地震時(shí)頻分析技術(shù)在濱淺湖沉積層序研究中的應(yīng)用

楊宏偉，李 斌，錢 志，肖鵬程，劉羿伶

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地震時(shí)頻分析技術(shù)在濱淺湖沉積層序研究中的應(yīng)用

楊宏偉1，李 斌2、3，錢 志1，肖鵬程2，劉羿伶2

（1. 中石化勝利油田物探院，山東 東營，257001；2.西南石油大學(xué)地科院，成都 610500；3．中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

以車鎮(zhèn)洼陷沙河街組二段為例，根據(jù)頻率周期連續(xù)性和橫向收斂特征精細(xì)識(shí)別濱淺湖沉積不同尺度旋回界面的特征，結(jié)合地質(zhì)和測井信息建立研究區(qū)沙二段高精度層序地層格架。應(yīng)用結(jié)果表明：廣義S變換頻譜縱向連續(xù)性好，頻率周期性變化對(duì)砂層組韻律特征表現(xiàn)較清晰，對(duì)中期級(jí)別旋回界面較為敏感，短期旋回響應(yīng)特征識(shí)別較為明顯。匹配追蹤方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的優(yōu)勢頻率變化規(guī)律，匹配追蹤分解方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的頻率變化，可以為層序橫向?qū)Ρ忍峁┮罁?jù)。

時(shí)頻分析;小波變換;高分辨率層序;車鎮(zhèn)洼陷

高分辨率層序地層學(xué)主要根據(jù)層序界面在鉆井剖面上的識(shí)別標(biāo)志以及測井、地震上的響應(yīng)特征進(jìn)行劃分的[1-2]，因此具有一定的局限性。而時(shí)頻分析技術(shù)[3-8]由于綜合了地質(zhì)、測井和地震的多維信息，能夠?qū)⒁痪S的時(shí)間域測井?dāng)?shù)據(jù)或地震數(shù)據(jù)變換到二維時(shí)頻域，提高了地震信號(hào)的時(shí)空分辨能力，并提供直觀的地層沉積旋回等地質(zhì)信息。因此可以作為層序地層界面的重要參考依據(jù)，在我國東部盆地碎屑巖沉積層序中得到廣泛應(yīng)用[9-11]。

1 時(shí)頻分析技術(shù)

時(shí)頻分析是一種利用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來分析信號(hào)的方法[12]，其優(yōu)勢是對(duì)信號(hào)的特性和結(jié)構(gòu)反映較全面，還能去除干擾噪音[13]，可以為地質(zhì)現(xiàn)象的解釋提供參考。目前，行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的主要有廣義S變換、小波變換和匹配追蹤（MPD）等時(shí)頻分析技術(shù)[6,8,9,15,20]。

圖1 過DG1-D47井地震原始剖面

1.1 廣義S變換

S—變換是由 R. G . Stockwell 等人提出的[14],它是一種線性、多分辨率、無損可逆的時(shí)頻分析方法[15]，綜合了短時(shí)窗傅立葉變換和連續(xù)小波變換的優(yōu)點(diǎn),在地震勘探中不斷受到重視[16]。

設(shè) h(t)∈L2(R),其S—變換定義為:

在S—變換中,如果令 a =k/|f|,可以得到廣義S-變換，通過調(diào)整 k 值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率升降的控制。利用廣義S變換可以對(duì)三維地震資料在時(shí)間域進(jìn)行精細(xì)的處理，有助于突出地震信號(hào)的特征信息，在高分辨率層序標(biāo)志識(shí)別和劃分中被廣泛應(yīng)用[17]，因此，是地震沉積學(xué)研究的一項(xiàng)重要技術(shù)。

1.2 小波變換

小波變換是在短時(shí)窗傅立葉變換基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種信號(hào)處理方法，由于采用了時(shí)窗參數(shù)的約束，所以克服了短時(shí)傅立葉變換單分辨率的不足。對(duì)于信號(hào)h(t),其小波變換定義為:

式中:a為時(shí)窗因子;b為時(shí)窗變化因子;ψ(t)為小波母函數(shù)。其傅立葉變換ψ(ω)滿足以下條件,即

從式(2)可以看出,隨著時(shí)窗因子a的變化,對(duì)時(shí)間域信號(hào)的處理會(huì)發(fā)生改變，信號(hào)周期往往可以通過沉積周期反映，這為層序劃分提供了理論依據(jù)[18]。

