大牛地氣田煤系地層去煤影響儲層預(yù)測技術(shù)

秦雪霏，李 巍

中國石油化工股份有限公司華北分公司勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006

0 引言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，烴源巖主要為中生界及古生界煤層及暗色泥巖。煤層于工區(qū)內(nèi)廣泛分布，縱向上多層疊置，厚度較大，局部地區(qū)煤層單層厚度可達15m以上。多套煤層與砂泥巖直接接觸形成煤、儲互層型地層。由于煤層與圍巖波阻抗差異巨大，地震波傳播過程中造成低頻強反射能量巨大，對于煤層上覆下伏儲層造成了極強的遮蔽干涉作用，為查明煤系地層儲層真實空間展布特征帶來了極大不便。實鉆井揭示，大牛地氣田煤系地層巖性組合較為復(fù)雜，盡管在地震剖面上表現(xiàn)為穩(wěn)定的區(qū)域連續(xù)強反射，而實際上煤層厚度、埋深、層數(shù)大不相同。因此，借助高精度分析手段對連續(xù)強反射波中各套煤層準(zhǔn)確識別，進而在三維地震數(shù)據(jù)中消除煤層干涉、準(zhǔn)確識別煤系地層儲層有效信息，是大牛地氣田井位部署的首要問題。

Wigner-Ville分布（WVD）是一種直接測量時間頻率域能量密度分布的時頻分析方法。張顯文［1］利用正演模擬及實際數(shù)據(jù)對多種時頻分析方法開展對比，認為WVD相比其他方法具有明顯更高的頻率分辨率，Cohen［2］并從理論上證實了這一結(jié)論。Li等［3－5］利用 WVD時頻分析方法對地震信號開展了頻衰減檢測，進而應(yīng)用到塔中地區(qū)奧陶系礁灘相碳酸鹽巖儲層預(yù)測中，認為WVD得到的瞬時能量譜中的中高頻段能量與低頻段能量衰減速率明顯不同，以此可以有效區(qū)分礁灘相和瀉湖區(qū)，并且很好地描述了礁灘儲層分布特征，證實了該方法的頻率分辨率優(yōu)勢。姜傳金等［6］利用 Wigner雙譜對角切片譜分解技術(shù)應(yīng)用于某油田目的層段油氣識別中，取得了明顯的效果。李叢等［7］應(yīng)用平滑 WVD對大牛地氣田煤系地層上覆H1、S2層開展了分析研究，認為利用該方法的高分辨率優(yōu)勢可以有效解決該地區(qū)厚砂體薄儲層的識別問題。從前人的研究成果中可以看出，WVD時頻分析方法對于識別具有頻率差異的儲層及其他不同巖性等具有非常明顯的高分辨率優(yōu)勢，而對于煤系地層巖性識別及特征分析方面開展的研究較少。

在本文中，筆者以大牛地氣田上古生界山西組煤系地層為例，利用 Wigner-Ville分布對煤系地層強反射波進行分析，在對煤層開展準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上獲得其頻率特征及優(yōu)勢頻率上限參數(shù)，進而利用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)對煤層形成的強反射進行剝離，以使煤系地層內(nèi)部及其上覆下伏儲層得以準(zhǔn)確預(yù)測。然后，將得到的儲層預(yù)測結(jié)果與實鉆井勾繪砂體厚度圖進行對比，以提高預(yù)測率。

