Time-frequency analysis method of fusing sequence stratigraphy identifies favorable sand bodies: taking Weizhou A tectonic lake bottom fan as an example

Qi LUO; Ming LI; ShiZhuo HUANG; LiBo JIAO

doi:10.6038/pg2024HH0392

2024 , Vol. 39 >Issue 5: 2090 - 2098

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0392

Time-frequency analysis method of fusing sequence stratigraphy identifies favorable sand bodies: taking Weizhou A tectonic lake bottom fan as an example

Qi LUO ,
Ming LI ,
ShiZhuo HUANG ,
LiBo JIAO

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Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang 524057, China

Received date: 2023-11-03

Online published: 2024-12-19

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Abstract

Aimed at the complicated situations faced by oil-gas exploration, such as small size of traps and fast geological sedimentary phase transitions.It is urgent to research by insufficient seismic resolution, time-frequency analysis technology can be used to focus fine seismic signals in the time and frequency domains, in order to improve the accuracy of identifying small oil-gas targets. On the basis of explaining the principle of time-frequency analysis technology and organically combining it with sequence stratigraphy analysis, this article establishes the directionality and response intensity of the energy cluster of favorable sand bodies in the lake bottom fan with frequency changes, and reveals the differences in time-frequency characteristics caused by changes in lithology, physical properties, or pore fluid properties of the sand bodies in the lake bottom fan. The research results show that based on the frequency response distribution characteristics of the lake bottom fan, using time-frequency analysis technology to analogize the instantaneous frequency change characteristics of sweet spots in each lobe of the A lake bottom fan in Weizhou that can reflect the dominant frequency change pattern of favorable sand bodies in the lake bottom fan, and can qualitatively predict the lithological combination information of sweet spots in each lobe reservoir of the lake bottom fan. In addition, it can reduced the ambiguity of lithological interpretation of sweet spots in the lobe, which provided technical supports for the discovery of favorable sandstones and oil-gas development.

Key words： Time-frequency analysis; Small oil and gas targets; Sequence stratigraphy; Spectral variation; Lithologic prediction

Cite this article

Qi LUO , Ming LI , ShiZhuo HUANG , LiBo JIAO . Time-frequency analysis method of fusing sequence stratigraphy identifies favorable sand bodies: taking Weizhou A tectonic lake bottom fan as an example[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(5) : 2090 -2098 . DOI: 10.6038/pg2024HH0392

0 引言

随着勘探开发程度的不断深化，地震振幅信息已经不能满足油气目标精细识别的要求，迫切需要从频率域角度来获得隐藏在三维地震资料内的地质信息.时频分析技术作为快速提取地震频率信息的一种手段，能够提供地震信号在时间域和频率域联合分布信息，在油气识别中发挥了重要的作用(张洪茂等，2023；杨登锋等，2021；夏连军等，2023).时频特征是地震频率对岩性、厚度、流体性质等地质信息的综合响应，即不同的频率成分可表征不同厚度和规模的地层.由此可见，在一定的沉积环境下，时频变化可以反映岩性组合的结构信息，不同的岩性组合方式，对应着不同的时频特征变化规律.而且地球物理工作者利用频率响应特征研究岩性组合结构在业界引起了的广泛关注.朱秋影等(2017)基于时频分析技术开展了依拉克构造的砂体精细预测，不仅获得了高产工业气流，而且还证实了预测方法的有效性；刘苗(2011)根据研究区主极值频率曲线与伽马曲线对比，揭示储层及含油气性对应较好的优势频率体，从而进行了井点的精细岩性预测；汪瑞良等(2017)构建楔形砂体模型剖析薄砂储层的时域和频域反射特征，发展了利用时频谱分量来指示砂体尖灭点位置的方法，收到了较好的效果；杨子川等(2017)利用匹配追踪时频分析技术在塔河油田桑塔木三维工区奥陶系碳酸岩盐储层开展储层预测工作，预测结果与实钻数据吻合率为89.7%, 证实可以在相似储层类型区推广应用.总之，大量的研究结果与应用实践表明，利用时频变化与岩性组合的内在联系预测有利砂体为小型目标储层预测开辟了一条新途径.为此，本文首次在层序地层学的基础上利用时频分析技术挖掘湖底扇有利砂体的优势频率变化规律，根据频谱随时间、频率变化的方向性及能量强弱等方面综合寻找涠洲A湖底扇的有利砂体甜点的分布位置，为钻探提供直观的技术支持.