1.3 匹配追蹤

由于受測不準(zhǔn)準(zhǔn)則的制約，應(yīng)用小波變換、廣義S變換等線性算法無法同時(shí)獲得高時(shí)間分辨率和高頻率分辨率，而匹配追蹤算法能夠克服以上問題，從時(shí)間域和頻率域?qū)Φ卣鹦盘?hào)同時(shí)精細(xì)表征[19-22]。匹配追蹤子波分解與重構(gòu)技術(shù)可以將地震數(shù)據(jù)分解為不同尺度的地震子波，并且，其頻率與能量可以隨時(shí)間和空間的變化而變化，同時(shí)，也可以對(duì)子波進(jìn)行認(rèn)為定義，將每個(gè)被分解出來的子波成分又定義為原子，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：ai為振幅，無量綱；mi為第i個(gè)原子，無量綱；?m為原子的頻率，Hz；td為中心位置，無量綱；Φ為相位，E（N）?為殘差，無量綱。按公式（4）對(duì)實(shí)際地震道數(shù)據(jù)進(jìn)行分解后，還可根據(jù)需要選擇不同的原子進(jìn)行重構(gòu)。由于匹配追蹤子波分解不受時(shí)窗約束，其時(shí)頻譜無交叉項(xiàng)，因此具有較高的時(shí)間分辨率和頻率分辨率,對(duì)層序的縱橫向變化較為敏感[23]。

2 基于地震資料的時(shí)頻分析應(yīng)用

建立等時(shí)層序地層格架是開展沉積學(xué)和儲(chǔ)層預(yù)測的基礎(chǔ)[24]。本文研究區(qū)車鎮(zhèn)凹陷位于濟(jì)陽坳陷北部，沙二段為該區(qū)主要產(chǎn)油層，油氣資源豐富[10]。沙二沉積期處于盆地的斷坳階段，濱淺湖沉積發(fā)育，呈現(xiàn)砂泥巖層薄[11]，縱向交互頻繁，前人多年的研究[25-28]認(rèn)為研究區(qū)沙二段整體為一個(gè)三級(jí)層序（標(biāo)準(zhǔn)的層序，對(duì)應(yīng)長期基準(zhǔn)面旋回）[28]，受地震分辨率低影響，高級(jí)別層序格架建立較為困難（圖 1）。研究主要應(yīng)用廣義S變換、小波變換和匹配追蹤（MPD）時(shí)頻分析算法，對(duì)勝利油田車鎮(zhèn)凹陷沙二段井旁地震數(shù)據(jù)頻率變化進(jìn)行分析，井震結(jié)合識(shí)別層序界面特征，為研究區(qū)高精度層序地層的定量劃分提供依據(jù)。

2.1 單井層序劃分

廣義S變換的聯(lián)合時(shí)頻譜縱向連續(xù)性較好，能比較直觀的反映沉積旋回與頻率的方向性變化,對(duì)沉積旋回的劃分具有指導(dǎo)意義。研究利用廣義-S變換對(duì)D47、D55、DG2和D63等井的井旁地震道時(shí)頻分析發(fā)現(xiàn)，沙二段縱向頻率存在低頻-高頻-低頻的4個(gè)頻率變化段，不同頻率段砂層組合差異明顯，以頻率變化端作為旋回界面可以劃分出中期旋回（四級(jí)層序）4個(gè)（圖2）。在中期旋回巖性剖面上，可以發(fā)現(xiàn)厚砂巖段向泥巖段過渡特征，在時(shí)頻剖面上多表現(xiàn)為低頻向高頻變化的響應(yīng)，反映水體變深沉積環(huán)境，可以用層序地層學(xué)的上升半旋回表征。與此相對(duì)應(yīng)，泥巖段向砂巖段過渡在時(shí)頻剖面上多表現(xiàn)為高頻向低頻變化的反射特征，表征為下降半旋回。整體顯示廣義-S變換對(duì)中期旋回尺度砂層組識(shí)別較為敏感，可以作為高分辨率層序劃分和井間砂層組對(duì)比的依據(jù)。

用小波變換的方法處理的頻譜對(duì)沉積體縱向連續(xù)性差，識(shí)別度較高，低頻和高頻過渡較穩(wěn)定。從單井巖相和時(shí)頻譜標(biāo)定可以看出（圖3），時(shí)頻譜周期變化特征和砂組韻律呈現(xiàn)出較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠有效識(shí)別砂組縱向變化，可以作為高分辨率層序短期旋回的劃分依據(jù)。從圖3可以看出，研究區(qū)沙二段縱向高頻能量團(tuán)有9個(gè)，可以劃分出短期旋回（五級(jí)層序）9個(gè)，井間特征對(duì)應(yīng)較好，有助于開展短期砂組沉積旋回的橫向?qū)Ρ取?/p>

圖2 廣義S變換時(shí)頻譜與沉積旋回對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 小波變換時(shí)頻譜與沉積旋回對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 匹配追蹤時(shí)頻譜與沉積旋回對(duì)應(yīng)關(guān)系

