基于改进广义S变换时频分析的“板状”断控油藏油柱高度预测

doi:10.11720/wtyht.2024.1321

基于改进广义S变换时频分析的“板状”断控油藏油柱高度预测

袁晓满^,¹, 李相文^,²^,³, 张洁¹, 但光箭², 卢忠沅¹, 韩重阳², 张磊², 许建洋²

1.中国石油集团塔里木油田公司哈得采油气管理区,新疆库尔勒 841001

2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院,新疆库尔勒 841000

3.中油奥博(成都)科技有限责任公司,四川成都 611730

Prediction of oil column heights in fault-controlled tabular reservoirs through time-frequency analysis based on improved generalized S-transform

YUAN Xiao-Man^,¹, LI Xiang-Wen^,²^,³, ZHANG Jie¹, DAN Guang-Jian², LU Zhong-Yuan¹, HAN Chong-Yang², ZHANG Lei², XU Jian-Yang²

1. China National Petroleum Corporation,PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841001,China

2. BGP Inc.,China National Petroleum Corporation,Korla 841000,China

3. Optical Science and Technology(Chengdu) Ltd.,China National Petroleum Corporation,Chengdu 611730,China

通讯作者: 李相文(1984-),男,博士,高级工程师,长期从事深层碳酸盐岩油藏油气地球物理研究工作。Email:lxw8225755@163.com

第一作者: 袁晓满(1981-),男,高级工程师,长期从事深层碳酸盐岩油藏工程研究工作。Email:yxm-tlm@petrochina.com.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2023-08-11 修回日期: 2024-03-28

基金资助:

国家重点研发计划项目“非常规油气地震波探测中规模数据的工业化应用”(2020YFA0713404)
东方地球物理公司重点科研项目“中西部叠合盆地走滑断裂地震识别技术及成藏控制作用研究”(03-02-2022)

Received: 2023-08-11 Revised: 2024-03-28

摘要

塔里木盆地北部坳陷碳酸盐岩断控领域油气资源丰富。断控“板状”油藏油水界面的识别是该类油藏效益开发的关键工作。钻井探测油藏油水界面的成本高、工程实现难度大,而采用地球物理的方法识别油水界面是一种高效措施。文章提出一种基于广义S变换时频分析的应用方法,通过大量过井地震道时频分析结果与开发动态分析数据联合分析,发现地震资料主频随深度/时间的变化与油层厚度具有正相关关系,提出采用地震道时频道集能量包络异常拐点判别油水界面的思路。实验表明,针对“板状”油藏,当油柱厚度OCH<120 m时,分析结果存在不确定性;当120≤OCH≤250 m时,分析结果基本可靠;当OCH>250 m时,油层厚度可靠。应用表明,在富满油田某区某断裂破碎带预测油层厚度主体为200~520 m,与当地开发实际相符,可指导开发实践。

关键词： 断裂破碎带; 断控油藏; 油层厚度; 地震探测; 时频分析; 塔里木盆地

Abstract

The fault-controlled carbonate area in the northern depression of the Tarim Basin possesses abundant oil and gas resources.Identifying the oil-water contact (OWC) of fault-controlled tabular reservoirs is critical for their effective exploitation.However,OWC identification through drilling is costly and challenging.In contrast,it is efficient to identify the OWC using geophysical methods.This study proposed a time-frequency analysis method based on generalized S-transform.As revealed by the joint analysis of extensive time-frequency analysis results of through-well seismic channels and production performance analysis data,the depth/time-varying main frequency of seismic data is positively correlated with the oil layer thickness.Hence,this study proposed to identify the OWC using the abnormal inflection point of the energy envelope of seismic channel time-frequency gather.Experimental results demonstrate that oil layer thickness results obtained are uncertain,generally reliable,and reliable in the case of oil column height (OCH)<120 m,120 m≤OCH≤250 m,and OCH≥250 m,respectively.The method proposed in this study was applied to a fault fracture zone of an area of the Fuman oilfield,obtaining the main predicted oil layer thicknesses between 200 m and 520 m,aligning with the actual exploitation results.Therefore,the method of this study can be employed to guide exploitation.

