油气藏勘探开发中, 地震分辨率问题影响着地球物理的很多领域, 如地震信号处理、地震剖面的构造解释等。地震资料提高分辨率的处理结果对于薄储层、微幅构造、小断层等小尺度地质体的识别和预测及开发层系细分、井间连通性分析、油气藏三维精细建模等都至关重要^[1-9]。前人研究表明, 应用有效的处理和解释技术, 地震勘探是可以突破1/4波长地震分辨率极限的, 这为薄储层地震勘探提供了重要的理论基础。关于薄储层提高分辨率处理技术的研究主要集中在反褶积、Q补偿、模型振幅补偿、小波变换、谱整形等领域, 在常规处理的精细化流程设计等方面取得了一定的效果, 但未涉及针对性衰减煤层影响的对策, 也相对缺乏井控。

在鄂尔多斯盆地北部D气田, 上古生界山西组和太原组地层是典型的含煤储层, 由于煤层反射系数大, 与砂泥岩波阻抗差异大, 因而形成强反射, 使砂岩与泥岩的反射淹没其中, 所以含煤储层尤其是薄储层识别是该区储层预测的一大难题^[10-13]。赵爽等^[14]、佘刚等^[15]采用多子波分解与重构方法将原始地震数据分解为对应的多个不同频率雷克子波的数据体, 并根据研究需要将分解的不同频率地震数据进行融合重构, 一定程度上实现了剔除煤层干扰与提高分辨率处理的目的。本文利用鄂尔多斯盆地D气田目标研究区内丰富的钻井信息, 采用地质约束非线性反演方法, 精确反演出煤层地震响应并将其去除, 从而突出砂泥岩弱反射信息。在此基础上, 采用保构造的井控多道反褶积方法提高地震资料分辨率, 避免了单道反褶积反射系数不稳定的现象, 为含煤薄储层预测提供了可靠的地震信息。

地质约束非线性反演衰减煤层技术是利用工区内测井数据精确反演出煤层顶底反射系数, 进而得到煤层响应并将其去除, 适用于开发较为成熟的研究区。首先利用工区内的大量测井数据, 在井震匹配的基础上完成煤层的人工层位解释, 标定出煤层发育顶底界面的大致时间位置; 其次根据褶积模型, 利用随机非线性反演方法校正顶底煤层等效反射系数的时间位置, 反演出顶底煤层等效反射系数的大小, 合成顶底煤层形成的强振幅反射地震响应; 最后将强煤层响应与原始地震数据相减, 达到衰减强煤层响应、突出砂泥岩弱反射的目的, 为下一步高分辨率处理和地震属性提取等技术的实施提供能更准确反映砂泥岩特征性质的地震数据。

结合测井数据, 一个强煤层可以假设成一个等效的奇分量反射系数对。利用测井和地震数据, 可以大致解释出煤层顶、底界面的时间位置, 记为t_u(x, y)和t_d(x, y), 其中, x和y分别表示沿着Inline方向和Crossline方向的距离位置。考虑到煤层一般较薄且在地震调谐厚度以下, 解释的顶、底界面位置一般会存在误差。假设解释的煤层顶、底界面误差分别为Δt₁和Δt₂, 则分别校正顶、底煤层等效反射系数的时间位置为:

(1)

假设对应顶、底界面位置的反射系数大小分别为r_u和r_d, 则对应煤层的地震信号频域形式可简写为:

(2)

式中:S(f), R(f)和N(f)分别表示地震记录、反射系数和噪声的傅里叶变换, f表示频率。

假设子波W(f)已知, 则可利用频率域反褶积方法得到反射系数的谱。由于地震采集的局限和噪声的影响, 一般考虑只做部分谱的反褶积, 得到主频段的反褶积结果。基于选取的频率成分f_m, 采用公式(2) 可建立煤层等效反射系数的部分谱方程:

(3)

式中, 表示噪声的反褶积结果。假设在主频段选取的频率成分有M个, 方程(3) 可以转换成一个矩阵向量形式:

(4)

式中, d=[S(f₁)/W(f₁), S(f₂)/W(f₂), …, S(f_M)/W(f_M)]^T是M×1的向量, G=是M×2的矩阵, 是2×1的向量, 是M×1的向量。从公式(4) 可知, 仅有4个未知参数(Δt₁, Δt₂, r_u, r_d)需要反演, 因此采用观测数据和正演数据之差的二范数作为目标函数, 其具体形式如下:

(5)

考虑到该目标函数是一个复杂的非线性方程且反演参数的维数不高, 采用快速模拟退火法^[16-17]来搜索求解。鉴于煤层发育横向连续性较好, 可以将前一道搜索到的等效反射系数的大小作为下一道待求的等效反射系数的初始值, 以加快搜索速度。每道的时间位置初始值采用人工解释的层位数据t_u(x, y)和t_d(x, y), 逐线逐道完成三维数据的处理。

根据公式(1), 可以计算出煤层的顶、底位置t_u^*和t_d^*, 采用顶、底反射系数的位置和大小来合成强的煤层地震响应, 具体公式如下:

(6)

用原始地震数据减去煤层的地震响应, 即可得到衰减后的地震数据。图 1为一个煤层衰减和弱反射砂体凸显的模型范例。从图 1可以看出, 地质约束非线性反演方法可有效衰减强煤层反射, 凸显内部砂体弱反射。

图 1(Fig. 1)

图 1 煤层衰减合成模型范例 a速度模型(煤层内部是小的砂体); b合成的地震数据; c基于地质约束非线性反演衰减的煤层数据; d b和c之差

叠后地震资料可以看成子波和反射系数的褶积, 这导致了子波和地震资料的同时带限, 也意味着子波滤掉了一些地震资料频带外的重要地质信息。因此, 地震资料处理很关键的环节是减小甚至消除子波干涉并获得宽频带资料。许多常规反褶积方法是沿着时间方向添加一个正则化项, 通过单道反演方式获得一个稳定的最优解。但是, 当资料的信噪比较低或地震资料包含高波数噪声和误差时, 单道正则化方法经常会导致估计的反射系数或阻抗横向不稳定, 产生“挂面条”的现象^[18]。此外, 常规的反褶积处理也忽略了道与道之间的空间关系。

假设去掉煤层强反射的信号满足褶积模型, 且子波满足时空稳定假设, 那么在时间域的地震道可表示为一个矩阵-向量形式:

(7)

式中:s′_l和r′_l分别表示第l道的时域地震数据和对应的反射系数序列; W′表示子波褶积矩阵。

扩展成多道情况, 可表示为:

(8)

其中, , L是道数, 每道采样点数是N; 是一个块对角矩阵;

为了避免常规反褶积方法沿着时间方向一维正则化造成的“挂面条”及空间不连续问题, 本文提出沿着空间方向进行正则化的方法, 形成了一种保构造的多道同时反褶积技术。其目标函数表示如下:

(9)

式中, λ_i是正则化参数, 主要用于平衡资料剩余和Cm的稀疏度。矩阵C_i可以选Curvelet算子、频域-波数(F-K)算子或差分算子。Curvelet算子处理横向复杂的地质模型效果好, 但计算时间相对要长。F-K算子隐含地假设反射系数剖面(或体)是由有限的平面波构成的, 因此能有效快速地处理横向不复杂的地质模型。差分算子可以自适应地保护好地层的边界, 如断层、裂缝、尖灭和砂体的边缘等。本文采用了差分算子, 同时, 多道处理中可以加入测井信息。为了避免更多正则化参数的设置, 用测井和地震数据构建一个解方程(9) 的初始模型, 采用共轭梯度法^[19]进行模型的迭代更新, 直到收敛时停止。上述考虑测井信息的方法被称为保构造井控多道反褶积方法。

