CN113514892B - 一种利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，该方法包括：依据研究区域目的层段的地质特征、声波速度和密度特征，建立楔状地质模型和反射系数模型，分析砂岩厚度与地震振幅的关系；通过所述楔状地质模型，将相应的反射系数模型与不同主频的Ricker子波进行反褶积处理，沿砂岩顶面提取振幅信息，得到不同频率的调谐厚度和不同厚度砂岩层的调谐频率分布特征；根据不同相位下地震极性与岩性的对应关系，得到薄层砂岩的分布特征。本发明表明利用振幅信息进行岩性解释时并非是频率越高越好，最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率。
Description
技术领域
本发明涉及致密砂岩地质领域，特别是涉及一种利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法。
背景技术
利用地震信息预测岩性是困难的，这除了资料中存在着干扰外,另一个重要原因就是反射总是受频带限制,而且相互干涉。地震岩性学研究不同岩性的地震响应特征，是目前的热点研究方向之一，是地震沉积学的重要研究内容。目前,已报导了许多方法用于地震岩性预测。基于常规地震剖面上的反射结构识别地层沉积序列,从宏观上分析可能的岩性。通过大量岩石物理试验数据得出岩性速度和密度之间的关系，利用纵波速度的变化来确定砂、页岩比,或者利用纵波速度和衰减系数来推断地下岩性,或者利用纵波速度和泊松比预测岩性。许多学者通过深入研究不同地震动力学参数，如振幅、频率、相位的地质意义，揭示出他们所蕴含的岩性、地层信息。利用数学方法从地震信息衍生出不同地震参数，形成不同的地震属性，可以刻画地层的岩性、物性、含油性及空间分布等特征。许多学者利用更复杂的宽带约束反演算法，振幅与炮检距之间的关系(AVO)预测岩性分布。基于双相介质理论导出的岩石地震应力可区分不同岩石类型，并取得了一定的效果。目前，大量的现代数学方法已应用于地震岩性预测，如地震岩性模拟(SLIM)技术。此外，不同学者还陆续提出了将诸如广义线性反演、蒙特卡洛法、概率神经网络(PNN)等数学方法应用于地震岩性预测。但鄂尔多斯盆地的勘探实践证明，利用上述方法预测致密砂岩效果并不理想。
发明内容
本发明主要以地震正演为手段，对研究区内二叠系致密砂岩厚度与地震振幅，致密砂岩厚度与地震子波频率，致密砂岩与地震子波相位的关系进行分析。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，包括以下步骤：
依据研究区域目的层段的地质特征、声波速度和密度特征，建立楔状地质模型和反射系数模型，分析砂岩厚度与地震振幅的关系；
通过所述楔状地质模型，将相应的反射系数模型与不同主频的Ricker子波进行反褶积处理，沿砂岩顶面提取振幅信息，得到不同频率的调谐厚度和不同厚度砂岩层的调谐频率分布特征；
根据不同相位下地震极性与岩性的对应关系，得到薄层砂岩的分布特征。
优选地，所述地质特征为岩层的地震波波长λ。
优选地，当砂岩厚度大于所述地震波波长λ时，来自砂岩顶、底面的地震反射相互分离，不会叠加产生地震叠加干涉，沿砂岩顶面的地震波峰振幅保持恒定，地震波形与砂岩顶、底面对称，能够通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差确定砂岩厚度；当砂岩厚度小于λ/4时，利用砂岩顶面的地震反射振幅值来确定砂岩厚度。
优选地，基于地震反射特征，定义地震意义上的薄层厚度小于λ/4，来自薄层的地震反射振幅Ad≈4πAb/λ，其中，b为薄层厚度，λ为地震波波长，A为顶、底无干涉时的振幅。
优选地，若所述调谐频率变化，则说明砂体连续分布，若所述调谐频率具有突变现象，则说明砂体厚度有变化，若所述调谐频率成断续或斑状分布，则表明砂体不连续。
优选地，将90°相位50HZRicker子波与反射系数褶积得到90°相位地震响应模型，当砂岩厚度大于地震波波长时，砂岩顶面沿波峰和波谷拐点分布，地震波形与砂岩顶面成反对称形态，当砂岩厚度小于地震波波长时，砂岩顶面偏离拐点，薄砂岩层大致与地震反射波谷同相轴对应，则在90°相位合成记录的地震极性与岩性具有对应关系，即地震波波谷同相轴对应砂岩，能够利用地震同相轴预测岩性展布。
