地震約束建模的強非均質碳酸鹽巖儲層波阻抗反演

張遠銀 孫贊東 韓劍發(fā) 艾合買提江·阿布都熱合曼 張敬霆

(①中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083； ②中國石油大學(北京)地質地球物理綜合研究中心,北京 102249；③中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒 841000； ④中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；⑤中國石油大港油田井下作業(yè)公司,天津 300283)

0 概況

就世界范圍而言，古喀斯特儲層并不多見，但卻可以蘊藏大量的油氣資源[1-3]。奧陶系碳酸鹽巖儲層一直是中國西部塔里木盆地油氣勘探、開發(fā)的重要領域[4]。奧陶系儲層埋深普遍大于5000m，其原生孔隙已經(jīng)基本消失，基質孔隙度普遍低于2%，儲集空間多由次生的不均勻分布的孔、洞、縫組成(圖1a)，常表現(xiàn)為不同尺度的縫洞組合儲集體[5-7]。儲層分布受原始沉積相帶的控制作用相對較小，空間分布變化大，具有很強的非均質性(圖1b、圖1c)，難以準確刻畫。這類儲層的地震波速度和密度明顯低于致密基質，當其規(guī)模達到地震可識別的尺度時會在疊后地震剖面上形成顯著的強反射[8-9]。由速度、密度、泊松比和拉梅系數(shù)等在低頻模型約束下反演的彈性屬性可以評價次生碳酸鹽巖儲層的分布和品質(流體性質)，但反演結果會隨初始模型的不同而差別較大。在反演過程中初始模型是對地下物性參數(shù)的初始猜測，要求最終反演結果能準確模擬實際地質現(xiàn)象[10]，因此初始模型的精度決定了彈性參數(shù)反演精度。

人們一般基于地震解釋的地質層位，利用有限實際測井數(shù)據(jù)按照某種數(shù)學方法(如反距離加權、克里金插值等)內插、外推，從而獲得全區(qū)的初始模型，其依賴于測井資料的精度和分布特征。對于沉積相帶變化劇烈的地區(qū)，當井資料較少或分布不均時上述方法會引起地質假象[11]，不能刻畫強非均質儲層。Cerney等[12]引入地震速度信息構建初始模型，但限于地震速度的精度難以獲得高分辨率、高精度的初始模型。近年來，業(yè)界逐漸利用多種地震參數(shù)控制或改善低頻模型和反演質量[13-21]，但是這些參 數(shù)存在品質不高、與井數(shù)據(jù)相關性低的問題。如，傳統(tǒng)的全疊加數(shù)據(jù)常受AVO效應的影響而精度不高。

圖1 次生碳酸鹽巖儲層特征與地震響應(a)巖心照片； (b)野外露頭； (c)地震響應(綠線為碳酸鹽巖頂界面)

傳統(tǒng)的碎屑巖儲層的“相控建?！奔夹g主要依據(jù)沉積相帶的分布規(guī)律確定沉積物、彈性參數(shù)以及模型的空間分布特征[22]，方法雖然較成熟，但是難以準確地描述次生碳酸鹽巖儲層的極強非均質特征。常規(guī)碳酸鹽巖儲層的“巖溶相控”[23-24]建模技術，依據(jù)碳酸鹽巖出露遭受風化，特別是表層受水流影響形成“巖溶帶”、深層相對致密的特征建立穩(wěn)定的區(qū)域模型，雖然能較好地建立風化殼型碳酸鹽巖儲層模型，但并不適用于埋藏巖溶型碳酸鹽巖儲層建模。碳酸鹽巖儲層相控建模技術[8]基于鉆、測井信息，通過融合與優(yōu)化多種地震屬性信息構建儲層模型，但求取均方根振幅、分頻、波阻抗等基礎屬性的過程復雜，且只能得到定性/半定量結果，不能直接用于反演。

為此，本文綜合地質、地震和測井資料，建立了基于地震約束建模的反演方法，并刻畫了塔中地區(qū)ZG8井區(qū)深層碳酸鹽巖儲層。

1 地震約束建模的反演方法

本文提出一種基于振幅約束建模的地震反演方法。首先基于線性反演去除資料的AVO效應獲得純縱波數(shù)據(jù)，然后結合測井信息計算相對波阻抗，并進一步轉化為絕對波阻抗屬性定量質控波阻抗反演質量。文中采用的建模方法本質上屬于確定性建模范疇[25]，流程包括純縱波數(shù)據(jù)提取、相對阻抗計算、振幅約束低頻建模、波阻抗反演等(圖2)。

1.1 純縱波數(shù)據(jù)提取

即便道集完全平直，地下巖性或流體差異產(chǎn)生的AVO效應也會降低疊加資料分辨能力和精度。塔里木盆地碳酸鹽巖儲層埋深普遍大于5000m，極易將全疊加資料的AVO效應造成的調諧現(xiàn)象錯誤地解釋為片狀反射型儲層[8]，因此必須采用去除AVO效應的純縱波數(shù)據(jù)進行解釋，計算公式為[26-27]

