袁志云-频谱分解技术在储层预测中的应用

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1、 2006年9月 石油地球物理勘探 第41卷 增刊 3 北京市海淀区北京大学地空学院,100871 本文于2005年10月25日收到。 频谱分解技术在储层预测中的应用 袁志云 3 孔令洪 王成林 ( 北京大学地空学院; 中国石油勘探开发研究院; 中国石油大学 北京) 摘 要 袁志云,孔令洪,王成林.频谱分解技术在储层预测中的应用.石油地球物理勘探,2006 ,41(增刊 ) :11 15 频谱分解成像反映油藏物理属性要比其他地震属性更加直接。本文根据频谱分解技术的基本原理,进行 了断裂系统识别、 沉积环境分析和储层横向预测。其具体思路为:首先基于地震叠后数据体完成了研究区主要 目的层的频谱分解

2、处理,得到了一系列离散频率的调谐数据体,然后采用地质成像和动画解释技术,识别断裂 体系、 沉积环境、 储层分布等地质现象。应用实例表明,在识别断裂系统时,不仅能指导剖面的断层解释和平面 组合,而且可以精细断层解释;在进行沉积环境分析时,不仅可以确定沉积相类型,而且可以确定沉积相的形 态;在进行储层预测时可同时确定砂体的展布和厚度。 关键词 频谱分解 调谐体 傅氏变换 短时窗 储层预测 1 引言 频谱分解技术是一种频率域的解释方法,是地 震属性分析中的重要组成部分。国内关于这方面的 研究可追溯到20世纪90年代初1,早期的研究主 要是沿地震反射层位方向进行频谱分析,用频率随 时间的变化关系来研究

3、薄层结构、 判断沉积环境。 到目前为止,用频率信息来研究储层仍然是地质、 地 球物理工作者关注的焦点2。由于受短时窗傅氏变 换的影响3,以及研究结果受显示方式的限制,影响 了该方法在储层研究中的推广应用。 由Lopez等人于1997年提出的地震频谱分解 技术4 ,5是在短时窗内通过频谱分解研究薄层变化 和地质体的不连续性的方法,是最新发展起来适用 于三维地震解释和进行储层预测研究的地震属性解 释新技术。地震数据体经分频处理后的解释分辨率 高于常规地震主频所能达到的分辨能力,该方法一 经推出便引起人们的极大兴趣。该技术可提取尼奎 斯特频率范围内所有离散频率对应的调谐振幅,实现 了以交互、 动态方

4、式研究薄层在横向上的连续变化, 在识别构造断裂系统、 确定油藏边界和储层预测等方 面比传统的地震属性研究方法具有优势。本文利用 频谱分解技术结合研究区实际情况,给出了在断层识 别、 沉积环境分析和储层预测三个方面的应用。 2 方法原理 对地震数据的分析过程,传统频谱分析方法与 频谱分解技术的主要差别之一是数据分析时窗的 长短。 传统频谱分析方法要求信号在 ( - , +)上 取值,因此对采用长时窗进行数据分析而言(一般大 于100ms) ,傅氏变换所带来的误差很小,可以获得 较为理想的效果。但反射系数序列和噪声都呈随机 分布,因此其频谱具有白噪的特点(为常数 ) , 而地震 数据频谱的形态则由

5、子波的形态决定,为梯形5 ,6, 因而长时窗频谱分解无法得到薄层的反射信息。 采用短时窗(小于60ms)对数据进行分析时,由 于时窗短,可供分析的数据量小,无法满足傅氏变换 条件的要求,所以频谱分析结果会产生较大的误差, 导致分析结果失真7。由于短时窗范围内反射系数 只包括几个薄层反射界面,这时反射系数序列不再 是随机的,其频谱也不呈白噪的特点,这些代表薄层 12 石 油 地 球 物 理 勘 探2006年 顶、 底反射界面的反射系数的干涉结果在振幅谱中 出现了频陷,这正是频谱分解技术解决薄层问题的 突破口(图 1) 。 图1 短时窗频谱分解及褶积模型5 ,6 为了增加短时窗内DFT算法的稳定性

