史飛洲,穆 潔,方 圓

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，南京 211103；2.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037)

碳酸鹽巖儲層的埋深大，且縱向、橫向的非均質(zhì)性較強，其中溶蝕孔洞和斷裂較為發(fā)育，并共同構(gòu)成油氣的儲集空間和運移通道，提高二者的地震成像精度對碳酸鹽巖儲層油氣勘探和開發(fā)具有重要的意義。馬學(xué)軍等[1-2]、胡鵬飛[3]針對塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲層的特點，提出了對應(yīng)的處理流程，主要包括：疊前去噪、層析靜校正、地表一致性處理、高精度速度建模和偏移成像等，從而有效地改善了研究區(qū)縫洞型儲層的成像精度。在此基礎(chǔ)上，龔洪林等[4]、李鵬等[5]將上述方法分別應(yīng)用于塔中82井區(qū)和塔里木盆地玉北6井區(qū)，提高了溶蝕孔洞和裂縫的可識別性，取得了較好的成像效果。陳明政等[6]、劉斌等[7]和蔣波等[8]將繞射波分離成像技術(shù)應(yīng)用于碳酸鹽巖儲層的縫洞識別中，有效提高了裂縫和溶洞的識別精度。隨后，印興耀等[9]提出了基于子波重構(gòu)的高斯束正演方法，可以較準(zhǔn)確地刻畫起伏地表對下伏地層的影響；馬靈偉等[10]借助正演模擬的方法，對近地表黏彈性介質(zhì)進(jìn)行了兩個方面的系統(tǒng)研究，包括地震波能量的吸收衰減和深層碳酸鹽巖縫洞成像；張軍華等[11]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，探討了上覆地層、信噪比、覆蓋次數(shù)、速度模型和偏移方法對溶洞成像的影響；孫振濤[12]基于疊前地震數(shù)據(jù)的分頻振幅差異，有效地識別了塔河油田的不同尺度的溶洞；陳蘭樸等[13]對塔河油田東南斜坡奧陶系縫洞儲層的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究和評價；陳培元等[14]結(jié)合地質(zhì)資料，利用數(shù)字建模的方法，對塔河地區(qū)的裂縫展布規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識有較高的符合率，上述的研究成果有助于縫洞成像精度的進(jìn)一步提升。隨著計算機運算速度的飛速提升，以及偏移算法的不斷進(jìn)步，近年來，逆時偏移成像技術(shù)(RTM)在實際地震資料處理中得到了較為廣泛的應(yīng)用，徐穎等[15]、薛明喜等[16]在實際地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對比了疊前時間偏移、疊前深度偏移和逆時偏移的成像效果，并認(rèn)為逆時偏移技術(shù)的聚焦效果最好。李振春等[17]、高厚強等[18]分別將逆時偏移成像技術(shù)應(yīng)用于我國西部探區(qū)，準(zhǔn)確地刻畫出了碳酸鹽巖儲層中的溶蝕孔洞和斷裂的形態(tài)和位置，取得了較好的實際應(yīng)用效果。

前人研究成果和應(yīng)用大多是針對的疊前地震數(shù)據(jù)，并取得了較好的縫洞成像效果。但是，基于碳酸鹽巖儲層的疊后地震數(shù)據(jù)，尤其是提升縫洞成像精度的研究還比較少。在精細(xì)的疊前預(yù)處理和逆時偏移成像基礎(chǔ)之上，利用束波變換技術(shù)，對塔里木盆地塔河油田某區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的疊后地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將目標(biāo)地質(zhì)體從剖面中提取出來，從而有效地提高了溶蝕孔洞和斷裂的成像精度。

1 基本原理

束波變換的概念是由Donoho等[19-21]于2000年提出的。如圖1(a)所示，假設(shè)正方形圖像的像素大小為n×n，其中n為像素個數(shù)，即該圖像由n×n個小方塊組成，每個小方塊稱為一個像素。當(dāng)正方形的邊長為1時，則圖像就被歸一化為[0,1]×[0,1]的單位方塊，圖像中每個像素的大小為1/n×1/n。

為了得到不同尺度大小的方塊，采用遞歸二分的方法對圖像進(jìn)行分割。定義尺度因子為j，原始的正方形圖像被分割成2j×2j個小方塊，如圖1所示。圖1(a)～圖1(d)對應(yīng)的尺度因子分別為0、1、2、3，即原始的正方形圖像被分割成1、4、16、64塊。

不同尺度因子下的每一個二分方塊用式(1)表示：

S(k1,k2,j)={(x1,x2)∶[k1/2j,(k1+1)/2j]×

[k2/2j,(k2+1)/2j]}

(1)

