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物探与化探, 2019, 43(3): 626-633 doi: 10.11720/wtyht.2019.1337

方法研究·仪器研制

分频振幅检测 “亮点”型浅层气的方法研究及应用

孔栓栓, 韩自军, 张德龙, 乔柱, 温宏雷

中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院,天津 300459

The study and application of the method using frequency division amplitude to recognizing "bright spot" shallow gas layers

KONG Shuan-Shuan, HAN Zi-Jun, ZHANG De-Long, QIAO Zhu, WEN Hong-Lei

Bohai Oilfield Research Institute,Tianjin Branch Company of CNOOC,Tianjin 300459,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2018-10-1   修回日期: 2019-04-27   网络出版日期: 2019-06-20

基金资助: 十三五国家科技重大专项“渤海海域勘探新领域及关键技术研究”.  2016ZX05024-003

Received: 2018-10-1   Revised: 2019-04-27   Online: 2019-06-20

摘要

渤中A油田浅层发育大量“亮点”型浅层气,此类气层的识别受调谐厚度的水层影响严重。针对该问题,笔者充分考虑气层、水层产生强振幅的主控因素的差异性,利用正演模拟,分析并总结了不同厚度的气层与调谐厚度的水层在不同分频体上的振幅能量响应规律,提出了利用分频振幅检测浅层“亮点”型气层的方法。将该方法应用于渤中A油田的浅层气预测中,取得了较好的效果,有效地指导了评价井位的部署,对渤海油田类似的气层预测研究具有一定参考价值。

关键词: “亮点”型浅层气 ; 调谐厚度 ; 分频振幅

Abstract

The shallow layer of Bozhong A oilfield develops a large number of "bright spot" gas-bearing reservoirs.The identification of these reservoirs is seriously affected by the water-bearing reservoirs with the tuning thickness.To solve this problem,the authors,based on the difference of the main control factors of the strong amplitude caused by the gas and water layers,analyzed and summarized the amplitude energy response law of the different thickness of the gas layer and the water layer with tuned thickness,and proposed the method for detecting the shallow "bright spot" type gas layer by using the frequency-dividing amplitude.The method was successfully applied to the prediction of gas-bearing reservoirs in Bozhong A oilfield,and guided the well-appraisal proposal efficiently.This method can be potentially applied to the other gas-bearing reservoirs prediction in Bohai and provide reliable technical supports for well deployment of oil and gas exploration.

Keywords: "bright spot" gas layers ; tuning thickness ; frequency-dividing amplitude

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本文引用格式

孔栓栓, 韩自军, 张德龙, 乔柱, 温宏雷. 分频振幅检测 “亮点”型浅层气的方法研究及应用. 物探与化探[J], 2019, 43(3): 626-633 doi:10.11720/wtyht.2019.1337

KONG Shuan-Shuan, HAN Zi-Jun, ZHANG De-Long, QIAO Zhu, WEN Hong-Lei. The study and application of the method using frequency division amplitude to recognizing "bright spot" shallow gas layers. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(3): 626-633 doi:10.11720/wtyht.2019.1337

0 引言

渤中A油田位于渤海海域黄河口东洼边缘凹陷的复杂断裂带,其主要含油层系明化镇组下段属于典型的曲流河沉积,浅层发育大量的含气储层。该区地震资料带宽为10~70 Hz,主频40 Hz,纵向分辨率为12~14 m。钻井数据表明该区气层厚度集中在2~8 m,小于地震资料可分辨范围[1]。该区发育的含气储层在地震剖面上表现为与周围同相轴能量相差较大的“亮点”型强振幅反射特征。同时,厚度在调谐厚度附近的含水储层具有相同的“亮点”型反射特征,故水层产生的假“亮点”对薄气层的识别产生了干扰[2,3]。如何有效识别真假“亮点”,对该区评价过程中的井位部署至关重要。

利用频率信息实现烃类检测已被诸多学者证实。刘伟等提出了通过分析分频剖面之间瞬时振幅的差异来有效识别“亮点”型含气储层产生的强振幅与薄层调谐导致的强振幅[2]。高静怀等分析了薄互层地震响应关系,提出了利用广义S变换提高薄层的识别能力[4]。Castagna等利用瞬时时频分析研究了与烃类相关的低频阴影检测,指出了时频分析在烃类检测方面的优势[5]

