時頻分析技術在須家河組儲層氣水判別中的應用

摘 要

摘要：四川盆地川西坳陷深層上三疊統須家河組的X851井、X856井、X2井、X3井、X1O井等一批高產氣井證實了該區具有巨大的勘探開發潛力。然而，CX565、X201等高產水井的出現也為該
摘要：四川盆地川西坳陷深層上三疊統須家河組的X851井、X856井、X2井、X3井、X1O井等一批高產氣井證實了該區具有巨大的勘探開發潛力。然而，CX565、X201等高產水井的出現也為該區成功部署井位增添了不確定因素，因此，對該區須家河組儲層氣水判別就顯得尤為重要。地震波在須家河組的含氣儲層和含水儲層中傳播時，在時間域內難以發現振幅、頻率和能量等動力學屬性的變化差異。采用時頻分析技術將時間域的地震信號變換到時間-頻率域進行對比分析解釋，發現“低頻陰影”、“高頻衰減”等現象在含氣儲層中十分突出，而在含水儲層中卻不存在。利用時頻域內的這些典型特征建立模式，并對該區含氣儲層和含水儲層進行了有效的區分，其結果與鉆、測井資料吻合良好。
關鍵詞：四川盆地；西；晚三疊世；致密碎屑巖；流體性質；時間；頻率；判別
    四川盆地川西坳陷深層上三疊統須家河組致密碎屑巖氣藏的儲層預測、裂縫檢測、含氣性識別等問題的解決進程十分緩慢[1]，隨著勘探方法技術的不斷成熟，區內存在的構造復雜、地震資料主頻較低、頻帶狹窄、分辨率有限、儲層埋藏很深(5000m左右)等不利因素正在被逐項克服。伴隨X851井、X856井、X2井、X3井、X10井等一批高產天然氣井在該區被陸續發現，川西坳陷深層須家河組氣藏的勘探開發潛力得到進一步證實。然而，CX565、X201等高產水井的出現為該區成功部署井位增添了不確定因素，也給深層須家河組儲層的氣水判別帶來了新的難題。
    時頻分析技術是近年來發展起來的一項特色儲層描述技術，可以有效地挖掘出地震資料中蘊涵的地下構造、地層結構、儲層發育程度及物性、含油氣性等信息，已應用于刻畫橫向上不連續的地質異常體、預測薄儲層結構、判斷沉積環境[2]、“高頻衰減”油氣分析、“低頻陰影”烴類檢測、頻變AVO處理等方面。但運用時頻分析技術進行氣水判別的研究較少，尤其在應用研究方面尚未有成功實例。大多數氣水判別研究都是從巖性、物性、電性、聚類、孔隙結構、彈性阻抗、多波資料等角度從發[3～6]。筆者基于小波理論形成時頻分析技術啪，從理論模型出發，著力研究地震波傳播能量隨頻率、時間的變化規律，以獲得氣水不同的響應特征，探索氣水判別新方法。利用該方法對川西坳陷深層須家河組儲層氣水分布進行判別，獲得了較好的應用效果。
1 時頻分析技術的原理及方法
    時頻分析是一種基于時間-頻率域的儲集層解釋新技術，它能把時間域的地震信號變換到時間-頻率域，并在時間-頻率域內對目標地質體進行識別。時頻分析的關鍵是對地震信號進行時頻分解(FTD)。基于小波理論，利用小波變換可以實現地震信號的時頻分解，在時間域和頻率域均還具有良好的局部化特征，有利于目標地質體的高分辨識別。
對有限能量的地震信號進行連續小波變換的實質，就是利用地震信號和小波函數進行內積計算[8～10]。連續小波變換的結果將產生連續小波變換系數，即
 
式中：Fw為小波變換系數；t為時間；f(t)為地震信號；ψσ,τ(t)為小波函數；σ為尺度伸縮參數；τ為時間平移參數；ψ*σ,τ為ψσ,τ的復數共軛。
當σ越大時，ψσ,τ(t)伸展越寬、波形越肥胖、主頻越低。當σ越小，ψσ,τ(t)在時間軸上壓縮越強、波形越窄、主頻越高。ψσ,τ(t)是由小波母函數ψ(t)∈L2(R)在時間軸上經伸縮與平移得到的[9]，即
 
在進行連續小波變換時，可以選擇不同的小波函數。在地震信號的小波變換處理中，最常用的小波函數是解析小波函數——Morlet小波函數，它在時間域和頻率域均具有良好的局部化特征。本次研究應用的是高靜懷等構造的Morlet小波函數[10]：
 