1 研究区概况

涠洲A构造湖底扇位于涠西南凹陷B洼流一段，是重力流成因的储集体.研究表明，涠洲A构造落实的湖底扇朵叶体，是始新世晚期发育的高位域陆源湖相沉积体，它们具有“多源汇聚”的特点(徐长贵的龚承林，2023).由于流一段烃源岩生烃潜力好，成熟度高，为湖底扇储集体直接供源，具备“源内成藏”的优越成藏条件，勘探潜力巨大.

2021年，本区相继钻探了A12113d、A12110d、A112E11三口井，其中A12113d井在流一段钻遇油层71.1 m，实现了新领域突破，但是其余两口井均未钻遇良好储层，揭示了湖底扇储层的非均质性强，横向变化快的特点.而且三口钻井的地震相特征相似，岩性却差异大，单纯依靠地震的反射特征难以实现湖底扇甜点目标的储层预测，迫切需要新方法、新思路寻找甜点储层(罗红梅等，2022)，指导该区湖底扇目标的勘探部署.

2 时频分析技术预测有利砂体

为了克服时间域的振幅信息难以精细表征小型地质体的局限性，时频分析提供了一项利用数学变换将地震资料从时间域转换到频率域，并用时间和频率的联合函数来分析信号的技术方法.它不仅对信号的特性和结构反演较全面，还能去除干扰噪声，有效地减少了有利砂体预测的多解性.

2.1 匹配追踪时频分析算法

目前，时频分析方法主要有短时傅里叶变换、连续小波变换、广义S变换以及匹配追踪算法等.通过频谱分解算法的优选发现，短时傅里叶变换使用固定时窗，不适合分析非平稳地震信号；小波变换和广义S变换虽然克服短时傅里叶变换固定时窗的缺陷，但它们都属于线性算子，受测不准准则的制约(张洪茂等，2023；黄捍东等，2012)，无法同时获得高时间分辨率和高频率分辨率(杨子川等，2017)；但匹配追踪算法(MPD)能够克服以上算法的问题，具有更好的时频分辨率.它是一种基于投影追踪、逐步递推的小波算法.把地震道分解为一系列到达时间不同、振幅各异的地震子波，并对一系列分解出的子波进行时频分析，叠合它们的频谱即可得到原来地震道频谱.其核心是利用基函数建立完备的原子库，表示为：

其中，m_γk为每一次迭代提取的最匹配原子，无量纲；γ_k={τ_k, f_k, ϕ_k, β_k}，τ_k、f_k、ϕ_k、β_k分别为第k个原子的中心时间，主频，相位和衰减因子.其次，对实际地震道自适应分解后，得到地震道最大振幅包络对应的时间、瞬时频率、瞬时相位作为匹配原子的初始τ_k、f_k、ϕ_k值，并可以表示成有限个子波的线性组合，该算法的频率与能量可以随时间和空间的变化而变化，也可以对子波进行人为定义，把每个被分解出来的子波成分再次定义为原子.匹配原子经过n次迭代后，地震信号表示为式(2)，第n次迭代的残差为：

式中：a_n为振幅，无量纲；E^(N)f为残差，无量纲.在求取最匹配原子m_γk及其振幅a_n中，要使||E^(N+1)f||²达到最小即可.

为了检验上述时频分析方法的优劣，设计了人工合成信号进行不同算法的差异性分析.如图 1所示，短时傅里叶变换的每个子波变换形成的能量团所占面积都很大，说明了该变换算法分辨率较低，转换后的时频分辨率也较差.而匹配追踪算法所得到的每个时频谱信号的能量团都非常集中，证明它有非常好的时频分辨率.总的来说，短时傅里叶变换、小波变换、S变换和匹配追踪算法，在时间、频率分辨率及信号能量的保存上是逐渐增强的.本文应用的匹配追踪时频分析技术是由最优的时频原子匹配信号的结构和特征(张洪茂等，2023)，对有利砂体识别具有重要意义.

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图1 人工合成记录不同时频算法时频分布图

Fig 1 Artificial synthesis records time-frequency distribution maps of different time-frequency algorithms

2.2 已钻井有利砂体的时频分析

调研资料(沈野和蒋黎，2012；吴淑玉等，2017)表明，时频变化是可以反映岩性组合的结构信息的.不同的岩性组合方式对应着不同的时频特征变化规律，其特征描述的关键指标有起始频率、主频、频宽和低频能量团(起始频率到主频的能量)等，其中低频能量团的变化规律是最为重要的指标.

