廣義S變換分頻技術(shù)在伊通盆地儲層預(yù)測中的應(yīng)用

王 雷，袁立川，潘紅衛(wèi)，柯 欽，連曉亮，丁朝龍，王 芳

(1.東方地球物理公司研究院 地質(zhì)研究中心，涿州 072750；2.東方地球物理公司研究院 華北分院，涿州 072750)

0 引言

實際地震波信息是地下多個砂泥巖薄互層的綜合響應(yīng)，多個薄層反射組成的地震波在時間域會產(chǎn)生復雜的調(diào)諧反射，但每個薄層產(chǎn)生的地震反射信號經(jīng)傅立葉變換后，在頻率域都有一個與之相對應(yīng)的唯一特定頻率成分[1]。地震分頻技術(shù)是一種基于頻譜分析的地震成像方法，可揭示地層的縱向整體變化規(guī)律、沉積相帶的空間演變模式，并能指導人們進行儲集層厚度展布的描繪與分析[2]。應(yīng)用地震分頻屬性檢測沉積體系的縱向及平面的空間演變,不但可以避免因地震采集、處理時振幅不一致導致的地震相解釋的多解性, 同時又提高了僅依賴振幅類地震屬性信息進行沉積相研究的精度。筆者應(yīng)用廣義S變換分頻技術(shù)(GST)，對伊通盆地常規(guī)儲層(扇體)和非常規(guī)儲層(大理巖)進行了刻畫，該分頻技術(shù)克服了常規(guī)譜分解短時快速傅里葉變換(SDFT)固定時窗分析的短板，實現(xiàn)了對地震信號的變焦分析。該技術(shù)適用于狹長盆地不等厚地層的層間頻譜分析和屬性分頻提取，在油氣勘探初期鉆井少的情況下，可以僅利用地震資料快速的定性刻畫儲層的分布情況，為井位部署提供儲層借鑒。

1 原理

地震波在地層介質(zhì)中傳播，由于散射和吸收衰減等均與頻率有關(guān)，嚴格意義上屬非平穩(wěn)信號。由于傅里葉分析使用的是一種全局變換，無法表達信號的時頻局部性質(zhì)，而信號的局部性又是非平穩(wěn)信號差異性分析的關(guān)鍵。因此，研究人員分別應(yīng)用短時傅里葉變換(SDFT)，Gabor變換[3]、連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform,CWT)對分頻技術(shù)進行改進[4]。R G.Stockwell綜合SDFT和CWT的特點，提出了一種非平穩(wěn)信號分析的方法廣義S變換(GST)[5]，GST是用一系列不同寬度的時窗去分析信號在某時刻附近的頻率成分，可以根據(jù)頻率的不同自動調(diào)節(jié)時窗的大小，以此實現(xiàn)對地震信號的變焦分析，其創(chuàng)新在于克服了傅里葉變換其只能用固時窗分析的缺點。

廣義S變換表達式為式(1)。

(1)

窗函數(shù)為式(2)。

(2)

其中：λ為線性調(diào)節(jié)參數(shù)，數(shù)值越大，時間域分辨率越高，頻率域越低，取值范圍0.1～3，P為指數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)，數(shù)值越大，時間域分辨率越高，頻率域越低，取值范圍0.1～3。當p=0時，等同于短時傅里葉變換(SDFT)，當λ=1，p=1時，等同于標準S變換。其為依賴頻率f變化的函數(shù)，其在高頻段時窗變窄，在低頻段時窗變寬，使得該廣義S變換具備隨頻率變化的自適應(yīng)調(diào)整時窗的能力，具有多分辨的特性。

2 廣義S變換在常規(guī)儲層預(yù)測中的應(yīng)用

伊通盆地位于郯廬斷裂帶北段，盆地西北緣隔大黑山與松遼盆地相接，東南緣是廣闊的那丹哈達嶺，伊通盆地是一狹長走滑拉分盆地，呈現(xiàn)“不對稱雙斷”結(jié)構(gòu)特征，西陡東緩，盆地東西兩側(cè)沉積多支物源，其中西北緣陡坡帶多沉積近岸水下扇物源，東南緣緩坡帶多沉積扇三角洲物源。盆地形成晚期受大黑山左旋擠壓應(yīng)力影響，西北緣早期沉積地層反轉(zhuǎn)，早期形成的近岸水下扇體幾何形態(tài)遭到嚴重破壞，但是其沉積厚度從盆緣向盆內(nèi)推進逐漸減薄的變化規(guī)律并沒有改變。因此，建立一種楔狀模型(圖1)，這種模型在地震響應(yīng)頻率特征上，對于地下地層而言，隨其厚度的增加，地震反射振幅逐漸增大，當?shù)貙雍穸仍黾又?/4波長時，反射波振幅達到最大值，然后隨地層厚度的增加，反射振幅反而逐漸減小。其厚的部分和薄的部分具有一定的差異，厚部分體現(xiàn)出低頻響應(yīng)特征，薄部分體現(xiàn)出高頻響應(yīng)特征。

