程雯澤,尹 成,袁川洲,王彬霓,陳漢明

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610500;4.成都晶石石油科技有限公司,四川成都610041)

富含油氣的河流相儲(chǔ)層由于河道的頻繁遷移、改道,這些儲(chǔ)層會(huì)多期相互疊合,縱、橫向呈現(xiàn)出地質(zhì)條件不穩(wěn)定、巖性變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn),儲(chǔ)層砂體內(nèi)部連通性差,存在許多不連續(xù)邊界,包括：斷層、裂縫、微裂縫以及砂體疊置區(qū)域等[1-4]。特別是許多小尺度夾層導(dǎo)致油水分離,增大了水驅(qū)油難度。由于儲(chǔ)層厚度薄,在常規(guī)地震剖面上難以精確識(shí)別不連續(xù)的邊界位置[5]。為精細(xì)刻畫河流相儲(chǔ)層,許多學(xué)者基于地震資料研究了復(fù)合砂體構(gòu)型建模方法并實(shí)現(xiàn)了高精度儲(chǔ)層識(shí)別[6-7],對(duì)于預(yù)測(cè)剩余油分布有著重要的指導(dǎo)意義。

在地震屬性分析中,人們常常將地震信號(hào)零相位化,研究其振幅、頻率特性,而相位屬性因復(fù)雜多變,很少被利用。地震信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào),其相位會(huì)隨著巖性、構(gòu)造等影響而改變,因而相位的變化反映了真實(shí)的地下地質(zhì)信息[8],地震反射波的相位特征易受地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化影響[9]。

研究相位信息并加以利用對(duì)地震勘探有著重要作用。目前相位的研究主要集中于瞬時(shí)相位、展開相位和其它相關(guān)屬性,這些屬性在地層厚度估算、層位追蹤以及斷層與地層不整合面的識(shí)別等方面有較好的應(yīng)用效果。GEORGY等[10]認(rèn)為應(yīng)用相位-頻率聯(lián)合分布函數(shù)可以精確識(shí)別薄層油藏尖滅點(diǎn);尹繼堯等[11]在時(shí)頻域求解展開相位的誤差殘點(diǎn),利用該屬性可有效檢測(cè)地層不連續(xù)性;蔡涵鵬等[12]在有效頻帶內(nèi)應(yīng)用瞬時(shí)相位譜構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),準(zhǔn)確估算了低于調(diào)諧厚度的地層厚度;ZENG[13]將地震記錄瞬時(shí)相位解纏,準(zhǔn)確反演了薄層河道砂體的疊置模式;葉云飛等[14]利用瞬時(shí)相位梯度屬性刻畫了水道的沉積層序及其變化規(guī)律;羅登貴等[15]認(rèn)為瞬時(shí)相位屬性具有良好的抗噪性,可有效判斷斷層的活動(dòng)性;張生強(qiáng)等[16]采用稀疏反演復(fù)譜分解方法重構(gòu)了穩(wěn)定的相位譜,從而減小了圍巖等因素對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果的影響;王彬霓等[17]認(rèn)為展開相位譜可以反映薄互層砂體地震記錄頻譜的相位延遲特征,可用于識(shí)別砂體疊置區(qū)域,但并未對(duì)疊置砂體的相位特征做出系統(tǒng)性分析。因此有必要對(duì)疊置砂體的地震相位特征進(jìn)行深入研究,以準(zhǔn)確識(shí)別砂體間的不連續(xù)邊界。

綜上所述,本文基于陳飛和胡光義等[18-20]提出的復(fù)合砂體構(gòu)型,建立典型的河流相砂體的疊置模型,試驗(yàn)分析不同的砂體疊置構(gòu)型與非疊置砂體模型之間的地震波相位特征的差異,以期能夠?qū)崿F(xiàn)識(shí)別砂體間的不連續(xù)邊界,通過其相位特征的差異識(shí)別區(qū)分不同砂體疊置構(gòu)型,為實(shí)際生產(chǎn)中預(yù)測(cè)剩余油氣分布和油田增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 方法原理

1.1 常規(guī)相位譜和展開相位譜的計(jì)算方法

常見的相位譜表示方法有兩種：主值相位譜和展開相位譜。主值相位譜使用范圍廣,主要通過傅里葉變換或希爾伯特變換等直接求取;展開相位譜則需要將主值相位解卷繞。此外,為了直觀地觀察展開相位譜的變化特征,本文求取了積分展開相位。

