基于井控地質約束的陵水寶島凹陷各向異性參數反演與分析

劉杰明, 孫 博, 李三福

(中海油田服務股份有限公司 物探事業部特普公司，湛江 524057)

0 引言

瓊東南深水區地層構造起伏大、斷裂發育，地下介質表現出嚴重的各向異性特征，嚴重影響到常規速度建模和偏移成像效果，而采用各向異性介質偏移成像方法，不僅需要高精度速度模型，而且需要高精度各向異性介質參數模型。準確定量估計各向異性參數對構造成像、巖性識別和儲層描述都有重要意義。

各向異性Thomsen 參數[1]估計問題是一個標準的反演問題。在假定已知的介質參數分布情況下，通過震源激發可以預測觀測波場，正是因為觀測波場與介質參數分布之間存在這種可預測的關聯性，才使得利用觀測波場估計地下參數的分布成為可能。Alkhallifah[2]利用反射波非雙曲線時差公式對VTI介質中的縱波各向異性參數進行估算；Gaiser[3]分析了TI介質中 VSP 數據的相速度與各向異性參數的關系，通過擬合出相慢度曲線，來估計各向異性參數；杜麗英等[4]根據地震波在橫向各向同性(VTI)介質中的運動學特征，應用傳播時間反演方法，進行了水平層狀 VTI介質的地層彈性參數反演方法研究；Zhou等[5]提出了采用三維反射波旅行時層析的方法來同時反演各向異性參數；羅小明等[6]運用掃描法和旅行時法得到了地震資料的縱波各向異性參數；李勤等[7]提出了選擇性相關法，提高了各向異性參數提取的精度；劉瑞合等[8]分析VTI介質的三個各向異性參數對不同角度的敏感性,并給出基于角度約束的三參數順序反演策略；韓令賀等[9]將網格層析技術應用于VTI 介質各向異性參數建模；郭愷[10]研究了基于局部層析的TTI 各向異性參數反演方法,提高了反演精度。為了提高地震資料各向異性參數估計精度，筆者采用井控地質約束層析成像法來反演陵水寶島凹陷各向異性參數，并分析其變化規律。

1 各向異性參數反演

針對瓊東南深水區地震地質條件開展深水區各向異性求取，進而對瓊東南盆地深水區各向異性規律開展分析研究工作，來實現高精度的地震偏移成像，提高深度預測精度，為深水區油氣儲層的識別和描述奠定堅實基礎。

1.1 深水區地質特點

瓊東南盆地深水區地質條件復雜，既有崎嶇海底，水深變化大，陸坡區向海盆方向坡折傾角大，峽谷縱橫，水道極其發育，形成了復雜的海底地形地貌；又有深水區中深層受早期斷陷和構造運動影響，地質地層構造起伏大，斷裂發育，構造形態復雜。此類雙復雜地質結構(圖1)，不僅地層速度的橫縱向快速變化，而且地震反射的波場復雜，常規地震速度反演和偏移歸位難以滿足復雜構造成像，因此造成中深層地震資料信噪比低和偏移歸位不準、鉆前深度預測誤差大等問題(圖2)。要實現正確的、高分辨率地震成像除了需要發展適應速度建模技術，精確反演深水區速度外，還要就各向異性規律開展分析研究工作，從而為深水區無井、少井下速度建模和構造落實提供借鑒。

圖1 瓊東南盆地地質條件：傾斜橫向各向同性地層(TTI)Fig.1 Geological conditions of southeast Qiong basin: inclined transversely isotropic strata(TTI)(a)聯絡線方向;(b)主測線方向

圖2 井震速度對比Fig.2 Comparison of well seismic velocity(a)C8井;(b)C9井

1.2 傳統δ參數估計方法

諸多學者從不同途徑結合地震和測井數據給出了估計δ參數的方法。主要以井震結合標定反射層位和地震解釋層位的深度，從而計算測井位置處的一維δ模型。從成像剖面中解釋出標志層位。兩個井標定層位的深度記為Zwelltop和Zwellbot，兩個解釋層位的深度記為Zseistop和Zweisbot。兩個標志層位之間的δ可通過式(1)計算。

(1)

傳統方法局限性：傳統井震聯合法各向異性參數估計只是從一維空間計算出井點位置處大套層的δ值，在層內δ為常數，是一種簡單的垂向深度校正方法，無法進行ε估計，各向異性參數精度不夠，導致各向異性速度與井誤差大，嚴重影響鉆前深度預測精度。