以波太凹陷西北緣陡坡帶奢嶺組近岸水下扇刻畫為例，從垂直盆地主測線剖面上可以看出(圖2)，從盆地西北緣到盆內(nèi)扇體的響應(yīng)特征是主頻呈逐漸升高趨勢，相應(yīng)的儲層是逐漸減薄的，內(nèi)扇位置主頻為11 Hz，中扇位置主頻為17 Hz,外扇位置主頻為21 Hz。

利用廣義S變換分頻技術(shù)將地震數(shù)據(jù)剖面分三個頻段顯示(圖3)，圖3中暖色調(diào)代表扇體儲層發(fā)育區(qū)。地震數(shù)據(jù)為11 Hz單頻體，扇體僅在西北緣有所響應(yīng)，體現(xiàn)了近岸水下扇內(nèi)扇厚層地震響應(yīng)特征；地震數(shù)據(jù)為17 Hz單頻體，體現(xiàn)了中扇向盆內(nèi)的推進；地震數(shù)據(jù)為21 Hz單頻體，整個扇體的輪廓就都顯現(xiàn)出來。值得注意的是，在剖面東南部也具有同樣的地震響應(yīng)特征，綜合地質(zhì)認識，考慮這是來自盆地東南緣的一支扇體。

圖1 楔狀模型

圖2 扇體頻譜分析

圖3 地震剖面分頻顯示

廣義S變換分頻技術(shù)可以實現(xiàn)扇體儲層的橫向分布預(yù)測。通過利用時頻轉(zhuǎn)換后的頻率域地震數(shù)據(jù)，用頻率域切片觀察儲層的橫向變化規(guī)律，利用地層厚度變化在頻譜上引起的調(diào)諧效應(yīng)反映扇體儲層的橫向展布規(guī)律。利用廣義S變換分頻技術(shù)，分別提取11 Hz、17 Hz、21 Hz單頻體頻率域切片(圖4(a)、圖4(b)、圖4(c))，再將三個不同頻帶的單頻體所勾勒出的扇體輪廓進行疊合，結(jié)合盆地西北緣發(fā)育陡坡扇的地質(zhì)認識，就可以得到扇體的內(nèi)扇、中扇、外扇三個部分的平面展布規(guī)律(圖4(d))。另外，在盆地東南緣緩坡帶三個大型隆起：萬昌構(gòu)造、搜登站構(gòu)造、孤店斜坡三個方向物源分別發(fā)育三支扇三角洲。從油氣勘探非構(gòu)造圈閉角度出發(fā)，內(nèi)扇粒度粗，但分選不好、物性差；外扇雖然分選好，但粒度細、泥質(zhì)含量高，而二者之間的扇中粒度中等且分選好，因此中扇是最有利的勘探區(qū)帶。

3 廣義S變換在非常規(guī)儲層預(yù)測中的應(yīng)用

3.1 背景

伊通盆地莫里青斷陷在沉積巖地層下部潛山大理巖儲層中通過老井試油獲得了工業(yè)油流。這是伊通盆地基巖在繼鹿鄉(xiāng)斷陷、岔路河斷陷獲得發(fā)現(xiàn)之后的又一突破，證實了伊通盆地基巖整體具有勘探前景。據(jù)已鉆井揭示，莫里青斷陷大部分基底都是以花崗巖為主，僅有尖山隆起部分揭示大理巖潛山，零星探井在大理巖之上揭示千枚巖。

3.2 大理巖儲層特征

大理巖的原巖是灰?guī)r，花崗巖是巖漿在地下深處經(jīng)冷凝而形成的深成酸性火成巖，在花崗巖侵入過程中，碳酸鹽巖經(jīng)熱變質(zhì)作用重結(jié)晶形成顆粒較大的大理巖，碳酸鹽的這種變質(zhì)過程稱之為大理巖化。據(jù)朱亞東等[6]研究發(fā)現(xiàn)，大理巖化特征隨碳酸鹽巖距離巖漿侵入體的遠近不同呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化(圖5),距離侵入巖體越近，大理巖化程度越高，顆粒越粗；而隨著距離的增加，大理巖化程度逐漸降低，并逐漸消失?；?guī)r發(fā)生大理巖化作用之后，顆粒變大，顆粒的分選性變好，對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的改變有一定意義。大理巖化作用改變了原來碳酸鹽巖的巖石結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)，并同時加劇了微裂縫發(fā)育程度。發(fā)育在莫里青斷陷基巖下部的古海盆長期抬升遭受風化淋濾作用，大理巖較后期侵入的花崗巖易于風化，在特定的條件下可以形成大理巖型油氣儲層。

圖4 利用廣義S變換分頻技術(shù)刻畫扇體流程圖

圖5 大理巖化作用 [6]

