基于自適應(yīng)窗口的第三代相干技術(shù)在X區(qū)塊的應(yīng)用

覃素華, 劉雷頌, 曹來(lái)圣, 喻 林, 喬鳳遠(yuǎn), 劉冬民

(中國(guó)石油集團(tuán) 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院地質(zhì)研究中心，河北 涿州 072751)

0 引言

在構(gòu)造解釋中，斷層解釋是非常重要的一環(huán)。高精度解釋斷層，對(duì)圈閉評(píng)價(jià)、油氣成藏分析都至關(guān)重要。相干技術(shù)一直是斷層解釋的重要手段之一，尤其是在資料品質(zhì)不高、斷層發(fā)育的情況下更是如此。因此，地球物理學(xué)者圍繞有效提高斷層解釋精度不斷創(chuàng)新發(fā)展新算法，相干算法從C1相干算法[1]，到C2相干算法[2]，再到C3相干算法[3]不斷發(fā)展。除算法改進(jìn)外，地球物理學(xué)者還發(fā)展了對(duì)地震資料進(jìn)行針對(duì)性處理以提高相干體精度，如超道相干體技術(shù)[4]、多屬性相干方法[5]、分頻相干技術(shù)[6]、高階相干技術(shù)[7]等，這些技術(shù)都是在對(duì)地震資料進(jìn)行針對(duì)性處理的基礎(chǔ)上，再做相干處理等來(lái)提高斷層的解釋精度。

該區(qū)塊位于城區(qū)，地面條件復(fù)雜，地下斷裂發(fā)育，勘探開(kāi)發(fā)程度高。受制于早期城市三維采集技術(shù)的限制，其開(kāi)展的二次三維地震采集資料很難滿足當(dāng)前的勘探開(kāi)發(fā)需求。充分挖掘已有資料潛力，發(fā)揮物探處理解釋技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造的精細(xì)解釋和斷裂的準(zhǔn)確刻畫(huà)是擺在研究人員面前的難題之一。

通過(guò)對(duì)相干技術(shù)調(diào)研，探索應(yīng)用最新的基于自適應(yīng)窗口相干處理技術(shù)，對(duì)相干體與地震數(shù)據(jù)體融合，在斷裂的精細(xì)解釋上取得一定效果，值得其他類似區(qū)塊借鑒。

1 X區(qū)塊地質(zhì)地震特征

X區(qū)塊位于渤海灣盆地某油田中部，地層自下而上為太古界、中生界、下第三系沙河街組、東營(yíng)組、上第三系館陶組及第四系地層。其中太古界巖性主要為變質(zhì)巖，以及后期侵入的煌斑巖巖脈和中酸性火山巖巖脈。中生界上部巖性主要為中酸性火山噴發(fā)巖，下部巖性主要為火山巖、砂礫巖、火山角礫巖；火山巖以安山巖、英安巖、英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r為主。新生界下第三系沙河街組，各組地層特征如下：沙四段為一套淺灰色、紫紅色中細(xì)粒砂巖、含礫砂巖及砂礫巖與暗紫、淺灰色泥巖間互沉積。沙三段上部為灰色泥巖夾薄層灰白色砂巖、含礫砂巖，中部為深灰色泥巖夾灰白色砂巖、砂礫巖。沙二段下部以灰白色砂礫巖為主，上部以正常砂礫巖為主；上、下砂巖組之間有穩(wěn)定的泥巖段隔層；砂巖主要為粗碎屑巖，上部為灰色泥巖夾砂巖，下部為以砂礫巖為主夾薄層泥巖。沙一段中、上部為灰色泥巖夾薄層砂巖或含礫砂巖，中部發(fā)育一組油頁(yè)巖，下部為灰色泥巖夾喊砂礫巖，底部發(fā)育一組鈣片頁(yè)巖。東營(yíng)組為灰綠色泥巖與砂巖呈不等厚互層。館陶祖為大套灰白色塊狀砂礫巖。

地震、鉆井及地質(zhì)資料表明，X區(qū)塊中淺層邊部及內(nèi)部主要發(fā)育正斷層，方向有兩組，分別為北東向及近東西向:①北東向斷層為本區(qū)主干斷層，控制了X區(qū)塊構(gòu)造的形成與分布;②近東西向斷層將X區(qū)塊構(gòu)造切割成各單獨(dú)小塊，其中部分?jǐn)鄬有纬蓵r(shí)期為油氣充注階段，潛山供油窗口由這些斷層提供。