圖2 基于地震約束建模的波阻抗反演方法流程

(1)

(2)

對于非線性方程(式(1))的求解，常規(guī)線性反演方法假設β/α為常數(shù)，將式(1)轉換為線性方程組，這種做法運算簡便，效率高，但反演的RS、RD、β/α存在較大誤差[26]。若采用完全非線性求解算法同時求解RP、RS、RD、β/α等4個未知數(shù)，計算效率較低，容易陷入局部尋優(yōu)，且同樣嚴重依賴于初始模型[26]。實際上，由于RP低階項與β/α不相關且低階項系數(shù)值較大，β/α近似誤差主要影響RS和RD，而不影響RP[26-27]，因此可以高效、準確地線性反演RP。

實際計算中，假設疊前資料品質較好，將疊前道集SPP(θ)直接視為RPP(θ)，令縱橫波速度比為2，在道集數(shù)大于3的情況下，可求得準確的純縱波數(shù)據(jù)SP

(3)

式中SP、SS、SD分別為純縱波、純橫波和純密度數(shù)據(jù)。此時由于沒有去除零相位地震子波，所得的SP為真正的縱波剖面，其值不受縱橫波速度比精度影響[26-27]，且消除了AVO效應的影響，較全疊加資料具有更高的分辨率和精度[26-27]。

1.2 相對阻抗計算

由傳統(tǒng)的儲層插值建模方法得到的儲層分布不能在空間上完全解釋層位，因此不適合塔里木盆地次生碳酸鹽巖儲層預測。如何有效利用純縱波振幅的空間信息和鉆、測井資料的縱向分辨率是次生碳酸鹽巖儲層建模的關鍵。為此，本文引入顏色反演方法[28]求取純縱波資料對應的相對阻抗(RI)，即

RI=OS

(4)

式中：S為地震道；O為操作因子。通過擬合測井資料的聲波阻抗頻譜指數(shù)關系，然后提取井旁道地震譜的指數(shù)關系，兩者相除可得操作因子譜，再做-90°相位移動即得操作因子O[28]。與傳統(tǒng)帶限反演方法(如90°相位旋轉、道積分、遞歸反演等)不同，顏色反演的操作因子包含子波因素，可建立地質體和振幅間的聯(lián)系，并且其操作過程較稀疏脈沖反演類方法簡便，人為因素少。

1.3 振幅約束建立低頻模型

雖然RI同樣含有儲層非均質性信息，并且可評價儲層性質，但其中的相對正、負數(shù)值無法直接建立低頻模型，必須轉換為絕對阻抗信息PI。理論上， PI是RI與低頻背景之和(圖3)。低頻背景隨著地質條件的不同而發(fā)生變化，通常隨著埋深和壓實作用增大而逐漸增大(圖3a)，導致RI與PI相關性變差，擬合優(yōu)度R變小(圖3c)。對于沉積環(huán)境穩(wěn)定、地質體變化不大的情況，低頻背景相對穩(wěn)定(圖3b)，PI與RI相關性很強，R較大(圖3d)。塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖地層埋深較大，基質孔隙度很小，具有十分穩(wěn)定的高阻抗碳酸鹽巖背景，正好適合阻抗轉換運算。依據(jù)PI與RI的關系，對縱波阻抗低頻背景十分穩(wěn)定的區(qū)域，可建立RI與PI的線性轉化關系

PI=a×RI+b

(5)

式中a與b為線性相關常數(shù)。

圖3 在不同低頻背景下RI與PI的對比(據(jù)文獻[9]修改)(a)正常壓實情況下RI與PI1的關系； (b)塔里木盆地深層碳酸鹽巖內部RI與PI2的關系； (c)RI與PI1交會圖； (d)RI與PI2交會圖

1.4 地震波阻抗反演

獲得低頻模型后，基于得到的純縱波資料，即可利用確定性反演方法(本文選用約束稀疏脈沖波阻抗反演)獲得波阻抗參數(shù)。

2 應用效果對比

塔中地區(qū)深層次生碳酸鹽巖儲層一般位于巖溶高地或巖溶斜坡等古地貌環(huán)境，集中分布于古水流系統(tǒng)或斷裂附近。圖4為過ZG12—TZ35—ZG21—ZG23—ZG8井測線數(shù)據(jù)。由圖可見：純縱波數(shù)據(jù)在碳酸鹽巖頂界面附近的反射很清晰(圖4b藍色箭頭處)，特別是對于碳酸鹽巖內部儲層(T03s界面以下)的響應更明顯，因此利用純縱波資料分析屬性和預測儲層的精度更高；通過顏色反演進一步去掉了子波因素，儲層的非均質特征更清晰(圖4c藍圈處)， T03l與To3l-1分別為鷹山組1段頂、底界面，To3s為碳酸鹽巖頂界面。藍色箭頭指示AVO效應去除前、后同相軸的變化，藍圈對應碳酸鹽巖內部非均質儲層(強反射)位置。ZG8、ZG23、ZG21和ZG12井均鉆遇了碳酸鹽巖儲層，TZ35井在碳酸鹽巖層段未揭示儲層有助于提高建模和反演精度。