圖6 變質(zhì)巖與花崗巖響應(yīng)頻率的差異

3.3 伊通盆地巖漿侵入及基底形成過程

朱如凱等[7-8]認為，早期郯廬斷裂的吉林省境內(nèi)部分，石炭至中二疊紀，伊通盆地與松遼盆地為一體，以海相沉積為主，碳酸巖發(fā)育，統(tǒng)稱為松遼海盆；晚三疊紀—中侏羅紀，郯廬斷裂處于活動萌芽狀態(tài)[9],該時期伊通盆地處于大規(guī)模侵入階段，侵入巖在石炭—二疊紀地層中形成巖床，上覆于早期石炭—二疊紀潛山低斜坡部位，潛山內(nèi)部的碳酸鹽巖經(jīng)熱變質(zhì)作用形成大理巖和泥巖經(jīng)熱變質(zhì)作用形成千枚巖正是形成于這一時期。已鉆井揭示的花崗巖、大理巖—花崗巖和大理巖—千枚巖—花崗巖巖性順序證實了以上侵入過程；侏羅紀末期—白堊紀早期，松遼盆地開始接受斷陷期沉積[6]，而此時郯廬斷裂仍沒有被拉開，伊通盆地處于剝蝕狀態(tài)，僅在盆地兩側(cè)局部沉積了少量白堊紀地層，依照花崗巖—大理巖—千枚巖抗風化能力依次減弱的順序剝蝕，形成了現(xiàn)今基底的巖性格局；松遼盆地進入坳陷沉積時期，伊通盆地開始形成，接受新生界沉積，在其后的演化過程中，基底構(gòu)造有所變化，但基底巖性特征及接觸關(guān)系沒有發(fā)生變化[10]。

3.4 大理巖地震頻率響應(yīng)特征及平面展布預(yù)測

由上述伊通盆地基底形成及巖漿侵入過程可以判斷，伊通盆地基底主要是由變質(zhì)巖潛山、花崗巖及盆地兩側(cè)殘余白堊紀沉積地層三部分組成。變質(zhì)巖潛山相對于盆地兩側(cè)殘余的白堊紀地層沉積時期較早，多期構(gòu)造運動及熱變質(zhì)作用導致內(nèi)幕地層破碎。從圖6地震剖面上可以看出，鉆遇變質(zhì)巖探井主要位于潛山構(gòu)造高部位，地震反射特征為高頻、不連續(xù)、與上覆地層呈角度不整合接觸，鉆遇花崗巖探井主要位于潛山翼部及低洼部位，地震反射特征為低頻、連續(xù)、與上覆地層呈平行不整合接觸。經(jīng)統(tǒng)計，鉆井揭示變質(zhì)巖主頻范圍一般在20 Hz～40 Hz，而花崗巖主頻范圍一般在12 Hz左右，因此可以利用兩種巖性在地震資料主頻上的差異將二者加以區(qū)分。在平面分布上，基于廣義S變換提取的45 Hz單頻體振幅屬性可以清楚的刻畫出變質(zhì)巖的邊界范圍(圖7)。變質(zhì)巖主要分布在尖山隆起及其向盆內(nèi)傾末的部位，呈南北向展布，花崗巖則環(huán)變質(zhì)巖大面積分布，經(jīng)探井Y57井和Y34井鋯石巖石年齡鑒定，侵入期為燕山期。值得注意的是，變質(zhì)巖區(qū)內(nèi)有一小巖漿房，經(jīng)探井Y13鋯石巖石年齡鑒定，侵入期為海西期，據(jù)此也可以推斷尖山隆起形成時期早于盆地形成期，為古隆起。

圖7 尖山隆起區(qū)基巖45 Hz單頻體振幅屬性圖

圖8 大理巖與千枚巖振幅的差異

圖9 變質(zhì)巖區(qū)振幅屬性圖

本區(qū)變質(zhì)巖包括大理巖和千枚巖，大理巖為儲層，千枚巖為覆于大理巖之上的殘留蓋層。從圖8可以看出：大理巖振幅值在260～510之間，而千枚巖在80～210之間，兩者的地震振幅值存在較大的差異，因此在變質(zhì)巖區(qū)通過振幅屬性可以定性描述大理巖的分布。利用振幅屬性對變質(zhì)巖區(qū)巖性進行預(yù)測，從圖9可以看出，暖色調(diào)區(qū)為大理巖發(fā)育區(qū)，冷色調(diào)區(qū)為千枚巖發(fā)育區(qū)。

4 結(jié)論

1)通過利用廣義S變換分頻技術(shù)，在伊通盆地波太凹陷充分利用地震資料的頻帶信息，分低、中、高三個頻段提取單頻地震數(shù)據(jù)體，可以在縱向和橫向上刻畫近岸水下扇體各亞相展布規(guī)模，識別了中扇這一儲層甜點發(fā)育區(qū)。

2)在伊通盆地基巖段大理巖非常規(guī)儲層預(yù)測方面，通過分析變質(zhì)巖與侵入巖頻率響應(yīng)差異，大理巖與千枚巖振幅響應(yīng)差異，利用廣義S變換分頻技術(shù)，將大理巖儲層分布規(guī)律刻畫出來。