疊前隨機(jī)反演方法及其在薄層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要

摘要：在鉆井?dāng)?shù)量相對(duì)少的情況下，充分挖掘利用地震信息來(lái)為海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)則關(guān)重要。疊前隨機(jī)反演技術(shù)是一種將疊前AVA同步反演與隨機(jī)模擬理論有機(jī)結(jié)合的反演方法，不但考
摘要：在鉆井?dāng)?shù)量相對(duì)少的情況下，充分挖掘利用地震信息來(lái)為海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)則關(guān)重要。疊前隨機(jī)反演技術(shù)是一種將疊前AVA同步反演與隨機(jī)模擬理論有機(jī)結(jié)合的反演方法，不但考慮了地下地質(zhì)的隨機(jī)特性，而且充分利用了疊前地震資料中與儲(chǔ)層變化特征有關(guān)的地質(zhì)信息，產(chǎn)生多種彈性參數(shù)體的多個(gè)等概率的預(yù)測(cè)結(jié)果。該結(jié)果既符合輸入數(shù)據(jù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，且又受地質(zhì)模型的約束，真正融合了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的垂向分辨率高和地震數(shù)據(jù)橫向分辨率高的優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)南海L氣田的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，綜合地質(zhì)、測(cè)井和2個(gè)限角度疊加地震數(shù)據(jù)體，通過(guò)疊前隨機(jī)反演技術(shù)得到了高分辨率的縱波波阻抗、縱橫波速度比、密度以及泊松比、拉梅常數(shù)等一系列巖石彈性參數(shù)，同時(shí)，還直接得到儲(chǔ)層巖性(砂、泥巖等)、物性(孔隙度、含水飽和度等)數(shù)據(jù)體，直觀地展示出儲(chǔ)層的空間分布，薄層砂體和砂泥互層都十分清楚，為該區(qū)沉積微相和儲(chǔ)層非均質(zhì)性的研究以及開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：海洋地震勘探；疊前隨機(jī)反演；高分辨率；儲(chǔ)集層；參數(shù)；非均質(zhì)性
    隨著油氣勘探領(lǐng)域的不斷拓展，巖性地層油氣藏已在我國(guó)油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量中都占有非常重要的地位[1]。這就不僅要求得到精確的地下構(gòu)造成像，更希望獲得巖性和流體分布的成像，彈性參數(shù)在其中起著重要的作用。而常規(guī)測(cè)井約束地震反演技術(shù)只能反演出縱波波阻抗參數(shù)[2]，自Connolly提出彈性阻抗概念以來(lái)[3～4]，彈性阻抗反演技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，2000年以后又出現(xiàn)了疊前AVA同步反演技術(shù)，它豐富了巖性和流體識(shí)別方法，在縱波波阻抗對(duì)砂、泥巖反應(yīng)不敏感的地區(qū)更具有實(shí)用價(jià)值。而隨機(jī)地震反演技術(shù)早在1992年Bortoliand就提出來(lái)了，但由于該方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，起初并沒(méi)有得到推廣應(yīng)用，直到近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，該方法才得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1方法原理與特色技術(shù)
1.1 疊前隨機(jī)反演方法原理