地震記錄x(t)可以表示為地震子波b(t)與反射系數(shù)r(t)的褶積,即：x(t)=b(t)*r(t)。而常規(guī)相位譜可以表示為：

其中,X(ω)為地震記錄x(t)的頻譜,ωi為i點(diǎn)的頻率,θp(ωi)代表頻率為ωi時(shí)的常規(guī)相位譜,ωi的范圍為[-π,+π],通常在該范圍內(nèi)θp(ωi)的值是不連續(xù)的,因此需要對(duì)相位數(shù)據(jù)進(jìn)行解卷繞,得到連續(xù)的相位值。

而展開相位時(shí),需要通過判斷相鄰頻率的相位差Δθ(ωi,Δω)來(lái)確定展開點(diǎn)的位置：

Δθ(ωi,Δω)=θp(ωi+Δω)-θp(ωi)

(2)

其中,Δω為相鄰兩個(gè)離散點(diǎn)的頻率差,即Δω=ωi+1-ωi。

根據(jù)伊藤條件[21]可知,相鄰頻率相位差滿足：

-π<Δθ(ωi,Δω)≤π

(3)

若上述相位差不滿足伊藤條件,則認(rèn)為該點(diǎn)為不連續(xù)點(diǎn),此時(shí),需要對(duì)相位譜進(jìn)行展開。

為了消除不連續(xù)現(xiàn)象,我們通常在常規(guī)相位譜上加上適當(dāng)?shù)?kπ。即：

積分展開相位θH則是將展開的相位譜在一定頻率內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算[22],得到某一頻帶范圍內(nèi)相位譜的總體特征,即：

其中,A(ω)為進(jìn)行積分運(yùn)算的頻率范圍。

1.2 時(shí)窗選取

對(duì)于地震屬性的提取,時(shí)窗的選取是不可避免的問題。如果選取的時(shí)窗過大,則會(huì)包含其它層位信息,使目的層位的地震信息受到干擾,從而影響地震屬性解釋的效果;選取的時(shí)窗較小,則會(huì)使提取的層位信息小于目的層的提取范圍,導(dǎo)致信息不全,影響屬性解釋效果。

結(jié)合渤海探區(qū)新近系河流相砂體的實(shí)際情況,采用常用的楔形模型來(lái)試驗(yàn)時(shí)窗選取方法。河流相單砂體楔形模型如圖1所示,其主體為一個(gè)楔形并向外延伸一小部分矩形。其中楔形最大厚度為46.8m,長(zhǎng)度為400.0m,延伸的矩形部分厚度為46.8m,長(zhǎng)度為20.0m。

圖1 楔形模型示意

設(shè)置模型參數(shù)分別為泥巖速度2420m/s,密度2.2g/cm3,砂巖速度2340m/s,密度2.1g/cm3。采用50Hz主頻、101ms時(shí)長(zhǎng)的雷克子波進(jìn)行褶積合成地震記錄,調(diào)諧厚度(λ/4)為11.7m。記錄的道間距為10.0m,采樣率為0.5ms,每道201個(gè)采樣點(diǎn)。

根據(jù)以上參數(shù),合成地震記錄如圖2所示。利用3種時(shí)窗來(lái)試驗(yàn)時(shí)窗選取問題,全時(shí)窗是對(duì)楔形模型所有數(shù)據(jù)(即圖2中201個(gè)采樣點(diǎn))求取相位譜;峰谷極值時(shí)窗(圖2中藍(lán)色線條內(nèi)區(qū)域)是取地震波形中的一個(gè)波峰至波谷區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)求取相位譜,等效于地震資料解釋追蹤的楔形砂體的頂?shù)捉缑嬷g的數(shù)據(jù);周期時(shí)窗[23](圖2中紅色線條內(nèi)區(qū)域)則是取地震波形中一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)求取相位譜。由于傅里葉變換具有中心對(duì)稱性,而該記錄的奈奎斯特頻率為2000Hz,故截取0～1000Hz繪制相位譜。圖3給出了3種時(shí)窗的主值和展開相位譜。周期時(shí)窗相位譜呈一組近乎平行的曲線(圖3a、圖3d);全時(shí)窗相位譜雜亂且無(wú)規(guī)律(圖3b、圖3e);峰谷極值時(shí)窗相位譜隨楔形砂體厚度變化而無(wú)規(guī)律變化(圖3c、圖3f)。

