譜分解在南黃海中部隆起中-古生界儲層預測中的應用

張曉華，張訓華，吳志強，孫運寶，郭興偉

(1.中國海洋大學 海洋地球科學學院， 山東 青島 266100; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室， 山東 青島 266061; 3.中國地質調查局 青島海洋地質研究所， 山東 青島 266071；4.中國地質調查局 南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

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譜分解在南黃海中部隆起中-古生界儲層預測中的應用

張曉華1，2，3，張訓華2，4，吳志強2，3*，孫運寶2，3，郭興偉2，3

(1.中國海洋大學 海洋地球科學學院， 山東 青島 266100; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室， 山東 青島 266061; 3.中國地質調查局 青島海洋地質研究所， 山東 青島 266071；4.中國地質調查局 南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

大陸架科學鉆探CSDP-02井的鉆探，開啟了南黃海中-古生界研究的新局面。本文利用過CSDP-02井的多道地震、測井和巖心資料，在對中部隆起中-古生界地層頻譜分析的基礎上，采用基于S變換的譜分解方法，對南黃海中部隆起中-古生界地層進行了譜分解，將地震數據由時間域轉換到頻率域，得到了不同頻率的等頻率剖面。結果表明，南黃海中部隆起存在3套可能的儲集層，分別對應三疊系青龍組灰巖、二疊系龍潭組砂巖和石炭系灰巖，在等頻率剖面上，均表現為明顯的低頻異常，頻譜特征呈現低頻高能、高頻低能的特征，在高頻剖面上，儲層異常被淺層高頻異常掩蓋。通過與CSDP-02井的巖心和測井結果進行對比發現，3套儲集層的頻率衰減現象與巖心取樣中的油浸層相關，這是我國首次在南黃海中-古生界發現油氣顯示，對指導南黃海中-古生界油氣勘探具有重要意義。

南黃海；中-古生界；儲層預測；譜分解；S變換

1 引言

譜分解技術是地震時頻分析技術中一種簡單、穩定的高分辨地震地層、構造目標或油藏成像方法，對譜分解技術的研究和應用可追溯到20世紀80年代初。相對于傳統的地震分辨率，譜分解技術基于薄層反射在頻率域具有特定頻譜響應的概念[1]，通過顯示疊后數據中不易識別的薄層、側向不連續性和細微異常點，提高了地震地層、構造目標儲層邊界和空間分布的分辨率[2]。譜分解技術利用寬頻地震數據產生瞬時譜屬性的連續體，以此為儲層預測和含油氣性檢測提供有用的信息[1，3—4]。通過時頻分析對地震數據進行譜分解、提取分頻屬性為地震儲層研究奠定重要基礎，已成為儲層成像和油氣檢測的核心工具，特別是依賴于頻率的低頻反射信息，對地震直接油藏描述效果明顯。將譜分解用作儲層預測和含油氣檢測的做法在一些文獻中已有記載[5—10]。

南黃海中部隆起中-古生界儲層具有埋藏深、構造復雜、地層內部物性差異小、頂部與新生代地層分界面波阻抗差異大等特點，現階段采用的基于振幅的儲集層預測技術由于多解性強、信噪比低及分辨率不高，已無法滿足對深部地層準確成像的需求[11]。頻率是物質的固有屬性，在儲層預測中受地震資料分辨率影響較小，當儲層含油氣時會導致地震信號的衰減，也會導致垂向地震波信號能量的缺失。考慮到流體對地震波反映出的黏滯性和摩擦性可導致各頻率成分衰減各異，因此可以通過分析頻率差異分析儲層中油氣的富集情況。

本研究擬采用基于頻率域分析的譜分解技術對南黃海中部隆起中-古生界的儲集層特征進行描述，以期獲取更高的成像質量，提高對南黃海中部隆起中-古生界儲集層發育和含油氣性的認識。

2 數據與方法原理

2.1 數據來源

本研究采用的地震數據來自中國地質調查局2009年在南黃海采集并經重新處理的XQ09-2線二維多道地震資料純波數據，炮間距37.5 m，道間距12.5 m，采樣間隔2 ms。巖心和測井數據來自大陸架科學鉆探CSDP-02井0～2 033.58 m數據。

2.2 方法原理

譜分解常用的算法有離散傅里葉變換(DFT)、連續小波變換(CWT)、S變換(ST)和廣義S變換(GST)、Wigner分布等時頻分析方法[12]。傳統的譜分解應用離散傅里葉變換，它使用一個固定窗口。在此方法中，用戶指定時間窗口的長度，該方法更適用于包含幾個同相軸的長時窗的頻譜特征描述[13]。時窗的選擇使得真頻譜嚴重失真或嚴重降低了垂向分辨率。時窗內單個反射同相軸的離散頻譜能量混合在一起，當通過減小時間窗口長度來提高時間分辨率，則頻率分辨率將會降低。