Keywords： fracture zone; fault-controlled reservoir; oil layer thickness; seismic survey; time-frequency analysis; Tarim Basin

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本文引用格式

袁晓满, 李相文, 张洁, 但光箭, 卢忠沅, 韩重阳, 张磊, 许建洋. 基于改进广义S变换时频分析的“板状”断控油藏油柱高度预测[J]. 物探与化探, 2024, 48(3): 768-776 doi:10.11720/wtyht.2024.1321

YUAN Xiao-Man, LI Xiang-Wen, ZHANG Jie, DAN Guang-Jian, LU Zhong-Yuan, HAN Chong-Yang, ZHANG Lei, XU Jian-Yang. Prediction of oil column heights in fault-controlled tabular reservoirs through time-frequency analysis based on improved generalized S-transform[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(3): 768-776 doi:10.11720/wtyht.2024.1321

0 引言

塔里木盆地北部坳陷碳酸盐岩断控领域油气资源丰富,发现了富满10亿t级油气富集区^[1-2],目前证实油藏顶面埋深7 500~8 500 m、油层厚度超677 m^[3]。该类油藏的空间呈现沿断裂带“板状”分布特征,储层受断裂控制地层破碎而形成,故称之为断控“板状”油藏,油藏内部非均质性强。要对油藏内油气最大程度的采出实现效益开发,油水界面的识别是该类油藏描述及立体式井网构建的关键^[4]。然而,通过钻井探测油藏油水界面的成本高、工程实现难度大、周期长,不益取。

一直以来,地球物理学家都想应用地震信息直接或间接预测储层及其内部含油气性质的各种方法探索,其中利用频率类属性预测油气方面取得了很大进展和很好的效果。当地震波穿越油气层时,由于油气藏的弹性阻尼作用,地震波的能量会逐渐衰减,地震频谱特征表现出主频迁移、高频衰减、低频增加现象^[5-6]。但是,由于缝洞储层结构具有非均质性,深埋缝洞储层的地震波场非常复杂,利用地震数据开展时频分析以准确识别非均质储层内部所含流体特征是一项极具挑战的工作。

时频分析是一类用于处理非平稳信号的方法,它主要关注信号在时域和频域上的能量分布,以实现噪声分析、定位、剔除或压制。当前主要时频分析方法包括基于短时傅里叶变换(STFT)、连续小波变换(CWT)、匹配追踪时频分析和S变换等^[7-8]。研究中采用基于广义S变换的时频分析。其中,1946年,学者Gabor提出一种重要的时频分析方法——Gabor变换,以研究非平稳信号在局部范围内的振幅和相位特征为目标^[9]。后来,Potter^[10]将Gabor变换进一步发展,于1947年提出短时傅里叶变换,成为非平稳信号振幅谱、相位谱的常用分析工具。短时傅里叶变换通过使用移动窗函数来计算不同时刻的时频信息,并将非平稳信号视为一系列短时平稳信号的叠加^[11]。然而,该方法存在一些限制,如使用固定的窗函数导致时频分辨率不可调节,除非重新选择窗函数。这意味着短时傅里叶变换缺乏自适应性,不适用于具有不同宽度的窗函数情况。

研究采用复杂介质等效化对待的方式,即将复杂缝洞体系等效为相同体积的均质地质体,分别由岩石骨架和总孔隙体积组成。以断控“板状”油藏的空间特征为分析目标,通过改进广义S变换的时频分析方法提取目标处时频道集能量包络线并获取等效斜率趋势,并联合实钻数据对复杂缝洞体系水体发育进行综合分析,探索出断控“板状”油藏油柱高度地震识别的有效方法。

