基于波形指示反演在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的研究及應(yīng)用

吳景超 孔栓栓 喬 柱 郭 軒 張德龍

中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300452

0 前言

隨著渤海油田勘探的不斷深入,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度需求不斷提高。目前，新近系儲(chǔ)層研究面臨儲(chǔ)層品味差,薄層和非均質(zhì)儲(chǔ)層占比大的難題。地震反演作為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的重要技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]，其中地震波阻抗反演是綜合應(yīng)用地震和測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)[2]。常規(guī)的波阻抗反演包括稀疏脈沖反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演,稀疏脈沖反演是一種基于脈沖反褶積基礎(chǔ)上的遞推反演方法,認(rèn)為地下反射系數(shù)序列是由少數(shù)大的反射系數(shù)疊加眾多小的反射系數(shù)構(gòu)成的,反演結(jié)果分辨率低、多解性強(qiáng),適合井少的勘探階段[3]。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演是一種將隨機(jī)模擬理論與地震反演相結(jié)合的方法,但存在橫向分辨率低,對(duì)井?dāng)?shù)和井位分布要求高的缺陷[4-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者盛述超等人首先提出了波形指示反演方法,并對(duì)該反演方法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[7-9];韓長(zhǎng)城等人利用波形指示反演方法預(yù)測(cè)中深層儲(chǔ)層取得較好的效果[10-11]。在針對(duì)淺層新近系儲(chǔ)層的分辨率提高上,目前在具體工區(qū)中的研究及應(yīng)用實(shí)例較少。針對(duì)上述問(wèn)題,本文嘗試應(yīng)用新的反演方法——波形指示反演,在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演的基礎(chǔ)上,通過(guò)井震協(xié)同表征,即地震合理參與并協(xié)助完成井間高頻成分預(yù)測(cè),進(jìn)一步提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度和可靠性。

1 波形指示反演方法原理

波阻抗反演的頻譜主要由三部分構(gòu)成:低頻成分、中頻成分和高頻成分。其中低頻成分來(lái)自于井插值模型;中頻成分利用地震數(shù)據(jù)求取相對(duì)波阻抗獲得;高頻成分的估計(jì)是基于樣本井的統(tǒng)計(jì),當(dāng)利用貝葉斯理論進(jìn)行反演時(shí),反問(wèn)題的解并不是單一解,而是一個(gè)后驗(yàn)概率分布,最終得到的是一個(gè)最大概率結(jié)果,具有不確定性。

1.1 井震協(xié)同表征

地震波是一系列薄層組合結(jié)構(gòu)調(diào)諧的結(jié)果,并不簡(jiǎn)單代表兩個(gè)巖性的分界面,雖然薄層在地震上無(wú)法分辨,但會(huì)對(duì)地震波形產(chǎn)生影響。利用已鉆井統(tǒng)計(jì)地震波形所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu),對(duì)薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)具有重要意義。由于地震與井曲線并非逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此通過(guò)結(jié)構(gòu)化的模擬更符合垂向旋回特征。

統(tǒng)計(jì)學(xué)反演屬于井震聯(lián)合反演,本質(zhì)上井和地震脫節(jié),中頻和高頻各自獨(dú)立,高頻部分只用井,沒(méi)有用到地震信息。波形指示反演基于井震協(xié)同表征,即地震合理參與并協(xié)助完成井間高頻成分預(yù)測(cè),從而進(jìn)一步提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度和可靠性。解決井震協(xié)同的關(guān)鍵是充分挖掘地震資料的潛力,傳統(tǒng)地震反演注重研究地震反射系數(shù)信息,忽視地震波形的變化信息。地震波形蘊(yùn)含巖層的沉積旋回信息,其橫向變化與沉積環(huán)境相關(guān),表現(xiàn)為:

1)相似的沉積環(huán)境下,具有相似的曲線旋回特征。

2)相似的巖性組合結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相似的地震波形。

3)地震波形橫向變化可以指示儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的分類(lèi),相似的波形所代表的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)具有可類(lèi)比性。因此基于地震波形橫向變化信息表征儲(chǔ)層空間變異結(jié)構(gòu),符合相控思想。

選取A、B兩口井研究層段的波阻抗曲線,如圖1所示分別進(jìn)行500、200、100和70 Hz的頻率濾波,當(dāng)頻率達(dá)到70 Hz時(shí),兩口井的阻抗曲線相關(guān)度達(dá)到了94%。研究表明A、B兩口井研究層段的地震波形相似,表明這兩口井的沉積環(huán)境是相似的,雖然其高頻成分受不同沉積微相的影響差異較大,但其低頻具有共性,且共性頻帶范圍大幅度超出了地震有效頻帶。以A油田為例，其地震資料的有效頻帶為8～60 Hz,而基于波阻抗曲線檢測(cè)的頻率可達(dá)到70 Hz。有效增強(qiáng)反演結(jié)果中頻帶的確定性,使反演結(jié)果的確定性更強(qiáng)。