圖4 過ZG12—TZ35—ZG21—ZG23—ZG8井測線數(shù)據(jù)(a)疊加數(shù)據(jù)； (b)純縱波數(shù)據(jù)； (c)顏色反演的相對阻抗

圖5為ZG8井區(qū)測井PI—顏色反演RI交會圖。由圖可見， 碳酸鹽巖基質落在PI>1.55×107kg·m-2·s-1的范圍(圖5藍圈處)，優(yōu)質儲層落在PI<1.55×107kg·m-2·s-1的范圍。實際上，碳酸鹽巖基質速度大，次生儲集空間的速度相對較小，兩者產(chǎn)生的強烈阻抗差會在地震剖面上形成強反射，這是傳統(tǒng)疊后儲層預測的依據(jù)。

顏色反演獲得的RI受控于地震振幅，而子波旁瓣常常導致所有反演結果在低阻儲層周圍出現(xiàn)高阻陰影，故常在塔里木盆地深層碳酸鹽巖儲層地震反演中令基質段縱波阻抗數(shù)值基本不變，以避免子波旁瓣對反演的影響。對于碳酸鹽巖頂界面T03s以下、RI>-5×106kg·m-2·s-1(圖5中BC′段)的區(qū)域，令PI均為1.65×107kg·m-2·s-1(圖5中的BC段)。

圖5 ZG8井區(qū)測井PI—顏色反演RI交會圖 RI與PI呈分段線性相關關系： PI=3.556RI+1.828×107(AB段)； PI=0.129RI+1.656×107(BC′段)

2.1 低頻模型對比

圖6為過ZG12—TZ35—ZG21—ZG23—ZG8井測線的縱波阻抗低頻模型。 由圖可見：①傳統(tǒng)插值建模結果在淺層受井分布的影響呈大面積條帶狀干擾，且受測井曲線深度限制，無深部有效信息(圖6a)。②振幅約束建模阻抗模型充分利用地震數(shù)據(jù)的空間信息，結合高分辨率測井資料，可定量、清楚地表征強非均質碳酸鹽巖儲層(T03s界面以下)的分布規(guī)律(圖6b黃色和紅色區(qū)域)。另外，由于阻抗模型計算過程(式(4)、式(5))對碳酸鹽巖背景區(qū)域采用統(tǒng)一為常數(shù)的均一處理，可以降低阻抗反演過程的子波旁瓣效應，提高反演精度。

圖6 過ZG12—TZ35—ZG21—ZG23—ZG8井測線的縱波阻抗低頻模型(a)傳統(tǒng)插值建模； (b)振幅約束建模。井旁曲線為聲波阻抗曲線，ZG8井無測量數(shù)據(jù)

2.2 反演結果對比

基于得到的純縱波數(shù)據(jù)，分別采用傳統(tǒng)插值建模和地震約束建模產(chǎn)生的初始模型進行約束稀疏脈沖波阻抗反演(圖7)?？梢姡孩賯鹘y(tǒng)插值建模反演結果在淺層仍然存在明顯的條帶效應，難以準確反映相對均質模型背景上的儲層變化(圖7a黑圈處)；依據(jù)數(shù)據(jù)末尾的數(shù)值外推，僅獲得相對均一的深部結果(圖7a)。因此傳統(tǒng)插值建模反演結果可能對淺層(T03s-T03l)的波阻抗值估計過大，而對深層(T03l以下)的波阻抗值估計過小。②振幅約束建模反演結果不僅準確地反映了儲層的空間分布特征，而且降低了子波旁瓣效應(圖7b黑色箭頭處)。圖8為鷹山組1段均方根振幅平面分布。由圖可見：傳統(tǒng)插值建模反演結果受井點影響較大，平面分布存在顯著的“牛眼”特征(圖8b)，與純縱波信息(圖8a)不一致；振幅約束建模反演結果較好地反映了儲層的空間非均質特征(圖8c)。

圖7 過ZG12—TZ35—ZG21—ZG23—ZG8井測線的縱波阻抗反演結果(a)傳統(tǒng)插值建模反演； (b)振幅約束建模反演

圖8 鷹山組1段(T03l-T03l-1)均方根振幅平面分布(a)純縱波； (b)傳統(tǒng)插值建模反演； (c)振幅約束建模反演

3 結束語

基于塔里木盆地深層碳酸鹽巖儲層的發(fā)育特征和彈性參數(shù)特點，本文構建了碳酸鹽巖相對阻抗與絕對阻抗計算關系，并結合純縱波資料建立了基于地震約束建模的地震反演方法，提高了ZG8井區(qū)碳酸鹽巖儲層刻畫精度。對于強非均質儲層描述，基于純縱波振幅約束建模的反演方法可以避免傳統(tǒng)插值建模方法受井資料影響大的局限，克服了常規(guī)融合層速度等建模方法精度不高的缺陷，準確反演了強非均質儲層的分布規(guī)律，特別適合描述中國西部塔里木盆地的次生碳酸鹽巖儲層。