用相干體識別古河道及實際應用

張軍華,李 琴,王延光,馮德永,黃德峰,劉 震

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司物探研究院,東營 257022)

河流相儲層是一類比較有特點的儲層,一般垂直河道的剖面上會有典型的串珠狀反射特征，切片上能看到彎曲的古河道特征[1]。目前,描述河道的方法較多。崔鑫等[2]用儲層反演、均方根屬性切片反演、甜點屬性對河道識別。除了反演[3-5]、屬性提取及融合[6-10]、地層切片[11]等方法,還可以利用模型正演[12]、分頻[13-14]、相干[15-20]等手段描述河道。但是當古河道疊置嚴重、大小不一,地震資料分辨率有限、信噪比又不是很高時,其精細描述會有很大困難[21]。

相干體是一種十分有用的地震解釋技術,它在斷層精細解釋、古河道描述、縫洞及斷溶體刻畫等方面有獨到的作用。胡玉雙等[22]用相干體識別微幅構造,對區(qū)域剩余油進行精細預測。侯業(yè)偉等[23]用相干體識別火成巖斷裂[23]。目前,主流的相干體是第三代相干體,即基于特征值計算的相干體。它有多種表征公式,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“凌亂(disorder)”相干,Wu[18]定義的新相干。

用相干體來描述古河道或進行河流相儲層,不少學者已開展了卓有成效的工作,得到了有價值的研究成果。紀彤洲等[15]應用相干分析技術進行河道儲層預測；于建國等[16]用相干體研究了曲流河沉積亞相；吳海生等[17]借助GeoEast系統(tǒng)相干、分頻等技術識別了三角洲沉積體系中的河道相儲層；Wu[18]研究了方向結構張量為基礎的相干體,并分別進行了斷層與河道的檢測；Li等[19]用多頻相干RGB融合提高了河流相儲層的可識別度；Pham等[20]利用深度學習進行河道自動檢測。

盡管相干體已是一項比較成熟的技術,在古河道識別和描述中人們一般都會使用這項技術,但至今還沒有學者對河道的特征值結構、多種相干的識別機理和效果對比、如何根據(jù)古河道的地震反射特征確定計算時窗等問題,做深入的理論剖析和實際應用測試。在實際古河道資料中,存在較多彎曲河道及小河道,因此,提出新的相干體計算公式用于更精細地識別河道,尤其是彎曲河道及小河道,有助于河流相儲層研究。

通過制作河道三維模型和應用勝利油田老河口河流相工區(qū),提取了古河道的P1(the first eigenvalue)、P2(the second eigenvalue)、P3(the third eigenvalue)特征值,分析了目前國際上有代表性的 5種三代相干的物理含義,提出一種新的相干體計算公式并進行了測試,進一步詮釋了在相干體計算中時窗大小的選取,研究結果對今后開展河流相儲層的精細描述會有所幫助。

1 特征值相干體的計算公式及物理含義

目前主流的相干體應用的是第三代相干,主要有表1所示的5種方法[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、物理意義最清楚的應該是C31(coherence 31),其中λ1是主特征值,代表相干計算子體主要能量[24]。對于某地震三維數(shù)據(jù)體,取相鄰J道N個樣點組成一個N×J的地震子體,用矩陣來表達,DN×J由D構成矩陣CJ×J為

(1)

C31計算公式為

(2)

式(2)中：λ1,λ2,…,λJ是矩陣C的特征值,已按值大小順序排序。

C32(coherence 32)是Randen等[25]2000年提出的,稱之為“Chaos texture”屬性,用以檢測河道,但給出的例子效果并不理想；C33(coherence 33)重點考慮第2特征值和第3特征值的差異,也是較早提出,具體也說不出這種公式的依據(jù)[26]；C34(coherence 34)是在研究斷層兩側梯度矢量變化時提出的[27],河道內(nèi)和河道外,波場有差異,應該可以借鑒；C35(coherence 35)是Wu[18]在研究方向結構張量時提出的,從例子上看可以較好地識別河道。

