张晓华，张训华，吴志强，孙运宝，郭兴伟

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室， 山东 青岛 266061; 3.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071；4.中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016)



谱分解在南黄海中部隆起中-古生界储层预测中的应用

张晓华1，2，3，张训华2，4，吴志强2，3*，孙运宝2，3，郭兴伟2，3

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室， 山东 青岛 266061; 3.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071；4.中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

大陆架科学钻探CSDP-02井的钻探，开启了南黄海中-古生界研究的新局面。本文利用过CSDP-02井的多道地震、测井和岩心资料，在对中部隆起中-古生界地层频谱分析的基础上，采用基于S变换的谱分解方法，对南黄海中部隆起中-古生界地层进行了谱分解，将地震数据由时间域转换到频率域，得到了不同频率的等频率剖面。结果表明，南黄海中部隆起存在3套可能的储集层，分别对应三叠系青龙组灰岩、二叠系龙潭组砂岩和石炭系灰岩，在等频率剖面上，均表现为明显的低频异常，频谱特征呈现低频高能、高频低能的特征，在高频剖面上，储层异常被浅层高频异常掩盖。通过与CSDP-02井的岩心和测井结果进行对比发现，3套储集层的频率衰减现象与岩心取样中的油浸层相关，这是我国首次在南黄海中-古生界发现油气显示，对指导南黄海中-古生界油气勘探具有重要意义。

南黄海；中-古生界；储层预测；谱分解；S变换

1 引言

谱分解技术是地震时频分析技术中一种简单、稳定的高分辨地震地层、构造目标或油藏成像方法，对谱分解技术的研究和应用可追溯到20世纪80年代初。相对于传统的地震分辨率，谱分解技术基于薄层反射在频率域具有特定频谱响应的概念[1]，通过显示叠后数据中不易识别的薄层、侧向不连续性和细微异常点，提高了地震地层、构造目标储层边界和空间分布的分辨率[2]。谱分解技术利用宽频地震数据产生瞬时谱属性的连续体，以此为储层预测和含油气性检测提供有用的信息[1，3—4]。通过时频分析对地震数据进行谱分解、提取分频属性为地震储层研究奠定重要基础，已成为储层成像和油气检测的核心工具，特别是依赖于频率的低频反射信息，对地震直接油藏描述效果明显。将谱分解用作储层预测和含油气检测的做法在一些文献中已有记载[5—10]。

南黄海中部隆起中-古生界储层具有埋藏深、构造复杂、地层内部物性差异小、顶部与新生代地层分界面波阻抗差异大等特点，现阶段采用的基于振幅的储集层预测技术由于多解性强、信噪比低及分辨率不高，已无法满足对深部地层准确成像的需求[11]。频率是物质的固有属性，在储层预测中受地震资料分辨率影响较小，当储层含油气时会导致地震信号的衰减，也会导致垂向地震波信号能量的缺失。考虑到流体对地震波反映出的黏滞性和摩擦性可导致各频率成分衰减各异，因此可以通过分析频率差异分析储层中油气的富集情况。

本研究拟采用基于频率域分析的谱分解技术对南黄海中部隆起中-古生界的储集层特征进行描述，以期获取更高的成像质量，提高对南黄海中部隆起中-古生界储集层发育和含油气性的认识。

2 数据与方法原理

2.1 数据来源

本研究采用的地震数据来自中国地质调查局2009年在南黄海采集并经重新处理的XQ09-2线二维多道地震资料纯波数据，炮间距37.5 m，道间距12.5 m，采样间隔2 ms。岩心和测井数据来自大陆架科学钻探CSDP-02井0～2 033.58 m数据。

2.2 方法原理

谱分解常用的算法有离散傅里叶变换(DFT)、连续小波变换(CWT)、S变换(ST)和广义S变换(GST)、Wigner分布等时频分析方法[12]。传统的谱分解应用离散傅里叶变换，它使用一个固定窗口。在此方法中，用户指定时间窗口的长度，该方法更适用于包含几个同相轴的长时窗的频谱特征描述[13]。时窗的选择使得真频谱严重失真或严重降低了垂向分辨率。时窗内单个反射同相轴的离散频谱能量混合在一起，当通过减小时间窗口长度来提高时间分辨率，则频率分辨率将会降低。

