分頻融合反演技術(shù)在春光探區(qū)的應(yīng)用

張新超 李 鋒 嚴(yán)永新 王 勇 張 馳 岳欣欣

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

1 引言

在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域，通過波阻抗反演將地震剖面轉(zhuǎn)換為具有高分辨率、高精度的波阻抗剖面，進(jìn)而研究地下目標(biāo)體(儲(chǔ)層、油氣層等)的空間幾何形態(tài)及微觀特征[1-3]。與地震剖面相比，波阻抗剖面能更直接地與巖性聯(lián)系起來，儲(chǔ)層響應(yīng)也更加明顯，對于儲(chǔ)層預(yù)測和識(shí)別具有重要作用。

測井約束模型反演應(yīng)用較廣、效果較好[3]。該方法綜合運(yùn)用地震、測井、地質(zhì)等資料進(jìn)行反演，得到的波阻抗數(shù)據(jù)與地震、測井資料對應(yīng)較好，多用于地質(zhì)綜合解釋。為了更精細(xì)地描述儲(chǔ)層，特別是識(shí)別薄儲(chǔ)層，需要能提高分辨率的反演方法[4-9]。例如基于調(diào)諧頻率約束的高分辨率反演方法[6]，利用地震數(shù)據(jù)的調(diào)諧頻率和分頻處理分析，半定量地確定能夠識(shí)別目標(biāo)儲(chǔ)層厚度時(shí)的地震頻率，并將其作為地震反演的約束條件。這些高分辨率反演方法，雖然提高了垂向分辨率，但對提高橫向分辨率作用不大[9,10]。為了解決橫向分辨率的問題，許多學(xué)者利用地質(zhì)建模等方法得到橫向變化較為準(zhǔn)確的模型[11-15]。另外，為了提高反演精度，近年來提出了分步反演的思路[16-19]。這些反演新方法和新思路在油氣勘探中取得了較好的應(yīng)用效果。

春光探區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西緣車排子凸起，在新近系沙灣組、古近系、白堊系等地層內(nèi)發(fā)育多套有利地層，儲(chǔ)層埋藏淺、壓實(shí)作用和膠結(jié)作用差，因而砂巖儲(chǔ)層孔隙度普遍較高，儲(chǔ)層段的速度、密度低于圍巖泥巖，因此可以利用低波阻抗這一顯著特征識(shí)別儲(chǔ)層。但是由于部分儲(chǔ)層厚度薄、規(guī)模小且橫向變化快，常用的高分辨率反演方法不能適用于該區(qū)儲(chǔ)層預(yù)測[20,21]。

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測，需要一種既能提高垂向分辨率、又能保證橫向識(shí)別能力的反演方法。本文提出了分頻融合反演方法，在測井約束模型反演的基礎(chǔ)上提高了垂向分辨率，并保留了模型反演的準(zhǔn)確性；利用地震調(diào)諧頻率約束的高分辨率反演結(jié)果，降低了測井資料高頻信息橫向插值的不確定性。用該方法得到的波阻抗數(shù)據(jù)，適用于儲(chǔ)層較薄且橫向變化快的油氣區(qū)的儲(chǔ)層預(yù)測。

2 地質(zhì)特征

車排子凸起西面和北面鄰近扎伊爾山，南面為四棵樹凹陷，向東以紅—車斷裂帶與昌吉凹陷以及中拐凸起相接，總體表現(xiàn)為向東南傾伏的單斜構(gòu)造(圖1)。由于車排子凸起長期處于隆升狀態(tài)，東部和南部緊鄰昌吉和四棵樹兩大生烴凹陷，這兩個(gè)凹陷的油氣均能運(yùn)移至春光探區(qū)聚集成藏。春光探區(qū)雖為源外成藏，但油源條件仍然較優(yōu)越[21]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地春光探區(qū)構(gòu)造位置圖

研究區(qū)地層由老至新分別為石炭系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。新近系沙灣組是春光探區(qū)乃至車排子凸起最重要的油氣勘探層系之一，該組可細(xì)分為沙一段、沙二段和沙三段。該區(qū)構(gòu)造簡單、斷裂欠發(fā)育，油藏以巖性油氣藏為主，大部分為稀油油藏，可見少量氣藏和稠油油藏。