文中在前人研究的基础上,根据渤中A油田已钻遇的浅层气层和水层的特征,通过正演模拟分析了调谐厚度的水层与不同厚度的气层在不同分频体上的振幅能量分布规律,根据该规律提出了利用分频振幅方法快速识别不同厚度的气层的方法。将该方法应用于渤中A油田,成功实现了该区浅层气的平面分布预测,有效指导了评价井位的部署[6]

1 方法原理

1.1 已钻井分析

渤中A油田8口探井所钻遇的23套储层在地震剖面上具有“亮点”型强振幅反射特征。依据含流体情况,将储层分为两类:一类是厚度在2~8 m之间的薄气层;一类是厚度在8~15 m之间的水层。为了分析气层与水层的地球物理差异,对储层的厚度、振幅、速度等参数进行统计交会分析[7,8,9] (图1)。图1a为储层顶面反射振幅与储层厚度的交会,由该图所示,气层和水层具有相同值域范围的反射振幅,即气层和水层在地震剖面上均表现为强振幅的反射特征。图1b和图1c分别为纵波速度、密度与深度的交会,由图所知,纵波速度随埋藏深度的增加而增加,水层速度与泥岩速度基本相当,气层速度略小。根据图1b,可以拟合出气层、水层、泥岩的纵波速度随深度的线性变化关系式。 图1c所示,砂岩的密度与泥岩的密度具有明显的分界,砂岩密度为2 020 kg/m3,泥岩密度为 2 200 kg/m3。由图1中交会图可得到气层、水层及泥岩的速度、密度随深度变化的关系,以此作为后续正演模拟的数据基础[11,12]

图1

图1   已钻井的地球物理参数交会

Fig.1   The cross-plots of geophysical parameters of wells


1.2 正演模拟

由于含流体性的不同,含气储层与含水储层的地震响应特征存在较大差异[12,13,14,15]。文中在已钻井数据统计的基础上建立模型进行正演分析。图2a所示的双楔形地质模型中,蓝色楔状体为含水砂岩,红色楔状体为含气砂岩,灰色背景为泥岩。选用40 Hz的雷克子波通过褶积模型生成合成地震记录,如图2b所示。统计各道的振幅值得到水层、气层振幅随厚度的变化关系,如图3。由图3看出,当含水砂岩的厚度达到13 m(即调谐厚度)时,其反射振幅值达到最大;且此时的反射振幅值与厚度在4 m左右的气层的反射振幅值相当。由此可见,调谐厚度的水层与研究区内较薄的气层在地震剖面上产生了相同的“亮点”反射。

图2

图2   双楔形正演模型(a)及其正演合成记录(b)

Fig.2   The double-wedge model (a) and its forward synthetic seismogram (b)


图3

图3   气层与水层的振幅随厚度的变化关系

Fig.3   The relationship between amplitudes and thickness of gas layers and water layers


虽然气层与调谐厚度的水层均可产生“亮点”反射,但二者的主控因素不同[2]。储层含气后,纵波速度急剧下降,储层和上下围岩产生了较大波阻抗差,在岩性界面处产生了较大反射系数,从而导致反射振幅增强,地震剖面上出现“亮点”。而水层所产生的“亮点”是由调谐作用引起的,当储层厚度恰好达到与地震子波主频一致的调谐厚度时,受调谐作用影响产生了较强的反射振幅[16,17]。综上,气层的“亮点”首先受到反射系数影响,其次才会根据厚度不同受到干涉、调谐、吸收衰减等因素的影响;而水层的“亮点”首先受到厚度调谐的影响,其次受干涉、反射系数、吸收衰减等因素影响。故气层与水层的“亮点”在产生机制上具有本质的不同。

