朱博華 楊江峰 呂秋玲 王 震 馬永強 張 薇(中國石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京 211103； 中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

1 引言

碳酸鹽巖縫洞型儲層是塔里木盆地塔河油田的主力儲層，探明儲量約占塔河油田探明儲量的95%，其中溶洞是縫洞型儲層最主要的儲集空間。近年來持續(xù)保持對塔河油田縫洞型儲層的勘探、開發(fā)，取得了較好的效果。隨著研究的深入，可較好地預測較大尺度的溶洞，精細刻畫小尺度溶洞已成為下一步的研究重點和難點，直接影響塔河油田后續(xù)勘探、開發(fā)進程。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏非均質(zhì)性強，裂縫較為發(fā)育，埋深大(一般超過5300m)，由于目前地震資料和方法技術(shù)的限制，對儲層進行定量描述存在較大困難[1]，需要開展持續(xù)的攻關(guān)研究。

由于縫洞型儲層的特殊性和唯一性，中國業(yè)界對該類儲層進行了深入研究。王彥峰等[2]、張軍華等[3]針對縫洞型儲層的特點，通過正演模擬研究，從提高資料信噪比和分辨率的角度優(yōu)化采集參數(shù)及設(shè)計觀測系統(tǒng)，取得了良好的勘探效果；前人在縫洞型儲層物理模擬、數(shù)值模擬等方面開展了大量的工作，深入研究了溶洞“串珠狀”反射的形成機理和儲層特征[4-12]。Wu等[13,14]系統(tǒng)研究了散射波成像，為碳酸鹽巖縫洞型儲層成像奠定了很好的理論基礎(chǔ)；胡鵬飛[15]總結(jié)了現(xiàn)有碳酸鹽巖縫洞型儲集體成像技術(shù)，并剖析了技術(shù)細節(jié)，具有很好的指導意義。在高精度成像的基礎(chǔ)上，巖相分類[16]、地震反演[17]、AVO技術(shù)[18]、頻譜分解[19]、疊前方位各向異性裂縫檢測[20]、地震屬性預測[21]等方法得到廣泛應(yīng)用，在碳酸鹽巖縫洞型儲層預測方面取得了良好的效果。針對小尺度溶洞的分析與研究，李闖等[22]采用剩余信號匹配追蹤技術(shù)，有效識別了小尺度縫洞型儲層，取得了明顯的效果。但前人對有關(guān)小尺度溶洞檢測的研究很少。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于疊前分頻成像的小尺度溶洞檢測技術(shù)。首先利用正演模擬說明高頻數(shù)據(jù)的必要性和優(yōu)勢，然后通過時頻分析技術(shù)確定小尺度溶洞的頻率范圍，得到分頻參數(shù)；隨后進行CMP道集分頻疊前時間偏移，得到高頻數(shù)據(jù)體；最后利用高頻數(shù)據(jù)體識別小尺度溶洞。該技術(shù)在實際資料的應(yīng)用中取得了很好的效果。

2 小尺度溶洞檢測原理

2.1 分辨率與調(diào)諧厚度

小尺度溶洞檢測是一項系統(tǒng)工程，涉及地震勘探的各個環(huán)節(jié)，包括采集參數(shù)優(yōu)化[23]、提高分辨率處理[3]、溶洞精細描述[22]等方面。本文主要從地震分辨率的角度入手，針對地震主頻這一重要參數(shù)開展討論。地震分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率[24]，縱向分辨率是指沿垂直地層方向所能分辨的最小地層厚度，地質(zhì)體的地震反射振幅變化遵循調(diào)諧原理；橫向分辨率是指橫向上所能分辨的最小地質(zhì)體寬度，地質(zhì)體的地震反射振幅變化由第一菲涅爾帶控制。在理想成像條件下[25]，縱、橫向分辨率極限均為1/4波長，即

(1)