隨機(jī)地震反演是確定性反演方法和隨機(jī)模擬理論相結(jié)合的產(chǎn)物，在此只探討基于疊前AVA同步反演和序貫高斯協(xié)模擬技術(shù)的疊前隨機(jī)反演方法。該方法首先需進(jìn)行疊前AVA同步反演，即運(yùn)用稀疏脈沖反演和基于模型反演的思想對(duì)多個(gè)限角度疊加道集進(jìn)行測(cè)井約束的同時(shí)反演，得到縱波波阻抗、橫波波阻抗(或縱橫波速度比)和密度數(shù)據(jù)體，進(jìn)而計(jì)算得出泊松比、拉梅常數(shù)等一系列彈性參數(shù)。然后開(kāi)展隨機(jī)反演，在隨機(jī)反演過(guò)程中首先劃分每一層的巖性類(lèi)型(砂、泥巖等)和個(gè)數(shù)，接著分別對(duì)每一層的每種巖性的多種屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，確定其分布概率密度函數(shù)，并進(jìn)行變差函數(shù)的擬合和各屬性數(shù)據(jù)之間相關(guān)關(guān)系分析。這些統(tǒng)計(jì)分析工作首先針對(duì)測(cè)井曲線去做，得到相應(yīng)變量縱向上的統(tǒng)計(jì)特征，再對(duì)疊前AVA同步反演的屬性體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到橫向上的分布特性。準(zhǔn)備好這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后就可以沿隨機(jī)路徑進(jìn)行序貫高斯協(xié)模擬了。在模擬時(shí)，先基于變差函數(shù)用克里金法求取待反演道的概率分布；再按高斯分布隨機(jī)采樣形成N個(gè)反演道，并生成N個(gè)合成記錄；然后逐一與實(shí)際地震道進(jìn)行比較，找出最吻合的合成道，其對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果即為解；接著將反演結(jié)果加入到已知數(shù)據(jù)中，反演下一道，所有道都計(jì)算完就為一個(gè)實(shí)現(xiàn)。這樣就可以得到巖性、物性及多種屬性數(shù)據(jù)的多個(gè)等概率的實(shí)現(xiàn)。盡管每次實(shí)現(xiàn)整體分布相似、細(xì)節(jié)各不相同，但都滿足在井點(diǎn)處與測(cè)井曲線一致、在井間符合地震數(shù)據(jù)和已知信息的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
1.2 橫波測(cè)井資料擬合
    疊前AVA同步反演方法需要參與計(jì)算的每口井上都有橫波速度資料，但實(shí)際情況并非所有井都測(cè)有橫波資料，因此需要對(duì)沒(méi)有測(cè)量橫波資料的井作橫波速度的預(yù)測(cè)。關(guān)于橫波預(yù)測(cè)現(xiàn)在有很多種方法，本次研究的橫波擬合采用Xu-White Approx方法完成的。首先選取有橫波資料的參數(shù)井，用Xu-White Approx方法擬合出縱波速度和橫波速度；接著調(diào)整巖石物理模型，盡量使擬合的縱、橫波速度與實(shí)際測(cè)量的曲線吻合，從而確定巖石物理參數(shù)；最后利用上面確定好的巖石物理參數(shù)擬合無(wú)橫波資料井的橫波速度。
1.3 遠(yuǎn)角度地震數(shù)據(jù)體的時(shí)差校正
由于不同角度部分疊加的地震資料之間存在時(shí)差，為了保證最后反演結(jié)果的質(zhì)量，需要對(duì)地震資料進(jìn)行時(shí)差校正。在校正的過(guò)程中，采取了如下步驟：①確定一些校正基準(zhǔn)面(如地震解釋層位)，并計(jì)算不同角度部分疊加地震數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)；②上下移動(dòng)各基準(zhǔn)面之間的地震，分別計(jì)算相關(guān)系數(shù)，最大相關(guān)系數(shù)時(shí)的移動(dòng)量就是所需的校正量；③用計(jì)算的校正量對(duì)遠(yuǎn)角度地震數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，而近角度地震數(shù)據(jù)保持不變。
1.4 分角度子波提取
    子波提取是同步反演流程中要求最嚴(yán)格的一步，因?yàn)槊總€(gè)子波的形態(tài)、相位譜和頻帶范圍強(qiáng)烈地影響到反演的結(jié)果，直接影響儲(chǔ)層性質(zhì)的判斷。每個(gè)限角度疊加地震數(shù)據(jù)的子波估計(jì)使用的是相應(yīng)角度的合成彈性阻抗曲線。通過(guò)反演，每個(gè)子波都能在振幅、頻率和相位上與各自的地震數(shù)據(jù)體相匹配，這樣才能保證反演屬性體可以很好地用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行刻度、檢測(cè)異常。
1.5 數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)分析和理論變差函數(shù)擬合