S变换是介于短时傅里叶变换(STFT)和连续小波变换(CWT)之间的一种非平稳信号分析和处理的方法，继承和发展了短时窗傅里叶变换和小波变换的局部化思想，它的窗口随频率增加而减小，具有很好的时频分辨率。S变换的时移频谱分辨率与频率相关，不但有多尺度聚焦性，而且直接与傅里叶谱联系，保持频率的绝对相位，基本变换函数不必满足容许性条件[9]，因此，与短时傅里叶变换和小波变换相比，S变换生成真正准确的时间-频率图，同样使用移动时窗对地震信号采样，S变换的窗口大小是取决于频率的。由此可见S变换与频谱的关系更严格，它可以生成分辨率很高的频谱分解图。

S变换算法是连续小波变换的一种改进或延伸，它以时间和频率为变量来描述信号的能量密度或信号强度[14]，应用可变的时窗长度作为频率的函数，提高了频谱分辨率。对S变换进行公式推导[15]，函数h(t)的S变换公式为:

exp(-2πift)dt，

(1)

式中，s(τ,f)是时间信号h(t)的S变换；i为虚数单位；τ刻画高斯窗在时间轴上的位置。

3 区域概况及地层特征

南黄海盆地中部隆起总体上呈东西向展布，南部与南部坳陷相接，北部与北部坳陷相连，西北与千里岩隆起相邻，西南与苏北盆地滨海隆起相靠，东部与勿南沙隆起接触，是一个继承性的古隆起(图1)。地球物理综合分析认为，中部隆起受加里东运动的影响，在上泥盆统沉积前就显露出了微隆起，在中三叠世末的早印支运动更加明显，在晚三叠世末至中侏罗世的晚印支运动得到进一步强化，在晚燕山至喜山期一直保持其隆起状态。中部隆起断裂相对不发育，南黄海盆地南北两侧印支和燕山期的挤压逆冲作用对其影响较小，燕山期的火山喷发和岩浆侵入活动对中部隆起区的影响也相对较小，推测其对中-古生界海相地层油气保存作用是有利的。

区域内沉积环境相对比较稳定，震旦纪、寒武纪、奥陶纪、志留纪已接受沉积，加里东期表现为上下的震荡运动，缺失志留系上统及中、下泥盆统的沉积。随后接受了上泥盆统的沉积，石炭纪-二叠纪-中、中三叠世都应有沉积，晚三叠世的前陆盆地沉积可能在其北侧发育，没有达到中部隆起之上。晚印支构造运动对中部隆起有影响，造成三叠系青龙组灰岩遭受剥蚀。燕山期的火山活动对其影响相对较小。晚白垩-古近纪的断陷作用和断块作用对中部隆起区的影响小。新近纪坳陷期才接受了一套上第三纪以来的沉积。

南黄海中部隆起油气勘探始于20世纪80年代[16—19]。勘探初期，受勘探方法及技术手段限制，获取的地震、测井及钻井资料极少，勘探程度较低，因而对区域内地层及构造猜测较多[20—23]。随着油气勘探工作的深入，2006年，中国地质调查局首次在中部隆起区获取了海相古生界的有效地震反射资料，并确定了可作为地震层序对比的标志层系。

2014年，中国地质调查局大陆架科学钻探CSDP-02井的钻探，开启了南黄海中部隆起中-古生界研究的新局面，这是南黄海中部隆起地区第一口钻遇中-古生界地层的钻井。截至2016年4月，该井钻探深度2 033.58 m，钻遇古生界石炭系地层(图2)，本文针对2 033.58 m深度内的中-古生界地层进行研究，主要是中生界青龙组、古生界二叠系龙潭组和石炭系地层。结合前人研究，综合分析认为，中部隆起中-古生界储集层发育，油气前景良好[23—25]。

图1 南黄海盆地构造区划及CSDP-02井钻探位置图Fig.1 Tectonic division of the South Yellow Sea Basin and the location of Well CSDP-02

图2 大陆架科学钻探CSDP-02井层序地层及岩心描述简表Fig.2 Simplified sequence stratum and core description of Well CSDP-02 of the Continental Shelf Drilling Program

4 频谱分析

本文结合大陆架科学钻探CSDP-02井，利用XQ09-2测线多道地震资料，采用S变换将时间域地震数据A(t，x，y)变换到频率域数据A(f，t，x，y)，通过求取过井道振幅谱，抽取频率道集，获得了同频率剖面，并进行了分析。

