RGB分频技术在断块油藏断层识别中的应用

2015-06-07陈国飞吕双兵

复杂油气藏 2015年2期

陈国飞，吕双兵

(中国石油大庆油田勘探开发研究院海塔开发研究室，黑龙江大庆 163712)

复杂断块油藏地质特征复杂，主要表现在:①多物源、相变快、地层剥蚀、超覆严重;②断层多、断块小、构造破碎;③岩性复杂、油水层测井响应差、油水分布复杂［1－2］。由于地质条件复杂，油田开发越深入，目标越隐蔽，调整挖潜难度越大。断层的精细识别与刻画是影响此类复杂断块油藏开发调整的关键所在。在断层认识方面，断层组合样式多，各级、各期断层主次关系、搭接关系确定难;破碎带、陡坡带断层和小断层刻画识别精度低。如何充分利用现有的地震资料，提高地震刻画断层能力，是利用开发地震技术重构复杂断块油藏地下构造认识体系亟待解决的问题。

随着谱分解算法的不断发展与完善，三色混相分频技术在地震储层预测中的应用日趋成熟和有效。该技术是一项针对非连续地层或地质体进行成像检测的地球物理技术，可以突破地震分辨率1/4波长限制，提高常规地震技术手段对砂体的识别与刻画精度，进而协助地质家描述储层沉积相带的空间演变模式［3］。一直以来，该技术主要应用于对常规地震数据无法刻画的各种隐蔽沉积现象进行定性或定量识别描述，而对断裂体系刻画应用较少。针对目前复杂断块油藏开发中对断层识别存在的难点和问题，作者尝试了将三色混相分频技术应用于贝中油田复杂断块油藏的断裂体系描述，对原始地震数据体应用S连续小波变换(简称S变换)进行分频处理，优选低、中、高三套单频数据体进行RGB混合显示，在断层刻画方面取得了良好效果。

1 RGB分频技术

该技术利用时频变换算法对原始地震数据体进行分频处理，得到一系列单频数据体，优选互不重叠的三套频段(一般为低、中和高频段)进行RGB模式混合显示，在形成的具有通频信息的色彩数据体开展地质分析，其集成了分频和RGB显示两项技术，核心为分频技术，辅助为RGB显示技术。

1.1 分频技术及其原理

对于地震信号而言，时间域信息可以转化到频率域中。1807年法国数学家Fourier提出任何分段连续的周期信号，可以表示为一系列的正弦或余弦函数和的形式，即经典的傅里叶变换理论［4］。该理论被借鉴到地震信号分析领域，形成分频(谱分解)技术把时间域三维地震数据分解成若干频率域调谐体，特定的频谱调谐体能够刻画和表征特定的地质体，为科学理解、认识、复原地下真实地质情况提供依据。三维地震信息为频率随时间变化而变化的非平稳信号，经典傅里叶变换满足不了此类信号的时间分辨率要求。为了解决分辨率问题，Gabor于1946年提出了短时傅里叶变换方法［5］，分时窗对原始信号进行傅里叶变换，但对于三维地震数据而言，存在的典型问题是时窗难以适应地层厚度的横向变化。因此，在基于窗口傅氏变换算法基础上，1947年Wille将Wigner－Ville分布引入到信号处理领域［6］，发展成为具有代表性的时频分析技术。Burg于1967年将熵的概念引入到谱分析中，提出了最大熵法［7］。1982 年，Morlet等提出了连续小波变换［8］，该变换使信号时频摆脱时窗限制。1993年Mallat等提出了匹配追踪谱分解(MPD)方法［9］。1992年，Charles.K.C等提出将小波变化应用于地震分频中［10］，此后Stockwell等1996年提出了 S变换、广义S变换［11］。为了突破传统变换和小波变换尺度参数控制的局限，2003年Burnett等发展了非正交小波变换［12］，为目前最为广泛应用的算法。

