波形指示反演技術(shù)方法研究及應(yīng)用

張琬璐.

(中國(guó)石油化工股份有限公司華東分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇南京 210011)

近年來(lái)，反演技術(shù)日益成熟，波阻抗反演方法在過(guò)去的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)工作中取得了顯著的成效。常用的波阻抗反演方法包括稀疏脈沖反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演[1-2]。其中，稀疏脈沖反演可以不依賴測(cè)井資料，直接利用地震資料計(jì)算反射系數(shù)，但其受地震頻帶寬度的限制，分辨率低；地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演[3]將隨機(jī)模擬理論與地震反演方法相結(jié)合，反演效果較好，但對(duì)砂體的橫向變化不敏感，有較高的隨機(jī)性。隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)程度的加深、勘探難度的日益增大，勘探的重心逐漸由構(gòu)造油氣藏轉(zhuǎn)向了巖性油氣藏，主要的研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向了薄層，這對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度提出了更高的要求，常規(guī)的波阻抗反演方法已經(jīng)難以滿足當(dāng)前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的需求，如何提高薄層反演精度成為一大難題。與常規(guī)波阻抗反演方法相比，波形指示反演能在一定程度上提高橫向、垂向分辨率以及反演結(jié)果的確定性，是一種能夠滿足薄層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的高分辨率反演方法[4-5]。

1 方法原理與工作流程

常規(guī)波阻抗反演的頻譜主要由低頻成分(0～10 Hz)、中頻成分(10～80 Hz)和高頻成分構(gòu)成。低頻成分橫向上變化平緩，分布穩(wěn)定，可由井插值模型獲得；中頻成分則基本在地震資料的頻帶范圍內(nèi)，可直接由地震資料計(jì)算相對(duì)波阻抗獲得；而如何獲得可靠的并且趨于真實(shí)的高頻成分是反演的一大難點(diǎn)。

波形指示反演的核心思想是利用地震波形的橫向變化表征儲(chǔ)層的空間變異程度。該方法將地震波形看作一組薄層的地震響應(yīng)的疊加，即表征了儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)組成特征。盡管在地震上難以將薄層分辨，但波形的變化可以反映儲(chǔ)層組成結(jié)構(gòu)的變化。基于這一核心思想，通過(guò)優(yōu)選井樣本確定共性結(jié)構(gòu)頻段作為確定性成分，建立初始模型，在貝葉斯框架下對(duì)初始模型的高頻成分進(jìn)行模擬，使模擬結(jié)果符合地震中頻阻抗和井曲線結(jié)構(gòu)特征。在高頻部分，采用地震波形指示(相控)的插值方法，根據(jù)地震波形相似性將樣本井分類，對(duì)同類樣本井進(jìn)行多尺度分析，在地震頻帶外提取確定性結(jié)構(gòu)成分作為波形相控模擬結(jié)果，使高頻部分從完全隨機(jī)到逐步確定。

地震波形指示反演在高頻成分反演的核心算法是“馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬(SMC-MC)算法”。它是一個(gè)最優(yōu)化的過(guò)程，對(duì)所有井以空間分布距離和地震波形相似度作為評(píng)價(jià)要素按關(guān)聯(lián)度進(jìn)行評(píng)估并排序，井的關(guān)聯(lián)度越高，反演得到的地震波形與原始地震波形的相似度越高，因此可以將關(guān)聯(lián)度高的井作為初始模型進(jìn)行反演。

在SMC-MC算法中涉及兩個(gè)重要的反演參數(shù)：有效樣本數(shù)n和最佳截止頻率。

“有效樣本數(shù)”是用來(lái)估算待預(yù)測(cè)點(diǎn)反演結(jié)果的有效樣本的個(gè)數(shù)。有效樣本數(shù)越大，算法篩選相似地震波形的標(biāo)準(zhǔn)越低，所描述的儲(chǔ)層空間結(jié)構(gòu)變化越小，反演結(jié)果的空間連續(xù)性越強(qiáng)；有效樣本數(shù)越小，算法篩選相似地震波形的標(biāo)準(zhǔn)越高，所描述的儲(chǔ)層空間結(jié)構(gòu)變化越大，反演結(jié)果的空間非均質(zhì)性越強(qiáng)。

設(shè)定“最佳截止頻率”同樣是波形指示反演中的重要一環(huán)，需在選定有效樣本數(shù)后進(jìn)行。受同沉積結(jié)構(gòu)樣本的控制，高頻成分的反演在高頻越高時(shí)隨機(jī)性越強(qiáng)。隨著最佳截止頻率的增加，反演結(jié)果的分辨率逐漸增大，但剖面的隨機(jī)性也逐漸增強(qiáng)。

利用波形指示反演技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的技術(shù)流程如圖1所示。

該反演方法采用全局優(yōu)化算法，反演結(jié)果從完全隨機(jī)到逐步確定，使得確定性大大增強(qiáng)；且采用的是非空域統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)井位分布沒(méi)有嚴(yán)格要求，是目前唯一解決井位不均勻問(wèn)題的反演方法，特別適合滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)，尤其適用于巖性參數(shù)存在明顯差異的薄儲(chǔ)集層的預(yù)測(cè)。