由于沙灣組儲(chǔ)層埋藏淺(小于2000m)，成巖作用弱，油層的測井曲線多呈現(xiàn)“高電阻率、高孔隙度、高滲透率”的“三高”特征，孔隙度為31%～38%，滲透率為(700～1500)×10-3μm2。取心數(shù)據(jù)表明，儲(chǔ)層段砂巖壓實(shí)程度低，砂巖疏松，膠結(jié)差。聲波曲線表現(xiàn)為明顯的低速特征。

3 薄儲(chǔ)層識(shí)別技術(shù)

3.1 地震資料提頻處理

近年來，春光探區(qū)儲(chǔ)層多為薄互層，面臨的重要問題是薄儲(chǔ)層識(shí)別。多口鉆井連井剖面揭示，從探區(qū)南部到北部，地層逐漸變薄，鉆遇的砂巖層數(shù)逐漸減少，這意味著探區(qū)內(nèi)發(fā)育了多套尖滅的地層。將新近系沙灣組劃分為三段，從下到上分別為沙一段、沙二段和沙三段。其中沙一段分為四個(gè)砂組，沙二段分為三個(gè)砂組。春光探區(qū)西南部目的層是沙一段的 Ⅰ砂組和Ⅱ砂組。目前已在Ⅱ砂組中發(fā)現(xiàn)了4套砂層尖滅線，在Ⅰ砂組發(fā)現(xiàn)了5套砂層尖滅線，在其他砂組也發(fā)現(xiàn)多套砂層尖滅線。另外，在下部的古近系和白堊系中也發(fā)育有薄儲(chǔ)層。

春光探區(qū)這些薄儲(chǔ)層、薄互層、尖滅線的發(fā)育，使得對地震資料品質(zhì)的要求也更高，近年來根據(jù)不同地質(zhì)需求所處理的地震資料累計(jì)達(dá)5套。春光探區(qū)地震資料為三維高精度采集，三維地震資料達(dá)到滿覆蓋，面元為10m×10m，采樣間隔為1ms。常規(guī)疊后地震資料主頻約為55～65Hz，頻寬為10～160Hz。提頻處理后，地震資料的主頻更高，達(dá)到70～80Hz。砂泥巖薄互層中的砂巖和泥巖的厚度一般為2～5m，利用地震資料識(shí)別薄層和尖滅線時(shí)，受到了數(shù)據(jù)分辨率的限制。例如在提頻后的地震資料上，對Ⅱ砂組只能識(shí)別出3組反映砂巖地層的同相軸，而實(shí)際上有4套砂層，這是薄互層反射的調(diào)諧效應(yīng)所致。

3.2 常規(guī)高分辨率反演方法

目前常用的80Hz地震資料已經(jīng)過提頻處理，若進(jìn)一步提高頻率和拓寬頻帶，會(huì)出現(xiàn)大量的高頻噪聲。為此利用多種反演方法提高分辨率，識(shí)別薄儲(chǔ)層。

目前已針對春光探區(qū)開展了多種反演方法的分析和研究，包括地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演、波阻抗反演和擬自然電位(SP)反演等。對比多種反演結(jié)果可知，常規(guī)波阻抗反演基本不能提高地震資料的分辨率，其分辨能力與地震剖面相當(dāng)；地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演明顯提高了垂向分辨率，反演結(jié)果中的砂巖層與鉆井結(jié)果匹配較好。然而，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演雖然提高了垂向分辨率，但橫向分辨率被極大地降低了，這是因?yàn)槠浣Y(jié)果過多地依靠鉆井的橫向插值。擬SP反演結(jié)果與鉆井儲(chǔ)層吻合得最好，這是因?yàn)樵谠撎絽^(qū)的測井資料中，SP曲線比聲波、密度曲線更能反映砂巖地層。然而，在擬SP反演結(jié)果中，鉆井之間的預(yù)測更多地依據(jù)于SP模型，與地震剖面差異較大，導(dǎo)致鉆井之間地層預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度和真實(shí)性被降低。

