物探新方法新技术之九：地震相分析技术(SeismicFaciesAnalysis).doc

9 地震相分析技术9.1 绪论地震数据中包含着十分丰富的信息，可以从中提取一系列地震属性，这些属性可用来测定地震数据的几何学、动力学、运动学或统计学特征，有助于揭示隐含的地下异常。近年来，人们从地震数据中提取了越来越多的信息来进行常规的地震属性预测。基于属性参数的地震相分析技术，不但可用于大尺度的沉积相研究，更适合于小尺度的沉积亚相、微相研究以及储集层预测。在进行地层岩性解释过程中，普遍采用的波阻抗反演以及地震属性技术的确起到了不小的作用，但随着煤矿开发对地层岩性的要求不断增加，这两种技术已经在某些程度上满足不了实际生产的需要，对于地震属性分析方法来说，也已经意识到其本身主要存在以下两方面缺陷：(1) 所提取的属性不断增加，但是可以提供给用户进行处理解释的属性不多。(2) 缺少合适的方法对多种属性进行解释，其地质意义不明确。可以说，传统的地震属性丢失了两个基本信息，即地震信号的总体变化以及这种变化的分布规律。因此，很难给出井位处的地震信号变化的可靠评估，也就很难进行可靠的信息外推。在钻井资料比较少、横向变化较快的情况下多解性较强，很难准确性预测。波阻抗反演以及地震属性技术均无法评价地震信号的总体变化程度。但是，任何与地震波传播有关的物理参数变化都反映在地震道波形的变化中，可以使用样点值随时间的变化来刻画和衡量地震道波形变化。于是，基于波形的地震相分析技术便应运而生。一般而言，地震相分析技术忠实于地震信息本身，弥补了井约束反演的缺陷。相比较而言，基于波形的地震相分析技术较基于属性的地震相分析技术有独特的优势。基于属性的地震相分析技术利用某些对地质情况敏感的属性划分出与沉积相对应的地震相，但前提是这些属性存在，且确实敏感，而寻找这些敏感属性或属性组合往往比较困难和耗时；另外属性不能反映地震信号的总体变化，没有一个单一属性或几个属性的组合能够描述整个地震信号的非均匀性。基于波形的地震相分析技术综合利用了地震波的频率、相位、速度、能量等各种信息，是基于地震信号整体差异的分类，克服了上述缺陷，具有独特解决问题的能力。由CGG公司推出的Stratimagic地震地层解释系统，是一种有效地将地质知识应用于地震解释中的工具，并且给地质家提供了快速从三维地震数据中获得地质信息的能力。Stratimagic采用的是基于波形的地震相分析技术，其主要运用人工神经网络技术对地震属性及所反映的地质特征进行分析解释，可以实现地震道、多属性数据体以及变时窗/等时窗层段内的地震相自动划分以及与岩层物性的关系。沉积地层的任何物性参数的变化总是反映在地震道波形形状的变化上。Stratimagic的分类处理就是将地震数据样点值的变化转换成地震道形状的变化，道形状分类代表了地震信号的真实的横向异常。现阶段，我国的石油勘探部门已经大量引用此软件，可以很好地用于储层砂体和地层岩性油藏的预测。相对来说，在煤田地震勘探领域还未应用该项技术。9.2 地震道波形分类方法地震相分析是在地震道的波形特征的识别和分类的基础上进行的。地震道波形是地震响应参数(振幅、相位、频率等)的综合反映，因此，它的变化将直接影响到地震响应的各种参数的综合变化。基于这一原理，在地震相分析中对地震道波形形状的有效识别和准确分类对分析效果至关重要，分类方法如下：(1) 地震道形状的变化可定量的表述为从一个采样点到另一个采样点值得变化，也就是采样点波形是强负、负值、零、正值还是强正的变化。对分析层段内的每一个地震道进行样点间梯度变换，形成地震道梯度变化序列，如图91所示。图91 地震道梯度变化序列 (2) 对梯度序列进行归一化并进行自组织神经网络分析，建立能代表全区地震道形状变化的典型梯度序列，如图92所示。