式中：λ為波長；v為速度；f為地震波主頻；R為地震資料可分辨的最小溶洞尺度。

理論上地震成像分辨率只與主頻有關(guān)，提高地震主頻可相應(yīng)提高地震分辨率，從而實現(xiàn)小尺度地質(zhì)體的成像與描述。塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲層速度一般為3600～4000m/s，通過式(1)求取不同主頻對應(yīng)的調(diào)諧厚度，即可檢測溶洞尺度(圖1)?？梢?，隨著地震主頻提高，調(diào)諧厚度減小。因此高頻地震資料更利于小尺度溶洞檢測與識別，該式為后續(xù)工作奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 理論調(diào)諧厚度圖

2.2 正演模擬

在理論分析的基礎(chǔ)上開展溶洞正演模擬研究。地震剖面上的“串珠狀”反射特征是地下溶洞的直觀響應(yīng)[7，8]，是識別溶洞的基本標志。為了研究溶洞對不同主頻地震數(shù)據(jù)的響應(yīng)特征，建立溶洞模型進行正演模擬。

筆者制作的溶洞模型如圖2所示，分別采用15、30、45Hz的零相位雷克子波進行波場正演，最終得到正演剖面(圖3)?？梢?，高頻正演剖面能有效提高溶洞的識別能力，“串珠”特征更明顯(圖3c)。

提取“串珠”位置的均方根能量進行對比(圖4)，可見：15Hz數(shù)據(jù)能量曲線只能區(qū)分最左側(cè)溶洞的地震響應(yīng)特征，右側(cè)4個組合溶洞的地震綜合響應(yīng)為單波形，未能有效區(qū)分；當主頻為30Hz時，較好地展示了右側(cè)4個溶洞的地震響應(yīng)特征，能較好地識別間隔為20m和10m的溶洞特征，仍無法區(qū)分間五個溶洞的直徑均為30m，溶洞間距從左到右依次為30、20、10和5m，溶洞填充速度、密度分別為3600m/s、2.29g/cm3，圍巖填充速度和密度分別為6000m/s、2.65g/cm3隔為5m的溶洞特征； 45Hz數(shù)據(jù)能量曲線能有效區(qū)分間隔為5m的溶洞，分辨能力進一步提高。此外， 45Hz數(shù)據(jù)的能量明顯高于中、低頻(15Hz和30Hz)數(shù)據(jù)，說明45Hz更接近小尺度溶洞的調(diào)諧頻率，即高頻數(shù)據(jù)對于小尺度溶洞具有更明顯的響應(yīng)特征。綜上所述，高頻正演剖面具有更高的分辨能力，“串珠狀”反射能量聚焦性更好，更利于檢測小尺度溶洞[11,22]。

圖2 正演模型

圖3 不同頻率的正演剖面(a)15Hz； (b)30Hz； (c)45Hz

圖4 溶洞均方根能量特征

3 時頻分析

對于小尺度縫洞型儲層，首先要研究小尺度溶洞的時頻特征，開展針對溶洞的時頻特征分析，以確定更加準確的分頻參數(shù)。

S變換[26]在時頻分析、屬性分析、去噪等方面得到了廣泛應(yīng)用，人們對其算法進行了改進，提出了廣義S變換的概念[27]。廣義S變換具有更高的時頻分辨率，其定義式為

exp(-2πift)dt

(2)

式中：h(t)為原始信號；f為頻率；τ為時窗的中心位置；S(τ,f)為變換后的時頻譜。其中窗函數(shù)為

(3)

通過選取實際地震資料過溶洞中心的地震道(圖5a中的第884道)，利用廣義S變換進行時頻分析得到時頻譜(圖5b)，可見溶洞中心位置在3562ms附近。通過提取過溶洞中心位置的時頻曲線(圖5c)可知，小尺度溶洞特征頻率約為42Hz，為了能識別此類小尺度溶洞甚至更小尺度的溶洞，最終確定分頻參數(shù)為42～100Hz。

