0 引言
薄互层储集层在中国含油气盆地普遍发育,同时也是岩性油气藏的重要勘探目标,如何有效预测薄互层储集层的分布具有重要意义。但由于分辨率的限制,地震资料难以满足薄储集层的识别需求,严重制约了岩性油气藏的勘探。针对地震资料分辨率的技术瓶颈,前人在反演方法[1⇓⇓⇓⇓-6]和调谐理论[7⇓⇓⇓-11]两方面开展了卓有成效的研究。一方面通过反演、拓频等处理手段达到提高垂向分辨率识别薄层的目的,另一方面通过薄层调谐作用的振幅变化识别薄层,如利用振幅的调谐原理,最小可分辨厚度为1/8波长薄层[1⇓-3]。Zeng[12⇓⇓-15]则从利用地震资料的横向分辨率角度提出了“地震沉积学”的概念并给出了-90°相位转换和地层切片两项实用技术,避开了纵向上提高分辨率的困境。随后许多专家学者开展了大量研究,探讨了其基本原理、研究流程、应用条件及潜在风险等[16⇓⇓⇓-20]。近年来,地震沉积学在沉积相研究和储集层预测方面已取得了良好应用效果[16,20⇓⇓⇓ -24]。地震沉积学基于实际沉积体宽度远大于厚度的地质基础和地震资料的横向分辨率优势[17,19,24],可以检测小于地震分辨率极限的薄层分布。曾洪流等[16]在松辽盆地齐家地区的应用中刻画了浅水三角洲分流河道沉积,甚至可以检测1 m厚的薄层,展现了地震沉积学的巨大潜力。
由于地震资料分辨率的限制和地震沉积学应用面临的诸多影响因素[19],地震沉积学在薄互层储集层预测方面仍然难以满足实际勘探的需求。与单一薄层不同,受干涉作用影响,应用地震沉积学方法难以准确分辨薄互层中的单砂体。针对该难题,Zeng[21]提出利用切片序列分析薄互层的变化,进而确定每个薄层的分布。李国发等[22-23]分析了薄互层干涉过程,通过将切片间隔缩小到0.2 ms寻找无干涉的零值切片预测薄层。前人研究表明,薄互层垂向难以区分时,若目标切片不存在邻层干涉作用,仍然可以预测目标层的分布。由于在薄互层的切片中每个样点都是多个薄层的综合响应,当两个薄层间隔厚度足够大时,邻层的干涉作用较弱,利用前人的方法可以有效分辨不同薄层的分布。当两个薄层间隔厚度减小到一定程度时,目标薄层的响应容易被相邻薄层的响应彻底掩盖,通过分析薄互层的变化和寻找无干涉的零值切片仍然难以准确区分同一张切片上的不同薄层。
本文在前人研究的基础上,采用直接压制目标层切片中邻层干涉的思路,提出了最小干涉频率和叠加切片等2种方法,达到准确保持平面振幅相对关系的目的,使得薄互层中的目标薄层虽然在垂向上不可分辨,但横向上可检测。其中,最小干涉频率方法利用邻层对目标层采样点的干涉随频率变化而变化的基本原理,通过寻找对目标层干涉最小的频率生成地层切片,进而压制邻层干涉。叠加切片方法则通过叠加不同权系数的干涉层切片到目标层切片达到降低目标层切片中干涉层影响的目的。三维数值模型验证了该方法的可行性,并以准噶尔盆地风南地区为例,采用上述两种方法准确预测了目标砂体的分布范围,为陆相盆地薄互层储集层分布预测提供了借鉴。
1 最小干涉频率切片方法
1.1 最小干涉频率的含义
地震沉积学技术充分利用了地震资料横向分辨率的优势,大幅提高了薄层的预测精度。曾洪流等[16]指出,利用地层切片可以检测厚度小于1/4波长的地质体。但在薄互层储集层情况下,切片中的每个样点都是多个薄层的综合响应,因此,不同薄层在同一张切片上难以准确区分。