1 大牛地氣田煤系地層反射特征

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，氣層主要集中分布在上古生界下石盒子組、山西組和太原組。其中，山西組及太原組煤層為大牛地氣田主要烴源巖［8］，煤層厚度較大，縱向上多套疊置，與砂泥巖形成煤系互層［9］。煤層反射系數(shù)（0.5）遠大于砂泥巖反射系數(shù)（0.03），所以，煤層在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)的低頻強反射，反射能量巨大，為大牛地氣田的標(biāo)志波（圖1A波、B波）。由于煤層造成的極強反射使煤系地層內(nèi)部儲層受到了強烈的遮蔽作用，如圖1中主要目的層段集中分布于A波至C波之間，地震剖面表現(xiàn)為穩(wěn)定的連續(xù)強振幅特征，所以，常規(guī)儲層預(yù)測方法難以有效揭示其中的波形變化規(guī)律。除此之外，煤層形成的子波負瓣強能量同樣干涉到煤層上覆地層的有效信息。經(jīng)過實鉆井證實，大牛地氣田C波處為非煤系地層，煤層不發(fā)育，主要巖性為砂泥巖且波阻抗差異微弱。如圖1中T1100－T1550處，C波之所以能夠形成穩(wěn)定強反射，主要是由于B波附近煤層厚度大，煤層強反射干涉而成，并非C波地層真實反映。當(dāng)B波附近煤層發(fā)育程度較低時，B波反射強度相對較小，同時對C波干涉作用較弱，C波則表現(xiàn)出較強的橫向不均勻性，復(fù)合辮狀河沉積特征，如圖1T500－T850處。因此，如何從A、B、C強反射波中定位煤層厚度及位置，進而去除煤層干涉影響是大牛地氣田煤系地層儲層預(yù)測的先決條件。

2 煤層高精度時頻分析

2.1 Wigner-Ville分布主要特征及實現(xiàn)

Wigner-Ville分布（WVD）是一種直接測量時間頻率域能量密度分布的時頻分析方法，由于在計算過程中信號多次進入，從而達到了自相關(guān)能量聚集的效果，不僅對于時間頻率定位來說具有非常明顯的優(yōu)勢，同時也能夠自動抑制噪聲的影響，提高時頻分析精度。業(yè)已證明，由于WVD的時間－帶寬積可以達到Heisenberg不確定性原理給出的下界，因此沒有任何一種時頻分布的聚集性能能夠超過WVD方法［7］。結(jié)合大牛地氣田實鉆煤層的復(fù)雜性，以及大牛地三維地震資料信噪比問題，為提高有

效信號聚焦強度，筆者選用三階WVD方法，即信號3次進入計算進行時間頻率能量聚集。

若觀測信號x（t）為一連續(xù)型解析信號，做等間隔采樣，采樣后的信號記為

圖1 典型地震剖面Fig.1 Typical seismic data section

式中，T表示采樣間隔。于是可以給出離散 WVD三階時頻分析理論公式：

式中：Wx為連續(xù)頻率域解析信號；ω1，ω2，ω3分別3次頻率域自相關(guān)聚集的頻率變量；m對應(yīng)于連續(xù)時間變量τ。

總的來說，高階WVD譜可以描述為，連續(xù)頻率域解析信號經(jīng)過離散化后，自身多次進行頻率域自相關(guān)聚集，從而達到有效信號頻譜密度增強、提高分辨率的目的，與此同時也可以起到壓制隨機噪音的功效。

2.2 大牛地氣田煤系地層典型井對比分析

筆者有針對性地選擇了大牛地氣田A井、B井、C井和D井進行分析。其中：A井于B波強反射段鉆遇多套較厚煤層，同時夾雜較厚砂泥，砂泥厚度與煤層厚度比例近于1∶1；B井僅在B波強反射段頂?shù)撞糠謩e含有2套厚度約1.5m煤層；C井處B波強反射段煤層并不發(fā)育，僅分布幾條厚度不到1.0m的薄煤線；D井處B波強反射段煤層發(fā)育程度非常高，煤層總厚度15.0m以上，主煤層單層厚度約13.0m。以上4口井分別對應(yīng)了4種不同巖性組合，可以作為典型井進行相應(yīng)的研究。

為了消除單道數(shù)據(jù)中由于采集或噪聲等多方面外界因素擾動所產(chǎn)生的不確定性問題，研究過程中選擇了井旁相鄰的25道地震數(shù)據(jù)，并進行平均處理，以消除隨機干擾。

如前文所述，WVD描述的是時間頻率能量密集度分布情況，在前人研究中多采用彩色成圖，而由于煤層引起的低頻強反射為圖1中A、B、C波的最主要成分，在具體分析中發(fā)現(xiàn)利用色差進行頻率能量密度差異刻畫，效果不夠明顯。因此，筆者針對頻率能量采用等值線成圖，等值線圈中心對應(yīng)為優(yōu)勢頻率，線圈越集中說明頻率分辨率越高，線圈越大說明頻寬越大。

