毛厚度關(guān)系相似,凈毛比主要控制調(diào)諧厚度和曲線斜率,凈毛比越大,調(diào)諧厚度越大。

3 薄互層的振幅譜公式

以圖4兩層等厚砂巖夾一層泥巖隔層的基本薄互層為例(砂巖高阻抗,泥巖低阻抗)討論毛厚度和凈毛比同峰值振幅、峰值頻率的定量關(guān)系。

設(shè)薄互層砂巖凈厚度Tsand與互層總厚度T的比值為凈毛比G,反射系數(shù)強度為r, 則薄互層地震響應(yīng)S的振幅譜(推導(dǎo)見附錄)為[12]

|sin[πf(1-G)T]-sin(πfT)||r|

(1)

式中fd為子波主頻,是已知數(shù)??煽闯雒穸群蛢裘仁菦Q定峰值振幅、峰值頻率等時頻屬性的關(guān)鍵參數(shù)。對上述模型給定一組凈毛比,可以得出一組時頻屬性—毛厚度—凈毛比關(guān)系曲線。

如圖5所示,在薄互層頂、底反射系數(shù)比約為-1的情況下,峰值振幅和毛厚度關(guān)系與薄互層時間域振幅—厚度關(guān)系相似,但調(diào)諧點和其調(diào)諧厚度(圖中*)受凈毛比控制。在調(diào)諧厚度內(nèi),峰值振幅和毛厚度呈單增的線性關(guān)系。峰值頻率—毛厚度線性關(guān)系也受凈毛比控制,和毛厚度呈單減的的關(guān)系,不受調(diào)諧厚度影響,實用性強。積分能譜—毛厚度線性關(guān)系曲線形態(tài)類似峰值振幅,調(diào)諧厚度同樣受凈毛比控制,但調(diào)諧厚度加大,實用性更強。

圖2 不同凈毛比的三層砂巖、兩層泥巖隔層楔形模型(左)及其地震響應(yīng)(右)

圖3 平均振幅(a)和峰值振幅(b)與毛厚度的關(guān)系

圖4 薄互層楔形體(a)及其-90°相位合成地震道(b)

4 時頻屬性預(yù)測薄互層

目前用于提取時頻屬性的時頻分析方法較多,常用的包括小波變換、S變換,廣義S變換以及匹配追蹤等方法[15-18]。由于受測不準準則的制約,應(yīng)用小波變換、廣義S變換等線性算法無法同時獲得高時間分辨率和高頻率分辨率,而應(yīng)用匹配追蹤算法可克服窗函數(shù)的限制,能同時在時間域和頻率域精細表征信號特征[18]。因此,本文研究時頻屬性提取采用匹配追蹤方法。

4.1 積分能譜預(yù)測凈厚度

在調(diào)諧厚度內(nèi),峰值振幅AS與砂巖凈厚度hsand呈單調(diào)遞增的近似線性關(guān)系

hsand≈f1(AS)=k1ASk1>0

(2)

為增加峰值振幅計算凈厚度的實用性,擴大調(diào)諧厚度的范圍,提出了積分能譜屬性。

在薄互層頂、底反射系數(shù)比約為-1情況下,在調(diào)諧厚度范圍,積分能譜和凈厚度呈遞增的線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)積分限越窄,調(diào)諧厚度越大,積分限有擴大線關(guān)系應(yīng)用范圍的作用。圖6從上到下分別為5Hz~31.25Hz(子波主頻)、5~25Hz及5~15Hz的積分能譜與厚度關(guān)系曲線,可見窄頻帶的積分能譜屬性具有擴大調(diào)諧厚度的特性,但曲線斜率變小、敏感度降低,實際應(yīng)用中應(yīng)選取合適的積分限。

圖5 不同凈毛比的薄互層毛厚度與峰值振幅(a)、峰值頻率(b)、帶限積分能譜(c)的關(guān)系(子波主頻為31.25Hz)

圖6 不同頻帶積分能譜與毛厚度關(guān)系

4.2 峰值頻率預(yù)測凈厚度

當目的層毛厚度穩(wěn)定時,可以用峰值頻率預(yù)測凈厚度。峰值頻率fp與砂巖凈厚度hsand近似關(guān)系

hsand≈f2(fp)=f0-k2fp

f0>fpk2>0

(3)

式中f0為砂巖凈厚度逼近于0時對應(yīng)的地震峰值頻率。實際應(yīng)用中因峰值頻率不穩(wěn)定,需要結(jié)合其他參數(shù)求取。

4.3 非線性映射預(yù)測凈厚度

峰值振幅、積分能譜和峰值頻率都與薄互層的凈厚度有關(guān),但目前還沒有一個嚴格的解析式,為提高砂巖凈厚度的估算精度,實際應(yīng)用時可以利用人工智能方式,通過井震的監(jiān)督學(xué)習(xí),建立凈厚度與峰值振幅、峰值頻率等的非線性映射關(guān)系,計算薄互層的凈砂巖厚度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近些年研究熱點,是人工智能研究重要組成部分。在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域,目前主要用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,解決井震分線性映射問題[19-22]。但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法存在易陷入局部最優(yōu)解、效率低、橫向外推能力有限等問題[23]。EANN(進化型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))方法[24]采用群居尋優(yōu)的方式,能有效解決過度學(xué)習(xí)問題,同時有較好的外推能力,能有效保持地震預(yù)測的沉積邊界。因此本次研究選用EANN方法預(yù)測砂巖累計厚度。

