用相干体识别古河道及实际应用

2021-01-14张军华王延光冯德永黄德峰

科学技术与工程 2020年35期

张军华,李琴,王延光,冯德永,黄德峰,刘震

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,青岛 266580；2.中国石化胜利油田分公司物探研究院,东营 257022)

河流相储层是一类比较有特点的储层,一般垂直河道的剖面上会有典型的串珠状反射特征，切片上能看到弯曲的古河道特征[1]。目前,描述河道的方法较多。崔鑫等[2]用储层反演、均方根属性切片反演、甜点属性对河道识别。除了反演[3-5]、属性提取及融合[6-10]、地层切片[11]等方法,还可以利用模型正演[12]、分频[13-14]、相干[15-20]等手段描述河道。但是当古河道叠置严重、大小不一,地震资料分辨率有限、信噪比又不是很高时,其精细描述会有很大困难[21]。

相干体是一种十分有用的地震解释技术,它在断层精细解释、古河道描述、缝洞及断溶体刻画等方面有独到的作用。胡玉双等[22]用相干体识别微幅构造,对区域剩余油进行精细预测。侯业伟等[23]用相干体识别火成岩断裂[23]。目前,主流的相干体是第三代相干体,即基于特征值计算的相干体。它有多种表征公式,如Gersztenkorn等[24]的第一特征值相干,Randen等[25]的“混沌(chaos)”相干,Bakker相干[26],Donias等[27]的“凌乱(disorder)”相干,Wu[18]定义的新相干。

用相干体来描述古河道或进行河流相储层,不少学者已开展了卓有成效的工作,得到了有价值的研究成果。纪彤洲等[15]应用相干分析技术进行河道储层预测；于建国等[16]用相干体研究了曲流河沉积亚相；吴海生等[17]借助GeoEast系统相干、分频等技术识别了三角洲沉积体系中的河道相储层；Wu[18]研究了方向结构张量为基础的相干体,并分别进行了断层与河道的检测；Li等[19]用多频相干RGB融合提高了河流相储层的可识别度；Pham等[20]利用深度学习进行河道自动检测。

尽管相干体已是一项比较成熟的技术,在古河道识别和描述中人们一般都会使用这项技术,但至今还没有学者对河道的特征值结构、多种相干的识别机理和效果对比、如何根据古河道的地震反射特征确定计算时窗等问题,做深入的理论剖析和实际应用测试。在实际古河道资料中,存在较多弯曲河道及小河道,因此,提出新的相干体计算公式用于更精细地识别河道,尤其是弯曲河道及小河道,有助于河流相储层研究。

通过制作河道三维模型和应用胜利油田老河口河流相工区,提取了古河道的P1(the first eigenvalue)、P2(the second eigenvalue)、P3(the third eigenvalue)特征值,分析了目前国际上有代表性的 5种三代相干的物理含义,提出一种新的相干体计算公式并进行了测试,进一步诠释了在相干体计算中时窗大小的选取,研究结果对今后开展河流相储层的精细描述会有所帮助。

1 特征值相干体的计算公式及物理含义

目前主流的相干体应用的是第三代相干,主要有表1所示的5种方法[28]。

表1 特征值相干不同表征公式Table 1 Different representation formulas ofeigenvalue coherence

使用最普及、物理意义最清楚的应该是C31(coherence 31),其中λ1是主特征值,代表相干计算子体主要能量[24]。对于某地震三维数据体,取相邻J道N个样点组成一个N×J的地震子体,用矩阵来表达,DN×J由D构成矩阵CJ×J为

(1)

C31计算公式为

(2)

式(2)中：λ1,λ2,…,λJ是矩阵C的特征值,已按值大小顺序排序。

C32(coherence 32)是Randen等[25]2000年提出的,称之为“Chaos texture”属性,用以检测河道,但给出的例子效果并不理想；C33(coherence 33)重点考虑第2特征值和第3特征值的差异,也是较早提出,具体也说不出这种公式的依据[26]；C34(coherence 34)是在研究断层两侧梯度矢量变化时提出的[27],河道内和河道外,波场有差异,应该可以借鉴；C35(coherence 35)是Wu[18]在研究方向结构张量时提出的,从例子上看可以较好地识别河道。

