梯度结构张量分析法在三维地震资料河道砂体预测中的应用

李一 钟广法 宋继胜 王萍 吴晓华

1.同济大学海洋地质国家重点实验室 2.川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司

梯度结构张量分析法在三维地震资料河道砂体预测中的应用

李一1钟广法1宋继胜2王萍2吴晓华2

1.同济大学海洋地质国家重点实验室 2.川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司

梯度结构张量分析是近年来引入地震解释领域的一种新的属性分析方法,可用于识别地震数据体中的具有不同纹理特征的沉积地貌单元。在地震剖面上,河道沉积充填模式主要有上超充填、侧向加积、复合充填及杂乱和无反射充填等类型;从图像纹理角度来看,前3种表现为弯曲层状纹理,后2种则为杂乱纹理。以四川盆地北部X地区下侏罗统河流相储层为例,对三维地震数据体开展梯度结构张量分析,提取反映河道纹理特征的各向异性参数,通过地层切片刻画河道地貌单元的形态和空间展布特征,取得了满意效果。与常规方法提取的相干及几何属性比较,该方法的抗噪性更好,对河道等沉积地貌单元的反映更为灵敏。

三维地震 梯度结构张量 河流相 储集层 纹理 四川盆地 北 抗噪性 地貌单元

河道砂体是重要的油气储层类型之一。前人对于河道储层的地震识别进行了大量的研究,主要有地震相分析和地震属性提取等方法,并取得一定的效果[1-5]。结构张量分析是近年来从图像处理领域[3]引入到地震解释中的一种新的属性分析方法。其实质是将地震数据视为图像,通过识别地震图像中的不同纹理单元(如层状纹理、杂乱纹理等),实现地质目标体的自动探测。“结构张量”的概念由 Knutsson[3]提出,已成功应用于不同目标体或纹理单元的检测[4]。在地震解释领域,Bakker[5]、Randen等[6]分别提出了基于梯度结构张量的各向异性参数与混沌属性,主要用于断层的识别;张军华等[7]对梯度结构张量分析方法的抗噪性进行了分析。笔者以四川盆地北部X地区下侏罗统为例,探讨三维地震梯度结构张量分析方法在河道储层识别和预测中的应用。

1 方法原理

1.1 梯度结构张量的建立

三维地震图像的方差 E(x,y,z)定义为:

式中 I(x,y,x)为三维地震振幅函数,x、y、z分别为三维地震体素的线、道位置及双程旅行时间;w(x,y,x)为高斯窗函数。

给定一微小位移(Δx,Δy,Δz),将属性函数 I按Taylo r序列展开,得到其一阶近似,整理得:

式中 Ix、Iy、Iz分别为沿 x、y、z方向属性函数 I的一阶偏导数。

式(2)两侧平方并经整理得:

式(3)右端第二项即为结构张量,其计算方法如下[4-5]。

1)建立三维地震振幅梯度场 g=¤I,即

式中 X=(x,y,z);g为振幅梯度场;gx、gy、gz分别为沿x、y、z方向的方向导数;Æ为卷积运算符号;G为高斯核函数。

2)计算梯度结构张量 T,即

求取梯度结构张量与高斯核函数的卷积,得到区域平均梯度结构张量?T:

求取平均梯度结构张量的意义在于以下两方面:①用平均梯度结构张量表征一定区域内的纹理特征;②用于压制由于噪音引起的结构张量的突变。

1.2 河道地震反射纹理的定量识别

地震反射图像的纹理可以划分为层状和非层状两大基本类型。层状纹理可以进一步划分为平行层状纹理和弯曲层状纹理;非层状纹理主要表现为杂乱反射或无反射结构。

河道是一种典型的负地貌单元,在地震剖面上通常表现为下凹状反射形态。在地震分辨率尺度下,河道的沉积充填模式主要表现为以下4种类型[8]:上超充填型、侧向加积型、复合充填型及杂乱或无反射充填型(图1)。其中,上超充填、侧向加积或复合充填型河道多表现为弯曲层状纹理,而杂乱或无反射充填型河道则具有杂乱纹理特点。

图1 河道充填体的地震反射纹理特征图(据本文参考文献[8]修改)

对于平均梯度结构张量?T及其特征值λ满足如下关系式:

对于平行层状纹理,平均梯度结构张量等于区域内任意点的梯度结构张量,式(7)可简化为:

图2 典型纹理单元及其对应的梯度结构张量特征向量图

对于非层状杂乱纹理单元,由式(7)可得一元三次方程:

由于矩阵 T为实对称矩阵,满足λ1≥λ2≥λ3>0。由实对称矩阵的性质可知,三个特征向量?v1,?v2,?v3两两正交(图2-d)。图中红色箭头表示第一特征向量,蓝色箭头表示第二特征向量。

对于弯曲层状纹理单元,满足λ1≥λ2>λ3=0,且λ1对应的两个特征向量分别于λ2正交。

因此,根据上述3个特征值的相对大小的关系可以识别或区分图像纹理单元的类型。Bakker提出的“各向异性参数(C)”[5]可以作为识别河道沉积体的定量指标:

实际陆相地震资料中,大型的具有杂乱纹理结构单元的河道并不常见,多数河道表现为弯曲层状纹理。因此较高的C参数值可以作为河道单元地震识别的指标。

图3 地震解释图

2 应用实例与结果讨论

笔者选取的三维地震试验区位于四川盆地北部,面积约75 km2,地震面元大小为25×25 m,采样间隔2m s,资料品质较好。研究目的层为侏罗纪陆相地层。所用叠加偏移数据体在目的层段的主频约65 Hz,按照目的层段河道砂体平均层速度4 500 m/s推算,目标层段的调谐厚度约为17.3 m,满足河道等特殊岩性储集体地震识别的条件。

定性地震相分析表明,本区河道沉积较发育,河道规模较小,其地震反射特征表现为下凹状强反射,具有弯曲层状纹理特点(图3-a、3-b)。

首先求得各向异性参数数据体。图3-c为AA′的各向异性参数剖面,通过定性分析可以发现该各向异性参数能够较好地区分出地震图像的不同纹理。该参数的中—高值区(红黄绿色)与发育弯曲纹理特征的河道相相对应;低值区对应于以平行纹理为特点的非河道相地层。所以,可以通过设定一定的阈值,各向异性参数可以用于区分河道相与非河道相地层。阈值的取法可以通过预测结果与实际地震剖面的精细对比确定。需要说明的是,由断层引起的地层弯曲变形通常也表现为弯曲纹理特点,其各向异性参数亦较高(图3-d),所以断层和河道具有相似的高各向异性参数值的特点。所幸,断层在各向异性参数剖面上一般表现为垂向线性特征,河道则表现为斑状特点,二者容易区分(图3-d)。

为了评价该方法在河道表征中的应用效果,计算了该工区的相干和倾角属性数据体,然后沿目的层提取地层属性切片(图3-b中黄色层位),并与本方法所得结果进行对比(图4)。由图4可知,在传统的相干和倾角切片上,只能隐约看到一条曲流河道,河道的展布范围难以精确界定。而在各向异性参数切片中,河道变得非常清晰。此外,位于工区东南部的一条半圆状废弃河道(红色圆圈标识)在相干和倾角属性上表现模糊,但在各向异性参数切片上表现清晰,可见本方法对于河流沉积单元更为敏感,能很好地将整个河道体从背景噪音中分离出来。

图4 沿层属性切片图

3 结论

基于梯度结构张量分析的各向异性参数为河流相储层的定性预测、定量识别甚至是精细刻画提供一种新的途径。该方法与传统的相干等地震属性相比,其抗噪性更好,因而对河道等沉积地貌单元反映更为灵敏。应用于四川盆地北部早侏罗世陆相地层,取得了良好的效果。该方法成功运用的前提在于,目标沉积地貌单元须具有区别于背景沉积的纹理特征。考虑到实际资料中河道储层纹理的多样性和复杂性。因此笔者所用的方法及指标参数尚有一定的改进空间。

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Application of the gradien t structure tensor analysismethod to the prediction of channel sand from 3D seism ic data

Li Yi1,Zhong Guangfa1,Song Jisheng2,Wang Ping2,Wu Xiaohua2
(1.State Key Laboratory of M arine Geology,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Geophysical Exp loration Com pany,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610213, China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 3,pp.44-47,3/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Gradient structure tenso r analysis is a new seismic attribute analysismethod introduced into seismic interp retation in recent years.It can be used to identify sedimentary topographic units w ith different lamination features in seismic data volume.On seismic p rofile,channel fill patternsmainly include onlap fill,lateral aggradations,composite fill,and fills in chaotic and blanket reflection. As to lamination on images,the former 3 types of fills show curved layered lamination,w hile the later 2 types of fills show chaotic lamination.Through a case study of the Lower Jurassic reservoir of fluvial facies in the northern Sichuan Basin,gradient structure tenso r analysis is perfo rmed on 3D seismic data to obtain the anisotropy parameters reflecting the lamination features of channel deposits.The strata slice isadop ted to describe the geomo rphic unit and spatial distribution of the channelsw ith satisfacto ry results.In comparison w ith the conventionalmethods for obtaining coherent and geometry attributes,thismethod has a strong noise-p roof ability and ismo re sensitive to sedimentary topographic units such as channels.

3D seismic,gradient structure tensor,fluvial facies,reservoir,lamination,Sichuan Basin,north,noise-p roof ability, geomo rphic unit

李一,1986年生,硕士研究生;主要从事地震解释和储层地球物理研究工作。地址:(200092)上海市四平路1239号。电话:13524686035。E-mail:liyi125305@gmail.com

李一等.梯度结构张量分析法在三维地震资料河道砂体预测中的应用.天然气工业,2011,31(3):44-47.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.011

2010-01-14 编辑 韩晓渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.011

L i Yi,bo rn in 1986,is studying for an M.Sc.degree,being mainly engaged in seismic data interp retation and reservoir geophysical research.

Add:No.1239,Siping Rd.,Shanghai 200092,P.R.China

Mobile:+86-13524686035 E-mail:liyi125305@gmail.com