圖2為利用WVD三階時頻分析方法對4口井煤系地層井旁道分析結(jié)果。從圖2a中可以看出：地震波主頻集中于23～24Hz，當(dāng)頻率在25Hz以上時，圖譜中等值線集中形成3個明顯的線圈；對比密度曲線，3個等值線圈在時間域上與非煤系高密度巖性完全吻合，這與砂泥高頻煤層低頻的概念是一致的。

從圖2b中可以看出：由于B井處強反射段煤層薄，時頻圖下部明顯向高頻方偏移，呈現(xiàn)掃帚型；而對于25Hz以上頻率段來說，等值線形成2個非常明顯的線圈（如圖黑色箭頭上下側(cè)），而與左側(cè)密度曲線對比后可以看出2個線圈不連接處的鞍部（如圖黑色箭頭處）正對應(yīng)強反射段頂煤。也就是說，煤層在高頻段能量難以聚集。

圖2c主頻段同樣向高頻段偏移，而等值線在26Hz以上形成一個較大的線圈，說明該方法無法識別C井不到1.0m厚的薄煤線。相比之下，D井（圖2d）中的強反射段含煤量大，26Hz以上等值線在1 468ms主煤層處急劇下凹；而在煤層上下邊界外側(cè)，等值線密度明顯增加。

對4口井煤系地層所對應(yīng)的強反射波進行高階統(tǒng)計分析后認為：1）大牛地氣田煤層在地震波中的優(yōu)勢頻譜能量密度在超過26Hz后急劇減弱。2）26 Hz以上高頻對砂泥巖反應(yīng)敏感，能量集中。當(dāng)砂泥中不存在煤層或存在薄煤線時，等值線明顯集中；否則呈現(xiàn)馬鞍形，鞍部對應(yīng)煤層發(fā)育位置，即煤層發(fā)育處高頻能量無法得到集中。3）盡管采用了更高精度的WVD三階分析，仍然難以對1.0m左右的薄煤層進行準(zhǔn)確定位。4）應(yīng)用 WVD分析，可以在無井約束的情況下對強反射波組中的煤層進行準(zhǔn)確定位，進而開展關(guān)于去除煤層影響的相關(guān)研究。

需要說明的是，對多個工區(qū)的試驗分析認為，影響煤層有效頻寬的主要原因有：地表條件、激發(fā)接收條件、煤層埋藏深度、煤層厚度、煤層數(shù)量及地震處理時的頻率補償?shù)鹊龋煌貐^(qū)煤層具有不同的優(yōu)勢頻段，除普遍具有低頻強、高頻弱的特點外，上限門檻值差異較大，目前仍然難以通過理論公式對分析結(jié)果開展證明。

3 去煤處理及實驗效果

從前面的結(jié)論可以看出，盡管煤系地層形成了穩(wěn)定的連續(xù)強反射，對于臨近地層具有非常強烈的遮蔽作用，但是煤層與圍巖之間仍然具有較為清晰的頻率差異，這為從頻率段入手解決煤層低頻強干涉的可行性提供了有力依據(jù)和參數(shù)支持。

3.1 多子波分解與重構(gòu)技術(shù)

多子波地震道分解是完全基于多子波地震道模型，把一個地震道轉(zhuǎn)換成不同形狀的子波的疊加。第一是對疊后數(shù)據(jù)的分解處理，將地震數(shù)據(jù)中目標(biāo)層段分解成不同主頻的雷克子波的序列或集合；第二是對分解后的數(shù)據(jù)重構(gòu)分析，選擇不同頻率的子波重新組合就可以得到相應(yīng)頻率段的地震道［10－12］。

將一個反射系數(shù)的序列按照子波主頻能量級數(shù)拆分為R1（t），R2（t），…，Rn（t），原來的反射系數(shù)序列則可以表述為

假設(shè)W1（t），W2（t），…，Wn（t）代表一組不同主頻的雷克子波，分別與分解后的單一反射序列R1（t），R2（t），…，Rn（t）進行褶積，得到一組地震反射信號序列：