圖5 溶洞時頻特征分析(a)Inline401地震剖面； (b)第884道時頻譜； (c)過溶洞中心時頻曲線

4 疊前分頻成像處理

疊后分頻在地震勘探中得到廣泛應(yīng)用[28，29]，但在高頻段該法存在較明顯的吉布斯效應(yīng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，分頻效果欠佳，不能滿足實際研究的需求。為此，本文采用基于道集分頻的疊前時間偏移方法，即先對疊前CMP道集進行分頻，然后再對CMP道集進行克?；舴蚍e分法疊前時間偏移，最終得到多套疊前分頻數(shù)據(jù)體?？讼；舴蚍e分法涉及繞射雙曲線的能量疊加，這種疊加方式對波形具有拉伸作用，使最終的偏移數(shù)據(jù)頻譜向低頻方向移動，具有低通濾波作用。此外，在克?；舴蚍e分法中存在觀測波場對時間的求導運算，該運算相當于對頻率域觀測波場乘上因子iω，此因子對高頻成分具有一定的補償作用[30]。

圖6為分頻數(shù)據(jù)體偏移剖面及頻譜。由圖可見：①全頻帶數(shù)據(jù)偏移剖面(圖6a)雖然包含了不同尺度溶洞的所有信息，但全頻帶偏移數(shù)據(jù)的主頻約為28Hz，從地震資料本身而言，很難有效檢測更小尺度的溶洞信息，需要借助高頻數(shù)據(jù)體識別小尺度溶洞；②由疊后分頻(圖6c)數(shù)據(jù)偏移剖面及頻譜分析圖(圖6d)可知，疊后分頻地震信號主頻約為42Hz，但頻帶相對較窄，信號出現(xiàn)明顯振蕩現(xiàn)象，“串珠”明顯拉長、變形，“串珠”在縱向上相位變多，顯然不能滿足地震解釋的需求；③疊前分頻剖面(圖6b)主頻稍有降低(約為40Hz)，但是高頻段得到有效補償，低頻信號也得到了更好的保持，整體上頻帶相對較寬，與理論分析相一致，剖面的“串珠”形態(tài)也得到較好保持，地質(zhì)信息更豐富，有效克服了疊后分頻產(chǎn)生的信號振蕩現(xiàn)象，數(shù)據(jù)品質(zhì)明顯提高，可以進一步檢測小尺度溶洞。

5 小尺度溶洞識別

基于得到的全頻帶偏移數(shù)據(jù)和分頻數(shù)據(jù)體檢測小尺度溶洞。振幅類屬性在縫洞型儲層預測中取得了很好的效果，在本工區(qū)提取T74層以下80ms均方根振幅屬性，從剖面地震數(shù)據(jù)、平面振幅屬性兩個方面進一步描述小尺度溶洞。

由過A井的全頻帶數(shù)據(jù)成像剖面(圖7a)及均方根振幅屬性平面圖(圖8a)可見，A井位于“串珠”邊緣，剖面和平面屬性都表現(xiàn)為大尺度溶洞特征，但是實鉆井未出現(xiàn)“放空漏失”現(xiàn)象，說明A井未鉆遇溶洞。由疊前分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖7b)及均方根振幅屬性平面圖(圖8b)可知，上述大尺度溶洞由三個較小尺度的溶洞組成，A井也未鉆遇“串珠”，這與鉆井情況相吻合。對比疊前分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖7b)與疊后分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖7c)可知，前者特征清晰、波形自然，可信度更高。