相對(duì)廣義S和小波變換而言，沙二段匹配追蹤時(shí)頻譜（MPD）縱向分辨率相對(duì)較低（圖4），多反映層段巖性地震反射特征。研究區(qū)沙二段自下而上呈現(xiàn)砂地比逐漸降低、砂層厚度減薄的趨勢，在地震時(shí)頻（匹配追蹤）剖面上表現(xiàn)為下部低頻信息豐富，向上不斷減弱的響應(yīng)特征，反映了沙二沉積期水體不斷上升的長期旋回特征，可以用1個(gè)上升半旋回來表征。

參考廣義S變換、小波變換和匹配追蹤方法識(shí)別出不同沉積旋回的界面特征，確定研究區(qū)沙二段單井高分辨率旋回劃分方案（圖5）：長期旋回1個(gè)，中期旋回4個(gè)，短期旋回8個(gè)。

2.2 層序地層對(duì)比

利用時(shí)頻分析技術(shù)可以對(duì)研究區(qū)沙二段層序進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，分析砂組變化特征。從圖6可以看出，廣義S變換低頻變化和中期沉積旋回對(duì)應(yīng)較好，小波變換和短期旋回砂組響應(yīng)關(guān)系明顯。從D47-D20井層序橫向?qū)Ρ瘸尸F(xiàn)減薄趨勢，靠近物源區(qū)，砂組厚度呈現(xiàn)增加趨勢，時(shí)頻譜表現(xiàn)低頻增強(qiáng)的響應(yīng)特征，反映了湖平面上升對(duì)沉積演化的控制。井震對(duì)比認(rèn)為沙二段層序劃分較為可靠，橫向?qū)Ρ刃詮?qiáng)（圖7），時(shí)頻分析技術(shù)可以作為沙二段濱淺湖沉積層序劃分的依據(jù)。

3 結(jié)論

1） 時(shí)頻分析的廣義S變換頻譜縱向連續(xù)性好，對(duì)中期尺度的砂層組韻律特征表現(xiàn)較清晰，其中，低頻向高頻變化的反射特征可以反映湖平面上升沉積過程，泥巖段向砂巖段過渡在時(shí)頻剖面上多表現(xiàn)為高頻向低頻變化的反射特征，頻率變化端可以作為高分辨率層序劃分中期級(jí)別旋回（四級(jí)層序）界面。

圖5 沙二段層序劃分柱狀圖

圖6 研究區(qū)沙二段聯(lián)井層序?qū)Ρ葓D

圖7 過D55 井地震剖面Inline806（左為原始地震剖面；右為頻率剖面）

2）小波變換方法解釋頻譜橫向連續(xù)性佳，時(shí)頻譜周期性特征和砂組韻律呈現(xiàn)較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以作為高分辨率層序中短期旋回參考。匹配追蹤分解方法解釋的頻譜反映了不同深度沉積體的頻率變化，可以為層序橫向?qū)Ρ忍峁┮罁?jù)。

3）時(shí)頻分析方法通過單井與地震剖面結(jié)合識(shí)別高分辨率沉積旋回，根據(jù)頻率周期連續(xù)性和橫向收斂特征可精細(xì)識(shí)別濱淺湖沉積不同尺度旋回界面的特征，且地震剖面視分辨率較高，可以作為高精度層序地層解釋和對(duì)比的參考依據(jù)。

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The Application of Seismic Time-Frequency Analysis Technology to the Study of Shore and Shallow Lacustrine Sedimentary Sequence

YANG Hong-wei1LI Bin2,3QIAN Zhi1XIAO Peng-cheng2LIU Yi-ling2

(1-Shengli Geophysical Institute, SINOPEC, Dongying, Shandong 257001; 2- Geoscience College of Southwest Petroleum University, Chengdu 610500; 3-Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074)

This study establishes high-resolution sequence stratigraphical framework of the Second Member of the Shahejie Formation in the Chezhen depression based on continuity and horizontal convergence characteristic of frequency cycle in combination withseismic and logging data. The application results show that the generalized S transform which has good vertical continuity is sensitive to the mid-term cycles (fourth-order sequences) of sequence interface and it is clear when representing rhythm features of the sedimentary body, while the spectrum interpreted by wavelet transform has good transverse continuity and higher accuracy for the vertical continuity features of the sedimentary body, its response characteristics of short-term cycles (fifth-order sequences) are obvious; The spectrum interpreted by matching pursuit decomposition method reflects the change rule of the dominant frequency for different depth of the sedimentary body.

time-frequencyanalysis; wavelet transform; high-resolution sequence;Second Member of the Shahejie Formation; Chezhen depression

2017-08-26

“構(gòu)造與油氣資源”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（TPR-2013-16）資助。

楊宏偉（1967-），男，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事綜合解釋及油藏建模研究工作

P531.4

A

1006-0995（2018）02-0345-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.036