北黄海为中生代沉积为主的小型中-新生代叠复含油气盆地，面积50 000 km²，中-新生代最大沉积厚度可达8000 m(吴琳等，2004).自1977年到至今，朝鲜在西朝鲜湾发现了资源量达30亿吨的油气储量，该油气区也包括北黄海盆地东部坳陷(龚承林等，2009；吴淑玉和刘俊，2015b)，随后在西朝鲜湾钻探了15口井，发现了中侏罗统烃源岩，并在中-上侏罗统和下白垩统中获得了工业性油流(陈洁，2005).我国从1966年到至今在北黄海盆地进行油气勘探，但未获得重大突破(蔡乾忠，2003)，仍停留在勘探阶段，目前主要是对盆地有效储层的预测，勘探目地层为中生界的中-上侏罗统和下白垩统储层，为湖泊-三角洲沉积相(刘振湖等，2007)，主要储集相带为扇三角洲平原、扇三角洲前缘和近岸水下扇，碎屑岩储层厚度薄，横向变化大，储层物性较差，非均质性较强，纵向多套薄砂层相互叠置，给本区的油气勘探带来很多困难(王强等，2010；吴淑玉和刘俊，2016).

针对北黄海盆地下白垩统薄砂体储层分析和预测，前人做过一些研究，王强等(2010)和梁杰等(2013)通过对单井粒度分析、薄片观察、扫描电镜分析和压汞测试等技术，认为北黄海储层分选为中—差，低孔、低渗储层，并发现裂缝，沉积相带和成岩作用是控制本区砂岩储集层的主要因素.王改云等(2016a)在钻井取心、岩石薄片、压汞测试、扫描电镜、物性测试的基础上，从沉积、成岩、埋藏史、构造发育史等角度分析了北黄海下白垩统为特低孔低渗的致密性储层特点及其成因.袁书坤(2008)结合地震、测井和录井资料的综合分析和研究，揭示下白垩统底部砂体是中生界最好的储层，砂岩粒度较粗，孔、渗性好，底部直接与上侏罗统优质烃源岩接触.万晓明等(2015)根据深埋藏砂泥岩阻抗叠置，常规的纵波阻抗反演方法难以有效区分砂泥岩，而利用岩性敏感曲线重构声波时差曲线进行波阻抗反演，较好地区分砂体储层，并得到了有效砂体储层的孔隙度.刘金萍等(2013；2015)运用岩石物理分析、岩性曲线重构声波时差和约束稀疏脉冲反演手段，对中生界储层进行预测，刻画了目的层中砂体的空间分布.另外针对本区纵波阻抗叠置特点，采用叠前同步反演技术得到纵横波速度比和密度参数，圈闭了孔隙度大于5%的砂岩为有利储层.刘俊等(2015)通过连续小波变换，对北黄海东部坳陷下白垩统进行频谱分解，结合地震属性和水平切片技术，实现在频率域进行砂体描述和储层横向变化规律的研究.吴淑玉和刘俊(2016)通过对比几种时频分析方法，优选S变换对北黄海东部坳陷下白垩统地震资料进行分解，有效地对储集层的沉积环境变化及沉积相带进行划分，说明时频分析方法在该区碎屑岩薄储层的适用性.

已有的各种叠后反演、叠前反演以及振幅、频率、相位、波形等地震属性分析技术虽在储层预测和油气识别中取得了一定效果，但是在薄储层研究方面的应用还存在各自的局限性，叠后阻抗反演和地震属性分析依赖于反射波主频高低和频带宽度.叠前阻抗反演根据佐普利兹方程及其近似解进行反演，但是对于厚度小于和远小于1/4波长的薄层，在薄层的顶底面易形成层间多次反射波及其转换波叠加形成的复合反射波，因此利用叠前反演不满足条件(郭见乐等，2013).频率域中的薄层定量预测通过频谱分解，该技术在描述地质异常体横向不连续性以及刻画地质异常体厚度方面受到了广泛应用(李雪英等，2014)，本文根据研究区块内最新钻得的3口井，对下白垩统自然伽玛(GR)和自然电位(SP)测井曲线进行了沉积相划分，通过分析叠后波阻抗反演方法难以对北黄海下白垩统薄层砂体预测的特点，采用频谱分解方法得到离散能量体，通过对分频剖面和分频属性平面图进行沉积相分析，结合砂岩百分含量和储层物性资料，从而对有利地储层进行预测和圈定.

