利用長、短旋回波形分析法去除地震強(qiáng)屏蔽

金成志 秦月霜

(①中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163002； ②中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江大慶 163712)

利用長、短旋回波形分析法去除地震強(qiáng)屏蔽

金成志*①秦月霜②

(①中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163002； ②中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江大慶 163712)

金成志，秦月霜.利用長、短旋回波形分析法去除地震強(qiáng)屏蔽.石油地球物理勘探，2017,52(5):1042-1048,1111.

基于地震沉積學(xué)準(zhǔn)層狀地層，提出了一個(gè)對應(yīng)的阻抗模型，其地震信號可視為長、短旋回的組合反射。長旋回具有低頻、連續(xù)和相位穩(wěn)定的特征，短旋回則相反。地震的強(qiáng)軸屏蔽可理解為長旋回背景，被屏蔽的砂體則為短旋回信息。采用一種基于長、短旋回波形分析方法去除強(qiáng)屏蔽的影響，通過Wheeler 正、反變換、子體波形主成分分解、短旋回分頻顯示等構(gòu)成長、短旋回分析技術(shù)流程，達(dá)到去除屏蔽、識別薄砂層的目的。利用正演模型試驗(yàn)，論證了算法的正確性和可行性；應(yīng)用上述流程識別了松遼盆地北部強(qiáng)屏蔽T2之下的砂體信息，經(jīng)主成分分解后的振幅切片反映了兩條從南向北展布的淺水三角洲前緣沉積體，證實(shí)上述流程具有較好的去強(qiáng)屏蔽效果，對于其他具有屏蔽特征或相似地質(zhì)條件的儲層(例如煤層)描述具有借鑒價(jià)值。

Wheeler變換 子體波形主成分分解 長、短旋回分析 分頻顯示 去屏蔽

1 引言

在地震儲層預(yù)測中常會遇到強(qiáng)屏蔽難題——儲層緊鄰某種特殊巖性，特殊巖性反射系數(shù)很大，儲層反射系數(shù)較小，在時(shí)間不可分辨的情形下，儲層信息被淹沒在特殊巖性對應(yīng)的波峰或波谷中難以識別，從而無法有效實(shí)施地震反演和屬性分析，如大慶的T2屏蔽和鄂爾多斯煤層屏蔽等[1，2]。目前的去屏蔽技術(shù)多集中在子波分解與重構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)利用不同頻率、振幅、相位的各類原子與地震道匹配[3-9]，分解成一個(gè)原子庫，認(rèn)為最大能量原子對應(yīng)強(qiáng)背景，在重構(gòu)中舍去，達(dá)到去屏蔽效果。這類技術(shù)存在兩個(gè)問題：一是地震道子波分解在單道進(jìn)行，無法考慮地層橫向關(guān)系，容易造成匹配過度和重構(gòu)剖面連續(xù)性差；二是無法確定舍去哪些原子，其地質(zhì)和地球物理意義不明確。因此，有必要從長、短旋回波形分析出發(fā)，為去除地震強(qiáng)屏蔽提供一種全新的思路。長、短旋回波形分析法將地震沉積學(xué)中準(zhǔn)層狀模型和地震反射特征分析相結(jié)合，認(rèn)為地震反射是由長旋回地層背景反射和短旋回砂體反射組成，如果能將這兩種信息分離，即可去除強(qiáng)屏蔽。

基于長、短旋回的波形特征分析，結(jié)合Wheeler 正、反變換、子體波形主成分分解、短旋回分頻顯示三項(xiàng)技術(shù)，利用長、短旋回分離技術(shù)可去除強(qiáng)屏蔽。其中主成分分析(PCA)主要用于多屬性融合及去噪[10，11]，分頻RGB顯示也是一種多屬性融合方法，常用于精細(xì)刻畫沉積體邊界[12-15]。丁峰等[16]利用PCA-RGBA多屬性融合方法，將多個(gè)屬性切片融合為三張主特征切片進(jìn)行RGB顯示，在輔助斷層識別、油藏流體時(shí)移變化區(qū)域判定等方面獲得了良好的效果。文中首次將Wheeler變換、PCA及分頻RGB顯示技術(shù)串聯(lián)使用，并結(jié)合長、短旋回理論去除地震強(qiáng)屏蔽，獲得了松遼盆地北部T2油頁巖強(qiáng)屏蔽下的三套砂體的平面分布。