优选地，沿90°相位50HZ Ricker子波楔状地震模型砂岩中心线进行5-200HZ时频分析，当薄砂层<λ/4时，对应于地震反射波谷同相轴，而厚砂层>λ/4时,对应于地震反射波峰同相轴，时频分析图上显示为两段式,此时，需要将地震主频调整为最厚砂岩层的调谐频率。
本发明的有益效果为：
(1)当砂岩厚度大于地震波波长λ/4时，通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差确定砂岩厚度；砂岩厚度小于λ/4时，利用砂岩顶面的地震反射振幅值来确定砂岩厚度。
(2)0°相位地震模型中，薄层砂岩上半部分位于波峰，而下半部分则位于波谷，地震极性与岩性没有对应关系。而在90°相位合成记录中，薄层砂岩大致与地震反射波谷同相轴对应，岩性与地震极性与岩性具有对应关系，可以利用地震同相轴预测岩性展布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明实施例楔状砂岩模型及其0°相位子波地震响应特征示意图，其中(a)为楔状砂岩模型示意图，(b)为0°相位50HZRicker子波合成地震剖面示意图，(c)为砂岩顶面调谐振幅曲线示意图；
图3为本发明实施例中0°相位模型调谐频率及调谐厚度特征示意图；
图4为本发明实施例0°相位50HZRicher子波楔状地震模型时频分析示意图；
图5为本发明实施例0°相位50HZRicher子波S232—S208—Y161P2H8合成地震剖面及时频分析示意图；
图6为本发明实施例90°相位50HZRicher子波合成地震剖面砂岩中心线时频分析示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明主要以地震正演作为手段，探讨了二叠系致密砂岩厚度与地震振幅，致密砂岩(调谐)厚度与地震子波频率，致密砂岩与地震子波相位的关系三个方面的问题，如图1所示为本发明方法流程图，本发明实施例的资料主要来自鄂尔多斯盆地延长探区Yq2井区二叠系。
S1、研究区域二叠系砂、泥岩速度、密度差异；
根据对Yq2井二叠系声波时差与泥质含量分析可知，随着泥质含量增加声波时差增大，声波速度降低。砂岩平均速度4347m/s，泥岩平均速度为4000m/s。因此，从统计上看，砂岩速度一般较泥岩速度更高。在砂岩中随孔隙度增高，速度成下降趋势，高孔隙度砂岩的声波传播速度可以低于泥岩的声波传播速度。
研究区域内目的层压实作用强烈、岩石致密，砂泥岩密度基本相当，平均2.44g/cm3。因此，砂岩顶面应形成正反射系数界面，而底面则形成负反射界面。
S2、砂岩厚度与地震振幅的关系；
当地层厚度大于λ(λ为通过该岩层的地震波波长)时，来自砂岩顶、底界面的反射子波在时间域内完全分离，这种记录反映了两个界面的最大可能信息。当地层厚度减薄(厚度<λ)时，来自顶、底界面的地震反射子波逐渐产生叠加。当地层厚度为λ/4或更薄时，实际上留下的都是顶、底地震反射子波叠加产生的信息。即实际上没有单个顶、底界面反射的信息。基于地震反射特征，定义地震意义上的薄层厚度小于λ/4(双程时间厚度，λ为通过该岩层的地震波波长)，来自薄层的地震反射振幅近似于Ad≈4πAb/λ(b：薄层厚度；λ：地震波波长；A：顶、底无干涉时的振幅)。
依据研究区域目的层段的地质特征、声波速度和密度特征，建立楔状地质模型及反射系数模型，作为分析明砂岩厚度与地震信息之间的响应关系的基础。砂岩厚度0-100m，声波速度4347m/s；泥岩声波速度4000m/s。砂、泥岩密度均为2.44g/cm3。砂岩顶面反射系数为+0.04，底面反射系数为-0.04(如图2a)。
研究区域目的层段地震资料主频大约为50HZ，因此，本发明采用50HZ0°Ricker子波与反射系数褶积，形成地震响应模型。在二维合成地震剖面上，砂岩较厚时，顶面沿波峰分布，底面沿波谷分布(如图2b)。