6、,在短时 窗频谱分解计算过程中采用加时窗镶边斜坡的方 法8,不但可以压制由于时窗截断而产生的假高频 成分(这对振幅谱计算效果影响很明显 ) , 还可以起 到提高计算时窗精度的作用。由于分频处理后的每 个单一频率对应的振幅都是调谐振幅,地层的时间 厚度可根据Rayleigh准则9导出。 频谱分解技术主要生成两种类型的数据体:调 谐数据体和离散频率能量数据体。 2. 1 调谐数据体 目的层调谐数据体是频谱分解技术表征储层的 方法之一。所谓调谐数据体是沿层或对两层之间进 行短时窗离散傅氏变换,生成在垂向上频率连续变 化的振幅数据体。它表示在相同的研究时窗内,调 谐数据体在垂向上为连续变化的频率,在平

7、面上为 单一频率对应的经归一化之后的调谐振幅,这样就 得到了同一短时窗内(对应某一目的层段)不同频率 的调谐振幅的平面图集。而传统属性分析方法通常 只能得到主频率对应的地震属性。 调谐数据体的实现过程如图2所示。首先,对 时间域地震数据体中的目的层进行解释,然后在包 含目的层段的短时窗内把时间域数据转换到频率 域,转换后形成的目的层谐振体可以在平面(普通频 率切片)和剖面上进行观察分析。频率切片允许解 释员在平面上观测薄层干涉模式,捕捉到指示地质 过程的纹理和模式的信息。振幅谱/相位谱与频率 表现/调谐的关系通过整个频率范围(即通过所有频 率切片)的动画显示来表达。 调谐数据体中包含了三个分量

8、:薄层干涉、 子波 重叠及噪声。因为地质响应是解释员最感兴趣的分 量,所以需要在不降低地质信息品质情况下对子波 进行平衡处理。经过白化处理减小子波的影响后, 调谐数据体保留了两个分量:薄层干涉和噪声。 图2 调谐数据体的处理流程5 ,6 2. 2 离散频率能量数据体 调谐数据体强调了局部目标尺度的调谐问题, 而对较大尺度的地震数据体要求采用不同的方法。 对于超过单个反射组成目标的谱分解,建议使用 “离 散频率能量数据体” 或 “4D时间 频率数据体” 。 离散频率能量体是频谱分解技术表征储层特征 的另一种方法,它是沿短滑动时窗生成一系列离散 频率的调谐振幅数据。与调谐数据体的区别在于该 数据体

9、在垂向上与常规数据体相同均为时间,但每 个生成的数据体中只包含单一的频率成分,这种频 率分析方法既可采用等时窗分析的方法避开层位的 控制和影响,也可用沿层位滑动时窗的方法进行计 算,以消除构造形态对解释带来的影响。通常,在用 目的层谐振体进行目的层段检测之后,再使用离散 频率能量体进行目的层段之外的储层预测。它是以 一个地震数据作为输入,输出多个离散的频率和相 位体,通过在滑动时窗内进行谱分析,对地震数据体 内的每个样点都计算振幅谱和相位谱,然后所有的 频谱成分重新排列成一系列的同频率时间数据体 (图 3) 。 对于4D时间 频率数据体,频谱分解同样是 用滑动时窗方法计算,但其数据是按相同样本

10、重新 组 织(图 4) 。 这种数据体允许解释员使用传统解释 第41卷 增刊 袁志云等:频谱分解技术在储层预测中的应用 13 图3 离散频率能量体的处理过程5 ,6 图4 4D时间 频率数据体的处理过程5 ,6 工作站软件浏览任何频率的任何深度切片,其输出 数据是输入数据的很多倍,但允许解释员在(x , y , t, f ) 空间浏览和可视化数据。 3 应用实例 3. 1 研究区概况 A区属逆牵引背斜,是一个受构造和岩性共同 控制、 边底水活跃的中型油气田。目的层从下至上 可分为八个油层,属陆相沉积的砂泥岩组合,埋藏较 深、 连续性较差、 岩石物性各向异性特征明显。其中 第6 ,7号砂层组是本

11、次研究的重点。研究目的就是 要查清主要目的层的砂体分布、 相互关系和储集物 性。目前研究区内已打探井7口,开发井(兼评价 井 )18 口,三维地震数据体是1994年采用一步法偏 移连片处理后的成果数据,地震工区面积约为 40km2,面元为25m12. 5m。 3. 2 频谱分解处理及效果分析 通过频谱分解技术对该区主要目的层原始叠偏 数据体进行全频段扫描,得到了一系列离散频率的 调谐振幅数据体。用这些不同频率的调谐振幅变化 来研究储层的横向变化特征,可得到比常规地震属 性研究方法更高的解释分辨率和清晰的成像,有利 于开展断裂系统分析和储层横向预测的研究。 3. 2. 1 在断裂系统研究方面的应