由過B井的全頻帶數(shù)據(jù)成像剖面(圖9a)及均方根振幅屬性平面圖(圖10a)可見，B井位于“串珠”位置，剖面和平面屬性均表現(xiàn)為一個大尺度溶洞特征，實鉆井出現(xiàn)“放空漏失”現(xiàn)象，說明B井鉆遇溶洞。由疊前分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖9b)及均方根振幅屬性平面圖(圖10b)可知，上述大尺度溶洞由兩個較小尺度的溶洞組成，B井鉆遇東北部“串珠”，這與鉆井情況相吻合。對比疊前分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖9b)與疊后分頻數(shù)據(jù)成像剖面(圖9c)可知：前者對于刻畫小尺度溶洞具有明顯優(yōu)勢，有助于進一步降低后期鉆探風險；后者的效果不佳，不能作為精細識別溶洞的有效數(shù)據(jù)。

圖7 過A井成像數(shù)據(jù)剖面對比(a)全頻帶數(shù)據(jù)； (b)疊前分頻數(shù)據(jù)(42～100Hz)；(c)疊后分頻數(shù)據(jù)(42～100Hz)

圖9 過B井成像數(shù)據(jù)剖面對比(a)全頻帶數(shù)據(jù)； (b)疊前分頻數(shù)據(jù)(42～100Hz)；(c)疊后分頻數(shù)據(jù)(42～100Hz)

圖10 過B井均方根振幅屬性平面圖(a)全頻帶數(shù)據(jù)； (b)疊前分頻數(shù)據(jù)(42～100Hz)

通過分析高頻數(shù)據(jù)體，有效提高了小尺度溶洞的識別能力，可更為精細地刻畫溶洞的邊界、輪廓，并與實際鉆井情況相吻合，效果明顯，可為勘探、開發(fā)方案制定提供參考數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

正演模擬表明，較高的地震主頻有利于小尺度溶洞的檢測和識別。本文利用疊前分頻方法提高分辨率，該方法有效克服了疊后分頻的缺陷，大大提高了數(shù)據(jù)體的品質(zhì)，為小尺度溶洞檢測提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實際地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，疊前分頻(高頻)數(shù)據(jù)體能很好地識別常規(guī)全頻帶數(shù)據(jù)體上難以識別的小尺度溶洞，大大提高了小尺度溶洞的預測精度，更有利于溶洞邊界、輪廓的描述，預測結(jié)果與實際鉆井數(shù)據(jù)相吻合，可進一步降低勘探、開發(fā)風險。

參考文獻

[1] 胡中平,李宗杰,趙群.碳酸鹽巖溶洞發(fā)育區(qū)高精度地震勘探效果.石油地球物理勘探,2008,43(1):83-87.

Hu Zhongping,Li Zongjie,Zhao Qun.High-precision seismic exploration in carbonate karst cave developed area.OGP,2008,43(1):83-87.

[2] 王彥峰,王乃建,高國成等.縫洞型油氣藏高精度三維地震采集技術(shù).石油地球物理勘探,2010,43(增刊1):1-5.

Wang Yanfeng,Wang Naijian,Gao Guocheng et al.3D seismic acquisition technique for fracture-vuggy reservoir.OGP,2010,45(S1):1-5.

[3] 張軍華,李軍,吳成等.溶洞型儲層地震采集參數(shù)與成像關(guān)系研究.石油地球物理勘探,2015,50(4):573-579.

Zhang Junhua,Li Jun,Wu Cheng et al.The relationship between seismic acquisition parameters and data imaging in areas with cavern reservoirs.OGP,2015,50(4):573-579.

[4] 魏建新,狄?guī)妥?王立華.孔洞儲層地震物理模擬研究.石油物探,2008,47(2):156-160.

Wei Jianxin,Di Bangrang Wang Lihua.Seismic physical modeling for cavern reservoir.GPP,2008,47(2):156-160.

[5] 朱生旺,魏修成,曲壽利等.用隨機介質(zhì)模型方法描述孔洞型油氣儲層.地質(zhì)學報,2008,82(3):370-377.

Zhu Shengwang,Wei Xiucheng,Qu Shouli et al.Description of the carbonate Karst reservoir with random media model.Acta Geologica Sinica,2008,82(3):370-377.

