匹配追踪旁瓣压制方法在四川盆地栖霞组储层识别中的应用

狄贵东 陈 康 冉 崎 龙 隆 梁 瀚 张 晨

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

0 引言

四川盆地乐山—龙女寺古隆起是一个受基底控制的巨型裙边状隆起，经历了多期的构造演化变形。其中在海西期泥盆纪至石炭纪，加里东古隆起整体处于隆升剥蚀状态，导致古隆起区中二叠统栖霞组滩相白云岩广泛分布[1-4]。近年来，在川中—川西地区的乐山—龙女寺古隆起斜坡区多口井在栖霞组发现薄层孔隙型白云岩气层，测试多井获得高产气流。其中，川西北部双鱼石构造风险探井双探1井，在栖霞组孔隙型白云岩气层测试获气87.6 104m3/d；川中高磨地区龙女寺构造磨溪31X1井栖霞组白云岩储层测试获气36.69 104m3/d；高石 18井在栖霞组白云岩层段测试获气41.74 104m3/d，展示出盆地中西部地区中二叠统良好的勘探前景，因此对中二叠统栖霞组储层的地震预测研究十分必要。但由于栖霞组滩相白云岩储层具有埋藏深、储层薄、地震反射受子波干涉调谐等特点，使得地震预测难度大。传统薄储层识别方法以频谱分析方法及谱反演方法为主要代表，其中，频谱分析方法在地震频带宽度不足以清晰识别谱峰和陷频变化规律时，对于分辨薄层仍存在困难，谱反演能够解决在小于调谐厚度时的薄层预测问题，同时具有不需要任何先验模型、反射系数的数学假设、层位约束，可用来分辨小于调谐厚度的薄层[5-11]， 但其时间寻优对设定的反射系数的个数具有很大的依赖性。而匹配追踪算法相对于常规谱反演算法，具有优越的自适应特征，对于薄层调谐效应更加敏感，可以大大提高求解反射系数的精度，并且抗噪能力也较强[12-15]。

本次研究成果形成一种压制子波旁瓣的储层预测技术方法，即首先通过匹配追踪旁瓣压制算法有效分解地震信号，得到地震反射系数，然后将地震反射系数与尖脉冲子波褶积，去除子波旁瓣的影响，得到反映栖霞组储层真实地震响应的地球物理资料，并将该方法成功应用于四川盆地深层碳酸盐岩储层预测中，刻画了环古隆起带栖霞组有利储层发育区，为下一步勘探开发奠定了良好的基础。

1 测井及地震响应特征

四川盆地中部地区栖霞组发育一套泥晶－亮晶生物（屑）灰岩夹晶粒白云岩，白云岩储层主要位于在栖霞组中下部，厚度5～30 m，测井响应特征表现为低自然伽马、低纵波速度、高密度特征（图1）。地震响应特征主要表现为“亮点反射”特征（图2）。伴随乐山—龙女寺古隆起的形成过程，栖霞组下伏地层速度结构表现出一定的差异性（图1）：在古隆起主体区，栖霞组下伏接触梁山组薄层泥岩及寒武系高速碳酸盐岩地层（以mx108井为代表），在古隆起外围区域，栖霞组下伏发育梁山组薄层泥岩及50～80 m奥陶系湄潭组页岩低降速带(以gs001-x28井、gs001-x32井为代表)，同处于该低降速带的gs001-H20井，在栖霞组未钻遇到白云岩储层，但在叠前时间偏移剖面上栖霞组仍能够表现出“亮点反射”的特征（图2）。研究表明，这类“假亮点反射”的形成与栖霞组下伏地层产生的子波旁瓣有关，在地震资料中如何有效去除该类反射，对于深层碳酸盐岩薄储层预测显得尤为重要。

2 模型正演

与栖霞组围岩相比，栖霞组白云岩储层具有相对较低的波阻抗，可以形成“亮点反射”，同时，由于栖霞组底部、梁山组及栖霞组下伏地层不同的速度结构，所产生的子波旁瓣也可能会对栖霞组储层的地震响应产生一定的影响。利用波动方程正演模拟方法，设计4个不同接触关系的楔状模型（图3），开展基于楔状模型的地震响应理论模型分析：模型1和模型2栖霞组白云岩储层发育段厚度由0～20 m逐渐增大，储层底界距栖霞组顶界距离分别为30 m和60 m，栖霞组底部只发育栖一段泥晶灰岩和梁山组泥页岩（图3a），模型3和模型4在模型2的基础上，梁山组下伏地层分别发育寒武系灰岩和奥陶系湄潭组页岩（图3a）。