圖2 楔形模型的合成地震記錄

圖3 3種時(shí)窗的主值和展開相位譜a 周期時(shí)窗主值相位譜; b 全時(shí)窗主值相位譜; c 峰谷極值時(shí)窗主值相位譜; d 周期時(shí)窗展開相位譜; e 全時(shí)窗展開相位譜; f 峰谷極值時(shí)窗展開相位譜

在信號(hào)處理中,將原始數(shù)據(jù)開頭或末尾補(bǔ)零后求取頻譜可減小頻域采樣間隔,有利于克服柵欄效應(yīng)帶來(lái)的頻譜泄露[24-25]。補(bǔ)零的采樣點(diǎn)數(shù)須適中,頻譜的分辨率隨補(bǔ)零點(diǎn)數(shù)增加而提高,增加到一定長(zhǎng)度后頻率分辨率趨于穩(wěn)定,繼續(xù)增加補(bǔ)零點(diǎn)數(shù)會(huì)使計(jì)算量增加。因此,為了增加相位譜的頻率分辨率,令頻域采樣間隔為5Hz,即將3種時(shí)窗各道的地震數(shù)據(jù)尾端補(bǔ)零至401個(gè)采樣點(diǎn),再進(jìn)行傅里葉變換求取相位譜。圖4給出了3種時(shí)窗補(bǔ)零后的主值和展開相位譜。周期時(shí)窗補(bǔ)零后的相位譜成規(guī)律的折疊狀,增加了相位譜的穩(wěn)定性(圖4a、圖4d);全時(shí)窗相位譜呈無(wú)規(guī)律的折疊狀變化(圖4b、圖4e);峰谷極值時(shí)窗相位譜隨楔形砂體厚度變化而無(wú)規(guī)律地呈折疊狀變化(圖4c、圖4f)。對(duì)比3種時(shí)窗補(bǔ)零前、后的相位譜可見,只有利用周期時(shí)窗尾端補(bǔ)零至401個(gè)點(diǎn)的地震數(shù)據(jù)求取的相位譜比較規(guī)則,且穩(wěn)定性好、頻率分辨率高,因此本文后續(xù)均采用此方法求取相位譜。

圖4 3種時(shí)窗補(bǔ)零后的主值和展開相位譜a 周期時(shí)窗補(bǔ)零主值相位譜; b 全時(shí)窗補(bǔ)零主值相位譜; c 峰谷極值時(shí)窗補(bǔ)零主值相位譜; d 周期時(shí)窗補(bǔ)零展開相位譜; e 全時(shí)窗補(bǔ)零展開相位譜; f 峰谷極值時(shí)窗補(bǔ)零展開相位譜

1.3 正演模型的建立

為了研究?jī)蓚€(gè)河道砂體在不同落差和不同疊置范圍情況下對(duì)利用展開相位譜識(shí)別疊置砂體間不連續(xù)邊界的影響,本文設(shè)計(jì)以下兩類河流相疊置砂體模型。

模型一：兩砂體橫向疊置寬度固定為50.00m,縱向高程差分別為：0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m(圖5)。單砂體楔形部分最大厚度為11.70m,長(zhǎng)度為100.00m,向外延伸的矩形部分厚度為11.70m,長(zhǎng)度為20.00m。

圖5 模型一示意a～f 縱向高程差分別為0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m

當(dāng)縱向高程差為0,2.34,4.68m時(shí),砂體構(gòu)型為緊密接觸型;當(dāng)縱向高程差為7.02,9.36,11.70m時(shí),兩砂體不發(fā)生接觸,砂體構(gòu)型為離散接觸型。

模型二：疏散接觸式疊置砂體模型(即兩砂體剛好接觸),單砂體楔形部分最大厚度為11.70m,長(zhǎng)度為100.00m,向外延伸的矩形部分厚度為11.70m,長(zhǎng)度為20.00m。兩砂體縱向高程差分別為：0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m(圖6)。