1 方法原理

一般情况,油气藏厚度(油柱或气柱高度)越大,地震波传播衰减和散射反射的影响就越大,频率衰减的特征越容易被捕获和识别。因断控储层沿断裂带走向展布,不同尺度断裂—裂缝向深层延展,同时输导油气向上聚集成藏,进而形成非规则形态的“板状”油藏。基于这类油藏的独特性质,采用复杂介质等效化对待的方式,通过相对较大时窗分析取时频分析数据中的最大共性特征,进而弥补由于油藏埋藏深度大导致利用地震资料识别储层内含油气性描述精度提升因难的不足。

1.1 改进的广义S变换

广义S变换是短时傅里叶变换的一种特殊形式,它是基于Stockwell提出S变换的改进版本^[11-12]。广义S变换既克服了短时傅里叶变换因使用固定短时窗而造成的单一分辨率的缺陷,同时也解决了小波变换不能与频率直接对应的问题。短时傅里叶变换通过对信号进行窗函数处理,然后再进行傅里叶变换,从而可以描述信号的振幅和相位随时间和频率的变化,具备了分析信号局部频谱的能力。对于实信号x(t)来说,假设窗函数为w(t),则短时傅里叶变换可以定义为:

(1)

S T F T (τ, f) = \int_{- \infty}^{\infty} x (t) w (t - τ) e x p (- i 2 π f t) d t

式中:τ为时间平移因子。

Stockwell等^[12]从低频信号变化相对平稳且周期相对较大,以及高频信号变化剧烈且周期相对较小的角度出发,对Gabor变换进行了改进,提出了S变换:

(2)

S T (τ, f) = \int_{- \infty}^{\infty} x (t) \frac{|f|}{\sqrt{2 π}} e^{[- \frac{1}{2} f^{2} {(t - τ)}^{2}]} e^{(- i 2 π f t)} d t

。

由于方程(2)中的S变换调节时窗函数宽度的参数比较单一,无法很灵活地适应实际信号的振幅和相位随时间和频率变化的特征。因此,一些学者在S变换的基础上进行了改进和发展,提出了广义S变换^[11]:

(3)

G S T (τ, f) = \int_{- \infty}^{\infty} x (t) \frac{a | f |^{b}}{\sqrt{2 π}} e^{[- \frac{1}{2} a^{2} f^{2 b} {(t - τ)}^{2}]} e^{(- i 2 π f t)} d t

式中:a>0,b≥0。

假设有:

(4)

\{\begin{array}{l} X (v) = \int_{- \infty}^{\infty} x (t) e x p (- i 2 π v t) d t, \\ W_{1} (v, f) = \int_{- \infty}^{\infty} w_{1} (t, f) e x p (- i 2 π v t) d t 。 \end{array}

则,实信号x(t)的广义S变换在频率域实现的表达式可表示为:

(5)

G S T (τ, f) = \int_{- \infty}^{\infty} X (v + f) W_{1} (v, f) e x p (i 2 π v t) d v

。

假设有实信号x₀(τ,t),τ为常数,t为时间变量且x₀(τ,t)=x(t)w₁(t-τ,f),则有

X₀(τ,f)= $\int_{- \infty}^{\infty}$ x₀(τ,t)exp(-i2πft)dt 。

于是:

(6)

\begin{array}{l} G S T (τ, f) = X_{0} (τ, f) = \int_{- \infty}^{\infty} x (t) \\ w_{1} (t - τ, f) e x p (- i 2 π f t) d t \end{array}

假设:

(7)

\{\begin{array}{l} A m p_{0} (τ, f) = | G S T (τ, f) |, \\ t a n [θ_{0} (τ, f)] = \frac{I m [G S T (τ, f)]}{R e [G S T (τ, f)]}, \\ G S T (τ, f) = A m p_{0} (τ, f) e x p [i θ_{0} (τ, f)] 。 \end{array}

为了实现基于“两宽一高”三维地震勘探叠前时间偏移处理成果数据的高效率的频率特征解释,首先需要有针对性地完成对每一个地震道目标层段范围内的频谱分解和存储;其次对分解的结果进行解释,实现对频率衰减的判定,支持含油气性或油柱高度的分辨。此外,通过将三维地震数据每一地震道变换为一个二维时频剖面,其中包含了4个维度的信息,即线、道、时间和频率^[13]。这样的数据体可以更好地展示地震数据在不同频率下的特征(图1),并提供更全面的频率解释,完成对所需信息空间分布规律有效的把控,有助于揭示地下油气资源的分布、储集条件以及潜在勘探目标的识别。

