地震時頻分析技術在濱淺湖沉積層序研究中的應用

楊宏偉，李 斌，錢 志，肖鵬程，劉羿伶

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地震時頻分析技術在濱淺湖沉積層序研究中的應用

楊宏偉1，李 斌2、3，錢 志1，肖鵬程2，劉羿伶2

（1. 中石化勝利油田物探院，山東 東營，257001；2.西南石油大學地科院，成都 610500；3．中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074）

以車鎮洼陷沙河街組二段為例，根據頻率周期連續性和橫向收斂特征精細識別濱淺湖沉積不同尺度旋回界面的特征，結合地質和測井信息建立研究區沙二段高精度層序地層格架。應用結果表明：廣義S變換頻譜縱向連續性好，頻率周期性變化對砂層組韻律特征表現較清晰，對中期級別旋回界面較為敏感，短期旋回響應特征識別較為明顯。匹配追蹤方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的優勢頻率變化規律，匹配追蹤分解方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的頻率變化，可以為層序橫向對比提供依據。

時頻分析;小波變換;高分辨率層序;車鎮洼陷

高分辨率層序地層學主要根據層序界面在鉆井剖面上的識別標志以及測井、地震上的響應特征進行劃分的[1-2]，因此具有一定的局限性。而時頻分析技術[3-8]由于綜合了地質、測井和地震的多維信息，能夠將一維的時間域測井數據或地震數據變換到二維時頻域，提高了地震信號的時空分辨能力，并提供直觀的地層沉積旋回等地質信息。因此可以作為層序地層界面的重要參考依據，在我國東部盆地碎屑巖沉積層序中得到廣泛應用[9-11]。

1 時頻分析技術

時頻分析是一種利用時間和頻率的聯合函數來分析信號的方法[12]，其優勢是對信號的特性和結構反映較全面，還能去除干擾噪音[13]，可以為地質現象的解釋提供參考。目前，行業應用較為廣泛的主要有廣義S變換、小波變換和匹配追蹤（MPD）等時頻分析技術[6,8,9,15,20]。

圖1 過DG1-D47井地震原始剖面

1.1 廣義S變換

S—變換是由 R. G . Stockwell 等人提出的[14],它是一種線性、多分辨率、無損可逆的時頻分析方法[15]，綜合了短時窗傅立葉變換和連續小波變換的優點,在地震勘探中不斷受到重視[16]。

設 h(t)∈L2(R),其S—變換定義為:

在S—變換中,如果令 a =k/|f|,可以得到廣義S-變換，通過調整 k 值可以實現對頻率升降的控制。利用廣義S變換可以對三維地震資料在時間域進行精細的處理，有助于突出地震信號的特征信息，在高分辨率層序標志識別和劃分中被廣泛應用[17]，因此，是地震沉積學研究的一項重要技術。

1.2 小波變換

小波變換是在短時窗傅立葉變換基礎上發展而來的一種信號處理方法，由于采用了時窗參數的約束，所以克服了短時傅立葉變換單分辨率的不足。對于信號h(t),其小波變換定義為:

式中:a為時窗因子;b為時窗變化因子;ψ(t)為小波母函數。其傅立葉變換ψ(ω)滿足以下條件,即

從式(2)可以看出,隨著時窗因子a的變化,對時間域信號的處理會發生改變，信號周期往往可以通過沉積周期反映，這為層序劃分提供了理論依據[18]。

1.3 匹配追蹤

由于受測不準準則的制約，應用小波變換、廣義S變換等線性算法無法同時獲得高時間分辨率和高頻率分辨率，而匹配追蹤算法能夠克服以上問題，從時間域和頻率域對地震信號同時精細表征[19-22]。匹配追蹤子波分解與重構技術可以將地震數據分解為不同尺度的地震子波，并且，其頻率與能量可以隨時間和空間的變化而變化，同時，也可以對子波進行認為定義，將每個被分解出來的子波成分又定義為原子，其數學表達式為：

式中：ai為振幅，無量綱；mi為第i個原子，無量綱；?m為原子的頻率，Hz；td為中心位置，無量綱；Φ為相位，E（N）?為殘差，無量綱。按公式（4）對實際地震道數據進行分解后，還可根據需要選擇不同的原子進行重構。由于匹配追蹤子波分解不受時窗約束，其時頻譜無交叉項，因此具有較高的時間分辨率和頻率分辨率,對層序的縱橫向變化較為敏感[23]。

2 基于地震資料的時頻分析應用

建立等時層序地層格架是開展沉積學和儲層預測的基礎[24]。本文研究區車鎮凹陷位于濟陽坳陷北部，沙二段為該區主要產油層，油氣資源豐富[10]。沙二沉積期處于盆地的斷坳階段，濱淺湖沉積發育，呈現砂泥巖層薄[11]，縱向交互頻繁，前人多年的研究[25-28]認為研究區沙二段整體為一個三級層序（標準的層序，對應長期基準面旋回）[28]，受地震分辨率低影響，高級別層序格架建立較為困難（圖 1）。研究主要應用廣義S變換、小波變換和匹配追蹤（MPD）時頻分析算法，對勝利油田車鎮凹陷沙二段井旁地震數據頻率變化進行分析，井震結合識別層序界面特征，為研究區高精度層序地層的定量劃分提供依據。