式中，i＝1，2，…，n。因此，地震信號S（t）可以按照多子波模型的方式表示為

3.2 大牛地氣田某井區(qū)盒1段試驗效果

筆者所選數(shù)據(jù)是大牛地氣田煤層發(fā)育程度最高的井區(qū)，由于這樣的強波阻抗界面，煤層上覆下伏地層同樣表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定的強反射特征，砂泥等有效信息被嚴(yán)重屏蔽。圖3是同一剖面分解前后的結(jié)果，根據(jù)前面的WVD分析結(jié)果對26Hz以上中高頻分量開展重構(gòu)，形成新的數(shù)據(jù)體。從圖3可以看出，C波（綠色線）表現(xiàn)為明顯的雙軸，盡管能量較弱，但是目的層段的有效反射信息仍然得到了較好的保留。

圖3 大牛地氣田原始剖面（a）與重構(gòu)后剖面（b）對比Fig.3 Contradistinction of original（a）and reconstructed（b）seismic data of DANIUDI

圖4為盒1段（平行整合于煤系地層）平均波谷振幅屬性。盒1段為河流相沉積，砂泥巖波阻抗差異微弱，由于緊鄰于煤層，在常規(guī)地震數(shù)據(jù)中煤層強干涉造成了目的層段連續(xù)強反射。從原始數(shù)據(jù)屬性（圖4a）可看出該井區(qū)反射較強，局部存在零散亮點，與鉆井勾繪砂巖厚度圖差異巨大，可見常規(guī)技術(shù)難以解決該井區(qū)的煤層強遮蔽作用。圖4b為依據(jù)WVD分析對26Hz以上信號重構(gòu)數(shù)據(jù)的平均波谷振幅屬性。從圖4b可看出，該井區(qū)進行去煤處理后振幅有了明顯改變，對比利用鉆井勾繪砂體厚度圖（由于涉密該圖已進行模糊處理）可看出，近南北走向河道砂體得到了有效刻畫，預(yù)測成功率極大提高。

圖4 盒1段原始數(shù)據(jù)振幅屬性（a）與去煤處理數(shù)據(jù)振幅屬性（b）對比及鉆井勾繪砂體厚度圖Fig.4 Control of amplitude attribute between original（a）and Reconstructed seismic data（b）in the layer of P1H1and the thickness of sand-stone

3.3 大牛地氣田某井區(qū)山2段試驗效果

大牛地氣田某井區(qū)山2段屬于煤系地層，底部煤層厚度大，從實鉆情況看，山2段砂體發(fā)育程度較高，平均厚度20.0m以上，是該井區(qū)一個重要的產(chǎn)氣層位。然而受到煤層強干涉影響，該井區(qū)原始地震數(shù)據(jù)上山2段平均反射強度屬性為大面積強反射特征，無法揭示其內(nèi)在儲層空間展布狀態(tài)（圖5a白色線框）。圖5b為使用相同時窗、相同參數(shù)子波重構(gòu)數(shù)據(jù)提取的平均反射強度屬性。對比白色線框煤層強干涉區(qū)，該井區(qū)在經(jīng)過去煤處理后，山2段砂體得到了充分的展現(xiàn)，對比利用鉆井勾繪的砂體厚度圖（由于涉密該圖已進行模糊處理）也可以看出去煤效果非常顯著，預(yù)測砂巖展布與實鉆井吻合度高。

4 結(jié)論

1）大牛地氣田煤層形成的強反射對上覆下伏以及層間儲層有很強的干涉作用，利用常規(guī)的儲層預(yù)測方法難以突破，本文通過具有顯著頻率分辨率優(yōu)勢的WVD分析技術(shù)對煤層造成的強反射軸進行了高精度時頻分析，認為煤層主要干涉低頻段，能量較高，26Hz以上中高頻段會急劇衰減。

2）結(jié)合WVD分析結(jié)果，采用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)，將煤層干涉作用較強的26Hz以下頻率去除，利用中高頻段重新構(gòu)成新的地震數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開展儲層預(yù)測工作思路是完全可行的。

3）通過煤層上覆盒1段及山2段試驗可以看出，去煤處理效果顯著，有效信息得到了充分展示，預(yù)測成功率大幅度提高。

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