当薄互层垂向不可分辨时,相邻薄层对目标薄层的干涉作用随频率变化而变化,当干涉作用最小时,对应的频率可以称为最小干涉频率。为了说明最小干涉频率的含义,设计一个双界面模型来探讨不同频率下干涉作用对切片的影响。模型为：顶部界面与底部界面反射系数均为1,间隔10 ms。利用5~100 Hz零相位雷克子波进行褶积得到正演剖面（见图1 a）,然后提取红色线位置（50 ms）的振幅值绘制随频率变化曲线（见图1 b）。从图1 可以看出,在小于峰值频率时,振幅随频率的增加而减小,表明底部界面对顶面界面的干涉作用在减弱,当振幅减小到蓝色虚线时（频率为22 Hz）,振幅值与最大频率处的振幅值相同,表明底部界面在该采样点的干涉值为零,对应的频率称为最小干涉频率。为了更进一步说明最小干涉频率的含义,采用22 Hz零相位雷克子波分别与顶部界面、底部界面、顶底双界面褶积得到正演地震道（见图2 ）。从图2 可以看出,在顶部界面时间位置,底部界面反射（蓝色线）的振幅值为零,顶部界面反射（红色线）的振幅值与双界面反射（黑色线）的振幅值相同（交点位置）,表明底部界面反射对该采样点无干涉,若提取该频率对应的顶部界面位置振幅切片,则顶部界面不受底部界面影响,横向可检测。除顶部界面对应的采样点外,底部界面响应对其他采样点均有干涉,因此顶底界面在综合响应剖面中仍然难以分辨。
若将单一薄层-90°相位子波形成的地震响应看作复合子波,理想状况下,2个薄层时的干涉作用与双界面模型相似,相邻薄层形成的复合子波在目标薄层中心点的振幅为零时,对应的频率称为最小干涉频率。因此,两套薄层情况下,若确定干涉层对目标薄层的最小干涉频率,提取该频率下目标层对应的地层切片可以有效减弱邻层干涉,突出目标薄层。此时目标薄层虽然在剖面上不可分辨,但平面可检测。
3套薄层情况下,目标层有2个干涉层,每个干涉层对目标薄层都有一个最小干涉频率,若两个最小干涉频率相近,该方法仍然有效。当干涉层超过2个时,很难寻找一个最佳频率与每个干涉层的最小干涉频率相近,因此,该方法适用的薄层数量不超过3层。
1.2 最小干涉频率的确定
选取实际资料进行分析,W1为工区内一口典型井,共有3个薄储集层,厚度分别为6,6和8 m,层间泥岩厚度分别为8和16 m,其中中间的薄储集层为出油层。该地震资料主频约为40 Hz,频宽为10~60 Hz。测井曲线特征总体表现为低自然伽马、高自然电位、高波阻抗,其中出油层自然电位和波阻抗稍小于相邻两套储集层。目的层段砂岩地震波速度约4 000 m/s,按照1/4波长计算,可识别最小砂岩厚度约25 m,远大于储集层厚度。3套储集层厚度薄、间距近,相互干涉严重,地震剖面难以区分。
小波变换可以对信号进行任意的放大平移并对其特征进行提取,并用于多分辨率分析实现高低频分离。因此,本文选择小波变换确定最小干涉频率及后续的切片提取。图3 为-90°相位化数据体上提取的过W1井基于小波变换的振幅-频率特征,由图3 a可见,多数薄层与波形对应关系良好,但油层位于波峰-波谷的零点位置,表明油层可能受到相邻薄层的干涉影响。从40 Hz逐步增大频率,目标层的振幅仍接近零点位置,因此,在有效频带范围内提高频率并不能减弱邻层干涉作用,目标层在剖面仍然难以有效分辨。从40 Hz逐步减小频率,目标层振幅迅速向波峰靠近,在频率为20 Hz时,目的层接近振幅中心,表明此时邻层对目的层的干涉作用可能较小。为了更直观地看出油层振幅随频率的变化,进一步提取图3 a油层段（水平蓝色虚线）对应的振幅曲线（见图3 b）,峰值频率约为26 Hz,最小干涉频率与峰值频率的相对关系与理论情况（见图2 ）相似,因此,20 Hz可能为目标层的最小干涉频率。