图92 新的梯度序列(3) 利用典型梯度序列，形成地震相分类的模型道，完成地震道形状的识别，如图93所示。图93 地震道形状的识别总之，用地震道波形对地震道进行分类，一方面将有助于减少用单一地震属性，如振幅、相位、频率等对相划分带来的多解性；另一方面还可引入合成地震记录曲线，参与到地震相分析中，进一步提高地震相分析的精度，有利于地震相划分和沉积环境的研究。9.3 Stratimagic地震地层解释系统9.3.1 工作流程Stratimagic地震地层解释系统的工作流程如图94所示，包括地震数据加载、建立工区、属性提取分析与地震相划分、地质综合解释。图94 Stratimagic 工作流程9.3.2 主要特点Stratimagic地震地层解释系统的主要特点如下：(1) 基于波形的地震相划分(Facies)，波形分类技术为地震相研究以及其它参数的分类研究提供了先进的技术手段。波形地震相分析技术采用了自组织神经网络算法对某一层间的地震数据道进行逐道对比分类，细致刻画地震信号的横向变化，从而得到与地质相对应的地震相图，并以此进行地层岩性的预测。(2) 层间属性(Interval Attributes)及异常反射识别，运用各种属性的结合等先进技术对复杂特殊地层现象进行识别追综，可提取沿层及层间的15大类30多种属性。提供了一个从面到体的解释方法，地震相波形分类将点上的波形分析引向到面上的波形分析，各种参数的分类技术为进行参数分析又提供了一种先进的技术手段。(3) 解释手段更新，如包络解释、反射终断解释、全三维解释功能(包括三维解释工具、三维自动追踪、任意三维数据体切片解释显示等)，缩短了解释周期。(4) 根据测井曲线可进行岩性参数的实时标定和交互模拟，并将这种标定模拟结果带回到Stratimagic里的地震相模型道中，建立起地震相分析与岩性模拟间的关系，从而将地震相分析的定性结果转换成岩性参数的定量结果。9.3.3 地震地层属性Stratimagic地震地层解释系统可提取沿层及层间的30多种属性，见表91。表91 地震地层属性参数分类表层间(段)属性层间(段)几何形状上边界、下边界和等厚度。振幅特征平均振幅、标准偏差、三阶偏差、四阶偏差。波峰、波谷特征波峰/波谷振幅、波峰与波谷振幅比、波峰/波谷频率。反射层极值特征正、负极值等值线、正、负极值振幅。累计振幅平均振幅累计、振幅累计比。沿层属性近反射层几何形状NRG(Near reflector Geometry)第一表面，信号约束的表面、表面差异。第一底面，信号约束的底面、底面差异。第一上下面，信号约束的上下面、上下面差异。沿层振幅、方位角、倾角、平均曲率和粗糙度。层间属性也称层段属性。层段就像等厚图一样，它是在两个参考界面间创建的一个地震体，或者包含一个界面的两个平行于该界面的参考边界定义的一个地震体。层段创建后，在数据体内该层段属性就可以计算出来。这些属性通常揭示了某些地质或沉积特征，而在垂直或水平振幅剖面上可能找不到这些特征。层段的定义分为两种：一是等厚层段，二是变厚度层段。等厚层段是参考于同一个反射层，在其上定义一个上、下边界。变厚度层段的上、下边界分别是不同的反射层，它的厚度是变化的。1层段几何图形通常用三种图来定义边界，分别是上边界图、下边界图和等厚度图。2振幅特征(1) 平均振幅图每道所有样点的平均绝对值。解释层段内的振幅异常，突出振幅大和小的地震道，仅只用于小的层段。(2) 标准偏差图每道所有样点绝对值的偏差。解释层段内振幅值变化强烈的区域，仅只适用于小的层段。(3) 三阶偏差图每道所有样点绝对值的三阶导数。显示出在一个比较厚的层段中，相对于一个小时窗来说振幅值变化比较大的位置，适用于大的层段。