楊曉光 劉 震* 李自遠 盧朝進 齊 宇

(①中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； ②中海油研究總院，北京 100028)

1 概況

火山巖油氣藏勘探已有近130年的歷史，目前火山巖油氣藏逐步受到關注[1]。近年來在松遼盆地徐家圍子斷陷和長嶺斷陷以及準噶爾盆地烏夏斷裂帶和陸東地區(qū)的火山巖油氣勘探不斷取得突破，展示了深層火山巖的巨大油氣潛力[2-7]?；鹕綆r儲層預測難度較大，尤其在低勘探程度地區(qū)，在缺乏巖心資料的情況下，主要利用地震相劃分、地震常規(guī)屬性提取、相干分析等方法識別火山巖[8-13]，但受制于地震資料品質，往往需要大量的井資料進行約束。

木壘凹陷位于準噶爾盆地東南部，南部緊鄰博格達山，東部為克拉美麗山，西部為古東凸起，面積約為1.72×103km2(圖1)。與準東其他地區(qū)一樣，木壘凹陷石炭紀火山活動頻繁[14-17]，發(fā)育大規(guī)模火山巖，已有兩口井鉆遇石炭系巴山組火山碎屑巖并發(fā)現(xiàn)油層，其中木參1井壓裂回收油2.5L，木壘1井壓裂獲油0.4m3，展示了良好的勘探潛力[18，19]。但由于井位稀少，識別火山巖的巖相、巖性及利用測井資料分析火山巖的平面展布特征難度較大，加之常規(guī)地震反射雜亂，地震屬性敏感性不強，因此在低勘探程度階段難以預測該區(qū)火山巖有利儲層。為此，本文利用改進的Morlet小波對木壘凹陷三維地震資料進行分頻重構處理，明顯提高了地震資料品質，并在此基礎上分析、總結古火山錐地震相特征，進行敏感屬性及地震切片分析，進而預測有利區(qū)分布，獲得了很好的效果。

圖1 準噶爾盆地東南緣構造單元劃分

2 地震分頻重構方法

2.1 基本原理

傳統(tǒng)的傅里葉變換方法是一種全局變換方法，可在頻率域分析信號，而地震信號屬于非平穩(wěn)信號，時頻分析是一種較好的地震信號分頻處理方法。目前，時頻分析方法主要包括短時傅里葉變換[20]、S變換[21，22]和小波變換[23]等。文中使用改進小波變換分頻重構處理研究區(qū)地震信號。

小波變換是一種時間—尺度分析方法，在時間域和尺度(頻率)域均具有表征信號局部變化特征的能力。在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率，有利于信號的動態(tài)瞬時分析[24，25]。因此，小波變換方法也是一種“數(shù)學顯微鏡”[26，27]。

對于任意信號f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換[28]定義為

(1)

數(shù)φ(t)的共軛函數(shù)，t為時間。

從信號分析的角度看，小波變換實質上是用一組不同尺度的帶通濾波器對信號f(t)濾波，而將信號分解到一系列不同的頻帶上。

若要重構經(jīng)過連續(xù)小波變換的原信號，需要進行連續(xù)小波逆變換，即

(2)

式中：Cφ為小波滿足容許性條件的參數(shù)；φa,b(t)為小波函數(shù)； Wf(a,b)為信號f(t)的小波變換結果。

式(2)說明連續(xù)小波變換是完備的，其保留了信號的全部信息，因此利用式(2)可準確刻畫信號的特征。

2.2 改進Morlet小波函數(shù)

一般形式的Morlet小波可表示為[23]

(3)

式(3)的Mortlet小波旁瓣過多，會影響地震信號分頻重構的分辨率，式中ω0為中心角頻率。本文根據(jù)工區(qū)子波特征修改Morlet小波函數(shù)的參數(shù)，即

ψ(t)=eiω0te-3t2

(4)

式(4)可壓制Morlet小波在時間域的3對旁瓣，使小波函數(shù)的支集減少，拓寬了分頻重構的頻率域窗口，從而削弱Morlet小波過多旁瓣對地震信號分頻處理的干擾[29]。相對于式(3)，式(4)在時間域僅具有一對旁瓣(3個相位)，其波形類似于雷克子波(圖2)，但比雷克子波的頻率高。從本質上來說，波形接近地震子波的小波函數(shù)可提高小波變換的處理效果[30，31]，可根據(jù)不同地區(qū)地震資料的頻率特性，修改Morlet小波函數(shù)的參數(shù)，其中減少小波的旁瓣是一種較好的尺度參數(shù)選擇方法。利用修改后的Morlet小波對理想信號(雷克子波)進行小波變換，其頻寬相較原Morlet小波變窄，減少了過多旁瓣對后續(xù)頻譜重構帶來的干擾(圖3)。