[6] 王者順,王尚旭,唐文榜.塔河碳酸鹽巖溶洞油藏的地震響應(yīng)及頻率差異分析.石油與天然氣地質(zhì),2004,25(1):93-101.

Wang Zheshun,Wang Shangxu,Tang Wenbang.Seismic response and frequency difference analysis of ca-vern-type reservoirs in carbonates in Tahe oilfield.Oil & Gas Geology,2004,25(1):93-101.

[7] 胡中平.溶洞地震波“串珠狀”形成機理及識別方法.中國西部油氣地質(zhì),2006,2(4):423-426.

Hu Zhongping.Mechanism and distinction method for the seismic “string beads” characteristic.West China Petroleum Geosciences,2006,2(4):423-426.

[8] 趙群,曲壽利,薛詩桂等.碳酸鹽巖溶洞物理模型地震響應(yīng)特征研究.石油物探,2010,49(4):351-358.

Zhao Qun,Qu Shouli,Xue Shigui et al.Study on the seismic response characteristics on the physical model of carbonate cave.GPP,2010,49(4):351-358.

[9] 李凡異,魏建新,狄?guī)妥尩?碳酸鹽巖孔洞儲層地震物理模型研究.石油地球物理勘探,2016,51(2):272-280.

Li Fanyi,Wei Jianxin,Di Bangrang et al.Seismic physical model of carbonate cavern reservoirs.OGP,2016,51(2):272-280.

[10] 馬靈偉,楊勤勇,顧漢明等.基于隨機縫洞介質(zhì)理論模擬塔中北坡儲層的地震響應(yīng).石油地球物理勘探,2016,51(6):1119-1127.

Ma Lingwei,Yang Qinyong,Gu Hanming et al.Simulation of reservoir seismic response in the northern slope of the middle Tarim Basin with random fracture-cavern media model.OGP,2016,51(6):1119-1127.

[11] 王立華,魏建新,狄?guī)妥?溶洞物理模型地震響應(yīng)及其屬性分析.石油地球物理勘探,2008,43(3):291-296.

Wang Lihua,Wei Jianxin,Di Bangrang.Seismic response of Karst cave physical model and analysis of its attributes.OGP,2008,43(3):291-296.

[12] 李凡異,魏建新,狄?guī)妥?碳酸鹽巖溶洞橫向尺度變化的地震響應(yīng)正演模擬.石油物探,2009,48(6):557-562.

Li Fanyi,Wei Jianxin,Di Bangrang.Forward simulation of seismic response in carbonate caverns with varied lateral scale.GPP,2009,48(6):557-562.

[13] Wu R S,Aki K.Elastic wave scattering by a random medium and the small scale inhomogeneities in the lithosphere.Journal of Geophysical Research,1985,90(12):10261-10273.

[14] Wu R S,Aki K.Scattering characteristics of elastic waves by an elastic heterogeneity.Geophysics,1985,50(4):582-595.

[15] 胡鵬飛.塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲集體成像技術(shù)研究.石油地球物理勘探,2009,44(2):152-157.

Hu Pengfei.Study on imaging technique of carbonate fracture-cave type’s reservoir in Tahe Oilfield.OGP,2009,44(2):152-157.

[16] Liu Yan,Wang Yanghua.Seismic characterization of a carbonate reservoir in Tarim Basin.Geophysics,2017,82(5):177-188.

[17] 徐旺林,張繁昌,郭彥如等.貝葉斯全頻信息同時反演在鄂爾多斯盆地碳酸鹽巖儲層預測中的應(yīng)用.石油地球物理勘探,2014,49(4):723-728.

Xu Wanglin,Zhang Fanchang,Guo Yanru et al.Bayesian full frequency simultaneous inversion for carbonate reservoir in Erdos Basin.OGP,2014,49(4):723-728.