鄂尔多斯盆地是我国大中型多层系含油气盆地之一, 气源岩好, 生、储、盖组合配套。D气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部, 现今构造表现为一个不足1°的西倾大单斜, 断裂不发育, 为典型岩性气藏。

该气田上古生界发育下石盒子组、山西组、太原组(盒1、盒2、盒3、山1、山2、太2、太1)7套气层, 除了盒1段储层平均厚度22m外, 其余各层系储层较薄, 最薄的太1段平均厚度仅为7.8m。研究区内山西组、太原组为煤系地层, 发育多套煤层且沉积较为稳定, 尤其是太原组煤层。山西组、太原组煤层产生强反射, 造成研究区地震资料分辨率低(目的层段的视主频仅为25~30Hz, 有效高频也只有50~60Hz), 10m左右或小于10m砂体的识别非常困难, 储层预测尤其是含煤薄储层预测是一大难点。

图 2显示了三维工区地震数据的一条测线应用地质约束非线性反演方法处理的结果, 黑线和白线分别为人工解释的地层顶界面和底界面时间位置。其中图 2a为原始地震剖面; 图 2b为合成的“煤层”响应, 强反射连续性较好, 能量较为均衡, 比较符合井震联合解释的煤层的地质情况; 图 2c为衰减煤层响应后的地震剖面。对比衰减前后剖面可以发现地震响应特征发生了明显的变化, 出现了更多的内幕反射细节(红色和黑色箭头标注处), 地质信息更加丰富(黑色椭圆标注处), 经钻井验证，为砂体响应。

图 2(Fig. 2)

图 2 地质约束非线性反演方法效果分析 a原始地震剖面; b反演煤层地震响应; c衰减煤层响应后地震剖面

由图 2可见, 应用地质约束非线性反演方法不仅使含煤储层响应特征得以凸显, 而且使非含煤储层弱反射能量得到了自然增益, 更加有利于含煤和非含煤储层地震资料的精细处理和解释。

图 3a是应用地质约束非线性反演衰减煤层方法处理后的一条地震剖面, 白色虚线椭圆标注处发育山西组-太原组地层, 该时间范围内煤层很发育, 但经过煤层衰减处理后, 煤层的强反射干扰已经减弱。图 3b是煤层衰减剖面经过井控多道反褶积处理的结果, 可见含煤储层地震反射特征丰富, 符合砂体相变快的地质认识。同时, 井控多道反褶积处理保持了地震响应的横向稳定性、连续性, 没有出现“挂面条”现象, 有效提高了地震资料的分辨率。

图 3(Fig. 3)

图 3 井控多道反褶积效果分析 a煤层衰减后剖面; b井控多道反褶积剖面

图 4是提高分辨率处理后随意抽取的3口盲井检验结果。其中红色曲线为经过地质约束非线性反演衰减煤层方法和保构造井控多道反褶积方法处理后提取的实钻井处的反射系数, 黑色曲线为实钻井去除煤层的反射系数带通滤波结果, 蓝色曲线是伽马曲线。可以看出, 提高分辨率处理后的反射系数与实钻井去除煤层的反射系数带通滤波结果吻合, 在薄储层上有明显的响应(蓝色线框标注处)。在抽取的B井, 可以识别8m厚的砂岩储层(图 4b蓝色线框标注处)。

图 4(Fig. 4)

图 4 盲井检验结果 a A井; b B井; c C井

地质约束非线性反演方法能够衰减煤层强反射, 凸显含煤地层中砂泥岩内幕反射, 非含煤地层也能够得到自然增益。

保构造空间反褶积技术采用空间正则化方法解决了常规反褶积分辨率与信噪比的矛盾, 能够在提高分辨率的同时保持反射信息的空间连续性。

该技术组合利用较多的实钻井信息进行约束, 尤其适用于油气田开发阶段的地震资料解释性处理, 能有效提高含煤地层的地震资料分辨率, 为含煤薄储层预测提供丰富、可靠的地震信息。