通过模拟W1井3套储集层的干涉过程验证最小干涉频率的正确性。首先将3个薄储集层对应的声波曲线分为3段,然后在不改变地震波旅行时间的情况下分别采用20 Hz和40 Hz频率的-90°相位雷克子波褶积得到合成地震记录（见图4 ）。c道和d道为截取的中间油层段的声波曲线及其对应的合成记录,由d道可以看出,油层中心的振幅无论子波频率为20 Hz还是40 Hz都是最大波峰（B1点和B2点）,但相邻薄层对目标层的干涉作用随着频率变化。当频率为20 Hz时,相邻薄层对目标层的干涉接近零（A1点和C1点）,油层振幅（D1点）靠近波峰。当频率为为40 Hz时,相邻薄层对目标层干涉较大（A2点和C2点）,由于干涉值都为负,抵消了目标层的振幅值,导致目标层振幅接近零点（D2点）。因此,W1井的合成记录验证了20 Hz接近顶部和底部干涉层对目标层的最小干涉频率。
本文研究工区共有9口井,这里只选择了W1井计算最小干涉频率,由于研究实例横向厚度变化不大,用其他井寻找最小干涉频率的结果可以得出相同的结论。16~30 Hz的小波分频振幅切片扫描结果同样表明,20 Hz提取的结果其河道刻画特征最为清晰,且与钻井的吻合率最高。从另外一个角度说明20 Hz是顶部层和底部层同时最接近最小干涉位置的频率。
2 基于地层切片的叠加方法
2.1 技术原理
以一个双层模型（见图5 ）为例,对叠加切片的原理进行说明。定义切片A不同区域的振幅分别为a0、a1和a2,切片B不同区域的振幅分别为b0、b1和b2,则叠加区域的振幅a2和b2等于本层对应的振幅和邻层干涉的振幅之和,即：
$\left\{ \begin{align} & {{a}_{2}}={{a}_{0}}+{{a}_{1}} \\ & {{b}_{2}}={{b}_{0}}+{{b}_{1}} \\ \end{align} \right.$
以薄层B为目标层,定义薄层B对应的叠加切片上任意一点的振幅ck为：
ck=bk-w0ak
其中 $w_{0}=\frac{b_{0}}{a_{0}}$
将（1）式代入（2）式可得切片B中振幅为b1和b2的点在叠加切片中的振幅均为（b1-w0b0）,振幅为b0的点在叠加切片中的振幅为零。由此可见,薄层B对应的叠加区域和无干涉区域的振幅一致,相对关系与单一薄层情况下相同,表明叠加切片可以有效压制邻层干涉。
依次类推,可得到多个薄层情况下目标层切片对应的每个干涉层的干涉系数,计算公式如下：
$\left[ \begin{matrix} {{a}_{00}} & \cdots & {{a}_{0j}} & \cdots & {{a}_{0,n-1}} \\ \vdots & {} & \vdots & {} & \vdots \\ {{a}_{i0}} & \cdots & {{a}_{ij}} & \cdots & {{a}_{i,n-1}} \\ \vdots & {} & \vdots & {} & \vdots \\ {{a}_{n-1,0}} & \cdots & {{a}_{n-1,j}} & \cdots & {{a}_{n-1,n-1}} \\ \end{matrix} \right]\left[ \begin{matrix} {{w}_{0}} \\ \vdots \\ {{w}_{i}} \\ \vdots \\ {{w}_{n-1}} \\ \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} {{b}_{0}} \\ \vdots \\ {{b}_{i}} \\ \vdots \\ {{b}_{n-1}} \\ \end{matrix} \right]$