因此，高精度刻畫(huà)斷層，對(duì)油藏的描述起至關(guān)重要的作用。由于巖性橫向變化快、斷裂破碎復(fù)雜，及地震分辨率的問(wèn)題，影響到橫向波組特征變化快，規(guī)律性差。有些小斷層雖然可視別，但斷面不清晰，很難直接從地震剖面上精細(xì)解釋小斷層。亟需借助技術(shù)手段提高斷層的解釋精度。

2 自適應(yīng)窗口相干技術(shù)

自適應(yīng)(Self-adaptive)是指處理和分析過(guò)程中，根據(jù)處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征自動(dòng)調(diào)整處理方法、處理順序、處理參數(shù)、邊界條件或約束條件，使其與所處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征、結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)，來(lái)達(dá)到最佳的處理效果。

自適應(yīng)技術(shù)多用于聲學(xué)[8-9]、電學(xué)[10]等領(lǐng)域，對(duì)于在地球物理領(lǐng)域應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)新技術(shù)。在相干體處理技術(shù)上的應(yīng)用，確切的定義應(yīng)該為自適應(yīng)窗口相干技術(shù)，而傳統(tǒng)的相干技術(shù)是通過(guò)固定窗口實(shí)現(xiàn)的。

相干體算法基本經(jīng)歷了三代：C1、C2、C3算法，現(xiàn)在用的基本上都是C3算法及其變種。C3算法稱之為基于本征值結(jié)構(gòu)的相干體算法[11]，其基本原理為在一定時(shí)窗內(nèi)提取一組地震道數(shù)據(jù)生成樣點(diǎn)矢量。在時(shí)間t的視傾角p和q決定的平面上，每一個(gè)樣點(diǎn)矢量組成新數(shù)據(jù)矩陣的行和列，進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)，生成協(xié)方差矩陣C，則Cij為：

μ(t,p,q)]·[uj(t+nΔt-pxj-

qyj)-μ(t,p,q)]}

(1)

式中:t為時(shí)間;p和q分別表示時(shí)窗中心點(diǎn)在局部反射面x和y方向的視傾角;N為時(shí)窗內(nèi)樣點(diǎn);u為目標(biāo)道;i和j為線、道序列號(hào);μ為窗口內(nèi)均值。

式(1)可以計(jì)算出J個(gè)非負(fù)特征值λ，則C3相干值為：

(2)

式中λ1為最大特征值。

固定窗口只是在時(shí)間域?qū)、y方向求取視傾角特征值時(shí)會(huì)受到時(shí)窗邊界及傾角陡度的限制，如何在窗口合理的情況下提高特征值的精度，需要通過(guò)給定一個(gè)參考信息量，讓窗口合理的自動(dòng)滑動(dòng)，從而提高x、y方向的特征值精度。

小波變換可以同時(shí)反映信號(hào)在時(shí)間域和頻率域的信息。頻率域信息包括振幅譜和相位譜，但振幅譜的信息更能反映地層信息。具體實(shí)現(xiàn)則通過(guò)基于匹配追蹤的小波變換進(jìn)行譜分解，產(chǎn)生振幅譜和相位譜，利用振幅譜求取平均功率譜，根據(jù)平均功率譜信息求取自適應(yīng)時(shí)窗。

對(duì)于地震信號(hào)f(t)，小波變換定義[12]為：

(3)

式中：T為時(shí)間尺度參數(shù)；τ為時(shí)間中心參數(shù)；ψ(t)為小波母函數(shù)。

設(shè)平穩(wěn)信號(hào)序列X(n)為N點(diǎn)的信號(hào)[13]，X(n)每一時(shí)間尺度小波變換系數(shù)為Wt(k)，則對(duì)應(yīng)的功率譜P(t)為：

(4)

式中，t為時(shí)間尺度值。

當(dāng)采用自適應(yīng)窗口計(jì)算相干時(shí)，把功率譜作為控制條件輸入，首先解析出功率譜對(duì)應(yīng)的起始頻率、結(jié)束頻率，然后設(shè)置頻率增量i，一般按功率譜總量的百分之三十為增量，ui為滑動(dòng)窗口，

引入窗口函數(shù)[14]為：

(5)

該技術(shù)模塊化流程如圖1所示。流程有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：①功能譜的求取；②自適應(yīng)窗口的處理。在求取功能譜的過(guò)程中有一個(gè)起始、終止頻率的設(shè)置，該參數(shù)來(lái)自于地震資料，不同地震資料一般會(huì)有不同頻寬，因此在進(jìn)行功能譜求取之前，有必要進(jìn)行地震資料目的層的頻譜分析。只有準(zhǔn)確地設(shè)置起始、終止頻率，才能準(zhǔn)確地求取功能譜。在自適應(yīng)窗口處理中有兩個(gè)參數(shù)需要注意：①相干點(diǎn)的設(shè)置，即3點(diǎn)相干還是5點(diǎn)、9點(diǎn)等，該參數(shù)表示的是橫向上相鄰地震道數(shù)據(jù)比較的多少參數(shù)，越大越精細(xì)，費(fèi)時(shí)也越長(zhǎng)；②自適應(yīng)滑動(dòng)窗口的頻率增量設(shè)置，該參數(shù)過(guò)小或過(guò)大都影響精度，過(guò)小會(huì)對(duì)大的斷層識(shí)別不清而且計(jì)算量大，過(guò)大會(huì)漏掉微小斷層，經(jīng)測(cè)試增量設(shè)為功率譜總量的百分之三十效果最佳。