式(1)中：k1和k2為尺度因子，0≤k1<2j，0≤k2<2j，當(dāng)尺度因子為0時，即k1=k2=j=0時，S(k1,k2,j)代表整個正方形圖像；當(dāng)j=1時，S(k1,k2,j)代表圖1(b)中的四個方塊中的一個方塊；當(dāng)2j=n時，則S(k1,k2,j)代表一個像素。

圖1 不同尺度、位置和方向的束波Fig.1 Four beamlets of various scales,locations,and orientations

如圖1所示，在某一尺度因子下，對二分方塊的四邊每隔一個像素點標(biāo)注一個分隔點，則在同一個二分方塊內(nèi)，兩個相異的分隔點的連線稱為一條波束。二分方塊S(k1,k2,j)內(nèi)的分隔點數(shù)如式(2)所示：

M[S(k1,k2,j)]=4×2-jn

(2)

式(2)中：n為像素個數(shù)。

用連續(xù)函數(shù)f(x1,x2)表示方塊圖像中的某一形狀，則束波變換可以理解為該函數(shù)沿著束波基的線積分的集合，然后利用積分值來識別圖像中的目標(biāo)形狀，束波變換系數(shù)Tf(b)為

(3)

式(3)中：Tf(b)為束波變換系數(shù)；b為束波基Bn,δ中的任一元素；l為束波基Bn,δ中任一元素的長度；f(x,y)為單位方塊上的任一連續(xù)函數(shù)。

2 應(yīng)用實例

利用束波變換的方法，對塔里木盆地塔河油田某區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的逆時偏移地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊后處理。

2.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)庫車縣境內(nèi)，北靠天山南麓，南接塔克拉瑪干沙漠北緣，地表以戈壁和荒漠為主(圖2)。碳酸鹽巖儲層主要發(fā)育在中下奧陶統(tǒng)，地層巖性以泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r和生物屑灰?guī)r為主，儲集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主。

圖2 工區(qū)構(gòu)造位置Fig.2 The tectonic location of the study area

圖3 研究區(qū)目的層的地震剖面Fig.3 Seismic profile of the target formation in study area

圖3為研究區(qū)內(nèi)的一條時間域的地震剖面。圖3中的黃色線條為中下奧陶統(tǒng)的頂面，在該頂面上下發(fā)育了一系列類似“串珠”狀的溶蝕孔洞，以及一些與溶蝕孔洞伴生的斷裂，二者分別構(gòu)成了油氣的存儲空間和運移通道。但由于長期受到風(fēng)化剝蝕和巖溶作用的影響，在中下奧陶統(tǒng)上形成了不整合面，從而掩蓋了其附近部分溶蝕孔洞和斷裂的地震響應(yīng)特征，使得二者的成像效果不佳，對地震油氣勘探的準(zhǔn)確性造成了影響。

2.2 應(yīng)用效果

為了提高溶蝕孔洞和斷裂的地震成像效果，根據(jù)二者的地質(zhì)尺度大小，以束波變換為工具，分別采用大尺度和小尺度參數(shù)(其中大尺度參數(shù)在平面上為3 000 m×3 000 m，縱向上為1 000 m；小尺度參數(shù)在平面上為1 000 m×1 000 m，縱向上為300 m)，對研究區(qū)的逆時偏移地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分解和重構(gòu)，并提取了相應(yīng)的地震屬性。

2.2.1 溶蝕孔洞

平均絕對振幅屬性是對振幅的絕對值的總和求平均，通常用于識別地層的地震振幅異常。在碳酸鹽巖地層中，當(dāng)有溶蝕孔洞存在時，由于孔洞的體積密度和地震波速度均較低，導(dǎo)致其阻抗值要遠(yuǎn)低于圍巖，從而使得地震剖面中孔洞所在位置的能量要強于圍巖，顯示出一系列類似“串珠”狀的地震響應(yīng)，并在提取的平均絕對振幅屬性中顯示出異常的響應(yīng)特征。

圖4 平均絕對振幅屬性Fig.4 Attribute of average absolute amplitude

圖4為研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面的平均絕對振幅屬性的平面分布，綠色箭頭的指向為北。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別對應(yīng)原始的逆時偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數(shù)據(jù)所提取的平均絕對振幅屬性，圖4中的黑色圓點為溶蝕孔洞的響應(yīng)。圖4(b)、圖4(c)中紅色虛線方框內(nèi)的黑色圓點的清晰度要高于圖4(a)；同時，圖4(b)、圖4(c)中黑色圓點之間以及同周圍環(huán)境之間的分離度要好于圖4(a)；對比圖4(b)和圖4(c)可以看出，前者的黑色圓點的清晰度和分離度均強于圖4(c)。

