基于頻率域高頻恢復技術的頁巖氣薄儲層識別方法
——以四川盆地瀘州地區深層頁巖氣為例

康 昆 楊衛寧 李文佳 李鴻明 王 夢 呂康馨

1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司西南物探研究院 2.中國石化西南石油局西南油氣分公司采氣一廠

0 引言

下寒武統筇竹寺組、上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組是四川盆地下古生界的3套優質黑色頁巖，其中下志留統龍馬溪組具有分布面積廣、厚度大等特點，具備較好的生烴能力，是四川盆地主力烴源巖，其中志留系龍馬溪組龍一11-2小層頁巖是目前四川盆地川南地區頁巖氣勘探開發的主力層段[1]。當前，我國頁巖氣勘探開發已進入增儲上產的關鍵時期，在頁巖氣開發中，水平井鉆遇率是決定開發效果的關鍵影響因素。志留系龍馬溪組龍一11-2小層厚度約10 m，其中黃金箱體厚度僅3～5 m。由于地震縱向分辨率受限，在常規三維地震剖面中無法識別龍一11-2小層，導致在水平井鉆進中常常鉆出箱體，大大影響了水平井鉆遇率[2-4]，進而影響頁巖氣開發效果。

隨著頁巖氣地震勘探開發的深入，通過提高地震分辨率識別龍—11-2小層已成為迫切需求，在開發過程中，為了提高箱體（龍一11-2小層）的鉆遇率，開展疊后高分辨處理技術研究來識別龍一l1-2小層，為水平井井位部署、井軌跡優化以及保證頁巖氣水平井準確入靶及鉆進提供支撐[5-7]。

目前國內外針對薄層識別、高分辨率地震資料處理方面已經做了大量研究，并取得較好成效，尤其是在利用地震資料開展薄砂層識別技術和方法上已經有了很大突破。在地震處理中，有許多方法可提高地震分辨率、擴展信號帶寬，如地震資料處理常用的疊前和疊后反褶積（包括地表一致性處理、反Q、譜白化等方法），精細速度分析（包括表層速度模型建立），高精度靜校正及小波變換等方法都會提高分辨率。但這些方法在提高分辨率的同時通常會增加噪聲，而且預期改進量小于一個倍頻程（移頻效應），其有效性值得進一步探討商榷。而高分辨率地震資料處理的關鍵在于如何有效地拓寬信號頻帶范圍，特別是合理的拓寬高頻。只有在拓展高頻成分的同時保持低頻成分，并且不降低地震數據的信噪比，高分辨率處理方法才有實用價值[8-13]。

針對上述問題，本文基于頻率域的高頻恢復技術是一種以信號時頻分解技術為基礎，根據信號諧波準則，對地震信號缺失的高低頻信息進行恢復的地震信號高分辨率處理技術。該方法利用有效頻帶內的地震信號，采用小波變換將其分解為各基頻信號，根據諧波準則計算各基波的諧波與次諧波，將其回加入原小波系數中，進行小波逆變換即可實現信號缺失的高低頻恢復。理論數值實驗與實際資料處理均證實了該技術的可靠性和科學性，本文方法為薄儲層識別提供了又一有力工具，保障了水平井優質儲層鉆遇率，具有較好應用和推廣價值。

1 模型正演分析

四川盆地志留系龍馬溪組自下而上分為龍一段和龍二段，龍一段自下而上分為龍一1亞段和龍一2亞段，根據巖性、電性特征和沉積構造的差異進一步將龍一1亞段可細分為龍一11、龍一12、龍一13、龍一14四個小層，目前頁巖氣開發主要目的層段龍一11-2小層的厚度都小于10 m。開展提高分辨率處理的主要目的是識別龍一11-2小層位置，為水平井軌跡設計奠定基礎。

由實鉆井建立的正演模型（圖1）可知，龍一1亞段頂界在常規地震剖面頻率段（通常為5～60 Hz）表現為一波谷反射，底界為強波峰反射。通過不斷提高正演雷克子波最大有效頻率，龍一1亞段頂界波谷反射逐步集中，變窄。當最大頻率到150 Hz時，龍一12小層底界為一弱波峰反射，龍一14小層底界表現為弱波谷反射。

圖1 LXX井儲層模型正演圖

根據實際地質模型建立二維地震正演模型，由正演結果（圖2）可知，當子波（雷克子波）頻帶從5～60 Hz逐步提升到5～100 Hz時，五峰組頂底界波峰逐步收窄，龍一1亞段整體為波谷反射，波形逐漸變窄。當子波頻帶提升至5～130 Hz，龍一1亞段波谷變為復波，提升至140 Hz時開始出現弱波峰反射，至150 Hz時波峰反射變清晰。同時，正演結果顯示，無論地震分辨率提高多少，五峰組底界強波峰反射相位特征始終保持一致，不隨頻率的提高而發生改變。