频谱分解技术是利用信号处理中的时频转换方法，把目标地质体从t域转换到f域进行识别或转换成频率的时频四维数据体，生成纵向上频率连续变化的振幅体，通过某一频率对应的调谐振幅的平面特点，描述储层的横向变化，从而更好地确定储层几何形态，改善地震分辨率(杨海涛等，2009)，谱分解方法从原来的短时窗傅利叶变换(STFT)到小波变换(CWT)再发展到S变换(刘喜武等，2008)，其中STFT是将信号分解成很多小时窗，假设在每个时间间隔内信号是平稳的，在时间间隔内对时间信号进行时频变换，得到不同时间间隔内的频率，研究局部时间范围内的频域特征.STFT的特点是物理意义明确，对整个信号采用单一分辨率进行研究，可以反映信号的整体时频趋势，但算法简单，而现实中一般研究的是非平稳信号.CWT是将时间—尺度信息转换为时间—频率信息，将信号向一系列小波基函数上投影，通过对其进行位移和伸缩以后得到的函数族，用函数族去逼近信号，CWT克服了STFT的窗函数不能改变的缺陷，每个尺度转换的结果对应的是一个频带而不是频率，在低频能量集中，垂直分辨率高，但在高频能量衰减很快(陈雨红等，2006；李振春等，2010).S变换是在STFT和CWT的基础上发展起来的，继承和发展其局部化优点，也克服了它们的不足，能够调节时窗，分辨率与频率有关，转换的结果在低频处提供高的频率分辨率和在高频处提供高的空间分辨率，它能更好地刻画信号的局部信息，本文主要通过采用S变换对北黄海东部坳陷地震资料进行谱分解以进行储层的描述.

S变换是一种时频分析工具，美国地球物理学家(Stockwell et al., 1996)等人提出，以Morlet小波为小波基进行小波变换的延伸，通过引入相位因子，使得每一个频率的绝对相位特征得到保留，S变换的特别之处是它既能保持与傅利叶变换的直接关系，又可在不同频率有不同的分辨率(李振春等，2015)，S变换的公式为

(1)

式中：f表示频率，τ和t是时间变量，τ表示高斯窗的中心时间，S(τ，f)为信号x(t)的S变换，而高斯窗函数的定义为

(2)

因此连续信号x(f)的时间域S变换最终表达式为

(3)

本文通过分析北黄海东部坳陷下白垩统薄层砂体的特点，对地震资料采用脉冲反褶积拓频处理，目的层段进行频谱分解，对分解后地震提取地震属性，将有利砂体进行刻画及沉积亚相划分，并对井点进行时频分析，判断预测结果是否符合录井与实钻结果，其流程图为图 1.

图 1

Figure 1

图 1 频谱分解流程图 Figure 1 Flowchart of spectrum decomposition

北黄海盆地位于辽东半岛、山东半岛和朝鲜半岛，面积约2.4×10⁴ km²，该盆地为中侏罗世-早白垩世断陷期(175.6~99.6 Ma)、晚白垩世-古新世构造反转期(99.6~55.8 Ma)、始新世-渐新世断陷期(55.8~23.03 Ma)、晚渐新世末-早中新世构造反转期(23.03~15.97 Ma)和中中新世-第四纪区域沉降期(15.97 Ma~至今)等5个构造演化阶段(王后金等，2014；王改云等，2016b)，盆地自东向西、由北往南可划分为东部坳陷、东部隆起、中部坳陷、中西部隆起、西部坳陷和南部凹陷群等6个彼此分割的二级构造单元(王立飞等，2010)(图 2).其中东部坳陷位于北黄海盆地的东北部，北以海洋岛隆起、南以刘公岛隆起为界，西侧紧邻东部隆起，总体构造为NE走向，是该盆地最有油气远景的区域(陈玲等，2006；陈亮等，2008；王辉等，2008；吴淑玉等，2013).