不過以上方法,沒有河道模型正演的檢驗,沒有特征值的分解特征,因此有必要進行理論分析與解剖。

2 河道模型建立及相干計算理論詮釋

2.1 河道模型建立

設計201線×301道×200 ms長的三維模型:上面有一蓋層,速度為2 500 m/s；中間為河道發(fā)育段,其中圍巖速度為2 600 m/s；下面設計一個界面,下伏地層速度為2 700 m/s。設計3條河道:河道1較長,左半段假設含油,速度較小，為2 400 m/s,到河道2相交處結束,右半段速度為2 500 m/s,河道1時間分布范圍為100～111 ms,厚度為11 ms；河道2總體在河道1的下面,有一定的疊置,時間范圍為108～113 ms,厚度為5 ms,速度為2 500 m/s；河道3縱向上大致介于河道1和河道3之間,時間為 105～108 ms,厚度為3 ms,速度同河道2。圖1展示的切片時間為108 ms,為了便于比較,下面相干計算展示的切片均采用這個時間。

圖1 河道三維速度模型Fig.1 3D velocity model of channel

對以上速度模型計算反射系數(shù),用30 Hz雷克子波褶積,得到圖2所示的地震模型。為了觀察到河道在剖面上的完整特征,顯示時左邊橫測線邊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,它是河道砂體上下界面反極性反射波復合疊加的結果,左下角是河道1截面局部放大圖,這一認識對于實際資料識別河道有指導意義[1]；②速度剖面上河道1在河道2的兩端速度差異不明顯,但在地震模型上變得比較明顯；③上述模型加了最大振幅8%的噪聲,噪聲一定程度上模糊了河道的特征,特別是較小的河道。

圖2 河道三維地震模型(加最大幅度8%的隨機噪聲)Fig.2 3D seismic model of channel (add random noise with a maximum amplitude of 8%)

2.2 相干計算理論詮釋

2.2.1 河道在特征值切片上的特征

對于圖2所示的三維模型,先插值擴充邊界,使其滿足多道相干計算需要。采用3道組合，時窗長度采用21個樣點,按式(1)提取特征值數(shù)據(jù)體(圖3)。從圖3可以看出:①P1特征值較好地反映了河道特征,河道尖滅端特征比原剖面清晰；②P2特征值河道1還比較清楚,但其他兩支河道比較模糊,上下地層的結構也與P1有很大的不同；③P3信噪比已較低,小河道已完全掩埋在噪聲中；④P1因為是主特征值,幅值比P2、P3要大很多倍,這對進一步剖析不同相干計算公式的物理含義有幫助。

圖3 理論模型相干計算特征值數(shù)據(jù)體對比Fig.3 Comparison of eigenvalue data volume for theoretical model coherent calculation

2.2.2 不同相干計算公式效果比較和理論詮釋

按不同方法計算相干體,結果如圖4所示。

(2)C32是以負值為異常的,河道識別效果也還可以,實際解釋時要注意色標與異常的關系,此識別認識與斷層研究有差異[28]。

(3)C33無論是河道識別還是去背景噪聲效果都不好,這是由于其第2和第3特征值比較接近,相減又去不好背景噪聲造成的。

從圖4(c)可以看到,盡管λ2切片的抗噪性沒有λ1強,但它對河道邊緣的成像信息還是比較清楚的,特別是河道1。為此,提出新的相干體表征公式為

(3)

從圖4(f)可以看到,C36(coherence 36)以小值為有利異常,但數(shù)值是正的,可以在實際應用做進一步檢驗與比較。

圖4 理論模型不同計算方法相干體結果比較Fig.4 Comparison of coherence results between different calculation methods for theoretical models

2.2.3 相干體計算時窗大小選取說明

相干體長度以往認識一般認為取一個子波波長上下為妥,以前在研究斷塊油藏時得出的也是這個結論[28]。但是對河流相儲層的識別,中外還沒有模型的檢驗和分析,本模型能彌補這方面的不足,可以更形象地、更準確地得到相關認識。①圖5(b)為時窗長度為7個樣點相干體,由于計算時窗過小,切片和剖面的背景噪聲都比較大；②圖5(c)為時窗長度為21個樣點相干體,相干體的縱向異常基本上能反映河道的串珠包絡特征；③圖5(c)為時窗長度為61個樣點相干體,相干體的縱向異常明顯變長,超過了圖5(a)原始剖面串珠的長度,上面水平界面的識別范圍也被擴大。

圖5 相干體計算時窗與縱向分辨率討論Fig.5 Discussion of coherence computing time window size and vertical resolution