12、用 图5是第7号油层组调谐振幅的频率切片(频 图5 (a)第7号油层组调谐振幅频率切片(频率= 60Hz) ;(b)在(a)上叠加先前构造解释的断层平面组合 14 石 油 地 球 物 理 勘 探2006年 率= 60Hz) ,其中图5b是在图5a上叠加了先前构 造解释的断层平面组合(图中黑色断层多边形所 示)。图5a中条带状的振幅异常清晰地勾画出了断 层的位置及走向。从图5b中可看出振幅异常指示 的断层位置与先前构造解释的断层十分吻合,这说 明利用频谱分解成像方法研究断层是可行的,研究 结果也是可靠的。总体来说,频谱分解技术在断裂 系统研究方面有如下应用。 (1)指导断层的剖面解释和平面组合

13、当剖面 上断点模糊时,可根据频率切片上条带状振幅异常 的位置确定剖面上的断点位置和断层走向。频率切 片上条带状振幅异常的形态与平面上组合后的断层 多边形应该是吻合的,因此在平面上组合断层时可 参考频率切片上条带状振幅异常的形态。 (2)验证先前断层解释的正确性 如果平面断层 组合与频率切片上条带状振幅异常的形态不一致,则 可断定剖面上断点的解释有误或平面组合有误。 (3)在频率切片上还可发现一些先前构造解释 遗漏的小断层,指导断层的精细解释。 3. 2. 2 在沉积环境分析方面的应用 调谐数据体的频率切片捕捉到的内部调谐细 节,要比常规全频带的振幅和相位谱更能有效地展 示不同的沉积特征。图6是

14、该区第6号油层组的频 谱分解频率切片(频率= 55Hz) ,从前人的研究成 果10来看,第6号油层组属于河流相沉积。图中的 低幅值振幅异常清晰地显示出河流相沉积环境,而 且还可进一步确定出它是曲流河沉积。 图6 第6号油层组调谐振幅频率切片(频率= 55Hz) (图中蓝色为低振幅值) 在用频谱分解频率切片分析沉积相时,虽然频 率切片能清晰地显示沉积相的形态特征,但要准确 地确定沉积相还需收集更多的沉积相标志。 3. 2. 3 在砂体展布及砂体厚度分布规律研究方面 的应用 对于不同的频率切片采用地质成像和动画解释 技术可更清晰、 有效地分析砂体的平面分布和厚度变 化特征。为此我们将该区的第7号油

15、层组频谱分解 成以5Hz为间隔,离散化成15 ,20 ,25 ,30Hz 的一系 列频率切片,然后以动画的形式展示不同厚度的砂体 在平面上分布随频率的变化特点,不同频率的振幅图 能反映出不同地层厚度的峰值振幅响应。一般高频 率切片展示的是相对薄砂体的分布,低频率切片展示 的是相对厚砂体的分布1 ,11。 图7 第7号油层组调谐振幅频率切片(频率= 20Hz) 图8 第7号油层组调谐振幅频率切片(频率= 30Hz) 第41卷 增刊 袁志云等:频谱分解技术在储层预测中的应用 15 图9 第7号油层组调谐振幅频率切片(频率= 55Hz) 图10 第7号油层组等厚图 这里抽取其中的20 ,30 ,55

16、Hz三张典型频率切片 (图7图 9) 。在调谐振幅频率切片上,低值区(亮 色)所示的是薄层砂体的分布范围,高值区(暗色)所 示的是厚层的分布范围。随着频率的增加,薄层分布 变广,表现薄层的能力也增强,这一分布特征与反演 和随机模拟的结果(图 10) 非常吻合。图9中低值区 (亮色)所指示的薄层砂体的分布范围与图10所示的 薄层区一致,主要集中在东北角和西南角。 4 结论 本文以某实际研究区为例说明,在三维地震资 料解释和储层预测中,以地震叠后数据体为基础,利 用频谱分解技术得到一系列离散频率的调谐数据 体,然后采用地质成像和动画解释技术,识别断裂体 系、 地层沉积、 储层分布等地质现象是完全可行的。 交叉验证表明,通过频谱分解技术识别和预测 的结果正确、 精度较高。与其他地震属性相比,频谱 分解成像显示的地质现象(如构造、 沉积、 储