時(shí)頻分析技術(shù)在須家河組儲(chǔ)層氣水判別中的應(yīng)用

摘 要

摘要：四川盆地川西坳陷深層上三疊統(tǒng)須家河組的X851井、X856井、X2井、X3井、X1O井等一批高產(chǎn)氣井證實(shí)了該區(qū)具有巨大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。然而，CX565、X201等高產(chǎn)水井的出現(xiàn)也為該
摘要：四川盆地川西坳陷深層上三疊統(tǒng)須家河組的X851井、X856井、X2井、X3井、X1O井等一批高產(chǎn)氣井證實(shí)了該區(qū)具有巨大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。然而，CX565、X201等高產(chǎn)水井的出現(xiàn)也為該區(qū)成功部署井位增添了不確定因素，因此，對(duì)該區(qū)須家河組儲(chǔ)層氣水判別就顯得尤為重要。地震波在須家河組的含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層中傳播時(shí)，在時(shí)間域內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)振幅、頻率和能量等動(dòng)力學(xué)屬性的變化差異。采用時(shí)頻分析技術(shù)將時(shí)間域的地震信號(hào)變換到時(shí)間-頻率域進(jìn)行對(duì)比分析解釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)“低頻陰影”、“高頻衰減”等現(xiàn)象在含氣儲(chǔ)層中十分突出，而在含水儲(chǔ)層中卻不存在。利用時(shí)頻域內(nèi)的這些典型特征建立模式，并對(duì)該區(qū)含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層進(jìn)行了有效的區(qū)分，其結(jié)果與鉆、測(cè)井資料吻合良好。
關(guān)鍵詞：四川盆地；西；晚三疊世；致密碎屑巖；流體性質(zhì)；時(shí)間；頻率；判別
    四川盆地川西坳陷深層上三疊統(tǒng)須家河組致密碎屑巖氣藏的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、裂縫檢測(cè)、含氣性識(shí)別等問(wèn)題的解決進(jìn)程十分緩慢[1]，隨著勘探方法技術(shù)的不斷成熟，區(qū)內(nèi)存在的構(gòu)造復(fù)雜、地震資料主頻較低、頻帶狹窄、分辨率有限、儲(chǔ)層埋藏很深(5000m左右)等不利因素正在被逐項(xiàng)克服。伴隨X851井、X856井、X2井、X3井、X10井等一批高產(chǎn)天然氣井在該區(qū)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，川西坳陷深層須家河組氣藏的勘探開(kāi)發(fā)潛力得到進(jìn)一步證實(shí)。然而，CX565、X201等高產(chǎn)水井的出現(xiàn)為該區(qū)成功部署井位增添了不確定因素，也給深層須家河組儲(chǔ)層的氣水判別帶來(lái)了新的難題。
    時(shí)頻分析技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)特色儲(chǔ)層描述技術(shù)，可以有效地挖掘出地震資料中蘊(yùn)涵的地下構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層發(fā)育程度及物性、含油氣性等信息，已應(yīng)用于刻畫(huà)橫向上不連續(xù)的地質(zhì)異常體、預(yù)測(cè)薄儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、判斷沉積環(huán)境[2]、“高頻衰減”油氣分析、“低頻陰影”烴類(lèi)檢測(cè)、頻變AVO處理等方面。但運(yùn)用時(shí)頻分析技術(shù)進(jìn)行氣水判別的研究較少，尤其在應(yīng)用研究方面尚未有成功實(shí)例。大多數(shù)氣水判別研究都是從巖性、物性、電性、聚類(lèi)、孔隙結(jié)構(gòu)、彈性阻抗、多波資料等角度從發(fā)[3～6]。筆者基于小波理論形成時(shí)頻分析技術(shù)啪，從理論模型出發(fā)，著力研究地震波傳播能量隨頻率、時(shí)間的變化規(guī)律，以獲得氣水不同的響應(yīng)特征，探索氣水判別新方法。利用該方法對(duì)川西坳陷深層須家河組儲(chǔ)層氣水分布進(jìn)行判別，獲得了較好的應(yīng)用效果。
1 時(shí)頻分析技術(shù)的原理及方法
    時(shí)頻分析是一種基于時(shí)間-頻率域的儲(chǔ)集層解釋新技術(shù)，它能把時(shí)間域的地震信號(hào)變換到時(shí)間-頻率域，并在時(shí)間-頻率域內(nèi)對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行識(shí)別。時(shí)頻分析的關(guān)鍵是對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分解(FTD)?；谛〔ɡ碚?，利用小波變換可以實(shí)現(xiàn)地震信號(hào)的時(shí)頻分解，在時(shí)間域和頻率域均還具有良好的局部化特征，有利于目標(biāo)地質(zhì)體的高分辨識(shí)別。
對(duì)有限能量的地震信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換的實(shí)質(zhì)，就是利用地震信號(hào)和小波函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積計(jì)算[8～10]。連續(xù)小波變換的結(jié)果將產(chǎn)生連續(xù)小波變換系數(shù)，即
 