圖2 實鉆井地質模型及不同頻率段帶通子波正演圖

2 原始資料分析

評價原始疊前時間偏移地震資料可知，本次地震資料信噪比相對較高，區域標志層地震反射特征清晰。從地震頻譜來看，地震數據主頻為25 Hz，有效頻率介于10～50 Hz（圖3），此時最大可識別頁巖厚度為50 m，遠遠不能滿足實際地質對薄層分辨的需求。

圖3 目的層段地震數據頻譜圖

3 提高分辨率處理

3.1 方法原理

地震分辨率是地震勘探工作中獲取地層細節信息的關鍵因素。分辨率包括縱向分辨率和橫向分辨率，縱向分辨率通常是地震信號的頻率函數，因而，拓展地震資料帶寬問題一直是地球物理研究的重點領域[14]。

基于諧波理論的地震信號頻帶拓寬技術，是一種以信號時頻分解技術為基礎，根據信號諧波準則，對地震信號缺失的高低頻信息進行恢復的地震信號高分辨處理技術。該技術利用有效頻帶內的地震信號，采用小波變換將其分解為各基頻信號，根據諧波準則計算各基波的諧波與次諧波，將其回加入原小波系數中，進行小波逆變換即可實現信號缺失的高低頻恢復，該方法為薄儲層識別提供了又一有力工具[15-18]。

該技術主要根據傅里葉變換諧波分析原理，采用了地震信號的諧波模型：

式中s(t)表示地震信號；mk(t)代表單個時變諧波成分；e(t)表示噪聲或者干擾。

利用小波變換對地震信號進行時頻分解，得到一系列的基頻分量。對于分解出的每一個時變諧波分量（或稱為基頻分量），可視為某種頻率下地層反射系數的諧波分量。在已知基頻分量的情況下，通過計算出基頻分量的k次諧波分量，當k為大于1的整數時，相當于計算恢復了基頻分量的高次諧波分量，即恢復了高頻信息；當k為小于1，大于0的真分數時，相當于計算恢復了基頻分量的次諧波分量，即恢復了低頻信息。

3.2 處理參數試驗

針對預處理后的地震數據，不斷調試參數，選擇既能滿足薄層識別要求，又能保持信噪比的參數。通過高分辨處理參數試驗，本次的地震資料最大頻率提高到140 Hz，就能有效識別龍一12小層底界面。

4 可靠性分析

通過高分辨處理，獲得高分辨率地震數據體，下步將進行裂縫預測、屬性分析、優質頁巖預測，因此，有必要研究高分辨率處理的可靠性和有效性。

本次處理采用了一套嚴謹的資料可靠性分析流程，從3個方面對處理結果的可靠性及有效性進行了驗證。

4.1 可恢復性

處理結果不能破壞原始地震資料的有效信息，處理后的資料可以或近似恢復到原始地震資料。很多地球物理學家對地震資料的分辨率與頻帶的關系做了大量的研究，俞壽朋[19]對地震分辨率做了詳細的論述，指出在子波是零相位的情況下，分辨率取決于頻率的絕對寬度而非主頻。李慶忠[20]指出不同的頻率成分有不同的用處，特別強調了不能忽視低頻能量對地震資料分辨率的作用。因此真正的高分辨率處理結果是高頻部分能夠得到提高，低頻部分也能夠保持，這樣才是真正拓寬了地震資料的有效頻帶。而多數提高分辨率處理技術只注重高頻部分能量的提升，往往忽視低頻部分能量的保持，得到視分辨率很高的地震剖面，但由于低頻能量的損傷或者相對降低，破壞了地震信息的空間連續性，不利于后續地震屬性提取和反演，因此不能用于后續綜合解釋的提高分辨率處理是缺少實用價值的[21-22]。

根據目的層 1 500 ～ 2 100 ms時窗內的頻譜特征（圖4），以原始資料的有效頻寬為基礎，按照2個頻段（0～50 Hz中低頻分量、50～140 Hz高頻分量）分別進行掃描。其中0～50 Hz處理前后頻譜整體形態基本一致，50～140 Hz頻譜特征差異較大，處理后頻譜拓寬，高頻部分能量提高。

圖4 高分辨率處理前后頻譜對比圖

對比處理前全頻段數據與處理后的高頻分量，處理后的高頻分量較好地保持了原有地層結構信息和波組能量特征。并且在處理后的高頻分量數據上可以反映出更多在原始數據上無法得到的地層細節信息。

