SP測井小波變換在單井層序劃分中的應(yīng)用

賀 聰，吳遠(yuǎn)東，吉利明，張明震，梁曉飛

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

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SP測井小波變換在單井層序劃分中的應(yīng)用

賀 聰1，2，3，吳遠(yuǎn)東1，2，吉利明1，3，張明震1，梁曉飛1，2

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

利用單井自然電位(SP)測井曲線經(jīng)coif5小波變換，結(jié)合露頭剖面?zhèn)鹘y(tǒng)層序地層劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討了小波變換曲線與鄂爾多斯盆地南部A井三疊系陸相延長組三級層序界面的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果顯示，SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換后的d12小波(SP_coif5_d12)極大值可能對應(yīng)湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面(即層序界面)；而小波曲線的極小值對應(yīng)最大湖泛面，SP_coif5_d12小波可以作為湖盆的三級層序劃分指標(biāo)，說明coif5小波變換極值點位置檢測到的SP測井信號與層序界面具有對應(yīng)關(guān)系。該方法非常簡捷，在陸相湖盆層序地層研究中具有實際應(yīng)用價值，尤其適于缺乏巖心和地震等資料的單井研究。

自然電位測井；小波變換；層序地層；鄂爾多斯盆地；延長組

0 引 言

層序地層學(xué)理論及其技術(shù)方法在陸相盆地層序分析和油氣勘探開發(fā)中的適用性和有效性已經(jīng)被學(xué)界廣泛接受，其關(guān)鍵是識別和劃分不同成因的界面以及不同級次的基準(zhǔn)面旋回[1-2]。近年來，小波分析被引入到層序地層的研究中，利用測井信號小波變換被認(rèn)為是實現(xiàn)定量劃分層序的有效途徑[3-7]，該技術(shù)的焦點是小波變換得到的信號與各級次分辨率層序的對應(yīng)關(guān)系。利用露頭、巖心、測井和地震等資料，根據(jù)旋回沉積學(xué)和層序地層學(xué)理論劃分層序的方法已經(jīng)很成熟，其結(jié)果通常也更易被人接受。然而獲取全井巖心和地震資料的成本很高，對于某些缺乏露頭、巖心和地震資料的井而言，傳統(tǒng)方法顯然有一定的缺陷。相比而言，利用測井信號進(jìn)行小波變換劃分層序地層則具有簡單、快速和低成本的優(yōu)勢。利用鄂爾多斯盆地南部A井的SP曲線進(jìn)行coif5小波變換，探討其與三級層序地層界面的對應(yīng)關(guān)系，并將研究區(qū)附近露頭剖面具有高可信度的傳統(tǒng)層序地層劃分方案[8]作為對比依據(jù)，來判斷和校驗該方法和指標(biāo)的可靠性。

1 地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國中部非常重要的含油氣盆地，是華北克拉通最穩(wěn)定的一部分，在中生代之前屬于華北古陸伸向秦祁海域的臺地邊緣區(qū)。晚三疊世開始，由于華北地臺西緣受到自西向東擠壓而形成坳陷型盆地，白堊紀(jì)晉西地區(qū)隆起后形成獨立的盆地[9]，現(xiàn)今被分為6個一級地質(zhì)構(gòu)造單元。印支期華北克拉通逐漸萎縮，進(jìn)入鄂爾多斯內(nèi)陸盆地演化階段，形成了一套東北部較淺、西南部較深的，總厚度超過1 000 m的河湖相—三角洲相碎屑沉積[10]，是盆地內(nèi)重要的油氣產(chǎn)層。延長組在鄂爾多斯盆地四周都有物源區(qū)，在盆地中形成明顯的由河流沉積、三角洲沉積、半深湖沉積所組成的環(huán)狀相帶，使延長組經(jīng)歷了內(nèi)陸湖泊產(chǎn)生、發(fā)展乃至消亡的完整過程。利用研究區(qū)測井資料，根據(jù)凝灰?guī)r和泥頁巖標(biāo)志層自下而上將延長組劃分為長10—長1共10個油層組，其中盆地南部有些地區(qū)延長組頂部為長4+5，局部地區(qū)僅存長3部分地層[9]。