    經(jīng)典地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)通常采用均值、方差等參數(shù)來(lái)表征地質(zhì)參數(shù)的變化特征，但這些量只能概括地質(zhì)體某一特征的全貌，卻無(wú)法反映局部變化特征及特定方向的變化特征，而這些特征對(duì)地質(zhì)研究往往極為重要，為此在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中引入了一個(gè)全新的工具——變差函數(shù)，它能夠反映地質(zhì)變量的空間變化特征(相關(guān)性和隨機(jī)性)，特別是它能透過(guò)隨機(jī)性反映區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性，因此也稱(chēng)作結(jié)構(gòu)函數(shù)[5]。
    在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中變差函數(shù)不僅是許多地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，同時(shí)它能獨(dú)立地反映區(qū)域化變量的許多重要性質(zhì)。例如：變程反映變量的影響范圍；變差函數(shù)在原點(diǎn)處的性狀反映變量的空間連續(xù)性；若變差函數(shù)是躍遷型，則基臺(tái)值大小反映區(qū)域化變量在該方向上變化幅度的大?。徊煌较蛏系淖儾顖D可反映區(qū)域化變量的各向異性等。在隨機(jī)反演中主要是針對(duì)測(cè)井曲線的變差函數(shù)擬合確定地質(zhì)體的縱向變程，并通過(guò)對(duì)確定性反演得到的屬性體進(jìn)行變差函數(shù)分析來(lái)確定地質(zhì)體的橫向變程。
2 應(yīng)用實(shí)例與效果分析
    南海L氣田主力儲(chǔ)層是低水位期在內(nèi)陸架環(huán)境中、多次強(qiáng)風(fēng)暴作用下形成的陸架風(fēng)暴席狀沙沉積，氣藏分布受構(gòu)造及砂巖儲(chǔ)層物性雙重因素控制。儲(chǔ)層物性橫向、縱向變化均較快，非均質(zhì)性強(qiáng)。根據(jù)探井與評(píng)價(jià)井分析可知，每個(gè)井區(qū)Ⅱ氣組內(nèi)部的每個(gè)小層氣體組分差異都很大，而為了制訂更高效的開(kāi)發(fā)方案，就必須在落實(shí)了構(gòu)造后精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。而地震資料無(wú)法分辨該氣組內(nèi)的砂泥互層，并且砂、泥巖的縱波波阻抗差異又不明顯，無(wú)法利用常規(guī)阻抗反演結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)層物性的描述和隔夾層分布的預(yù)測(cè)，這就有必要利用疊前隨機(jī)反演技術(shù)來(lái)得到高分辨率的儲(chǔ)層巖性、物性的空間展布，解決儲(chǔ)層非均質(zhì)性問(wèn)題。
2.1 疊前AVA同步反演
    疊前AVA同步反演以常規(guī)約束稀疏脈沖反演技術(shù)為基礎(chǔ)，其算法生成的彈性模型比各個(gè)輸入角度疊加道集具有更寬的帶寬。算法中的關(guān)鍵參數(shù)之一是λ值，該系數(shù)用于調(diào)節(jié)每個(gè)角度道集反射系數(shù)序列的稀疏程度和實(shí)測(cè)波形與合成記錄匹配程度之間的平衡。λ值越小，角道集的反射系數(shù)序列越稀疏，但如果λ值太小，在所建立的模型里將無(wú)法提取細(xì)小的地質(zhì)信息；λ值越大，從稀疏反射系數(shù)序列得到的合成記錄與實(shí)際地震數(shù)據(jù)之間的符合程度越高，但如果值太大，在模型中會(huì)引入地震數(shù)據(jù)的噪音，所以選擇參數(shù)過(guò)程需要特別慎重。首先選擇井附近的幾個(gè)地震道進(jìn)行測(cè)試反演。在選擇不同的λ值情況下，檢查反演得到的縱波波阻抗、縱橫波速度比和實(shí)測(cè)的井曲線之間的相關(guān)程度，同時(shí)關(guān)注相應(yīng)的的合成記錄與實(shí)際地震數(shù)據(jù)之間的匹配程度，以及反演剖面的信噪比等因素，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整最終確定最優(yōu)的λ值。
合并頻率是將低頻趨勢(shì)模型和反演結(jié)果進(jìn)行合并時(shí)用到的截止頻率。該參數(shù)的選擇依據(jù)是在關(guān)注輸入地震數(shù)據(jù)有效帶寬、特別是低頻信息的情況下，盡可能的小一些，以避免最終的反演結(jié)果的振幅譜出現(xiàn)缺口。該參數(shù)的選擇過(guò)程與選擇值的方式類(lèi)似。為了使反演結(jié)果不與低頻模型差異太大，并且適當(dāng)提高反演結(jié)果的橫向連續(xù)性分別應(yīng)用了適當(dāng)?shù)能涄厔?shì)約束和軟空間約束。最終得到反演結(jié)果(如圖1、2所示)。
 