[18] 陳軍,張虎權(quán),王錦喜等.AVO技術(shù)在碳酸鹽巖縫洞型儲層預測中的應(yīng)用.石油地球物理勘探,2014,49(6):1191-1198.

Chen Jun,Zhang Huquan,Wang Jinxi et al.Carbonate fracture-cave reservoir prediction with prestack AVO.OGP,2014,49(6):1191-1198.

[19] 劉春園,魏修成,朱生旺等.頻譜分解在碳酸鹽巖儲層中的應(yīng)用研究.地質(zhì)學報,2008,82(3):428-432.

Liu Chunyuan,Wei Xiucheng,Zhu Shengwang et al.Application of spectral decomposition in carbonate reservoir.Acta Geologica Sinica,2008,82(3):428-432.

[20] Wang Shixing,Guan Luping,Zhu Hailong.Prediction of fracture-cavity system in carbonate reservoir:a case study in the Tahe Oilfield.Applied Geophysics,2004,1(1):28-31.

[21] 李宗杰,王勝泉.地震屬性參數(shù)在塔河油田儲層含油氣性預測中的應(yīng)用.石油物探,2004,43(5):453-457.

Li Zongjie,Wang Shengquan.Application of seismic attributes in the prediction of oil & gas potential in Tahe oilfield.GPP,2004,43(5):453-457.

[22] 李闖,高妍芳,敬兵等.識別弱地震響應(yīng)碳酸鹽巖儲層.石油地球物理勘探,2015,50(5):951-955.

Li Chuang,Gao Yanfang,Jing Bing et al.Carbonate reservoir identification with weak reflection.OGP,2015,50(5):951-955.

[23] 徐穎.塔河油田高精度三維地震采集參數(shù)優(yōu)化研究.石油物探,2014,53(1):68-76.

Xu Ying.Optimization on the high-precision 3D seismic acquisition parameters in Tahe Oilfield.GPP,2014,53(1):68-76.

[24] 曲壽利,朱生旺,趙群等.碳酸鹽巖孔洞型儲集體地震反射特征分析.地球物理學報,2012,55(6):2053-2061.

Qu Shouli,Zhu Shengwang,Zhao Qun et al.Analysis of seismic reflection characters for carbonate Karst reservoir.Chinese Journal of Geophysics,2012,55(6):2053-2061.

[25] 楊勤勇.碳酸鹽巖溶洞模型地震成像分辨率研究.石油物探,2010,49(6):546-553.

Yang Qinyong.Study of seismic imaging resolution based on cave model of carbonate reservoirs.GPP,2010,49(6):546-553.

[26] Stockwell R G,Mansinha L,Lowe R P.Localization of the complex spectrum:the S transform.IEEE Transactions on Signal Processing,1996,44(4):998-1001.

[27] Li D,Castagna J,Goloshubin G.Investigation of generalized S-transform analysis windows for time-frequency analysis of seismic reflection data.Geophy-sics,2016,81(3):V235-V247.

[28] 李偉,岳大力,胡光義等.分頻段地震屬性優(yōu)選及砂體預測方法——秦皇島32-6油田北區(qū)實例.石油地球物理勘探,2017,52(1):121-130.

Li Wei,Yue Dali,Hu Guangyi et al.Frequency-segmented seismic attribute optimization and sandbody distribution prediction: an example in North Block,Qinhuangdao 32-6 Oilfield.OGP,2017,52(1):121-130.

[29] 龔洪林,王振卿,李錄明等.應(yīng)用地震分頻技術(shù)預測碳酸鹽巖儲層.地球物理學進展,2008,23(1):129-135.

Gong Honglin,Wang Zhenqing,Li Luming et al.Predicting carbonate reservoir by applying seismic spectral decomposition technique.Progress in Geophysics,2008,23(1):129-135.

[30] 牟永光，陳小宏，李國發(fā)等.地震數(shù)據(jù)處理方法.北京:石油工業(yè)出版社,2007,150-165.