圖1 波形指示反演技術(shù)流程Fig.1 Technical flow of seismic motion inversion

2 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 工區(qū)基本概況

目標(biāo)工區(qū)陳家舍地區(qū)位于溱潼凹陷西斜坡，發(fā)育多套儲(chǔ)集層系，在目標(biāo)工區(qū)及周邊發(fā)現(xiàn)有北漢莊、邊城、茅山、帥垛油田，成藏條件較好。其中，主力目的儲(chǔ)層阜三段為三角洲前緣亞相沉積，在縱向上具明顯的三分性，可細(xì)分為上、下砂組及中部泥巖段，砂巖總厚度為150～250 m，自東向西逐漸減薄；單層砂體厚度一般為1～5 m，最大厚度不超過(guò)10 m。常規(guī)波阻抗反演的分辨率難以滿足識(shí)別砂巖儲(chǔ)層的要求，因此采用分辨率更高的波形指示反演對(duì)砂層進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 地震資料品質(zhì)分析

在做波形指示反演之前，首先對(duì)地震資料的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。以阜三段儲(chǔ)層為主體目標(biāo)開(kāi)時(shí)窗進(jìn)行頻譜分析(圖2)，結(jié)果顯示主頻在25～30 Hz、頻帶在5～80 Hz范圍內(nèi)，基本可以滿足構(gòu)造解釋要求。但整個(gè)目標(biāo)工區(qū)范圍的地震資料品質(zhì)好壞參差不齊，在局部區(qū)域分辨率相對(duì)較低。總體來(lái)說(shuō)，目的儲(chǔ)層阜三段頂?shù)讓游坏耐噍S較為連續(xù)清晰，但無(wú)法分辨各小層的分布情況，需要借助波形指示反演技術(shù)對(duì)薄砂層進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)。

圖2 地震資料頻譜分析Fig.2 Spectrum analysis of seismic data

2.3 測(cè)井曲線處理及敏感屬性分析

受不同井的井眼、泥漿性能差異以及不同測(cè)井儀器之間可能存在的儀器誤差等因素的影響，不同井的相同測(cè)井曲線在目的層的測(cè)井響應(yīng)存在很大的差異，這會(huì)對(duì)井震標(biāo)定和反演結(jié)果造成不確定的影響。因此，在保證資料真實(shí)性的前提下，對(duì)多井資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正，是做波形指示反演前必不可少的重要質(zhì)控環(huán)節(jié)。

巖石物理分析也是反演前必不可少的基礎(chǔ)工作之一[6-7]，通過(guò)分析不同測(cè)井曲線與地層巖性、含流體特征的關(guān)系，優(yōu)選出對(duì)巖性、含流體性敏感的巖石物理參數(shù)，可作為識(shí)別目標(biāo)油藏的儲(chǔ)層、預(yù)測(cè)含油氣性的反演依據(jù)。

以目標(biāo)儲(chǔ)層頂?shù)诪榧s束，分別統(tǒng)計(jì)了聲波時(shí)差(AC)、密度(DEN)、聲波阻抗(PIMP)、自然電位曲線(SP)與砂泥巖相的分布直方圖(圖3)，其中聲波阻抗由密度曲線和聲波時(shí)差曲線計(jì)算獲得，藍(lán)色代表砂巖，墨綠色代表泥巖。統(tǒng)計(jì)直方圖顯示，聲波時(shí)差、密度、聲波阻抗曲線的主體值域大多重疊在同一片數(shù)值范圍內(nèi)，均不能有效區(qū)分砂泥巖，只有自然電位曲線對(duì)砂巖有相對(duì)較高的敏感性，因此可以采用SP波形指示模擬對(duì)砂巖進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖3 敏感曲線分析Fig.3 Analysis of sensitive curves

2.4 波形指示反演

首先根據(jù)地震解釋層位建立初始框架模型，結(jié)合測(cè)井資料插值得到低頻模型作為參與波形指示反演的初始模型。然后通過(guò)對(duì)已知井的相關(guān)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇最佳擬合樣本數(shù)，作為地震波形空間變化對(duì)儲(chǔ)層的影響程度的表征；選定高頻截止頻率，基于結(jié)構(gòu)樣本進(jìn)行隨機(jī)反演，最終獲得基于SP曲線的波形指示模擬反演結(jié)果。

對(duì)參與反演井做擬合最佳樣本分析(圖4)，可以確定拐點(diǎn)處的樣本數(shù)為5。本工區(qū)的儲(chǔ)層變化較小，非均質(zhì)性較弱，因此可以適當(dāng)增加樣本數(shù)。在只改變有效樣本數(shù)，其他參數(shù)不變的條件下，對(duì)比分析有效樣本數(shù)對(duì)反演結(jié)果的影響，最終確定適合的有效樣本值為7。