1.2 延長組層序地層特征

在鄂爾多斯盆地延長組的層序地層研究工作中，應(yīng)用旋回沉積學(xué)和層序地層學(xué)理論，根據(jù)露頭、巖心、測井和地震等資料已獲得了大量成果[8，11-13]。延長組頂部和底部都是區(qū)域不整合面，屬于一個二級地層層序，代表了28.4 Ma，記錄了晚三疊世鄂爾多斯湖盆整個演化階段[8]。Zou等[8]根據(jù)金鎖關(guān)露頭資料并結(jié)合盆地其他地方的多個露頭剖面識別出延長組發(fā)育4個大尺度湖侵—湖退旋回(圖1)。延長組這4個湖侵—湖退地層旋回分別對應(yīng)4個三級層序(SQ1、SQ2、SQ3和SQ4)，每個層序的時間跨度平均為7 Ma，最大湖泛面主要位于長9、長7、長4+5和長1層段中(圖1)。

圖1 金鎖關(guān)剖面延長組綜合柱狀圖(據(jù)Zou et al.， 2010，修改)

延長組頂部和底部層序界面是區(qū)域性不整合面，內(nèi)部的層序界面主要表現(xiàn)為湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面，通常是大型河道底部下切面[8]。

2 小波變換及其劃分層序的方法

小波變換是一種工具，把數(shù)據(jù)、函數(shù)或運算符分割成不同頻率的成分，然后再用分解的方法(通過濾波器實現(xiàn))去研究對應(yīng)尺度下的各個成分。關(guān)于小波變換的原理可以參考文獻(xiàn)[14]。信號中的突變部分和奇異點等不規(guī)則部分通常包含重要的信息，應(yīng)用小波變換可以檢測出信號中突變點的位置、類型以及變化的幅度，如將信號的突變或瞬變過渡得比較陡峭或者平穩(wěn)，在小波多尺度變化上就表現(xiàn)為最大(小)值的情況[15]。常見的小波主要有haar小波、db小波、bior小波、coif小波、sym小波、morlet小波以及mexican-hat小波等，其中只有前5種小波可以用于離散小波變換，而haar小波在實際的信號處理與應(yīng)用中具有較大限制，bior小波主要用于信號與圖像的重構(gòu)，coif小波具有比db小波及其改進(jìn)小波(sym小波)更好的對稱性，因此，選取coif小波開展相關(guān)研究。coif小波表示為coifN(N=1、2、3、4、5)，N越大處理后的信號去噪效果和平滑度越好，故選用coif5小波，其小波函數(shù)、尺度函數(shù)和分解濾波器信息見圖2。

圖2 coif5小波函數(shù)、尺度函數(shù)及分解濾波器圖

小波變換具有多分辨率的特點，能體現(xiàn)時域、頻域的局部特征，可以模擬由粗到細(xì)的層序單元人工劃分方法[5]。測井信號提供的關(guān)于地層的各種巖性物理參數(shù)具有縱向分辨率高的特點，是一定時間序列內(nèi)各種沉積事件的物質(zhì)記錄，能夠真實、連續(xù)地反映所測地層的沉積特征，對研究地層多級別旋回性及識別地層信息多分辨率突變具有優(yōu)勢[7]。測井信號經(jīng)小波變換處理后可以獲得清晰的頻率結(jié)構(gòu)，探測到各頻率段之間能反映地質(zhì)環(huán)境發(fā)生突變的區(qū)域，將多個不同周期(尺度)沉積旋回疊加的測井曲線分解成各自周期獨立的沉積旋回，以尺度的形式展示出來，形成特定的界面響應(yīng)，根據(jù)多尺度因子下周期性震蕩特征與各級層序界面的對應(yīng)關(guān)系劃分層序[6]。但是目前尚未見報道測井曲線小波變換劃分層序地層的評價標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)傳統(tǒng)層序地層劃分方案來鑒定其結(jié)果的可靠程度仍然是最為有效的指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 測井曲線小波變換

在以往的小波變換劃分層序地層中，一般采用GR測井曲線。但研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，離火山口很近，GR值受濁流沉積、凝灰質(zhì)火山巖等干擾嚴(yán)重，因此，GR測井不適宜進(jìn)行該地區(qū)層序地層的劃分。而SP測井是另外一個最常用來劃分層序地層的測井曲線，因此選取SP曲線作為劃分層序地層的原始信號。利用Matlab R2013a軟件自帶的小波分析工具箱對A井延長組的SP測井信號基于coif5小波多尺度離散變換結(jié)果如圖3。其中S代表自然電位測井原始信號(SP，單位為mV)，a代表低頻信號，d代表高頻信號。原始信號S第1次分解獲得低頻信號a1和高頻信號d1，第2次將低頻信號a1分解為低頻信號a2和高頻信號d2，依次將信號進(jìn)行12次分解(圖3a)，最后獲得高頻信號d1～d12和低頻信號a12，這13個信號之和即為原始信號S(圖3b)。完全分解模式圖中的橫坐標(biāo)從左到右代表由淺到深方向，坐標(biāo)值為自然電位測井采樣點序數(shù)，采樣點總數(shù)為9 200，對應(yīng)該井段總深度460 m(圖3b)。

