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地震数据相干体分析技术

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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1(感谢著作者:中油集团经济技术研究中心 汪红 李万平)地震数据相干体分析技术一、技术原理及主要技术内容相干处理不同于常规地震资料处理,它不是对反射波成像,而是通过分析波形的相似性对三维数据体的不连续性进行成像。多家公司均有相干处理的软件产品投放市场。由于各公司的优势技术不同,解决问题的出发点不尽相同,因此在相干处理过程中考虑的因素有所差异,相干处理的最终效果各有所长,但他们所采用的方法原理基本相同(图1)。 相干体技术主要利用互相关和相似性算法,再根据不同参数计算多种连续属性。当地质平面连续时,道和道之间有高的相关值或相似值,当地层不连续时,相关值或相似值出现低值异常。引起低值异常的原因可能有如下几种:①断层及其附近;②地层或岩性变化,特殊的沉积体系;③ 地层倾角比较大;④ 缺少反射;⑤数据质量差等。地震数据中有明显的垂直断层或波形扭曲变化时,一般会产生清晰可辨的低连续值窄带,在切片上能得到突出的反映。逐级的海进层序会产生广泛的中等连续值区,陡倾角地层而没有用倾角校正时会产生宽的低连续带。同样,数据质量差或缺少反射,也可以产生宽的低不连续带。对第一道,和相邻的 2、4 或 8 道作互相关,然后分析相关系数来确定连续性属性值,并把它分配给中心采样值。可以输出多种连续性属性值:①最大;②最小;③ 中值;④方差等。“最小”的方法是选取和相邻的道作互相关系数中的最小值作为中心采样值。这是用得最多的方法,这种方法有效地突出了数据中的不连续性,对分析断层和地层引起的低值异常最有用。 “最大”的方法是选取和相邻的道作互相关系数中的最大值作为中心采样值。 “中值”是选取和相邻的道作相互关系数中的中值作为中心采样值。还有“方差”等。除“最小”的方法外,其他方法都一定程度地存在着抹掉横向上剧烈变化的问题,对分析低相似值不利,没有用“最小”的方法效果好。实现步骤如下:①根据选择的模式和相邻的 2、4 或 8 道作互相关;②确定归一化的互相关值;③ 把归一化作为输入来计算连续性属性;④ 把计算的连续性属性分配到中心采样道;⑤沿道往下移动相关窗口重复处理来计算下一个采样的属性值。相干体计算公式为:其中:φ 是任何相邻道 G 和 H 在时间 t 和倾角 d 的计算的相关系数;N 是相关窗口内的采样数。二、应用条件及范围2从上面的计算公式可知,相干运算中的参数选取相干数据体处理效果好坏主要受两个参数影响,即参与相干计算的地震道数和选取的时窗大小。断层(尤其是大断层) 常产生多个相位(波组)的不连续;而地层边界引起的不连续一般较小 ,只涉及 2~3 个相位。如果适当地控制这两个参数,可为精细解释断层的组合及空间展布和作地层边界分析服务。为了分析这两个参数对处理结果的影响,文献[5]采用锁定时窗、改变道数和锁定道数、更改时窗的方法作对比试验。从断层成像清晰度和随机噪声压制程度看,参与计算的道数越多,平均效应越大,对随机噪声压制作用越大,大断层的成像越清晰;而相干道数减少,会提高对地层边界、小断层的分辨率。若将相干时窗大小看作是与地震波视周期 T 有关,则常规处理(频率20~50地震剖面中地震波视周期 T 约为 50相干时窗小于 T/2 时,由于相干时窗窄小,看不到一个完整的波峰或波谷,据此计算的相干数据往往反映的是噪声成分;而当相干时窗大于 3T/2 时,相干时窗大、视野宽,可见多个同相轴,据此计算的相干数据往往反映的是波组的不连续性,均衡了许多细小变化;时窗接近于 T,成像效果最好。