3.3 分頻融合反演方法

針對春光探區(qū)薄儲(chǔ)層的特點(diǎn)，本文提出了一種分頻融合波阻抗反演技術(shù)，在地層較薄且橫向變化較快的油氣區(qū)，提供垂向分辨率較高且橫向變化較為準(zhǔn)確的波阻抗數(shù)據(jù)處理方法，其技術(shù)流程見圖2，具體步驟如下。

圖2 分頻融合反演流程

(1)利用初始地震資料和多口鉆井的測井資料進(jìn)行常規(guī)測井約束模型反演，得到測井約束模型反演結(jié)果M0。

(2)對地質(zhì)模型進(jìn)行地震正演模擬，建立不同主頻地震子波時(shí)的地層厚度與調(diào)諧頻率之間的關(guān)系；根據(jù)測井中地層厚度特征，確定地震資料識(shí)別這些地層所需的頻率范圍(fmin～fmax)。

(3)利用時(shí)頻分析技術(shù)，對初始地震資料進(jìn)行分頻處理，獲取頻率范圍fmin～fmax所對應(yīng)的地震資料S0。

(4)以M0為初始模型，通過稀疏脈沖約束，計(jì)算初始模型的約束條件參數(shù)

(1)

式中：L為后續(xù)反演的約束條件參數(shù)；β=1.0×10-8max(M0)，決定參數(shù)計(jì)算結(jié)果的精度。

(5)以M0為初始模型，通過反復(fù)更新和迭代，進(jìn)行高分辨率反演

aL(M0)

(2)

式中：MH為高分辨率反演結(jié)果；G為靈敏度矩陣；GT為靈敏度矩陣的轉(zhuǎn)置；Cn為S0的噪聲協(xié)方差矩陣；Cm為模型M0的協(xié)方差矩陣；D是合成地震記錄；a為正則化參數(shù)矩陣。

(6)對M0和MH分別做傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)；將兩個(gè)頻域數(shù)據(jù)分頻段相加，其中M0保留0～fmin頻段的信息，MH保留fmin～fmax頻段的信息；對合并結(jié)果進(jìn)行反傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為時(shí)間域數(shù)據(jù)，得到分頻融合反演結(jié)果。

4 薄儲(chǔ)層地質(zhì)模型反演

通過建立地質(zhì)模型并進(jìn)行反演，驗(yàn)證分頻融合反演的可行性與可靠性。建立了三個(gè)地質(zhì)模型(表1)，先通過地震正演得到相應(yīng)的地震剖面，然后進(jìn)行反演，并將反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)模型對比，以驗(yàn)證結(jié)果是否準(zhǔn)確。對模型進(jìn)行地震正演和反演所用的地震子波均為實(shí)際地震平均子波。

表1 正演模型參數(shù)表

4.1 模型一：薄層模型

模型一為單一薄層模型，地質(zhì)模型如圖3a所示，即在厚層高阻抗背景中存在一個(gè)薄層低波阻抗地層。圖3b是利用實(shí)際地震子波正演模擬得到的地震剖面，為典型的“兩黑加一紅”的反射特征； 圖3c是波阻抗反演結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)模型對比，基本能夠反映地質(zhì)特征，但低波阻抗部分與實(shí)際厚度尚有細(xì)微差異； 圖3d是分頻融合反演結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)剖面和波阻抗反演結(jié)果對比，其反演結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映儲(chǔ)層厚度。

4.2 模型二：楔狀模型

模型二為一楔狀模型(圖4a)，在厚層高阻抗背景中存在一個(gè)薄層低波阻抗地層。圖4b是利用實(shí)際地震子波正演得到的地震剖面，可見在地震分辨率只能夠準(zhǔn)確反映地層較厚的部分，也表現(xiàn)為典型的“兩黑加一紅”的反射特征； 圖4c是波阻抗反演結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)模型對比，基本能夠反映地質(zhì)特征，但在地層較薄處，波阻抗值和厚度均與實(shí)際地質(zhì)模型有差異；圖4d是分頻融合反演的結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)剖面和波阻抗反演結(jié)果對比，反演結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映儲(chǔ)層的位置和厚度變化。盡管分頻融合反演結(jié)果也難以識(shí)別極薄的地層，但對薄層尖滅點(diǎn)的識(shí)別，明顯具有更高的精度。

