基于改进匹配追踪算法的时频属性在薄储层沉积微相研究中的应用

图1 匹配追踪时频分析核心思想

主频为f_j的零相位Ricker子波表达式如下:

(1) $w_{R} (t, f_{j}) = [1 - 2 π^{2} f_{j}^{2} t^{2}] \exp (- π^{2} f_{j}^{2} t^{2}),$

其对应傅里叶谱为:

(2) $W_{R} (f, f_{j}) = \frac{2}{\sqrt[]{π}} \frac{f^{2}}{f_{j}^{3}} \exp (- \frac{f^{2}}{f_{j}^{2}}),$

信号的稀疏表达式为

(3) $s (t) = \overset{m}{\sum_{j = 1}} a_{j} w (t - t_{j}, f_{j}, ϕ_{j}) + R s^{(m)} (t),$

其中:s(t)为带限地震信号,Rs⁽^m⁾(t)是匹配后的残余信号,m是迭代的原子个数,通过设置的阈值来判断迭代终止条件,进而确定迭代的原子个数。原子通过4个参数t_j(延时)、f_j(主频)、a_j(相关系数)、ϕ_j(相位)来控制。

Liu^[17]提出的一种求取时频谱的解析表达式:

(4) $\begin{array}{l} u (t, f) = \overset{J}{\sum_{j = 1}} a_{j} W_{R} (f, f_{j}) env [w_{R} (t - t_{j}, f_{j})] \\ \cdot \exp {i [2 π f (t - t_{j}) + φ_{j}]}, (4) \end{array}$

其中,env是W_R的瞬时振幅。

1.2 原子匹配

目前实现原子分解匹配的方法主要有以下两种,但都存在一定问题:

1) 建立完备的原子库,逐个参数扫描求解。该方法能求得准确的匹配原子,及对原始地震记录的瞬时属性准确定位,但该方法需要庞大的计算量,耗时巨大,不能满足实际生产的需要。

2) 依据瞬时属性计算方法,得到各参数初始值,然后在邻域范围内扫描求解。该方法大幅度地提高了运算效率,但是对计算原子各参数的初始值要求较高,容易造成匹配原子不够准确,影响最终结果的真实性;另外计算迭代过程中容易发散,造成弱反射相对于强反射匹配不出来,或是匹配多次后,集中在10 Hz处能量团多,在时频谱上表现出低频阴影。

针对以上问题,笔者提出三点改进措施,用于提高计算效率和准确匹配原子。

1) 根据地震信号自适应地获取原子参数,避免建立大规模的原子库进行扫描。

2) 优化迭代方案,改进原子主频计算方法,通过Hilbert变换获得瞬时频率的最大值、最小值范围,进行约束扫描原子主频,解决频率定位不准得问题,并提高效率。

3) 通过压缩原子旁瓣方式来降低匹配原子旁瓣造成的二维谱在时间上的干涉效应,有效提高时频谱的时间分辨率。

此方法在保证计算效率的同时能保证地震记录瞬时属性计算的准确性,并能保持较高的时频分辨率。

1.3 效果分析

选用John P. Castagna文献^[16,17]中一个经典的模型数据,来检验改进的基于Ricker子波匹配追踪算法对地震信号匹配分解的有效性。合成记录分别由12个10、20、30、40 Hz主频Ricker子波合成(图2)。可以看到,改进后匹配追踪的时频谱较常规算法时间分辨率更高,频率定位更准。

图2

图2 模型信号的时频谱效果对比

对研究区实际井旁地震道分别采用常规匹配追踪和改进后的匹配追踪算法进行频谱特征分析(图3),二维谱整体上看匹配原子的时间定位比较一致,但改进后的匹配追踪时间分辨率更高,而且没有出现低频阴影,频率定位更加准确。

图3

图3 井旁道二维谱效果对比

在实际工作中,常通过计算地震四维时频谱,提取多种时频属性,如单频体、峰值振幅和峰值频率等,用于储层预测和油气检测等方面。单频体是指某一个特定主频的单频能量,单频剖面是该特定主频的能量剖面。峰值频率是时频体频率域内最大振幅所对应的频率,峰值频率切片是在峰值频率数据体上提取的某一目的层所在位置的频率值,常用于检测薄层厚度。

分别采用改进前后的匹配追踪算法对实际地震资料进行处理,提取单频剖面和峰值频率平面切片,验证算法改进后的效果。可以看到,改进后的单频剖面(图4)信噪比提高,说明改进后频率定位更加准确,高频噪声减少了。改进后的峰值频率切片(图5)显示储层的横向连续性明显变好,信噪比也有所提高,说明算法改进后提取的时频属性更有利于表征储层的沉积分布特征。