沿砂岩顶面提取地震反射振幅及提取砂岩顶面、顶面波峰、底面、底面波谷的地震反射时间，得到该砂岩顶面振幅分布特征(图2c)。当砂岩厚度大于地震波波长λ/4(λ＝86.8m，砂岩平均速度4347m/s)时，砂岩顶、底面分别沿地震波峰、波谷分布。
当砂岩厚度大于地震波波长λ时，来自砂岩顶、底面的地震反射相互分离，不会叠加产生地震叠加干涉。沿砂岩顶面的地震波峰振幅保持恒定，地震波形与砂岩顶、底面对称。在这两种情况下，通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差确定砂岩厚度，而不能利用砂岩顶面地震反射振幅确定砂岩厚度(如图2b、c)。
当砂岩厚度小于λ时，来自砂岩顶、底面的地震反射波发生干涉，引起地震波波形畸变。在砂岩厚度达到λ/4时(21.7m，砂岩平均速度4347m/s)，地震反射振幅最强，达到所谓的调谐振幅。在砂岩厚度介于λ-0.19λ(86.8m—16.5m)时，产生相强干涉作用，其振幅高于无干涉时的振幅；当砂岩厚度小于0.19λ(16.5m)时，产生相消干涉作用，其振幅低于无干涉时的振幅。在砂岩厚度小于λ/4时，砂岩顶、底面分别偏离波峰、波谷，此时，不能通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差来确定砂岩厚度，而只有利用砂岩顶面的地震反射振幅值来确定砂岩厚度(如图2c)。
研究区域目的层经反褶积处理的地震资料主频为50Hz,利用常规资料的振幅强度反映出21.7—16.5m(0.19λ—0.25λ，当砂岩厚度低于0.19λ时，顶面地震反射振幅太弱)厚的砂岩层。
S3、砂岩(调谐)厚度与地震子波频率的关系；
薄层沉积序列(如，高频层序)的地震反射特征与地震频率紧密相关。相似地，地震频率成分也控制了地层切片上观察到的地震地貌模式。在频率域中，地震响应是子波谱和反射系数谱的数量积。这些谱是同等重要的，因为，在地震响应中，在两个谱中都强的频率成分得到相对加强，而在任何一个谱中弱的频率成分都被相对压制。然而，对于代表特定地质剖面的、固定的射系数谱来说，子波谱是引起任何地震反射变化的唯一原因。
在时间域内，地震频率对地震反射的控制与调谐现象密切相关。接近给定子波调谐厚度的地层的地震反射振幅被加强，而其余厚度的地层的反射振幅被压制。简言之，地震地貌是子波频率或调谐厚度的函数。
在低频范围，许多地震反射同相轴趋向于穿时；而在高频范围，地震反射同相轴则趋向于更等时。
研究区域目的层砂岩厚度变化大，最厚可以达到35m，最薄小于1m。要使不同厚度的砂体达到调谐振幅的频率(调谐频率)是不同的。
本发明依据楔状地质模型，将相应的反射系数模型与不同主频的0°相位Ricker子波褶积，沿砂岩顶面提取振幅信息，就可以得到不同频率的调谐厚度(最强振幅对应的砂岩厚度)和不同厚度砂岩层的调谐频率分布特征。砂岩厚度增加，调谐频率降低；频率增加，砂岩调谐厚度降低(如图3)。
对0°相位50HZRicher子波楔状地震模型波峰和波谷之间的砂岩层段进行10-150HZ时频分析，反应了薄砂层具有高的调谐频率。随着砂岩厚度增加调谐频率降低(如图4)。
利用时频分析也可以确定砂体的连续性。调谐频率连续变化说明砂体连续分布。虽然调谐频率在宏观上连续分布，但具有突变现象，则说明砂体厚度有变化。若调谐频率成断续或斑状分布则表明砂体不连续。
通过对S232井旁道地震记录进行时频分析，砂岩相对泥岩具有高阻抗特征，厚砂层(>λ/4)位于波谷；薄砂层(<λ/4)为一波峰—波谷对偶。极薄砂层形成复合地震反射，地震信息无法单独检测，如，上二叠统盒二段(P2H2)顶部夹于泥岩中的薄砂岩厚1.34m，平均速度4961m/s，调谐频率925HZ，相对于50HZ主频地震资料为地震意义上的极薄层，地震信息不能检测，与泥岩和别的薄砂岩层形成复合同相轴。P2H2底部砂岩厚14.2m，平均速度4329m/s，调谐频率69HZ，相对于50HZ主频地震资料为地震意义上的薄层。下部砂岩位于波峰，上部砂岩位于波谷。上二叠统盒八段(P2H8)底部砂岩厚34.7m，平均速度4219m/s，调谐频率28HZ，相对于50HZ主频地震资料为地震意义上的厚层，位于波谷。