因此，以精细的时深关系为基础，扫描不同钻井地震道的时间偏移地震资料，对目的层段地层进行了时频分析.从图 2可以看出，A12113d、A112E11、A12W1井在流一段上层序(T80~T81)均表现为中、强振幅，中连续的的地震相特征，难以识别岩性.但在时频谱剖面上却可以初步总结3个特征.首先，3口井的湖底扇边界均出现了能量团，在一定程度上指示了沉积环境的变化，代表了岩性变化的边界.其次，A112E11井在湖底扇发育层段虽然出现了能量团，但是该低频能量团强度偏弱，其岩性是以干层为主的砂岩，分析后认为可能是物性较差引起的；A12113d井湖底扇内的厚层砂岩不仅存在低频能量团，而且能量相对增强的变化明显，分析后认为是地震波通过含油气储层时，地震的反射振幅衰减加快，高频成分被吸收，就会在时频域表现为频率成分的变化及振幅能量的快速变化.最后，A12W1井湖底扇内解释为厚层泥岩，但是没有出现能量团现象，从一个侧面说明了在湖底扇发育层段，低频能量团的出现是指示砂体发育的一个显著特征.实践证明，可以利用时频分析剖面的根据能量团随时间的变化，以及其能量随频率变化的方向性等特征来进行有利砂体预测.

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图2 过湖底扇A12W1~A12113d~A112E11井连井测线时频谱分析

Fig 2 Spectral analysis of well logging lines from A12W1 to A12113d to A112E11 across the sublacustrine fan

3 湖底扇甜点储层频率域特征

3.1 层序地层学约束下时频分析技术优势

上述研究表明，湖底扇的地震响应特征较为杂乱，振幅异常体轮廓不清晰，很难反映沉积砂体横向展布及空间变化，在砂体追踪时往往遇到不确信的时候.若能在三维地震解释中找到两个相邻的储层构造相对等时面(层位)，建立足够精细的层序等时格架，就可有效地应用层序地层学理论与解释方法(凌云等，2021)，获得两个等时界面间的古地貌，古物源、局域沉积中心等重要沉积信息，达到识别有利砂体性质的目的.相比常规的分析手段，它的优势主要有两个方面：(1)时频分析在等时层序格架中进行，研究对象是对应的沉积旋回的频率变化，可以有效的提高生储盖预测的准确性；(2)在判别砂体性质时，在相同的沉积环境下横向对比能量团的变化特征，保证了时频分析技术的地质意义.

3.2 基于层序地层学的湖底扇甜点储层频率域特征

本文的时频分析研究是在流一段上层序T80~T81的等时地层格架内展开，湖底扇及其周缘的4口钻井参与了时频分析.基于层序地层学原理，以搭建湖底扇过井任意测线研究为基础，进行地震频率域特征的精细描述，并结合瞬时主频，瞬时频带等属性进行综合研究，总结了已钻目标岩性组合更精细的时频变化规律.如图 3所示，涠洲A湖底扇流一段能量谱团自下而上整体表现为低频~高频~低频有序移动的反射特征，属于水进~水退型的沉积旋回特点；其次，时频谱周期性特征与砂组韵律呈现较好的对应关系；最后，在湖底扇发育的同一沉积层序旋回体内，砂岩频率域响应相对于准层序界面(湖底扇的顶、底面)表现为主频偏低，频带宽，低频能量增强的特点；若砂体含油气后，砂体低频反射能量再增强, 主频相对再降低；而泥岩频率域响应相对准层序界面(湖底扇的顶、底面)表现为主频偏高，能量弱的特点.

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图3 过湖底扇钻井的连井测线时频谱分析

Fig 3 Spectral analysis of connected well logging lines for drilling through lake bottom fans

在精细、统一的层序地层格架内，进一步横向对比测井岩性和时频旋回的对应关系，得到以下两点认识：(1)湖底扇流一段油层主频较低，频带较宽，低频能量团增强；泥岩的主频偏高，频带较窄，低频能量同样增强；砂泥互层段的频谱特征分为两种，若砂岩百分含量低，砂泥互层段的主频偏高，频带较宽，低频能量弱；若砂岩百分含量高的砂泥互层段，其主频偏低，频带较窄，低频能量团减弱，如表 1所示，不同岩性组合间的频率信息是不同的.这种差异成为了利用地震时频特征推测储层性质或流体性质的桥梁; (2)湖底扇的顶、底界面在时间域频率剖面上是有低频能量团响应的，这是预测点与已钻井对比分析的前提；若时频分析剖面上不具备湖底扇顶底面的能量团相应，则可能沉积环境发生了变化，不具备相同沉积环境下横向对比的可靠保证.这是时频分析技术预测新的砂岩甜点方法的基础.