5 應(yīng)用實例

研究區(qū)構(gòu)造上位于川西坳陷到川中隆起的過渡斜坡帶上,勘探開發(fā)結(jié)果表明該區(qū)為油氣長期運移的指向帶,成藏條件優(yōu)越[25]。本區(qū)主要目的層為沙一段,儲層類型為三角洲前緣分流河道砂體。由于水體較淺,在橫向上,河道分支數(shù)目較多,擺動頻繁,縱向上表現(xiàn)為多套河道砂體疊置,分流河道砂體與分流間灣泥巖呈薄互層狀分布(圖7)。薄層砂體累計厚度控制了本區(qū)儲層物性及含氣性,進而控制儲量計算結(jié)果。

測井解釋結(jié)果表明,研究區(qū)沙一段單層砂體厚度在4m以內(nèi),最大累計厚度為12m,平均厚度為6.5m。而研究區(qū)原始地震資料目的層主頻約為30Hz,沙一段多套砂泥巖互層在-90°地震剖面上表現(xiàn)為一個波谷反射,利用時間分辨率僅能識別到砂組級別(約50m,圖8)。根據(jù)地震資料主頻(30Hz)及砂巖速度(4300m/s)測算,砂體厚度在λ/4波長內(nèi),因此符合薄互層理論模型,可用峰值振幅、峰值頻率及積分能譜通過非線性擬合求取累計砂體厚度。

由于峰值頻率求取困難、穩(wěn)定性較差,本次研究選擇匹配追蹤峰值振幅與積分能譜進行薄層厚度預(yù)測。圖9為沙一段峰值振幅和積分能譜屬性圖,二者基本反映了本區(qū)沉積展布規(guī)律,進一步能反映砂體分布特征。從井震統(tǒng)計關(guān)系來看,峰值振幅和積分能譜屬性數(shù)值均與累計厚度呈正相關(guān)關(guān)系,但不是確定的線性關(guān)系(圖10)。

通過EANN遺傳網(wǎng)絡(luò)算法,將峰值振幅和積分能譜屬性轉(zhuǎn)換為砂巖厚度圖(圖11)。從砂巖厚度圖橫向分布趨勢來看,砂體主要分布于分流河道微相,表現(xiàn)出明顯的相控砂體分布特征。從砂體厚度值域分布來看,多條河道疊置交會區(qū)、河道彎道部位及正中位置,砂體厚度最大,累計厚度均在9m以上,以S13、S102井為例;其次為河道側(cè)翼,緊挨河道邊界位置,砂體累計厚度為7m,以S6、S15井為例;而遠離河道部位,砂體普遍較薄,約為4m,表現(xiàn)為片狀分布,主要位于研究區(qū)西部及南部,多條河道之間。

圖7 連井小層對比圖

圖8 -90°相移后的地震剖面

圖9 沙一段峰值振幅(a)和積分能譜(b)屬性圖

圖10 沙一段峰值振幅(a)、積分能譜(b)與厚度對應(yīng)關(guān)系

圖11 沙一段砂體累計厚度預(yù)測圖

表1為峰值振幅、積分能譜預(yù)測砂巖累計厚度與測井解釋砂巖累計厚度對比結(jié)果,井震對比結(jié)果表明,預(yù)測結(jié)果與測井結(jié)果吻合度較高,最大誤差不超過2m,預(yù)測結(jié)果可靠。

6 結(jié)論

影響薄互層的振幅譜主要因素是毛厚度和凈毛比。在調(diào)諧厚度內(nèi),峰值振幅—凈厚度呈單調(diào)遞增的線性關(guān)系,積分能譜—凈厚度也呈單調(diào)遞增的線性關(guān)系,但調(diào)諧厚度更范圍大。積分能譜的窄帶積分限可擴大調(diào)諧厚度范圍,增強積分能譜實用性。峰值頻率—凈厚度呈單減的線性關(guān)系。在實際資料中可用峰值振幅(積分能譜)、峰值頻率雙變量為輸入,用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測薄互層凈厚度。

本文寫作得益于與中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院相關(guān)專家的技術(shù)討論,同時得到該分院規(guī)劃所GEOSED軟件的支持,在此一并致謝!

表1 地震預(yù)測薄層厚度誤差統(tǒng)計表

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附錄A薄互層振幅譜公式推導(dǎo)

由圖A-1可見,反射系數(shù)序列可表示為

由傅里葉變換,可得

R(f)=rexp[-iπfT]-rexp[iπfT]-

rexp[-iπf(T-Tsand)]+

rexp[iπf(T-Tsand)]

圖A-1 簡化薄互層模型

cos(πfT)-isin(πfT)-cos[πf(T-Tsand)]+

isin[πf(T-Tsand)]+cos[πf(T-Tsand)]+

isin[πf(T-Tsand)]+

=2i{sin[πf(T-Tsand)]-sin(πfT)}

Ar(f)=2|r||sin[πf(1-G)T]-sin(πfT)|

雷克子波振幅譜為

則合成記錄的振幅譜為

|sin[πf(1-G)T]-sin(πfT)||r|

*四川省成都市成都晶石石油科技有限公司,610041。Email:172824397@qq.com

本文于2016年12月1日收到,最終修改稿于2017年9月28日收到。

本項研究受中國石油天然氣股份有限公司“地震沉積分析軟件集成應(yīng)用與區(qū)帶、目標評價”課題(2016B-0305)資助。

1000-7210(2017)06-1261-08

劉力輝,李建海,孫瑩頻,胡誠.時頻屬性法薄互層預(yù)測.石油地球物理勘探,2017,52(6):1261-1268.

P631

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10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.017

(本文編輯:朱漢東)

劉力輝 博士,1965年生; 1988年本科畢業(yè)于石油大學(xué)勘查地球物理專業(yè),1997年獲石油大學(xué)煤田、油氣地質(zhì)與勘探專業(yè)碩士學(xué)位,2011年獲成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位; 主要從事地震沉積學(xué)研究、物探技術(shù)方法及相關(guān)軟件的研發(fā)。

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