3波峰、波谷特征(1) 波峰/波谷振幅每道所有波峰/波谷的平均振幅值，突出层段内波峰/波谷的振幅异常。(2) 波峰与波谷振幅比每道的波峰与波谷的平均振幅比值。(3) 波峰/波谷频率波峰/波谷频率，在层段内正/负极性的样点数除以样点总数。突出层段内波峰/波谷的频率异常。4反射层极值特征(1) 正、负极值等值线层段中最强反射同相轴的时间位置。(2) 正、负极值振幅层段中最强反射同相轴的振幅值。9.3.4 地震相处理1地震相的概念地震相是指有一定分布空间的三维地震单元，它是特定沉积相或地质体的地震相应，其所包括的地震特征如反射结构、振幅、连续性、频率和层速度等与相邻单元不同。 地震相分析是地震地层学的核心，是根据地震资料来解释岩相和沉积环境。在识别出地震相单元以后，确定出它的边界，绘制地震相图，并通过地质、钻井、测井资料解释说明产生地震相特征的沉积特征。也就是说，是根据一系列地震反射特征确定地震相类型，并解释地震相所代表的沉积相和沉积环境。地震相与沉积相之间往往是对应的，但是这种对应并不是绝对的，有时某一地震相单元可能包括两种甚至两种以上的沉积相，反过来，某一沉积相也可能形成多种地震反射特征，造成这种现象的主要原因有以下几个方面：(1) 地震分辨率远远小于地质方法的分辨率，地震剖面上不能反映较细致的岩性、岩相变化。(2) 地震资料中存在非地质因素和非沉积因素的干扰。(3) 同一沉积相在不同地区或盆地的不同内部，由于区域地质背景和沉积条件的差异等，使同一沉积相的地震响应也不尽相同。2地震相参数地震相参数是识别地震相的标志。在地震相分析中，最常用的地震相参数包括内部反射结构、外部几何形态、连续性、振幅、频率、层速度等。地震相参数与响应的地质解释见表92。表92 地震相参数与相应的地质解释地震相参数地质解释内部反射结构总的岩层模式、物源方向沉积过程、侵蚀作用、古地理及流体界面外部形态总的沉积过程、物源方向、地质背景反射连续性地层连续性、沉积过程反射振幅地层岩性、地层厚度、地层结构、流体成分反射频率地层厚度、流体成分层速度岩性、孔隙度、流体成分3地震相划分Stratimagic的主要特征之一是地震相划分，使用人工神经网络技术，根据每个地震道的形状进行分类，也就是划分地震相。大多数情况下是按照地震道的形状进行分类，层段必须是一个等厚层段。地震数据体可以是振幅、相位、频率或者其它的地震属性体，如波阻抗或孔隙度等。Stratimagic地震相分析是在一个感兴趣的层段内估计地震信号的可变性，按照地震信号形状形成离散的“地震相”，并根据“拟合度”准则对地震道进行分类。地震相分类的主要步骤如下：(1) 创建一个地震相(2) 建立网络培训数据创建模型道模型道的数量是由用户预选指定的分类数。(3) 分类数与迭代次数分类是在具体的层段内部进行的，其分类数是指该层段内所遇到的地震道的种类数。通常，把层段厚度除以6作为第一次计算的分类数，把上次计算分类数的50%作为第二次计算的分类数，把第一次计算分类数的150%作为第三次计算的分类数。三次分类结果将给出一个清楚的展布。 (4) 分析模型道(5) 创建地震相图可以结合测井、钻井、地质等资料，对所划分的地震相赋予其地质含义。对于地震相异常区，可单独圈出其范围，对其实施进一步的地震相划分，结合测井、钻井、地质资料，对异常体内部进一步研究。图95是模型道窗口，给出9种地震相，每一种地震相用不同的颜色表示。在模型道窗口下部，红色曲线是控制曲线，理想状态下为一倾斜直线，代表地震相的均匀变化。绿色曲线表示模型道与任意地震道的拟合程度，最佳拟合为双曲线。图95 分类数目为9的地震模型道显示(6) 创建相关图在分类过程中，每个地震道与模型道进行比较，并把相关性最好的模型道的颜色和序号分配给那一个地震道。