图 2

Figure 2

图 2 北黄海盆地构造区划图和东部坳陷早白垩世沉积相(据文献(王改云等，2016；吴淑玉和刘俊，2015)) Figure 2 Geotectonic map of the North Yellow Sea Basin and sedimentation of early cretaceous in the eastern depression (modified from reference Wu and Liu, 2015; Wang, 2016)

晚侏罗世时期的燕山构造运动，由于伊泽奈崎板块沿NW方向向欧亚板块的俯冲和西部郯庐断裂的左旋走滑双重作用，整个盆地形成张扭性断陷.早白垩世时期，盆地位于干旱亚热带区，气候干燥，盆地水体逐步变浅，地层减薄，岩性逐步变粗，盆地内发育了陆相红层和火山碎屑岩，在某些地区还出现短期性浅盐湖，说明地层已逐步抬升(蔡峰，1997).东部坳陷平面上为浅水状态，物源从北部和西南方向向湖区推进，以扇三角洲沉积为主，在湖盆中部交汇，东部和东南部断裂下降盘发育多个近岸水下扇(王改云等，2016a).到白垩纪晚期，盆地由早期的张扭逐步转向压扭抬升，因区域抬升而露出水面，下白垩统首先遭受到区域削蚀，抬升较高部位可削蚀到上侏罗统，由于抬升剥蚀时间长，整个盆地缺失上白垩统沉积.

综合录井岩心资料等分析，下白垩统主要为湖相中发育扇三角洲的断陷型沉积(刘振湖等，2007)(图 3).扇三角洲平原由分支河道和分支河道间构成.分支河道以薄互层的灰色砂砾岩或浅灰色细砂岩与褐灰色泥岩相间，分选差—中等，可见交错层理、块状层理及冲刷—充填构造，以分支河道沉积相代表为主的NYS1井位于河道中心位置，砂体发育好，GR和SP测井曲线为箱型，具有下粗上细的粒度正韵律.分支河道间由泥岩和粉砂岩组成，发育水平层理，GR表现为薄层砂岩的指状特征，以分支河道间沉积相代表为主的NYS2井位于河道边部，砂体减少、泥岩增加，GR和SP测井测线为箱状锯齿形，具有下细上粗的粒度反韵律.扇三角洲前缘由水下分流河道、水下河道间、河口坝和席状砂构成，以NYS3井位代表，水下分流河道为灰色砂砾岩及浅灰色细砂岩，成分以石英为主，分选差—中等，GR呈钟形上细下粗的正韵律；水下河道间以厚层的泥岩为主，间夹薄层的粉砂岩，GR为平直状，未明显旋回性；河口坝以粉砂岩或细砂岩组成，GR呈漏斗型，可见反旋回，形成下细上粗的垂向层序；席状砂为粉砂或灰质粉砂岩，砂岩和泥岩成薄互层，GR呈指状或锯齿状，未见明显的旋回性.

图 3

Figure 3

图 3 北黄海东部坳陷下白垩统地层联井对比分析 Figure 3 Well correlation of the lower cretaceous strata in the Eastern Depression of the North Yellow Sea Basin

根据录井资料统计，薄层单砂体厚度大多为5~20 m(吴淑玉等，2012)，研究目的层深度段为1600~2800 m，地层速度为4000~5000 m/s，地震数据频带范围为8~60 Hz，主频为18 Hz，根据计算，可识别的最薄砂体厚度为25 m，通过对原始地震进行合成地震记录发现，薄层段砂体在地震上无响应，一个波峰或者波谷里面包含着几套薄层砂体.例如2950~2962 m深度段的灰色砂砾岩，与下段的砂泥岩互层，在地震反射上对应一个波谷(图 4).一般情况下，利用叠后地震阻抗反演仅可识别砂岩厚度达几十米，因此对于薄层的砂体，利用传统的地震阻抗反演方法都难以分辨单个砂体厚度，由图 5可以看出NYS3井3041~3062 m深度段为河口坝的薄层砂砾岩且为荧光显示，而波阻抗反演显示与结果刚好相反，通过分析发现其上2950~2977 m段为大套的砂砾岩层段，阻抗值大，对下面这套砂岩段有明显的遮挡作用，加上下面薄层砂岩段含有一定的油气孔隙，阻抗相对上面砂岩段较小.

