梯度結(jié)構(gòu)張量分析法在三維地震資料河道砂體預(yù)測中的應(yīng)用

李一 鐘廣法 宋繼勝 王萍 吳曉華

1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室 2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司

梯度結(jié)構(gòu)張量分析法在三維地震資料河道砂體預(yù)測中的應(yīng)用

李一1鐘廣法1宋繼勝2王萍2吳曉華2

1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室 2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司

梯度結(jié)構(gòu)張量分析是近年來引入地震解釋領(lǐng)域的一種新的屬性分析方法,可用于識別地震數(shù)據(jù)體中的具有不同紋理特征的沉積地貌單元。在地震剖面上,河道沉積充填模式主要有上超充填、側(cè)向加積、復(fù)合充填及雜亂和無反射充填等類型;從圖像紋理角度來看,前3種表現(xiàn)為彎曲層狀紋理,后2種則為雜亂紋理。以四川盆地北部X地區(qū)下侏羅統(tǒng)河流相儲層為例,對三維地震數(shù)據(jù)體開展梯度結(jié)構(gòu)張量分析,提取反映河道紋理特征的各向異性參數(shù),通過地層切片刻畫河道地貌單元的形態(tài)和空間展布特征,取得了滿意效果。與常規(guī)方法提取的相干及幾何屬性比較,該方法的抗噪性更好,對河道等沉積地貌單元的反映更為靈敏。

三維地震 梯度結(jié)構(gòu)張量 河流相 儲集層 紋理 四川盆地 北 抗噪性 地貌單元

河道砂體是重要的油氣儲層類型之一。前人對于河道儲層的地震識別進(jìn)行了大量的研究,主要有地震相分析和地震屬性提取等方法,并取得一定的效果[1-5]。結(jié)構(gòu)張量分析是近年來從圖像處理領(lǐng)域[3]引入到地震解釋中的一種新的屬性分析方法。其實質(zhì)是將地震數(shù)據(jù)視為圖像,通過識別地震圖像中的不同紋理單元(如層狀紋理、雜亂紋理等),實現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)體的自動探測?！敖Y(jié)構(gòu)張量”的概念由 Knutsson[3]提出,已成功應(yīng)用于不同目標(biāo)體或紋理單元的檢測[4]。在地震解釋領(lǐng)域,Bakker[5]、Randen等[6]分別提出了基于梯度結(jié)構(gòu)張量的各向異性參數(shù)與混沌屬性,主要用于斷層的識別;張軍華等[7]對梯度結(jié)構(gòu)張量分析方法的抗噪性進(jìn)行了分析。筆者以四川盆地北部X地區(qū)下侏羅統(tǒng)為例,探討三維地震梯度結(jié)構(gòu)張量分析方法在河道儲層識別和預(yù)測中的應(yīng)用。

1 方法原理

1.1 梯度結(jié)構(gòu)張量的建立

三維地震圖像的方差 E(x,y,z)定義為:

式中 I(x,y,x)為三維地震振幅函數(shù),x、y、z分別為三維地震體素的線、道位置及雙程旅行時間;w(x,y,x)為高斯窗函數(shù)。

給定一微小位移(Δx,Δy,Δz),將屬性函數(shù) I按Taylo r序列展開,得到其一階近似,整理得:

式中 Ix、Iy、Iz分別為沿 x、y、z方向?qū)傩院瘮?shù) I的一階偏導(dǎo)數(shù)。

式(2)兩側(cè)平方并經(jīng)整理得:

式(3)右端第二項即為結(jié)構(gòu)張量,其計算方法如下[4-5]。

1)建立三維地震振幅梯度場 g=¤I,即

式中 X=(x,y,z);g為振幅梯度場;gx、gy、gz分別為沿x、y、z方向的方向?qū)?shù);?為卷積運(yùn)算符號;G為高斯核函數(shù)。

2)計算梯度結(jié)構(gòu)張量 T,即

求取梯度結(jié)構(gòu)張量與高斯核函數(shù)的卷積,得到區(qū)域平均梯度結(jié)構(gòu)張量?T:

求取平均梯度結(jié)構(gòu)張量的意義在于以下兩方面:①用平均梯度結(jié)構(gòu)張量表征一定區(qū)域內(nèi)的紋理特征;②用于壓制由于噪音引起的結(jié)構(gòu)張量的突變。