即参数选用 9 道、50层和地层边界的成像效果均最佳。通过试验认为,当作反映与地层边界有关的相干性处理时,考虑到由于其引起频率的微小变化往往存在于随机噪声中,为获得这些信息,一般选择 3 道、50在作反映断层的相干性处理时 ,则要根据需要而定 ,对于大断层一般选择 9道、50~100断层则可适当地减少道数和缩小时窗。相干体数据来自三维数据体,因此首先要求地震资料的信噪比要高,同时建议相干性处理后,利用图像增强技术(如滤波等 )减少噪声,使成象更清晰。为了判别相干体中的不连续性是由断层还是由地层边界引起的,还需对研究区的地质背景、构造样式有所了解,单靠一种方法很难解决相干体中的多解性问题。文献[9]列举了应用地震相干数据体解释断层的局限性:(1)应用地震相干数据体进行断层的自动和半自动解释,首先要求地震资料的信噪比要高,否则无法利用不相干数据带进行断层解释。(2)不相干数据异常体可能代表小断层、小岩性异常体或灰岩缝洞等地质现象,所以应用地震相干数据体进行断层的自动和半自动解释时,要进行综合对比才能分辨清楚(3)地震相干数据体不是对所有的断层都能识别:①当垂直落差在一个视周期 T 或视周期的整数倍时,断在地震相干数据体上反而没有反映。由于垂直断层为地震波视周期的整数倍,会造成波峰连波峰,相干系数大,因而在地震相干数据剖面上,不相干数据带有断层处没有反映,这给断层的自动解释带来一定的困难。②相干数据体对大断层的倾斜断面反映不灵敏,这可能是受计算时窗短所限,还有可能是未作倾角扫描所致,这方面的工作有待深入研究。三、技术功能(技术指标)相干法是一种不连续性的拾取手段。根据波形的相似性,将三维地震反射数据体从其连续性过渡到数据体的不连续性,其良好性能表现在:1、识别平行于地层走向的断层常规振幅时间切片对研究垂直于地层走向的断层是有效的,但当断层平行于地层走向时,由于断层轮廓与层理的轮廓重叠在一起,很难看清断层。相干性计算压制横向一致的结构特征,有效地去掉层理的影响。因而,三维相干体可以揭示任意方向上的断层。2、提高解释效率和精度相干体技术不是基于传统的人工解释,而是客观真实地反映地震记录的内部情况,所以大大地减少了解释所用的时间,同时又显著地增强了效果。相干体技术可以根据不同的地区和情况设计特殊算法来满足不同的需求,比如可以沿着特殊的构造或沉积体系的走向,也可以针对构造特点设计特殊的算法来追踪复杂砂体的特征,比如储层的倾角和方位角。经过特殊处理的相干体,当用三维可视化方式显示时,可以直接“透视”到体内部,使断层和特殊的沉积体积的显示得到加强和突出,使解释结果更为可靠和快捷。33、对断层进行自动解释文献[9]指出,通过相干体数据自动获得的断层解释结果,与平面组合的可靠性约有60-70%的把握。并通过实践得知,在 66算时窗下,地震相干数据体上能反映垂直落差为 T/4-3T/4 的小断层。具体的步骤和功能如下:(1)地震相干数据体的动画浏览。在一个工区资料解释之前,首无在地震相干数据体上进行动一浏览,这种浏览可以沿主线测线(时间方向(开展小断层的调查,了解断层的空间分布。这项工作不需要进行地震反射层位的解释就可实现。这种断层的动画浏览,在常规的地震数据体上是实现不了的,这是它的最大优点。图 2 常规地震数据 3120幅时间切片(2)地震相干数据体时间切片的解释。这种解释打破了常规的解释思路,不需要先观察垂直剖面,对地震反射层位进行解释,也不需要考虑很多地质因素,只需在地震相干数据体的时间切片上对不相干数据带进行解释,这种切片对断层的反映灵敏、清晰、准确。