不过以上方法,没有河道模型正演的检验,没有特征值的分解特征,因此有必要进行理论分析与解剖。

2 河道模型建立及相干计算理论诠释

2.1 河道模型建立

设计201线×301道×200 ms长的三维模型:上面有一盖层,速度为2 500 m/s；中间为河道发育段,其中围岩速度为2 600 m/s；下面设计一个界面,下伏地层速度为2 700 m/s。设计3条河道:河道1较长,左半段假设含油,速度较小，为2 400 m/s,到河道2相交处结束,右半段速度为2 500 m/s,河道1时间分布范围为100～111 ms,厚度为11 ms；河道2总体在河道1的下面,有一定的叠置,时间范围为108～113 ms,厚度为5 ms,速度为2 500 m/s；河道3纵向上大致介于河道1和河道3之间,时间为 105～108 ms,厚度为3 ms,速度同河道2。图1展示的切片时间为108 ms,为了便于比较,下面相干计算展示的切片均采用这个时间。

图1 河道三维速度模型Fig.1 3D velocity model of channel

对以上速度模型计算反射系数,用30 Hz雷克子波褶积,得到图2所示的地震模型。为了观察到河道在剖面上的完整特征,显示时左边横测线边上一段切片做了空缺。可以看到:①河道具有典型的串珠特征,它是河道砂体上下界面反极性反射波复合叠加的结果,左下角是河道1截面局部放大图,这一认识对于实际资料识别河道有指导意义[1]；②速度剖面上河道1在河道2的两端速度差异不明显,但在地震模型上变得比较明显；③上述模型加了最大振幅8%的噪声,噪声一定程度上模糊了河道的特征,特别是较小的河道。

图2 河道三维地震模型(加最大幅度8%的随机噪声)Fig.2 3D seismic model of channel (add random noise with a maximum amplitude of 8%)

2.2 相干计算理论诠释

2.2.1 河道在特征值切片上的特征

对于图2所示的三维模型,先插值扩充边界,使其满足多道相干计算需要。采用3道组合，时窗长度采用21个样点,按式(1)提取特征值数据体(图3)。从图3可以看出:①P1特征值较好地反映了河道特征,河道尖灭端特征比原剖面清晰；②P2特征值河道1还比较清楚,但其他两支河道比较模糊,上下地层的结构也与P1有很大的不同；③P3信噪比已较低,小河道已完全掩埋在噪声中；④P1因为是主特征值,幅值比P2、P3要大很多倍,这对进一步剖析不同相干计算公式的物理含义有帮助。

图3 理论模型相干计算特征值数据体对比Fig.3 Comparison of eigenvalue data volume for theoretical model coherent calculation

2.2.2 不同相干计算公式效果比较和理论诠释

按不同方法计算相干体,结果如图4所示。

(2)C32是以负值为异常的,河道识别效果也还可以,实际解释时要注意色标与异常的关系,此识别认识与断层研究有差异[28]。

(3)C33无论是河道识别还是去背景噪声效果都不好,这是由于其第2和第3特征值比较接近,相减又去不好背景噪声造成的。

从图4(c)可以看到,尽管λ2切片的抗噪性没有λ1强,但它对河道边缘的成像信息还是比较清楚的,特别是河道1。为此,提出新的相干体表征公式为

(3)

从图4(f)可以看到,C36(coherence 36)以小值为有利异常,但数值是正的,可以在实际应用做进一步检验与比较。

图4 理论模型不同计算方法相干体结果比较Fig.4 Comparison of coherence results between different calculation methods for theoretical models

2.2.3 相干体计算时窗大小选取说明

相干体长度以往认识一般认为取一个子波波长上下为妥,以前在研究断块油藏时得出的也是这个结论[28]。但是对河流相储层的识别,中外还没有模型的检验和分析,本模型能弥补这方面的不足,可以更形象地、更准确地得到相关认识。①图5(b)为时窗长度为7个样点相干体,由于计算时窗过小,切片和剖面的背景噪声都比较大；②图5(c)为时窗长度为21个样点相干体,相干体的纵向异常基本上能反映河道的串珠包络特征；③图5(c)为时窗长度为61个样点相干体,相干体的纵向异常明显变长,超过了图5(a)原始剖面串珠的长度,上面水平界面的识别范围也被扩大。

