基于厚度約束的匹配追蹤算法識(shí)別石灰?guī)r頂界地層

高妍芳 李 闖 陳 軍 李建海 楊 忠

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

基于厚度約束的匹配追蹤算法識(shí)別石灰?guī)r頂界地層

高妍芳1李 闖1陳 軍1李建海2楊 忠2

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

高妍芳等.基于厚度約束的匹配追蹤算法識(shí)別石灰?guī)r頂界地層.天然氣工業(yè)，2016,36(12): 45-50.

塔里木盆地塔中地區(qū)奧陶紀(jì)石灰?guī)r地層與泥巖地層界面有兩種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象：①泥巖沉積期局部發(fā)育石灰?guī)r，與下伏石灰?guī)r沉積形成假連續(xù)沉積；②石灰?guī)r頂不整合面發(fā)育巖溶儲(chǔ)層，儲(chǔ)層波阻抗與上覆泥巖地層相近。因此在地震記錄上可能會(huì)出現(xiàn)“穿時(shí)”的地震響應(yīng)特征而掩蓋真實(shí)的儲(chǔ)層信息和地層信息。為此，提出了基于厚度約束的匹配追蹤算法，以挖掘出更多、更準(zhǔn)確的地震信息去表征所要關(guān)注的地質(zhì)體。首先將原始地震數(shù)據(jù)分解成不同頻率的多個(gè)原子；然后以地質(zhì)目標(biāo)體厚度所對(duì)應(yīng)的頻率作為約束閾值，剔除分辨率低于地質(zhì)目標(biāo)體的低頻原子，從剩余原子中篩選出最能體現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)體的原子來做地震重構(gòu)；最后利用重構(gòu)地震數(shù)據(jù)完成儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和石灰?guī)r地層分布預(yù)測(cè)。該方法在R井區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中，重構(gòu)的地震剖面還原了“串珠”頂部的真實(shí)位置，結(jié)合地震反演后成功識(shí)別出泥巖底部局部沉積的石灰?guī)r地層，為地震解釋方案的制定和探井深度設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

塔里木盆地中部 奧陶紀(jì) 石灰?guī)r 泥巖 穿時(shí) 厚度約束 匹配追蹤 地震重構(gòu) 地震反演

塔里木盆地塔中北部斜坡帶西部地區(qū)下古生界碳酸鹽巖平均埋深達(dá)5 500 m，發(fā)育巖溶型儲(chǔ)層和裂縫型儲(chǔ)層[1-5]。奧陶系自下而上分別為良里塔格組石灰?guī)r和桑塔木組泥巖，為平行不整合接觸[6-8]。過去認(rèn)為石灰?guī)r與泥巖的接觸面與地層界面具有一致性，即石灰?guī)r頂界就是良里塔格組地層頂界[9]，由于石灰?guī)r、泥巖界面的波阻抗差異大，故石灰?guī)r頂界表現(xiàn)為強(qiáng)地震反射。但近年對(duì)地層的研究表明，塔中西部桑塔木組泥巖地層底部在局部地區(qū)也發(fā)育有石灰?guī)r，導(dǎo)致石灰?guī)r頂與地層界面一致性的觀點(diǎn)被打破[10-11]；此外，在部分地區(qū)的石灰?guī)r頂部也發(fā)育有巖溶儲(chǔ)層和裂縫型儲(chǔ)層，而地層信息和儲(chǔ)層信息都被掩蓋在強(qiáng)地震反射中。

針對(duì)以上兩種地質(zhì)現(xiàn)象，在地震信號(hào)主頻和帶寬已經(jīng)固定的情況下，嘗試從中挖掘出更多、更準(zhǔn)確的信息去表征所要關(guān)注的地質(zhì)體，提出了基于厚度約束的剩余信號(hào)匹配追蹤法。首先通過對(duì)地震信號(hào)的分解和重構(gòu)去表征碳酸鹽巖頂界的儲(chǔ)層響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地震反演識(shí)別出桑塔木組底部的石灰?guī)r地層。應(yīng)用該技術(shù)方法組合在塔中地區(qū)有效地識(shí)別出不同類型、不同級(jí)別的碳酸鹽巖儲(chǔ)層，并預(yù)測(cè)了桑塔木組底部石灰?guī)r地層，一定程度上解釋了實(shí)際生產(chǎn)中長(zhǎng)期被困擾的問題。