式中：Fw為小波變換系數(shù)；t為時(shí)間；f(t)為地震信號(hào)；ψσ,τ(t)為小波函數(shù)；σ為尺度伸縮參數(shù)；τ為時(shí)間平移參數(shù)；ψ*σ,τ為ψσ,τ的復(fù)數(shù)共軛。
當(dāng)σ越大時(shí)，ψσ,τ(t)伸展越寬、波形越肥胖、主頻越低。當(dāng)σ越小，ψσ,τ(t)在時(shí)間軸上壓縮越強(qiáng)、波形越窄、主頻越高。ψσ,τ(t)是由小波母函數(shù)ψ(t)∈L2(R)在時(shí)間軸上經(jīng)伸縮與平移得到的[9]，即
 
在進(jìn)行連續(xù)小波變換時(shí)，可以選擇不同的小波函數(shù)。在地震信號(hào)的小波變換處理中，最常用的小波函數(shù)是解析小波函數(shù)——Morlet小波函數(shù)，它在時(shí)間域和頻率域均具有良好的局部化特征。本次研究應(yīng)用的是高靜懷等構(gòu)造的Morlet小波函數(shù)[10]：
 
式中：ψ(t)為Morlet小波函數(shù)；ω0為角頻率，與σ成反比；c為高斯調(diào)制常數(shù)。
利用Fw(σ，τ)可以計(jì)算地震信號(hào)的瞬時(shí)振幅[11]，即
 
式中：| Fw(σ，τ)|為地震信號(hào)f(t)的瞬時(shí)振幅，可以反映地震信號(hào)的能量變化；Re[…]是函數(shù)實(shí)部求取符號(hào)；Im[…]是函數(shù)虛部求取符號(hào)。
    實(shí)現(xiàn)地震信號(hào)的時(shí)頻分析思路是：①利用式(1)和式(3)對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行小波變換；②在不同頻率下，利用式(4)計(jì)算出地震信號(hào)的瞬時(shí)振幅。這樣，就可以在時(shí)間-頻率域分析地震信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特征。由于地震信號(hào)的能量與瞬時(shí)振幅的平方成正比，因而，瞬時(shí)振幅可以反映地震信號(hào)的能量變化。
    地震波經(jīng)過(guò)含有流體的地質(zhì)體時(shí)，頻率和能量均會(huì)發(fā)生明顯衰減。對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析能突出地震信號(hào)的動(dòng)力學(xué)信息，有利于研究地震波在時(shí)間-頻率域的能量變化，進(jìn)而掌握地震波在含氣儲(chǔ)集層和含水儲(chǔ)集層中傳播時(shí)的不同響應(yīng)特征，達(dá)到判別氣水的目的。
2 應(yīng)用實(shí)例分析
    川西坳陷深層須家河組致密碎屑巖含氣儲(chǔ)量豐富，具有形成大規(guī)模天然氣藏的有利條件。隨著X851、X856、X2、X3、X1O、X202等高產(chǎn)工業(yè)氣井的成功發(fā)現(xiàn)，新場(chǎng)地區(qū)深層須家河組氣藏的勘探開(kāi)發(fā)潛力十分廣闊。然而，隨著勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷加深，CX565井、X201井等富水井陸續(xù)出現(xiàn)，為該區(qū)天然氣富集區(qū)域的預(yù)測(cè)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(dǎo)的，因而，未發(fā)現(xiàn)富水井之前，預(yù)測(cè)重點(diǎn)以儲(chǔ)層中的裂縫發(fā)育帶為主，對(duì)氣水判別問(wèn)題并未引起足夠的重視。事實(shí)上，不能有效判別含水儲(chǔ)層，已經(jīng)帶來(lái)了很大的勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低了開(kāi)采成功率。因此，有效解決氣水判別問(wèn)題已經(jīng)刻不容緩。
    基于上文所述時(shí)頻分析技術(shù)和氣水判別方法，利用新場(chǎng)地區(qū)的PP波地震資料，結(jié)合測(cè)井、地質(zhì)等綜合信息，以深層須家河組二段(T511)為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層的空間分布進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。
圖1所示是新場(chǎng)T511層頻變能譜連井剖面，重點(diǎn)關(guān)注的頻譜在橢圓區(qū)內(nèi)。圖中顯示，在該儲(chǔ)層段內(nèi)，獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流的X10、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低頻段(低于15Hz)具有較強(qiáng)的瞬時(shí)譜響應(yīng)；獲得低產(chǎn)工業(yè)氣流的IA50、X5等井在低頻段(低于15Hz)具有相對(duì)較弱的瞬時(shí)譜響應(yīng)；未獲工業(yè)氣流的干井X11、CX560井和產(chǎn)水的CX565、X201井在低頻段無(wú)強(qiáng)瞬時(shí)譜響應(yīng)特征。
 