图5 相干体计算时窗与纵向分辨率讨论Fig.5 Discussion of coherence computing time window size and vertical resolution

相干体计算时窗大小选取的进一步诠释，图6给出了三维模型X51横测线,图6中串珠对应河道1截面。图6中左侧展示的是建模所用的30 Hz雷克子波,长度约为60 ms,与串珠整个长度基本相仿。图6中黑色线段对应λ/3时窗长度,基本上包含串珠能量最强的一个峰和一个谷。当时窗移动到黑色括号位置处,其能量已比较小。这样取时窗既兼顾了分辨率又包括了地震波主要能量,是比较合理的。图6中红色长条用的是一个波长,这样的时窗,移动到红色括号位置处,上部还包括强反射能量,分辨率不能满足要求；如果下伏地层或上覆盖层还有其他异常,会带进计算的切片,产生假构造。太小的时窗在此不做详细讨论,主要是信噪比会不满足要求。综合来看,对于河流相储层,取地质异常复合波的1/3长度是比较理想的时窗大小。

图6 相干体计算时窗大小选取进一步说明Fig.6 Further explanation of selecting time window size for coherence calculation

3 实际资料应用及效果评价

3.1 实际资料河道特征值的切片特征

选取胜利油田老河口实际三维工区为测试工区,用模型研究所得的经验参数计算特征值,提取 1 260 ms 时间切片,结果如图7所示。可以看到P1特征值较好地反映了河道的整体特征:①图7(b)黑色箭头所指的主河道延伸更长、更合理,这是因为相干会用到河道切片上下信息,而图7(a)水平切片只是固定时间的波场反映；②图7(b)中黄色箭头的小河道得到更清楚的反映；③蓝色圈内曲流河河道清晰度增加,但它与原切片中河道相位有变化,河道可能真实位置不在1 260 ms时间处。P2特征值与P1特征值有很大的不同,它展示的主要是河道的边缘信息,不过信噪比比P1要低很多。P3特征值基本以背景噪声为主,有用信息已很少。

图7 实际资料河道原始切片和特征值切片(T0=1 260 ms)Fig.7 Channel original slice and eigenvalue slice of real seismic data (T0=1 260 ms)

3.2 不同相干计算效果比较及评价

按不同方法对实际资料计算相干体,结果如图8所示。①C31、C34、C35的结果与模型研究结果一致,C31和C34效果都比较好,人字形河道特征清晰,右侧一曲流河特征也比较清楚；②C32也是以负值为异常的,人字形河道信息不清,不过效果不是太好；③C33认识与模型研究一致,效果不好；④C36相干体,河道边界特征清晰,特别是右侧上部的小河道,所以这种方法可以作为一种河流相储层描述新的地震属性,发挥其边界刻画中特有的作用。

3.3 时窗大小及相干切片准确性的进一步诠释

对于实际资料应用,有必要关注并解释以下3个问题。①相干体上人字形河道头部的延伸是否准确？从原始切片上,人字形河道两条“腿”是很清楚的,相干计算后人字形河道顶部自然延伸变长,这是正确的,因为河道不是严格水平的,原始数据不同位置切片是能看到河道的反射特征的。相干起到浓缩时窗内信息的作用,这正好体现了相干体的长处。②相干上可以看到一条比较明显的曲流河[图8(a)、图8(d)、图8(f)],原始切片上有大概的影子,但有相位变化,这是为什么？在曲流河发育处切开一个口子(图9),可以看到在X900横测线上河道的特征是清楚的,但深度上有高低,所以切片上相位不一致,但相干体纵向得到的是河道的串珠包络特征,切片上它是没有相位的,加上时窗的作用,它能体现完整河道的特征。③相干体识别出来的很多小河道是不是真河道？从图9的X1050线看,尽管串珠比较小,但还是可以大概看出反射特征。应该说,小河道还是存在的,相干计算特别是C36相干可以增加河道边缘清晰度,提高解释的分辨率。