CN113848586A - 一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，属于地震勘探领域；是基于介质的比例波长因子构建地震地质模型，使复合反射波相位、振幅特征研究无需考虑子波频率影响，在此基础上，利用多重循环嵌套实现模型中所有介质厚度的连续等步长变化，进一步建立反射系数序列和合成地震记录数据库，从而实现薄互层构型形成的复合反射波的干涉特征变化的系统性研究。

Description

一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法

技术领域

本发明属于地震勘探技术领域，具体为一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法及系统。

背景技术

目前对于薄互层模型的构建多基于地层的真实厚度，且往往针对某个或某类地质问题构建地震地质模型，复合反射波的相位及振幅特征受子波频率的影响，因此通过正演得到的振幅及相位特征的变化规律仅适用于特定主频和厚度的地震数据，得到的正演结论在实际应用中具有较强的局限性，普适性较差。在陆相复杂砂及煤系地层背景下，各薄层地震反射波发生复杂干涉，反射波的干涉调谐效应使地震波频率、相位、振幅等发生复杂变化，其变化规律受介质层数、厚度及其组合关系、速度和密度等多种因素的影响，此时传统针对特定地质现象构建的地震地质模型难以全面了解复合反射特征的变化规律，对于反射波干涉特征的理论研究借以意义不强。对于薄互层复合反射波振幅、相位等特征变化规律的研究多基于具体特例，借鉴意义不强。

目前，针对特定地质现象构建的模型主要有如下几种：为研究煤层分岔、剥蚀、尖灭等现象构建的一层煤厚度不变，另一层煤由厚变薄的模型(董守华等，2004)；为研究薄煤层地震响应特征构建的砂泥岩背景下单层煤的变厚度模型(张铁强等，2013)；为实现砂泥岩薄互层模型背景下砂岩厚度的计算构建的多种砂、泥岩薄互层模型，例如：砂岩层数不变，每一层的厚度均由薄到厚同步变化，同时砂岩间的楔形泥岩夹层厚度也随之发生变化的多变量同步变化模型(刘力辉等，2017；王延光等，2020；尹继尧等，2015)；为研究砂泥岩薄互层的地震反射波的振幅、频率、时频特征和AVO特征，构建的相同砂岩厚度不同砂地、相同砂地比不同的砂岩层数或砂岩厚度、厚度相同的等厚薄互层等多类砂泥岩薄互层模型(李昭伟等，2018；刘立彬等，2019；李雪英等，2013)；为研究砂体构型，砂泥岩组合关系及流体变化等与地震属性的关系，构建的具有一定厚度、不同形态，不同叠置状态、不同流体类型的薄互层模型(王红等，2015)；为研究砂岩薄互层的调谐规律构建的不同层数、总厚度的砂泥岩薄互层模型(徐伟慕等，2013；黄文锋等，2012)。

总体来看，目前对于正演模型的构建多以介质的真实厚度为基础，并综合子波的频率和波长进行讨论，得到的地震响应变化规律仍然只适用特定主频和厚度范围的地震数据，结论普适应较差。除此之外，由于模型的构建仅针对某一种或几种地质现象，正演之后得到的振幅、相位等特征的变化规律多为定性规律，对于其随地层厚度、间距组合关系的变化规律缺乏系统完整的认识。究其原因是所构建的模型均基于介质的深度域厚度，代表性、系统性不强，不足以全面研究复合反射波的变化特征。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，包括以下步骤：

S1、根据式(1)确定介质的比例波长因子k：

式中：h为介质的深度域实际厚度；v为介质的层速度；f_p为雷克子波的峰值频率；λ_p＝v/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主波长；△t＝h/v为介质的时间域厚度；T_p＝1/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主周期。

S2、构建水平层状均匀介质模型：所述水平层状均匀介质模型包括顶部和底部背景层，最大层数为N，其中第一层和最后一层为背景层，其时间厚度值为常量，其余的N-2层为目标层系，确定每层介质的层速度及密度，各层的厚度以比例波长因子k。

S3、构建N-2层嵌套的多层循环，通过给定步长△k、fp值以及各层比例波长因子的最大值kmax(i)，建立由比例波长因子k_i表征的且k_i值作等步长递增变化的反射系数序列数据库。