圖6 模型二示意a～f 縱向高程差分別為0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m

2 河流相疊置砂體的地震相位分析

模型一的展開相位譜、積分展開相位如圖7和圖8 所示。當(dāng)兩砂體縱向高程差為0,2.34,4.68m時(shí),展開相位譜在其疊置區(qū)域內(nèi)的部分道出現(xiàn)異常跳變;積分展開相位在其疊置區(qū)域內(nèi)的部分道出現(xiàn)異常增加。當(dāng)兩砂體縱向高程差為7.02,9.36,11.70m時(shí)展開相位譜在其疊置區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常跳變;積分展開相位在其疊置區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常增加或減小,并且積分展開相位的極大值隨縱向高程差的增大出現(xiàn)“先增加,后突然減小,再增加”的變化趨勢(shì),且4.68m時(shí)最大。

圖7 模型一展開相位譜(藍(lán)色線條對(duì)應(yīng)的地震道范圍為砂體疊置區(qū)域)a～f 縱向高程差分別為0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m

模型二的展開相位譜、積分展開相位如圖9和圖10 所示。展開相位譜在其疊置區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)道出現(xiàn)異常跳變,積分展開相位在其疊置區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常增減。

圖9 模型二展開相位譜(藍(lán)色線條對(duì)應(yīng)的地震道范圍為砂體疊置區(qū)域)a～f 縱向高程差分別為0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m

圖10 模型二積分展開相位a～f 縱向高程差分別為0,2.34,4.68,7.02,9.36,11.70m

總的來(lái)說(shuō),對(duì)于緊密接觸型的河流相砂體而言,在疊置區(qū)域內(nèi)部分道的展開相位譜異常跳變;積分展開相位異常增加,且其極大值隨縱向高程差的增大而增加,直至兩砂體疏散接觸時(shí),極大值突然減小。對(duì)于離散型的河流相砂體而言,在疊置區(qū)域內(nèi)展開相位譜異常跳變;積分展開相位異常增加或減小,并且離散接觸的砂體積分展開相位的極大值隨縱向高程差的增大而增加。對(duì)于疏散接觸型的河流相砂體而言,在疊置區(qū)域內(nèi)大多數(shù)道的展開相位譜異常跳變,積分展開相位異常增加。通過對(duì)比3種疊置樣式的積分展開相位可知,緊密接觸的疊置砂體在疊置區(qū)域內(nèi)的積分展開相位異常增大,且極大值隨縱向高程差的增大而增大;離散接觸的疊置砂體在疊置區(qū)域內(nèi)的積分展開相位異常增減,且隨兩砂體不連續(xù)夾層厚度增加,異常值由負(fù)值增至正值后趨于穩(wěn)定,此時(shí)該異常值與不連續(xù)夾層厚度兩者之間存在定性關(guān)系,且異常極大值隨縱向高程差的增大而增大;疏散接觸的疊置砂體在疊置區(qū)域內(nèi)的積分展開相位異常增大,且在砂體不連續(xù)邊界處出現(xiàn)極大值。

3 噪聲對(duì)地震相位的影響

以上模型測(cè)試結(jié)果表明,積分展開相位可以較好地識(shí)別疊置砂體不連續(xù)邊界,故此后只提取積分展開相位。以模型一縱向高程差為2.34,4.68m為例,試驗(yàn)5%,10%,20%隨機(jī)噪聲對(duì)地震相位的影響。

在含5%,10%,20%噪聲的情況下,積分展開相位(圖11)在疊置區(qū)域均發(fā)生異常,且異常極大值位于砂體不連續(xù)邊界附近。隨噪聲增大,極值位置偏離不連續(xù)邊界越大,在非疊置區(qū)域的異常越多,利用積分展開相位識(shí)別砂體不連續(xù)邊界的能力越差。

圖11 不同噪聲時(shí)模型一縱向高程差為2.34,4.68m的積分展開相位a 縱向高程差為2.34m(5%噪聲); b 縱向高程差為2.34m(10%噪聲); c 縱向高程差為2.34m(20%噪聲); d 縱向高程差為4.68m(5%噪聲); e 縱向高程差為4.68m(10%噪聲); f 縱向高程差為4.68m(20%噪聲)