2 長、短旋回波形分析方法

2.1 準(zhǔn)層狀模型

曾洪流①認(rèn)為，沉積盆地內(nèi)相帶分布與巖性組合主要由兩部分地層疊加而成，即代表海(湖)平面升降的旋回性、區(qū)域性巖性組合以及代表海(湖)岸線周緣輸入的局部、突發(fā)性巖性組合，具有長、短旋回的地質(zhì)意義。因此，整個(gè)地震反射是由長旋回的背景和短旋回的事件組成[17]，其中長旋回反映水深變化較大的、彼此具有成因聯(lián)系的大套地層，具有較強(qiáng)的時(shí)間意義，利于等時(shí)地層格架的建立；短旋回反映水深變化較小，由相似巖性、巖相疊加組成的地層，其時(shí)間意義較弱，巖性意義較強(qiáng)，利于勘探隱蔽砂體。把實(shí)際地質(zhì)剖面簡化為準(zhǔn)層狀模型[18](圖1a)，可分解為背景和巖性組合，表現(xiàn)為長旋回(圖1b)和短旋回模型(圖1c)。因此，準(zhǔn)層狀地質(zhì)模型可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)地球物理模型，它由地層平均速度模型和砂體剩余速度模型兩部分組成，其中地層組分對應(yīng)長周期沉積，砂體組分對應(yīng)短周期沉積。如果長、短周期沉積的反射具有不同特征，就可以利用這些特征差異分離兩種波場，從而去除地震強(qiáng)屏蔽的影響。

圖1 準(zhǔn)層狀模型

2.2 長、短旋回反射特征

分別對模型求取反射系數(shù)并與30Hz雷克子波褶積，得到準(zhǔn)層狀模型的正演地震記錄(圖2)。可見：長旋回模型地震波形具有低頻、相位一致的反射特征，橫向連續(xù)性強(qiáng)(圖2b)；短旋回模型地震波形具有高頻、相位不一致的反射特征，橫向發(fā)生突變(圖2c)。

圖2 準(zhǔn)層狀模型的正演地震記錄

利用某種方法分離地震數(shù)據(jù)的長、短旋回信息是十分有意義的，其中長旋回體連續(xù)、穩(wěn)定的同相軸有利于層位追蹤，對其進(jìn)行相干或曲率計(jì)算能夠反映地層特征，突出斷層信息；短旋回體巖性意義較強(qiáng)，可以得到被屏蔽的砂體信息。

2.3 長、短旋回分解方法

從長、短旋回波形特征看，主要區(qū)別在于相位和頻率。為此，采用PCA提取反射波形的空間一致性相位信息分離長、短旋回，再通過分頻顯示進(jìn)一步提取高頻短旋回信息，實(shí)現(xiàn)去屏蔽功能。由于“長旋回反射相位特征一致”的認(rèn)識僅在相對地質(zhì)年代域中成立，故在利用PCA分解長、短旋回波形時(shí)，需做Wheeler變換，整體流程如圖3所示。