圖3 薄層地質(zhì)模型(a)、地震正演波形(b)、波阻抗反演結(jié)果(c)及分頻融合反演結(jié)果(d)對比

圖4 楔狀模型(a)、地震正演波形(b)、波阻抗反演結(jié)果(c)及分頻融合反演結(jié)果(d)對比

4.3 模型三：薄互層模型

模型三為薄互層模型圖(5a)，在厚層高阻抗背景中有多套低波阻抗薄層互層。設(shè)定互層厚度不能被50Hz主頻地震資料(與實(shí)際地震資料相同)所識(shí)別。圖5b是利用實(shí)際地震子波正演得到的地震剖面，顯然，地震資料不能夠識(shí)別這些薄互層，僅能夠識(shí)別整個(gè)薄互層組的頂和底。圖5b中的黑線為依據(jù)地震資料強(qiáng)波峰和強(qiáng)波谷追蹤的地震層位。反演使用這些層位作為約束，以使模型模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。圖5c是波阻抗反演結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)模型對比，不能夠反映其地質(zhì)特征，其分辨率與地震資料相近，僅能夠識(shí)別整個(gè)薄互層的頂和底；圖5d是分頻融合反演結(jié)果，與實(shí)際地質(zhì)剖面和波阻抗反演結(jié)果對比，其反演結(jié)果能夠進(jìn)一步準(zhǔn)確反映薄互層儲(chǔ)層的深度和厚度。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

春光探區(qū)儲(chǔ)層埋藏淺、壓實(shí)作用和膠結(jié)作用差，致使砂巖儲(chǔ)層普遍孔隙度高、儲(chǔ)層薄、規(guī)模小、橫向變化較快。由于儲(chǔ)層段的速度、密度均低于圍巖(泥巖)，可利用低波阻抗識(shí)別儲(chǔ)層，并利用分頻融合技術(shù)識(shí)別這些厚度薄、規(guī)模小且橫向變化快的儲(chǔ)層。

利用地震資料、地震解釋層位、測井資料完成分頻融合反演，并保留測井約束模型反演和高分辨率反演結(jié)果，用以對比并分析幾種結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖6展示了相同位置的屬性剖面對比(剖面位置見圖8中A-B折線)。波阻抗曲線反映了儲(chǔ)層發(fā)育程度，其值越低，表明儲(chǔ)層越發(fā)育。剖面經(jīng)過的目的層為薄砂層，可見C1井儲(chǔ)層不發(fā)育，C2井儲(chǔ)層厚度約為6m，C3井儲(chǔ)層厚度約為3m。

圖6a為測井約束模型反演剖面，可見垂向分辨率較低，低波阻抗不能完全反映儲(chǔ)層的展布。盡管能夠指示C1井的非儲(chǔ)層和C2井6m厚的儲(chǔ)層發(fā)育特征，但對于C3井厚度為3m的儲(chǔ)層反映不好。在C3井對應(yīng)的目標(biāo)儲(chǔ)層處，反演波阻抗為6250m·s-1·g·cm-3，高于測井曲線中儲(chǔ)層段的波阻抗(<6000m·s-1·g·cm-3)。早期在C3井還沒有鉆探時(shí)，利用分辨率不足的測井約束模型反演結(jié)果，認(rèn)為該處發(fā)育泥巖。

圖6b為分頻融合反演結(jié)果，圖中可見波阻抗反演剖面垂向分辨率得到了提高，所反映的儲(chǔ)層與鉆井吻合；特別是C3井3m厚的目標(biāo)儲(chǔ)層指示較好，且右側(cè)的砂泥巖相變點(diǎn)顯示也較清楚。另外，在目的層上部和下部的大套地層中，垂向分辨率得到了明顯提高。

