廣義S變換分頻技術在伊通盆地儲層預測中的應用

王 雷，袁立川，潘紅衛，柯 欽，連曉亮，丁朝龍，王 芳

(1.東方地球物理公司研究院 地質研究中心，涿州 072750；2.東方地球物理公司研究院 華北分院，涿州 072750)

0 引言

實際地震波信息是地下多個砂泥巖薄互層的綜合響應，多個薄層反射組成的地震波在時間域會產生復雜的調諧反射，但每個薄層產生的地震反射信號經傅立葉變換后，在頻率域都有一個與之相對應的唯一特定頻率成分[1]。地震分頻技術是一種基于頻譜分析的地震成像方法，可揭示地層的縱向整體變化規律、沉積相帶的空間演變模式，并能指導人們進行儲集層厚度展布的描繪與分析[2]。應用地震分頻屬性檢測沉積體系的縱向及平面的空間演變,不但可以避免因地震采集、處理時振幅不一致導致的地震相解釋的多解性, 同時又提高了僅依賴振幅類地震屬性信息進行沉積相研究的精度。筆者應用廣義S變換分頻技術(GST)，對伊通盆地常規儲層(扇體)和非常規儲層(大理巖)進行了刻畫，該分頻技術克服了常規譜分解短時快速傅里葉變換(SDFT)固定時窗分析的短板，實現了對地震信號的變焦分析。該技術適用于狹長盆地不等厚地層的層間頻譜分析和屬性分頻提取，在油氣勘探初期鉆井少的情況下，可以僅利用地震資料快速的定性刻畫儲層的分布情況，為井位部署提供儲層借鑒。

1 原理

地震波在地層介質中傳播，由于散射和吸收衰減等均與頻率有關，嚴格意義上屬非平穩信號。由于傅里葉分析使用的是一種全局變換，無法表達信號的時頻局部性質，而信號的局部性又是非平穩信號差異性分析的關鍵。因此，研究人員分別應用短時傅里葉變換(SDFT)，Gabor變換[3]、連續小波變換(Continuous Wavelet Transform,CWT)對分頻技術進行改進[4]。R G.Stockwell綜合SDFT和CWT的特點，提出了一種非平穩信號分析的方法廣義S變換(GST)[5]，GST是用一系列不同寬度的時窗去分析信號在某時刻附近的頻率成分，可以根據頻率的不同自動調節時窗的大小，以此實現對地震信號的變焦分析，其創新在于克服了傅里葉變換其只能用固時窗分析的缺點。

廣義S變換表達式為式(1)。

(1)

窗函數為式(2)。

(2)

其中：λ為線性調節參數，數值越大，時間域分辨率越高，頻率域越低，取值范圍0.1～3，P為指數調節參數，數值越大，時間域分辨率越高，頻率域越低，取值范圍0.1～3。當p=0時，等同于短時傅里葉變換(SDFT)，當λ=1，p=1時，等同于標準S變換。其為依賴頻率f變化的函數，其在高頻段時窗變窄，在低頻段時窗變寬，使得該廣義S變換具備隨頻率變化的自適應調整時窗的能力，具有多分辨的特性。

2 廣義S變換在常規儲層預測中的應用

伊通盆地位于郯廬斷裂帶北段，盆地西北緣隔大黑山與松遼盆地相接，東南緣是廣闊的那丹哈達嶺，伊通盆地是一狹長走滑拉分盆地，呈現“不對稱雙斷”結構特征，西陡東緩，盆地東西兩側沉積多支物源，其中西北緣陡坡帶多沉積近岸水下扇物源，東南緣緩坡帶多沉積扇三角洲物源。盆地形成晚期受大黑山左旋擠壓應力影響，西北緣早期沉積地層反轉，早期形成的近岸水下扇體幾何形態遭到嚴重破壞，但是其沉積厚度從盆緣向盆內推進逐漸減薄的變化規律并沒有改變。因此，建立一種楔狀模型(圖1)，這種模型在地震響應頻率特征上，對于地下地層而言，隨其厚度的增加，地震反射振幅逐漸增大，當地層厚度增加至1/4波長時，反射波振幅達到最大值，然后隨地層厚度的增加，反射振幅反而逐漸減小。其厚的部分和薄的部分具有一定的差異，厚部分體現出低頻響應特征，薄部分體現出高頻響應特征。