1 基于厚度約束匹配追蹤原理

地震能量包含了地層巖性信息、儲(chǔ)層信息、流體信息，當(dāng)儲(chǔ)層信息或者流體信息很弱的時(shí)候，地層巖性信息就占據(jù)主導(dǎo)，此時(shí)只有“剝離”主要能量，才能表征我們預(yù)期的地質(zhì)目標(biāo)。解決問題的關(guān)鍵在于確定地質(zhì)體對(duì)應(yīng)的敏感頻率段。匹配追蹤算法在一定程度上改善了地震分辨率，但面臨的主要問題是算法最優(yōu)時(shí)未必效果最優(yōu)，因而需要明確地質(zhì)目標(biāo)，使得匹配追蹤算法重構(gòu)的地震數(shù)據(jù)對(duì)期望的地質(zhì)體是可分辨的。故提出基于厚度約束的剩余地震信號(hào)匹配追蹤方法。地震信號(hào)的稀疏表達(dá)式如下：

式中s(t)表示帶限地震信號(hào)；Rs(n)(t)表示匹配后的殘余信號(hào)；n表示迭代的原子個(gè)數(shù)。原子是通過4個(gè)參數(shù)，即tj（延時(shí)）、fj（主頻）、aj（相關(guān)系數(shù)）和φj（相位）來控制的[12-14]。

假設(shè)識(shí)別儲(chǔ)層的最小頻率為fmin，給定D={wk，k=1，2，…，k}，用來表示將地震拆分為由若干種巖性、不同厚度的儲(chǔ)層和流體的原子庫(kù)，將D分解為D1={wi,i=1, 2, …，i}和D2={wm,m=1, 2, …,m}2個(gè)原子庫(kù)，D1中每個(gè)原子反應(yīng)特定分辨率的儲(chǔ)層，從中選出若干對(duì)地震進(jìn)行重構(gòu)，每個(gè)原子均滿足fmin≥fi；D2中的原子表示分辨率較低的地震巖性背景，滿足fmin＜fm，且滿足||wk||=1、||wi||=1。將D向量擴(kuò)展成N維Hilbert空間。對(duì)于任意地震信號(hào)s(t)，從D1中尋找與其最匹配的原子，而D2中所有的原子疊加作為約束閥值，滿足如下匹配條件：

為了確保地震重構(gòu)時(shí)每次選取的原子都能包含需要被關(guān)注的儲(chǔ)層和流體信息，用Rs(i)(t)表示投影值和信號(hào)的差值，該差值中必須始終包含被剝離的地層巖性背景信息s'(t)，用R's(i)(t)表示剩余信號(hào)殘差，則滿足：

經(jīng)過第一次算法迭代后重構(gòu)的地震信號(hào)可以表示成：

將式（5）帶入式（4）：

顯然原始地震信號(hào)s(t)和地層巖性背景信號(hào)s'(t)是定值，因此式（6）可以寫為：

選擇的全部n個(gè)原子，第n次殘差能量與第n+1次殘差能量滿足關(guān)系式：

最終信號(hào)被分解為最優(yōu)重構(gòu)地震信號(hào)、迭代殘差噪音與需要?jiǎng)冸x的地層巖性信號(hào)：

MP算法是通過迭代掃描整個(gè)函數(shù)集合的數(shù)學(xué)算法，利用地層巖性信號(hào)s'(t)作為閥值對(duì)MP算法地震原子函數(shù)集合做了約束從而獲得對(duì)儲(chǔ)層可分辨的重構(gòu)地震數(shù)據(jù)，重構(gòu)所用的地震信號(hào)全部為向量D1中的原子[15-16]。

2 模型分析

為了進(jìn)一步說明改進(jìn)后的技術(shù)效果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的地質(zhì)模型（圖1-b）進(jìn)行驗(yàn)證。模型背景為泥巖層，其內(nèi)的地震波傳播速度設(shè)計(jì)為4 000 m/s。設(shè)計(jì)2套石灰?guī)r地層，第1套石灰?guī)r地層厚度為100 m，地震波傳播速度為6 000 m/s，并將其作為標(biāo)識(shí)層；設(shè)計(jì)泥巖隔層厚度為30 m；第2套石灰?guī)r為巖溶儲(chǔ)層，設(shè)計(jì)厚度為30 m，聲波傳速度為4 500 m/s。從正演結(jié)果（圖1-a）來看，標(biāo)識(shí)層頂界與波峰最大值對(duì)應(yīng)，而第2套石灰?guī)r巖溶儲(chǔ)層的頂界面由于受到標(biāo)識(shí)層底界反射的調(diào)諧影響，其地震反射界面與地質(zhì)模型的界面不一致，具有一定誤差。因此，針對(duì)第2套巖溶儲(chǔ)層選取合理的處理時(shí)窗，利用本文算法進(jìn)行地震重構(gòu)獲得了新地震數(shù)據(jù)體（圖1-c），巖溶儲(chǔ)層頂界的地震波峰最大值與地層界面具有較好的匹配關(guān)系，消除了調(diào)諧引起的誤差，說明該算法具有較高的可靠性與精確性。

