地震低頻提取技術(shù)在含油儲層檢測中的應(yīng)用

姜傳金，李 晶，張爾華， 馮德永，鞠林波， 田仁飛，薛雅娟

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，大慶 163712；2.成都理工大學(xué) 地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610059；3. 勝利油田分公司物探研究院，東營 257000；4.成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，成都 610225)

0 引言

隨著高精度地震技術(shù)的進步，地震資料頻帶得到拓寬，高頻信息增多，低頻信息也更豐富，但以往的研究應(yīng)用過程中，更注重高頻信息的應(yīng)用，低頻信息以往更多地關(guān)注低頻諧振、低頻伴影等油氣檢測方面的應(yīng)用[1-2]。近年來的研究表明，地震反射波的低頻成分在油氣勘探中極其重要[3-4]，發(fā)展了基于改進的廣義S變換的低頻吸收衰減梯度檢測[5]、基于小波變換的吸收衰減梯度檢測[6-7]，以及低頻能量相對變化率[8]等方法，都取得了較好的效果。低頻信號提取的關(guān)鍵是尋找高精度的時頻分析方法，而基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的時頻分析方法與常規(guī)地震信號時頻分析方法相比，具有時頻分辨率更高和能量聚集性更好的特性[9]。經(jīng)過EMD分解，原始地震信號可表示為有限多個單頻或窄帶本征模態(tài)函數(shù)的和。不同的本征模態(tài)函數(shù)可以突出體現(xiàn)不同的地質(zhì)、地層信息，油氣信息在某些單個本征模態(tài)函數(shù)中體現(xiàn)的更清楚。為此，筆者利用基于EMD方法的瞬時譜能量分析技術(shù)，提取瞬時地震子波的時變譜。通過含指數(shù)衰減函數(shù)擬合局部的低頻部分，突出于儲層含油氣有關(guān)的低頻異常信息，發(fā)展基于地震低頻信號的能量變化率提取方法。該方法相對傳統(tǒng)時頻方法，更易于突出一些深埋在寬帶地震響應(yīng)中特定頻率范圍內(nèi)的地質(zhì)和地層信息[10]。

1 地震低頻信號能量變化率提取方法

1.1 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法

Huang等認(rèn)為任何信號都是由若干本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)組成，任何時候，一個信號都可以包含若干個本征模函數(shù)，如果本征模函數(shù)之間相互重疊，便形成復(fù)合信號。EMD分解的目的就是為了獲取本征模函數(shù)，然后再對各本征模函數(shù)進行希爾伯特變換，得到希爾伯特譜。

圖1 不同低頻擬合方法對比Fig.1 Comparison of different low-frequency fitting methods

圖2 基于EMD低頻能量變化率算法流程圖Fig.2 The workflow of low frequency energy change rate estimation using EMD

Huang認(rèn)為，一個本征模函數(shù)必須滿足以下兩個條件:

1)在整個數(shù)據(jù)集中，其極值點個數(shù)和過零點的數(shù)目相等，或最多相差一個。

2)在任意時間點，由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)和局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)的均值必須為零。

因此，一個函數(shù)若屬于IMF，代表其波形局部對稱于零平均值，可以直接使用Hilbert變換求得有意義的瞬時屬性。

用EMD方法把地震信號x(t)分解成所有IMF分量及余量的和，可以表示為式(1)。

X(t)=C1(t)+C2(t)+…+Cn(t)+rn(t)

(1)

其中：Ci(t)(i=1,…,n)表示第i個IMF分量；rn(t)為余量。IMF分量個數(shù)受地震信號和終止的給定限制標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。

1.2 基于EMD的低頻能量變化率的算法

1.2.1 算法描述

對各個IMF分量進行希爾伯特譜分析，得到瞬時頻率、幅度和相位。通過一系列變換后，則原始地震信號x(t)也可表示為式(2)。

x(t)=c1(t)+c2(t)+…+cn(t)+rn(t)=

(2)