通过对连井合成地震记录进行时频分析，也说明频率的变化特征可以反映砂体的分布特征。如，对0°相位50HZRicker子波连井地震模型P2H8进行5—150HZ时频分析，揭示了S232与S208分流水道不连通，系两条不同的分流河道。S232水道砂体向南延伸，逐渐加厚，直到48道所在位置。S208水道砂岩总体呈向南逐渐减薄趋势，局部地方有所加厚，直至模型边界(如图5)。
不同层序地层中砂岩厚度分布范围不同，沉积体系规模不一，因此，在解释不同层序中各种规模的沉积体系时，应选用不同的频率组合。不同频率有各自不同的最佳预测范围。
通过正演模拟，在利用振幅信息进行岩性(沉积体系)解释时并非是频率越高越好。最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率(调谐频率)。
研究区域地震资料的主频为50HZ，利用该资料可以很好检测25-15m厚的沉积体系。目的层砂岩厚度变化大，最厚可达35米，超过实际资料的分辨率，可以利用更低频的振幅信息检测(30HZ)；最薄砂岩厚度不到1m，可以利用高频信息检测。因此，本次正演说明了必须用分频技术分层次研究研究区域内各种规模的沉积体系。
S4、砂岩与地震子波相位的关系；
地震地貌能够指示沉积单元和沉积过程。然而，将地震数据刻度到岩性(用地震数据表征岩性)是更令人满意的，以便沉积过程中形成的沉积物能够被评估和被加入到分析中。充填砂岩或页岩的河道能够分别指示活动河道或废弃河道，这对烃类勘探具有完全不同的重要性。如果振幅和岩性具有更好的相关关系，就可以用地震数据研究沉积岩和沉积过程，这使得地震沉积学成为可能。
工业标准地震数据是零相位地震数据。零相位地震道与单个反射界面对称(如，与砂岩顶、底界面对称)。对于不整合界面上或厚层中的岩性识别，零相位数据更理想。然而，在0°相位地震模型中可以看到，薄层砂岩(<λ/4)上半部分位于波峰，而下半部分则位于波谷，这说明地震极性与岩性没有对应关系，即不能利用地震同相轴确定岩性(图2b)。这表明对地震意义上的薄层沉积单元(<λ/4)而言,来自零相位数据的地震道成为不对称的，并难于匹配到岩性指示测井曲线上。更糟的是，零相位数据的地层分辨率(Stratigraphicresolution)低，因为具有更严重的旁瓣干涉作用。结果，地层切片上观察到的振幅信号和强度并不一定指示岩性。改善振幅解释的最简单和最有效的方法是将零相位数据进行90°相位旋转，这将把地震道从反射系数序列(界面信息)转换成相对阻抗序列(层段信息)。在90°相位地震数据中，最大振幅位于薄层中心。这种处理的一个有价值的副产品是改善了地震数据的地层分辨率。将90°相位50HZRicker子波与反射系数褶积得到90°相位地震响应模型。
当砂岩厚度大于λ/4(地震意义上的厚层)时，砂岩顶面沿波峰和波谷拐点分布，地震波形与砂岩顶面成反对称形态。当砂岩厚度介于λ/4—λ时，地震波形发生畸变。当砂岩厚度小于λ/4时，砂岩顶面偏离拐点，此时薄砂岩层大致与地震反射波谷同相轴对应。这说明在地震薄层的情况下，90°相位合成记录的地震极性与岩性具有对应关系，即地震波波谷同相轴对应砂岩，这可以利用地震同相轴预测岩性展布。
通过拾取90°相位合成地震剖面中砂岩中心线的振幅，说明0°和90°相位合成地震剖面具有相同的纵向分辨率。比较0°相位剖面砂岩顶面波峰和90°相位剖面砂岩中心线不同主频的振幅，揭示了在薄砂层区域(<λ/4),两种振幅具有相似的分布特征。
依据90°50HZRicker子波楔状地震模型，得到了不同频率的调谐厚度和不同厚度砂岩层的调谐频率分布特征。随着砂岩厚度增加，调谐频率降低；随着频率增加，砂岩调谐厚度降低。这与0°相位模型是一致的。
沿50HZ90°Ricker子波楔状地震模型砂岩中心线进行5-200HZ时频分析，反应了薄砂层(<λ/4)对应于地震反射波谷同相轴，而厚砂层则对应于地震波峰反射同相轴，时频分析图上显示为明显的两段式。这种情况很容易使人误认为是砂体不连续造成的，因此，该时频分析不能反应由薄砂层到厚砂层的连续变化特征。要避免此类陷阱，必须将地震主频调整为最厚砂层的调谐频率(图6)。
通过本发明的正演模拟，得到如下认识：