圖5 地震剖面對比Fig.5 Seismic profiles contrast

分別選擇圖4中紅色虛線方框內(nèi)溶蝕孔洞所在位置的南北向地震剖面，如圖5所示。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為原始的逆時偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數(shù)據(jù)，圖5中的黃色虛線方框內(nèi)為溶蝕孔洞的地震響應(yīng)，并與圖4中紅色虛線方框內(nèi)溶蝕孔洞的平均絕對振幅屬性相對應(yīng)。如圖5(a)所示，由于長期受到風(fēng)化剝蝕和巖溶作用的影響，溶蝕孔洞的“串珠”狀地震響應(yīng)特征被不整合面所掩蓋，變得難以識別，而圖5(b)、圖5(c)中的“串珠”特征較圖5(a)明顯；此外，圖5(b)中“串珠”之間的分離度要明顯高于圖5(c)。

2.2.2 斷裂

地震相干屬性反映了地震同相軸的不連續(xù)性，同相軸的不連續(xù)性越強，則相干性越弱，該屬性通常用于識別地層的斷裂。當(dāng)?shù)貙又写嬖跀嗔褧r，由于地層的相對位移，導(dǎo)致斷裂兩側(cè)的巖性發(fā)生了變化，使得地震記錄中斷裂兩側(cè)同相軸的能量存在差異，從而在相干屬性中顯示出異常的響應(yīng)特征。

圖6所示為研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面的相干屬性的平面分布。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別對應(yīng)原始的逆時偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數(shù)據(jù)所提取的相干屬性，圖6中的黑色線條為斷裂的響應(yīng)。在圖6(a)和圖6(c)中，紅色虛線方框內(nèi)的斷裂的連續(xù)性和清晰度要高于圖6(b)，在圖6(b)中，斷裂整體比較散亂，且與背景的分離度不高；對比圖6(a)和圖6(c)可知，圖6(c)中斷裂的清晰度要高于圖6(a)，同時其與背景的分離度也更高。

圖6 相干屬性Fig.6 Attribute of cohere

圖7 地震剖面對比Fig.7 Seismic profiles contrast

分別選擇圖6中紅色虛線方框內(nèi)斷裂所在位置的南北向地震剖面，如圖7所示。圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為原始的逆時偏移地震數(shù)據(jù)、小尺度束波變換和大尺度束波變換后的逆時偏移地震數(shù)據(jù)，圖7中的黃色虛線方框內(nèi)為斷裂的地震響應(yīng)，并與圖6中紅色虛線方框內(nèi)斷裂的相干屬性相對應(yīng)。在圖7(a)的黃色虛線方框內(nèi)，斷裂的形態(tài)模糊不清，斷面兩側(cè)同相軸的連續(xù)性較好，無明顯斷點；與圖7(a)相比，圖7(c)中可以看到較為清晰的斷裂地震響應(yīng)，斷面兩側(cè)的同相軸存在明顯的位移，斷點清晰；圖7(b)中，雖然也出現(xiàn)了較為明顯的斷裂特征，但是斷面兩側(cè)的同相軸比較散亂，出現(xiàn)了較多的假斷裂，給地震構(gòu)造解釋帶來了許多的不確定性。

3 結(jié)論

當(dāng)目標(biāo)體受到上覆和下伏地層的影響，使得其成像效果不佳時，基于束波變換的疊后縫洞精細(xì)成像處理技術(shù)，可有效提升地質(zhì)體的可識別度；同時，該方法主要基于疊后的地震數(shù)據(jù)，與疊前的處理技術(shù)相比，其處理效率更高，能夠有效地為油氣勘探和開發(fā)提供可靠的目標(biāo)。

(1)總體看來，束波變換方法可以有效地提高碳酸鹽巖儲層中溶蝕孔洞和斷裂識別的準(zhǔn)確性。在平面上，增強了溶蝕孔洞之間的分離度及其與周圍環(huán)境背景之間的差異，改善了斷裂的平面分布特征，使其連續(xù)性和清晰度得到提升；在縱向上，有效提取環(huán)境背景中的“串珠”響應(yīng)，同時，增強斷裂的信號強度，從而提高了溶蝕孔洞和斷裂的地震成像精度。

(2)由于溶蝕孔洞和斷裂的尺度差異，小尺度參數(shù)能夠更好地提取原始數(shù)據(jù)中的溶蝕孔洞信息，提高溶蝕孔洞的能量強度和分離度；與小尺度參數(shù)相比，大尺度參數(shù)可以在保證斷裂合理性的前提下，有效增強斷裂的清晰度。

(3)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)背景以及地質(zhì)體的大小來選擇束波變換的尺度參數(shù)。