多个薄层情况下的叠加切片计算公式为：
${{c}_{j}}={{b}_{j}}-\sum\nolimits_{i=0}^{i=n-1}{{{w}_{i}}{{a}_{ij}}}$
在地层厚度保持稳定的情况下,若每层干涉层都可以寻找到一个无干涉区域,则可以确定目标层与每个干涉层的振幅相对关系,进一步通过计算可以得到每个干涉层的干涉系数,然后将每个干涉层的振幅乘以干涉系数并叠加到目标切片上形成叠加切片。叠加切片可以有效压制邻层干涉作用,保持目标层的振幅相对关系不变。
2.2 方法验证
为了验证基于地层切片的叠加方法的合理性和对薄互层的识别能力,建立薄互层正演模型进行叠加切片实验。
三维模型参数为：泥岩背景中发育4个薄层砂体,每个砂体平面分布如图6 a所示,提取红色线对应的剖面得到砂体纵向分布（见图6 b）,砂岩和泥岩夹层厚度均为4 m,4层砂岩速度从下至上分别为3 600,3 800,4 200和4 000 m/s,背景泥岩速度为3 000 m/s。采用-90°相位40 Hz雷克子波正演得到正演剖面（见图6 c）,4个薄砂体在地震剖面上无法完全区分。
提取4个薄砂体对应的地层切片如图7 a—图7 d所示,每个切片上的薄砂体分布显示均不够清晰完整。以第4层切片为例说明叠加切片的计算过程,由于第4个薄砂体受到相邻3个薄砂体的干涉作用,首先确定另外3层切片的无干涉点（见图7 a—图7 c中蓝色点）并提取3个无干涉点对应的每层切片的振幅值,然后根据（3）式计算每层切片的干涉系数,最后根据（4）式得到第4层砂体对应的叠加切片。其他3层采用相同方式进行计算。得到的4个叠加切片如图7 e—7h所示,对比常规地层切片和叠加切片可见,叠加切片显示薄砂体分布更加清晰,邻层干涉得到了很好的压制。
2.3 影响因素分析
影响叠加切片效果的因素很多,包括干涉层切片的选择、无干涉点的选择、地层厚度的变化、等时性的影响、地震资料的保幅性等。其中切片的相对等时性和地震资料的保幅性的影响具有普适性,本文不作讨论,重点对叠加切片效果有特殊影响的其他3个因素进行分析。
干涉层切片的选择是影响叠加切片效果的一个主要因素,理论情况下,每个干涉层切片需要全部叠加到目标层切片才可以压制邻层干涉,但在实际应用中,干涉层切片的个数不容易确定,因此,需要探讨叠加部分干涉层切片是否可以改善切片效果。
以图7 d的第4层切片为例,分别叠加一张常规地层切片（见图7 a—图7 c）,得到部分叠加切片如图8 a—图8 c所示,其中图8 a和图8 c叠加后效果不明显,图8 b效果较好,与完全叠加切片（见图8 d）对比可见,部分叠加切片砂体形态得到了完整刻画,但泥岩背景没有得到很好的压制,分析其原因为常规切片B是影响第4层砂体完整性的主要因素。因此,叠加切片方法并不需要叠加所有对目标砂体造成干涉的切片,只需叠加影响砂体形态完整刻画的关键切片,该方法仍然有效。
无干涉点的选择是影响叠加切片效果的另一个重要因素,以第4层切片为例,仅叠加常规切片B,并采用不同的无干涉点计算得到部分叠加切片（见图9 a—图9 d）,4张切片均采用了错误的无干涉点,可以看出,图9 a和图9 b砂体刻画仍比原始地层切片清晰完整,与正确的无干涉点计算结果（见图8 b）相比,泥岩背景更加明显,图8 c和图8 d由于无干涉点选择在砂体分布范围内,导致叠加没有明显效果。以上分析表明,当无干涉点选择在砂体分布外围时,即使选择错误仍然能够改善切片效果。
