基于厚度约束的匹配追踪算法识别石灰岩顶界地层

高妍芳 李 闯 陈 军 李建海 杨 忠

1.中国石油勘探开发研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

基于厚度约束的匹配追踪算法识别石灰岩顶界地层

高妍芳1李 闯1陈 军1李建海2杨 忠2

1.中国石油勘探开发研究院西北分院 2.成都晶石石油科技有限公司

高妍芳等.基于厚度约束的匹配追踪算法识别石灰岩顶界地层.天然气工业，2016,36(12): 45-50.

塔里木盆地塔中地区奥陶纪石灰岩地层与泥岩地层界面有两种特殊的地质现象：①泥岩沉积期局部发育石灰岩，与下伏石灰岩沉积形成假连续沉积；②石灰岩顶不整合面发育岩溶储层，储层波阻抗与上覆泥岩地层相近。因此在地震记录上可能会出现“穿时”的地震响应特征而掩盖真实的储层信息和地层信息。为此，提出了基于厚度约束的匹配追踪算法，以挖掘出更多、更准确的地震信息去表征所要关注的地质体。首先将原始地震数据分解成不同频率的多个原子；然后以地质目标体厚度所对应的频率作为约束阈值，剔除分辨率低于地质目标体的低频原子，从剩余原子中筛选出最能体现地质目标体的原子来做地震重构；最后利用重构地震数据完成储层预测和石灰岩地层分布预测。该方法在R井区的实际应用中，重构的地震剖面还原了“串珠”顶部的真实位置，结合地震反演后成功识别出泥岩底部局部沉积的石灰岩地层，为地震解释方案的制定和探井深度设计提供了参考依据。

塔里木盆地中部 奥陶纪 石灰岩 泥岩 穿时 厚度约束 匹配追踪 地震重构 地震反演

塔里木盆地塔中北部斜坡带西部地区下古生界碳酸盐岩平均埋深达5 500 m，发育岩溶型储层和裂缝型储层[1-5]。奥陶系自下而上分别为良里塔格组石灰岩和桑塔木组泥岩，为平行不整合接触[6-8]。过去认为石灰岩与泥岩的接触面与地层界面具有一致性，即石灰岩顶界就是良里塔格组地层顶界[9]，由于石灰岩、泥岩界面的波阻抗差异大，故石灰岩顶界表现为强地震反射。但近年对地层的研究表明，塔中西部桑塔木组泥岩地层底部在局部地区也发育有石灰岩，导致石灰岩顶与地层界面一致性的观点被打破[10-11]；此外，在部分地区的石灰岩顶部也发育有岩溶储层和裂缝型储层，而地层信息和储层信息都被掩盖在强地震反射中。

针对以上两种地质现象，在地震信号主频和带宽已经固定的情况下，尝试从中挖掘出更多、更准确的信息去表征所要关注的地质体，提出了基于厚度约束的剩余信号匹配追踪法。首先通过对地震信号的分解和重构去表征碳酸盐岩顶界的储层响应，在此基础上结合地震反演识别出桑塔木组底部的石灰岩地层。应用该技术方法组合在塔中地区有效地识别出不同类型、不同级别的碳酸盐岩储层，并预测了桑塔木组底部石灰岩地层，一定程度上解释了实际生产中长期被困扰的问题。

1 基于厚度约束匹配追踪原理

地震能量包含了地层岩性信息、储层信息、流体信息，当储层信息或者流体信息很弱的时候，地层岩性信息就占据主导，此时只有“剥离”主要能量，才能表征我们预期的地质目标。解决问题的关键在于确定地质体对应的敏感频率段。匹配追踪算法在一定程度上改善了地震分辨率，但面临的主要问题是算法最优时未必效果最优，因而需要明确地质目标，使得匹配追踪算法重构的地震数据对期望的地质体是可分辨的。故提出基于厚度约束的剩余地震信号匹配追踪方法。地震信号的稀疏表达式如下：

式中s(t)表示带限地震信号；Rs(n)(t)表示匹配后的残余信号；n表示迭代的原子个数。原子是通过4个参数，即tj（延时）、fj（主频）、aj（相关系数）和φj（相位）来控制的[12-14]。

假设识别储层的最小频率为fmin，给定D={wk，k=1，2，…，k}，用来表示将地震拆分为由若干种岩性、不同厚度的储层和流体的原子库，将D分解为D1={wi,i=1, 2, …，i}和D2={wm,m=1, 2, …,m}2个原子库，D1中每个原子反应特定分辨率的储层，从中选出若干对地震进行重构，每个原子均满足fmin≥fi；D2中的原子表示分辨率较低的地震岩性背景，满足fmin＜fm，且满足||wk||=1、||wi||=1。将D向量扩展成N维Hilbert空间。对于任意地震信号s(t)，从D1中寻找与其最匹配的原子，而D2中所有的原子叠加作为约束阀值，满足如下匹配条件：

