基于頻陷特征的薄層砂地比預測方法及應用
——以阿爾及利亞X區塊為例

袁野，韓文明，趙紅巖，劉瓊，陳全紅

中國海洋石油國際有限公司海外技術支持中心，北京 100028

阿爾及利亞X區塊地表被沙漠覆蓋，主要目的層埋深近4000m，上覆巨厚膏、巖鹽，導致深層地震資料高頻成分缺失，地震主頻較低僅有18Hz，可以分辨的地層厚度約為60m。同時研究區目的層上覆火成巖，通過已鉆井合成地震記錄標定顯示，在低分辨資料背景下，目標砂巖儲層的地震反射特征完全淹沒在火成巖與下覆大套泥巖間的強波阻抗界面之內(見圖1)，導致地震儲層預測難度較大，常規地震儲層預測方法效果不佳。

圖1 合成地震記錄標定圖Fig.1 Calibration diagram of synthetic seismic records

針對低分辨率地震強屏蔽下的薄儲層預測這一難題，目前國內外研究主要集中在時域分析和頻域分析2個方向。時域分析主要從地震資料中提取振幅類信息，以調諧振幅作為研究的主要手段：文獻[1，2]運用薄層模型分析振幅與厚度間的關系預測薄層厚度，但主要基于模型進行研究，未開展實際資料應用；文獻[3]基于90°相位剖面運用調諧振幅預測薄層厚度，但90°相位技術對單砂體厚度有一定要求，在此次研究區不適用；文獻[4]開展了處理解釋一體化的調諧振幅分析研究，但處理解釋一體化的組織方式在海外區塊難以實踐。頻域分析主要運用小時窗對地震資料進行譜分解，聚焦薄層所在地震反射同相軸上下的頻率特征[5]：文獻[6,7]分析了峰值頻率與薄層間的關系；文獻[8]分析了薄層瞬時頻譜的峰值頻率和陷頻頻率特征；文獻[9]運用譜反演方法識別薄層，但相關研究主要基于模型數據，未開展實際資料應用；文獻[10]運用分頻方法開展薄層儲層預測，但也指出分頻方法受地震資料信噪比影響較大，縱向分辨率也有極限；文獻[11]運用譜分解方法預估薄層厚度，但也指出研究主要針對大套泥巖中的薄砂巖預測，對此次研究靶區的“砂包泥”巖性組合是否適用也需要開展進一步分析。

通過調研分析，筆者發現頻率信息對薄層頂底的反射系數不敏感，對厚度更敏感，在對儲層砂地比的預測中，頻域方法相比時域方法多解性更低，穩定性更好。為此，在前人研究基礎上，通過分析薄儲層的調諧效應在頻率域引發的能量譜變化特征，利用模型試算提出了利用第一頻陷處能量屬性表征砂地比的思路；在研究區基于實際資料開展屬性的提取和應用，已鉆井顯示提取的屬性與目的層段砂地比具有較好的相關性；相關研究為儲層“甜點”預測和評價井部署提供支撐，并得到了新鉆井R-1井的驗證。

1 方法原理

圖2 振幅和時間分辨率與地層厚度變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of amplitude and time resolution and formation thickness variation

在頻率域，薄層調諧效應表現為薄層頂底反射相互干涉導致的周期性頻陷現象[13]。假定某一薄層頂底界面的反射系數分別為r1和r2，透射系數分別為t1和t2，通過薄互層的地震波為f(t)，其對應頻譜為g(jω)，薄層頂底界面的雙程旅行時為τ，則當地震波通過薄層后，在地面接收到的地震反射波為頂底反射波的疊加，可以表示為：

r(t)=r1f(t)+t1r2t2f(t+τ)

(1)

對應的頻譜表示為：

r(jω)=(r1+t1r2t2e-jωτ)g(jω)

(2)

薄層可以認為是一個濾波器，改變了入射地震波的頻譜特性，它的頻譜特征k(jω)可以表示為：

k(jω)=r1+t1r2t2e-jωτ=r1+t1r2t2cosωτ-jt1r2t2sinωτ

(3)

假設地震波垂直入射，反射系數極小，透射系數接近于1，此時薄層的濾波頻譜特征可以簡化為：

k(jω)=r1+r2cosωτ-jr2sinωτ

(4)

此基礎上，再假設薄層頂底界面的反射系數大小相等，正負相反，如厚泥巖中夾薄砂或厚砂中夾薄泥時，則有r1=r，r2=-r，此時的薄層濾波頻譜特征可以表示為：

k(jω)=r(1-cosωτ+jsinωτ)

(5)

對應的振幅譜為：

(6)

對應的能量譜為：

|k(jω)|2=2-2cosωτ

(7)

可以看到，薄層的能量譜為一周期函數，當ωτ=2n-π，n=1,…,N，N→∞時，能量譜達到極值，出現陷頻現象。第n個陷頻為：

(8)

相鄰2個陷頻的頻率之差為：

(9)

