秦雪霏，李 巍

中國石油化工股份有限公司華北分公司勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006

0 引言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，烴源巖主要為中生界及古生界煤層及暗色泥巖。煤層于工區(qū)內(nèi)廣泛分布，縱向上多層疊置，厚度較大，局部地區(qū)煤層單層厚度可達(dá)15m以上。多套煤層與砂泥巖直接接觸形成煤、儲(chǔ)互層型地層。由于煤層與圍巖波阻抗差異巨大，地震波傳播過程中造成低頻強(qiáng)反射能量巨大，對(duì)于煤層上覆下伏儲(chǔ)層造成了極強(qiáng)的遮蔽干涉作用，為查明煤系地層儲(chǔ)層真實(shí)空間展布特征帶來了極大不便。實(shí)鉆井揭示，大牛地氣田煤系地層巖性組合較為復(fù)雜，盡管在地震剖面上表現(xiàn)為穩(wěn)定的區(qū)域連續(xù)強(qiáng)反射，而實(shí)際上煤層厚度、埋深、層數(shù)大不相同。因此，借助高精度分析手段對(duì)連續(xù)強(qiáng)反射波中各套煤層準(zhǔn)確識(shí)別，進(jìn)而在三維地震數(shù)據(jù)中消除煤層干涉、準(zhǔn)確識(shí)別煤系地層儲(chǔ)層有效信息，是大牛地氣田井位部署的首要問題。

Wigner-Ville分布（WVD）是一種直接測(cè)量時(shí)間頻率域能量密度分布的時(shí)頻分析方法。張顯文［1］利用正演模擬及實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)多種時(shí)頻分析方法開展對(duì)比，認(rèn)為WVD相比其他方法具有明顯更高的頻率分辨率，Cohen［2］并從理論上證實(shí)了這一結(jié)論。Li等［3－5］利用 WVD時(shí)頻分析方法對(duì)地震信號(hào)開展了頻衰減檢測(cè)，進(jìn)而應(yīng)用到塔中地區(qū)奧陶系礁灘相碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中，認(rèn)為WVD得到的瞬時(shí)能量譜中的中高頻段能量與低頻段能量衰減速率明顯不同，以此可以有效區(qū)分礁灘相和瀉湖區(qū)，并且很好地描述了礁灘儲(chǔ)層分布特征，證實(shí)了該方法的頻率分辨率優(yōu)勢(shì)。姜傳金等［6］利用 Wigner雙譜對(duì)角切片譜分解技術(shù)應(yīng)用于某油田目的層段油氣識(shí)別中，取得了明顯的效果。李叢等［7］應(yīng)用平滑 WVD對(duì)大牛地氣田煤系地層上覆H1、S2層開展了分析研究，認(rèn)為利用該方法的高分辨率優(yōu)勢(shì)可以有效解決該地區(qū)厚砂體薄儲(chǔ)層的識(shí)別問題。從前人的研究成果中可以看出，WVD時(shí)頻分析方法對(duì)于識(shí)別具有頻率差異的儲(chǔ)層及其他不同巖性等具有非常明顯的高分辨率優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于煤系地層巖性識(shí)別及特征分析方面開展的研究較少。

在本文中，筆者以大牛地氣田上古生界山西組煤系地層為例，利用 Wigner-Ville分布對(duì)煤系地層強(qiáng)反射波進(jìn)行分析，在對(duì)煤層開展準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上獲得其頻率特征及優(yōu)勢(shì)頻率上限參數(shù)，進(jìn)而利用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)對(duì)煤層形成的強(qiáng)反射進(jìn)行剝離，以使煤系地層內(nèi)部及其上覆下伏儲(chǔ)層得以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。然后，將得到的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆井勾繪砂體厚度圖進(jìn)行對(duì)比，以提高預(yù)測(cè)率。