式中：ai(t)為瞬時幅度；φi(t)為瞬時相位。

在EMD和希爾伯特變換聯(lián)合生成的時頻圖中，沿著時間點逐道提取頻譜，計算其低頻的斜率。圖1所示為不同擬合方法擬合的斜率示意圖。從圖1中可以看到，最小二乘擬合法效果最好。

利用圖1所示最小二乘擬合法計算得到低頻段的斜率后，按照加權(quán)平均的方式獲得低頻能量變化率，具體計算方法如圖2所示(圖中HT表示希爾伯特變換)。為了借鑒和區(qū)別高頻衰減梯度的概念，利用地震信號低頻段的斜率近似表示低頻能量變化率。在具體計算的過程中，低頻段的確定是相對的，我們在程序設(shè)計中，主要對每道頻譜圖中對應(yīng)的最大振幅譜所在頻率位置以下定義為低頻段地震信號。

1.2.2 模型測試

根據(jù)濟陽坳陷沾化凹陷實際鉆探井的測井?dāng)?shù)據(jù)，建立含油模型(圖3)。地質(zhì)模型中有六個地層,模型參數(shù)如表1所示。標(biāo)記為④的層是含油層，標(biāo)記為③的層是干層。地震信號采樣率為1 ms。模型的含氣層厚度為40 m。模型中的速度、密度、厚度等參數(shù)主要由測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計；子波頻率為40 Hz依據(jù)該區(qū)三維數(shù)據(jù)的主頻；彌散系數(shù)(ξ)、黏滯系數(shù)(η)、Q值依據(jù)工區(qū)巖性特征及前人研究結(jié)果給出的等效參數(shù)。采用黏滯—彌散波動方程[11]獲得地質(zhì)模型的地震響應(yīng)如圖3(b)所示。

利用圖3(b)提到的油氣模型進行測試。結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看到，在含油層存在強振幅異常,低頻能量變化率檢測到了含油儲層。

圖3 地質(zhì)模型和地震響應(yīng)Fig.3 Geological model and seismic response(a)地質(zhì)模型；(b)地震響應(yīng)

圖4 基于EMD的低頻能量變化率剖面Fig.4 Low frequency energy rate profile based on EMD

層號VP/m·s-1ρ/g·cm-3ξ/Hzη/m2·s-1Q①27642.2061.01.0200②27922.2631.01.0200③26562.2101.01.0200④25452.0925.04005⑤26932.3201.01.0200⑥27692.2691.01.0200

圖5 過W1、W2、W3連井地震剖面(顏色顯示)Fig.5 Seismic profile through W1,W2,W3 well-tie (color display)

圖6 W1、W2、W3連井速度剖面Fig.6 Velocity profile of W1, W2, W3 well-tie

2 儲層地質(zhì)、地震特征

2.1 儲層地質(zhì)特征

研究區(qū)位于濟陽坳陷沾化凹陷孤島凸起西南部，為北斷南超的箕狀洼陷。含油儲層是一套以正旋回為主的河流相沉積，與下伏地層為區(qū)域不整合接觸。整體上為一套灰色厚、巨厚塊狀含礫砂巖、礫狀砂巖、粗砂巖及細(xì)砂巖夾灰褐色、紫紅色薄層泥巖，自下而上巖性變細(xì)，頂部泥巖較發(fā)育，具有典型的下粗上細(xì)的正旋回特征，為辮狀河沉積。

2.2 儲層地震特征

研究區(qū)塊是12.5 m×25 m CDP網(wǎng)格的疊前時間偏移三維地震覆蓋， 結(jié)合研究區(qū)儲層的地震、測井等基礎(chǔ)資料，主要目標(biāo)層在地震上表現(xiàn)為強波谷，橫向分布比較復(fù)雜，連續(xù)性較差等特征。