2.2 隨機(jī)反演
    由于L氣田井?dāng)?shù)目相對(duì)較少，為了提高反演結(jié)果在空間上的可靠性，算法上選擇了將疊前AVA同步反演結(jié)果作為趨勢(shì)約束的基于序貫高斯協(xié)模擬技術(shù)的隨機(jī)反演方法。在此，地震數(shù)據(jù)和井?dāng)?shù)據(jù)一樣作為硬數(shù)據(jù)得到重視，反演結(jié)果同時(shí)符合測(cè)井、地震和輸入的數(shù)據(jù)，并且受建立的地質(zhì)模型的約束。
地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析是隨機(jī)反演的前提和基礎(chǔ)，在反演之前，首先對(duì)每一層每種巖性用經(jīng)過(guò)環(huán)境校正和歸一化處理之后的測(cè)井曲線和疊前AVA同步反演得到的彈性屬性數(shù)據(jù)體進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，建立概率密度函數(shù)，并且要滿足高斯分布；接著，分別運(yùn)用相同的井曲線和疊前AVA同步反演結(jié)果進(jìn)行縱向、橫向的空間變差分析，確立上述變量空間上的結(jié)構(gòu)關(guān)系；然后采用帶趨勢(shì)的序貫高斯指示模擬方法模擬出縱波波阻抗、縱橫波速度比和儲(chǔ)層巖性、物性分布。通過(guò)多次模擬，得出可能的砂泥分布模式取平均結(jié)果(圖3、4)。
 
2.3 應(yīng)用效果分析
由圖3、4中可見(jiàn)，井點(diǎn)處反演結(jié)果與測(cè)井曲線吻合度非常高，通過(guò)提取井旁道和實(shí)際測(cè)井曲線作相關(guān)擬合，兩者相關(guān)系數(shù)均達(dá)90%，說(shuō)明反演結(jié)果可靠。
對(duì)比圖1～4，可以看出疊前隨機(jī)反演結(jié)果的垂直分辨率較疊前AVA同步反演結(jié)果有很大提高，地震資料無(wú)法分辨的L2井區(qū)的兩套薄砂層(圖5)和L3井區(qū)的砂泥互層(圖6)在反演結(jié)果中均表現(xiàn)十分清楚。該氣組儲(chǔ)層是低水位期在內(nèi)陸架環(huán)境中形成的近源風(fēng)暴席狀沙沉積，分布較穩(wěn)定。而反演結(jié)果中儲(chǔ)層橫向連續(xù)性也很好，符合該區(qū)的沉積相分布特征；同時(shí)上下層位的接觸關(guān)系與原始地震資料也吻合很好，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的可靠性。反演成果在該氣田的開(kāi)發(fā)井設(shè)計(jì)優(yōu)化中得到了實(shí)際應(yīng)用，并為今后的氣田開(kāi)發(fā)實(shí)施提供了有力的資料，有利于降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高效率。
3 結(jié)論
    巖性油氣藏已成為我國(guó)油氣勘探的重要領(lǐng)域，巖性油氣藏勘探對(duì)地震技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。它不但要求構(gòu)造成像，更要求精確的地下巖性和流體分布成像。地下介質(zhì)的彈性性質(zhì)與巖性、物性及流體分布直接相關(guān)，彈性性質(zhì)的變化是地震勘探的物理基礎(chǔ)，從地震數(shù)據(jù)中獲取彈性參數(shù)對(duì)巖性油氣藏勘探是非常必要的。在這方面疊前地震資料比疊后資料中包含了更為豐富的與儲(chǔ)層變化特征相關(guān)的地震信息。
    常規(guī)波阻抗反演只能得出與地震資料分辨率相當(dāng)?shù)目v波波阻抗信息，而疊前隨機(jī)反演能同時(shí)反演出高分辨率的縱波波阻抗、橫波波阻抗(或縱橫波速度比)、密度以及泊松比、拉梅常數(shù)等一系列巖石彈性參數(shù)。同時(shí)，該方法還能夠直接得到儲(chǔ)層巖性(砂、泥巖等)、物性(孔隙度、含水飽和度等)數(shù)據(jù)體，直觀地反映了儲(chǔ)層的空間分布，為精確的地下巖性、物性和流體成像奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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(本文作者：孫月成 周家雄 馬光克 郭愛(ài)華 王聰 中海石油有限公司湛江分公司)