多重循环的总嵌套层数为N-1，表示为i，i＝2,…N-1；每一重循环结构定义一层介质的多个时间厚度，变化范围为0～kmax(i)，时间厚度递增的步长为△k/f_p。

每层i循环对应第i层介质，该层循环执行次数为M_i-j＝kmax(i)/△k+1次，j为整数；每执行一次计算一个时间厚度△t_i，且每执行一次，△t_i的递增量均为△k/f_p；计算第i层介质与其下伏之间界面的反射系数r_i。

在第N-1层即最内层循环中，每执行一次，均可以通过计算得到一个包括N-2个界面的反射系数序列，将顶部背景层的时间厚度常量的2倍即2△t₁加到上述数列中的每个时间厚度上，并且将(2△t₁，r₁)放在R(t)的首位，完成一个包括N-1个界面的N层介质模型的完整反射系数序列R(t)的构建。

S4、计算零相位雷克子波，对零相位雷克子波离散化处理，对离散信号作一维褶积运算得到褶积正演地震记录模型道。

S5、执行完成所有内外层循环后，共计可计算得到M_1-j×M_2-j×...M_i-j×...M_(N-1)-j个模型道S(t)，进一步作希尔伯特变换得到90°相移后的模型道数据，形成模型道数据库。

S6、基于所述模型道数据库，给定分析时窗，计算正、负特征相位数，制作干涉类型量板，判识不同结构薄互层的干涉类型。

进一步的，S2中，不同频率条件下背景层均不会与其相邻介质层发生干涉反射的条件下给定时间厚度值。

进一步的，S3中，多重循环的执行顺序为由外到内，对应的介质层顺序为由上至下；最内层循环每执行一次，完成一个模型道对应的反射系数序列的构建；直到最内层和最外层循环均执行完毕。

进一步的，S3中，时间厚度△t_i，计算方法为式(2)：

Δt_i＝k_ij/f_p＝j(i)×Δk/f_p j(i)＝0,1,2,....M_i-j-1 (2)

式中：j(i)为第i层的循环变量；k_ij为第i层执行第j(i)次计算得到的比例波长因子；该层循环完成后共可以得到M_i-j个时间厚度值△t_i，且每执行一次，△t_i的递增量均为△k/f_p。

进一步的，S3中，第i层介质与其下伏之间界面的反射系数r_i；

式中：v_i为第i介质的层速度；ρ_i为第i层介质的密度；v_i+1为第i层介质下伏介质层的层速度；ρ_i+1为第i层介质下伏介质层的密度；将介质的层号、r_i和每一个△t_ij值组合，可以得到一个集合{i,△t_i，r_i}，其中共M_i-j+1组数据对。

进一步的，S3中，第一层的双程旅行时均从0时刻起算，反射系数序列用式(4)所示顺序排列的离散数列：

{(2Δt₂,r₂),(2Δt₂+2Δt₃,r₂),...(2Δt₂+2Δt₃+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₂+2Δt₃...+2Δt_N-1,r_N-1)} (4)

包括N-1个界面的N层介质模型的完整反射系数序列R(t)用式(5)构建：

R(t)＝{(2Δt₁,r₁),(2Δt₁+2Δt₂,r₂),...(2Δt₁+2Δt₂+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₁+2Δt₂...+2Δt_N-1,r_N-1)}

(5)

进一步的，S4中，按式(6)计算零相位雷克子波，进一步给定采样间隔dt，对零相位雷克子波离散化处理得到W(t)；

W(t)＝[1-2(πf_pt)²]exp[-(πf_pt)²] (6)

同样的，对R(t)也按采样间隔dt进行采样；

对两个离散信号作一维褶积运算得到一个褶积正演地震记录模型道S(t)

S(t)＝W(t)*R(t) (7)。

进一步的，S5中，模型道数据库的建立具体为：记录该模型道对应的每一层介质的层号和比例波长因子值，并进行存储，最终形成一个可以用介质的层顺序号及其比例波长因子值进行数据检索、剖面显示和数据解释分析的数据库。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