4.2 反射波屬性的保持

處理不能破壞原始地震資料中反射能量的分布特征和空間分布關系。地震反射波屬性分析是檢驗提高分辨率結果可靠性及有效性的另一個常用手段。為此，通過對高分辨處理前后的地震數據開展瞬時屬性提取與對比，驗證處理結果可靠性。

瞬時振幅屬性反映了給定時刻反射信號能量大小及能量衰減情況，本次研究主要通過瞬時振幅處理前后相對振幅變化特征做對比，以確定其結果保幅性。圖5為高分辨處理前后瞬時振幅對比剖面，對比結果顯示，原始數據瞬時振幅在縱向上五峰組底界層位為強反射特征，下部為中弱反射特征。處理后瞬時振幅的橫向相對變化特征保持不變，但分辨率提高，細節更加豐富。高分辨處理后斷層邊界更清晰，其瞬時振幅變化趨勢也一致，表明處理結果保幅（圖6）。

圖5 過井高分辨率處理前后瞬時振幅屬性對比剖面圖

圖6 過井高分辨率處理前后瞬時振幅屬性對比平面圖

4.3 與鉆井資料的可對比性

處理結果與鉆井數據可對比，通過鉆井數據標定，結果吻合。圖7為高分辨率處理前、后的合成記錄與過井地震道對比，可見五峰組底界標志層強反射同相軸波形完全一致，僅由于分辨率提高導致其縱向寬度變窄，說明反射界面的反射特征得到很好地保持。處理前、后的波組特征（強波組、弱波組的分布）變化規律完全一致，表明處理結果未改變資料的橫向保幅性。

圖7 高分辨處理前后合成記錄標定對比圖

5 實際應用效果分析

5.1 基于高分辨率地震資料的精細儲層預測

圖8為過井高分辨率處理數據與波阻抗剖面圖。通過標定可知，五峰組底界以下為高阻抗特征，色標表現為綠色，波阻抗值在13 500 g/cm3·m/s以上。五峰組底界到龍一11小層之間，以低波阻抗為主，其值小于 10 500 g/cm3·m/s，地震波阻抗反演色標顯示為藍色—紫紅色。龍一11小層為中波阻抗特征，波阻抗值介于 11 000 ～ 13 000 g/cm3·m/s之間，地震波阻抗反演色標為紅色—黃色。龍一12-4小層之間為高波阻抗特征，其值在 13 500 g/cm3·m/s以上，地震波阻抗反演色標為綠色。波阻抗反演剖面基本能區分龍一1亞段各小層，但受模型影響，地層邊界模糊，部分地區清晰度不夠[23-25]。

圖8 過井高分辨率處理數據與波阻抗反演剖面圖

5.2 基于高分辨率地震資料的微裂縫預測

首先進行了不同斷距的小斷層正演模型分析，圖9為不同頻率正演模型疊合相位分析剖面，可知在30 Hz（雷克子波）剖面上斷距為5～10 m微小斷層沒有任何響應，而在60 Hz（雷克子波）高分辨率處理后的剖面上相位錯動明顯。由此可見，可以運用高分辨率處理成果來提高微小斷裂的預測精度。

圖9 模型正演疊合瞬時相位剖面圖

圖10為過HXX井鉆井軌跡及相位屬性剖面圖，利用高分辨率相位剖面在隨鉆跟蹤過程中預測井深4 120 m 左右可能出現小斷裂，實鉆過程中在 4 115 m鉆遇小斷裂；井深5 310 m左右提示可能有斷層出現，實鉆過程中在5 315 m左右出現斷層。可見高分辨率相位屬性可對水平段的微斷裂進行預測，對可能鉆遇的斷裂進行預警，為鉆前評估和風險預測提供了技術支撐。

圖10 過HXX井鉆井軌跡疊前深度偏移疊合瞬時相位屬性剖面圖

6 結論

1）基于諧波成像的高分辨處理方法，能雙倍拓展頻寬，同時保證低頻振幅信息和標志層相位不變，結果保真保幅，有利于頁巖薄層識別。

2）基于高分辨率地震資料的儲層預測，縱向分辨率從30 m提高到約10 m，為水平井井位部署、井軌跡設計提供了支撐。

3）利用高分辨率處理成果對水平井鉆井進行隨鉆跟蹤指導，能較好地預判微小斷裂，為預防鉆井事故、提高優質儲層鉆遇率等奠定了基礎，保障了水平井優質儲層鉆遇率，該方法具有較廣泛應用和借鑒價值。