基于數(shù)字分析識(shí)別縫洞性碳酸鹽巖有效儲(chǔ)層

摘 要：縫、洞的正確預(yù)測(cè)和識(shí)別對(duì)開發(fā)碳酸鹽巖儲(chǔ)層有極其重要的意義，但四川盆地碳酸鹽巖開發(fā)井特殊測(cè)井資料較少，導(dǎo)致縫、洞識(shí)別存在一定的困難。本文在充分利用常規(guī)測(cè)井資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)分析中的小波多尺度分析方法提取出自然伽馬（GR）、雙側(cè)向電阻率（RD、RS）等測(cè)井曲線的低頻信息及聲波時(shí)差測(cè)井（AC）曲線高頻信息，并綜合它們劃分出小波識(shí)別裂縫層段，并總結(jié)出可依據(jù)聲波時(shí)差S（拉普拉斯變換）時(shí)頻分析后的時(shí)頻域能量譜上高能量分布特征劃分出縫、洞發(fā)育層段，為四川盆地海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層縫、洞識(shí)別提供了參考。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽巖;儲(chǔ)層識(shí)別;小波多尺度分析;時(shí)頻分析

0 引言

四川盆地海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有復(fù)雜的巖石成分、中--低孔、中--低滲、較強(qiáng)非均質(zhì)性等特點(diǎn)[1]，這些特點(diǎn)導(dǎo)致儲(chǔ)層的劃分和評(píng)價(jià)難度增大。對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層，縫、洞是常見的儲(chǔ)集空間類型，且裂縫又可成為儲(chǔ)層的主要滲透通道，因此縫、洞是形成有效儲(chǔ)層和油氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[2]，如何正確識(shí)別縫、洞對(duì)開發(fā)碳酸鹽巖儲(chǔ)層有著極其重要的意義。

特殊測(cè)井方法可以直接顯示縫、洞的特征等，例如成像測(cè)井，但其施工成本較高。加之川東北井深較深，水平井較多，導(dǎo)致測(cè)井施工難度較大，因此提高常規(guī)測(cè)井方法識(shí)別縫、洞成為了重要的研究課題。

1 縫洞性儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)的數(shù)字信號(hào)分析特征

小波多尺度變換：前人研究表明[3-4]，通過(guò)小波多尺度處理，在合適尺度上重構(gòu)的聲波時(shí)差高頻信息和雙側(cè)向電阻率低頻信息有利于裂縫發(fā)育層段的準(zhǔn)確識(shí)別，即在裂縫層段，聲波時(shí)差高頻信息會(huì)出現(xiàn)起伏波動(dòng)的高頻特征，其高頻能量信息表現(xiàn)出明顯的高值;低頻雙側(cè)向電阻率正、負(fù)幅度差異更明顯。

時(shí)頻分析：司馬立強(qiáng)[5]曾將儲(chǔ)層電阻率信息映射在其短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻面頻譜能量特征上，通過(guò)求取電阻率曲線間微差形態(tài)波形信號(hào)的頻譜能量特征，提取出裂縫發(fā)育信息。其研究表明，裂縫引起的雙側(cè)向電阻率間差異在時(shí)頻域能量譜上會(huì)出現(xiàn)高幅值（高能量）的反應(yīng)，且裂縫越發(fā)育，雙側(cè)向電阻率間差異越大，能量譜上能量越高。

從數(shù)字信號(hào)分析可知，一維情況下，拉普拉斯變換（S變換）是短時(shí)傅里葉變換的普遍形式，兩者本質(zhì)差不多。聲波時(shí)差曲線屬于一維數(shù)據(jù)，且縫、洞會(huì)引起聲波時(shí)差的增大。理論上講，對(duì)聲波時(shí)差測(cè)井做S時(shí)頻分析，可用其時(shí)頻域能量譜的高低能量變化特征劃分縫、洞發(fā)育層段。本文將在實(shí)例中進(jìn)行分析，探究成像上的縫洞性儲(chǔ)層與能量譜上高能量間的層段是否具有一致性，進(jìn)而驗(yàn)證該方法的可行性和識(shí)別效果。