3 自適應(yīng)窗口相干技術(shù)的應(yīng)用

在X區(qū)塊的應(yīng)用過(guò)程中，首先對(duì)該區(qū)地震資料進(jìn)行分析，構(gòu)思相應(yīng)的技術(shù)流程。即通過(guò)常規(guī)相干、自適應(yīng)相干、基于構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波后的自適應(yīng)相干、數(shù)據(jù)融合等效果對(duì)比，逐步提高小斷層的刻畫(huà)精度，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)在地震資料上的準(zhǔn)確歸位。

圖2是X區(qū)塊中部一條原始地震剖面。從剖面上來(lái)看，斷層發(fā)育，但斷點(diǎn)不清晰，個(gè)別大斷層可以根據(jù)對(duì)本區(qū)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解及綜合解釋經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行斷層描述，但對(duì)于小斷層的精細(xì)刻畫(huà)較為困難。

圖1 自適應(yīng)窗口相干處理技術(shù)流程Fig.1 Adaptive window coherent processing technology flow

圖2 原始地震剖面Fig.2 Original seismic section

圖3 常規(guī)相干剖面Fig.3 Conventional coherence section

圖3為固定窗口常規(guī)相干剖面，從相干剖面上看對(duì)斷層解釋能起到一些參考作用，但作用有限。

基于原始地震資料對(duì)X區(qū)塊進(jìn)行自適應(yīng)相干處理。圖4為自適應(yīng)相干剖面與常規(guī)相干剖面對(duì)比，其中圖4(a)即常規(guī)相干剖面，為圖3中藍(lán)色框內(nèi)的放大顯示，圖4(b)為對(duì)應(yīng)圖4(a)相同位置的自適應(yīng)相干剖面。從對(duì)比剖面上看，圖4(a)與圖4(b)剖面右側(cè)大紅圈內(nèi)的兩條斷層，在常規(guī)相干剖面中，斷面表現(xiàn)的比較寬且模糊，自適應(yīng)相干剖面中對(duì)斷面的表現(xiàn)比較清晰且收斂。左側(cè)的紅圈內(nèi)的小斷層，在常規(guī)相干剖面中，只是簡(jiǎn)單的一些模糊反映，而在自適應(yīng)相干剖面中該斷層表現(xiàn)為多條干脆的小斷層，對(duì)小斷層的反映表現(xiàn)更為清晰、精細(xì)。整體對(duì)比看，常規(guī)相干雖然對(duì)斷層有顯示，但整體不清晰。而自適應(yīng)相干剖面明顯比常規(guī)相干對(duì)斷層的反映要清晰，同時(shí)斷層的連續(xù)性、精細(xì)程度等都更加豐富飽滿。

基于原始地震數(shù)據(jù)分別進(jìn)行常規(guī)與自適應(yīng)相干處理后，對(duì)兩種相干方法地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了時(shí)間切片對(duì)比。圖5為常規(guī)相干及自適應(yīng)相干同一時(shí)間的切片，圖5中藍(lán)色圈內(nèi)，圖5(a)中模糊一片，只能隱約看到一組東北-南西向斷層，很難識(shí)別內(nèi)部斷層，而圖5(b)中相同位置，能較清晰地看到斷裂內(nèi)部小斷層的平面展布，圈內(nèi)上側(cè)為近東西向小斷層，中間呈北東-南西多條小斷層，邊界及延伸尺度清晰，整體由上到下(北東-南西)呈一組掃帚狀小斷裂展布。圖5中紅色圈內(nèi)同樣效果明顯，圖5(a)中紅色圈內(nèi)的常規(guī)相干切片中，中部基本顯示為一條近北西向斷裂，在圖5(b)相同位置，自適應(yīng)相干切片上紅色圈內(nèi)中部位置，在近北西向斷層的東西兩側(cè)，顯現(xiàn)出兩條近北東向小斷裂，分析認(rèn)為這兩條斷層為構(gòu)造轉(zhuǎn)換斷層。