表1 湖底扇钻井时频特征与岩性信息分析表

Table 1 Analysis of time-frequency characteristics and lithological information of drilling in the lake bottom fan

井名	湖底扇发育的测井油气解释	纵向能量团变化	岩性组合
			砂岩发育段			砂泥互层段(砂岩百分含量低)			砂泥互层段(砂岩百分含量高)			泥岩发育段
			主频	频带	低频能量	主频	频带	低频能量	主频	频带	低频能量	主频	频带	低频能量
A12110d	油水同层，差油	低频~高频~低频				偏高	宽	偏弱
A12113d	油层	低频~高频~低频	偏低	宽	强
A121W1	泥岩	低频~高频~低频										偏高	宽	减弱
A112E11	油水同层，干层	低频~高频~低频							偏低	窄	减弱

3.3 实例应用及效果分析

综上所述，层序地层学约束下的时频特征规律分析为地震反射数据的解释提供了新的思路.虽然时频变化特征与地层构造不会是一种简单的、唯一的对应关系，但它仍不失为一种有用的信息.因此，除了综合测井和大量地质分析资料外，还必须挖掘有利砂体的其他信息特征(韩双，2021；倪长宽等，2022).

(1) 优选属性刻画湖底扇

地震属性优选分析是湖底扇刻画的基本前提，也是有利砂体预测的基础.目前，以涠西南A构造流一段上层序为顶底面，做了一系列等时剖分的地层切片.依据地震属性平面特征与钻井储层之间的对应关系，从融合了瞬时频率和相干特征的地震属性中发现，等时地层切片从频率和连续性两方面呈现了湖底扇砂体的沉积演化分布，最终获得了湖底扇的朵叶体频率分布特征，如图 4所示.

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图4 过湖底扇瞬时频率与相干属性融合的等时切片

Fig 4 Isochronous slicing of instantaneous frequency and coherent properties fusion of the sublacustrine fan

(2) 时频分析预测甜点岩性

尽管优选的地震属性异常区代表了有利砂体发育区，但是钻井多次证实，振幅的强弱并不是表征有利砂体发育的直接敏感信息，说明了强振幅既可能代表水层，也可能对应干层，甚至泥岩.因此，本文利用时频分析技术快速、直观地识别振幅异常区岩性，进一步排除振幅陷阱是有必要的.

为了对涠洲A构造的有利砂体做出进一步预测，以湖底扇属性优选和时频特征分析成果为基础，提取了经过主要朵叶体主体部位，并且反射强度有变化的测线(垂直物源方向的测线1，顺物源方向的测线2，图 5)对湖底扇振幅异常区进行识别.首先在时频分析剖面上确定湖底扇顶底面的位置，其次在湖底扇发育区间判断能量团相对于顶底界面能量团的变化规律.如图 6所示，测线1剖面表明：朵叶2，在湖底扇发育处出现低频能量，主频相对偏低现象，且能量团相对湖底扇顶底界面向左偏移预测砂岩发育，推测可能含油气；朵叶3，湖底扇发育处整体能量弱，预测无砂岩发育；朵叶4，纵向沉积旋回特点有变化，在湖底扇发育处整体能量弱，预测砂岩不发育；如图 7所示，测线2剖面表明朵叶1在湖底扇发育处出现低频能量较强，主频相对偏低现象，且能量团相对湖底扇顶底界面向左偏移，中强能量反应，预测砂岩发育概率较高，含油气概率较高；朵叶5在湖底扇发育处整体能量弱，预测砂岩不发育.总而言之，在有利朵叶目标的基础上继续利用时频分析技术剔除可疑甜点储层，实现有利砂体甜点的准确识别.