2 縫洞性儲(chǔ)層識(shí)別方法

2.1 小波多尺度分析理論

對(duì)某一個(gè)實(shí)際的載有特定信息的信號(hào)而言，如果其載有的信號(hào)由不同成分構(gòu)成，那么這些成分各自對(duì)總信號(hào)的貢獻(xiàn)大小隨著被探測(cè)體的不同而不同。測(cè)井曲線是載有地層信息的信號(hào)，該信號(hào)的總能量為地層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)、裂縫、巖性及巖相等不同頻率響應(yīng)的信號(hào)能量之和[6]。由于小波多尺度分析后的能量與原始信號(hào)能量之間存在常數(shù)比例關(guān)系，因此在對(duì)測(cè)井信號(hào)進(jìn)行多尺度處理后，將不同頻率成份的信息分離在不同的尺度上，在合適的尺度上，能夠突出某種信息，而減少其他信息的影響。

小波多尺度分析理論是測(cè)井多尺度分析方法建立的基礎(chǔ)。常規(guī)測(cè)井曲線是在深度域按等間距采樣而獲得的離散信號(hào)，根據(jù)信號(hào)分析理論可將其視為非平穩(wěn)離散深度信號(hào)[7]，通常采用離散小波變換：

常規(guī)測(cè)井曲線多尺度分析的具體步驟如下：

①對(duì)測(cè)井曲線作預(yù)處理;②小波基函數(shù)的選取;③多尺度分解最佳尺度的確定（圖1）。分辨效果最好的定義為：該尺度下的低頻信號(hào)能較好的反映出測(cè)井曲線的概貌，同時(shí)，高頻小波系數(shù)的變化與待研究的問(wèn)題具有一定的對(duì)應(yīng)性;④多尺度重構(gòu)測(cè)井曲線。通過(guò)多尺度分解后的低頻小波系數(shù)和高頻小波系數(shù)，能完全重構(gòu)測(cè)井信號(hào)曲線。

2.2 時(shí)頻分析

時(shí)頻分析是時(shí)頻聯(lián)合域分析的簡(jiǎn)稱，是分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具。時(shí)頻分布能表明信號(hào)的時(shí)變頻譜特征和能量密度的分布，能提供時(shí)間域與頻率域的聯(lián)合分布信息，清楚描述信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系，能同時(shí)描述信號(hào)在不同時(shí)間和頻率的能量密度或強(qiáng)度，在每一時(shí)間指示出信號(hào)在瞬時(shí)頻率附近的能量聚集情況。

Stockwell等基于前人研究成果提出了S變換，S變換繼承和發(fā)展了短時(shí)傅里葉變換和小波變換的局部化優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了它們的不足，采用與頻率有關(guān)的可變的高斯窗函數(shù)。

S變換與傅里葉變換存在如下關(guān)系：

3 實(shí)例分析

3.1 河壩2井

圖2為河壩2井裂縫識(shí)別處理結(jié)果，該井段為飛仙關(guān)三段地層，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)含量較少。測(cè)井解釋了1層二類氣層，2層含氣水層。

對(duì)RD、RS及濾波后的GR、AC曲線做3級(jí)多尺度處理，在尺度3上重構(gòu)GR低頻（第1道）、AC高頻（第5道）、RD和RS低頻信息（第7道），求取AC高頻信息的能量曲線（第6道），最后對(duì)AC曲線做時(shí)頻分析（第10道）。與原始曲線相比，GR的低頻系數(shù)曲線在去除高頻干擾的同時(shí)，保持了原始GR曲線的起伏變化特征;RD和RS低頻系數(shù)曲線去除了高頻干擾，保持了電阻率的高低變化特征，并使得深淺側(cè)向幅度差異更明顯，據(jù)此可更精確地劃分滲透層與非滲透層。AC曲線時(shí)頻分析的能量譜較好表現(xiàn)出AC曲線在時(shí)頻域上高低能量的分布特點(diǎn)。