1 大牛地氣田煤系地層反射特征

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，氣層主要集中分布在上古生界下石盒子組、山西組和太原組。其中，山西組及太原組煤層為大牛地氣田主要烴源巖［8］，煤層厚度較大，縱向上多套疊置，與砂泥巖形成煤系互層［9］。煤層反射系數(shù)（0.5）遠(yuǎn)大于砂泥巖反射系數(shù)（0.03），所以，煤層在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)的低頻強(qiáng)反射，反射能量巨大，為大牛地氣田的標(biāo)志波（圖1A波、B波）。由于煤層造成的極強(qiáng)反射使煤系地層內(nèi)部?jī)?chǔ)層受到了強(qiáng)烈的遮蔽作用，如圖1中主要目的層段集中分布于A波至C波之間，地震剖面表現(xiàn)為穩(wěn)定的連續(xù)強(qiáng)振幅特征，所以，常規(guī)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法難以有效揭示其中的波形變化規(guī)律。除此之外，煤層形成的子波負(fù)瓣強(qiáng)能量同樣干涉到煤層上覆地層的有效信息。經(jīng)過實(shí)鉆井證實(shí)，大牛地氣田C波處為非煤系地層，煤層不發(fā)育，主要巖性為砂泥巖且波阻抗差異微弱。如圖1中T1100－T1550處，C波之所以能夠形成穩(wěn)定強(qiáng)反射，主要是由于B波附近煤層厚度大，煤層強(qiáng)反射干涉而成，并非C波地層真實(shí)反映。當(dāng)B波附近煤層發(fā)育程度較低時(shí)，B波反射強(qiáng)度相對(duì)較小，同時(shí)對(duì)C波干涉作用較弱，C波則表現(xiàn)出較強(qiáng)的橫向不均勻性，復(fù)合辮狀河沉積特征，如圖1T500－T850處。因此，如何從A、B、C強(qiáng)反射波中定位煤層厚度及位置，進(jìn)而去除煤層干涉影響是大牛地氣田煤系地層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的先決條件。

2 煤層高精度時(shí)頻分析

2.1 Wigner-Ville分布主要特征及實(shí)現(xiàn)

Wigner-Ville分布（WVD）是一種直接測(cè)量時(shí)間頻率域能量密度分布的時(shí)頻分析方法，由于在計(jì)算過程中信號(hào)多次進(jìn)入，從而達(dá)到了自相關(guān)能量聚集的效果，不僅對(duì)于時(shí)間頻率定位來說具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠自動(dòng)抑制噪聲的影響，提高時(shí)頻分析精度。業(yè)已證明，由于WVD的時(shí)間－帶寬積可以達(dá)到Heisenberg不確定性原理給出的下界，因此沒有任何一種時(shí)頻分布的聚集性能能夠超過WVD方法［7］。結(jié)合大牛地氣田實(shí)鉆煤層的復(fù)雜性，以及大牛地三維地震資料信噪比問題，為提高有

效信號(hào)聚焦強(qiáng)度，筆者選用三階WVD方法，即信號(hào)3次進(jìn)入計(jì)算進(jìn)行時(shí)間頻率能量聚集。

若觀測(cè)信號(hào)x（t）為一連續(xù)型解析信號(hào)，做等間隔采樣，采樣后的信號(hào)記為

圖1 典型地震剖面Fig.1 Typical seismic data section

式中，T表示采樣間隔。于是可以給出離散 WVD三階時(shí)頻分析理論公式：

式中：Wx為連續(xù)頻率域解析信號(hào)；ω1，ω2，ω3分別3次頻率域自相關(guān)聚集的頻率變量；m對(duì)應(yīng)于連續(xù)時(shí)間變量τ。

總的來說，高階WVD譜可以描述為，連續(xù)頻率域解析信號(hào)經(jīng)過離散化后，自身多次進(jìn)行頻率域自相關(guān)聚集，從而達(dá)到有效信號(hào)頻譜密度增強(qiáng)、提高分辨率的目的，與此同時(shí)也可以起到壓制隨機(jī)噪音的功效。

2.2 大牛地氣田煤系地層典型井對(duì)比分析

筆者有針對(duì)性地選擇了大牛地氣田A井、B井、C井和D井進(jìn)行分析。其中：A井于B波強(qiáng)反射段鉆遇多套較厚煤層，同時(shí)夾雜較厚砂泥，砂泥厚度與煤層厚度比例近于1∶1；B井僅在B波強(qiáng)反射段頂?shù)撞糠謩e含有2套厚度約1.5m煤層；C井處B波強(qiáng)反射段煤層并不發(fā)育，僅分布幾條厚度不到1.0m的薄煤線；D井處B波強(qiáng)反射段煤層發(fā)育程度非常高，煤層總厚度15.0m以上，主煤層單層厚度約13.0m。以上4口井分別對(duì)應(yīng)了4種不同巖性組合，可以作為典型井進(jìn)行相應(yīng)的研究。

為了消除單道數(shù)據(jù)中由于采集或噪聲等多方面外界因素?cái)_動(dòng)所產(chǎn)生的不確定性問題，研究過程中選擇了井旁相鄰的25道地震數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平均處理，以消除隨機(jī)干擾。

如前文所述，WVD描述的是時(shí)間頻率能量密集度分布情況，在前人研究中多采用彩色成圖，而由于煤層引起的低頻強(qiáng)反射為圖1中A、B、C波的最主要成分，在具體分析中發(fā)現(xiàn)利用色差進(jìn)行頻率能量密度差異刻畫，效果不夠明顯。因此，筆者針對(duì)頻率能量采用等值線成圖，等值線圈中心對(duì)應(yīng)為優(yōu)勢(shì)頻率，線圈越集中說明頻率分辨率越高，線圈越大說明頻寬越大。