叠加切片方法是基于地层厚度不变的假设得出的,以下建立厚度变化的三维模型探讨叠加切片在厚度变化不大的情况是否仍然有效。模型参数为（见图10 ）：泥岩背景中发育5套薄砂体,砂体厚度为4 m,泥岩夹层厚度为1~6 m,背景泥岩速度为2 700 m/s,砂岩层非目标区速度为2 800 m/s,砂岩速度为3 500 m/s,模型厚度变化最大22 m。采用-90°相位30 Hz雷克子波对模型进行褶积,图10 b为地震正演剖面,5套砂体在剖面上无法识别。图10 h—图10 l为提取的常规地层切片,从图中可以看出,砂体分布不够清晰。图10 m—图10 q为提取的叠加切片,可以看出,尽管仍然有其他层砂体的影子,但目标砂体分布得到完整刻画,表明在厚度变化不大时,叠加切片仍可以压制邻层干涉作用,突出目标储集层分布。
3 应用实例
3.1 研究区地质概况及井震资料条件
研究区位于准噶尔盆地西北缘玛湖地区的玛北斜坡区（见图11 ）,目的层段为三叠系克拉玛依组上段。据前人研究表明,玛湖地区克拉玛依组主要为辫状河三角洲沉积,储集体类型主要为三角洲前缘水下分流河道砂体。本次重点针对W1井的油层分布开展研究,采用的实际地震资料与1.2节相同。
连井砂层对比结果（见图12 ）显示,研究区内砂体分布具有纵向叠置、厚度薄、横向变化快的特点,-90°相移后连井地震剖面（见图13 ）显示,油层接近零点位置,顶部层和底部层与同相轴波峰对应良好,且连续性较好,W1井的油层范围与相邻井在地震剖面难以区分开。由于储集层厚度薄,致密砂岩与有利砂岩储集层波阻抗界限差异小,常规方法难以有效预测单个砂体,为此,尝试使用反演方法预测油层的平面分布。通过对波阻抗反演、波形指示反演、波形指示模拟3种反演结果比较,波阻抗反演难以区分油层与干涉层,波形指示模拟连续性较差（篇幅所限,文中仅展示了效果较好的波形指示反演结果）。通过不同曲线参数试验,选择对砂体响应明显的自然电位曲线作为特征曲线,且9口井全部参与了反演,连井反演剖面（见图14 a）显示,W1井油层与顶底两套干涉层可以很好地区分,反演平面属性图（见图14 b）显示,W6点与钻井不吻合,其余点与钻井结果吻合较好,但平面缺乏地质规律,与水下分流河道的地质认识难以对应。
3.2 最小干涉频率切片的应用
在1.2节已确定目的层的最小干涉频率为20 Hz,为验证20 Hz分频切片数据是否有效压制邻层干涉作用,反映目标油层的分布,按照曾洪流等[16]的研究思路,选择距目的层较近、同相轴较稳定的克拉玛依组上段底界和克拉玛依组上段顶界下覆等时层作为参考层,对-90°相位化数据体进行20 Hz小波分频处理后生成地层切片数据体,然后提取目的层地层切片（见图15 b）,图中截取了目的层段钻遇该套地层的9口井的自然电位曲线和自然伽马曲线,在本实例中,高自然电位值表示砂岩,低自然电位值表示泥岩。通过与钻井结果对比,仅W7和W3井与钻井不吻合。直接在-90°相位化数据体提取目的层的常规切片（见图15 a）,5口井与钻井结果不吻合,吻合率仅有44%。最小干涉频率切片中W7井未钻遇目的层砂体,W3井钻遇目的层砂体,两口井均位于河道边部,推测不符的原因可能是切片穿时,为此,提取目的层向上2 ms切片与目的层切片对比并放大目标区域（见图16 ）,W7井与向上2 ms切片吻合,W3井变化不大,分析认为W3井薄层个数超过3层,导致邻层干涉压制不彻底。