1.2 樣本優(yōu)選

地震波形指示反演和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演的最大區(qū)別在于統(tǒng)計(jì)樣本的篩選。傳統(tǒng)方法是基于空間域的變差函數(shù),受井位分布和變程的影響。波形指示反演優(yōu)選統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)采用波形對(duì)比的方法[12-14]。首先基于地震解釋層位建立等時(shí)格架模型,按照地震波形特征對(duì)已知井進(jìn)行分析,優(yōu)選與待判別道波形關(guān)聯(lián)度高的井作為空間估值樣本,利用樣本井的初始阻抗，采用分頻的方法反復(fù)濾除高頻段信息并在樣本間進(jìn)行比對(duì),保留確定性頻率成分。在貝葉斯框架下聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗(yàn)分布,不斷擾動(dòng)模型參數(shù),對(duì)初始模型的高頻成分進(jìn)行優(yōu)化,使后驗(yàn)概率分布函數(shù)最大時(shí)的解作為有效的隨機(jī)實(shí)現(xiàn),取多次有效實(shí)現(xiàn)的均值作為期望值輸出[15-20]。

2 應(yīng)用實(shí)例

渤中A油田在明下段Ⅳ、Ⅴ油組發(fā)育河流相沉積,儲(chǔ)層物性較好。由于地震資料分辨率低,砂包泥及砂泥互層型儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)井震響應(yīng)差,地震剖面上難以對(duì)單砂體進(jìn)行刻畫(huà)。由于儲(chǔ)層橫向物性變化快,砂泥波阻抗疊置嚴(yán)重,常規(guī)屬性對(duì)儲(chǔ)層展布不敏感,難以預(yù)測(cè)儲(chǔ)層分布。

2.1 儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征分析

渤中A油田新近系明下段廣泛發(fā)育河流相和極淺水三角洲,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層集中在明下段Ⅳ、Ⅴ油組,儲(chǔ)層物性較好。通過(guò)完鉆井分析該目的層段均見(jiàn)到不同程度油氣顯示,儲(chǔ)蓋組合橫向比較穩(wěn)定,是目前勘探的主要含油氣層段。

a)0～500 Hz濾波后A、B井波阻抗相關(guān)性31%

b)0～200 Hz濾波后A、B井波阻抗相關(guān)性57%

c)0～100 Hz濾波后A、B井波阻抗相關(guān)性82%

d)0～70 Hz濾波后A、B井波阻抗相關(guān)性94%圖1 不同頻率濾波后A、B井波阻抗相關(guān)性曲線圖

針對(duì)渤中A油田的18口已鉆井,通過(guò)制作合成記錄進(jìn)行精細(xì)的時(shí)深標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上對(duì)儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。明下段Ⅳ、Ⅴ油組的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)大體可以分為三種:

1)厚砂夾薄泥型,以圖2-a)為例,砂組位于明下段Ⅴ油組 1 275～1 350 m層段,砂巖厚56 m,砂地比高達(dá)75.9%,地震剖面上表現(xiàn)為:反射軸相互干涉嚴(yán)重,呈虛白弱反射,難以進(jìn)行砂體追蹤解釋。

a)厚砂夾薄泥型儲(chǔ)層

b)厚層砂型儲(chǔ)層

c)泥巖背景下的單層砂圖2 不同類(lèi)型儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征圖

2)厚層砂型,其砂體厚度對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)左右,砂體頂界面反射清晰,底界面不清晰,同樣難以進(jìn)行砂體追蹤解釋?zhuān)?jiàn)圖2-b)。

3)泥巖背景下的“單層砂”型,砂泥巖的厚度比較適中,且井震對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,可以進(jìn)行砂體解釋?zhuān)?jiàn)圖2-c)。

基于上述井震對(duì)比的分析結(jié)果,該區(qū)域主要解決的地質(zhì)問(wèn)題是針對(duì)厚砂夾薄泥型和厚層砂型的儲(chǔ)層刻畫(huà)問(wèn)題。

2.2 聲波曲線重構(gòu)

聲波曲線重構(gòu)技術(shù)是針對(duì)波阻抗重疊的問(wèn)題,以巖石物理學(xué)為基礎(chǔ),利用和巖性相關(guān)的測(cè)井曲線重構(gòu)出具有同量綱的擬聲波曲線,使得它既能反映地層速度和波阻抗特征,又能反映巖性差異,從而建立儲(chǔ)層特征與地震之間的聯(lián)系。