1.2 河道地震反射紋理的定量識別

地震反射圖像的紋理可以劃分為層狀和非層狀兩大基本類型。層狀紋理可以進(jìn)一步劃分為平行層狀紋理和彎曲層狀紋理;非層狀紋理主要表現(xiàn)為雜亂反射或無反射結(jié)構(gòu)。

河道是一種典型的負(fù)地貌單元,在地震剖面上通常表現(xiàn)為下凹狀反射形態(tài)。在地震分辨率尺度下,河道的沉積充填模式主要表現(xiàn)為以下4種類型[8]:上超充填型、側(cè)向加積型、復(fù)合充填型及雜亂或無反射充填型(圖1)。其中,上超充填、側(cè)向加積或復(fù)合充填型河道多表現(xiàn)為彎曲層狀紋理,而雜亂或無反射充填型河道則具有雜亂紋理特點。

圖1 河道充填體的地震反射紋理特征圖(據(jù)本文參考文獻(xiàn)[8]修改)

對于平均梯度結(jié)構(gòu)張量?T及其特征值λ滿足如下關(guān)系式:

對于平行層狀紋理,平均梯度結(jié)構(gòu)張量等于區(qū)域內(nèi)任意點的梯度結(jié)構(gòu)張量,式(7)可簡化為:

圖2 典型紋理單元及其對應(yīng)的梯度結(jié)構(gòu)張量特征向量圖

對于非層狀雜亂紋理單元,由式(7)可得一元三次方程:

由于矩陣 T為實對稱矩陣,滿足λ1≥λ2≥λ3>0。由實對稱矩陣的性質(zhì)可知,三個特征向量?v1,?v2,?v3兩兩正交(圖2-d)。圖中紅色箭頭表示第一特征向量,藍(lán)色箭頭表示第二特征向量。

對于彎曲層狀紋理單元,滿足λ1≥λ2>λ3=0,且λ1對應(yīng)的兩個特征向量分別于λ2正交。

因此,根據(jù)上述3個特征值的相對大小的關(guān)系可以識別或區(qū)分圖像紋理單元的類型。Bakker提出的“各向異性參數(shù)(C)”[5]可以作為識別河道沉積體的定量指標(biāo):

實際陸相地震資料中,大型的具有雜亂紋理結(jié)構(gòu)單元的河道并不常見,多數(shù)河道表現(xiàn)為彎曲層狀紋理。因此較高的C參數(shù)值可以作為河道單元地震識別的指標(biāo)。

圖3 地震解釋圖

2 應(yīng)用實例與結(jié)果討論

筆者選取的三維地震試驗區(qū)位于四川盆地北部,面積約75 km2,地震面元大小為25×25 m,采樣間隔2m s,資料品質(zhì)較好。研究目的層為侏羅紀(jì)陸相地層。所用疊加偏移數(shù)據(jù)體在目的層段的主頻約65 Hz,按照目的層段河道砂體平均層速度4 500 m/s推算,目標(biāo)層段的調(diào)諧厚度約為17.3 m,滿足河道等特殊巖性儲集體地震識別的條件。

定性地震相分析表明,本區(qū)河道沉積較發(fā)育,河道規(guī)模較小,其地震反射特征表現(xiàn)為下凹狀強(qiáng)反射,具有彎曲層狀紋理特點(圖3-a、3-b)。

首先求得各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)體。圖3-c為AA′的各向異性參數(shù)剖面,通過定性分析可以發(fā)現(xiàn)該各向異性參數(shù)能夠較好地區(qū)分出地震圖像的不同紋理。該參數(shù)的中—高值區(qū)(紅黃綠色)與發(fā)育彎曲紋理特征的河道相相對應(yīng);低值區(qū)對應(yīng)于以平行紋理為特點的非河道相地層。所以,可以通過設(shè)定一定的閾值,各向異性參數(shù)可以用于區(qū)分河道相與非河道相地層。閾值的取法可以通過預(yù)測結(jié)果與實際地震剖面的精細(xì)對比確定。需要說明的是,由斷層引起的地層彎曲變形通常也表現(xiàn)為彎曲紋理特點,其各向異性參數(shù)亦較高(圖3-d),所以斷層和河道具有相似的高各向異性參數(shù)值的特點。所幸,斷層在各向異性參數(shù)剖面上一般表現(xiàn)為垂向線性特征,河道則表現(xiàn)為斑狀特點,二者容易區(qū)分(圖3-d)。