图 3 地震相干数据体 3120间切片图 2 是 3120常规地震数据振幅时间切片。图 3 是 3120地震相干数据体时间切片,图中的白色条带为不相干数据,白色条带上的细线条为地震相干数据体时间切片的断层解释结果。在地震相干数据体时间切片上反映的众多小断层,在地震数据振幅时间切片是很难解释清楚的。即便是技术很高、经验丰很多的解释专家,在如图 2 的地震数据振幅时间切片上很难把断层解释清楚。而一般解释水平的解释员却可以如图 3 的地震相干数据体时间切片上轻松自如地完成断层的空间解释。图 4 3120震相干数据体时间切片与 3120规地震数据振幅时间切片叠合显示图 4 为把 3120震相干数据体时间切片的解释结果(图中的白色线条)覆盖显示在3120规地震数据振幅时间切片上,此图充分反映了地震相干数据体时间切片对小断层解释的极大优越性,即显示上的高分辨率和解释上的高效率。(3)对地震相干数据体进行立体解释。在这种立体显示中开展地震解释比单纯用地震相干数据体时间切片解释更直观,可以通过对不相干数据的横向和纵向(即空间)分布进行观察,使我们对地震相干数据体的解释更有把握。特别是对地震相干数据体进行任意切割显示时,解释员就会对某些地震相数据体时间切片上的不相干数据带的空间分布认识得更为确切,解释得更加合理。 (4)在垂直剖面上对地震相干数据体时间切片的解释结果进行检查验证。在以上地震相干数据体时间切片和地震相干数据体立体解释工作的基础上,再回到地震垂直剖面上,验证以上的断层解释是否合理,精细确认断层的位置。当把地震相干数据体时间切片解释的结果显示在垂直剖面上时,可以看出地震相干数据体时间切片的解释结果可以反映断层的位置。在此基础上,再根据地震相干数据体时间切片的解释结果,在垂直剖面上确定断层线。然后再把在垂直剖面上所解释的断层投影显示在地震相干数据体时间切片上,经过这样的反复验证,直到可靠地完成断层的解释工作。4、性能对比分析已证明的边界检测、瞬时相位切片、振幅切片等平面分析技术在解释断层、断层组合、地层上下接触关系上非常有用,但与相干切片相比仍存在一些不足之处[5]。41)边界检测技术和相干技术:边界检测技术是公认的适合检测小断层和研究断层平面组合的有用技术。但在复杂断块发育区(如逆冲断裂带), 这种解释技术也有其局限性 ;另外,它受层位解释精度影响也较大。2)振幅切片和相干切片:振幅切片是用于断层平面走向识别的常规技术。但因受地层走向影响,在识别平行或近平行地层走向的断层时较困难;而相干切片却能清楚地反映各种类型的断层,弥补了这一缺陷。3)瞬时相位切片和相干切片:瞬时相位是用来分析地层上、下接触关系的有利手段。对于资料品质好且地层较平缓的地区,瞬时相位切片和相干切片的功能相当;但在地层倾角较大地区的不整合面上,瞬时相位切片的效果不如相干切片四、研究进展相干体(术是在 1995 年 年会上,由阿莫科(油公司首先公布的用于描述断层和地层特征的一种解释性处理技术。在这次年会上共发表 7 篇论文,引起了地球物理勘探界的很大反响。目前有关相干体的报道,基本上是应用实例。相干体技术的出现,被视为三维地震领域里的革命,加深了对三维数据的地质理解。该项技术由相干技术公司(阿莫科油公司申请了美国专利。在我国,石油物探部门于 1996 年开始使用相干体技术,取得了较好的应用效果1995 年 5】首先全面系统地提出用相干数据体来解释断层和地层特征的三维地震不连续性。文献[7]. 996)应用海上三维相干数据体研究大地构造的扭曲运动。