圖2為利用WVD三階時(shí)頻分析方法對(duì)4口井煤系地層井旁道分析結(jié)果。從圖2a中可以看出：地震波主頻集中于23～24Hz，當(dāng)頻率在25Hz以上時(shí)，圖譜中等值線集中形成3個(gè)明顯的線圈；對(duì)比密度曲線，3個(gè)等值線圈在時(shí)間域上與非煤系高密度巖性完全吻合，這與砂泥高頻煤層低頻的概念是一致的。

從圖2b中可以看出：由于B井處強(qiáng)反射段煤層薄，時(shí)頻圖下部明顯向高頻方偏移，呈現(xiàn)掃帚型；而對(duì)于25Hz以上頻率段來說，等值線形成2個(gè)非常明顯的線圈（如圖黑色箭頭上下側(cè)），而與左側(cè)密度曲線對(duì)比后可以看出2個(gè)線圈不連接處的鞍部（如圖黑色箭頭處）正對(duì)應(yīng)強(qiáng)反射段頂煤。也就是說，煤層在高頻段能量難以聚集。

圖2c主頻段同樣向高頻段偏移，而等值線在26Hz以上形成一個(gè)較大的線圈，說明該方法無法識(shí)別C井不到1.0m厚的薄煤線。相比之下，D井（圖2d）中的強(qiáng)反射段含煤量大，26Hz以上等值線在1 468ms主煤層處急劇下凹；而在煤層上下邊界外側(cè)，等值線密度明顯增加。

對(duì)4口井煤系地層所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)反射波進(jìn)行高階統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)為：1）大牛地氣田煤層在地震波中的優(yōu)勢(shì)頻譜能量密度在超過26Hz后急劇減弱。2）26 Hz以上高頻對(duì)砂泥巖反應(yīng)敏感，能量集中。當(dāng)砂泥中不存在煤層或存在薄煤線時(shí)，等值線明顯集中；否則呈現(xiàn)馬鞍形，鞍部對(duì)應(yīng)煤層發(fā)育位置，即煤層發(fā)育處高頻能量無法得到集中。3）盡管采用了更高精度的WVD三階分析，仍然難以對(duì)1.0m左右的薄煤層進(jìn)行準(zhǔn)確定位。4）應(yīng)用 WVD分析，可以在無井約束的情況下對(duì)強(qiáng)反射波組中的煤層進(jìn)行準(zhǔn)確定位，進(jìn)而開展關(guān)于去除煤層影響的相關(guān)研究。

需要說明的是，對(duì)多個(gè)工區(qū)的試驗(yàn)分析認(rèn)為，影響煤層有效頻寬的主要原因有：地表?xiàng)l件、激發(fā)接收條件、煤層埋藏深度、煤層厚度、煤層數(shù)量及地震處理時(shí)的頻率補(bǔ)償?shù)鹊?，不同地區(qū)煤層具有不同的優(yōu)勢(shì)頻段，除普遍具有低頻強(qiáng)、高頻弱的特點(diǎn)外，上限門檻值差異較大，目前仍然難以通過理論公式對(duì)分析結(jié)果開展證明。

3 去煤處理及實(shí)驗(yàn)效果

從前面的結(jié)論可以看出，盡管煤系地層形成了穩(wěn)定的連續(xù)強(qiáng)反射，對(duì)于臨近地層具有非常強(qiáng)烈的遮蔽作用，但是煤層與圍巖之間仍然具有較為清晰的頻率差異，這為從頻率段入手解決煤層低頻強(qiáng)干涉的可行性提供了有力依據(jù)和參數(shù)支持。

3.1 多子波分解與重構(gòu)技術(shù)

多子波地震道分解是完全基于多子波地震道模型，把一個(gè)地震道轉(zhuǎn)換成不同形狀的子波的疊加。第一是對(duì)疊后數(shù)據(jù)的分解處理，將地震數(shù)據(jù)中目標(biāo)層段分解成不同主頻的雷克子波的序列或集合；第二是對(duì)分解后的數(shù)據(jù)重構(gòu)分析，選擇不同頻率的子波重新組合就可以得到相應(yīng)頻率段的地震道［10－12］。

將一個(gè)反射系數(shù)的序列按照子波主頻能量級(jí)數(shù)拆分為R1（t），R2（t），…，Rn（t），原來的反射系數(shù)序列則可以表述為

假設(shè)W1（t），W2（t），…，Wn（t）代表一組不同主頻的雷克子波，分別與分解后的單一反射序列R1（t），R2（t），…，Rn（t）進(jìn)行褶積，得到一組地震反射信號(hào)序列：