由于复杂断块油藏本身地质条件复杂，采集地震资料分辨率和信噪比低，因此要求地震信号从时间域转换到频率域的过程中，没有任何信息损失，保证分频信息的真实可靠。S变换是短时傅里叶变换与连续小波变换的结合，通过S转换可以同时从时域以及频域观察一个信号的能量分布，观察信号的特征，不会丢失任何信息［13］。S变换以时间和频率为变量来描述信号的能量密度或信号强度，在保持了Fourier谱直接关系的同时提供了与频谱有关的分辨率，其计算公式为:

式中:S(τ，f)为复合时频谱，Hz;s(t)为输入地震道;f为频率，Hz;t为时间，ms;τ为时间轴上高斯窗口的中心位置，ms。

S变换得到信号的局部谱，对局部谱沿时间进行积分可以得到信号的Fourier变换谱，即:

式中:W(f)为信号s(t)的Fourier变换谱，Hz;信号的时频谱 S(π，f)经反 S变换可得到信号s(t):

S变换为线性变换，不存在交叉项;同时该变换过程中，频率倒数决定了高斯窗口的大小，因此既综合了短时窗傅里叶变换时频分辨率高的优点，又综合了小波变换的高分辨率特性。

1.2 RGB显示技术

自然界中的可见光可由三基色，即红(R)、绿(G)、蓝(B)按照不同的比例合成产生，其颜色空间如图1所示，每一个颜色按其亮度的不同分为256个等级，参数的取值范围是0～255。所以，红、绿、蓝分量全部组合起来共可以呈现2563种不同的颜色。在RGB颜色空间，三种基色按不同比例合成，形成各种不同的色彩感觉，称为三基色(RGB)模式。合成彩色的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和;而三基色的比例决定了混合色的色调和色饱和度;三种基色相互独立，任何一种基色都不能由另外两种基色混合产生［14］。

将RGB模式引入到地震分频属性中，利用RGB三原色来映射不同频率所代表的不同地震属性，融合在一张地震剖面图上，即为三色混相分频技术。对地震数据进行频谱分解后，得到一系列离散的具有一定宽度通频带的单频数据。一般情况下，在事先对原始数据体进行频谱分析后，确定原始数据体的主频作为中频，然后是向低频部分为低频信息，向高频部分为高频信息。通过优选选择三个互不重叠的低、中、高频的通频带，计算每个频带内振幅的平均值，得到对应于低、中、高频的三个特征，将它们分别对应红、绿、蓝三原色，按RGB模式进行合成，合成数据体的每个采样点对应一种合成颜色，就得到地下介质特征分布的彩色剖面图。

图1 RGB色彩空间

图2 中，a是一道地震数据;b是a的时频分布图;c是由RGB基函数利用最小二乘法去逼近b中时频分布的结果;d是用图c中三个RGB基函数的关系显示而成的RGB图。

图2 一道地震数据的RGB绘图

在RGB属性剖面图上，可以分析红、绿、蓝所表示的不同地质属性的共性、差异性。对于细分到小层级的地层体而言，宏观平面非均质特征表现在两个方面:一个是砂体边界，即岩性突变部位;一个是断层平面延伸。上述两种情况的平面特征，利用地震分频处理后优选的低、中、高频段调谐体进行RGB模式混合，得到的色彩数据体均能表现出与围岩差异明显的色彩特征。对地层体三色混相分频属性的平面特征进行分析，如具有一定宽度呈条带状、放射状分布的部位，可能为特殊地质体(如河道砂体或扇体)，呈线状、窄条带状分布部位可能为断层特征。

2 应用实例

海塔盆地贝中地区位于盆地中南部，自上而下分别发育第四系、第三系呼查山组、上白垩统青元岗组、下白垩统伊敏组、大磨拐河组、南屯组、铜钵庙组及三叠系布达特群，其中南屯组一、二段是本区含油气目的层。纵向上明显分为两套断裂系统，以南一段顶反射层为界，下部为早期断裂系统，断层以近南北向和北东向为主，控制地层沉积;上部为晚期断裂系统，断层以北西向、近南北向为主，控制局部构造发育。目的层段四面基岩凸起，断陷沉积特征明显，断裂非常发育，经历多次构造运动。贝中油田自2006年投入开发以来，目前已有完钻井495口，钻井资料显示该区钻遇断点较多，井上断点组合率低，地震反射小断层波组特征不明显，导致地震解释精度低。小断层的精细刻画不力影响进一步深度挖潜，为此首次应用三色混相分频技术对该区进行断裂体系再识别。