为了确保地震重构时每次选取的原子都能包含需要被关注的储层和流体信息，用Rs(i)(t)表示投影值和信号的差值，该差值中必须始终包含被剥离的地层岩性背景信息s'(t)，用R's(i)(t)表示剩余信号残差，则满足：

经过第一次算法迭代后重构的地震信号可以表示成：

将式（5）带入式（4）：

显然原始地震信号s(t)和地层岩性背景信号s'(t)是定值，因此式（6）可以写为：

选择的全部n个原子，第n次残差能量与第n+1次残差能量满足关系式：

最终信号被分解为最优重构地震信号、迭代残差噪音与需要剥离的地层岩性信号：

MP算法是通过迭代扫描整个函数集合的数学算法，利用地层岩性信号s'(t)作为阀值对MP算法地震原子函数集合做了约束从而获得对储层可分辨的重构地震数据，重构所用的地震信号全部为向量D1中的原子[15-16]。

2 模型分析

为了进一步说明改进后的技术效果，设计了相应的地质模型（图1-b）进行验证。模型背景为泥岩层，其内的地震波传播速度设计为4 000 m/s。设计2套石灰岩地层，第1套石灰岩地层厚度为100 m，地震波传播速度为6 000 m/s，并将其作为标识层；设计泥岩隔层厚度为30 m；第2套石灰岩为岩溶储层，设计厚度为30 m，声波传速度为4 500 m/s。从正演结果（图1-a）来看，标识层顶界与波峰最大值对应，而第2套石灰岩岩溶储层的顶界面由于受到标识层底界反射的调谐影响，其地震反射界面与地质模型的界面不一致，具有一定误差。因此，针对第2套岩溶储层选取合理的处理时窗，利用本文算法进行地震重构获得了新地震数据体（图1-c），岩溶储层顶界的地震波峰最大值与地层界面具有较好的匹配关系，消除了调谐引起的误差，说明该算法具有较高的可靠性与精确性。

图1 地质模型正演与地震重构剖面对比图

图2 R井区地层接触关系示意图

3 实际地震资料应用

R井区位于塔里木盆地塔中北部斜坡区，发育奥陶系碳酸盐岩岩溶风化壳储层（图2）。地层埋深较大，地震信号主频相对较低。奥陶系碳酸盐岩上腹地层桑塔木组，岩性为灰质泥岩，其中局部古构造高部位由于水体能量相对较强，发育层状泥质石灰岩。

由于地层地震波传播速度的差异，在地震剖面上，泥岩与石灰岩接触面表现为“强波峰”地震反射特征，而该区石灰岩岩溶储层的地震响应特征为“串珠”状。对于在石灰岩顶界发育的小规模岩溶储层，由于调谐效应导致地层横向变化信息被隐藏在强地震反射波形中。而分布在灰泥岩地层底部的泥质石灰岩与下伏石灰岩地层形成“连续沉积”的模式，在地震上无法准确识别良里塔格组顶界地层。因此本区要解决2个问题：①弱地震响应的碳酸盐岩储层预测；②速度相近但沉积时期不同的石灰岩地层识别。黑色虚线表示可能从地震剖面上解释出来的石灰岩顶界，它是“穿时”的（图2）。

3.1弱地震响应的石灰岩顶界储层识别

R井区的地质模型表现为：高速地层的顶部分布有薄的次高速地层，上覆相对低速地层。因此其对应的地震反射界面为强波峰地震响应，地震纵向分辨率低。为了获得重构地震的剩余地震信号阀值，首先对石灰岩顶部发育的储层厚度以及泥岩底部的石灰岩厚度进行了统计分析，得知储层发育区的平均石灰岩厚度为17 m，而钻井钻遇的泥岩底部石灰岩平均厚度约为20 m，地震分辨频率为25 Hz。由于实际地震信号主频为22 Hz，最终将25 Hz作为筛选原子的阀值，利用Hilbert空间中大于25 Hz的原子参与地震重构，重构后的地震数据将提高石灰岩顶界的薄层识别率。地震横向分辨率一般由地震道间距以及信噪比共同决定，对于某种特定的地质体，在其敏感地震频段，相对信噪比最高，将非敏感频段的地震信号作为“噪音”予以剔除，此时横向的储层与地层识别率将得到提高。

在与实际地震剖面对比（图3）中可以看出，石灰岩顶界地震反射的原始特征为连续强反射，通过剩余信号匹配追踪方法来重构地震信号后，分辨率明显提高。以CDP736附近的“串珠”为例，图3-a中可辨识的“串珠”顶位于强地震反射之下。地震重构后（图3-b）强地震反射的横向层状反射变为不连续状反射， CDP736附近的“串珠”与分解后的块状反射组成新的串珠，改变了“串珠”顶部位置。根据朱仕军等[17]研究表明，“串珠”顶与岩溶储层顶界具有对应关系。因此准确识别储层顶界对设计探井井深具有重要意义。对比平面特征，图4-a地震属性表现为片状，地震重构后横向分辨率明显提高，具有多个“串珠”状地震反射目标。