司将地震道分析技术应用于断裂系统的精细解释、复杂曲流河道预测、裂缝带预测等工作中。多家公司均有相干处理的软件产品投放市场。我国也在逐渐加大这方面的研究和推广力度,以完善全三维解释,表现在:文献[11]通过正演模拟技术,对已知地质模型进行地震响应记录的相干分析,验证了相干分析技术对识别断层和预测三维裂缝发育带的有效性;文献[6]指出,应用三维相干技术不仅可以得到三维相干数据体,而且可以得到地下任一深度处的倾角/方位角。这样应用三维相干技术不仅可以研究断层的平面展布及其细节特征,而且还可以利用计算相干数据体过程中所得到的地层倾角/方位角信息研究地貌和构造特征,为研究构造沉积演化体系提供了依据;文献[4] [9] [13]则致力于相干体的自动化解释研究,在算法改进、与可视化结合等方面改进相干体技术的应用效果。五、应用事例【实例 1】地震相干技术应用于特立尼达(Trinidad) 近岸三维地震调查(在此例中,相干切片是对经偏移的数据体用具特征构造相干算法获得。 )1、研究区概况1992 年初,阿莫科(Amoco)进行了 48 次复盖,面积大约 112 平方公里的三维地震调查。在相干计算之前,三维数据体经深度偏移,然后再转换成时间。调查区(图 5)在特立尼达东海岸外 40 公里,田东边水深 30 米处。脊以北东—南西向穿过该区。一系列北西—南东向扩张断层也将该区一分为二。被断层横切的 脊出现了碳氢圈闭。5图 5 研究区位置图图 6a、6b、6c显示了假设的成层模型在受到挤压时的结果。挤压力除了造成褶皱和背斜之外,有时也造成上拱地块(图 6b)和褶皱顶部的地堑。在有关的区域图上(图 5),这些挤压力方向为北西—南东向。在褶皱顶部较小规模的断层为北东—南西向,形成的 脊是同 南美板块运动有关的挤压的响应。如所 期望的, 脊垂直于 这些挤压力。图 6 (a)假设的挤压方向平行于挤压力(北西-南东)的平层模型。(b)假设由于挤压产生地层上拱的模型。 (C)假设由于挠曲产生地层下滑。图 7 (a)假设的扩张方向平行于扩张力(北东平层模型。(b)假设由于扩张力产生的地垒和地堑体系。图 7a和 7b显示了假设的扩张情况,地垒和地堑体系(图 7b)为这种典型扩张力。再者,在与此有关的图 5 上,这种扩张力方向为北东—南西向。图 5 上大规模的区域断层是哥伦比亚(地内沉积物加载和伴随的扩张力的直接结果。 2、区域构造分析 相干技术是波形之间相似性和连续性的定量测量。在下面的图中,较黑的6阴影代表低的相干性,较白的阴影代表较高的相干性。断层由于缺乏连续性,在相干切片上出现黑的线条或弯曲特征。图 8a为从相干体中提取的 1 000 毫秒处的相干切片,并显示了从地震资料中抽取的四条剖面(图 8b抽取的剖面AB行于区域挤压力。抽取的剖面CD行于扩张力。相干切片的视觉观察表明黑的线条特征与四条剖面上断层位置有关。脊在AB面上较易观察,为一具有 750 毫秒朝北西—南东向滚动的大背斜。根据AB面上背斜的特征定义了脊。由于挠曲,背斜顶端也存在最大应力,背斜顶端的应力导致断裂。并在A面上出现一典型下降地堑。这些断层为朝北西倾的正断层,其横向结构在图 8a的 1000 毫秒处相干切片上较易观察。B面(图 8)显示了由于挤压产生了一系列背斜。虽然该资料没有A面那样清楚,但在背斜顶端附近能检测到断裂。在AB面上资料质量变差,与剖面上部的浅层气有关。这一现象也显示在图 8dD面上。在对比上,这些横剖面的走向平行于扩张力,这样也平行于 脊。C面揭示了一系列与扩张有关的朝北东倾的正断层。D面也表明了与扩张有关的类似的断裂方向。图 8a中的 1000 毫秒处相干切片结合所有的横剖面信息,得出了具有挤压和扩张方向的断层模式的完整看法。