实际应用表明,由于邻层对目的层的干涉作用导致目的层的实际地震响应被掩盖,常规切片难以反映目的层的分布,最小干涉频率切片具有压制邻层干涉的作用,但并不能完全压制,导致部分钻井结论与切片不吻合,影响其压制效果的因素较多,包括隔层厚度变化、薄互层个数、切片等时性、最小干涉频率的选择等。
3.3 基于地层切片的叠加方法应用
顶部和底部两套砂体的干涉是造成目标砂体在切片上难以检测的主要因素,为此在-90°相位化数据体上分别提取顶部、中部、底部3套砂体对应的常规地层切片（见图17 a—图17 c）,然后根据同一区域3张切片的振幅相对关系来确定无干涉点位置,即无干涉点在本张切片上振幅偏大,剖面上靠近波峰,在其他切片的振幅需要根据切片间的距离来判断,但一般振幅偏小且不会位于波峰附近。实际应用可以通过排除法来降低搜索范围,如本实例中W1井对应的振幅在图17 a和图17 c均靠近波峰位置,表明该点至少有两个薄层。实际资料找到真正的无干涉点难度较大,但2.3节的理论模型表明,只要有“无”干涉点在目标层范围内,叠加切片对压制邻层干涉仍然有效。本实例利用3张切片生成中部层的叠加切片如图17 d所示。与最小干涉频率切片（见图15 b）相比,叠加切片与钻井的吻合程度比最小干涉频率切片要低,与常规地层切片（见图15 a）相比,钻遇目的层的两口关键井W1和W2井与切片吻合程度较高。河道的整体展布与最小干涉频率切片相似,但对河道的刻画更加清晰。河道外围与钻井吻合程度不高的原因可能是叠加方法对邻层干涉的压制效果不理想。影响压制效果的因素较多,包括干涉层和无干涉区域两个重要参数的选择、地层厚度不变假设、地层切片的等时性等。
4 结论
本次研究采用对地层切片处理达到压制邻层干涉的研究思路,提出两种基于地震沉积学的薄互层储集层分布预测方法,实现了在剖面难以分辨不同薄互层储集层的情况下,仍可以在平面检测薄互层中单砂体分布的目的。①最小干涉频率切片方法,利用小波变换的振幅-频率特征寻找对目标层切片干涉作用最小的频率,进而提取最小干涉频率下的地层切片;②基于地层切片的叠加方法,通过计算干涉层的干涉系数,然后按系数叠加相邻层的切片到目标层切片形成叠加切片。
模型与实际应用对比表明,两种方法均可以压制切片中的邻层干涉作用,有效检测薄互层中的单砂体分布。两种方法均是基于地层厚度相对不变的假设得出的,当厚度逐渐减薄时,推测两种方法压制干涉的效果会逐渐变差,导致预测的边界比实际边界偏小,但对地质体的整体形态仍然可以预测。实际资料应用也表明,在厚度变化不大的情况下,两种方法都可以有效预测薄层分布。
两种方法各有优缺点,最小干涉频率切片方法由于每个干涉层都有一个最小干涉频率,多个薄层情况下难以兼顾每个干涉层,因此,适用于3层以内的薄互层储集层分布预测。基于地层切片的叠加方法虽然不受薄层个数限制,但是每次叠加有可能引入新的误差,因此,薄层个数也不宜太多。在实际应用中,两种方法均可以尝试,通过互相印证提高薄层预测的准确率。
符号注释：
a0,a1,a2——切片A不同区域的振幅值;aij——第i层干涉层切片的第j个干涉点的振幅值,当i=j时为第i层干涉层切片的无干涉点振幅值;aj——干涉层切片j点的振幅值;ak——切片A中k点的振幅;b0,b1,b2——切片B不同区域的振幅值;bj——目标层切片j点的振幅值;bk——切片B中k点的振幅;cj——叠加切片j点的振幅值;GR——自然伽马,API;i——干涉层对应的切片标号;j——干涉层切片中的无干涉点标号,对应到相邻切片中则是干涉点;n——干涉层个数;SP——自然电位,mV;w0——切片A对切片B的干涉系数;wi——第i层干涉层切片的干涉系数。