為了評價該方法在河道表征中的應(yīng)用效果,計算了該工區(qū)的相干和傾角屬性數(shù)據(jù)體,然后沿目的層提取地層屬性切片(圖3-b中黃色層位),并與本方法所得結(jié)果進(jìn)行對比(圖4)。由圖4可知,在傳統(tǒng)的相干和傾角切片上,只能隱約看到一條曲流河道,河道的展布范圍難以精確界定。而在各向異性參數(shù)切片中,河道變得非常清晰。此外,位于工區(qū)東南部的一條半圓狀廢棄河道(紅色圓圈標(biāo)識)在相干和傾角屬性上表現(xiàn)模糊,但在各向異性參數(shù)切片上表現(xiàn)清晰,可見本方法對于河流沉積單元更為敏感,能很好地將整個河道體從背景噪音中分離出來。

圖4 沿層屬性切片圖

3 結(jié)論

基于梯度結(jié)構(gòu)張量分析的各向異性參數(shù)為河流相儲層的定性預(yù)測、定量識別甚至是精細(xì)刻畫提供一種新的途徑。該方法與傳統(tǒng)的相干等地震屬性相比,其抗噪性更好,因而對河道等沉積地貌單元反映更為靈敏。應(yīng)用于四川盆地北部早侏羅世陸相地層,取得了良好的效果。該方法成功運(yùn)用的前提在于,目標(biāo)沉積地貌單元須具有區(qū)別于背景沉積的紋理特征?？紤]到實際資料中河道儲層紋理的多樣性和復(fù)雜性。因此筆者所用的方法及指標(biāo)參數(shù)尚有一定的改進(jìn)空間。

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Application of the gradien t structure tensor analysismethod to the prediction of channel sand from 3D seism ic data

Li Yi1,Zhong Guangfa1,Song Jisheng2,Wang Ping2,Wu Xiaohua2
(1.State Key Laboratory of M arine Geology,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Geophysical Exp loration Com pany,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610213, China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 3,pp.44-47,3/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Gradient structure tenso r analysis is a new seismic attribute analysismethod introduced into seismic interp retation in recent years.It can be used to identify sedimentary topographic units w ith different lamination features in seismic data volume.On seismic p rofile,channel fill patternsmainly include onlap fill,lateral aggradations,composite fill,and fills in chaotic and blanket reflection. As to lamination on images,the former 3 types of fills show curved layered lamination,w hile the later 2 types of fills show chaotic lamination.Through a case study of the Lower Jurassic reservoir of fluvial facies in the northern Sichuan Basin,gradient structure tenso r analysis is perfo rmed on 3D seismic data to obtain the anisotropy parameters reflecting the lamination features of channel deposits.The strata slice isadop ted to describe the geomo rphic unit and spatial distribution of the channelsw ith satisfacto ry results.In comparison w ith the conventionalmethods for obtaining coherent and geometry attributes,thismethod has a strong noise-p roof ability and ismo re sensitive to sedimentary topographic units such as channels.

3D seismic,gradient structure tensor,fluvial facies,reservoir,lamination,Sichuan Basin,north,noise-p roof ability, geomo rphic unit

李一,1986年生,碩士研究生;主要從事地震解釋和儲層地球物理研究工作。地址:(200092)上海市四平路1239號。電話:13524686035。E-mail:liyi125305@gmail.com

李一等.梯度結(jié)構(gòu)張量分析法在三維地震資料河道砂體預(yù)測中的應(yīng)用.天然氣工業(yè),2011,31(3):44-47.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.011

2010-01-14 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.011

L i Yi,bo rn in 1986,is studying for an M.Sc.degree,being mainly engaged in seismic data interp retation and reservoir geophysical research.

Add:No.1239,Siping Rd.,Shanghai 200092,P.R.China

Mobile:+86-13524686035 E-mail:liyi125305@gmail.com