圖3 長、短旋回分析技術(shù)流程

2.3.1 Wheeler變換

地震沉積學(xué)[19，20]要求在相對地質(zhì)年代域(或者Wheeler域)提取地震屬性，在實(shí)際操作時(shí)首先用兩個(gè)解釋層位形成地層切片體，再用地層切片體將時(shí)間域地震數(shù)據(jù)變換成Wheeler域地震數(shù)據(jù)。由于Wheeler域地震數(shù)據(jù)體去除了區(qū)域構(gòu)造因素，因此地震反射同相軸的產(chǎn)狀、相位等信息與地層、沉積等信息的相關(guān)性較強(qiáng)，便于利用PCA分解長、短旋回波形。同時(shí)利用PCA進(jìn)行多道分析時(shí)，要求沿著同相軸空間產(chǎn)狀對比、分解多道波形，這在時(shí)間域中難以實(shí)現(xiàn)，而在Wheeler域地震數(shù)據(jù)體中同相軸近似平行，有利于PCA波形對比。在完成分解后，應(yīng)將長、短旋回波形做Wheeler反變換，轉(zhuǎn)換到時(shí)間域進(jìn)行下一步分析。需要注意的是，如果目的層緊鄰標(biāo)志層，可以用“層拉平”技術(shù)代替Wheeler變換。

2.3.2 子體波形PCA

PCA是統(tǒng)計(jì)分析中最常用的變量簡化技術(shù)，其核心思想就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維。基本原理是利用最少的、相互獨(dú)立的變量取代原有的多維變量來概括信息，而每一個(gè)獨(dú)立的變量都代表某一方面的性質(zhì)。在地震資料分析中，PCA主要用于屬性融合及去除隨機(jī)噪聲等方面[13，14]，采用PCA分離長、短旋回是一種全新的嘗試。長旋回反映了地質(zhì)時(shí)期的主要沉積信息，具有空間連續(xù)、緩變特點(diǎn)，即空間波形具有一定的相似性，是波形橫向?qū)Ρ鹊闹饕煞郑ㄟ^PCA將其作為背景提取出來，達(dá)到分離長、短旋回的目的。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)以一個(gè)地震道為中心，取若干相鄰道形成一個(gè)子體，將子體作為一個(gè)PCA單元，提取第一主成分作為長旋回波形。將此長旋回波形從中心道中除去，得到代表砂體的短旋回?cái)?shù)據(jù)體。將上述基于子體波形主成分分析的方法稱為子體波形PCA。

圖4為子體波形PCA原理。由圖可見：對于一個(gè)子體，若在每道的時(shí)間方向有50個(gè)樣本維，在空間方向有3個(gè)特征維(道)，則可以建立一個(gè)50×3階的矩陣作為樣本；求此樣本的協(xié)方差矩陣，得到一個(gè)3×3階的協(xié)方差矩陣，再求出協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量(共有3個(gè)特征值和特征向量)；根據(jù)特征值的大小，取最大特征值所對應(yīng)的特征向量，則空間特征維降為一維；進(jìn)一步將原始信息分解為長旋回(區(qū)域地質(zhì)特征)和短旋回(局部地質(zhì)特征)。為了驗(yàn)證子體波形PCA方法的有效性，對準(zhǔn)層狀模型的正演地震記錄(不添加噪聲)(圖2a)進(jìn)行子體波形PCA，分別得到長(圖5a)、短旋回地震數(shù)據(jù)(圖5b)。將子體波形PCA數(shù)據(jù)(圖5b)與正演地震數(shù)據(jù)(圖2c)相減，差值基本為0(圖5c)，說明沒有能量損失。即正演的長、短旋回模型地震記錄(圖2)與子體波形PCA結(jié)果一致(圖5)，證明子體波形PCA能夠有效地去除地震信號的連續(xù)、低頻長旋回背景，突顯巖性信息。

圖4 子體波形PCA原理

圖5 子體波形PCA結(jié)果

2.3.3 短旋回體分頻顯示

目前波形PCA主要利用長旋回波形的相位一致性特征，并沒有充分考慮長旋回波形的低頻特征，因此在分解后的短旋回波形中仍存在長旋回殘余能量。同時(shí)，由分解得到的短旋回波形為弱信號，易受噪聲影響，有必要對短旋回波形進(jìn)行突出弱信號的處理。由于一定厚度的地質(zhì)體都對應(yīng)一定的有效頻帶，故可采用RGB分頻顯示技術(shù)[17-19]對短旋回體進(jìn)行突出有效頻帶的分頻融合顯示，以突出被屏蔽的砂體信息及壓制噪聲。