振幅谱分析表明中-古生界地层(CDP1300-2000，时间625～1 250 ms)主频为15 Hz，有效带宽20 Hz(图3a)。为细分灰岩和砂岩储集层的频率响应特征，分别提取了3个频谱异常段的振幅谱，其中三叠系青龙组灰岩地层(时间625～760 ms)主频20 Hz(图3b)，龙潭组砂泥岩地层(时间760～1 100 ms)主频15 Hz(图3c)，石炭系灰岩地层(时间1 100～1 250 ms)主频10 Hz(图3d)。大隆-龙潭组砂泥岩振幅谱特征与全段谱类似，高频衰减现象明显，在高频60 Hz左右，高频能量几乎消失；而古生界石炭系灰岩频谱呈现明显的高频衰减、低频增加的特性，低频能量在极低频情况下(0～10 Hz)仍然很强，而高频能量在160 Hz左右衰减明显，与砂岩储层差异明显(图3d)。

图3 南黄海中部隆起中-古生界不同地层的频谱特征Fig.3 Frequency spectrum characteristic of Mesozoic-Paleozoic strata on the Central Uplift of the South Yellow Sea Basina.中-古生界(主要是三叠系-石炭系)地层频谱;b.三叠系青龙组灰岩频谱特征;c.二叠系龙潭组砂泥岩频谱特征;d.石炭系灰岩频谱特征a.Frequency spectrum characteristic of Mesozoic-Paleozoic strata(Triassic-Carboniferous); b.frequency spectrum characteristic of Triassic Qinglong Formation; c.frequency spectrum characteristic of Permian Longtan Formation; d.frequency spectrum characteristic of Carboniferous limestone

图4 中部隆起中-古生界地层地震剖面及频率道集特征Fig.4 Characteristics of seismic section and frequency gathers of Mesozoic-Paleozoic strata on the Central Uplifta.三叠系青龙组灰岩地层频率道集；b.龙潭组砂泥岩地层频率道集；c.石炭系灰岩频率道集a.Frequency gather of Triassic Qinglong Formation; b.frequency gather of Permian Longtan Formation; c.frequency gather of Carboniferous limestone

图5 XQ09-2测线等频率剖面Fig.5 Iso-frequency section of Line XQ09-2a.15 Hz等频率剖面；b.20 Hz等频率剖面；c.30 Hz等频率剖面；d.40 Hz等频率剖面a.Iso-frequency section of 15 Hz; b.iso-frequency section of 20 Hz; c.iso-frequency section of 30 Hz; d.iso-frequency section of 40 Hz

频率道集数据显示3套地层内部均存在明显的频率衰减现象，尽管频率的衰减除了与沉积物的含油气性相关外，还与薄层效应、裂隙散射及沉积物固有特性有关，但地震剖面显示的明显亮点现象表明，该频率衰减很可能是地层含油气的直接指示，且在岩心中发现了明显的油迹、油斑及油浸现象。三叠系青龙组灰岩地层(图4a)和石炭系灰岩地层(图4c)低频能量明显强于龙潭组砂泥岩地层(图4b)，且低频区域分布更广。龙潭组砂泥岩地层衰减快，如在30 Hz左右，青龙组灰岩和石炭系灰岩地层仍可见明显的强能量，而前者能量已难以识别。总体低频能量强度显示，龙潭组砂泥岩地层较其他两套灰岩地层主频更高。由于S变换算法的优越性，三叠系青龙组灰岩地层内部可见多个强能量频率薄层，暗示不同能量强度可能与岩性相关。

同频率剖面分析表明，石炭系灰岩储层在15 Hz、20 Hz低频剖面上，频率异常明显，能量较强，随着频率升高，在40 Hz等频率剖面上，能量相对变弱，但仍然能与围岩区分开(图5a，b)。龙潭组砂岩储层无论是在低频还是高频的等频率剖面上，均可见异常明显，且在高频30 Hz、40 Hz剖面上，虽然异常与围岩还能区分，但此时，异常能量相对低频时减弱，而且浅部地层能量更加突出，这使得预测深部储层变得困难，因此认为与含油气有关的储层异常在低频范围内明显(图5c，d)。与古生界石炭系灰岩储层相同的是，在高频剖面上，异常能量被浅部地层掩盖，使得运用高频特征预测深部储层变得困难。综合分析认为，灰岩储层在低频20 Hz时能量最强。