在裂縫發(fā)育層段（圖2），AC高頻曲線會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的AC高頻能量曲線為高值則更好的反應(yīng)出了裂縫發(fā)育特征;在致密層段，AC高頻曲線會(huì)比較平直，因此其高頻能量會(huì)表現(xiàn)出低值特征;同時(shí)在裂縫發(fā)育層段，低頻電阻率值低于致密層，低頻深、淺側(cè)向電阻率表現(xiàn)出較小的幅度差，或無(wú)幅度差。綜合兩者的信息可更準(zhǔn)確地劃分出裂縫發(fā)育層段，圖中第8道為小波識(shí)別的裂縫層段，第9道為成像測(cè)井識(shí)別的裂縫發(fā)育層段，兩者之間有較好的一致性（表1）。第10道的AC時(shí)頻域能量譜上（橙色為高能，藍(lán)色為低能），5097.0-5108.2m段時(shí)頻能量與上下圍巖相比，較高頻率的能量都比較高，且能量出現(xiàn)峰值，與之對(duì)應(yīng)的為成像裂縫發(fā)育段（5097.8-5112.0m）。

通過(guò)綜合分析，小波識(shí)別的裂縫層段與時(shí)頻分析能量譜上高能層段均為裂縫比較發(fā)育的儲(chǔ)層段。

3.2 元壩10井

圖3為元壩10井7085.0-7134.0m碳酸鹽巖儲(chǔ)層縫、洞識(shí)別處理的結(jié)果。此井段為長(zhǎng)興組地層，巖性主要灰?guī)r、含泥灰?guī)r夾灰色含云灰?guī)r、生屑灰?guī)r。測(cè)井解釋了1層含氣水層，2層水層。

本井段除有裂縫外，孔隙也比較發(fā)育，成像圖像上可見清晰的溶蝕特征，反映出白云巖后期溶蝕特征明顯，是典型的縫--洞性儲(chǔ)層段。

圖中小波多尺度分析識(shí)別的結(jié)果與成像裂縫發(fā)育段對(duì)比有很好的一致性;時(shí)頻分析高能層段與成像資料解釋的縫、洞發(fā)育層段也具有較好的一致性（表2）。

通過(guò)綜合分析，小波識(shí)別的裂縫層段與時(shí)頻分析能量譜上高能層段均為縫、洞比較發(fā)育的儲(chǔ)層段。

綜合實(shí)例分析可知，在常規(guī)測(cè)井資料的基礎(chǔ)上，可通過(guò)小波變多尺度分析識(shí)別的裂縫層段和AC時(shí)頻域能量譜上的高能量集中分布來(lái)識(shí)別縫洞性儲(chǔ)層。

4 結(jié)論

①對(duì)聲波時(shí)差曲線進(jìn)行多尺度分解，選擇合適尺度重構(gòu)聲波高頻信息和求取對(duì)應(yīng)的高頻能量，這兩者能夠清晰地顯示川東北碳酸鹽巖地層飛仙關(guān)、長(zhǎng)興組的裂縫發(fā)育層段;

②在小波多尺度分析的基礎(chǔ)上，綜合GR等其他常規(guī)測(cè)井曲線，并結(jié)合聲波高頻能量信息和電阻率低頻信息，能夠確定川東北碳酸鹽巖地層飛仙關(guān)、長(zhǎng)興組的裂縫發(fā)育層段;

③S時(shí)頻分析后的聲波時(shí)差曲線，在縫、洞發(fā)育段，時(shí)頻能量譜上會(huì)形成能量聚集團(tuán)量）。通過(guò)常規(guī)測(cè)井資料解釋和數(shù)字信號(hào)分析處理，可識(shí)別出縫洞性碳酸鹽巖有效儲(chǔ)層。

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作者簡(jiǎn)介：

唐寅旭（1986- ），男，漢族，碩士研究生，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)工程專業(yè)，目前職稱：工程師，現(xiàn)從事測(cè)井資料處理與解釋工作。