图 4

Figure 4

图 4 原始地震对薄层砂体合成地震记录的响应 Figure 4 Thin sand body of the original seismic synthetic seismogram response

图 5

Figure 5

图 5 常规波阻抗反演体反映的碎屑岩砂体 Figure 5 Conventional seismic inversion reflect the clastic sand body

谱分解之前首先对地震资料进行脉冲反褶积拓频处理，将地震的频宽拓展到8~80 Hz，拓频后的地震带宽比常规地震数据带宽在高频端高出20 Hz，低频端保持不变，主频从原先的18 Hz拓展到40 Hz，拓频后的地震数据比常规地震细节丰富了很多.

通过对原始地震数据提频后，进行分频处理，然后对高频段进行地震合成记录分析，可以看出地震响应能够反映薄层砂岩段的特征(图 6)，说明通过谱分解手段能够解决比主频更高的薄地层.本文对实际地震数据经过谱分解，然后对下白垩统的扇三角洲沉积相的目标层进行地震属性提取及分析，从而对有利储层段进行描述.

图 6

Figure 6

图 6 地震数据提频后高频段对薄层砂体的合成地震记录响应 Figure 6 Thin sand body of the high frequency seismic synthetic seismogram after frequency-broadening processing response

通过调谐数据体的振幅切片能够获得内部调谐细节，比常规全频带的振幅切片更能有效地展示不同的沉积特征(吴淑玉和刘俊，2016).通过对提频地震数据进行频段扫描，得到一系列的频率域的调谐振幅数据体，图 7为下白垩统扇三角洲的20 Hz、30 Hz、40 Hz和50 Hz的频率体均方根属性体切片(属性已归一化)，其中红黄色代表砂体，蓝紫色代表泥质.20 Hz的均方根属性平面图显示NYS1井砂体显示，根据岩性资料，NYS1井的岩性最粗，最厚的细砂岩单层有62 m厚，位于河道边缘的NYS2和NYS4为弱反射，而位于扇三角洲前缘的NYS3井和NYS5井由北向南均方根能量逐渐降低，砂体逐渐由粗变细；30 Hz的均方根能量显示最强，沿着NYS4井、NYS2井和NYS3井分布呈强能量指状分布，由NYS3井和NYS5井往西南的扇三角洲前缘也呈现出砂体环指状减薄；40 Hz的砂体呈指状分布，NYS3井指示能量最强，单层砂体最厚为15 m，而40 Hz能够分辨18.75 m厚左右的砂体，NYS1井、NYS4井和NYS2井为弱能量；50 Hz整体能量较弱，NYS2井和NYS3井有所显示，指示着两口井存在薄层砂体.

图 7

Figure 7

图 7 分频地震数据的均方根属性平面图 Figure 7 RMS attributes map with different frequency seismic

属性平面分析可以看出砂体的分布由NW向SE逐渐发散，呈现扇状，推断物源方向在研究区的西北边，由西北到东南，水体逐渐加深，岩性由粗变细，能量从高能向低能转换，说明沉积环境从扇三角洲平原过渡到扇三角洲前缘，往南为前三角洲沉积.根据岩性分析，从古隆起上NYS1井到斜坡上的NYS2井为扇三角洲平原沉积，骨架以分支河道为主，而沉积中心的NYS3井为扇三角洲前缘沉积，骨架以水下分流河道为主(图 3)，由此说明频谱分解结果与录井结果是相吻合的.