3.2 層序界面劃分與討論

根據(jù)前人研究的經(jīng)驗[3-4，6-7]，通常利用測井曲線小波變換所得到的高頻信號的低頻部分信號與各級次的高分辨率層序地層相對應(yīng)。將SP曲線coif5小波分解后的各級信號(圖3)分別與研究區(qū)金鎖關(guān)剖面的三級層序劃分方案(圖1)[8]對比，主要比較小波變換曲線的極大(小)值位置和三級層序界面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第12次分解獲得的低頻部分信號d12與該方案較吻合(圖4)。金鎖關(guān)露頭剖面距離A井僅10 km左右(圖1)，兩者沉積環(huán)境和層序發(fā)育一致，因此，具有可比性。從圖4中可以看出，SP小波變換曲線(SP_coif5_d12)的2個最大值處對應(yīng)2個湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面(內(nèi)部層序界面)，分別是長82頂部和長62頂部；而3個最小值處對應(yīng)3個最大洪泛面，分別是長9下部、長7下部和長4+5頂部。在長10—長4+5地層中，長10—長82和長81—長62是2個完整的湖侵—湖退旋回，對應(yīng)2個完整的三級層序，而長61—長4+5是1個湖侵半旋回，對應(yīng)半個三級層序，這個劃分結(jié)果與金鎖關(guān)露頭剖面層序劃分結(jié)果完全一致。除此之外，根據(jù)圖4中長7中下部GR曲線異常高值段可以判斷其為熱頁巖層段，即延長組區(qū)域性標(biāo)志層張家灘油頁巖，是已經(jīng)公認(rèn)的最大湖泛面(凝縮層段)發(fā)育位置，與小波變換后識別出的長7段最大湖泛面位置也很吻合。由此可見，可以將SP曲線經(jīng)coif5小波變換后的d12小波(SP_coif5_d12)作為研究區(qū)三級層序劃分標(biāo)準(zhǔn)，其中SP_coif5_d12小波的極大值處對應(yīng)三級層序的層序界面(湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面)，而極小值處對應(yīng)最大湖泛面。

圖3 SP曲線coif5小波變換

圖4 A井延長組(長10—長4+5)層序地層劃分[8]

SP測井小波變換后的曲線極大(小)值處與層序界面(最大湖泛面)的對應(yīng)關(guān)系，可能與小波變換識別信號的奇異點(突變點)作用密切相關(guān)。在信號檢測中，突變點的位置可以是小波變換的過零點，也可以是極值點，但一般來說，根據(jù)極值點做檢測比根據(jù)過零點做檢測更準(zhǔn)確[16]。根據(jù)此次研究的結(jié)果，層序界面突變點的位置明顯是與極值點對應(yīng)。SP_coif5_d12小波與研究區(qū)三級層序界面表現(xiàn)出一致性，說明對應(yīng)小波變換識別出的信號奇異點可能就是三級層序界面，因此，可以將其作為湖盆三級層序的劃分指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1)SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換劃分鄂爾多斯陸相湖盆南部延長組層序地層具有可行性，SP_coif5_d12小波的極大值處對應(yīng)三級層序的層序界面(湖退—湖侵旋回轉(zhuǎn)換面)，極小值處對應(yīng)最大湖泛面，說明coif5小波變換極值點位置檢測到的自然電位測井信號突變點與層序界面有對應(yīng)關(guān)系。

(2)SP測井曲線經(jīng)coif5小波變換后，頻繁突變的信號曲線變得平滑，突出顯示突變強(qiáng)度最大的信息，使得層序界面的識別變得簡便、快速，在陸相湖盆層序地層劃分中具有實用價值，尤其是在巖心和地震等資料缺乏的單井應(yīng)用中更是可以降低研究成本。

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編輯 黃華彪

20150807；改回日期：20150928

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)“頁巖氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”(XDB10010103)；國家自然科學(xué)基金“鄂爾多斯盆地三疊系延長組湖相烴源巖藻類母質(zhì)及其屬性研究”(41172131)；甘肅省重點實驗室專項“鄂爾多斯盆地延長組烴源巖顯微組分特征及其對頁巖含氣性的影響”(1309RTSA041)

賀聰(1988-)，男，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)為中國科學(xué)院礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事石油與天然氣地質(zhì)研究

蘇奧(1989-)，男，工程師，2011年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油工程專業(yè)，2014年畢業(yè)于該校礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事盆地流體地質(zhì)油氣成藏及地球化學(xué)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.006

TE122.3

A

1006-6535(2015)06-0025-05