3.2桑塔木组泥岩底部的石灰岩识别

在重构地震数据体基础上，利用基于褶积模型的井震联合反演[17-18]预测桑塔木底部的石灰岩地层分布。模型反演方法是以地震数据作为正演目标，利用原始的井数据和地震解释成果建立初始模型，用重构的地震数据作为迭代目标，对良里塔格组顶界面进行识别。重构后的地震数据发生改变。因此相邻地震道原有的横向连续性会被打破。原有地震强反射的横向连续性会受到桑塔木底部石灰岩沉积地层厚度变化的影响，造成相邻地震道振幅能量以及相位的差异。正是基于这样的差异，可以采用基于褶积模型的地震反演来计算石灰岩顶界的强反射系数，从而获得真实的岩性界面。从反演对比效果来看，ZH2井与Z1H井在桑塔木组发育的石灰岩与单井统计厚度吻合较好，Z7井与T6井风化壳岩溶预测结果与单井统计厚度吻合较好（表1）。原始地震反演的岩性界面是沿强反射界面的最大波峰拾取的包络面（图5-a），重构地震反演结果后，石灰岩与碎屑岩的岩性界面不再是沿着原来地震拾取最大波峰处[19]，而是在该界面附近渐变和穿越（图5-b）。通过实钻结果标定，该界面之上的高阻抗即为泥岩底部的石灰岩沉积。

图3 剩余地震信号匹配追踪与原始地震剖面对比图

图4 剩余地震信号匹配追踪与原始地震平面图对比图

表1 单井储层及岩性厚度统计表

图5 剩余地震信号匹配追踪反演剖面效果对比图

4 结论

1）调谐效应石灰岩顶界的强反射界面掩盖了地层横向变化的信息，通过厚度约束匹配追踪法对地震数据进行重构，改善了石灰岩顶界的横向分辨率，还原了“串珠”状反射完整的形态，为设计井准确钻遇储层顶提供参考信息。

2）基于褶积模型的井震联合反演将重构地震数据转化为岩性信息，反演结果显示岩性界面不再沿最大波峰拾取，而是在该界面附近渐变和穿越，为识别泥岩底部的石灰岩沉积提供参考依据。

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（修改回稿日期 2016-10-31 编 辑陈 玲）

Carbonate reservoir top boundary layer identification based on thickness-restricted matching pursuit algorithm

Gao Yanfang1, Li Chuang1, Chen Jun1, Li Jianhai1, Yang Zhong2
(1.Northwest Branch of PetroChina Petroleum Exploration & Development Research Institute, Lanzhou Gansu, 730020, China; 2.Chengdu Crystal Petroleum Technology Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.45-50, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

There are two peculiar geological phenomena in the interface between an Ordovician carbonate reservoir and clastic rock strata in the central Tarim Basin: limestone is developed locally in the period of shale deposition presenting paracontinuity with the underlying limestone deposition; karst carbonate reservoirs develop on the unconformity surface of limestone top layers, and the reservoir impedance is similar to that of those overlying shale layers. That's why "diachronism" may occur in the seismic record, which covers the actual reservoir and strata information. For this reason, the residual signal matching pursuit algorithm was proposed based on thickness restriction to explore much more accurate seismic information for the characterization of geological bodies. First, the original seismic data were decomposed into many atoms with different frequencies as the constraint to the thickness of the geological body. Then, the decomposed low-frequency atoms were rejected with their resolution ratio lower than the geological body, while the top-class atoms were screened from the left characterizing the geological body to make seismic signal reconstruction. Finally, the re-obtained seismic data were applied to predict the reservoirs and limestone strata distribution. From the re-constructed seismic profile in the practical application of this method in R well area, the real location of the top of "string beads" was revivified, and in combination with the seismic inversion, the carbonate reservoirs deposited partly at the bottom of mudstones were successfully identified. This method provides evidence for further seismic data interpretation planning and exploratory well depth designing.

The central Tarim Basin; Ordovician; Carbonate; Mudstone; Diachronism; Thickness restriction; Matching pursuit; Seismic signal reconstruction; Seismic inversion

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.006

“十三五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：2016ZX05004-003）。

高妍芳，女，1985年生，工程师，硕士；主要从事地震反演方法的研究工作。地址：（730022）甘肃省兰州市城关区雁儿湾路525号。电话：（0931）8686128。ORCID: 0000-0001-5375-9270。E-mail: gaoyanf@petrochina.com.cn