图 8 (a)1000 毫升处相干切片,十字线表示ABCD剖面位置。 (b)A面(朝挤压方向) 。挤压力产生背斜,即 脊。 (c)B面。背斜也显现了受挤压而形成的 脊。 (d)C面(朝扩张方向) 。扩张力造成下滑阶梯状特征。 (e)D面(也朝扩张方向)显示了所产生的断层。图 9~12 给出了全部调查区内T0 时间分别为 600 毫秒、800 毫秒、1000毫秒和 1200 毫秒处的相干切片和经深度偏移的时间切片相比较的一个粗略的看法。在图 9a、10a、11a、12a 上,调查区的左上角由隐现的反射层,能辨认出脊。这种典型的隐现表明隆脊由北东向南西倾斜。在同一图中的时间切片上,一构造低正是北西向隆脊的证据。陪衬的相干切片(图9b、10b、11b、和 12b)指明了一系列穿过 脊的北西—南东向断层。这些扩张断层是朝北东倾的正断层。这些扩张断层横切一系列与形成脊的挤压力有关北东—南西向断层。通常,扩张和挤压断层在相干切片上比在时间切片上容易看到解释。7图 9(a)600 毫秒处时间切片和(b)相应的相干切片 图 10(a)800 毫秒处时间切片和 图 11(a)1000 毫秒处时间切片和 (b)相应的相干切片。 (b)相应的相干切片。图 12(a)200 毫秒处时间切片和(b)相应的相干切片。比较逐渐加深的相干切片表明断层复杂性随深度增加。单独的断块改变形状并走向东倾斜的断面朝东移动。600 毫秒处(图 9b)的相干切片逼真的显示了8一个小河道和与此有关的三角洲(相干切片中部以上),这些现象在偏移时间切片上不明显。在偏移和相干时间切片上,与这小河道有关的高振幅表明为浅层气聚集,时间切片中部的低反射系数带归结于浅层气聚集的阴影影响。 。1200 毫秒处(图 12b)时间切片显示了一块弱振幅和低相干值区。 3、区块 3 解释图 13a标出了全部调查区中区块 3 的位置。该区块位于调查区西部,大约9 平方英里。这区块特别令人感兴趣,因为它有一口新钻的井,其储量估计为 区气藏显示为强振幅,出现在相互垂直断层的交叉处。振幅和相干之间的关系使解释者能迅速查看一系列三维相干时间切片,并识别出相交断层处的潜在气藏。在相干时间切片上,实际气臧显示出高相干响应。断层显示为低相干的线状条带。这种时间切片信息上,强相干响应区被用来制定钻井决策。详细的作图和其后几个相干指示层的属性分析验证了稍后成功钻井证实的几个迭合气藏的存在。1995 年发现井大致位于 脊的构造顶部。图 13 (a)200 毫秒处相干切片,并标明了区块 3.(b)区块 3 放大的800 毫秒处相干切片。 (C)区块 3 放大的 1060 毫秒处相干切片。 (d)区块 3 放大的 1200 毫秒处相干切片。 (e)A-A ‘ 剖面。 (f)B-B ’剖面。注意,A-A ‘剖面上扩张特征,B-B ’剖面上挤压特征。图 13d的相干切片为该区块 1200 毫秒处的放大切片,揭示了在垂直方向上的复杂断裂系统。穿过北西—南东向断层的落差为北东向下倾。北东—南西向断层明显的朝北下倾,几条这样的断层表明为向相反方向倾。图 13b—c分别描述了区块 3 的 800 毫秒、1060 毫秒处的相干切片。这些图显示从浅部开始断裂的复杂性随深度增加。800 毫秒处的相干切片上强振幅同相轴(较亮的阴影)代表了浅层气藏。注意到在相交方向上相交断层走向上形成的气带。在 1060 毫秒相干切片上,弧形断块代表断块的大致构造结构。 “虫似的”黑带代表低相干区,这些通常与低反射率或浅层气下的抹杀带有关。图 113e 的两条横剖面。为便于参考两条剖面上都标出了相干切片的时间位置。