圖2 修改前(a)、后(b)的時間域Morlet小波

圖3 雷克子波理論信號(a)及其修改前(b)、后(c)的Morlet小波時頻分析結果

3 分頻重構效果及優(yōu)勢頻率選取

3.1 分頻重構優(yōu)勢頻段現(xiàn)象

研究表明，地震資料的分頻重構處理存在優(yōu)勢頻段[32，33]。為了確定分頻重構的優(yōu)勢頻段，首先對目的層上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內山組三段(C2b3)進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)峰值頻率fc約為20.5Hz(圖4)。因此，本文對峰值頻率為20Hz的雷克子波進行[1Hz，100Hz]頻段的分頻處理，時間范圍為[-0.5s，0.5s]，采樣間隔為1ms。由20Hz雷克子波分頻處理波形圖(圖5a)可見： 當分頻重構頻率為25～40Hz時，處理后雷克子波的波形特征十分清晰，能量較強；當分頻重構頻率小于25Hz時，隨著頻率的降低，處理后雷克子波的能量逐漸減弱，波形逐漸模糊，分辨率逐漸下降；當分頻重構頻率高于40Hz時，隨著頻率的升高，處理后雷克子波的能量逐漸減弱，波形逐漸模糊，直至波形難以分辨。研究發(fā)現(xiàn)，固定峰值頻率的雷克子波經(jīng)分頻重構后， 在某個頻段達到最佳處理效果，對應于相對振幅最大的頻率段，該頻率段即為處理的優(yōu)勢頻段。

通過分頻重構不同峰值頻率的雷克子波發(fā)現(xiàn)，不同峰值頻率的雷克子波經(jīng)分頻處理后均存在優(yōu)勢頻段，信號的峰值頻率不同，分頻處理的優(yōu)勢頻段也不同，隨著雷克子波峰值頻率的升高，優(yōu)勢頻段拓寬(圖6)。在優(yōu)勢頻段分頻重構時，波形清晰，能量最高。當分頻重構頻率低于優(yōu)勢頻段的頻率時，子波能量降低，分辨率較低；當分頻重構頻率高于優(yōu)勢頻段的頻率時，子波能量也會逐漸降低，并且對于真實資料來說，過高的重構頻率會降低信噪比。

圖4 目的層頻譜分析結果

圖5 20Hz雷克子波分頻處理波形(a)及峰值振幅變化規(guī)律(b)

3.2 實際地震資料分頻重構效果及優(yōu)勢頻率選取

對準東木壘凹陷實際地震資料進行分頻重構處理，由于C2b3火山巖目的層具有巖性復雜多樣、巖相變化快等特點，導致地震反射特征雜亂、內部結構模糊、成層性差、預測難度大。但分頻重構處理可以揭示不同地震相內部反射結構的差異， 使同相軸之間的削蝕關系及地震相邊界更加清晰。值得指出的是，通過適當?shù)胤诸l重構可提高原始地震資料的峰值頻率，相應地提高了分辨率，使同相軸更加連續(xù)、清晰，反映了有效波的反射特征。對于研究區(qū)而言，火山巖地層埋深較大、巖性復雜，高頻信號較低頻信號衰減更快，經(jīng)分頻重構在主頻附近能量得到補償而使資料更加真實。

圖6 不同峰值頻率雷克子波分頻處理優(yōu)勢頻段

前積反射結構由一組向同一方向傾斜的同相軸組成，其與上覆和下伏的平坦同相軸呈角度或切線相交。前積反射結構通常反映某種攜帶沉積物的水流在向盆地推進過程中由前積作用產生的反射特征[34]，在火山巖區(qū)則表示火山活動時沿地表溢流的巖漿攜帶卷入的巖石碎屑沿斜坡向洼地流動、冷凝、固結。

由反映前積反射結構的原始地震剖面及其分頻處理剖面(圖7)可見，25Hz分頻重構剖面與原始剖面相比，內部同相軸數(shù)量增多且更為穩(wěn)定、連續(xù)，邊界同相軸終止關系更為明顯，前積反射結構輪廓更加清晰，明顯有別于周圍沉積體的反射特征；相對于25Hz分頻剖面，5、15Hz分頻剖面同相軸相對模糊，35、45、55、65Hz分頻剖面的頻率高于地震資料主頻，由于高頻資料相對缺失，導致地震信號能量減弱，整體上空白反射區(qū)增多、信噪比降低，影響資料品質。由此可以看出，25Hz分頻剖面的分辨率最高，地震相內部反射結構最為清晰，因此25Hz為識別該區(qū)前積結構的溢流火山巖的優(yōu)勢頻率，其與研究區(qū)目的層的地震資料主頻基本一致。