图1

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图1 时频分析三维数据体立体图

Fig.1 3D data volume stereogram of time-frequency analysis

本文基于地震数据开展断裂带板状油藏内油水界面预测的研究思路主体分为三步:第一步,基于地震数据开展时频能量包络分析并获得高频衰减的时间厚度;第二步,对研究区储层顶面进行刻画,得到沿断裂分布的储层顶面构造图;第三步,利用沿断裂分布的储层顶面构造累加预测的油层厚度获得断裂带油水界面深度。

1.2 模型验证

为进一步论证利用基于广义S变换的时频分析方法对断缝体油藏油层厚度预测的可行性,建立地质模型开展粘弹性波动方程正演模拟,然后基于正演的地震数据开展基于广义S变换的时频分析。

建立地质模型时,综合考虑研究区碳酸盐岩断缝体地震特征、野外露头特征以及研究区内钻井、测井资料,建立符合该区断缝体实际特征的地质模型(图2a)。地质模型设计时完全参考实际钻井揭示的地层参数(深埋>6 000 m),断裂带上覆地层和围岩模型完全按测井真实地层速度和地层厚度进行速度建模。模型中,断缝体高1 150 m,宽100 m,断缝体里充填的主要为流体和灰岩角砾。含油气段纵波速度为4 400 m/s,横波速度为2 531 m/s,密度为2.47 g/cm³,吸收因子Q_p为4、Q_s为1.78;储层内含水段的等效纵波速度为4 500 m/s,等效横波速度为2 835 m/s,等效密度为2.55 g/cm³,吸收因子Q_p和Q_s不填参数。断裂缝体周围致密灰岩纵波速度为 6 200~6 500 m/s。图2a中第①个“板状”条带断缝体设计为全含水模型,第②、③、④、⑤个条带断缝体油层厚度分别为100、200、400、600 m。

图2

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图2 不同油层厚度的断缝体油藏地质模型(a)和正演模拟成果数据的地震剖面(b)

Fig.2 Geological model of fractured reservoir with different oil layer thicknesses(a) and forward modeling results profile(b)

数值模拟时,为了能更真实模拟地下断控油藏地震波场特征,采用基于粘弹波动方程开展正演。图2b为断缝体正演数据的偏移成果剖面,从图中可以看出,正演出的地震剖面上断缝体均为纵向强振幅反射,5条断缝体正演地震特征很相近,特别是第②~第⑤断缝体正演地震特征基本一致,难以从地震上识别出断缝体的油层高度。

利用改进广义S变换时频分析方法对正演地震数据进行分析,当分析点选取于致密灰岩地层时(图3a),时频道集剖面上各频率振幅表现为能量弱的特征,高频衰减特征不明显;当分析点选取①号断裂破碎带时,时频道集剖面上各频率振幅表现为能量强的特征,但高频衰减特征不明显(图3b);当分析点选取②~⑤号断裂破碎带时,时频道集剖面上各频率振幅表现为能量强的特征,高频衰减特征明显且同等频率衰减幅度条件下时间厚度依次增大(图3c~f)。表1为图3所示各分析点的预测油层厚度与正演模型设计油柱高度对比,预测油层厚度与模型油层厚度有明显一致性,但存在一定误差。表明用该方法应用于断控板状油藏油层厚度趋势预测是可行的。

图3

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图3 不同地质体正演地震数据时频道集剖面对比

a—图2b中蓝色虚线位置;b~f—分别为图2中①~⑤号断裂破碎带位置

Fig.3 Comparison of time-frequency gathers for forward seismic data of different geological bodies

a—blue dashed line position in fig.2b;b~f—the positions of fracture zones ① to ⑤ in fig.2 are shown respectively

