地震低频提取技术在含油储层检测中的应用

2019-05-16姜传金张尔华冯德永鞠林波田仁飞薛雅娟

物探化探计算技术 2019年2期

姜传金，李晶，张尔华，冯德永，鞠林波，田仁飞，薛雅娟

(1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，大庆 163712；2.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059；3. 胜利油田分公司物探研究院，东营 257000；4.成都信息工程大学通信工程学院，成都 610225)

0 引言

随着高精度地震技术的进步，地震资料频带得到拓宽，高频信息增多，低频信息也更丰富，但以往的研究应用过程中，更注重高频信息的应用，低频信息以往更多地关注低频谐振、低频伴影等油气检测方面的应用[1-2]。近年来的研究表明，地震反射波的低频成分在油气勘探中极其重要[3-4]，发展了基于改进的广义S变换的低频吸收衰减梯度检测[5]、基于小波变换的吸收衰减梯度检测[6-7]，以及低频能量相对变化率[8]等方法，都取得了较好的效果。低频信号提取的关键是寻找高精度的时频分析方法，而基于经验模态分解的时频分析方法与常规地震信号时频分析方法相比，具有时频分辨率更高和能量聚集性更好的特性[9]。经过EMD分解，原始地震信号可表示为有限多个单频或窄带本征模态函数的和。不同的本征模态函数可以突出体现不同的地质、地层信息，油气信息在某些单个本征模态函数中体现的更清楚。为此，笔者利用基于EMD方法的瞬时谱能量分析技术，提取瞬时地震子波的时变谱。通过含指数衰减函数拟合局部的低频部分，突出于储层含油气有关的低频异常信息，发展基于地震低频信号的能量变化率提取方法。该方法相对传统时频方法，更易于突出一些深埋在宽带地震响应中特定频率范围内的地质和地层信息[10]。

1 地震低频信号能量变化率提取方法

1.1 经验模态分解法

Huang等认为任何信号都是由若干本征模函数(Intrinsic Mode Function，IMF)组成，任何时候，一个信号都可以包含若干个本征模函数，如果本征模函数之间相互重叠，便形成复合信号。EMD分解的目的就是为了获取本征模函数，然后再对各本征模函数进行希尔伯特变换，得到希尔伯特谱。

图1 不同低频拟合方法对比Fig.1 Comparison of different low-frequency fitting methods

图2 基于EMD低频能量变化率算法流程图Fig.2 The workflow of low frequency energy change rate estimation using EMD

Huang认为，一个本征模函数必须满足以下两个条件:

1)在整个数据集中，其极值点个数和过零点的数目相等，或最多相差一个。

2)在任意时间点，由局部极大值构成的上包络和局部极小值构成的下包络的均值必须为零。

因此，一个函数若属于IMF，代表其波形局部对称于零平均值，可以直接使用Hilbert变换求得有意义的瞬时属性。

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

X(t)=C1(t)+C2(t)+…+Cn(t)+rn(t)

(1)

其中：Ci(t)(i=1,…,n)表示第i个IMF分量；rn(t)为余量。IMF分量个数受地震信号和终止的给定限制标准差有关。

1.2 基于EMD的低频能量变化率的算法

1.2.1 算法描述

对各个IMF分量进行希尔伯特谱分析，得到瞬时频率、幅度和相位。通过一系列变换后，则原始地震信号x(t)也可表示为式(2)。

x(t)=c1(t)+c2(t)+…+cn(t)+rn(t)=

(2)

式中：ai(t)为瞬时幅度；φi(t)为瞬时相位。

在EMD和希尔伯特变换联合生成的时频图中，沿着时间点逐道提取频谱，计算其低频的斜率。图1所示为不同拟合方法拟合的斜率示意图。从图1中可以看到，最小二乘拟合法效果最好。

利用图1所示最小二乘拟合法计算得到低频段的斜率后，按照加权平均的方式获得低频能量变化率，具体计算方法如图2所示(图中HT表示希尔伯特变换)。为了借鉴和区别高频衰减梯度的概念，利用地震信号低频段的斜率近似表示低频能量变化率。在具体计算的过程中，低频段的确定是相对的，我们在程序设计中，主要对每道频谱图中对应的最大振幅谱所在频率位置以下定义为低频段地震信号。