S變換是介于短時傅里葉變換(STFT)和連續小波變換(CWT)之間的一種非平穩信號分析和處理的方法，繼承和發展了短時窗傅里葉變換和小波變換的局部化思想，它的窗口隨頻率增加而減小，具有很好的時頻分辨率。S變換的時移頻譜分辨率與頻率相關，不但有多尺度聚焦性，而且直接與傅里葉譜聯系，保持頻率的絕對相位，基本變換函數不必滿足容許性條件[9]，因此，與短時傅里葉變換和小波變換相比，S變換生成真正準確的時間-頻率圖，同樣使用移動時窗對地震信號采樣，S變換的窗口大小是取決于頻率的。由此可見S變換與頻譜的關系更嚴格，它可以生成分辨率很高的頻譜分解圖。

S變換算法是連續小波變換的一種改進或延伸，它以時間和頻率為變量來描述信號的能量密度或信號強度[14]，應用可變的時窗長度作為頻率的函數，提高了頻譜分辨率。對S變換進行公式推導[15]，函數h(t)的S變換公式為:

exp(-2πift)dt，

(1)

式中，s(τ,f)是時間信號h(t)的S變換；i為虛數單位；τ刻畫高斯窗在時間軸上的位置。

3 區域概況及地層特征

南黃海盆地中部隆起總體上呈東西向展布，南部與南部坳陷相接，北部與北部坳陷相連，西北與千里巖隆起相鄰，西南與蘇北盆地濱海隆起相靠，東部與勿南沙隆起接觸，是一個繼承性的古隆起(圖1)。地球物理綜合分析認為，中部隆起受加里東運動的影響，在上泥盆統沉積前就顯露出了微隆起，在中三疊世末的早印支運動更加明顯，在晚三疊世末至中侏羅世的晚印支運動得到進一步強化，在晚燕山至喜山期一直保持其隆起狀態。中部隆起斷裂相對不發育，南黃海盆地南北兩側印支和燕山期的擠壓逆沖作用對其影響較小，燕山期的火山噴發和巖漿侵入活動對中部隆起區的影響也相對較小，推測其對中-古生界海相地層油氣保存作用是有利的。

區域內沉積環境相對比較穩定，震旦紀、寒武紀、奧陶紀、志留紀已接受沉積，加里東期表現為上下的震蕩運動，缺失志留系上統及中、下泥盆統的沉積。隨后接受了上泥盆統的沉積，石炭紀-二疊紀-中、中三疊世都應有沉積，晚三疊世的前陸盆地沉積可能在其北側發育，沒有達到中部隆起之上。晚印支構造運動對中部隆起有影響，造成三疊系青龍組灰巖遭受剝蝕。燕山期的火山活動對其影響相對較小。晚白堊-古近紀的斷陷作用和斷塊作用對中部隆起區的影響小。新近紀坳陷期才接受了一套上第三紀以來的沉積。

南黃海中部隆起油氣勘探始于20世紀80年代[16—19]。勘探初期，受勘探方法及技術手段限制，獲取的地震、測井及鉆井資料極少，勘探程度較低，因而對區域內地層及構造猜測較多[20—23]。隨著油氣勘探工作的深入，2006年，中國地質調查局首次在中部隆起區獲取了海相古生界的有效地震反射資料，并確定了可作為地震層序對比的標志層系。

2014年，中國地質調查局大陸架科學鉆探CSDP-02井的鉆探，開啟了南黃海中部隆起中-古生界研究的新局面，這是南黃海中部隆起地區第一口鉆遇中-古生界地層的鉆井。截至2016年4月，該井鉆探深度2 033.58 m，鉆遇古生界石炭系地層(圖2)，本文針對2 033.58 m深度內的中-古生界地層進行研究，主要是中生界青龍組、古生界二疊系龍潭組和石炭系地層。結合前人研究，綜合分析認為，中部隆起中-古生界儲集層發育，油氣前景良好[23—25]。

圖1 南黃海盆地構造區劃及CSDP-02井鉆探位置圖Fig.1 Tectonic division of the South Yellow Sea Basin and the location of Well CSDP-02

圖2 大陸架科學鉆探CSDP-02井層序地層及巖心描述簡表Fig.2 Simplified sequence stratum and core description of Well CSDP-02 of the Continental Shelf Drilling Program

4 頻譜分析

本文結合大陸架科學鉆探CSDP-02井，利用XQ09-2測線多道地震資料，采用S變換將時間域地震數據A(t，x，y)變換到頻率域數據A(f，t，x，y)，通過求取過井道振幅譜，抽取頻率道集，獲得了同頻率剖面，并進行了分析。