圖7 反映前積反射結構的原始地震剖面及其分頻處理剖面

丘狀反射外形表現(xiàn)為同相軸向兩側減少消失，且具有“上凸底平”的特征。丘狀反射外形往往反映三角洲朵葉、重力滑塌堆積、碳酸鹽巖巖隆、混雜的各類火山巖快速堆積體等沉積體。在火山巖區(qū)丘狀反射外形伴有雜亂—空白反射、同相軸連續(xù)性為中—差等反射特征[35]。

圖8 反映丘狀反射外形的原始地震剖面及其分頻處理剖面

圖8為丘狀反射外形原始地震剖面及其分頻處理剖面。由圖可見，25Hz分頻剖面可清晰地識別獨立的丘狀體邊界，其丘狀反射外形特征較原始剖面更明顯，甚至可以輕易地識別丘狀體的疊置關系，并可劃分火山錐期次。

綜上所述，目前認為優(yōu)勢頻率與目的層地震資料的主頻基本一致，主頻約為實際地震資料峰值頻率的1.3倍[36]。但對于典型地震相的識別而言，需要分頻重構試驗選擇優(yōu)勢頻段。具體步驟為： ①對原始地震資料進行頻譜分析，以確定資料的峰值頻率(分頻間隔約為峰值頻率的1/3～1/2倍時可顯示資料的明顯差別)； ②通過對比不同峰值頻率的實際分頻重構效果，確定火山巖精細解釋的“優(yōu)勢頻段”。

4 基于分頻重構的古火山錐體識別

4.1 古火山地震相特征及模型正演

鄰區(qū)克拉美麗與三塘湖地區(qū)火山巖勘探較為成熟，前人對火山巖地震相進行了描述。李勇等[37]研究了松遼盆地北部營城組火山巖巖相特征，認為爆發(fā)相反映了丘狀加厚反射外形，同相軸呈振幅強弱相間、突變、不連續(xù)、雜亂零星分布等特征； 李光云[38]認為三塘湖盆地火山錐表現(xiàn)為中振幅、雜亂、低頻、丘狀反射特征； 毛海波等[39]認為克拉美麗地區(qū)近源爆發(fā)相加噴溢相表現(xiàn)為弱連續(xù)、弱振幅反射特征； 郭濤等[40]將渤中地區(qū)火山巖爆發(fā)相反射特征歸納為中—低頻、中振幅、丘狀斷續(xù)反射。木壘凹陷的勘探程度較低，僅有2口井鉆遇石炭系火山巖，且火山巖地層具有巖性復雜、相變快等特點，地震相邊界不清，識別火山巖難度較大，需進行分頻重構處理才能識別火山錐的反射特征(圖7、圖8)。文中結合研究區(qū)的實際資料特征，通過少量井標定進行約束，利用模型正演技術驗證了古火山錐的地震響應特征，為預測該區(qū)古火山錐提供了有力證據(jù)。

4.1.1 地質模型的建立

吳顏雄等[41]、唐華風等[42]將火山機構劃分為火山口—近火山口、近源和遠源等相帶(圖9)。

根據(jù)井資料揭示的巖性及聲波時差資料求得模型中各巖性速度范圍(表1)。根據(jù)單期噴發(fā)火山機構發(fā)育模式建立古火山發(fā)育的理想模型(圖10)，總結典型的古火山錐地震反射特征，再依據(jù)地震資料建立實際過井火山錐剖面(圖11)的地質模型，通過正演手段為精確描述研究區(qū)的地震相特征提供證據(jù)。

圖9 單期噴發(fā)火山機構發(fā)育模式(據(jù)唐華風等[42]修改)

巖 性速度/(m·s-1)上覆沉積地層3400～3500火山角礫巖 4200～4400角礫熔巖 4500～4600致密玄武巖 4700～4900凝灰?guī)r 3700～3900泥巖 3600～3700火山通道 5200

圖10 古火山發(fā)育的理想地質模型

圖11 過井火山巖剖面(左上)、正演模型(左下)及木參1井綜合柱狀圖(右)