理論上看，這種頻陷特征與薄層的厚度有密切關系。通過式(7)可以看到，在第1個頻陷處，地震反射的能量譜和薄層的厚度呈反比關系。因此通過對薄地震反射頻率特征的分析，可以預測薄儲層厚度的分布。

2 頻陷特征正演與屬性構建

為探討薄層能量譜與厚度間的關系，基于研究區“砂包泥”的巖性組合特征，通過設計薄層楔形模型以開展正演分析。根據已鉆井揭示的地層巖性組合和厚度變化特征，在大套海相低速泥巖(Layer1，Layer6)內設置了多套自上而下依次為45m火成巖(Layer2)、5m泥巖(Layer3)、35 m砂巖(Layer4)和0～15m楔形薄泥巖(Layer5)的地質模型(見圖3(a))。各層模型巖性參數和厚度取值如表1所示，采用16Hz負極性雷克子波進行自激自收正演模擬，時間域正演地震道如圖3(b)所示。

表1 正演模型參數取值

圖3 正演模型與剖面圖Fig.3 The diagrams of forward modelling and profile

圖4 正演模型第1個頻陷處能量極小值與砂地比交會圖Fig.4 Crossplot of energy minimum at the first frequency notch and sand ratio of forward modelling

對比地質模型，正演地震道中低頻強波谷(藍色反射同相軸)為火成巖頂面反射界面，低頻強波峰(紅色反射同相軸)為砂巖底面反射界面。為進一步分析砂巖中薄層楔形泥巖的頻率特征，以上述強波谷和波峰反射峰值為時窗上下界對地震道進行譜分解。在頻率域，可以看到在地震主頻16Hz處出現能量譜峰值，而隨著頻率的增大，在約53Hz處出現了第1個頻陷，在約80Hz處出現了第2個能量譜峰值(見圖3(c))。這也與式(9)和表1中的參數計算得到的頻率變化周期相符合(周期Δf=1/(35/4500×2)≈64，與圖3(c)中2個能量譜峰值間頻率差一致)。在第1個頻陷處沿該頻陷以小時窗提取了能量譜極小值，并與正演模型中Layer4和Layer5代表的砂巖儲層段的砂地比進行交會分析，結果顯示兩者呈反比關系(見圖4)。

3 應用

阿爾及利亞X區塊的主力儲層為三疊系河流相砂巖，其埋藏深度深(大于3500m)，成巖作用強，儲層厚度薄(30～50m)，砂地比高(40%～90%)，呈典型“砂包泥”特征[14]。已鉆井揭示該套儲層厚度橫向變化大，儲層物性主要受成巖作用影響，在河道疊置關系較好的主體區，砂地比較高，儲層物性普遍較好(見圖5)。因此，開展研究區儲層砂地比預測能直接指示儲層“甜點”的分布特征，對探井和評價井的部署具有重要意義。

圖5 研究區已鉆井孔隙度與砂地比交會圖 Fig.5 Crossplot between sand ratio and porosity for drilled wells in the study area

以該區三維疊前時間偏移地震資料為基礎，沿目的層之上和之下地震反射同相軸為時窗頂底進行譜分解，得到頻率域剖面(見圖6)，剖面位置見圖7。在頻率域剖面上可以觀察到第1個頻陷，提取該頻陷處的能量譜極小值，得到了第1個頻陷處能量極小值屬性(見圖7)。將已鉆井處屬性值與儲層砂地比進行交會分析，可以看到兩者呈反比關系，與正演楔形模型的特征保持一致(見圖8)。以70%砂地比對應的第1個頻陷處能量極小值屬性為閾值，在屬性平面上表征研究區相對高砂地比的河道主體區。

圖6 實際三維地震目的層段頻率域剖面Fig.6 Frequency domain profile of actual 3D seismic target layer

圖7 第1個頻陷處能量極小值屬性圖Fig.7 Energy minimum attribute graph at the first frequency notch

圖8 已鉆井第1個頻陷處能量極小值與砂地比交會圖Fig.8 Crossplot between the energy minimum at the first frequency notch and sand ratio of drilled wells

基于屬性分析結果，研究區東南部河道主體為南東-北西向展布，西南部河道主體為近南-北向展布，指示了2支不同方向的物源(見圖7)。在2支物源交會處的R-1井儲層段砂地比達到75%，鉆遇油層18m，滲透率可達235mD，DST測試日產輕質油超過千方，均創下了研究區新高。

4 結論

運用正演模型分析了薄儲層在頻率

域的調諧效應特征，基于頻陷特征構建了第1個頻陷處能量極小值屬性，并在實際資料進行應用，取得較好應用效果。

1)厚層地層中的薄層在地震資料的頻率域會出現周期性的頻陷特征，頻陷出現的周期與薄層厚度有關。

2)基于理論分析和正演模型驗證，在第1個頻陷處地震反射的能量譜和薄層的厚度呈反比關系。利用第1個頻陷處的能量極小值屬性可以一定程度上表征薄砂巖層段的砂地比。

3)該方法具有較好的可操作性，在實際資料應用中取得較好效果，具有一定的推廣應用價值。