表1 时频分析预测的模型油层厚度对照统计

Table 1 Comparison statistics of model oil layer thickness predicted by time-frequency analysis

序号	模型油层厚度/m	频谱衰减高度/ms	预测油层厚度/m	误差/%
1	0	6	18	—
2	100	28	84	16
3	200	60	180	10
4	400	130	390	2.5
5	600	195	585	2.5

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2 应用实例

2.1 地质背景

研究区位于中国西北部塔里木盆地北部,为塔里木河泛滥平原,地势相对平坦,地表海拔930~950 m。地下目标层位于塔北隆起轮南低凸起向南倾入北部坳陷的斜坡区域(图4)。学者研究表明,研究区奥陶系一间房组—鹰山组碳酸盐岩地层内部的原生孔隙基本消失殆尽,以断裂破碎作用等次生孔隙为主(大于95%),储集空间主要为次生溶蚀及构造破裂作用形成的孔、洞与裂缝^[14]。针对走滑断裂破碎带的钻探结果表明,断裂破碎带的横向储集体结构非常的复杂,其钻井、录井、测井特征表现出明显的差异性(表2)。鉴于断控缝洞体系的空间复杂性,采用适当大小的时间窗口分析策略将缝洞体系等效为相同体积条件下的均质地质体,分别由岩石骨架和总孔隙体积(裂缝、孔隙、洞穴)组成。基于此开展地球物理特征的分析及有效信号的提取识别。

图4

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图4 研究区构造分布

Fig.4 Structural distribution of the study area

表2 走滑断裂破碎带不同横向结构钻井、录井、测井特征识别

Table 2 Identification of drilling,logging and logging characteristics of different transverse structures in strike-slip fault fractured zone

储集体结构	地震反射特征	测井特征			实钻特征
储集体结构	地震反射特征	电阻率/(Ω·m)	密度/(g·cm^-3)	声波时差/(m·μs^-1)	钻井情况	钻时/(min·m^-1)
裂缝—基岩段	连续状	2 000以上	2.7~2.8	50	见气测	25~40
裂缝—孔洞段	弱连续杂乱	500~2 000	2.5~2.6	40~50	漏失无放空	13~25
断层角砾段	串珠	40~2 000	2.5~2.6	35~45	漏失量较大或钻遇放空	5~12

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研究区内断控缝洞储层因经过多期次断裂活动及局部溶液沿断裂破碎带的扩溶作用,形成非规则的复杂缝洞系统,缝—孔—洞等储层组合类型复杂多样。这种碳酸盐岩优质储层多为不同数量的波谷—波峰组合而成的强能量反射^[15-16]。因储层受控于断裂作用,其纵向呈现条带状杂乱反射(强能量反射—弱能量反射交织成带)的特征、储层横向分布呈现沿断裂展布的条带特点(图5)。由于断裂破碎具有差异性且断裂发育具有分段性,沿走滑断裂缝洞储层纵横向的非均质性,造成同一条断裂油气富集差异非常大,高产井、低产井、失利井分布规律不清。因此,通过开展地球物理方法针对走滑断裂破碎带内部储层的油层厚度进行有效探测,进而指导该区下步井位部署和油气高效开发。

图5

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图5 垂直断裂破碎带地震剖面特征(a)和研究区奥陶系振幅属性(b)

Fig.5 Seismic profile characteristics of vertical fault fractured-zone(a) and amplitude attribute map of Ordovician in the study area(b)

