基于全频带地震信息挖掘的储层成像技术

摘要

基于全频带地震信息挖掘的储层成像技术是一种石油地震勘探数据处理与解释技术，它利用能精确刻画地震信号局部层次结构的时频分解方法——第三类广义S变换，首先把原始三维地震数据体映射为同时含时间、空间、频率域的四维全频带时频能量数据体、时频振幅数据体和时频相位数据体，并利用地质层位信息、钻井和测井信息从两个数据体中抽取垂直地震剖面、时间切片、沿层切片和地层切片，同时在上述数据体的基础上，进一步生成基于全频带信息的时频能量差别切片和储层相对时间厚度检测切片。这一技术既利用了常规地震资料处理中通频带内的信息，而且发掘了通频带之外的低频和高频信息，用于直接指示油气储层，分析储层厚度、空间展布和内部结构的细微变化。不仅提高了地震勘探资料中信息的利用率，而且提高了地震资料解释的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及石油地震勘探数据处理与解释领域，是一种通过利用和挖掘地震资料全频带时频空域信息，直接指示油气储层、检测油气储层厚度、空间展布及其内部结构的技术。

背景技术

在地震勘探中，当地震波在地下介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形将随所穿过介质的弹性性质和几何形态发生复杂的变化。因此，地面将接收到经不同路径传播的P波、S波和较大振幅的发散面波以及各种噪声等信号成分，它们不仅到达时间不同，而且运动学和动力学特征也不同，并且经过了多次反射、折射和透射，加之地下介质对不同频率成分的吸收衰减也有差异。因此，地震信号是典型的非平稳信号，其频谱成分及信号的各种统计特性随时间发生显著变化，这些不稳定的变化和异常记载了反映地下反射介质特征的丰富信息。来自饱和含流体孔隙介质的地震波中的各种频率的能量分布也是具有独特性的，反射地震波中的不同频率成分的统计特性与油气储层的岩性、厚度、孔隙度、孔隙中流体的性质、渗透率等指标存在一定的对应关系。

传统的基于傅里叶变换的谱分析是地震数据处理的重要方法，把地震记录变换到频率域是一系列重要的地震资料处理算法和解释技术的基础，但傅里叶变换的核函数长度为整个区间，它本质上是信号的全局变换，只能在时域和频域之间相互映射，缺乏对信号的时间和频率同时定位的能力，不能表征地震信号的局部结构。应用于地震信号时频谱分析的主要方法有：短时傅里叶变换、小波变换、时频原子基匹配追踪算法、S变换。其中短时傅里叶变换受窗函数的制约，其时频分辨率在时频平面中不变，不能适应地震信号的这一特点：即在信号的低频端应具有很高的频率分辨率，而在高频端的频率分辨率可以较低。小波变换要求对小波基进行合理的选择，还须满足容许性条件，其尺度与频率间缺乏直接的对应关系。时频原子基匹配追踪算法难以选择与实际地震信号相匹配的时频原子基，因而易出现剩余信号能量不收敛的问题，尤其是其运算速度极低，难以适应大规模三维地震资料的处理。S变换的基本小波固定，在实际资料处理中缺乏灵活性和适应性。

常规的地震资料谱分析一般只利用地震信号在通频带内的那部分信息，而对小于低截频和大于高截频的信息则很少利用，使得地震勘探资料中信息的利用率不足30%。如何充分利用现有地震资料所包含的地下有效信息，进行地震信息挖掘是值得探讨的根本性问题。实验研究与实际资料处理表明，地震资料中的低频信号成分包含了与油气储层有关的极其重要的信息，它对于油气储集层显示了惊人的成像能力；而地震资料中的高频信号成分对于油气储层内部的细微结构分析具有重要意义。因此，地震勘探信号的低频端和高频端信息都具有很大的应用潜力，而常规地震资料处理不仅没有充分利用通频带之外的信息，而且常常破坏了通频带以内的有效信息。

发明内容

本发明是要提供一种同时在时间、空间和频率四个域中分析地震资料、并挖掘全频带地震信息以实现储层成像的技术。它不仅能提高地震勘探资料中信息的利用率，而且可以直接指示油气储层，分析储层厚度、空间展布和内部结构的细微变化，提高地震资料解释的可靠性。