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图5 过湖底扇朵叶体反射强度属性变化测线分布图

Fig 5 Distribution map of profile measurement lines for changes in reflection intensity attributes of fan leaves passing through the sublacustrine fan

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图6 过湖底扇朵叶体测线1的时频分析图

Fig 6 Time frequency analysis diagram of the fan blade body passing through the sublacustrine fan, line 1

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图7 过湖底扇朵叶体测线2的时频分析图

Fig 7 Time frequency analysis diagram of the fan blade body passing through the sublacustrine fan, line 2

(3) 实际应用效果对比分析

将上述技术方法应用于涠洲A构造湖底扇地震相特征相似的可疑甜点预测中，效果是明显的.首先，对于A1241D井和A11E14d井相继钻探，若按照常规的分析手段发现，井点处不仅最大反射振幅属性异常特征明显，均方根阻抗属性上响应异常，而且钻井湖底扇发育处也出现了低频能量团响应，但它们都未能取得预期的成功.于是，我们以精细层序地层学约束下的时频分析手段去检验可以发现：这俩口失利的钻井的频率响应特征相对于成功的钻井A12113d的频率特征变化还存在着明显的差别.第一，A1241D井有利砂体的能量团并没有相对于湖底扇顶、底面响应的能量团相对向左移动，根据上述的研究成果，预测目的层是砂岩的概率较低或者物性极差；另一口钻井A11E14d的低频能量团虽然相对于湖底扇顶、底的能量团相对向左移动，但其能量团的响应能量较湖底扇边界的响应能量偏低，上述结论认为该处的物性较差，为低砂岩百分含量的砂泥互层岩性概率较高，如图 8所示.由此可见，基于层序地层学的时频分析技术预测不仅是行之有效的，而且预测结果与钻井结果吻合，表明了该技术手段在涠洲A构造湖底扇区有较强的可靠性.

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图8 层序地层学约束下的时频分析技术应用效果分析

Fig 8 Analysis of the application effect of time-frequency analysis technology under the constraint of sequence stratigraphy

最后综合整个时频分析预测的成果认为，以朵叶体1的优势属性发育区为基础，寻找到了湖底扇砂岩发育区E点的能量团不仅相对顶底面的能量团向左移动，而且它响应的能量较湖底扇边界的响应能量强，并且该点井旁道2400 ms处有明显的高频衰减特征，在相同的沉积环境下，分析这种衰减很有可能是储层含油造成的，为下一步有利的勘探目标.

4 结论与认识

(1) 在等时格架的约束下，湖底扇的时频变化规律特征具有可对比性与有效性，并且具有一定的地质意义.

(2) 在湖底扇有效岩性预测中，时频谱能量团相对湖底扇顶底界面向右偏移代表泥岩含量增加；反之，时频谱向左偏移代表砂岩含量增加，越向右偏岩性越粗.时频谱向左代表砂岩含量增加，但是能量并不是越强越好，中能量响应代表物性较好的砂岩.

(3) 针对埋藏深、隐蔽性强的湖底扇有效岩性预测，时频分析技术在等时格架下的分析预测在一定程度上克服地震资料分辨率不足的问题，突出湖底扇有利岩性体在频率域上的响应特征，具有一定的规律性，为储层预测增加了一项有效的技术支撑.该方法也成为湖底扇隐蔽岩性体识别的一种新思路，拓展了传统储层预测的理论.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within

Han

. Application of seismic multi-attributes analysis in identifying sand bodies from Yingcheng Formation in Xuxi area. Global Geology, 2021, 40(3 721 727

Huang

H D

, Guo

, Wang

J B

. High precision seismic time-frequency spectrum decomposition method and its application. Oil Geophysical Exploration Prospecting, 2012, 47(5): 773-780.

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0 引言

1 研究区概况

2 时频分析技术预测有利砂体

2.1 匹配追踪时频分析算法

图1 人工合成记录不同时频算法时频分布图

2.2 已钻井有利砂体的时频分析

图2 过湖底扇A12W1~A12113d~A112E11井连井测线时频谱分析

3 湖底扇甜点储层频率域特征

3.1 层序地层学约束下时频分析技术优势

3.2 基于层序地层学的湖底扇甜点储层频率域特征

图3 过湖底扇钻井的连井测线时频谱分析

表1 湖底扇钻井时频特征与岩性信息分析表

3.3 实例应用及效果分析

图4 过湖底扇瞬时频率与相干属性融合的等时切片

图5 过湖底扇朵叶体反射强度属性变化测线分布图

图6 过湖底扇朵叶体测线1的时频分析图

图7 过湖底扇朵叶体测线2的时频分析图

图8 层序地层学约束下的时频分析技术应用效果分析

4 结论与认识

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