1.3 基于井控地質約束各向異性參數反演

目前工業化各向異性參數反演的主要方法是旅行時反演，當偏移的速度和各向異性參數準確時，相應的共成像點道集(CIG)呈現拉平形態，當速度或各向異性參數不準確時，CIG道集出現非零剩余深度差，利用各向異性層析反演修正速度和各向異性參數，直至CIG道集拉平。由于實際深水勘探窄方位的拖纜采集信息不足和中深層信噪比低，從而導致了復雜地區多參數反演的不確定性，只有通過更多井的信息驗證和支持(如聲波、checkshots、VSP等)，才能獲得井點附近更準確的地震速度和各項異性參數δ值，再利用地震數據長偏移距時差來反演ε值。為了提高地震資料各向異性參數譜的精度和分辨能力，提出井控地質約束層析成像法反演各向異性參數，該方法采用結構張量法進行自動剩余時差(RMO)拾取，它可自動識別噪音和有效信號及選取非雙曲曲率，在拾取高質量的RMO后，使用自適應網格可以更好地匹配拾取信息，加入地質約束獲得穩定可靠地反演結果，使δ和ε符合地質規律，可有效減少各向異性參數的多解性。

整體上來說，井控地質構造約束層析反演包括如下三個步驟，技術實現流程見圖3。

圖3 井控地質構造約束層析反演技術流程Fig.2 Technical process of well control geological structure constrained tomography inversion

1)以測井的VP0作為各向同性的速度進行疊前深度偏移(ε和δ初始值為零)，獲得初始共成像點道集。

2)對共成像點道集進行RMO拾取，獲取高質量層析成像種子點。

3)自適應網格局部地質構造約束層析反演，求取各向異性參數。

在技術流程中自動RMO拾取采用結構張量法進行，其可自動識別噪音和有效信號及選取非雙曲曲率，結構張量可表示為：

(2)

式中：Px和Pz分別為水平和垂直方向上的局部振幅導數，由此可以得到結構張量的特征值和其相應的特征向量。

在拾取高質量的RMO后，使用自適應網格可以更好的匹配拾取信息，獲得穩定可靠的反演結果，除了常規的正則化和約束外，還應用了線性約束，可使δ和ε保持線性關系，反演目標函數可表示為式(3)。

f(x)=‖Sx-Δz‖2+α‖Rx‖2+

β‖Lx‖2+γ‖Ax‖2

(3)

其中：S為靈敏度矩陣；x為模型更新；R為正則化矩陣；L為δ和ε之間的線性關系矩陣；A為其他約束，如井mark約束；α、β、γ是權重因子。

圖4顯示了井控地質約束自適應網格局部層析成像反演的結果，因為各向異性的存在，這個道集同相軸初始是未拉平的，經過兩次迭代就可以很好地把道集拉平，并獲得一個穩定和合理且平滑的各向異性模型。從這個實際的數據例子，證明了使用自適應網格和δ、ε之間的線性約束，可獲得穩定和符合地質規律的解。將這種方法應用到其他井，反演出各井的各向異性參數，作為后續規律分析的基礎數據。

圖4 各向異性參數反演前后效果對比Fig.4 Effect comparison of anisotropic parameters before and after inversion(a)各向同性道集;(b)速度疊加測井;(c)各向同性剩余譜; (d)各向異性道集;(e)各向異性剩余譜;(f)反演前后各向異性

2 深水區井點各向異性參數規律分析

瓊東南盆地，水深變化大，約為100 m～3 000 m，深水區是指水深大于300 m的區域。盆地經歷了新生代的斷陷、斷坳、坳陷期等幾個構造演化階段，具有下斷上坳的雙層結構。發育了始新統陸相湖盆沉積、早漸新統崖城組海陸過渡相的半封閉淺海沉積、晚漸新統陵水組到早中新統三亞組陸表海沉積和中中新統梅山組、晚中新統黃流組、上新統鶯歌海組、更新統樂東組到現今陸架陸坡海相深水沉積等4套沉積組合[11]。

根據不同構造單元、水深及鉆井分布,將研究區劃分為陵水凹陷淺水區、陵水凹陷深水區(西)、陵水凹陷深水區(東)、中央峽谷帶區、寶島凹陷淺水區、寶島凹陷深水區等6個研究區(圖5)。

圖5 各向異性規律分析劃分示意圖Fig.5 Analysis and division diagram of anisotropic law

結合實際數據及鉆井分布情況，選取了具有代表性的12口井，采用上述基于井控地質約束各向異性參數反演方法，對各井進行各向異性參數反演，進而開展各向異性統計分析。根據各井的各向異性反演結果，這里統計了所劃分6個研究區的各向異性δ平均值(表1)。從表1可以看出，整體上各向異性在樂東組較小，黃流組和梅山組大；樂東組各向異性在0.02～0.045，鶯歌海組各向異性為0.07左右，黃流組各向異性變化較大為0.08～0.132，梅山組各向異性為0.08～0.11。