振幅譜分析表明中-古生界地層(CDP1300-2000，時間625～1 250 ms)主頻為15 Hz，有效帶寬20 Hz(圖3a)。為細分灰巖和砂巖儲集層的頻率響應特征，分別提取了3個頻譜異常段的振幅譜，其中三疊系青龍組灰巖地層(時間625～760 ms)主頻20 Hz(圖3b)，龍潭組砂泥巖地層(時間760～1 100 ms)主頻15 Hz(圖3c)，石炭系灰巖地層(時間1 100～1 250 ms)主頻10 Hz(圖3d)。大隆-龍潭組砂泥巖振幅譜特征與全段譜類似，高頻衰減現象明顯，在高頻60 Hz左右，高頻能量幾乎消失；而古生界石炭系灰巖頻譜呈現明顯的高頻衰減、低頻增加的特性，低頻能量在極低頻情況下(0～10 Hz)仍然很強，而高頻能量在160 Hz左右衰減明顯，與砂巖儲層差異明顯(圖3d)。

圖3 南黃海中部隆起中-古生界不同地層的頻譜特征Fig.3 Frequency spectrum characteristic of Mesozoic-Paleozoic strata on the Central Uplift of the South Yellow Sea Basina.中-古生界(主要是三疊系-石炭系)地層頻譜;b.三疊系青龍組灰巖頻譜特征;c.二疊系龍潭組砂泥巖頻譜特征;d.石炭系灰巖頻譜特征a.Frequency spectrum characteristic of Mesozoic-Paleozoic strata(Triassic-Carboniferous); b.frequency spectrum characteristic of Triassic Qinglong Formation; c.frequency spectrum characteristic of Permian Longtan Formation; d.frequency spectrum characteristic of Carboniferous limestone

圖4 中部隆起中-古生界地層地震剖面及頻率道集特征Fig.4 Characteristics of seismic section and frequency gathers of Mesozoic-Paleozoic strata on the Central Uplifta.三疊系青龍組灰巖地層頻率道集；b.龍潭組砂泥巖地層頻率道集；c.石炭系灰巖頻率道集a.Frequency gather of Triassic Qinglong Formation; b.frequency gather of Permian Longtan Formation; c.frequency gather of Carboniferous limestone

圖5 XQ09-2測線等頻率剖面Fig.5 Iso-frequency section of Line XQ09-2a.15 Hz等頻率剖面；b.20 Hz等頻率剖面；c.30 Hz等頻率剖面；d.40 Hz等頻率剖面a.Iso-frequency section of 15 Hz; b.iso-frequency section of 20 Hz; c.iso-frequency section of 30 Hz; d.iso-frequency section of 40 Hz

頻率道集數據顯示3套地層內部均存在明顯的頻率衰減現象，盡管頻率的衰減除了與沉積物的含油氣性相關外，還與薄層效應、裂隙散射及沉積物固有特性有關，但地震剖面顯示的明顯亮點現象表明，該頻率衰減很可能是地層含油氣的直接指示，且在巖心中發現了明顯的油跡、油斑及油浸現象。三疊系青龍組灰巖地層(圖4a)和石炭系灰巖地層(圖4c)低頻能量明顯強于龍潭組砂泥巖地層(圖4b)，且低頻區域分布更廣。龍潭組砂泥巖地層衰減快，如在30 Hz左右，青龍組灰巖和石炭系灰巖地層仍可見明顯的強能量，而前者能量已難以識別。總體低頻能量強度顯示，龍潭組砂泥巖地層較其他兩套灰巖地層主頻更高。由于S變換算法的優越性，三疊系青龍組灰巖地層內部可見多個強能量頻率薄層，暗示不同能量強度可能與巖性相關。

同頻率剖面分析表明，石炭系灰巖儲層在15 Hz、20 Hz低頻剖面上，頻率異常明顯，能量較強，隨著頻率升高，在40 Hz等頻率剖面上，能量相對變弱，但仍然能與圍巖區分開(圖5a，b)。龍潭組砂巖儲層無論是在低頻還是高頻的等頻率剖面上，均可見異常明顯，且在高頻30 Hz、40 Hz剖面上，雖然異常與圍巖還能區分，但此時，異常能量相對低頻時減弱，而且淺部地層能量更加突出，這使得預測深部儲層變得困難，因此認為與含油氣有關的儲層異常在低頻范圍內明顯(圖5c，d)。與古生界石炭系灰巖儲層相同的是，在高頻剖面上，異常能量被淺部地層掩蓋，使得運用高頻特征預測深部儲層變得困難。綜合分析認為，灰巖儲層在低頻20 Hz時能量最強。