在理想模型中(圖10)，相同的顏色代表相同的速度，巖性及速度隨與火山口的距離而發(fā)生變化。近火山口的爆發(fā)相以火山角礫巖為主，隨著距離的增加，凝灰物質含量增高，速度變低；近火山口的噴溢相則以氣孔玄武巖為主，隨著與火山口的距離增加，揮發(fā)成分不斷排出，地層逐漸變得致密，速度升高。

在真實過井火山巖模型中(圖11)，兩個古火山錐體(黑色實線)頂部緊鄰不整合面，證據(jù)是在井上存在一段較厚的沉積夾層，以泥巖和火山碎屑為主，代表較長的火山間歇或上、下是不同源火山物質的疊加，底部為其他源火山物質及外源沉積物，下伏巖層為巴塔瑪依內山組二段(C2b2)泥巖沉積。

4.1.2 正演模擬結果分析

基于波動方程方法分別對理想火山發(fā)育模型和真實火山發(fā)育模型進行正演。布設地面等間距炮集50炮，子波為雷克子波，子波主頻為25Hz。利用模型的速度場對疊前資料進行疊加偏移，得到最終正演模擬剖面。

通過理想火山模型正演(圖12)分析發(fā)現(xiàn)，古火山的主要地震響應特征為： ①火山頂部與上覆地層存在較大波阻抗差，形成頂部強反射； ②火山錐內部呈弱反射，由于巖性變化，向兩側同相軸振幅逐漸增強； ③火山錐兩側地層向中心存在超覆現(xiàn)象，且遠離火山錐地層逐漸穩(wěn)定； ④火山通道具有內部短軸假象，特征明顯。

真實地震資料的過井火山模型正演(圖13)表明，古火山具有丘狀外形、內部弱反射、頂部強反射等特征，火山通道特征明顯，在沉積夾層處反射特征與原剖面一致，證明木參1井沉積夾層上、下部分為異源的火山物質縱向疊置。

綜合正演模擬、井資料、地震典型剖面及前人研究成果，認為工區(qū)古火山機構表現(xiàn)為雜亂、丘狀、弱中振幅、低頻、弱連續(xù)反射特征，為含揮發(fā)分的灼熱碎屑—漿屑混合物及火山灰噴出、降落、沉積形成。巖性為粗碎屑空落角礫巖、集塊巖、熱碎屑流亞相熔結凝灰?guī)r以及富含氣孔的角礫熔巖縱向疊置。

圖12 理想火山模型正演結果(上)及典型剖面(下)

4.2 地震屬性及層切片分析

前人的研究成果[43-45]及研究區(qū)實際資料均表明，遭受風化改造的火山錐是火山巖發(fā)育區(qū)重要的儲集體之一，具有易風化溶蝕、緊鄰不整合面、位于構造高點等有利條件。本文以優(yōu)勢頻段(25Hz)分頻重構地震數(shù)據(jù)為載體，以木壘凹陷C2b3緊鄰不整合面火山錐為研究對象，主要進行了均方根振幅屬性分析，并與常規(guī)數(shù)據(jù)體進行對比，展示其分頻重構處理后的平面屬性及層切片效果。

按照層間屬性提取方法，以研究區(qū)C2b3為研究時窗，分析研究對象的地震屬性特點，提取了均方根振幅、相干性、最大振幅、瞬時頻率、瞬時相位、總能量、振幅峰態(tài)等多種屬性，發(fā)現(xiàn)分頻重構后振幅相關屬性(均方根振幅、最大振幅、總能量)敏感性較高，可清晰地圈定火山錐邊界。這是由于火山錐原始地震資料為低頻資料，不能分析主頻附近的能量特征，經(jīng)分頻重構后，使其振幅相對減弱，與周圍強振幅反射差別更加明顯。本文以均方根振幅屬性為例進行分析。

圖13 過井火山模型正演結果(a)及分頻地震剖面(b)

圖14為分頻重構后層間均方根振幅屬性，其中弱均方根振幅指示火山發(fā)育的大致區(qū)域，西部弱振幅是地震資料邊界疊加處理不完全所致，發(fā)現(xiàn)火山巖大致沿北東向的4個條帶展布，北部規(guī)模明顯高于南部。

按照屬性切片處理方法，以C2b3頂界不整合面為層面、40ms(約一個波長)為時窗，分別進行0、20、40、60、80、100ms的均方根振幅屬性提取。圖15為原始資料與分頻資料距目的層頂部不整合面40ms處的均方根振幅屬性切片，較好地揭示了鄰近不整合面的火山錐體及熔巖穹隆分布。相對來說， 分頻后火山錐體邊界更清楚，火山外部雜亂假象減少，在平面上呈圓形、橢圓形沿北東向分布，具“北密南疏”的特點。