表1 瓊東南深水區各向異性參數δ統計

圖6為各向異性參數δ縱向變化統計曲線，其中：圖6(a)為陵水凹陷淺水區各向異性的縱向結構，可見在淺水區淺部各向異性小為0.022，向下到黃流組最大為0.081，在梅山組逐漸過渡到穩定；圖6(b)為陵水凹陷深水區各向異性的縱向結構，可見深水區淺部各向異性小為0.04，向下到黃流組最大約為0.127，在梅山組逐漸變小至0.11，到三亞組、陵水組趨于穩定約為0.08；圖6(c)為寶島凹陷各向異性的縱向結構，在寶島區淺部各向異性小為0.02，向下到黃流組、梅山組逐漸過渡到穩定，各向異性在淺水區約為0.11，深水區約為0.082，到三亞組均約為0.085。綜上,研究區各向異性縱向結構表現為：在淺水區，由淺層至深層各向異性逐漸增加，到黃流組、梅山組趨于穩定；在深水區，由淺層至深層各向異性先逐漸增加，到黃流組最大，再從梅山組開始減小，到三亞組、陵水組趨于穩定。

圖6 各向異性δ縱向規律統計Fig.6 Statistics of anisotropic δ longitudinal rule(a)陵水凹陷淺水區;(b)陵水凹陷深水區;(c)寶島凹陷

不同構造位置的各向異性結構不同，而且各向異性結構與速度建模精度有非常密切的關系，為了探尋不同的各向異性結構差異影響因素和提高鉆前深度預測精度，研究瓊東南盆地深水區各向異性場的平面結構是十分有意義的。如圖7所示，在樂東組，由淺水區至深水區各向異性逐漸增加，同一水深陵水凹陷各向異性大于寶島凹陷。圖8為鶯歌海組各向異性參數變化規律統計，可見鶯歌海組各向異性值基本一致約為0.07。圖9和圖10分別為黃流組與梅山組各向異性參數變化規律統計，可見陵水凹陷各向異性隨著水深增大逐漸增加，寶島凹陷各向異性隨著水深增大逐漸減小。在淺水區，由陵水凹陷到寶島凹陷各向異性增大，在深水區，由陵水凹陷到寶島凹陷各向異性減小。從各向異性的平面結構上看：

圖7 樂東組各向異性參數δ變化規律統計Fig.7 Statistics of variation rule of anisotropy parameter δ in Ledong formation

圖8 鶯歌海組各向異性參數δ變化規律統計Fig.8 Statistics of δ variation of anisotropic parameters in Yinggehai formation

圖9 黃流組各向異性參數δ變化規律統計Fig.9 Statistics of anisotropy parameter δ change law of Huangliu formation

圖10 梅山組各向異性參數δ變化規律統計Fig.10 Statistics of anisotropy parameter δ change of Meishan formation

1)在陵水凹陷由淺水區到深水區，各向異性整體上隨著水深增加逐漸增大。

2)在寶島凹陷由淺水區至深水區，樂東組與鶯歌海組的各向異性逐漸增大，黃流組和梅山組的各向異性逐漸減小，三亞組、陵水組各向異性趨于不變。

3)由陵水凹陷至寶島凹陷，在淺水區，樂東組和鶯歌海組各向異性逐漸減小，黃流組合梅山組則是逐漸增大；在深水區，各向異性逐漸減小。

結合測井巖性解釋和壓力系數信息分析，C8井、C9井、C10井在黃流組均為常壓，其中C10井泥巖含量約32%，C8井與C9 井泥巖含量約99%，它們對應的各向異性δ參數分別為0.078、0.12、0.132，可見巖性對各向異性大小起決定性影響。通過對研究區各向異性的規律分析，經應用可以明顯減小疊前深度偏移數據與鉆井的深度誤差，在T60，C8井的深度誤差由+75 m減小為-15 m，C9井則由+100 m減小到-9 m，可為深水區無井少井下速度建模和構造落實提供借鑒。

3 結論

1)通過基于井控地質約束反演方法，建立精確的各向異性δ參數模型，然后分析了陵水及寶島凹陷的各向異性參數的變化規律，該研究分析對瓊東南盆地深水區無井、少井下精細速度建模和減小井震誤差有借鑒意義。

2)研究區內各向異性地層主要集中在鶯歌海組、黃流組、梅山組，這些層段表現出較強各向異性，測井速度比各向同性速度明顯偏低。

3)通過與測井解釋對比分析，在研究區內地層泥巖含量是影響各向異性參數值的主要原因，其次是有效壓實(地層厚度)。