RGB三原色分頻成像利用Marr小波對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻，獲得低頻、中頻、高頻三個(gè)數(shù)據(jù)體，分別用紅、綠、藍(lán)三種顏色表示，然后按分頻能量做色彩疊加顯示。三種顏色所占的權(quán)重直接與頻率的高低有關(guān)，反映了頻率變化。在分頻顯示中可以優(yōu)選合理的顯示頻帶，將低頻背景和高頻噪聲壓制，突出砂體信息，具有輔助去屏蔽功能。

3 應(yīng)用效果

3.1 研究區(qū)地震、地質(zhì)條件

松遼盆地北部M區(qū)扶余油層的FⅠ1組地層緊貼在青一段泥巖之下，厚度約為35m，細(xì)分為3個(gè)油層組，是勘探的主要目的層之一，在地震剖面上表現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)波峰(T2界面)和一個(gè)波谷。由于距T2強(qiáng)反射界面很近，下部相互疊置的砂巖完全被T2屏蔽，影響了儲層的有效識別和“甜點(diǎn)”的精細(xì)刻畫。從井、震標(biāo)定剖面上看，F(xiàn)Ⅰ1-1、FⅠ1-2和FⅠ1-3砂層反射完全淹沒在T2下面的低頻同相軸中(圖6)。沿此同相軸做地層切片，三套砂層的振幅幾乎被T2強(qiáng)反射信息所覆蓋，難以區(qū)分三套砂層的特征。

圖6 扶余油層過井剖面

3.2 長、短旋回分解

首先對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行提高分辨率處理，在此基礎(chǔ)上，通過Wheeler變換將時(shí)間域地震數(shù)據(jù)變換到Wheeler域(圖7)，以便開展長、短旋回分解。

在Wheeler域，運(yùn)用波形PCA將地震數(shù)據(jù)分解為具有橫向反射系數(shù)穩(wěn)定的長旋回?cái)?shù)據(jù)和橫向反射系數(shù)變化的短旋回?cái)?shù)據(jù)(圖8)。可見：長旋回地層反射表現(xiàn)為橫向連續(xù)、平滑的特征，具有較強(qiáng)的時(shí)間意義(圖8a)；短旋回地層反射則表現(xiàn)為橫向不連續(xù)、相位不穩(wěn)定的特征，其時(shí)間意義較弱，巖性意義較強(qiáng)(圖8b)。在完成分解后，將得到的長、短旋回?cái)?shù)據(jù)體進(jìn)行Wheeler反變換，得到時(shí)間域的長、短旋回?cái)?shù)據(jù)(圖9)，為下一步在時(shí)間域進(jìn)行效果分析提供基礎(chǔ)。

為了對長、短旋回波形分析法去除強(qiáng)屏蔽的效果進(jìn)行評價(jià)，采用測井合成記錄標(biāo)定和平面沉積模式進(jìn)行效果分析。選取M區(qū)芳176-19井的測井資料，對PCA前、后的地震資料分別進(jìn)行合成地震記錄標(biāo)定(圖10)。 可見：T2強(qiáng)背景得到有效去除，去背景后地震資料分辨率顯著提高，可識別薄層(圖10a)；與測井解釋成果的精細(xì)標(biāo)定、對比結(jié)果表明，短旋回剖面細(xì)化了井、震匹配程度，提高了對儲層的分辨能力，能有效分辨FⅠ1-1、FⅠ1-2和FⅠ1-3三個(gè)砂層的波組特征，且與測井解釋結(jié)果吻合(圖10b)。說明長、短旋回分析技術(shù)能夠有效去除地震強(qiáng)屏蔽，提高對隱蔽砂體的識別能力。