以波太凹陷西北緣陡坡帶奢嶺組近岸水下扇刻畫為例，從垂直盆地主測線剖面上可以看出(圖2)，從盆地西北緣到盆內扇體的響應特征是主頻呈逐漸升高趨勢，相應的儲層是逐漸減薄的，內扇位置主頻為11 Hz，中扇位置主頻為17 Hz,外扇位置主頻為21 Hz。

利用廣義S變換分頻技術將地震數據剖面分三個頻段顯示(圖3)，圖3中暖色調代表扇體儲層發育區。地震數據為11 Hz單頻體，扇體僅在西北緣有所響應，體現了近岸水下扇內扇厚層地震響應特征；地震數據為17 Hz單頻體，體現了中扇向盆內的推進；地震數據為21 Hz單頻體，整個扇體的輪廓就都顯現出來。值得注意的是，在剖面東南部也具有同樣的地震響應特征，綜合地質認識，考慮這是來自盆地東南緣的一支扇體。

圖1 楔狀模型

圖2 扇體頻譜分析

圖3 地震剖面分頻顯示

廣義S變換分頻技術可以實現扇體儲層的橫向分布預測。通過利用時頻轉換后的頻率域地震數據，用頻率域切片觀察儲層的橫向變化規律，利用地層厚度變化在頻譜上引起的調諧效應反映扇體儲層的橫向展布規律。利用廣義S變換分頻技術，分別提取11 Hz、17 Hz、21 Hz單頻體頻率域切片(圖4(a)、圖4(b)、圖4(c))，再將三個不同頻帶的單頻體所勾勒出的扇體輪廓進行疊合，結合盆地西北緣發育陡坡扇的地質認識，就可以得到扇體的內扇、中扇、外扇三個部分的平面展布規律(圖4(d))。另外，在盆地東南緣緩坡帶三個大型隆起：萬昌構造、搜登站構造、孤店斜坡三個方向物源分別發育三支扇三角洲。從油氣勘探非構造圈閉角度出發，內扇粒度粗，但分選不好、物性差；外扇雖然分選好，但粒度細、泥質含量高，而二者之間的扇中粒度中等且分選好，因此中扇是最有利的勘探區帶。

3 廣義S變換在非常規儲層預測中的應用

3.1 背景

伊通盆地莫里青斷陷在沉積巖地層下部潛山大理巖儲層中通過老井試油獲得了工業油流。這是伊通盆地基巖在繼鹿鄉斷陷、岔路河斷陷獲得發現之后的又一突破，證實了伊通盆地基巖整體具有勘探前景。據已鉆井揭示，莫里青斷陷大部分基底都是以花崗巖為主，僅有尖山隆起部分揭示大理巖潛山，零星探井在大理巖之上揭示千枚巖。

3.2 大理巖儲層特征

大理巖的原巖是灰巖，花崗巖是巖漿在地下深處經冷凝而形成的深成酸性火成巖，在花崗巖侵入過程中，碳酸鹽巖經熱變質作用重結晶形成顆粒較大的大理巖，碳酸鹽的這種變質過程稱之為大理巖化。據朱亞東等[6]研究發現，大理巖化特征隨碳酸鹽巖距離巖漿侵入體的遠近不同呈現出規律性的變化(圖5),距離侵入巖體越近，大理巖化程度越高，顆粒越粗；而隨著距離的增加，大理巖化程度逐漸降低，并逐漸消失。灰巖發生大理巖化作用之后，顆粒變大，顆粒的分選性變好，對儲層孔隙結構的改變有一定意義。大理巖化作用改變了原來碳酸鹽巖的巖石結構和孔隙結構，并同時加劇了微裂縫發育程度。發育在莫里青斷陷基巖下部的古海盆長期抬升遭受風化淋濾作用，大理巖較后期侵入的花崗巖易于風化，在特定的條件下可以形成大理巖型油氣儲層。

圖4 利用廣義S變換分頻技術刻畫扇體流程圖

圖5 大理巖化作用 [6]