圖1 地質(zhì)模型正演與地震重構(gòu)剖面對(duì)比圖

圖2 R井區(qū)地層接觸關(guān)系示意圖

3 實(shí)際地震資料應(yīng)用

R井區(qū)位于塔里木盆地塔中北部斜坡區(qū)，發(fā)育奧陶系碳酸鹽巖巖溶風(fēng)化殼儲(chǔ)層（圖2）。地層埋深較大，地震信號(hào)主頻相對(duì)較低。奧陶系碳酸鹽巖上腹地層桑塔木組，巖性為灰質(zhì)泥巖，其中局部古構(gòu)造高部位由于水體能量相對(duì)較強(qiáng)，發(fā)育層狀泥質(zhì)石灰?guī)r。

由于地層地震波傳播速度的差異，在地震剖面上，泥巖與石灰?guī)r接觸面表現(xiàn)為“強(qiáng)波峰”地震反射特征，而該區(qū)石灰?guī)r巖溶儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征為“串珠”狀。對(duì)于在石灰?guī)r頂界發(fā)育的小規(guī)模巖溶儲(chǔ)層，由于調(diào)諧效應(yīng)導(dǎo)致地層橫向變化信息被隱藏在強(qiáng)地震反射波形中。而分布在灰泥巖地層底部的泥質(zhì)石灰?guī)r與下伏石灰?guī)r地層形成“連續(xù)沉積”的模式，在地震上無法準(zhǔn)確識(shí)別良里塔格組頂界地層。因此本區(qū)要解決2個(gè)問題：①弱地震響應(yīng)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)；②速度相近但沉積時(shí)期不同的石灰?guī)r地層識(shí)別。黑色虛線表示可能從地震剖面上解釋出來的石灰?guī)r頂界，它是“穿時(shí)”的（圖2）。

3.1弱地震響應(yīng)的石灰?guī)r頂界儲(chǔ)層識(shí)別

R井區(qū)的地質(zhì)模型表現(xiàn)為：高速地層的頂部分布有薄的次高速地層，上覆相對(duì)低速地層。因此其對(duì)應(yīng)的地震反射界面為強(qiáng)波峰地震響應(yīng)，地震縱向分辨率低。為了獲得重構(gòu)地震的剩余地震信號(hào)閥值，首先對(duì)石灰?guī)r頂部發(fā)育的儲(chǔ)層厚度以及泥巖底部的石灰?guī)r厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得知儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)的平均石灰?guī)r厚度為17 m，而鉆井鉆遇的泥巖底部石灰?guī)r平均厚度約為20 m，地震分辨頻率為25 Hz。由于實(shí)際地震信號(hào)主頻為22 Hz，最終將25 Hz作為篩選原子的閥值，利用Hilbert空間中大于25 Hz的原子參與地震重構(gòu)，重構(gòu)后的地震數(shù)據(jù)將提高石灰?guī)r頂界的薄層識(shí)別率。地震橫向分辨率一般由地震道間距以及信噪比共同決定，對(duì)于某種特定的地質(zhì)體，在其敏感地震頻段，相對(duì)信噪比最高，將非敏感頻段的地震信號(hào)作為“噪音”予以剔除，此時(shí)橫向的儲(chǔ)層與地層識(shí)別率將得到提高。

在與實(shí)際地震剖面對(duì)比（圖3）中可以看出，石灰?guī)r頂界地震反射的原始特征為連續(xù)強(qiáng)反射，通過剩余信號(hào)匹配追蹤方法來重構(gòu)地震信號(hào)后，分辨率明顯提高。以CDP736附近的“串珠”為例，圖3-a中可辨識(shí)的“串珠”頂位于強(qiáng)地震反射之下。地震重構(gòu)后（圖3-b）強(qiáng)地震反射的橫向?qū)訝罘瓷渥優(yōu)椴贿B續(xù)狀反射， CDP736附近的“串珠”與分解后的塊狀反射組成新的串珠，改變了“串珠”頂部位置。根據(jù)朱仕軍等[17]研究表明，“串珠”頂與巖溶儲(chǔ)層頂界具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層頂界對(duì)設(shè)計(jì)探井井深具有重要意義。對(duì)比平面特征，圖4-a地震屬性表現(xiàn)為片狀，地震重構(gòu)后橫向分辨率明顯提高，具有多個(gè)“串珠”狀地震反射目標(biāo)。