模型中地层速度及密度参数设计如下：茅口组平均地层速度为5 100 m/s，密度为2.50 g/cm3；栖二段平均地层速度为6 400 m/s，密度为2.71 g/cm3；储层速度为5 800 m/s，密度为2.73 g/cm3；栖一段泥晶灰岩平均地层速度为5 500 m/s，密度为2.57 g/cm3；梁山组平均地层速度为4 000 m/s，密度为2.47 g/cm3；下伏寒武系石灰岩段速度为6 400 m/s，密度为2.71 g/cm3；奥陶系湄潭组页岩段平均地层速度为3 600 m/s，密度为2.47 g/cm3，褶积过程中选用30 Hz雷克子波。

1）若仅考虑图3a所设计的地层结构，模型中不发育储层，图3b为该地层结构不含储层的正演模型，可以看出，当发育栖一段15 m泥晶灰岩和梁山组10 m泥页岩时，在栖霞组内部可以形成“亮点反射”，说明栖霞组内部反射受到下部泥晶灰岩及梁山组低速层子波旁瓣的影响，同时，若如图3b所示的模型4，在梁山组下伏发育奥陶系湄潭组页岩时，栖霞组内部“亮点反射”相比模型1和模型2振幅能量加强，说明当奥陶系湄潭组页岩存在时，栖霞组内部反射也会受到湄潭组页岩子波旁瓣的影响产生中—强振幅。当梁山组下伏发育寒武系高速地层时（图3b模型3），由于高速地层的存在，反而使得栖一段和梁山组形成的子波旁瓣（图3b模型2）振幅能量削弱。

图1 过gs001-x28井 mx108井连井对比图

图2 过gs001-x28井 mx108井叠前时间偏移剖面图

2）图3c为考虑了楔状储层生成的正演模型，可以看出，当储层底部位置距栖霞组顶部10～30 m范围，栖一段及梁山组低速层能够对储层的地震响应形成调谐干涉，造成栖霞组内部亮点反射相对于图3b调谐增强，且储层响应相对于子波旁瓣位置偏上，同时茅口组底界波峰能量较图3b减弱。当储层底部位置距栖霞组顶部40～60 m范围，相对于模型1，栖一段及梁山组低速层形成的子波旁瓣与储层的地震响应叠加，造成振幅能量增强。

图3 基于模型的正演理论模型图

当梁山组下伏地层为奥陶系湄潭组页岩低速层时（图3c模型4），相对于模型2，地震振幅增强，栖一段泥晶灰岩、梁山组泥页岩、奥陶系页岩共同产生干涉，造成栖霞组储层地震响应调谐增强。而当梁山组下伏地层为寒武系石灰岩高速地层时（图3c模型3），相对于模型2和模型4，栖霞组内部反射受下伏地层子波旁瓣影响相对较小，且阳新统底波谷没有模型2和模型4波谷宽缓。

3 基于匹配追踪旁瓣压制技术

综上所述，由于栖一段泥晶灰岩、梁山组泥页岩、奥陶系页岩共同作用形成子波旁瓣调谐作用，通过“亮点反射”特征识别栖霞组储层存在很大的困难，而地震信号是一种复合谐波，通过压缩地震子波，或者去除地震波在地下传播过程中干涉、调谐等效应对地下地层的影响，拓宽有效地震信号的频带可以达到重组地震信号的目的[16-20]，在地震反Q滤波基础上，利用匹配追踪算法准确求取地震反射系数，高分辨率的反射系数可以区分储层和岩性界面，针对性地衰减岩性界面引起的强反射系数，并与弱旁瓣子波进行褶积就可得到消除界面强反射子波旁瓣干扰的高分辨率地震数据。这一过程中应加入基于修正岩性界面干扰测井数据的正演地震作为质控依据，避免进入地震处理储层识别误区，基本流程如图4所示：

图4 匹配追踪旁瓣压制技术流程图

3.1 匹配追踪的反射系数求取

匹配追踪是一种信号稀疏分解技术，它是将地震信号分解为与局部结构特征最相似的基元函数的线性组合，在此基元函数集合上进行稀疏分解，达到地震反射系数反演的目的。

地震信号的稀疏表达为：

其中 为第n次分解厚度残余量； 为基元函数。由式（1）对地震记录进行分解展开，用展开次数m或残余量 控制对f稀疏分解的迭代终止，最终 对应的单位脉冲信号的时刻即是反射系数的时间位置， 为反射系数的幅值。

当地层厚度大于λ/4调谐厚度时，反射系数较好的满足了稀疏假设条件,利用常规匹配追踪技术求取的地层反射系数的位置和幅值是正确的；但当地层厚度小于调谐厚度时，无法直接准确计算反射系数位置[21]。针对这种问题，假定薄层效应由N个反射系数引起 ，在调谐厚度内，假设在N个反射系数的可能位置，每个单一反射系数与子波褶积都可以得到一个时移波形a1,a2,,aN，将它们组合在一起可以构成一个矩阵A={a1,a2,,aN}，设这些时移子波对应的最优组合系数为C=[c1,c2,,cN]T，待逼近的一段地震道为F，C和F都为列向量，则最优系数组合可以由以下公式求取:

地震道F的最佳逼近为F=AC。选取所有扰动可能中反射系数与反射地震道相关性最好的结果作为该时刻真实反射系数组合情况，并把此反射系数组合与子波褶积的结果作为该时刻的基元函数。至此，将不同时刻的基元函数组合在一起，建立一个新的基元函数集合，应用匹配追踪技术便可以得到此稀疏假设条件下的稀疏反褶积结果（图5）。

3.2 技术应用

在理论模型研究的基础上，以四川盆地实际钻、测井资料为基础，开展相同反射系数、不同子波条件下白云岩储层的地震响应特征研究。从古隆起外围区—古隆起主体区过gs001-H33到mx19井连井阻抗正演模型。其中，位于古隆起外围区的gs001-H33、gs001-H20井在栖霞组分别钻遇10 m、0 m储层，古隆起核心部位的mx19、mx110井在栖霞组分别钻遇7 m、0 m储层（图6a）。

图6b及图6c分别为30 Hz雷克子波及尖脉冲子波褶积实际井上反射系数的结果，从图6b可以看出，在gs001-H33井到gs001-H20井所在的古隆起外围区，无论储层发育与否，栖霞组均可以产生“亮点反射”，且储层越发育，振幅能量越强，显然，储层响应受到下伏地层子波旁瓣的影响。而在这些区域加入尖脉冲子波之后（图6c），子波旁瓣造成的调谐效应能够予以有效的消除，此时栖霞区内部的“亮点反射”为储层真正的反射。同时，mx110井到mx19井所在的古隆起主体部位，栖霞组下部接触高速地层，从该正演结果可以看出，相对于古隆起外围区，这些区域子波旁瓣对上伏地层影响相对较小，与理论模型的结果较为吻合。而且，该正演模型进一步证实通过尖脉冲子波褶积实际反射系数能够有效区分储层与非储层。

图5 匹配追踪反射系数反演图

最后，在模型研究的基础上，基于实际反Q滤波地震资料，利用匹配追踪技术，得到消除子波旁瓣之后的地震反射系数，褶积尖脉冲子波，最终获得消除子波旁瓣之后的地震资料。如图7所示，为过gs001-x28到gs1井的原始地震剖面（图7a）和去子波旁瓣剖面（图7b）对比，其中，gs001-x32、gs1井分别在4 199.5～ 4 249.7 m、4 159.5～ 4 208.2 m发育10.4 m、4.3 m厚储层，gs001-x3井不发育储层。可以看出，由于消除了栖霞组下伏低速层子波旁瓣的影响，工区带状分布的亮点反射明显减弱，且剖面整体分辨率更高，储层展布特征更加明显，在储层发育部位，栖霞组白云岩储层在地震剖面上主要表现为“弱波峰反射”特征，而钻遇不发育储层的gs001-x3井，栖霞组井震对应情况也更加吻合。

图6 30 Hz雷克子波正演模拟结果及尖脉冲子波正演模拟结果图

4 推广前景

川中地区研究表明，在古隆起发育区，由于栖霞组下伏低降速带的存在，容易在栖霞组形成子波旁瓣，对栖霞组储层的地震响应形成调谐影响，且古隆起外围区影响程度比主体区严重，造成栖霞组储层反射存在“假亮点反射”，本研究方法提出的基于匹配追踪旁瓣压制技术能够有效地消除下伏地层形成的子波旁瓣对于栖霞组储层地震响应的影响，降低了储层识别的多解性，同时，该方法能够达到显著提高深层储集体的分辨能力的目的。将该技术从川中推广到川西地区得到的栖霞组储层平面分布图（图8），可以看出，栖霞组白云岩储层主要沿环古隆起带分布，古隆起斜坡带为栖霞组储层发育的有利场所，发育面积达5 230 km2，为下一步潜在的勘探开发目标区。本研究为深层碳酸盐岩储层预测提供了一条新的方法，具有广阔的推广前景。

图7 过gs001-x32 gs001-x3井原始地震剖面和去子波旁瓣剖面图

图8 四川盆地栖霞组去子波旁瓣储层平面分布图

5 结论

1）栖霞组内部储层地震反射受到下伏地层子波旁瓣叠加的影响，造成地震响应存在假象，古隆起外围区受到栖一段泥晶灰岩、梁山组泥页岩、奥陶系页岩共同产生干涉，造成栖霞组储层地震响应调谐增强，影响程度古隆起外围区大于古隆起主体区。基于匹配追踪旁瓣压制方法能够有效去除子波旁瓣对储层识别的影响，提高储层预测的可靠性。

2）基于匹配追踪旁瓣压制技术研究表明古隆起斜坡带为栖霞组储层发育的有利场所，栖霞组白云岩储层主要沿古隆起带分布，发育面积达5 230 km2，为下一步潜在的勘探开发目标区。