基于以上观点,把图2b中的合成地震记录利用小波变换做分频处理,统计不同厚度的砂岩在不同分频体上的振幅[18,19,20,21],如图4a。由图可见,气层的反射能量整体上均高于水层,处于调谐厚度的水层在调谐频率附近会出现较强的反射振幅。据图4a,根据气层的厚度不同,分三种情况讨论气层与水层的振幅差异:厚度小于调谐厚度的较薄的气层、厚度在调谐厚度附近的气层、厚度大于调谐厚度的较厚的气层。选出具有代表性的厚度的三类气层与调谐厚度的水层对比得到图4b,得到如下结论:

图4

图4   双楔形模型正演记录的振幅随频率变化

Fig.4   The relationship between amplitude and frequency of the synthetic seismogram of the double-wedge model


1)当气层厚度在调谐厚度附近时(图4b中10 m厚气层),受调谐作用影响,振幅能量在低频段随频率的增加而增大,在频率达到某个中间频率(即调谐频率)时振幅能量出现极大值;随后受吸收衰减的影响,随频率的增加振幅减弱。但无论气层振幅强弱如何变化,在任意频段,该厚度范围的气层的反射振幅能量均强于水层。

2)当厚度大于调谐厚度时(图4b中20 m厚气层),没有调谐作用的影响, 振幅没有出现在调谐频率处明显增大的现象;但在低频段、中频段、高频段,气层的反射能量均强于水层。

3)当厚度小于调谐厚度时(图4b中5 m厚气层),在中频段、高频段,气层的反射能量强于水层;但在低频段,受干涉作用影响,气层的能量与水层相当,均较弱。

为了更直观地说明分频振幅对识别不同厚度的气层的效果,本文设计了如图5a的矩形正演模型进行正演分析。模型中背景为泥岩,从左至右依次为厚度为14 m(调谐厚度)的水层、5 m(小于调谐厚度)的气层、11 m(调谐厚度)的气层、18 m(大于调谐厚度)的气层。图5b为该正演模型的褶积合成地震记录。从合成记录上看,四类储层均表现为强振幅的“亮点”反射。对合成记录做基于小波变换的分频处理,得到20 Hz、40 Hz、60 Hz的分频剖面,如图6。由图6所示,在20 Hz分频体上,调谐厚度的水层与薄气层的反射振幅能量均较弱,而调谐厚度的气层与较厚的气层的反射振幅能量较强;在40 Hz分频体上,四类储层均表现为强的反射振幅,其中调谐厚度的气层由于受反射系数增大和调谐作用的双重影响,反射能量明显强于其它三类储层;在60 Hz高频体上,四类储层表现出不同的情况:调谐厚度的水层的反射振幅很弱,三类气层的能量较强,较厚的气层由于受吸收衰减的影响能量稍弱于其它两类气层,但仍然强于水层。

图5

图5   矩形正演模型(a)及其正演合成记录(b)

Fig.5   The rectangle model (a) and its forward synthetic seismogram (b)


图6

图6   图5b所示合成记录的分频体剖面

Fig.6   The frequency-division profiles of the synthetic seismogram in fig. 5b


1.3 分频振幅检测方法

以上正演分析表明,可产生“亮点”反射的四类储层的反射振幅能量在不同分频体上的强弱不同,如表1。调谐厚度的水层的反射振幅随着频率由低到高的变化呈现出弱—强—弱的变化规律;薄气层的反射振幅随着频率由低到高的变化呈现出弱—强—强的变化规律;调谐厚度的气层的反射振幅随着频率由低到高的变化呈现出强—极强—强的变化规律;厚气层的反射振幅随着频率由低到高的变化呈现出强—强—强的变化规律。

表1   气层和水层的反射振幅随频率的强弱变化规律

Table 1  The reflection amplitudes of gas layers and water layers varies with the intensity of frequency

流体相水层气层
储层厚度=<=>
低频体--++
中频体+++++
高频体-+++

Notes: “=”、“<”、“>” represent the thickness of sand equal to、less than and great than the tuning thickness respectively; “-”、“+”、“++” represent weak amplitude、 strong amplitude and very strong amplitude respectively

备注:“=”、“<”、“>”分别表示储层厚度等于、小于、大于调谐厚度,“-”、“+”、“++”分别表示振幅能量为弱、强、极强

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根据以上结论,针对渤中A油田的已钻遇气层厚度,本文制定了图7的技术路线:

图7

图7   基于分频振幅检测的“亮点”型浅层气识别流程

Fig.7   The flow diagram of the recognition of "bright spot" gas layers based on frequency-dividing amplitude


在保幅处理的地震资料基础上,进行基于小波变换的分频体提取,再对分频体分别提取沿层极值振幅属性。根据平面属性,首先在中频段上搜索“亮点”的分布范围,该频段的“亮点”包含了气层、水层;然后根据高频段振幅能量识别真假亮点,强振幅为气、弱振幅为水;同时可根据低频段振幅的强度定性表征气层的厚度;最后再利用低频段信息对识别的“亮点”进行验证。

2 应用分析

2.1 过井剖面验证

井的实钻结果验证了利用分频振幅检测 “亮点”型浅层气的有效性。图8图9分别为过A1井、A2井的地震分频剖面及岩性柱状图,从左至右依次为15 Hz、35 Hz、55 Hz频率体。图8图9中,黑色椭圆形标注的分别是厚度为13.1 m、9 m的含水砂岩,这两套砂岩在低频剖面上振幅能量较弱,在中频剖面上能量较强,高频剖面上又变弱;图8中红色椭圆标注的是厚度为3.4 m的薄气砂岩,该砂岩在低频剖面上振幅能量较弱,在中、高频剖面上能量较强。图9中红色椭圆标注的是总厚度为10.5 m的互层气砂,该砂体在低、中、高频剖面上都表现为强振幅。A1和A2两口井的实钻结果证实了利用分频振幅检测亮点气的可行性及可靠性。

图8

图8   过A1井的地震分频剖面及岩性柱状

Fig.8   The frequency-division profiles crossed Well A1,and the lithological diagram of Well A1


图9

图9   过A2井的地震分频剖面及岩性柱状

Fig.9   The frequency-division profiles crossed Well A1,and the lithological diagram of Well A2


2.2 气层平面分布预测

根据表1的结论,本文利用分频振幅实现了渤中A油田区的“亮点”型浅层气平面分布范围预测,将预测结果应用于渤中A油田的评价过程,经钻井证实了预测结果的准确性,并指导了井位部署。首先对地震资料进行基于小波变换的分频处理,得到低、中、高频段的数据;然后对目的层段内的不同频段数据体提取沿层振幅极值属性,利用各个频段平面属性综合预测气层分布范围。图10为目的层段内不同分频体的最大振幅属性平面。根据分频振幅检测方法,图中红色椭圆标注的范围在中频、高频段都为强振幅,指示气层分布范围;黑色椭圆标注的范围仅在中频段为强振幅、低频高频段为弱振幅,指示水层分布范围。

图10

图10   渤中A油田某目的层的分频振幅平面属性

Fig.10   The max-amplitude attribute slices of frequency-division data in BoZhong A Oilfield.


图11图10中白色连井线的过井剖面,剖面上从左至右的椭圆依次对应图10中从北向南的椭圆。A3井钻遇的“亮点”反射,在低频体上表现为弱振幅,在中频、高频体上表现为强振幅,钻前预测该“亮点”为薄气层反射,与实钻4 m气层的结果相吻合。A4井钻遇的“亮点”反射,仅中频体上的振幅能量较强,低频、高频体上的振幅能量均较弱,与水层的分频振幅能量分布特征相同。最终该井在“亮点”反射处钻遇9.1 m水层,与预测结果吻合。同时,据平面振幅属性显示,A5设计井、A6设计井所钻遇的“亮点”在各频率段的振幅能量均较强,预测强振幅反射将钻遇较厚的气层。

图11

图11   图10中白色连井线的地震剖面

Fig.11   The seismic section crossed drilled wells along the white line shown in Fig.10