地震波穿透地下介质时会发生衰减，经过含油气地层时，主频向低频方向移动，高频能量迅速衰减(图 8a)，由此可以采用时频分析进行油气检测(朱恒等，2015).储层相对不含油气的围岩对地震波有更强的吸收作用，而且频率越高吸收越强，因此通过高频衰减能够指示地层是否含油气.图 8b为对地震数据体经过S变换得到的30 Hz的离散能量体(左)和10~80 Hz的频率道集(右).可以看出，NYS2井2295~2385 m为9套含油气细砂岩，其中2323~2351 m日产油9.6 m³，频率道集在垂向上频率迅速衰减，低频能量相对较强；2515~2520 m和2589~2592 m段的含油气细砂岩，日产油4.14 m³，同样表现为高频迅速衰减，但是衰减的幅度没有顶部的层段快，说明含气层段比较薄，谱分解都能够与实钻结果吻合.

图 8

Figure 8

图 8 NYS2井谱分解进行烃类检测 (a)含油气频谱示意图；(b)谱分解成果图. Figure 8 Spectrum analysis of NYS2 well for hydrocarbon detection (a)Oil and gas spectrum sketch map; (b) Spectrum analysis results.

根据表 1，下白垩统的扇三角洲砂岩百分含量最大值在NYS1井(65.9%)处，此处为靠近物源的扇三角洲平原沉积相，其中分支河道的以巨厚的细砂岩、粉砂岩夹薄层的泥岩为主，物性分选较差，河道底部为几米到十几米厚的砂砾岩滞留沉积；NYS2井砂岩百分含量为21.7%，距离物源稍远的扇三角洲平原沉积，由于河道的多次冲刷和充填，分支河道和河道间不断变迁，表现在巨厚泥岩间夹薄层砂岩；NYS3井为扇三角洲前缘沉积，砂岩百分含量为25.4%岩性较细，由于坡度减缓加上水体的承托力，流速减慢，下切作用减弱，河道变宽而浅，厚度减小，同时由于可容空间增大，侧向侵蚀作用相对变强.

表 1 (Table 1)

表 1 下白垩统扇三角洲沉积的地层厚度和砂岩百分含量 Table 1 Lower cretaceous fan delta sedimentary formation thickness and sandstone percentage

表 1 下白垩统扇三角洲沉积的地层厚度和砂岩百分含量 Table 1 Lower cretaceous fan delta sedimentary formation thickness and sandstone percentage

根据取心井段下白垩统层段282块岩心样品分析，得出岩石物性数据表(表 2)，孔隙度最大值在NYS1井处.总体来看下白垩统平均孔隙度6.7%~14.5%，渗透率0.73~21.5 md，从储层物性资料来看，研究区的下白垩统以低孔特低渗储层为主，而且储层物性随深度降低趋势，中生代地层(2500 m以下)孔、渗条件普遍变差，储层类型为孔隙型和裂缝型.距NYS1井西南1.2 km的NYS4井即为朝方的606井和610井处，610井在下白垩统砂岩中获得日产油60 t，606井在侏罗和下白垩统中获得日产油31 t，因此该区域含油气远景比较可观(Massoud et al., 1993).

表 2 (Table 2)

表 2 下白垩统砂岩测井解释物性数据统计表 Table 2 The lower cretaceous sandstone well petrophysical log interpretation data statistics

表 2 下白垩统砂岩测井解释物性数据统计表 Table 2 The lower cretaceous sandstone well petrophysical log interpretation data statistics

针对北黄海东部坳陷下白垩统砂体厚度薄、横向变化大，物性为非均质性的储层特征，利用传统的地震属性和波阻抗反演方法难以区分薄砂体和有利储集层，而频谱分解技术是寻找薄储层的有利手段，也是本研究区储层预测的新方法.通过对地震数据进行拓频处理，拓展频带宽度，为储层预测和烃类检测提供了良好的基础.

由频谱分解资料可以看出，下白垩统早期的物源位于研究区的西北边，从西北到东南，水体逐渐加深，从扇三角洲平原相过渡到扇三角洲前缘相.通过频率调谐体对砂体厚度分析，西北砂体厚往东南变薄.结合砂岩百分含量和孔渗等资料分析，下白垩统虽为低孔特低渗储层，但以指状分布的扇三角洲平原相砂岩百分含量高，根据时频分析的烃类检测效果比较好，因此下白垩统砂岩为圈闭区域比较有利储集层分布范围.