5 討論

通過對南黃海中部隆起地區中-古生界儲層特征進行頻譜分析發現，研究區內的兩套灰巖儲層和砂巖儲層特征存在明顯的頻率差異。巖心資料表明，三疊系青龍組主要以灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖夾砂泥巖互層為主，由頻率道集可以看出，這些互層層厚較薄，常規時間域地震剖面難以對其進行區分，而頻率薄層與其界面具有很好的對應關系，剖面顯示的頻率衰減現象與巖心取樣中發現的油浸層相關，這也是我國首次在南黃海中-古生界地層發現油氣顯示。龍潭組以粉細砂巖與泥巖互層為主，夾薄煤層，盡管通過頻率剖面難以實現對煤層的精確識別，但其互層特征在道集剖面上顯示良好，且低頻高能現象證明與巖心樣品的油跡和油斑現象相關。古生界石炭系以灰巖、泥質灰巖為主，二者均在道集剖面上具有低頻高能的特征，雖然目前尚未得到巖心樣品分析的結果，但依據現有資料分析表明，該層位應具有明顯的含油氣顯示。受研究區地震測線少，不連片分布等條件制約，對中部隆起儲層發育和含油氣預測方法的選擇受到很大限制，而本研究表明基于頻率域的譜分解技術在該區具有較好的應用效果。

6 結論

南黃海中部隆起經歷了多年的勘探研究，對其地層、沉積、構造等基礎地質條件有了系統的認識。本文結合大陸架科學鉆探CSDP-02井的巖心、測井和多道地震資料，運用基于S變換的譜分解方法對XQ09-2測線中部隆起中-古生界地層進行了分析，得到如下結論：

(1)譜分解結果表明，3套可能儲集層均具有低頻高能、高頻低能特征。三疊系青龍組灰巖、古生界石炭系灰巖儲層低頻能量更強，龍潭組砂巖儲層低頻能量衰減快。

(2)采用頻譜分解技術對南黃海中部隆起中-古生界儲層進行預測，突破了常規地震屬性分析分辨率的限制，提高了儲層刻畫精度，突出了有效信號局部特征，結果對指導南黃海中部隆起中-古生界油氣勘探具有重要意義。

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Application of spectral decomposition to detect Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin

Zhang Xiaohua1，2，3，Zhang Xunhua2，3，Wu Zhiqiang2，3，Sun Yunbao2，3，Guo Xingwei2,3

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.LaboratoryforMarineMineralResources，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266061，China; 3.QingdaoInstituteofMarineGeology，ChinaGeologicalSurvey,Qingdao266071，China;4.NanjingCenter,ChinaGeologicalSurvey,Nanjing210016,China)

The drilling of well CSDP-02 of the“Continental Shelf Drilling Program” creates a new situation for the exploration of Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin. In this study， based on the spectrum analysis of Mesozoic-Paleozoic strata， as well as the multi-trace seismic， logging and core data of Well CSDP-02， S-transform is applied to multi-trace seismic data from Mesozoic-Paleozoic strata of the central uplift to get different instantaneous frequency volumes. The results show that， the three possible reservoirs of Qinglong Formation， Dalong-Longtan Formation and Chihsia Formation-Carboniferous all show low frequency anomalies with a Spectrum analysis showing low frequency low intensity or high frequency low intensity anomalies. At high frequency section， the reservoirs standout from surrounding geology and shallow layers are also bright at such high frequency， which will deteriorate the likelihood to identify the anomalies of target layer from iso-frequency sections. Compared with core description of Well CSDP-02， the low frequency anomalies are related with oil immersion layer observed from well sample， which has a great significance for the exploration of Mesozoic-Paleozoic layer of the South Yellow Sea Basin．

the South Yellow Sea; Mesozoic-Paleozoic; reservoir prediction; spectrum decomposition; S-transform

2016-09-22；

2016-12-01。

國家海洋地質專項項目(DD20160147)；青島海洋科學與技術國家實驗室鰲山科技創新計劃項目(2015ASKJ03); 中國科學院海洋地質與環境重點實驗室開放基金(MGE2013KG03)。

張曉華(1984—)，女，山東省濰坊市人，主要從事海洋油氣地質解釋和儲層預測。E-mail：zhangxhdd@163.com

*通信作者：吳志強(1964—)，男，河北省青縣人，研究員，主要從事油氣地球物理勘探研究工作。E-mail：wuzq_1964@163.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.010

P736.22

A

0253-4193(2017)07-0102-08

張曉華，張訓華，吳志強， 等. 譜分解在南黃海中部隆起中-古生界儲層預測中的應用[J]. 海洋學報， 2017， 39(7): 102-109，

Zhang Xiaohua， Zhang Xunhua， Wu Zhiqiang， et al. Application of spectral decomposition to detect Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 102-109， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.010