4 實(shí)際工區(qū)應(yīng)用

利用實(shí)際工區(qū)地震資料來(lái)驗(yàn)證積分展開相位識(shí)別疊置砂體不連續(xù)邊界的效果。該工區(qū)位于渤海南部海域,目的層為新近系明化鎮(zhèn)組的曲流河砂體沉積。儲(chǔ)層厚度較薄,多為細(xì)砂巖,橫向上巖性變化快,砂體間相互疊合。該工區(qū)斷層發(fā)育,多為東西走向,在地質(zhì)人員幫助下,解釋了該工區(qū)的斷層,如圖12 中黑色虛線所示。由圖12可見,均方根振幅屬性上的強(qiáng)振幅展示了河道砂體的分布區(qū)域,色標(biāo)數(shù)值越大,代表砂體越厚。從E16,E1,E2,C8,C5這5口井的連井剖面(圖13)上可以看出,該剖面的每口井上都存在二到三期河道砂體的垂向疊置沉積。

圖12 實(shí)際工區(qū)1225層位均方根振幅屬性平面分布特征(黑色虛線為斷層,藍(lán)色實(shí)線為過井和連井剖面)

圖13 C5-C8-E1-E2-E16井連井剖面測(cè)井曲線及測(cè)井識(shí)別的砂體疊置樣式

選取目的層上一個(gè)周期時(shí)窗的地震數(shù)據(jù)計(jì)算每一道的積分展開相位,如圖14所示。圖中深黑色區(qū)域?yàn)榉e分展開相位的高值異常區(qū),灰白色則為低值背景區(qū)。將圖12中解釋人員識(shí)別的5條斷層投影在積分展開相位上(圖14b),斷層均落在相位的低值背景區(qū),因此可以初步推斷這些黑色高值異常區(qū)為砂體疊置區(qū)域。下面將通過一條過井剖面和一條多井連井剖面來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明這些推斷的可靠性。

圖14 積分展開相位平面分布特征(黑色虛線為斷層,黃色線條為砂體疊置區(qū)域)a 原始積分展開相位切片;b 工區(qū)斷層及疊置砂體區(qū)域解釋結(jié)果

圖15為過E2井的Crossline 2769剖面第1380～1455道數(shù)據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果。從圖15a可以看出,第1400～1405道之間為斷層區(qū)域,表現(xiàn)為同相軸明顯的扭曲下拉,且伴隨弱振幅特征,而第1426～1432道之間為過E2井區(qū)域,同樣表現(xiàn)為弱振幅特征。對(duì)比圖15b的積分展開相位可見,在1403～1405道之間只有小幅度相位異常變化,基本屬于背景特征,而在過E2井的1426～1432道之間產(chǎn)生了明顯的相位異常變化,這與圖13中E2井上兩套砂體疊置的特征完全對(duì)應(yīng)。

圖15 Crossline 2769剖面試驗(yàn)結(jié)果a 地震記錄; b 積分展開相位

圖13的連井剖面已說(shuō)明在這些井處存在多期砂體的疊置,同時(shí)在圖14的積分展開相位平面圖上可見這5口井旁存在相位的高值異常條帶(圖14b中的黃色線條)。將這5口井的連井地震數(shù)據(jù)及其積分展開相位曲線對(duì)比顯示,如圖16所示,可以看出,E1與E2井間的三期河道砂體的疊置與積分展開相位的高值異常區(qū)具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,也進(jìn)一步說(shuō)明了利用積分展開相位識(shí)別河流相疊置砂體的不連續(xù)邊界有較強(qiáng)的適用性。

圖16 連井剖面試驗(yàn)a 地震記錄; b 積分展開相位

5 結(jié)論

1) 針對(duì)楔形模型進(jìn)行測(cè)試,證實(shí)將周期時(shí)窗各道的地震數(shù)據(jù)尾端補(bǔ)零至適當(dāng)長(zhǎng)度,可增加相位譜的頻率分辨率,使其更加穩(wěn)定。

2) 總結(jié)不同高程差情況下3種疊置樣式的河流相砂體的地震相位特征,發(fā)現(xiàn)利用積分展開相位識(shí)別疊置砂體不連續(xù)邊界的效果較好,并可根據(jù)其異常特征區(qū)分疊置砂體樣式。

如果進(jìn)一步探索相位異常變化的內(nèi)在機(jī)理,有可能找到疊置砂體間泥巖隔層厚度分布的定量關(guān)系,進(jìn)而精細(xì)描述河流相砂體的非均質(zhì)性,這也是下一步研究重點(diǎn)。另外,從積分展開相位受噪聲影響的實(shí)驗(yàn)來(lái)看,改進(jìn)求取展開相位譜算法的抗噪性很有必要。