圖7 Wheeler變換前(a)、后(b)地震剖面

圖8 Wheeler域長(a)、短(b)旋回剖面

圖9 時(shí)間域長(a)、短(b)旋回剖面

圖11為長、短旋回分解前、后振幅切片、RGB分頻顯示和測井砂地比等值線圖。可見：原始振幅切片(圖11a)受強(qiáng)屏蔽影響，導(dǎo)致下伏地層的振幅切片難以反映沉積相和砂體展布特征；分解后的短旋回的地層切片(圖11b)有效突出了薄層信息，其地震地貌特征彰顯了井間沉積特征(淺水三角洲形態(tài)及南北向物源特征)，與測井砂地比等值線圖(圖11d)展布特征一致，表現(xiàn)為兩條從南向北展布的淺水三角洲前緣沉積體。

3.3 短旋回分頻顯示

由于分解后的短旋回仍存在長旋回(T2反射)的殘余能量，同時(shí)為弱信號，易受噪聲影響，因此進(jìn)一步通過分頻顯示技術(shù)優(yōu)選合理的顯示頻帶，壓制低頻背景和高頻噪聲，以突出砂體信息。將去背景后的短旋回地震體進(jìn)行RGB分頻顯示(圖11c)，可見河道整體形態(tài)更清晰，邊界更清楚，表明RGB分頻顯示是PCA技術(shù)的有效補(bǔ)充。

圖10 短旋回剖面儲層單井標(biāo)定(a)及測井解釋成果(b)

圖11 FI1-3砂層長、短旋回分解前(a)、后振幅切片(b)、RGB分頻顯示(c)和測井砂地比等值線圖(d)

4 結(jié)束語

本文通過準(zhǔn)層狀模型意義的討論，將地震記錄理解為長旋回背景反射和短旋回砂體反射的組合，認(rèn)為強(qiáng)屏蔽具備長旋回低頻、相位穩(wěn)定的特征，可通過長、短旋回分析方法來去除強(qiáng)背景反射，同時(shí)形成了一套Wheeler變換、子體波形PCA以及短旋回的分頻顯示技術(shù)流程。應(yīng)用該流程識別了松遼盆地北部強(qiáng)屏蔽T2之下的砂體信息，經(jīng)PCA后的振幅切片反映了兩條從南向北展布的淺水三角洲前緣沉積體，證實(shí)上述流程具有較好的去強(qiáng)屏蔽效果，對于其他具有屏蔽特征或相似地質(zhì)條件的儲層(例如煤層)描述具有借鑒價(jià)值。需要指出的是，目前Wheeler變換在斷層位置處存在振幅畸變，會影響去屏蔽效果。

感謝地質(zhì)放大鏡軟件在資料應(yīng)用方面的支持！

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(本文編輯：劉勇)

金成志 教授級高級工程師，中國石油天然氣集團(tuán)公司高級技術(shù)專家，1960年生;1983年獲大慶石油學(xué)院勘探專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2007年獲中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位。長期從事油氣勘探研究與管理工作。目前在大慶油田任副總地質(zhì)師，從事油氣勘探、油藏評價(jià)科研和生產(chǎn)管理工作。

1000-7210(2017)05-1042-07

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.018

*黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)勝利路1號大慶油田有限責(zé)任公司，163002。Email: jinchengzhi@petrochina.com.cn

本文于2016年11月28日收到，最終修改稿于2017年8月5日收到。

本項(xiàng)研究受國家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05001-001-004)、中國石油天然氣股份公司重大科技專項(xiàng)“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗(yàn)”(2012E-2603)聯(lián)合資助。 ①曾洪流.地震沉積學(xué)的理論基礎(chǔ)、基本方法及應(yīng)用前景.全國第八屆油氣層序地層學(xué)與沉積儲層大會,天津?yàn)I海新區(qū)，2014.9.3～9.5。