图4

图4 MPD算法改进前后单频剖面效果对比

a—原始地震剖面;b—常规MPD计算的60 Hz单频剖面;c—改进后MPD计算的60 Hz单频剖面

图5

图5 MPD算法改进前后峰值频率切片效果对比

a—常规MPD计算的峰值频率;b—改进后MPD计算的峰值频率

最后,测算了改进前后算法的运算效率,改进之后的匹配追踪算法计算速度比常规方法提高了40倍。以100×100道,2 ms采样间隔,1 s记录的工区为例,常规匹配追踪方法需要10 h,改进之后仅需15 min。计算效率得到了大幅度提高,大大增强了匹配追踪算法在实际生产中的实用性。

2 基于匹配追踪算法的时频属性应用

2.1 地质背景及研究难点

研究区位于渤海湾盆地冀中坳陷饶阳凹陷西部,为一个宽缓的斜坡构造,其倾向上古地形起伏不大,原始坡度很小,区内断裂不发育,寻找岩性圈闭是该区的重点。利用地震沉积研究寻找有利沉积相带是关键。

目的层为古近系沙河街组二段,是一套砂、泥岩互层的地层,地层厚度20~60 m,单砂层较薄,一般为1.5~6.0 m。前人研究表明物源来自西部及西北部,单井沉积微相研究表明,该区主要发育辫状河三角洲平原沉积,辫状河道砂体是研究区的骨架砂体。

一般来说,沉积相研究中最重要的是砂地比图和一张能够反映沉积体边界或特征的地震属性图件。但是由于目的层单层较薄,地震资料振幅信息既包含了薄互层间的干涉信息,又包含了岩性信息,加大了地震属性反映岩性的多解性。同时,该区岩石物理分析表明,砂岩和泥岩的波阻抗差异不大,砂岩阻抗相对稍高,岩石物理规律不明显(图6),说明振幅属性及叠后反演难以区分岩性,因此考虑选用时频属性来进行地震沉积研究。

图6

图6 单井岩石物理分析图

2.2 地震属性优选

利用研究区三维地震资料,分别提取目的层处的均方根振幅切片和基于改进匹配追踪算法的峰值频率切片(图7)。从图上看,振幅切片与频率切片表现的特征完全相反。振幅属性显示,在研究区西南部砂岩较发育,北部砂岩较少,根据越靠近物源砂岩越发育的沉积规律,可以推断物源来自南部和南西部;而峰值频率切片显示,研究区西北部和中部砂岩较发育,东部与南部砂岩不发育,指示物源方向应来自西北部。

图7

图7 目的层段地震属性切片

a—振幅切片;b—峰值频率切片

从井上砂地比图来看(图8),钻井揭示在研究区西北部砂岩非常发育,这与峰值频率所表现的沉积特征一致,也与前人研究的西北部物源一致。因此,研究区的沉积相带应自西北部的高部位区向东南部展布。同时也说明,振幅属性所表现的沉积规律不正确,不能作为该区地震沉积研究的关键地震属性图件。

图8

图8 井点砂地比图

与砂地比图结合起来,在地质认识的指导下可进一步在地震属性图上画出沉积微相的边界(图9),最终得到沉积微相图(图10)。研究区内近30口钻井的单井相分析结果显示,目的层为辫状河三角洲平原亚相沉积,可划分为辫状河道和冲积平原微相。该沉积微相图与井点处沉积微相完全吻合,因此认为,该微相图对未钻井区的沉积微相和储层展布预测比较可靠,可以作为井位部署的依据。该沉积微相图比传统的沉积相图刻画更加精细,边界不再只是模式,而是由地震属性所指示的沉积边界来控制,微相内部的等值线根据砂地比的等值线编制,是一种半定量的综合成果图件,不仅可以在河道内部划分出河道主体、河道侧翼等,还可以指示重点相带内有利储层的可能发育部位,为寻找“甜点”目标提供更加可靠的依据。

图9

图9 地震沉积图

图10

图10 沉积微相图

3 结论

1) 根据匹配追踪的原理,采用基于三瞬属性获取匹配原子参数的方式,保证原子库完备的同时,准确确定匹配原子振幅、主频、相位、延时四参数,有效减少了时频谱上不合理的低频阴影。

2) 采用瞬时频率约束下的主频扫描方式,给出原子主频的初始值,缩小了原子库的搜索范围,并设置合适的迭代终止阀值,大大提高了匹配追踪算法的计算效率,生产上实用性更强。

3) 时频属性比振幅属性更适合于岩石物理特征不明显的薄互层地区,可以较好地反映岩性信息,为沉积微相研究提供合理的地震属性图件,提高沉积微相图的可靠程度,为井位部署提供依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李国发, 岳英, 熊金良 , 等.

基于三维模型的薄互层振幅属性实验研究

[J]. 石油地球物理勘探, 2011,46(1):115-120.