(1)当砂岩厚度大于地震波波长λ/4时，可以通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差确定砂岩厚度；砂岩厚度小于λ/4时，只有利用砂岩顶面的地震反射振幅值来确定砂岩厚度。
(3)0°相位地震模型中，薄层砂岩上半部分位于波峰，而下半部分则位于波谷，地震极性与岩性没有对应关系。而在90°相位合成记录中，薄层砂岩大致与地震反射波谷同相轴对应，岩性与地震极性与岩性具有对应关系，可以利用地震同相轴预测岩性展布。
(4)0°和90°相位合成地震剖面具有相同的纵向分辨率。0°和90°相位合成地震模型均表现出随着砂岩厚度增加，调谐频率降低；随着频率增加，砂岩调谐厚度降低。时频普表明，频率的变化特征可以反映砂体的分布特征。调谐频率连续变化说明砂体连续分布。虽然调谐频率在宏观上连续分布，但具有突变现象，则说明砂体厚度有变化。若调谐频率成断续或斑状分布则表明砂体不连续。
(5)沿90°相位地震模型砂岩中心线进行时频分析，表明薄砂层对应于地震反射波谷同相轴，而厚砂层则对应于地震波峰反射同相轴，时频分析图上显示为明显的两段式。这说明该时频分析不能反应由薄砂层到厚砂层的连续变化特征。要避免此类陷阱，必须将地震主频调整为最厚砂层的调谐频率。
(6)在解释不同层序中各种规模的沉积体系时，应选用不同的频率组合。不同频率有各自不同的最佳预测范围。利用振幅信息进行岩性解释时并非是频率越高越好。最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率(调谐频率)。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据研究区域目的层段的地质特征、声波速度和密度特征，建立楔状地质模型和反射系数模型，分析砂岩厚度与地震振幅的关系；所述地质特征包括：岩层的地震波波长λ；
通过所述楔状地质模型，将相应的反射系数模型与不同主频的Ricker子波进行反褶积处理，沿砂岩顶面提取振幅信息，得到不同频率的调谐厚度和不同厚度砂岩层的调谐频率分布特征；
根据不同相位下地震极性与岩性的对应关系，得到薄层砂岩的分布特征；将90°相位50HZRicker子波与反射系数褶积得到90°相位地震响应模型，当砂岩厚度大于地震波波长时，砂岩顶面沿波峰和波谷拐点分布，地震波形与砂岩顶面成反对称形态，当砂岩厚度小于地震波波长时，砂岩顶面偏离拐点，薄砂岩层大致与地震反射波谷同相轴对应，则在90°相位合成记录的地震极性与岩性具有对应关系，即地震波波谷同相轴对应砂岩，能够利用地震同相轴预测岩性展布；
沿90°相位50HZ Ricker子波楔状地震模型砂岩中心线进行5-200HZ时频分析，当薄砂层<λ/4时，对应于地震反射波谷同相轴，而厚砂层>λ/4时,对应于地震反射波峰同相轴，时频分析图上显示为两段式,此时，需要将地震主频调整为最厚砂岩层的调谐频率。
2.根据权利要求1所述的利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，其特征在于，当砂岩厚度大于所述地震波波长λ时，来自砂岩顶、底面的地震反射相互分离，不会叠加产生地震叠加干涉，沿砂岩顶面的地震波峰振幅保持恒定，地震波形与砂岩顶、底面对称，能够通过砂岩顶、底面波峰、波谷反射之间的时差确定砂岩厚度；当砂岩厚度小于λ/4时，利用砂岩顶面的地震反射振幅值来确定砂岩厚度。
3.根据权利要求2所述的利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，其特征在于，基于地震反射特征，定义地震意义上的薄层厚度小于λ/4，来自薄层的地震反射振幅Ad≈4πAb/λ，其中，b为薄层厚度，λ为地震波波长，A为顶、底无干涉时的振幅。
4.根据权利要求2所述的利用地震正演模拟研究薄层致密砂岩分布的方法，其特征在于，若所述调谐频率变化，则说明砂体连续分布，若所述调谐频率具有突变现象，则说明砂体厚度有变化，若所述调谐频率成断续或斑状分布，则表明砂体不连续。
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