式中：ψ(t)為Morlet小波函數；ω0為角頻率，與σ成反比；c為高斯調制常數。
利用Fw(σ，τ)可以計算地震信號的瞬時振幅[11]，即
 
式中：| Fw(σ，τ)|為地震信號f(t)的瞬時振幅，可以反映地震信號的能量變化；Re[…]是函數實部求取符號；Im[…]是函數虛部求取符號。
    實現地震信號的時頻分析思路是：①利用式(1)和式(3)對地震信號進行小波變換；②在不同頻率下，利用式(4)計算出地震信號的瞬時振幅。這樣，就可以在時間-頻率域分析地震信號的動力學特征。由于地震信號的能量與瞬時振幅的平方成正比，因而，瞬時振幅可以反映地震信號的能量變化。
    地震波經過含有流體的地質體時，頻率和能量均會發生明顯衰減。對地震信號進行時頻分析能突出地震信號的動力學信息，有利于研究地震波在時間-頻率域的能量變化，進而掌握地震波在含氣儲集層和含水儲集層中傳播時的不同響應特征，達到判別氣水的目的。
2 應用實例分析
    川西坳陷深層須家河組致密碎屑巖含氣儲量豐富，具有形成大規模天然氣藏的有利條件。隨著X851、X856、X2、X3、X1O、X202等高產工業氣井的成功發現，新場地區深層須家河組氣藏的勘探開發潛力十分廣闊。然而，隨著勘探開發程度的不斷加深，CX565井、X201井等富水井陸續出現，為該區天然氣富集區域的預測增添了新的困惑。由于川西坳陷深層須家河組氣藏是由孔隙-裂縫主導的，因而，未發現富水井之前，預測重點以儲層中的裂縫發育帶為主，對氣水判別問題并未引起足夠的重視。事實上，不能有效判別含水儲層，已經帶來了很大的勘探開發風險，降低了開采成功率。因此，有效解決氣水判別問題已經刻不容緩。
    基于上文所述時頻分析技術和氣水判別方法，利用新場地區的PP波地震資料，結合測井、地質等綜合信息，以深層須家河組二段(T511)為研究對象，對該區含氣儲層和含水儲層的空間分布進行了分析和預測。
圖1所示是新場T511層頻變能譜連井剖面，重點關注的頻譜在橢圓區內。圖中顯示，在該儲層段內，獲得高產工業氣流的X10、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低頻段(低于15Hz)具有較強的瞬時譜響應；獲得低產工業氣流的IA50、X5等井在低頻段(低于15Hz)具有相對較弱的瞬時譜響應；未獲工業氣流的干井X11、CX560井和產水的CX565、X201井在低頻段無強瞬時譜響應特征。
 
圖2所示是新場深層須家河組分頻連井剖面，紅色代表最強瞬時譜分布，白色代表最弱瞬時譜分布，重點關注的瞬時譜在多邊形圈內。圖2-a顯示：在該儲層段內獲得高產工業氣流的X1O、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低頻剖面(10Hz)具有強“低頻陰影”含氣響應；獲得低嚴工業氣流的L150、X5等井在低頻剖面(10Hz)具有相對較弱的“低頻陰影”含氣響應；未獲工業氣流的干井X11、CX560井和產水的CX565、X201井在低頻剖面上無“低頻陰影”含氣響應特征。圖2-b顯示：在該儲層段內，獲得高產工業氣流的X10、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低24Hz表現出強“高頻衰減”含氣響應；獲得低產工業氣流的L150、X5等井在24Hz表現出相對較弱的“高頻衰減”含氣響應；未獲工業氣流的干井X11、CX560井和產水的CX565、X201井在低頻剖面上無“高頻衰減”含氣響應特征。
 
圖3所示是新場地區深層須家河組單頻瞬時譜平面分布情況，其顯示的瞬時譜具有十分明顯的差異。在圖3-a中，低頻強瞬時譜區域(紅色)包括了所有天然氣高產工業井，低產井分布在低頻弱瞬時譜區域(淺藍色)，水井分布區域低頻瞬時譜更弱(白色)。在圖3-b中的多邊形框內，高頻強瞬時譜是泥巖響應，而高頻弱瞬時譜是有效砂巖儲層響應。雖然，含氣儲層和含水儲層在高頻段有相似的響應特征，但是，結合已知井信息，將圖3-a與圖3-b進行仔細對比，就可以發現含氣儲層和含水儲層具有不同的時頻響應規律。
 
3 討論與結論
    地震波在含氣儲層和含水儲層中傳播時，振幅、頻率和能量等動力學屬性將會發生變化。但是，兩者的變化程度可能存在差異，且在時間域內卻很可能難以發現。時頻分析技術可以將時間域的地震信號變換到時間-頻率域進行解釋，在時間-頻率域內突出含氣儲層和含水儲層之間的地震響應差異。將該方法應用到川西坳陷深層須家河組氣藏的含氣性檢測中，在時頻域內利用“低頻陰影”、“高頻衰減”等含氣響應特征，對含氣儲層和含水儲層進行了有效區分。
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[11] 李世雄，汪繼文.信號的瞬時參數與正交基[J].地球物理學報，2000，43(1)：97-104.
 
(本文作者：肖思和1 徐天吉2，3 程冰潔4 1.成都理工大學材料與化學化工學院；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院德陽分院；3.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室 成都理工大學；4.成都理工大學信息工程學院)