2.1 單井層序劃分

廣義S變換的聯合時頻譜縱向連續性較好，能比較直觀的反映沉積旋回與頻率的方向性變化,對沉積旋回的劃分具有指導意義。研究利用廣義-S變換對D47、D55、DG2和D63等井的井旁地震道時頻分析發現，沙二段縱向頻率存在低頻-高頻-低頻的4個頻率變化段，不同頻率段砂層組合差異明顯，以頻率變化端作為旋回界面可以劃分出中期旋回（四級層序）4個（圖2）。在中期旋回巖性剖面上，可以發現厚砂巖段向泥巖段過渡特征，在時頻剖面上多表現為低頻向高頻變化的響應，反映水體變深沉積環境，可以用層序地層學的上升半旋回表征。與此相對應，泥巖段向砂巖段過渡在時頻剖面上多表現為高頻向低頻變化的反射特征，表征為下降半旋回。整體顯示廣義-S變換對中期旋回尺度砂層組識別較為敏感，可以作為高分辨率層序劃分和井間砂層組對比的依據。

用小波變換的方法處理的頻譜對沉積體縱向連續性差，識別度較高，低頻和高頻過渡較穩定。從單井巖相和時頻譜標定可以看出（圖3），時頻譜周期變化特征和砂組韻律呈現出較好的對應關系，能夠有效識別砂組縱向變化，可以作為高分辨率層序短期旋回的劃分依據。從圖3可以看出，研究區沙二段縱向高頻能量團有9個，可以劃分出短期旋回（五級層序）9個，井間特征對應較好，有助于開展短期砂組沉積旋回的橫向對比。

圖2 廣義S變換時頻譜與沉積旋回對應關系

圖3 小波變換時頻譜與沉積旋回對應關系

圖4 匹配追蹤時頻譜與沉積旋回對應關系

相對廣義S和小波變換而言，沙二段匹配追蹤時頻譜（MPD）縱向分辨率相對較低（圖4），多反映層段巖性地震反射特征。研究區沙二段自下而上呈現砂地比逐漸降低、砂層厚度減薄的趨勢，在地震時頻（匹配追蹤）剖面上表現為下部低頻信息豐富，向上不斷減弱的響應特征，反映了沙二沉積期水體不斷上升的長期旋回特征，可以用1個上升半旋回來表征。

參考廣義S變換、小波變換和匹配追蹤方法識別出不同沉積旋回的界面特征，確定研究區沙二段單井高分辨率旋回劃分方案（圖5）：長期旋回1個，中期旋回4個，短期旋回8個。

2.2 層序地層對比

利用時頻分析技術可以對研究區沙二段層序進行橫向對比，分析砂組變化特征。從圖6可以看出，廣義S變換低頻變化和中期沉積旋回對應較好，小波變換和短期旋回砂組響應關系明顯。從D47-D20井層序橫向對比呈現減薄趨勢，靠近物源區，砂組厚度呈現增加趨勢，時頻譜表現低頻增強的響應特征，反映了湖平面上升對沉積演化的控制。井震對比認為沙二段層序劃分較為可靠，橫向對比性強（圖7），時頻分析技術可以作為沙二段濱淺湖沉積層序劃分的依據。

3 結論

1） 時頻分析的廣義S變換頻譜縱向連續性好，對中期尺度的砂層組韻律特征表現較清晰，其中，低頻向高頻變化的反射特征可以反映湖平面上升沉積過程，泥巖段向砂巖段過渡在時頻剖面上多表現為高頻向低頻變化的反射特征，頻率變化端可以作為高分辨率層序劃分中期級別旋回（四級層序）界面。

圖5 沙二段層序劃分柱狀圖

圖6 研究區沙二段聯井層序對比圖

圖7 過D55 井地震剖面Inline806（左為原始地震剖面；右為頻率剖面）

2）小波變換方法解釋頻譜橫向連續性佳，時頻譜周期性特征和砂組韻律呈現較好的對應關系，可以作為高分辨率層序中短期旋回參考。匹配追蹤分解方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的頻率變化，可以為層序橫向對比提供依據。

3）時頻分析方法通過單井與地震剖面結合識別高分辨率沉積旋回，根據頻率周期連續性和橫向收斂特征可精細識別濱淺湖沉積不同尺度旋回界面的特征，且地震剖面視分辨率較高，可以作為高精度層序地層解釋和對比的參考依據。

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The Application of Seismic Time-Frequency Analysis Technology to the Study of Shore and Shallow Lacustrine Sedimentary Sequence

YANG Hong-wei1LI Bin2,3QIAN Zhi1XIAO Peng-cheng2LIU Yi-ling2

(1-Shengli Geophysical Institute, SINOPEC, Dongying, Shandong 257001; 2- Geoscience College of Southwest Petroleum University, Chengdu 610500; 3-Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074)

This study establishes high-resolution sequence stratigraphical framework of the Second Member of the Shahejie Formation in the Chezhen depression based on continuity and horizontal convergence characteristic of frequency cycle in combination withseismic and logging data. The application results show that the generalized S transform which has good vertical continuity is sensitive to the mid-term cycles (fourth-order sequences) of sequence interface and it is clear when representing rhythm features of the sedimentary body, while the spectrum interpreted by wavelet transform has good transverse continuity and higher accuracy for the vertical continuity features of the sedimentary body, its response characteristics of short-term cycles (fifth-order sequences) are obvious; The spectrum interpreted by matching pursuit decomposition method reflects the change rule of the dominant frequency for different depth of the sedimentary body.

time-frequencyanalysis; wavelet transform; high-resolution sequence;Second Member of the Shahejie Formation; Chezhen depression

2017-08-26

“構造與油氣資源”教育部重點實驗室基金（TPR-2013-16）資助。

楊宏偉（1967-），男，博士，高級工程師，現主要從事綜合解釋及油藏建模研究工作

P531.4

A

1006-0995（2018）02-0345-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.036