3 结论

1)气层和水层均可在地震剖面上产生强振幅的“亮点”反射,但二者的主控因素不同。气层强振幅的主控因素为反射系数,水层强振幅的主控因素为调谐作用。

2)不同厚度的气层与调谐厚度的水层在地震数据的分频体上表现为不同的振幅响应规律,该规律可以作为识别“亮点”型浅层气的依据。

3)分频振幅检测“亮点型”浅层气的方法在渤中A油田的成功应用,表明该方法具有简便、快捷、有效的优势。该方法可以进一步推广应用到渤海其他同类型的储层预测工作中,为油气藏勘探过程中探井井位部署提供可靠的技术支持。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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基于正演模拟的薄层时频特征响应分析是薄层定性识别与厚度定量预测的基础与关键.本文基于波场延拓理论,利用深度域相移法对不同厚度薄层进行了正演模拟.采用广义S变换对零偏移距地震道的反射复合波进行瞬时频谱分析,发现当薄层顶底反射系数极性相反时,复合波的干涉作用具有升频降幅作用,而极性相同时具有升幅降频作用;理论推导和实验分析均证明主峰值频率与薄层双程旅行时间厚度存在定量解析关系,这为薄层厚度定量预测提供了重要的技术手段;由于峰值频率对反射系数大小与极性变化不敏感,因此,峰值频率方法与时域振幅方法相比更具稳定性.

Li X Y, Chen S M, Wang J M , et al.

Forward modeling studies on the time-frequency characteristics of thin layers

[J]. Chinese Journal Of Geophysics, 2012,55(10):3410-3419.

Magsci     [本文引用: 1]

赵伟, 陈小宏, 李景叶 .

薄互层调谐效应对AVO的影响

[J]. 石油物探, 2006,45(6):570-573.

[本文引用: 1]

Zhao W, Chen X H, Li J Y .

Analysis of impact of thin interbed tuning effect on AVO

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2006,45(6):570-573.

[本文引用: 1]

李雪英, 文慧俭, 陈树民 , .

等厚薄互层时频特征的正演模拟

[J]. 地球物理学报, 2013,56(3):1033-1042.

DOI:10.6038/cjg20130331      Magsci     [本文引用: 1]

<p>本文基于波动理论,利用深度域相移法对不同互层数、不同单层厚度的等厚薄互层进行正演模拟.采用广义S变换分析零偏移距地震道反射复合波的瞬时频谱.研究发现当单层厚度大于3/16波长时,等厚薄互层时域特征为中、高频等幅振荡,瞬时频谱为与单层厚度成反比的单一峰值梳状函数;当单层厚度小于3/16波长时,震源子波的有限带宽对瞬时频谱的高频频率峰有压制作用,导致等厚薄互层中部的时域振幅和频域最大幅度均为低值,薄互层的结构特征不易分辨,说明宽高频的震源子波是提高薄互层分辨能力的关键.此外,理论推导和实验分析均证明:当地层厚度大于1/8波长时,其峰值频率与薄互层单层厚度存在定量解析关系,这为等厚薄互层单层厚度定量预测提供了重要的技术手段.</p>

Li X Y, Wen H J, Chen S M , et al.

Forward modeling studies on the time-frequency characteristics of isopachous thin interbedding

[J]. Chinese Journal Of Geophysics, 2013,56(3):1033-1042.

Magsci     [本文引用: 1]

李伟, 岳大力, 胡光义 , .

分频段地震属性优选及砂体预测方法——秦皇岛32-6油田北区实例

[J]. 石油地球物理勘探, 2017,52(1):21-130.

[本文引用: 1]

Li W, Yue D L, Hu G Y , et al.

Frequency-segmented seismic attribute optimization and sandbody distribution prediction:an example in North Block,Qinghuangdao 32-6 Oilfield

[J]. OGP, 2017,52(1):121-130.

[本文引用: 1]

高静怀, 刘乃豪, 吕奇 , .

薄互层型油气储层同步挤压变换域分析方法

[J]. 石油物探, 2018,57(4):512-521.

[本文引用: 1]

Gao J H, Liu N H, Lv Q , et al.

Characterization of thin interbedded reservoir using synchrosqueezing transform

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2018,57(4):512-521.

[本文引用: 1]

王静波, 陈祖庆, 蒋福友 , .

频率域高分辨率地震波阻抗直接反演方法研究

[J]. 石油物探, 2017,56(3):416-423.

[本文引用: 1]

Wang J B, Chen Z Q, Jiang F Y , et al.

A direct-inversion method of high-resolution seismic impedance in frequency domain

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017,56(3):416-423.

[本文引用: 1]

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