本次研究選取了自然電位曲線對(duì)聲波曲線進(jìn)行重構(gòu)。由于隨著地層深度的增加,聲波曲線存在明顯的壓實(shí)效應(yīng),因此需要將聲波曲線減去低頻濾波后的壓實(shí)曲線，即完成壓實(shí)校正。壓實(shí)校正后的聲波曲線能更客觀地反應(yīng)儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層的速度差異,而排除地層深度的干擾。此外由于不同測(cè)井儀器的電位值不同以及井況好壞等問(wèn)題,還需對(duì)自然電位曲線進(jìn)行基線校正和標(biāo)準(zhǔn)化等預(yù)處理。曲線重構(gòu)過(guò)程中可以對(duì)參與重構(gòu)的曲線權(quán)重進(jìn)行設(shè)置,將重構(gòu)后的聲波曲線與原始曲線對(duì)比,對(duì)儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層的敏感性有較大提高，見(jiàn)圖3。關(guān)于重構(gòu)曲線的合理性可以通過(guò)制作合成記錄進(jìn)行驗(yàn)證,利用重構(gòu)后的聲波曲線制作合成記錄,井震關(guān)系對(duì)應(yīng)良好且相關(guān)性有所提高,說(shuō)明重構(gòu)曲線并未改變聲波曲線中低頻的成分。利用重構(gòu)聲波曲線計(jì)算波阻抗,交會(huì)結(jié)果見(jiàn)圖4,儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層的波阻抗區(qū)分性明顯變好,為利用波阻抗進(jìn)行高精度反演奠定了基礎(chǔ)。

圖3 基于自然電位曲線重構(gòu)的聲波曲線圖

圖4 縱波阻抗和伽瑪交會(huì)圖

2.3 波形指示反演效果分析

針對(duì)研究區(qū)的20口探井,在貝葉斯框架下,首先實(shí)現(xiàn)先驗(yàn)解的空間有效采樣,然后采用“地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬(SMC-MC)”算法對(duì)后驗(yàn)概率分布抽樣,從而實(shí)現(xiàn)波形指示反演。選取了其中3口井作為反演結(jié)果的后驗(yàn)井,對(duì)明下段Ⅳ、Ⅴ油組儲(chǔ)層的驗(yàn)證符合率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),該方法對(duì)5～13 m的單砂體識(shí)別率達(dá)到85.7%。此外基于波形指示反演的結(jié)果與常規(guī)的地震剖面及90度相移剖面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3.1 分辨率提高

A 1井是A井?dāng)鄬由仙P(pán)的側(cè)鉆井,由于是斜井缺失聲波、密度測(cè)井資料,無(wú)法參與反演,作為驗(yàn)證井對(duì)反演結(jié)果分析。井上鉆探結(jié)果顯示砂體A-1是一套頂部為4.7 m的砂體,中間為6 m的泥巖夾層,下部砂體A-2為7.3 m的砂巖,常規(guī)的地震剖面上形成一套相互干涉的復(fù)波,難以對(duì)兩套砂體進(jìn)行區(qū)分,提取的振幅屬性為A砂層組的綜合響應(yīng),很難對(duì)兩個(gè)砂體的展布特征進(jìn)行分別刻畫(huà)?；诓ㄐ沃甘痉囱莸慕Y(jié)果見(jiàn)圖5-a)；兩套砂體能夠有效的區(qū)分,通過(guò)提取地層切片屬性,可以看出砂體A-1為河道的邊灘,砂體呈片狀分布，見(jiàn)圖5-b)；而砂體A-2為典型的河流相,平面上發(fā)育為一狹長(zhǎng)河道，見(jiàn)圖5-c)。該反演結(jié)果與井上鉆探儲(chǔ)層結(jié)果吻合,有效地提高了儲(chǔ)層識(shí)別的分辨率。反演結(jié)果表明波形指示反演在橫向上忠實(shí)于地震趨勢(shì),垂向上忠實(shí)于井,分辨率得到有效提高,剖面吻合性好,井間砂體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。

2.3.2 識(shí)別厚儲(chǔ)層底

B井位于兩條Y字形斷層所夾持的油氣富集塊,目的層段儲(chǔ)層比較發(fā)育,其中在1～2 m的層段內(nèi)連續(xù)發(fā)育兩套厚儲(chǔ)層。地震剖面上儲(chǔ)層頂面對(duì)應(yīng)強(qiáng)振幅波峰,儲(chǔ)層底面無(wú)響應(yīng),見(jiàn)圖6,難以確定儲(chǔ)層的發(fā)育程度。選取B井作為后驗(yàn)井,得到的反演剖面顯示,砂體B的底界面與阻抗底界面基本一致,見(jiàn)圖7?；诓ㄐ沃甘痉囱莸慕Y(jié)果提取地層切片屬性,對(duì)厚砂體的平面展布精確刻畫(huà),基本實(shí)現(xiàn)了厚儲(chǔ)層的半定量表征。

a)A-1井的波形指示反演結(jié)果

b)砂體A-1的最小振幅屬性

c)砂體A-2的最小振幅屬性圖5 波形指示反演效果分析圖

圖6 B井砂體的地震響應(yīng)特征圖

圖7 B井的波形指示反演結(jié)果圖

3 結(jié)論

1)針對(duì)厚砂夾薄泥型的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu),地震反射弱響應(yīng)或無(wú)響應(yīng),地震波行指示反演難以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層刻畫(huà)。

2)針對(duì)厚砂層,地震波行指示反演能夠有效地刻畫(huà)儲(chǔ)層底界面,基本實(shí)現(xiàn)半定量表征厚儲(chǔ)層。

3)針對(duì)泥巖背景下的“單層砂”,波形指示反演提高了分辨率;對(duì)相互疊置的砂體,實(shí)現(xiàn)單砂體的分別刻畫(huà)。