1.2.2 模型测试

根据济阳坳陷沾化凹陷实际钻探井的测井数据，建立含油模型(图3)。地质模型中有六个地层,模型参数如表1所示。标记为④的层是含油层，标记为③的层是干层。地震信号采样率为1 ms。模型的含气层厚度为40 m。模型中的速度、密度、厚度等参数主要由测井数据统计；子波频率为40 Hz依据该区三维数据的主频；弥散系数(ξ)、黏滞系数(η)、Q值依据工区岩性特征及前人研究结果给出的等效参数。采用黏滞—弥散波动方程[11]获得地质模型的地震响应如图3(b)所示。

利用图3(b)提到的油气模型进行测试。结果如图4所示。从图4中可以看到，在含油层存在强振幅异常,低频能量变化率检测到了含油储层。

图3 地质模型和地震响应Fig.3 Geological model and seismic response(a)地质模型；(b)地震响应

图4 基于EMD的低频能量变化率剖面Fig.4 Low frequency energy rate profile based on EMD

层号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

图5 过W1、W2、W3连井地震剖面(颜色显示)Fig.5 Seismic profile through W1,W2,W3 well-tie (color display)

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

2 储层地质、地震特征

2.1 储层地质特征

研究区位于济阳坳陷沾化凹陷孤岛凸起西南部，为北断南超的箕状洼陷。含油储层是一套以正旋回为主的河流相沉积，与下伏地层为区域不整合接触。整体上为一套灰色厚、巨厚块状含砾砂岩、砾状砂岩、粗砂岩及细砂岩夹灰褐色、紫红色薄层泥岩，自下而上岩性变细，顶部泥岩较发育，具有典型的下粗上细的正旋回特征，为辫状河沉积。

2.2 储层地震特征

研究区块是12.5 m×25 m CDP网格的叠前时间偏移三维地震覆盖，结合研究区储层的地震、测井等基础资料，主要目标层在地震上表现为强波谷，横向分布比较复杂，连续性较差等特征。

2.3 基于EMD 低频能量变化率测试分析

2.3.1 过井剖面正演模型测试

根据研究区地震(图5)、地质、测井等建立地质模型，分析储层地震响应特征。模型参数主要依据W1、W2、W3井测井速度统计建立的速度、密度等建立储层地质模型(图6)。利用基于单程波的分步傅里叶法进行正演和偏移，得到最终的连井偏移剖面(图7)。

由图7可知，W1、W2、W3储层地震响应特征主要为强振幅，储层分布在波谷中，在颜色显示上为红色。这与图5实际地震剖面所反映的特征一致，说明该正演的结果正确可靠，可用来研究该地区储层分布特征，为后续低频信号提取方法提供了重要的模型参数。

利用基于EMD低频信息能量变化率提取方法研究连井正演模型(图7)的低频信号特征，其结果见图8。

从图8中可知，含油储层的低频能量变化率具有较强的振幅异常，也说明基于EMD低频能量变化率提取是可行的。

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

图8 基于EMD低频能量变化率(连井正演结果)Fig.8 Low frequency energy change rate of based on the EMD(well connection forward)

图9 过W1井的地震剖面Fig.9 Seismic profile across W1 well

2.3.2 实际资料应用

图9过w1井的地震剖面。利用基于EMD低频信息能量变化率提取方法研究研究区的地震低频信号特征，其结果如图10所示，从图10中可以看到，在含油储层都存在较强振幅异常，这与实际钻井结果非常吻合，进一步说明该方法是可行的。

沿Ngx5层提取沿层低频能量变化如图11所示。依据低频信号理论和正演模拟结果，较好的储层对应中强振幅的低频能量变化率，即强的低频能量变化率与获得工业油流对应，而弱异常与无产井对应。根据研究区试油资料，统计工区8口井，仅W7井未获得工业油流，对应的是弱的低频能量变化率；同时，W6井位于弱振幅的低频能量变化率处，而获得工业油流，这可以与W6井主要受断层控制的岩性油藏有关。其余井都对应中强的低频能量变化率，且都获得了工业油流。这说明图11中8口井仅有W6井一个井不吻合，总的符合率达87.5%。说明利用低频能量变化率检测油气储层具有较高的精度和可行性。