圖6 變質巖與花崗巖響應頻率的差異

3.3 伊通盆地巖漿侵入及基底形成過程

朱如凱等[7-8]認為，早期郯廬斷裂的吉林省境內部分，石炭至中二疊紀，伊通盆地與松遼盆地為一體，以海相沉積為主，碳酸巖發育，統稱為松遼海盆；晚三疊紀—中侏羅紀，郯廬斷裂處于活動萌芽狀態[9],該時期伊通盆地處于大規模侵入階段，侵入巖在石炭—二疊紀地層中形成巖床，上覆于早期石炭—二疊紀潛山低斜坡部位，潛山內部的碳酸鹽巖經熱變質作用形成大理巖和泥巖經熱變質作用形成千枚巖正是形成于這一時期。已鉆井揭示的花崗巖、大理巖—花崗巖和大理巖—千枚巖—花崗巖巖性順序證實了以上侵入過程；侏羅紀末期—白堊紀早期，松遼盆地開始接受斷陷期沉積[6]，而此時郯廬斷裂仍沒有被拉開，伊通盆地處于剝蝕狀態，僅在盆地兩側局部沉積了少量白堊紀地層，依照花崗巖—大理巖—千枚巖抗風化能力依次減弱的順序剝蝕，形成了現今基底的巖性格局；松遼盆地進入坳陷沉積時期，伊通盆地開始形成，接受新生界沉積，在其后的演化過程中，基底構造有所變化，但基底巖性特征及接觸關系沒有發生變化[10]。

3.4 大理巖地震頻率響應特征及平面展布預測

由上述伊通盆地基底形成及巖漿侵入過程可以判斷，伊通盆地基底主要是由變質巖潛山、花崗巖及盆地兩側殘余白堊紀沉積地層三部分組成。變質巖潛山相對于盆地兩側殘余的白堊紀地層沉積時期較早，多期構造運動及熱變質作用導致內幕地層破碎。從圖6地震剖面上可以看出，鉆遇變質巖探井主要位于潛山構造高部位，地震反射特征為高頻、不連續、與上覆地層呈角度不整合接觸，鉆遇花崗巖探井主要位于潛山翼部及低洼部位，地震反射特征為低頻、連續、與上覆地層呈平行不整合接觸。經統計，鉆井揭示變質巖主頻范圍一般在20 Hz～40 Hz，而花崗巖主頻范圍一般在12 Hz左右，因此可以利用兩種巖性在地震資料主頻上的差異將二者加以區分。在平面分布上，基于廣義S變換提取的45 Hz單頻體振幅屬性可以清楚的刻畫出變質巖的邊界范圍(圖7)。變質巖主要分布在尖山隆起及其向盆內傾末的部位，呈南北向展布，花崗巖則環變質巖大面積分布，經探井Y57井和Y34井鋯石巖石年齡鑒定，侵入期為燕山期。值得注意的是，變質巖區內有一小巖漿房，經探井Y13鋯石巖石年齡鑒定，侵入期為海西期，據此也可以推斷尖山隆起形成時期早于盆地形成期，為古隆起。

圖7 尖山隆起區基巖45 Hz單頻體振幅屬性圖

圖8 大理巖與千枚巖振幅的差異

圖9 變質巖區振幅屬性圖

本區變質巖包括大理巖和千枚巖，大理巖為儲層，千枚巖為覆于大理巖之上的殘留蓋層。從圖8可以看出：大理巖振幅值在260～510之間，而千枚巖在80～210之間，兩者的地震振幅值存在較大的差異，因此在變質巖區通過振幅屬性可以定性描述大理巖的分布。利用振幅屬性對變質巖區巖性進行預測，從圖9可以看出，暖色調區為大理巖發育區，冷色調區為千枚巖發育區。

4 結論

1)通過利用廣義S變換分頻技術，在伊通盆地波太凹陷充分利用地震資料的頻帶信息，分低、中、高三個頻段提取單頻地震數據體，可以在縱向和橫向上刻畫近岸水下扇體各亞相展布規模，識別了中扇這一儲層甜點發育區。

2)在伊通盆地基巖段大理巖非常規儲層預測方面，通過分析變質巖與侵入巖頻率響應差異，大理巖與千枚巖振幅響應差異，利用廣義S變換分頻技術，將大理巖儲層分布規律刻畫出來。