本发明中所用的时频分析方法，汲取了短时傅里叶变换、小波变换的思想和S变换的优点，并在它们的基础上进行了改进和发展，能够精确地描述地震信号的局部结构，其优点主要表现在：基本小波不需满足容许性条件、时频盒可随频率发生非线性变化，具有类似多分辨率特性、基本小波不固定、很高的计算效率。

本发明充分利用地震勘探信号中的有效信息，其频率范围可覆盖地震信号的整个频带，而不只是利用了传统地震资料处理中通频带内的那部分信息，其中低频端的信息能够指示油气储层，高频端的信息用于较高分辨率的储层细微结构和地质构造分析。

本发明的基于全频带地震信息挖掘的储层成像技术，将叠后三维地震数据体映射成全频带谱能量数据体和时频相位数据体，可从时间，频率，空间（包括InLine和XLine方向）四维域刻画和观察反射地震波中的全频带信息在地下介质中的表现特征，实现对油气储层的厚度，空间展布、内部结构的成像。

本发明利用地震勘探信号的不同频率成分在地下介质中传播的动力学差异，进一步提取全频带谱能量数据体和时频相位数据体在能量和振幅随频率变化上存在的差异，得到全频带信息的能量差别切片和储层相对时间厚度检测切片，不仅用于指示油气储层、分析储层厚度，还可用于判定断层、岩性边界等地质构造信息。

本发明的基于全频带地震信息挖掘的储层成像技术，具有如下优越性：

(1) 地震记录的时频分解方法能够精确地描述地震信号的局部结构、时频盒可随频率发生非线性变化、具有类似多分辨率特性、基本小波不固定、可调用现有的快速傅里叶变换实现，计算效率很高，运算开销小，适于大规模三维地震勘探数据处理； 

(2) 充分利用了地震信号全部频率成分的特征信息，如能量、振幅和相位等在时间、频率、空间（包括InLine和XLine方向）四维域中的差异和变化，提高了地震勘探资料中信息的利用率；

(3) 直接指示油气储层、储层的厚度、空间展布和内部结构的横向变化，还可识别一些不易直接分辨的地质构造。

本发明的具体实现原理如下：

首先输入三维叠后地震勘探数据，从其中抽出每一单道地震记录进行时频分解，采用第三类广义S变换精确描述地震信号的局部结构，它的基本小波可变且不须满足容许性条件、时频分辨率可随频率发生非线性变化，具有类似多分辨率特性、很高的计算效率。设地震信号为                                               ，计算其傅里叶正变换谱为，则分解的任意正频率的瞬时谱按如下公式计算：

式中，表示对频率的反傅里叶变换，为傅里叶正变换谱平移。和是调节分析小波频率延续度的参数，为了使每个频率都具有较高的时频聚集性能，构建以下目标函数：

利用最优化方法搜索小波频率延续度参数和，使上述目标函数获得最大值，令此时对应的参数和分别为和，则选择这样的参数使频率的瞬时谱获得最佳的时频分辨率，此时的瞬时谱即可如下计算：

在上述瞬时谱的基础上，构建如下三个属性：

 时频能量

 时频振幅

 时频相位

对叠后地震数据体的每一道计算全频带内每个频率的时频能量、时频振幅和时频相位，从而得到四维全频带时频能量数据体、时频振幅数据体和时频相位数据体，然后从整个频带中提取每一频率的数据，分别组合成与输入的三维叠后地震数据体对应的共频率三维时频能量数据体、时频振幅数据体和时频相位数据体。利用现有的地质层位资料和其它勘探资料（如测井资料），就可从全频带三维时频能量数据体、时频振幅数据体和时频相位数据体中抽取垂直剖面、目的层段的时间切片和沿层切片。

由于地震信号在穿过地下介质时会发生与频率有关的衰减及能量损失，高频分量和低频分量都会衰减，但高频分量衰减更剧烈，因此，利用不同频率的时频振幅、时频能量的差异检测具有高衰减特性的储层或重要的地质构造信息。时频能量差别切片的计算方法如下：

其中，为切片的目的层时间，为计算的时间长度或厚度， 表示频率为或中心频率为的频段的归一化时频振幅或时频能量切片数据，其归一化方法如下：

其中，频率为或中心频率为的频段的时频振幅或时频能量切片数据。

当储层厚度相对于地震波长较薄时，瞬时中心频率与层厚度有直接的对应关系，两者呈近似线性的反比关系，在上述公式计算的全频带时频能量的基础上，按如下公式计算目的层段的中心频率：

