桑托斯盆地A區(qū)塊碳酸鹽巖及火成巖地震預(yù)測*

史瑞其 張世鑫 侯 波 賈懷存

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

A區(qū)塊位于南美洲桑托斯盆地超深水區(qū)(水深>1 800 m)，目的層為鹽下裂谷期的湖相碳酸鹽巖，地震儲層預(yù)測是降低勘探風(fēng)險(xiǎn)的主要手段。但該區(qū)碳酸鹽巖較致密、剛性大、非均質(zhì)性強(qiáng)[1-5]，增加了預(yù)測難度。生產(chǎn)上常用的碳酸鹽巖儲層預(yù)測方法主要有兩類：一類是利用地震相對信息，如地震屬性[6-9];另一類是融入了低頻信息，通過絕對阻抗反演獲得彈性參數(shù)進(jìn)行預(yù)測[10-12]。該區(qū)碳酸鹽巖為孔隙類且屬于巨厚型儲層，并與火成巖伴生發(fā)育，兩種巖石疊后地震響應(yīng)特征類似，依靠地震屬性、疊后反演等手段難以保證預(yù)測可靠性。同時(shí)，湖相碳酸鹽巖屬于生物灰?guī)r，而生物礁、火山的空間展布不存在典型可參考的幾何特征，往往需要借助井控、地質(zhì)解釋等主觀手段進(jìn)行干預(yù)，降低了地震預(yù)測的客觀性。

本文針對上述難點(diǎn)，利用全波形反演速度提供的低頻信息建立了可靠的初始彈性參數(shù)模型，并結(jié)合寬頻地震進(jìn)行疊前反演；利用貝葉斯分類方法，基于反演獲取的縱波阻抗、橫波阻抗體對巖性進(jìn)行定量預(yù)測。

1 工區(qū)概況

A區(qū)塊在鹽下地層發(fā)育一大型背斜圈閉，古構(gòu)造恢復(fù)研究認(rèn)為圈閉范圍內(nèi)基本屬于生物礁發(fā)育的古構(gòu)造高區(qū)(圖1)。目的層發(fā)育兩套碳酸鹽巖：裂陷期的Itapema組礁疊層石灰?guī)r和拗陷期的Barra Velha組貝殼灰?guī)r。同時(shí)，沉積地層也被火山活動復(fù)雜化：早期碳酸鹽巖沉積受到火山噴發(fā)影響，而晚期沉積過程中火山侵入較多。

圖1 桑托斯盆地A區(qū)塊地質(zhì)背景

2 碳酸鹽巖及火成巖定量預(yù)測

2.1 巖石物理特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景和鉆井揭示，目的層主要巖性為碳酸鹽巖和火成巖[13]。其中碳酸鹽巖包括藻疊層石灰?guī)r、貝殼灰?guī)r、粒泥灰?guī)r等；火成巖包括侵入相的輝綠巖、輝長巖等以及噴發(fā)相的玄武巖；另夾雜少量泥巖和粉砂巖等碎屑巖。由于貝殼灰?guī)r和藻疊層石灰?guī)r均以原生孔隙為主，且孔隙度較高的灰?guī)r也具有高滲透率，因此將孔隙度作為主要儲層評價(jià)指標(biāo)[14]。為提高地質(zhì)巖性與地震預(yù)測的相關(guān)性，按照彈性參數(shù)和孔隙度重新定義了4種地震巖相(圖2a)：孔隙碳酸鹽巖相(孔隙度≥5%，5%為測井解釋的門檻值)、致密碳酸鹽巖相(孔隙度<5%)、噴發(fā)火成巖相以及侵入火成巖相。觀察縱波阻抗-橫波阻抗交會圖，除侵入火成巖外，其他巖相之間均存在一些重疊。圖2b顯示，不同彈性參數(shù)在巖相區(qū)分度上存在差異：縱波阻抗對孔隙碳酸鹽巖區(qū)分能力較高，而橫波阻抗對致密碳酸鹽巖和噴發(fā)火成巖的區(qū)分度要優(yōu)于前者。因此為實(shí)現(xiàn)巖性預(yù)測，使用疊前同步反演[15]來獲取縱波阻抗、橫波阻抗兩個(gè)地震彈性參數(shù)。