横剖面A明北南断层的扩张性质。当我们向东9移动时,地层剖面穿过每个断块时变厚,横剖面B示了隆脊的挤压形态。在B面上出现了类似倒“V”的地垒断块,开始出现在 800 毫秒以下。当往下从 1060 毫秒到 1200 毫秒时,该断块展宽分离。在 800 毫秒处相干切片上,地层顶端位置紧靠AB面的相交处。对照两个先前的切片,1060毫秒处的相干切片表明断面被几乎一个原动力隔开。在 1200 毫秒处切片上,地垒的北部边界断层开始分叉。4、应用效果及效益复杂断块模型的精确详细的解释需要乏味的、费时的拾取。相干处理直接对资料进行,没有解释者的影响,因此促进了处理。另外从常规偏移切片和相干切片的比较表明,相干从三维调查区提取的有价值地质信息胜过常规切片。当地震横剖面同其他地震属性分析结合使用时,相干切片大大地促进勘探层的区域地质和地质的解释。【实例 2】以相干技术为基础的全三维地震解释在文昌构造的研究应用(见流程图)图 14 利用相干技术进行三维地震解释的新流程1、文昌 14 构造区构造特征文昌 14 构造区系指由文昌 14昌 14昌 8构造构成的被断层复杂化了的大背斜区域(图 15)。前人认为,其中的文昌 14造为受一条大断层控制的断背斜构造。相干处理分析结果表明,文昌 14 构造区断层复杂(图1016),对圈闭规模和油气运聚起着非常重要的作用;控制文昌 14造的是斜列的两条大断层,而不是一条大断层,原钻探的 位于 构造边缘(图 17)。钻探成功说明,文昌 14 构造区各构造的主体部位还有一定的勘探前景, 应予以重视。  图 15 文昌 14 构造区珠江组二段顶面构造图图 16 文昌 14 构造区球江组 图 17 利用相干技术落实断层后的文昌二段顶面顺层相干切片 14 构造区珠江组二段顶面等 昌 8造主断层研究文昌 8造是一直被人们看好的构造。钻探于 2 号断层下降盘滚动背斜高部位的 获得高产油流,而钻探于 2 号断层上升盘的 落空,相关资料只表明有油气运移的痕迹。图 18 显示了文昌 8造前期研究的断层特征和基本构造格局。经过高精度相干处理分析后发现,文昌 8造珠海组一段 油组地层在一定的地质时期内曾遭受过右行区域扭张应力的作用,1 号断层实际上是由数条雁行排列的小断层组成的断裂带(图 19),不能起封堵作用,构造形态也有所变化。这是造成 落空的主要原因。 11图 18 文昌 8造区珠海组一段Ⅱ油组项面构造图3、文昌 9造落实前人认为,文昌 9造的规模和形态受 南侧 3 条相互连接的断层控制,断层封堵条件良好。经过相干处理分析后发现,对文昌 9造起控制作用的 3 条断层在主力油层附近并未连接,而是相互错开的(图 20),高精度解释、演结果和钻探 落空均证实了这一图 20 文昌 9造珠海组二段顶面顺层相干切片点。因此,对文昌 9造形态、规模的认识以及对该构造的评价均需重新定位。4、应用效果1)相干处理分析技术非常实用,解决断层及特殊地质体边界等问题效果明显。该技术可应用于勘探和开发的全过程,是高级解释人员必须掌握的基本技术之一。2)按照全三维地震解释新思路,在相干体上直接解释断层, 地震反射层位以自动追踪解释为主,从而大大提高了解释工作效率和成果精度, 节约了勘探成本。3)与其它地球物理方法一样,相干处理也有一定的适用条件,决定其处理效果的主要因素是三维数据体品质,应用效果主要取决于相干处理分析成果与其它研究成果的结合程度。图 19 文昌 8造区珠海组一段Ⅱ 油组蝢 层相干切片12图 20 文昌 9造珠海组二段顶面顺层相干切片
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