地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法在杭錦旗區(qū)塊煤系地層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

曹紹賀

（中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006）

在地震勘探中，煤層低頻強(qiáng)反射降低了地震反射波的縱、橫向分辨率，對(duì)下伏地層的地震響應(yīng)存在一定的屏蔽作用，嚴(yán)重干擾儲(chǔ)層的有效預(yù)測(cè)。在煤系儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中，主要采用分頻、子波分解與重構(gòu)、波阻抗反演等一系列技術(shù)，由于受地震資料品質(zhì)的約束，針對(duì)薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)多解性較強(qiáng)。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)杭錦旗區(qū)塊南部J井區(qū)煤系地層進(jìn)行研究，結(jié)合研究區(qū)地震地質(zhì)特點(diǎn)，基于馬爾科夫鏈-蒙特卡洛算法的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法得到高分辨率的波阻抗反演結(jié)果，以準(zhǔn)確定位煤層的空間位置及厚度分布；然后通過(guò)巖石物理分析選取中子曲線作為煤系地層的巖性敏感參數(shù)，在波阻抗及三維巖性體的約束下，通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)協(xié)模擬得到高分辨率中子體，用以區(qū)分砂巖、泥巖以及煤層；最終通過(guò)子體檢測(cè)完成了煤系地層中薄砂層的精細(xì)描述與刻畫，為油氣勘探和井位部署提供了可靠的依據(jù)[1-5]。

1 方法概述

1.1 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演

基于馬爾科夫鏈-蒙特卡羅算法（MCMC）的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演是新一代的隨機(jī)反演算法，是一種全局尋優(yōu)算法[6]。MCMC可以在無(wú)高斯假設(shè)的情況下從完整的先驗(yàn)概率密度函數(shù)中采樣，采用多重網(wǎng)格的修正方法，得到大量來(lái)自于后驗(yàn)概率分布的樣本。

高分辨率地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演時(shí)，每一種巖相對(duì)應(yīng)的巖石物理參數(shù)分布范圍由井點(diǎn)實(shí)際測(cè)量的數(shù)值統(tǒng)計(jì)而來(lái)，通過(guò)對(duì)井資料和地質(zhì)信息的分析后獲得概率分布函數(shù)和變差函數(shù)，馬爾科夫鏈-蒙特卡洛算法根據(jù)概率分布函數(shù)獲得統(tǒng)計(jì)意義上正確的樣點(diǎn)集，巖相及屬性模擬的樣點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)程并不完全是隨機(jī)的，在引入高頻數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，每次巖相及屬性模擬所對(duì)應(yīng)的合成地震記錄必須和實(shí)際的地震數(shù)據(jù)有很高的相似性。

反演結(jié)果由地震和統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)共同約束得到，既保留了地震的橫向預(yù)測(cè)性，同時(shí)得到了一個(gè)更多地質(zhì)細(xì)節(jié)的結(jié)果。盡管多個(gè)實(shí)現(xiàn)各不相同，但每次實(shí)現(xiàn)都滿足：①在井點(diǎn)處與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的波阻抗一致；②在井間符合地震數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。

1.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)協(xié)模擬

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)協(xié)模擬是一個(gè)數(shù)據(jù)變換過(guò)程，是利用彈性參數(shù)和物性參數(shù)的關(guān)系，將彈性參數(shù)體轉(zhuǎn)換成物性參數(shù)體。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不同于常規(guī)的一對(duì)一的擬合關(guān)系，是一對(duì)多的云變換關(guān)系，即一個(gè)彈性參數(shù)值對(duì)應(yīng)著一組物性參數(shù)值，這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系由二維的概率密度函數(shù)決定，通常地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到彈性參數(shù)后，可以通過(guò)協(xié)模擬得到物性參數(shù)。

云變換是一種非線性隨機(jī)模擬方法，通過(guò)概率場(chǎng)模擬將一個(gè)變量轉(zhuǎn)化為另一個(gè)變量，并且遵循兩個(gè)變量間復(fù)雜的非線性關(guān)系[7]。在彈性參數(shù)模擬過(guò)程過(guò)，云變換技術(shù)既尊重縱波阻抗與物性參數(shù)之間的相關(guān)性，又盡可能保留其非線性關(guān)系特征。云變換技術(shù)適用于各種具有相關(guān)性的參數(shù)計(jì)算，可以將縱波阻抗反演結(jié)果轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的巖性、物性參數(shù)數(shù)據(jù)體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣藏的定量解釋。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