圖4 擬合最佳樣本質(zhì)控圖Fig.4 Quality control chart of the best fitting samples

由于波形指示反演結(jié)果的高頻部分是基于結(jié)構(gòu)樣本進(jìn)行隨機(jī)反演的，因此需要選定高頻截止頻率。隨著最佳截止頻率的增加，反演結(jié)果的分辨率逐漸增大，但剖面的隨機(jī)性也逐漸增強(qiáng)。如圖5所示，當(dāng)頻率大于220 Hz后，相關(guān)指數(shù)趨于水平，說(shuō)明大于220 Hz的頻率成分隨機(jī)性強(qiáng)。通過(guò)多次測(cè)試，找到適合本研究區(qū)的最佳截止頻率為220 Hz。

圖5 最佳截止頻率分析Fig.5 Analysis of optimum cutoff frequency

通過(guò)對(duì)以上反演參數(shù)的不斷調(diào)試，最終獲得了基于SP曲線的波形指示模擬結(jié)果。為了驗(yàn)證反演結(jié)果的可靠性，與未參與反演的已鉆井SP曲線作對(duì)比(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)反演預(yù)測(cè)得到的砂層與SP曲線吻合較好，且測(cè)井解釋油層基本位于砂巖即將尖滅的位置，一定程度上驗(yàn)證了反演結(jié)果的可信程度。將基于SP曲線波形指示模擬的結(jié)果與常規(guī)波阻抗反演的同一過(guò)井軌跡剖面(圖7)作對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)基于SP曲線波形指示模擬的結(jié)果在橫向、垂向分辨率上都有明顯提升，且預(yù)測(cè)的砂層連續(xù)性較好，邊界清晰，巖性變化也比較自然、合理。

圖6 已鉆井驗(yàn)證反演效果Fig.6 The inversion effect verified by drilling wells

圖7 常規(guī)波阻抗反演效果Fig.7 The effect of conventional impedance inversion

為進(jìn)一步從剖面分析波形指示反演的效果，選取了不同后驗(yàn)井的砂泥巖解釋結(jié)果與反演結(jié)果識(shí)別的巖性進(jìn)行對(duì)比。如圖8所示，井軌跡曲線上紅色柱子為砂巖，藍(lán)色柱子為泥巖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)解釋結(jié)果與反演結(jié)果在小層上具有較好的一致性，一定程度上驗(yàn)證了反演結(jié)果的可靠性。

在平面上，從反演體中沿目的層位提取得到均方根振幅屬性(圖9)，圖中紅黃色區(qū)域代表砂體較發(fā)育，藍(lán)色區(qū)域代表砂體欠發(fā)育，紅色向黃色變化過(guò)渡帶為砂體巖性變化帶，砂體分布連續(xù)，變化自然，邊界清晰。將已鉆井在目標(biāo)層段的砂體發(fā)育情況與反演預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，符合度較高，達(dá)到85.7%，且在平面展布特征上也較為符合西斜坡砂體展布規(guī)律。綜上所述，可以認(rèn)為波形指示反演技術(shù)在該工區(qū)的應(yīng)用達(dá)到了良好效果。

圖8 連井剖面反演效果Fig.8 The inversion effect of well-tie cross-section

圖9 砂體預(yù)測(cè)平面圖Fig.9 The ichnography of sandbody prediction

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)波形指示反演技術(shù)方法的研究，我們認(rèn)識(shí)到波形指示反演是一種充分發(fā)揮井震協(xié)同作用的高頻模擬方法，可以充分發(fā)揮井震結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，更好地體現(xiàn)了相控思想，使得反演結(jié)果更符合沉積規(guī)律，并且能解決非均勻分布井位的反演問(wèn)題，適用范圍廣，是尋找薄層儲(chǔ)層、指導(dǎo)生產(chǎn)的有力工具。通過(guò)進(jìn)一步將該方法應(yīng)用在溱潼凹陷陳家舍地區(qū)，我們得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)對(duì)陳家舍地區(qū)的測(cè)井曲線分析顯示，SP曲線對(duì)砂泥巖相較為敏感，可以作為識(shí)別砂泥巖相的敏感屬性。

(2)對(duì)陳家舍地區(qū)地震資料分別應(yīng)用常規(guī)波阻抗反演方法和基于SP曲線的波形指示反演方法，結(jié)果顯示波形指示反演方法具有更高的橫向、垂向分辨率，且預(yù)測(cè)的砂層連續(xù)性較好，邊界清晰，巖性變化也比較自然、合理，能夠解決薄儲(chǔ)層難以預(yù)測(cè)的難題。

(3)波形指示反演預(yù)測(cè)的砂體分布連續(xù)，變化自然，邊界清晰，且已鉆井在目標(biāo)層段的砂體發(fā)育情況與反演預(yù)測(cè)結(jié)果的符合度較高，達(dá)到85.7%，證明該方法在陳家舍工區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果，對(duì)該工區(qū)的巖性勘探具有指導(dǎo)意義。