相干體計算時窗大小選取的進一步詮釋，圖6給出了三維模型X51橫測線,圖6中串珠對應河道1截面。圖6中左側展示的是建模所用的30 Hz雷克子波,長度約為60 ms,與串珠整個長度基本相仿。圖6中黑色線段對應λ/3時窗長度,基本上包含串珠能量最強的一個峰和一個谷。當時窗移動到黑色括號位置處,其能量已比較小。這樣取時窗既兼顧了分辨率又包括了地震波主要能量,是比較合理的。圖6中紅色長條用的是一個波長,這樣的時窗,移動到紅色括號位置處,上部還包括強反射能量,分辨率不能滿足要求；如果下伏地層或上覆蓋層還有其他異常,會帶進計算的切片,產(chǎn)生假構造。太小的時窗在此不做詳細討論,主要是信噪比會不滿足要求。綜合來看,對于河流相儲層,取地質異常復合波的1/3長度是比較理想的時窗大小。

圖6 相干體計算時窗大小選取進一步說明Fig.6 Further explanation of selecting time window size for coherence calculation

3 實際資料應用及效果評價

3.1 實際資料河道特征值的切片特征

選取勝利油田老河口實際三維工區(qū)為測試工區(qū),用模型研究所得的經(jīng)驗參數(shù)計算特征值,提取 1 260 ms 時間切片,結果如圖7所示。可以看到P1特征值較好地反映了河道的整體特征:①圖7(b)黑色箭頭所指的主河道延伸更長、更合理,這是因為相干會用到河道切片上下信息,而圖7(a)水平切片只是固定時間的波場反映；②圖7(b)中黃色箭頭的小河道得到更清楚的反映；③藍色圈內(nèi)曲流河河道清晰度增加,但它與原切片中河道相位有變化,河道可能真實位置不在1 260 ms時間處。P2特征值與P1特征值有很大的不同,它展示的主要是河道的邊緣信息,不過信噪比比P1要低很多。P3特征值基本以背景噪聲為主,有用信息已很少。

圖7 實際資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 不同相干計算效果比較及評價

按不同方法對實際資料計算相干體,結果如圖8所示。①C31、C34、C35的結果與模型研究結果一致,C31和C34效果都比較好,人字形河道特征清晰,右側一曲流河特征也比較清楚；②C32也是以負值為異常的,人字形河道信息不清,不過效果不是太好；③C33認識與模型研究一致,效果不好；④C36相干體,河道邊界特征清晰,特別是右側上部的小河道,所以這種方法可以作為一種河流相儲層描述新的地震屬性,發(fā)揮其邊界刻畫中特有的作用。

3.3 時窗大小及相干切片準確性的進一步詮釋

對于實際資料應用,有必要關注并解釋以下3個問題。①相干體上人字形河道頭部的延伸是否準確？從原始切片上,人字形河道兩條“腿”是很清楚的,相干計算后人字形河道頂部自然延伸變長,這是正確的,因為河道不是嚴格水平的,原始數(shù)據(jù)不同位置切片是能看到河道的反射特征的。相干起到濃縮時窗內(nèi)信息的作用,這正好體現(xiàn)了相干體的長處。②相干上可以看到一條比較明顯的曲流河[圖8(a)、圖8(d)、圖8(f)],原始切片上有大概的影子,但有相位變化,這是為什么？在曲流河發(fā)育處切開一個口子(圖9),可以看到在X900橫測線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,但相干體縱向得到的是河道的串珠包絡特征,切片上它是沒有相位的,加上時窗的作用,它能體現(xiàn)完整河道的特征。③相干體識別出來的很多小河道是不是真河道？從圖9的X1050線看,盡管串珠比較小,但還是可以大概看出反射特征。應該說,小河道還是存在的,相干計算特別是C36相干可以增加河道邊緣清晰度,提高解釋的分辨率。

圖8 實際資料不同計算方法相干體結果比較Fig.8 Comparison of coherence results between different calculation methods for real seismic data

圖9 時窗大小及相干切片準確性的進一步詮釋Fig.9 Further explanation about the accuracy of time window size and coherent slice

4 結論

通過模型測試與實際應用,初步可以得出以下結論。

(1)河道識別除了關注切片特征,還分析其剖面,特別是垂直河道的截面特征,一般河道都有比較明顯的串珠特征。

(2)不同的相干體表征公式利用的是其特征值的異同。常規(guī)使用的第1特征值相干是效果較好的相干體,值得進一步推廣使用；第2特征值相干對彎曲河道及小河道有很好的識別效果,值得借鑒。

(3)相干計算的時窗以往研究一般認為取一個波長為好,研究認為不宜以地震波長為衡量尺度,而是以河道地震相(串珠狀的復合波)為識別依據(jù),取復合波的1/3長度為最佳。