5 讨论

通过对南黄海中部隆起地区中-古生界储层特征进行频谱分析发现，研究区内的两套灰岩储层和砂岩储层特征存在明显的频率差异。岩心资料表明，三叠系青龙组主要以灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩夹砂泥岩互层为主，由频率道集可以看出，这些互层层厚较薄，常规时间域地震剖面难以对其进行区分，而频率薄层与其界面具有很好的对应关系，剖面显示的频率衰减现象与岩心取样中发现的油浸层相关，这也是我国首次在南黄海中-古生界地层发现油气显示。龙潭组以粉细砂岩与泥岩互层为主，夹薄煤层，尽管通过频率剖面难以实现对煤层的精确识别，但其互层特征在道集剖面上显示良好，且低频高能现象证明与岩心样品的油迹和油斑现象相关。古生界石炭系以灰岩、泥质灰岩为主，二者均在道集剖面上具有低频高能的特征，虽然目前尚未得到岩心样品分析的结果，但依据现有资料分析表明，该层位应具有明显的含油气显示。受研究区地震测线少，不连片分布等条件制约，对中部隆起储层发育和含油气预测方法的选择受到很大限制，而本研究表明基于频率域的谱分解技术在该区具有较好的应用效果。

6 结论

南黄海中部隆起经历了多年的勘探研究，对其地层、沉积、构造等基础地质条件有了系统的认识。本文结合大陆架科学钻探CSDP-02井的岩心、测井和多道地震资料，运用基于S变换的谱分解方法对XQ09-2测线中部隆起中-古生界地层进行了分析，得到如下结论：

(1)谱分解结果表明，3套可能储集层均具有低频高能、高频低能特征。三叠系青龙组灰岩、古生界石炭系灰岩储层低频能量更强，龙潭组砂岩储层低频能量衰减快。

(2)采用频谱分解技术对南黄海中部隆起中-古生界储层进行预测，突破了常规地震属性分析分辨率的限制，提高了储层刻画精度，突出了有效信号局部特征，结果对指导南黄海中部隆起中-古生界油气勘探具有重要意义。

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Application of spectral decomposition to detect Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin

Zhang Xiaohua1，2，3，Zhang Xunhua2，3，Wu Zhiqiang2，3，Sun Yunbao2，3，Guo Xingwei2,3

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.LaboratoryforMarineMineralResources，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266061，China; 3.QingdaoInstituteofMarineGeology，ChinaGeologicalSurvey,Qingdao266071，China;4.NanjingCenter,ChinaGeologicalSurvey,Nanjing210016,China)

The drilling of well CSDP-02 of the“Continental Shelf Drilling Program” creates a new situation for the exploration of Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin. In this study， based on the spectrum analysis of Mesozoic-Paleozoic strata， as well as the multi-trace seismic， logging and core data of Well CSDP-02， S-transform is applied to multi-trace seismic data from Mesozoic-Paleozoic strata of the central uplift to get different instantaneous frequency volumes. The results show that， the three possible reservoirs of Qinglong Formation， Dalong-Longtan Formation and Chihsia Formation-Carboniferous all show low frequency anomalies with a Spectrum analysis showing low frequency low intensity or high frequency low intensity anomalies. At high frequency section， the reservoirs standout from surrounding geology and shallow layers are also bright at such high frequency， which will deteriorate the likelihood to identify the anomalies of target layer from iso-frequency sections. Compared with core description of Well CSDP-02， the low frequency anomalies are related with oil immersion layer observed from well sample， which has a great significance for the exploration of Mesozoic-Paleozoic layer of the South Yellow Sea Basin．

the South Yellow Sea; Mesozoic-Paleozoic; reservoir prediction; spectrum decomposition; S-transform

2016-09-22；

2016-12-01。

国家海洋地质专项项目(DD20160147)；青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目(2015ASKJ03); 中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金(MGE2013KG03)。

张晓华(1984—)，女，山东省潍坊市人，主要从事海洋油气地质解释和储层预测。E-mail：zhangxhdd@163.com

*通信作者：吴志强(1964—)，男，河北省青县人，研究员，主要从事油气地球物理勘探研究工作。E-mail：wuzq_1964@163.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.010

P736.22

A

0253-4193(2017)07-0102-08

张晓华，张训华，吴志强， 等. 谱分解在南黄海中部隆起中-古生界储层预测中的应用[J]. 海洋学报， 2017， 39(7): 102-109，

Zhang Xiaohua， Zhang Xunhua， Wu Zhiqiang， et al. Application of spectral decomposition to detect Mesozoic-Paleozoic reservoir on the central uplift of the South Yellow Sea Basin[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 102-109， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.010