圖2所示是新場(chǎng)深層須家河組分頻連井剖面，紅色代表最強(qiáng)瞬時(shí)譜分布，白色代表最弱瞬時(shí)譜分布，重點(diǎn)關(guān)注的瞬時(shí)譜在多邊形圈內(nèi)。圖2-a顯示：在該儲(chǔ)層段內(nèi)獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流的X1O、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低頻剖面(10Hz)具有強(qiáng)“低頻陰影”含氣響應(yīng)；獲得低嚴(yán)工業(yè)氣流的L150、X5等井在低頻剖面(10Hz)具有相對(duì)較弱的“低頻陰影”含氣響應(yīng)；未獲工業(yè)氣流的干井X11、CX560井和產(chǎn)水的CX565、X201井在低頻剖面上無(wú)“低頻陰影”含氣響應(yīng)特征。圖2-b顯示：在該儲(chǔ)層段內(nèi)，獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流的X10、X3、X856、X851、X853、X2、X202等井在低24Hz表現(xiàn)出強(qiáng)“高頻衰減”含氣響應(yīng)；獲得低產(chǎn)工業(yè)氣流的L150、X5等井在24Hz表現(xiàn)出相對(duì)較弱的“高頻衰減”含氣響應(yīng)；未獲工業(yè)氣流的干井X11、CX560井和產(chǎn)水的CX565、X201井在低頻剖面上無(wú)“高頻衰減”含氣響應(yīng)特征。
 
圖3所示是新場(chǎng)地區(qū)深層須家河組單頻瞬時(shí)譜平面分布情況，其顯示的瞬時(shí)譜具有十分明顯的差異。在圖3-a中，低頻強(qiáng)瞬時(shí)譜區(qū)域(紅色)包括了所有天然氣高產(chǎn)工業(yè)井，低產(chǎn)井分布在低頻弱瞬時(shí)譜區(qū)域(淺藍(lán)色)，水井分布區(qū)域低頻瞬時(shí)譜更弱(白色)。在圖3-b中的多邊形框內(nèi)，高頻強(qiáng)瞬時(shí)譜是泥巖響應(yīng)，而高頻弱瞬時(shí)譜是有效砂巖儲(chǔ)層響應(yīng)。雖然，含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層在高頻段有相似的響應(yīng)特征，但是，結(jié)合已知井信息，將圖3-a與圖3-b進(jìn)行仔細(xì)對(duì)比，就可以發(fā)現(xiàn)含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層具有不同的時(shí)頻響應(yīng)規(guī)律。
 
3 討論與結(jié)論
    地震波在含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層中傳播時(shí)，振幅、頻率和能量等動(dòng)力學(xué)屬性將會(huì)發(fā)生變化。但是，兩者的變化程度可能存在差異，且在時(shí)間域內(nèi)卻很可能難以發(fā)現(xiàn)。時(shí)頻分析技術(shù)可以將時(shí)間域的地震信號(hào)變換到時(shí)間-頻率域進(jìn)行解釋?zhuān)跁r(shí)間-頻率域內(nèi)突出含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層之間的地震響應(yīng)差異。將該方法應(yīng)用到川西坳陷深層須家河組氣藏的含氣性檢測(cè)中，在時(shí)頻域內(nèi)利用“低頻陰影”、“高頻衰減”等含氣響應(yīng)特征，對(duì)含氣儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層進(jìn)行了有效區(qū)分。
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(本文作者：肖思和1 徐天吉2，3 程冰潔4 1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院德陽(yáng)分院；3.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué)；4.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院)