2.2 油柱高度识别与分析

研究区内,W29-1井自投入生产以来,已累计产油量超19 万t,该井进入奥陶系一间房灰岩地层垂直厚度为31 m。油田油藏研究人员结合钻井、油气生产动态数据确定的油层厚度为190 m。基于本文方法获得的时频道集剖面显示,121 ms时间范围内,频率由46 Hz衰减至6 Hz(图6a),衰减幅度40 Hz。根据灰岩段平均速度6 000 m/s,预测频率衰减段厚度315 m。W231井为研究区内北部一口评价井,对井段6 247.08~6 314.8 m用8 mm油嘴求产,油压3.1 MPa,套压13.58 MPa,折算日产水量为212.08 m³,产出水的氯根含量为57 500 ppm,累产水551.79 m³,测试结论为水层;对井段6 369.00~6 564.40 m,6 mm油嘴放喷排液,油压1.60~1.44 MPa,日排液79.06 m³,测试累计排液315.76 m³,产出水的氯根含量为61 892~68 745 ppm,无油气。油田油藏研究人员给定油层厚度近似为0 m。基于本文方法获得的时频道集剖面显示,22 ms时间范围内,频率由27 Hz衰减至18 Hz(图6b),衰减幅度9 Hz。小幅度衰减特征反映地震波于目标点储层段的衰减特征,并非明显油柱面时频差异。

图6

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图6 过井地震剖面和时频道集剖面对比

Fig.6 Comparison of cross well seismic profiles and time-frequency profiles

利用本文方法对该区油田油藏研究人员已确定的油层厚度数据的19口井进行分析,预测的油柱高度与根据井动态数据预测的油柱高度存在良好的一致性(图7a),预测油柱高度整体有偏大的趋势。为此,研究中建立油藏研究人员已确定的油层厚度数据与本文方法预测油柱高度数据之间的关系,两者相关度达到0.860 6。当实际油柱高度大于等于150 m时,地震预测呈1∶1的关系;当实际油柱高度小于150 m时,地震预测结果稍偏大,实际油柱高度为地震预测结果的0.587 7倍。因此需要对油柱高度进行校正,进而获取更准确的油水界面参数。

图7

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图7 研究区钻井油柱高度(a)和本文方法预测的油层厚度(b)对比

Fig.7 Comparison between the drilling oil column height in the study area(a) and the predicted oil layer thickness using this method(b)

在工业应用方面,可完成整个断裂破碎带的时频分析,对断裂破碎带内储层有利靶点进行油层厚度识别,用于评价该断裂破碎带的油气开发潜力。图8为研究区内某断裂破碎带油层厚度预测结果的横向对比,自北向南的高频衰减幅度由70 ms增加到140 ms,依据地震成像速度折算出油柱厚度为200~520 m,整体表现为同一断裂带的南部油柱高大而北部油柱高度小的特征,推测研究区内同一断裂破碎带南部储层的油气充注程度更加强烈。基于预测数据对该断裂破碎带的油层厚度和油水界面进行校正成图(图9)。

图8

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图8 研究区内某断裂破碎带油层厚度预测对比

Fig.8 Comparison chart of oil layer thickness prediction for a fractured zone in the study area

图9

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图9 研究区内某断裂破碎带预测油层厚度平面(a)和油水界面平面(b)

Fig.9 Plan view of predicted oil layer thickness in a fractured zone(a) and the OWC(b)

3 结论

1)针对走滑断控“板状”油藏的地震地质特点,研究了应用基于广义S变换的时频分析方法,利用了基于时频特征包络分析方法实现断控油藏的油柱高度的有效预测,并应用钻井信息约束实现沿断裂破碎带的油藏内部油水界面的工业化成图。

2)在塔里木盆地富满油田某区的实际应用表明,研究区内油柱高度整体表现北小南大的特点。当实际油柱高度大于或等于150 m时,地震预测与实际误差明显较小;当实际油柱高度小于150 m时,地震预测结果稍偏大,需要进行校正。

3)该方法预测精度与地震资料品质相关,优良资料品质区可取得更佳效果。通过正演地震数据和野外地震数据的应用,方法具有较好的稳定性,可快速推广至具有类似地质特征的区域。

致谢

本研究的完成和推广应用,得益于东方物探公司和塔里木油田公司相关专家的指导和地震数据的允许使用,得益于西南石油大学张固澜教授的精心指教,在此一并表示感谢。

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]

张明, 李相文, 金梦, 等.

超深断控缝洞型储层迭代反演方法——以富满油田为例

[J]. 物探与化探, 2023, 47(1):22-30.