本发明通过地层比例波长因子参数构建模型，与传统采用深度域或时间域绝对厚度构建的模型，其主要优点在于：当模型中各层介质的比例波长因子k及相邻层声阻抗关系固定的前提下，根据时间尺度同步变换前后的两个信号褶积运算性质，不同峰值频率雷克子波得到的两个合成人工地震记录在时间域表现为等比例的拉伸或压缩，两个记录的相位数相同且对应相位处的振幅值相同。这样，在后续对复合信号进行分析时仅需要考虑比例波长因子k及其组合关系的变化，忽略正演中所用雷克子波的频率变化。

本发明通过构建地层的比例波长因子使正演结果适用于不同主频的地震数据，适用性更强，且计算简单，效率高。进一步通过多重循环嵌套设计自动完成薄互层介质厚度结构的复杂变化，可以对反射波的复杂干涉特征进行系统完整地描述。对于复合反射信号的振幅、相位特征理论研究的指导意义更强，且特别适合于煤层尖灭、分岔以及砂体构形变化等地质问题的应用研究。

附图说明

图1是本发明基于比例波长因子参数的模型构建方法流程图。

图2是实施例两煤层和中间一个夹层组成的三层目标介质以及上、下背景层组成的5层介质模型示例，其中上下煤层的比例波长因子固定，分别为1/8，1/16，夹层的比例波长因子范围为0-1/4，并呈等步长递增变化；该图为采用20Hz、45Hz、70Hz三种不同主频的雷克子波分别褶积而后合成的三个地震记录及其振幅、相位特征；其中图2中(a)为主频20hz条件下的地震合成记录全貌及其局部放大图(b)、第一波谷相位的振幅(c)；图2中(d)为主频45hz条件下的地震合成记录全貌及其局部放大图(e)、第一波谷波谷相位振幅(f)；图2中(g)主频70hz条件下的地震合成记录全貌及其局部放大图(h)、第一波谷波谷相位振幅(i)；可以发现：三个模拟记录随着频率的增加呈固定比例压缩特征，且波峰与波谷相位个数相同，对应的波峰和波谷相位上的幅值也相同。

图3是实施例中5层介质模型中出现的3种干涉类型示意图。

图4是实施例干涉类型判识图版；其中(a)为复合单波谷干涉类型对应的判识图版；(b)为复合双波谷干涉类型对应的判识图版；对于0-1/4范围内的任意k_c1、k_c2、和0-1范围内的任意k_s值组合所对应的模型，均可以由图4a和图4b快速判识两煤层反射波干涉类型的变化。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

一种基于介质比例波长因子的地震地质模型构建及数据分析方法，包括以下步骤：

S1、定义介质的比例波长因子。对于均匀层状介质模型中任一层介质，当任意一个峰值频率为f_p的雷克子波在介质中传播时，该介质的比例波长因子k与该介质的深度域厚度、时间域厚度和主波长、主周期的关系由式(1)定义并计算，且k值范围介于0-1，代表介质深度域厚度与雷克子波在该介质中传播时主波长的比值。

式中：h为介质的深度域实际厚度；v为介质的层速度；f_p为雷克子波的峰值频率；λ_p＝v/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主波长；△t＝h/v为介质的时间域厚度；T_p＝1/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主周期。

S2、定义一个包括顶部和底部背景层的水平层状均匀介质模型，限定最大层数为N，其中第一层和最后一层为背景层，其时间厚度为常量，给定其时间厚度值时须确保在不同频率条件下背景层均不会与其相邻介质层发生干涉反射。其余的N-2层为目标层系，并根据所研究的岩性、物性的变化特征给定每层介质的层速度及密度，各层的厚度以比例波长因子k定义，并在后续的模型构建过程中每一层的层速度及密度值均不再改变。

S3、利用计算机设计一个N-2层嵌套的多层循环，通过给定步长△k、fp值以及各层比例波长因子的最大值kmax(i)(薄互层模型的kmax(i)值一般介于0.25-0.5)，建立由比例波长因子k_i表征的且k_i值作等步长递增变化的反射系数序列数据库。为满足正演计算和数据分析的精度要求，△k/fp值一般应小于等于0.001。

多重循环的总嵌套层数为N-1，表示为i，i＝2,…N-1；每一重循环结构定义一层介质的多个时间厚度，变化范围为0～kmax(i)，时间厚度递增的步长为△k/f_p。多重循环执行顺序为由外到内，对应的介质层顺序为由上至下；最内层循环每执行一次，完成一个模型道对应的反射系数序列的构建；直到最内层和最外层循环均执行完比，整个反射系数序列构建结束并存储于计算机中。