2.3 基于EMD 低頻能量變化率測試分析

2.3.1 過井剖面正演模型測試

根據(jù)研究區(qū)地震(圖5)、地質(zhì)、測井等建立地質(zhì)模型，分析儲層地震響應(yīng)特征。模型參數(shù)主要依據(jù)W1、W2、W3井測井速度統(tǒng)計建立的速度、密度等建立儲層地質(zhì)模型(圖6)。利用基于單程波的分步傅里葉法進行正演和偏移，得到最終的連井偏移剖面(圖7)。

由圖7可知，W1、W2、W3儲層地震響應(yīng)特征主要為強振幅，儲層分布在波谷中，在顏色顯示上為紅色。這與圖5實際地震剖面所反映的特征一致，說明該正演的結(jié)果正確可靠，可用來研究該地區(qū)儲層分布特征，為后續(xù)低頻信號提取方法提供了重要的模型參數(shù)。

利用基于EMD低頻信息能量變化率提取方法研究連井正演模型(圖7)的低頻信號特征，其結(jié)果見圖8。

從圖8中可知，含油儲層的低頻能量變化率具有較強的振幅異常，也說明基于EMD低頻能量變化率提取是可行的。

圖7 W1、W2、W3 連井偏移剖面Fig.7 Migrated section of W1, W2, W3 well-tie

圖8 基于EMD低頻能量變化率(連井正演結(jié)果)Fig.8 Low frequency energy change rate of based on the EMD(well connection forward)

圖9 過W1井的地震剖面Fig.9 Seismic profile across W1 well

2.3.2 實際資料應(yīng)用

圖9過w1井的地震剖面。利用基于EMD低頻信息能量變化率提取方法研究研究區(qū)的地震低頻信號特征，其結(jié)果如圖10所示，從圖10中可以看到，在含油儲層都存在較強振幅異常，這與實際鉆井結(jié)果非常吻合，進一步說明該方法是可行的。

沿Ngx5層提取沿層低頻能量變化如圖11所示。依據(jù)低頻信號理論和正演模擬結(jié)果，較好的儲層對應(yīng)中強振幅的低頻能量變化率，即強的低頻能量變化率與獲得工業(yè)油流對應(yīng)，而弱異常與無產(chǎn)井對應(yīng)。根據(jù)研究區(qū)試油資料，統(tǒng)計工區(qū)8口井，僅W7井未獲得工業(yè)油流，對應(yīng)的是弱的低頻能量變化率；同時，W6井位于弱振幅的低頻能量變化率處，而獲得工業(yè)油流，這可以與W6井主要受斷層控制的巖性油藏有關(guān)。其余井都對應(yīng)中強的低頻能量變化率，且都獲得了工業(yè)油流。這說明圖11中8口井僅有W6井一個井不吻合，總的符合率達(dá)87.5%。說明利用低頻能量變化率檢測油氣儲層具有較高的精度和可行性。

圖10 基于EMD低頻能量變化率(過W1井)Fig.10 Low frequency energy change rate of based on the EMD (across W1 well)

圖11 沿Ngx5層低頻能量變化率切片F(xiàn)ig.11 Slice along Ngx5 layer of low frequency energy change rate

3 結(jié)論

1)基于EMD地震低頻信號能量變化率是在EMD方法基礎(chǔ)上的一種改進方法，即是在EMD和希爾伯特變換聯(lián)合生成的時頻圖中，沿著時間點逐道提取頻譜，計算其低頻的能量變化率具有較高的精度。

2)使用基于EMD地震低頻信號能量變化率提取方法,測試了正演模型以及實際資料，實際資料的研究結(jié)果表明,利用低頻能量變化率檢測油儲層符合率達(dá)87.5%，證實其效果是可行的，該方法進一步提高了油氣預(yù)測能力。可為類似地質(zhì)條件下油氣儲層檢測提供一種新的油氣儲層檢測方式。