式中，i＝1，2，…，n。因此，地震信號(hào)S（t）可以按照多子波模型的方式表示為

3.2 大牛地氣田某井區(qū)盒1段試驗(yàn)效果

筆者所選數(shù)據(jù)是大牛地氣田煤層發(fā)育程度最高的井區(qū)，由于這樣的強(qiáng)波阻抗界面，煤層上覆下伏地層同樣表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定的強(qiáng)反射特征，砂泥等有效信息被嚴(yán)重屏蔽。圖3是同一剖面分解前后的結(jié)果，根據(jù)前面的WVD分析結(jié)果對(duì)26Hz以上中高頻分量開展重構(gòu)，形成新的數(shù)據(jù)體。從圖3可以看出，C波（綠色線）表現(xiàn)為明顯的雙軸，盡管能量較弱，但是目的層段的有效反射信息仍然得到了較好的保留。

圖3 大牛地氣田原始剖面（a）與重構(gòu)后剖面（b）對(duì)比Fig.3 Contradistinction of original（a）and reconstructed（b）seismic data of DANIUDI

圖4為盒1段（平行整合于煤系地層）平均波谷振幅屬性。盒1段為河流相沉積，砂泥巖波阻抗差異微弱，由于緊鄰于煤層，在常規(guī)地震數(shù)據(jù)中煤層強(qiáng)干涉造成了目的層段連續(xù)強(qiáng)反射。從原始數(shù)據(jù)屬性（圖4a）可看出該井區(qū)反射較強(qiáng)，局部存在零散亮點(diǎn)，與鉆井勾繪砂巖厚度圖差異巨大，可見常規(guī)技術(shù)難以解決該井區(qū)的煤層強(qiáng)遮蔽作用。圖4b為依據(jù)WVD分析對(duì)26Hz以上信號(hào)重構(gòu)數(shù)據(jù)的平均波谷振幅屬性。從圖4b可看出，該井區(qū)進(jìn)行去煤處理后振幅有了明顯改變，對(duì)比利用鉆井勾繪砂體厚度圖（由于涉密該圖已進(jìn)行模糊處理）可看出，近南北走向河道砂體得到了有效刻畫，預(yù)測(cè)成功率極大提高。

圖4 盒1段原始數(shù)據(jù)振幅屬性（a）與去煤處理數(shù)據(jù)振幅屬性（b）對(duì)比及鉆井勾繪砂體厚度圖Fig.4 Control of amplitude attribute between original（a）and Reconstructed seismic data（b）in the layer of P1H1and the thickness of sand-stone

3.3 大牛地氣田某井區(qū)山2段試驗(yàn)效果

大牛地氣田某井區(qū)山2段屬于煤系地層，底部煤層厚度大，從實(shí)鉆情況看，山2段砂體發(fā)育程度較高，平均厚度20.0m以上，是該井區(qū)一個(gè)重要的產(chǎn)氣層位。然而受到煤層強(qiáng)干涉影響，該井區(qū)原始地震數(shù)據(jù)上山2段平均反射強(qiáng)度屬性為大面積強(qiáng)反射特征，無法揭示其內(nèi)在儲(chǔ)層空間展布狀態(tài)（圖5a白色線框）。圖5b為使用相同時(shí)窗、相同參數(shù)子波重構(gòu)數(shù)據(jù)提取的平均反射強(qiáng)度屬性。對(duì)比白色線框煤層強(qiáng)干涉區(qū)，該井區(qū)在經(jīng)過去煤處理后，山2段砂體得到了充分的展現(xiàn)，對(duì)比利用鉆井勾繪的砂體厚度圖（由于涉密該圖已進(jìn)行模糊處理）也可以看出去煤效果非常顯著，預(yù)測(cè)砂巖展布與實(shí)鉆井吻合度高。

4 結(jié)論

1）大牛地氣田煤層形成的強(qiáng)反射對(duì)上覆下伏以及層間儲(chǔ)層有很強(qiáng)的干涉作用，利用常規(guī)的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法難以突破，本文通過具有顯著頻率分辨率優(yōu)勢(shì)的WVD分析技術(shù)對(duì)煤層造成的強(qiáng)反射軸進(jìn)行了高精度時(shí)頻分析，認(rèn)為煤層主要干涉低頻段，能量較高，26Hz以上中高頻段會(huì)急劇衰減。

2）結(jié)合WVD分析結(jié)果，采用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)，將煤層干涉作用較強(qiáng)的26Hz以下頻率去除，利用中高頻段重新構(gòu)成新的地震數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開展儲(chǔ)層預(yù)測(cè)工作思路是完全可行的。

3）通過煤層上覆盒1段及山2段試驗(yàn)可以看出，去煤處理效果顯著，有效信息得到了充分展示，預(yù)測(cè)成功率大幅度提高。

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