为考证振幅属性与砂体累计厚度之间的关系及振幅切片在时间上的变化与砂体沉积演化的关系，文中设计了三个薄互层地质模型，利用褶积模型形成三维数据体，据此进行地震属性分析实验。实验结果表明： ①对于子波干涉之后形成一个复合波的薄互层地层而言，振幅切片能够定性地反映砂体累计厚度的变化情况，且反射振幅与累计厚度成正相关关系，不同深度振幅切片之间的变化可以定性地反映沉积砂体的演化过程； ②对于薄层干涉之后形成多个复合波的薄互层地层而言，振幅切片能够定性地反映砂体在横向上的分布范围，但反射振幅与砂体厚度不一定具有正相关关系，不同深度振幅切片之间的变化依然能够在一定程度上反映沉积砂体的演化过程，但两者之间的相关性较第一种情况明显变弱； ③反射振幅和沉积砂体之间的相关性并不具备时间上的等时性。

[2]

张建锋, 崔树军, 李国敏 .

常用小波及其时—频特性

[J]. 地学前缘, 2012,19(6):248-253.

[3]

董宁, 杨立强 .

基于小波变换的吸收衰减技术在塔河油田储层预测中的应用研究

[J]. 地球物理学进展, 2008,23(2):533-538.

<FONT face=Verdana>塔河油田碳酸盐岩储集层埋藏较深，一般都在5000 m以下，储集层主要为碳酸盐岩裂缝和溶蚀缝洞系统，纵横向非均质性强，储集层横向预测困难.本文介绍了小波变换的基本理论，利用小波变换的局部化分析特征引入吸收衰减分析技术中，根据塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层情况设计了接近实际深度的理论模型，并对模型正演结果进行了吸收衰减分析，验证了其可行性，最后对塔河油田实际数据进行处理，含油气性预测结果跟实际钻井非常吻合，证实了方法的有效性.</FONT>

[4]

马志霞, 孙赞东 .

Gabor-Morlet小波变换分频技术及其在碳酸盐岩储层预测中的应用

[J]. 石油物探, 2010,49(1):42-53.

[5]

李曙光, 徐天吉, 甘其刚 , 等.

频率域小波变换分频处理在川西地震勘探中的应用

[J]. 石油物探, 2010,49(5):500-503.

[6]

刁瑞, 李振春, 韩文功 , 等.

基于广义S变换的吸收衰减分析技术在油气识别中的应用

[J]. 石油物探, 2011,50(3):260-265.

[7]

刘喜武, 宁俊瑞 .

地震时频属性及其在油气地震地质技术中应用的综述

[J]. 勘探地球物理进展, 2009,32(1):18-22.

[8]

Zhang T

, Li X

, Mark

Estimating frequency-dependent seismic attributes by matching pursuit:a case study

[C]//Las Vegas:Expanded Abstracts of the 78 ^th Annual SEG Meeting,Society of Exploration Geophysicists , 2008: 3023-3027.

[9]

陈林, 宋海斌 .

基于Morlet小波匹配追踪算法的地震时频属性提取

[J]. 石油地球物理勘探, 2008,43(6):673-679.

由于地震信号不可避免地含有各种噪声，而瞬时频率对噪声敏感，容易造成假象。本文讨论基于Morlet小波匹配追踪算法的时频分布，在此基础上提取的瞬时频率等时频属性具有良好的抗噪能力。文中给出具体算法流程，合成数据试算和实际资料应用结果均表明，利用本文方法提取的时频属性在识别海底浅层气等方面具有较好的效果。

[10]

冯磊, 姜在兴 .

基于匹配追踪的谱分解方法及其应用

[J]. 勘探地球物理进展, 2009,32(1):33-36.

[11]

屈念念, 刘江平, 李家斌 .

Ricker子波匹配追踪算法及其改进

[J]. 工程地球物理学报, 2009,6(6):740-745.

[12]

Wang Y

Multichannel matching pursuit for seismic trace decomposition

[J]. Geophysics, 2010,75(4):V61-V66.

DOI:10.1190/1.3462015 URL [本文引用: 1]

[13]

刘小龙, 刘天佑, 王华 .

基于匹配追踪算法的频谱成像技术及其应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2010,45(6):850-855.

本文研究了Liu等提出的基于Morlet小波的匹配追踪（MMP）算法，并将该算法中固定的尺度参数k改进为可灵活变化的自由尺度，形成了具有自由尺度参数的EMMP算法，提高了算法的实用性和灵活性。理论模型验证及实际资料应用结果表明：①EMMP算法较短时傅里叶变换（STFT）、小波变换（WT）等传统方法，具有更高的时频分辨率；②EMMP算法中的原子结构具有自由尺度，原子结构更加灵活，解决了MMP算法中难以确定最优尺度的问题，从而使时频原子库对非平稳地震信号具有更强的匹配能力；③利用EMMP算法、MMP算法对QK凹陷ZH区及JH区地震资料的频谱成像结果说明，EMMP算法较MMP算法具有更高的横向分辨率，对应火成岩反射主频率的分频切片能清晰地刻画火成岩储层边界。

[14]

黄捍东, 郭飞, 汪佳蓓 , 等.

高精度地震时频谱分解方法及应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2012,47(5):773-780.