杭錦旗區(qū)塊南部 J井區(qū)山西組為辮狀河三角洲沉積，巖性主要為砂巖與泥巖互層，廣泛發(fā)育多套煤層，是最明顯的標(biāo)志層之一，煤上及煤間砂巖儲(chǔ)層是目前研究的重要目的層。煤層具有低密度高聲波時(shí)差的特點(diǎn)，與圍巖波阻抗差異大，在地震剖面上表現(xiàn)為低頻、連續(xù)、強(qiáng)反射的特征。由于研究區(qū)山西組平均砂巖厚度小于15.0 m，受地震資料分辨率的限制，常規(guī)地震剖面上難以區(qū)分砂巖的地震響應(yīng)，加上煤層低頻強(qiáng)反射的屏蔽作用，儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度極大[8-10]。

2.2 敏感參數(shù)分析

儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究首先要明確研究區(qū)的巖性敏感參數(shù)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)實(shí)鉆井進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，自然伽馬可以很好地區(qū)分砂、泥巖，但研究區(qū)既有品質(zhì)較好的低伽馬煤層也有含黏土礦物的高伽馬煤層，因此，利用單一參數(shù)無(wú)法較好地區(qū)分三種巖性。本文利用自然伽馬結(jié)合密度等參數(shù)進(jìn)行地層巖性劃分，從圖1 a縱波阻抗直方圖可以看出，煤層波阻抗明顯較砂泥巖低，但砂泥巖波阻抗疊置，難以區(qū)分。從圖1 b 中子直方圖可以看出，砂泥巖中子值不同，砂巖中子值小于15%，泥巖中子值為18%～30%，煤層表現(xiàn)為高中子的特征，其值為50%～60%，砂巖、泥巖、煤層具有較好的區(qū)分度。因此，選取中子作為巖性敏感參數(shù)，以此作為巖性預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

2.3 應(yīng)用效果分析

在杭錦旗區(qū)塊J井區(qū)開展MCMC地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演研究，常規(guī)約束稀疏脈沖反演受地震資料頻帶的限制，縱向分辨率較低，難以刻畫薄煤層的空間展布。本文首先通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到高分辨率縱波阻抗及煤層概率體，低阻抗區(qū)域精確刻畫出了山西組兩套薄煤層（小于5.0 m）的發(fā)育位置及厚度，與實(shí)際鉆井相符。得到的煤層概率體更好地反應(yīng)了山西組煤層的展布特征，通過(guò)后驗(yàn)井統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)測(cè)煤層厚度與實(shí)鉆井誤差小于2.0 m。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演在得到縱波阻抗體的同時(shí)也得到三維巖相數(shù)據(jù)體（圖2），從圖中可以看出，反演得到的巖相與實(shí)際鉆井的砂巖、泥巖及煤層一致性較好，也證明了該方法的有效性。

圖1 不同巖性的縱波阻抗（a）與中子統(tǒng)計(jì)直方圖（b）

圖2 研究區(qū)三維巖體連井剖面

縱波阻抗無(wú)法區(qū)分砂泥巖，因此，在得到高分辨率波阻抗體的基礎(chǔ)上，需結(jié)合巖石物理分析選取中子曲線作為巖性目標(biāo)曲線。在三維巖相體的約束下，建立波阻抗與中子的云變換關(guān)系，通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)協(xié)模擬得到中子及砂巖概率體剖面（圖3），縱向上包含了儲(chǔ)層非均質(zhì)性的細(xì)節(jié)，橫向上有地震趨勢(shì)約束，極大地提高了反演結(jié)果的縱、橫向分辨率。

結(jié)合巖石物理分析結(jié)果解釋砂巖平面分布，選取中子值小于15%作為山西組儲(chǔ)層發(fā)育的門檻值，從三維空間上提取目的層內(nèi)符合條件的時(shí)間累積厚度，該厚度分布即目的層段砂巖厚度分布形態(tài)。砂巖厚度預(yù)測(cè)顯示，研究區(qū)砂巖南厚北薄，呈網(wǎng)狀分布。經(jīng)實(shí)鉆井統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)20口鉆井預(yù)測(cè)砂巖厚度與實(shí)鉆井較小，平均誤差為2.6 m，達(dá)到預(yù)期效果（圖4）

圖3 中子反演及砂巖概率剖面

3 結(jié)論

（1）綜合利用鉆測(cè)井、地震、地質(zhì)等資料，對(duì)儲(chǔ)層敏感參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析是解決儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

（2）與常規(guī)波阻抗反演相比，基于馬爾科夫鏈-蒙特卡羅算法的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演具有更高的預(yù)測(cè)精度，對(duì)薄煤層的刻畫更加精確。

（3）在準(zhǔn)確識(shí)別煤層的基礎(chǔ)上，建立波阻抗與中子的云變換關(guān)系得到能夠區(qū)分砂巖泥巖及煤層的巖性數(shù)據(jù)體，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤系地層薄砂體的空間展布。