每层i循环对应第i层介质，该层循环执行次数为M_i-j＝kmax(i)/△k+1次，j为整数。每执行一次计算一个时间厚度△t_i，具体计算方法为：

式中：j(i)为第i层的循环变量；k_ij为第i层执行第j(i)次计算得到的比例波长因子；该层循环完成后共可以得到M_i-j个时间厚度值△t_i，且每执行一次，△t_i的递增量均为△k/f_p。

进一步，采用式(3)计算第i层介质与其下伏之间界面的反射系数r_i；

式中：v_i为第i介质的层速度；ρ_i为第i层介质的密度；v_i+1为第i层介质下伏介质层的层速度；ρ_i+1为第i层介质下伏介质层的密度；将介质的层号、r_i和每一个△t_ij值组合，可以得到一个集合{i,△t_i，r_i}，其中共M_i-j+1组数据对。

进一步的，在第N-1层即最内层循环中，每执行一次，均可以通过计算得到一个包括N-2个界面的反射系数序列，其中第一层的双程旅行时均从0时刻起算，这样一个反射序列可以表示为式(4)所示顺序排列的离散数列：

{(2Δt₂,r₂),(2Δt₂+2Δt₃,r₂),...(2Δt₂+2Δt₃+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₂+2Δt₃...+2Δt_N-1,r_N-1)} (4)

进一步的，将顶部背景层的时间厚度常量的2倍即2△t₁加到上述数列中的每个时间厚度上，并且将(2△t₁，r₁)放在R(t)的首位，r₁也由式(3)计算，从而完成式(5)表示的一个包括N-1个界面的N层介质模型的完整反射系数序列R(t)的构建；

R(t)＝{(2Δt₁,r₁),(2Δt₁+2Δt₂,r₂),...(2Δt₁+2Δt₂+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₁+2Δt₂...+2Δt_N-1,r_N-1)}

(5)

S4、按式(6)计算零相位雷克子波，进一步给定采样间隔dt，对90°相位的雷克子波离散化处理得到W(t)；

W(t)＝[1-2(πf_pt)²]exp[-(πf_pt)²] (6)

同样的，对R(t)也按采样间隔dt进行重新采样，dt的选择须满足采样定理；

进一步的对离散信号作一维褶积运算(式7)，可得到一个褶积正演地震记录模型道S(t)，

S(t)＝W(t)*R(t) (7)

将模型道S(t)及该模型道对应的每一层介质的层号和k_ij值均存储于计算机内，以便于检索和数据的提取与分析。

S5、执行完成所有内外层循环后，共计可计算得到M_1-j×M_2-j×...M_i-j×...M_(N-1)-j个模型道S(t)，进一步作希尔伯特变换得到90°相移后的模型道数据，并记录该模型道对应的每一层介质的层号和比例波长因子值，并进行存储，最终形成一个可以用介质的层顺序号及其比例波长因子值进行数据检索、剖面显示和解释分析的数据库。

S6、基于上述模型道数据库，给定分析时窗，计算正、负特征相位数，制作干涉类型量板，快速判识不同结构薄互层的干涉类型；给定分析的层数和各层对应比例波长因子值，利用交汇图方法分析正、负特征相位振幅随介质层数、比例波长因子及其组合关系变化的规律，进一步利用规律性认识对实际资料进行解释。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据式(1)确定介质的比例波长因子k：

式中：h为介质的深度域实际厚度；v为介质的层速度；f_p为雷克子波的峰值频率；λ_p＝v/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主波长；△t＝h/v为介质的时间域厚度；T_p＝1/f_p为雷克子波在层速度为v的介质中传播时的主周期；

S2、构建水平层状均匀介质模型：所述水平层状均匀介质模型包括顶部和底部背景层，最大层数为N，其中第一层和最后一层为背景层，其时间厚度值为常量，其余的N-2层为目标层系，确定每层介质的层速度及密度，各层的厚度以比例波长因子k；

S3、构建N-2层嵌套的多层循环，通过给定步长△k、fp值以及各层比例波长因子的最大值kmax(i)，建立由比例波长因子k_i表征的且k_i值作等步长递增变化的反射系数序列数据库；