该图反映了相关系数分布规律。(7) 创建多属性的地震相图在一个层段内调查地震信号的变化性的另一种方法，它可以同时使用多个地震属性。该技术既可用于等厚层段，又可用于非等厚层段。正如按波形划分地震相那样，利用多属性进行地震相分析也使用人工神经网络。但是在多种属性分析中，使用聚类值来划分而不是使用波形。9.4 应用实例9.4.1 皖北卧龙湖煤矿圈定火成岩发育范围卧龙湖煤矿岩浆岩侵入现象较为严重，南一采区在2004年进行了三维地震勘探工作，但是利用常规手段无法圈定岩浆岩的分布范围，给生产带了很大的影响，因此圈定岩浆岩侵入边界显的尤为重要。表93是所获取钻孔揭露火成岩的信息。本次工作中，只对8煤层进行分析。表93 火成岩发育情况表井号7煤8煤10煤5-1侵入侵入侵入5-6侵入无侵入，但上部2m处见火成岩侵入6-3侵入部分焦化不详6-4侵入侵入不详6-11无焦化完好6-737-1侵入完好焦化完好完好完好7-2侵入部分侵入，部分焦化不详建立地震相的重点是模型道数目的确定，关系到沉积相的种类。本区沿8煤层向上开5ms，向下开30ms的时窗，先后分6类、8类和11类进行处理并分别成图，最后采纳了8类的分类结果。本区火成岩侵入煤层的情况分为三种：侵入、焦化和完好。于是首先将模型道分为3类进行分析，见图96。对照钻孔资料可以发现分类结果很差，甚至将有火成岩侵入区与煤层完好区分为一类。因此，3类结果不可靠，需要继续细分。第二步将火成岩侵入煤层的情况分为以下几类：完全侵入、部分侵入、焦化、部分焦化和完好，并将其分为6类，见图97。6类分析结果较3类分析结果要好，与大部分钻孔资料基本吻合。图97中，黑色表示完全侵入，褐色可以解释为部分侵入，蓝色为部分侵入，绿色为含煤区。因此认定蓝、绿色为可采煤层范围。6类分析结果较3类分析结果要好，但部分井的信息有些模糊。 图96 分类数目为3的地震相图 图97 分类数目为6的地震相图为了更好地突出局部异常，更加清新地展现火成岩发育强弱范围，决定在原来分类的基础之上继续划分，将窗口稍微加大，并分了8类模型道，形成的地震相图见图98。8类分析结果与井资料吻合程度要比6类的好。于是，试图继续细分，看结果是否能够更加清晰。图99为分类数目为11的地震相图。分类数目增多时，分辨率会提高，但是会掺杂进一些影响波形的因素导致信噪比降低。因此，不是分类数目越多越好。实际上，当分类数目过多时，会导致资料失真，无利用价值。 图98 分类数目为8的地震相图 图99 分类数目为11的地震相图9.4.2 陕西大佛寺煤矿4煤厚度变化预测以往对于煤层厚度的预测是利用钻孔资料进行内插外推，这种方法精度低，在横向地层变化剧烈的情况下，更无法达到实际效果。利用基于模型的地震反演方法，优点是可将垂向上高分辨率的测井资料与横向上连续分布的地震资料相结合，但是它却无法控制地震子波的空间变化，只能利用有限井点的地震子波代表整个工区的子波，反演结果精度还是受井数目的控制。Stratimagic同样是基于地震资料但是不受井资料的约束，能够在没有井的前提下得到地层横向变化的总体规律，是进行煤层厚度预测的比较合理的方法。本次工作的目的是预测4煤层厚度变化，表94给出了钻孔揭示的4煤层厚变化信息。 表94 4煤层厚度变化表井号4煤底板埋深4煤顶板埋深4煤厚度D10283.85270.7713.08D11390.1372.217.9D12375.29361.8713.42D13435.59424.5511.04D18505.43488.3917.04D19486.96485.111.85188435.4417.7317.67192406.78389.1417.64本区沿4煤层向上开15ms，向下开35ms的时