再利用工区的钻井的测井资料，将测井资料指示的储层厚度与井位处的中心频率进行最小二乘直线拟合，从而获得整个工区的储层相对时间厚度。

附图说明

图1是从TH油田的三维叠后地震数据体中抽取的一个垂直过井地震剖面，时间深度位于2.5s～3.4s。

图2是与图1对应的低频8Hz的时频能量剖面，标定了目的层位和井位。

图3是从TH油田的三维叠后地震数据体中抽取的一个时间切片，时间深度t=3.002s。

图4是与图3对应的低频8Hz的时频能量时间切片，标定了井位。

图5是与图3对应的频率32Hz的时频谱能量时间切片，标定了井位。

图6是与图3对应的高频240Hz的时频谱能量时间切片，标定了井位。

图7是与图3对应的高频240Hz的时频相位时间切片，标定了井位。

图8是TH油田三维叠后地震数据体在目的层段对应的储层相对时间厚度切片，标定了井位。

图9是从TH油田的三维叠后地震数据体中抽取的一个时间切片，时间深度位于t=3.022s。

图10是与图9对应的频率为32Hz和14Hz的时频能量差别切片。

 

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下： 输入三维叠后地震数据体（未作简单的低通和高通滤波处理）和已解释的目的层位； 利用能精确刻画地震信号局部层次结构的非平稳信号时频分析方法——第三类广义S变换，对三维地震数据体逐个频率分析其时频能量分布、时频振幅分布和时频相位分布，从而得到与时间、频率、空间相关的四维全频带时频能量数据体、时频振幅数据体和时频相位数据体； 按照频率顺序，从上一步的三个四维数据体中抽取数据，从而重新组合成与输入的叠后地震数据体对应的全频带共频率三维数据体； 输入地下目的层段的地震时间（深度）信息，结合其它可资利用的地质资料，从上述全频带共频率三维数据体中抽取一系列垂直剖面、时间切片、沿层切片和地层切片； 利用第2）和第4）步的结果作为输入，根据时频能量和时频振幅在随频率变化的特征上存在的差异，生成基于全频带信息的时频能量差别切片和储层相对时间厚度检测切片； 通过地震数据显示软件将处理后的数据转化成地震剖面图像或进行三维可视化显示，用于储层解释。

本发明的实施实例说明：

图1是从三维叠后地震数据体中抽取的垂直过井剖面，图2是与之对应的低频8Hz的时能量垂直剖面，在目的层段，可见一高能量异常（箭头所指）的含油气砂岩储层（已被多口油井所证实）。图3是从三维叠后地震数据体中抽取的过目的层段的时间切片（t=3.002s），图4是与之对应的低频8Hz的时频能量时间切片，可见油气储层的横向展布（绿箭头标注）。因此，图2和图4说明位于通频带之外的低频信息能够直接显示储层的位置和展布，这些信息在处理之前的剖面中是难以直接分辨的。

图5是与图1对应的32Hz频率（在常规通频带范围内）能量时间切片，直接清晰地展示了薄砂岩储层的岩性边界和平面展布（绿箭头标注）。

图6和图7分别是与图1对应的高频240Hz（频率已接近全频带的上限）的时频能量时间切片和时频相位时间切片，但仍然清晰地展示了储层的平面展布及其内部结构的横向变化（绿箭头标注），说明位于通频带之外的高频信息也能够用于油气储层的成像与细结构分析。

图8是利用全频带数据体生成的储层相对时间厚度检测切片，可见油气储层的厚度较薄（黄圈标注），揭示了储层厚度在横向上的变化规律，且厚度的变化使储层在横向上与周围有明显分界。

图9是从叠后三维地震数据体中抽取的过目的层段时间切片（t=3.022s），图10是利用全频带共频率的时频能量数据生成的对应图9的时频能量差别切片，可见明显的断层（红箭头标注了其走向），而在图9的原始切片中是很难分辨这一断层的。

另外，在图4、图5、图6、图7、图10中都显示了储层内部和外部的断层信息，在处理之前的原始剖面中是难以直接分辨的，说明本发明的方法还可用于识别断层等地质构造信息。