多重循环的总嵌套层数为N-1，表示为i，i＝2,…N-1；每一重循环结构定义一层介质的多个时间厚度，变化范围为0～kmax(i)，时间厚度递增的步长为△k/f_p；

每层i循环对应第i层介质，该层循环执行次数为M_i-j＝kmax(i)/△k+1次，j为整数；每执行一次计算一个时间厚度△t_i，且每执行一次，△t_i的递增量均为△k/f_p；计算第i层介质与其下伏之间界面的反射系数r_i；

在第N-1层即最内层循环中，每执行一次，均可以通过计算得到一个包括N-2个界面的反射系数序列，将顶部背景层的时间厚度常量的2倍即2△t₁加到上述数列中的每个时间厚度上，并且将(2△t₁，r₁)放在R(t)的首位，完成一个包括N-1个界面的N层介质模型的完整反射系数序列R(t)的数据库构建；

S4、计算零相位雷克子波，对零相位雷克子波离散化处理，对离散信号作一维褶积运算得到褶积正演地震记录模型道；

S5、执行完成所有内外层循环后，共计可计算得到M_1-j×M_2-j×...M_i-j×...M_(N-1)-j个模型道S(t)，进一步作希尔伯特变换得到90°相移后的模型道数据，形成模型道数据库；

S6、基于所述模型道数据库，给定分析时窗，计算正、负特征相位数，制作干涉类型量板用于判识不同结构薄互层的干涉类型。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S2中，不同频率条件下背景层均不会与其相邻介质层发生干涉反射的条件下给定时间厚度值。

3.根据权利要求1所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S3中，多重循环的执行顺序为由外到内，对应的介质层顺序为由上至下；最内层循环每执行一次，完成一个模型道对应的反射系数序列的构建；直到最内层和最外层循环均执行完毕。

4.根据权利要求3所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S3中，时间厚度△t_i，计算方法为式(2)：

Δt_i＝k_ij/f_p＝j(i)×Δk/f_p j(i)＝0,1,2,....M_i-j-1 (2)

式中：j(i)为第i层的循环变量；k_ij为第i层执行第j(i)次计算得到的比例波长因子；该层循环完成后共可以得到M_i-j个时间厚度值△t_i，且每执行一次，△t_i的递增量均为△k/f_p。

5.根据权利要求4所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S3中，第i层介质与其下伏之间界面的反射系数r_i；

式中：v_i为第i介质的层速度；ρ_i为第i层介质的密度；v_i+1为第i层介质下伏介质层的层速度；ρ_i+1为第i层介质下伏介质层的密度；将介质的层号、r_i和每一个△t_ij值组合，可以得到一个集合{i,△t_i，r_i}，其中共M_i-j+1组数据对。

6.根据权利要求5所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S3中，第一层的双程旅行时均从0时刻起算，反射系数序列用式(4)所示顺序排列的离散数列：

{(2Δt₂,r₂),(2Δt₂+2Δt₃,r₂),...(2Δt₂+2Δt₃+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₂+2Δt₃...+2Δt_N-1,r_N-1)} (4)

包括N-1个界面的N层介质模型的完整反射系数序列R(t)用式(5)构建：

R(t)＝{(2Δt₁,r₁),(2Δt₁+2Δt₂,r₂),...(2Δt₁+2Δt₂+...+2Δt_i,r_i),...(2Δt₁+2Δt₂...+2Δt_N-1,r_N-1)} (5) 。

7.根据权利要求1所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S4中，按式(6)计算零相位雷克子波，进一步给定采样间隔dt，对零相位雷克子波离散化处理得到W(t)；

W(t)＝[1-2(πf_pt)²]exp[-(πf_pt)²] (6)

同样的，对R(t)也按采样间隔dt进行采样；

对两个离散信号作一维褶积运算得到一个褶积正演地震记录模型道S(t)

S(t)＝W(t)*R(t) (7)。

8.根据权利要求1所述的一种基于介质比例波长因子的薄互层储层构型建模方法，其特征在于，S5中，模型道数据库的建立具体为：记录该模型道对应的每一层介质的层号和比例波长因子值，并进行存储，最终形成一个可以用介质的层顺序号及其比例波长因子值进行数据检索、剖面显示和数据解释分析的数据库。

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