3.2桑塔木組泥巖底部的石灰?guī)r識(shí)別

在重構(gòu)地震數(shù)據(jù)體基礎(chǔ)上，利用基于褶積模型的井震聯(lián)合反演[17-18]預(yù)測(cè)桑塔木底部的石灰?guī)r地層分布。模型反演方法是以地震數(shù)據(jù)作為正演目標(biāo)，利用原始的井?dāng)?shù)據(jù)和地震解釋成果建立初始模型，用重構(gòu)的地震數(shù)據(jù)作為迭代目標(biāo)，對(duì)良里塔格組頂界面進(jìn)行識(shí)別。重構(gòu)后的地震數(shù)據(jù)發(fā)生改變。因此相鄰地震道原有的橫向連續(xù)性會(huì)被打破。原有地震強(qiáng)反射的橫向連續(xù)性會(huì)受到桑塔木底部石灰?guī)r沉積地層厚度變化的影響，造成相鄰地震道振幅能量以及相位的差異。正是基于這樣的差異，可以采用基于褶積模型的地震反演來計(jì)算石灰?guī)r頂界的強(qiáng)反射系數(shù)，從而獲得真實(shí)的巖性界面。從反演對(duì)比效果來看，ZH2井與Z1H井在桑塔木組發(fā)育的石灰?guī)r與單井統(tǒng)計(jì)厚度吻合較好，Z7井與T6井風(fēng)化殼巖溶預(yù)測(cè)結(jié)果與單井統(tǒng)計(jì)厚度吻合較好（表1）。原始地震反演的巖性界面是沿強(qiáng)反射界面的最大波峰拾取的包絡(luò)面（圖5-a），重構(gòu)地震反演結(jié)果后，石灰?guī)r與碎屑巖的巖性界面不再是沿著原來地震拾取最大波峰處[19]，而是在該界面附近漸變和穿越（圖5-b）。通過實(shí)鉆結(jié)果標(biāo)定，該界面之上的高阻抗即為泥巖底部的石灰?guī)r沉積。

圖3 剩余地震信號(hào)匹配追蹤與原始地震剖面對(duì)比圖

圖4 剩余地震信號(hào)匹配追蹤與原始地震平面圖對(duì)比圖

表1 單井儲(chǔ)層及巖性厚度統(tǒng)計(jì)表

圖5 剩余地震信號(hào)匹配追蹤反演剖面效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）調(diào)諧效應(yīng)石灰?guī)r頂界的強(qiáng)反射界面掩蓋了地層橫向變化的信息，通過厚度約束匹配追蹤法對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，改善了石灰?guī)r頂界的橫向分辨率，還原了“串珠”狀反射完整的形態(tài)，為設(shè)計(jì)井準(zhǔn)確鉆遇儲(chǔ)層頂提供參考信息。

2）基于褶積模型的井震聯(lián)合反演將重構(gòu)地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為巖性信息，反演結(jié)果顯示巖性界面不再沿最大波峰拾取，而是在該界面附近漸變和穿越，為識(shí)別泥巖底部的石灰?guī)r沉積提供參考依據(jù)。

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（修改回稿日期 2016-10-31 編 輯陳 玲）

Carbonate reservoir top boundary layer identification based on thickness-restricted matching pursuit algorithm

Gao Yanfang1, Li Chuang1, Chen Jun1, Li Jianhai1, Yang Zhong2
(1.Northwest Branch of PetroChina Petroleum Exploration & Development Research Institute, Lanzhou Gansu, 730020, China; 2.Chengdu Crystal Petroleum Technology Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.45-50, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

There are two peculiar geological phenomena in the interface between an Ordovician carbonate reservoir and clastic rock strata in the central Tarim Basin: limestone is developed locally in the period of shale deposition presenting paracontinuity with the underlying limestone deposition; karst carbonate reservoirs develop on the unconformity surface of limestone top layers, and the reservoir impedance is similar to that of those overlying shale layers. That's why "diachronism" may occur in the seismic record, which covers the actual reservoir and strata information. For this reason, the residual signal matching pursuit algorithm was proposed based on thickness restriction to explore much more accurate seismic information for the characterization of geological bodies. First, the original seismic data were decomposed into many atoms with different frequencies as the constraint to the thickness of the geological body. Then, the decomposed low-frequency atoms were rejected with their resolution ratio lower than the geological body, while the top-class atoms were screened from the left characterizing the geological body to make seismic signal reconstruction. Finally, the re-obtained seismic data were applied to predict the reservoirs and limestone strata distribution. From the re-constructed seismic profile in the practical application of this method in R well area, the real location of the top of "string beads" was revivified, and in combination with the seismic inversion, the carbonate reservoirs deposited partly at the bottom of mudstones were successfully identified. This method provides evidence for further seismic data interpretation planning and exploratory well depth designing.

The central Tarim Basin; Ordovician; Carbonate; Mudstone; Diachronism; Thickness restriction; Matching pursuit; Seismic signal reconstruction; Seismic inversion

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.006

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號(hào)：2016ZX05004-003）。

高妍芳，女，1985年生，工程師，碩士；主要從事地震反演方法的研究工作。地址：（730022）甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)雁兒灣路525號(hào)。電話：（0931）8686128。ORCID: 0000-0001-5375-9270。E-mail: gaoyanf@petrochina.com.cn