本区地震资料为叠前深度偏移处理资料，主频35 Hz左右，频带宽度15～70 Hz。针对深度范围在1 400～3 400 m之间，时间范围在1 000～2 000 ms之间的目的层段(南一段油组)，常规地震剖面解释仅仅能识别出断距大于15 m以上断层，满足不了小断层识别精度要求。

对原始三维数据体采用S变换方法进行分频处理，分解频段从10 ～100 Hz，间隔5 Hz，得到19套单频数据体。以原始地震资料主频35 Hz为标准，中频段数据体选择与主频相近的35 Hz单频数据体，以保证原始地震资料的信噪比和保真度;低频段数据体的选择以能够清晰描述大套断裂体系为标准，优选15 Hz的单频数据体;高频段数据体以突出描述断裂细节为目的，通过对40～100 Hz之间的单频数据体分别制作切片，对比描述断层的细致程度，确定选择50 Hz单频数据体，图3为南一段顶地层的15 Hz、35 Hz和50 Hz地层切片。最后利用筛选的15 Hz、35 Hz和50 Hz三套频率调谐数据体进行RGB模式混合，图4中b为南一段顶三色混相分频属性切片图，a为相干体切片属性图，两图中粉色虚线右侧为陡坡带。通过对比不难发现相干体切片上看不见的断层信息，分频RGB属性图上能够清晰展示出来，而且分辨率高。右侧陡坡带利用相干体切片展示的断层破碎混杂，不能用于指导断层精细解释与识别，而分频RGB属性图则清晰地展示了断裂规律，断层识别效果大大提高;左侧缓坡带红色箭头所指部位为本区大断裂，从两种属性图对比看，还是分频RGB属性所展示的断裂平面分布规律更清晰;从小断层的刻画细节看，图4b白圈内分频RGB属性刻画的小断层比相干体切片刻画精度有实质性提高，同时，小断层平面上呈“右行雁列”排布的规律性也得以显示，据此判断本区断裂系统并非是在简单拉张作用下形成的，应该为走滑拉分作用下形成的。

图3 贝中油田南一段顶15 Hz、35 Hz、50 Hz单频调谐体切片

图4 贝中油田南一段顶相干体属性切片与分频RGB对比

对比断裂系统的新老解释结果，总体构造格局一致，盆地主沉积区分布在两侧边界断层所控制的凹陷内，存在南北、北东和北东东走向三组断裂。区别在断层数量和形态变化上，研究区原认识断层47条，利用三色混相分频技术重新解释后，重新落实断层共58条(图5)。在断层数量变化上，新发现断层8条，分叉合并断层22条，核销断层9条;在断层形态变化上，延伸长度变化3条，位移变化11条，切割关系变化21条。该区研究范围内共168口井，目的层段共钻遇断点53个，断点最小断距3.5 m。其中断距大于15 m断点27个，与新解释成果吻合率达到100%;断距小于15 m断点26个，原解释成果与之吻合的断点6个，新解释成果与之吻合的断点20个，吻合率达到77%。

图5 贝中油田南一段顶新老解释断层对比

图6 X43－55井区小断层解释

三色混相分频技术对断距小于15 m以下小断层的识别精度得到增强，并在平面上精确地刻画了其摆动形态。在过X43－55井地震剖面上，南一段一油组内部地震反射同相轴有轻微扭动，有断层迹象。但在断层手工解释过程中，此过井地震剖面向前和向后的地震剖面中，这种同相轴的扭动消失，同时依据常规相干属性断层平面显示也不清楚，这种情况下就不进行断层解释。此次进行构造重新落实，结合三色混相分频属性切片看，过X43－55井附近的平面上有一条呈北北西走向的断层 (图6a)，断层显示十分清楚，进一步配合地震剖面放大解释，完全可以将该断层清晰刻画出来 (图6b)。进一步将 X43－55井与邻井X45－55井进行了精细对比，在X43－55井南一段零油组底部对比出一个断距5.2 m的断点，与地震解释相吻合。