圖6c為利用調(diào)諧頻率約束得到的高分辨率反演結(jié)果，可見波阻抗反演剖面的垂向分辨率最高，但測井之間的橫向變化特征指示不好。在C1井與C2井之間，顯示的儲(chǔ)層段明顯與圖6a中差別較大。由于C1井儲(chǔ)層不發(fā)育，而圖6c中卻顯示C1井儲(chǔ)層發(fā)育，說明預(yù)測的儲(chǔ)層發(fā)育特征與鉆井不符，因此認(rèn)為圖6c中的儲(chǔ)層預(yù)測結(jié)果不正確。

圖7為圖6中三個(gè)剖面對應(yīng)的頻譜，據(jù)此進(jìn)一步分析反演結(jié)果的可靠性和實(shí)用性，可見： ①0～70Hz頻段的頻譜值與測井約束模型反演結(jié)果中相應(yīng)頻段的頻譜值相近，這些低、中頻能量主要反映地層的基本構(gòu)造形態(tài)；②融合常規(guī)反演結(jié)果與高分辨率反演結(jié)果頻譜的70～150Hz頻段內(nèi)的信息，在常規(guī)反演結(jié)果頻譜能量的基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充了高分辨率反演結(jié)果的高頻能量，從而既增加了高頻信息，提高了垂向分辨能力，又保留了常規(guī)反演低頻能量、能夠體現(xiàn)儲(chǔ)層橫向變化特征； ③150～250Hz頻段對應(yīng)的頻譜與高分辨率反演結(jié)果對應(yīng)的頻譜相近，進(jìn)一步增加了高頻能量，提高了地層垂向分辨率；另外，高于250Hz的頻譜主要表現(xiàn)為規(guī)律性的能量逐漸減弱的波動(dòng)，表明為以噪聲為主，因此在融合過程中被舍棄。

圖6 反演結(jié)果連井剖面對比圖

圖7 反演結(jié)果連井剖面目標(biāo)層頻譜特征對比

圖8展示了不同反演方法分別預(yù)測的儲(chǔ)層平面展布形態(tài)。對比可見，圖8a展示了目的層油藏的形態(tài)，但對于油藏上部邊緣儲(chǔ)層較薄處的刻畫不準(zhǔn)確；圖8c能夠凸顯上部薄儲(chǔ)層的分布，但橫向上油藏形態(tài)刻畫不清，無鉆井處儲(chǔ)層預(yù)測結(jié)果的隨機(jī)性和不確定性較大；只有圖8b，既能夠準(zhǔn)確反映油藏的整體形態(tài)，又能夠凸顯C3井處的薄儲(chǔ)層，同時(shí)對該油藏的邊界也進(jìn)行了準(zhǔn)確刻畫，效果最好。

圖8 基于不同反演結(jié)果預(yù)測的儲(chǔ)層平面展布特征對比

對比圖6～圖8的三種反演方法對儲(chǔ)層預(yù)測的結(jié)果可見，盡管分頻融合反演結(jié)果比高分辨率反演結(jié)果的分辨率略低，但其能夠在一定程度上提高垂向分辨率，并確保模型反演的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低測井資料高頻信息在橫向上插值時(shí)的不確定性。該方法得到的波阻抗數(shù)據(jù)，能夠適用于儲(chǔ)層較薄且橫向變化快的油氣區(qū)的儲(chǔ)層預(yù)測。

6 結(jié)論

(1)針對高分辨率反演結(jié)果對井間儲(chǔ)層反映不準(zhǔn)確的問題，提出了分頻融合反演方法：將常規(guī)模型反演結(jié)果作為初始模型，利用高頻地震資料進(jìn)行高分辨率反演；在測井約束模型反演的基礎(chǔ)上提高了垂向分辨率，并保證模型反演的準(zhǔn)確性；同時(shí)利用地震調(diào)諧頻率約束的高分辨率反演結(jié)果，降低測井資料高頻信息橫向插值時(shí)的不確定性。

(2)春光探區(qū)部分儲(chǔ)層厚度薄、規(guī)模小且橫向變化快，利用分頻融合反演方法在多個(gè)井區(qū)實(shí)際應(yīng)用，均獲得了良好的效果，為春光探區(qū)的井位部署提供了技術(shù)支持。