圖4 常規(guī)與自適應(yīng)相干剖面對(duì)比Fig.4 Conventional and adaptive coherence section comparison(a)常規(guī)相干剖面；(b)自適應(yīng)相干剖面

圖5 常規(guī)與自適應(yīng)相干切片對(duì)比Fig.5 Conventional and adaptive coherent time slice comparison(a)常規(guī)相干時(shí)間切片；(b)自適應(yīng)相干時(shí)間切片

整體上對(duì)比來(lái)看，常規(guī)相干切片相對(duì)模糊，只能識(shí)別大斷裂，大斷裂的伴生小斷裂基本模糊一片，難以識(shí)別。自適應(yīng)相干切片清晰，能清楚地刻畫(huà)出小斷裂的走向、展布，對(duì)斷層的解釋及組合能起到很好的參考作用。從切片上看，該區(qū)塊主要斷裂近東西向展布，次要斷裂近北東向展布，兩組斷裂主要交匯于區(qū)塊中部，與該區(qū)構(gòu)造背景基本一致，即區(qū)塊中部處于構(gòu)造應(yīng)力樞紐部位。

綜合剖面與切片的兩種相干體的對(duì)比，自適應(yīng)相干比常規(guī)相干反映的斷層清晰、聚焦，小斷層的識(shí)別能力、精細(xì)程度、細(xì)節(jié)的豐富程度都更高。

4 地震與相干數(shù)據(jù)融合

為了從剖面上解釋斷層更為直觀，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)在地震資料上的準(zhǔn)確歸位，對(duì)自適應(yīng)相干數(shù)據(jù)體與地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合。融合方法有多種，常用的有比例融合(相干數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)按一定的比例形成成融合數(shù)據(jù))和雙色融合(兩種數(shù)據(jù)通過(guò)色彩疊加進(jìn)行效果顯示)。為了使融合效果明顯，在研究區(qū)創(chuàng)新了一種新的方法，首先對(duì)相干數(shù)據(jù)進(jìn)行雕刻鏤空處理，即對(duì)相干數(shù)據(jù)中相似性高的數(shù)據(jù)進(jìn)行鏤空處理，只留下相似性差的數(shù)據(jù)(斷層數(shù)據(jù))，然后在和地震數(shù)據(jù)進(jìn)行合并疊加處理(函數(shù)表達(dá)式為：當(dāng)相干數(shù)據(jù)不為空值時(shí)讀取相干數(shù)據(jù)，當(dāng)相干數(shù)據(jù)為空值時(shí)讀取地震數(shù)據(jù))，該方法研究組定義為函數(shù)融合。從數(shù)據(jù)融合效果來(lái)看，對(duì)斷層解釋的參考更為直觀，也更有利于對(duì)類似地區(qū)復(fù)雜斷裂的精細(xì)刻畫(huà)。

剖面(圖6)中的深色條帶，大角度、延伸長(zhǎng)的基本是斷層的表現(xiàn)，和圖2剖面中的可識(shí)別斷層完全吻合，大角度、延伸短的為微小斷層表現(xiàn)，在正常剖面中(圖2)難以識(shí)別，其傾向基本與斷層一致或呈銳角斜交，平面上(圖5(b))走向與可識(shí)別斷層基本一致，符合該區(qū)應(yīng)力規(guī)律。

剖面中(圖6)大角度、延伸短呈扁豆?fàn)钌钌唿c(diǎn)，推測(cè)為裂縫。在最近的鉆井中得到了證實(shí)，該區(qū)塊在新測(cè)井中增加了超聲成像測(cè)井，圖7左側(cè)為過(guò)剖面(圖6)的一口新井成像測(cè)井，圖中藍(lán)色方框?yàn)槌上駵y(cè)井段，圖中藍(lán)色箭頭所指空白區(qū)為裂縫，該裂縫呈扁豆?fàn)?，與融合剖面中(圖6)預(yù)測(cè)裂縫基本吻合。

圖6 融合剖面Fig.6 Fusion section

圖7 融合剖面與成像測(cè)井Fig.7 Imaging logging & fusion section

5 結(jié)論

通過(guò)在X區(qū)塊應(yīng)用自適應(yīng)窗口相干技術(shù)，及與常規(guī)固定窗口相干技術(shù)得到的相干體對(duì)比，無(wú)論斷裂的清晰度還是細(xì)節(jié)的表現(xiàn)都有明顯地改善。

精細(xì)的斷裂刻畫(huà)是高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的重要部分，對(duì)油田開(kāi)發(fā)部井也非常關(guān)鍵。因此，該技術(shù)有助于推動(dòng)油田區(qū)塊綜合解釋的精度，對(duì)開(kāi)發(fā)井的注采部署提供借鑒。