為直觀地顯示古火山形態(tài)特征，根據(jù)均方根振幅屬性切片特征，對工區(qū)北部的一個大型火山群(圖15白色方框區(qū)域)進行了三維精細識別。 由工區(qū)北部火山群三維刻畫及分頻剖面(圖16)可見，火山群是多期古火山錐體的疊置，古火山錐邊界清晰，在地震剖面上具有丘狀、弱反射的典型特征，火山碎屑錐體直徑約為6km，高度為600～800m。

圖14 分頻重構后層間均方根振幅屬性

圖15 原始資料(a)與分頻資料(b)距目的層頂部不整合面40ms處的均方根振幅屬性切片

圖16 工區(qū)北部火山群三維刻畫及分頻剖面

4.3 火山巖有利儲層綜合預測

鉆井稀少的火山巖發(fā)育區(qū)主要依靠地震資料開展儲層預測，提高地震資料分辨率是火山巖儲層預測的關鍵。因此，本文試圖基于分頻重構技術建立火山巖儲層預測方法，即通過實際地震資料分頻重構處理確定優(yōu)勢頻段，然后將優(yōu)勢頻段分頻重構處理并拓展至三維空間，最后對分頻三維地震資料進行地震相精細識別與敏感屬性分析，綜合預測火山巖有利儲層的空間分布。

基于25Hz分頻重構處理地震資料，經(jīng)精細解釋，共識別古火山錐體27個，錐體直徑為1～3km，熔巖延伸可達十幾千米甚至數(shù)十千米，高為100～600m(圖17、圖18)，與現(xiàn)代火山的大型火山碎屑錐、小中型層火山(如帕里庫廷火山、維蘇威火山、富士山)相對應[46]，代表中海西期準噶爾周緣洋盆閉合后在晚石炭世進入陸緣碰撞造山階段，深部巖漿劇烈活動、上涌，造成大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，形成大規(guī)模多期復合疊置的火山建造[47-49]。上述特征與鄰區(qū)三塘湖、克拉美麗、五彩灣上石炭統(tǒng)火山發(fā)育環(huán)境相一致。研究區(qū)火山巖主要沿2個北東向條帶分布，與該區(qū)所受的區(qū)域應力和北東向的深斷裂有關。

圖17 C2b3古火山錐體平面分布圖

圖18 C2b3古火山發(fā)育模式圖

研究發(fā)現(xiàn)，由火山口—近火山口的丘狀相與均方根振幅屬性切片預測的火山錐相關性極高。因此，根據(jù)地震相精細識別和敏感屬性分析結果預測了3個有利區(qū)(圖19)。

5 結論

(1)不同峰值頻率的雷克子波經(jīng)分頻處理后均存在優(yōu)勢頻段，信號的峰值頻率不同，分頻處理的優(yōu)勢頻段也不同。當分頻重構頻率低于優(yōu)勢頻段的頻率時，能量降低，分辨率較低；當分頻重構頻率高于優(yōu)勢頻段的頻率時，子波能量也會逐漸降低，但過高的重構頻率也會降低信噪比。

(2)通過理想火山模型正演分析發(fā)現(xiàn)，地震反射特征表現(xiàn)為雜亂、丘狀、弱中振幅、低頻、弱連續(xù)，具體為： ①火山頂部與上覆地層存在較大波阻抗差，形成頂部強反射； ②火山錐內部呈弱反射，由于巖性變化，向兩側同相軸振幅逐漸增強； ③火山錐兩側地層向中心存在超覆現(xiàn)象，且遠離火山錐地層逐漸穩(wěn)定； ④火山通道具有內部短軸假象，特征明顯。

(3)均方根振幅屬性對近火山口的火山碎屑巖敏感，分頻重構后表現(xiàn)為低均方根振幅值，層間屬性及屬性切片分析表明，研究區(qū)火山呈北東向展布，并具有“北密南疏”的特點。

圖19 有利區(qū)帶預測圖

(4)雜亂丘狀相主要代表的近火山口的火山碎屑巖是有利儲層之一。結合地震相、敏感屬性及深斷裂特征認為，研究區(qū)火山巖沿北東向兩個條帶呈串珠狀發(fā)育，并預測了3個火山巖儲層發(fā)育有利區(qū)。