圖2 碳酸鹽巖與火成巖的巖石物理特征

2.2 基于FWI速度與寬頻地震反演

本章節(jié)主要對地震反演展開論述，主要包括對地震資料基礎(chǔ)的描述、初始模型的建立、對反演結(jié)果的分析。其中針對橫向非均質(zhì)程度較高的碳酸鹽巖-火成巖地層的初始模型是地震反演流程中的關(guān)鍵步驟。

2.2.1FWI與寬頻地震數(shù)據(jù)

該區(qū)碳酸鹽巖與火成巖多呈“塊狀”特征，橫向變化劇烈，且儲層為巨厚型(多大于300 m)，因此獲取準(zhǔn)確的低頻趨勢非常關(guān)鍵。從地震速度獲取絕對阻抗反演所需的極低頻信息是常用手段，而工區(qū)舊地震處理中采用了層析成像(tomography)進(jìn)行速度建模，速度趨勢粗糙。為做出改善，在重處理中采用了全波形反演(full waveform inversion，F(xiàn)WI)進(jìn)行速度建模，并使用了基于鬼波壓制的寬頻處理技術(shù)[16]。重處理數(shù)據(jù)對鹽巖形態(tài)、鹽下地層的刻畫都更精確，對比可見(圖3)：tomography結(jié)果的人工拾取痕跡明顯，且地層近似常速，復(fù)雜地質(zhì)體信息不足；而FWI結(jié)果具有更多細(xì)節(jié)，體現(xiàn)出了巖漿侵入、火山噴發(fā)以及生物礁發(fā)育造成的速度異常區(qū)。

圖3 重處理前后剖面對比

重處理前，速度與地震之間存在較大的頻帶空缺(圖4)，約2～8 Hz信息都需要井補(bǔ)全；經(jīng)重處理后，速度頻帶借助FWI得到了擴(kuò)展(2～3 Hz部分)，而寬頻地震中3～8 Hz成分得到明顯提升，這使得速度與地震之間的頻帶隔閡大幅縮小，因此低頻信息更多來自于地震數(shù)據(jù)驅(qū)動，而非井控干預(yù)。選取幾口地震重處理之后的完鉆井可見(圖5)：tomography速度缺失細(xì)節(jié)，與測井速度存在明顯差異；而FWI速度具有更高的縱向分辨率，與測井速度趨勢吻合度更高。

2.2.2初始模型建立

由于FWI與測井速度趨勢依然存在差異，這里需要聯(lián)合已知井作為硬約束控制點(diǎn)，進(jìn)行協(xié)克里金插值[17]，建立初始模型如下：

(1)

圖4 地震重處理前后頻譜對比

圖5 地震速度與測井聲波速度對比

圖6可見，盲井上反演結(jié)果與測井吻合度較高。而初始模型只提供了平滑的低頻趨勢，說明反演細(xì)節(jié)來自于地震，因此計(jì)算結(jié)果具有較高的數(shù)據(jù)驅(qū)動性。

2.2.3地震反演結(jié)果分析

圖7為重處理前后地震反演的縱波阻抗，圖中鉆井均為校驗(yàn)井?？梢娀趖omography速度建立初始模型得到的反演結(jié)果并不理想，尤其右側(cè)沒有成功預(yù)測出高阻抗區(qū)；而重處理后使用FWI速度建立初始模型，反演結(jié)果與鉆井吻合度明顯提升，剖面上高速、高阻抗區(qū)為后鉆井證實(shí)的火山發(fā)育帶，另外由于采用了寬頻地震，反演結(jié)果細(xì)節(jié)也得到提升，例如鉆井未揭示的深部地層很可能并非整套火山基底，而是被火山活動復(fù)雜化的沉積地層。

圖6 反演結(jié)果盲井檢驗(yàn)

圖7 重處理前后數(shù)據(jù)反演結(jié)果對比

圖8為一條連井剖面，結(jié)合井上鉆遇巖性可見：中井在鹽底附近鉆遇侵入火成巖，而左井在鹽底附近未鉆遇，這說明侵入火成巖在某處截止，從地震和縱波阻抗上很難直接識別出該邊界，但在橫波阻抗上可以識別到侵入火成巖邊界；中、右井底部均鉆遇噴發(fā)火成巖，表明深層存在火山，觀察箭頭2和3，噴發(fā)火成巖的“塊體”特征在縱波阻抗上不及橫波阻抗明顯，說明在某些巖性的分辨上橫波阻抗更具優(yōu)勢。

2.3 碳酸鹽巖和火成巖的貝葉斯巖相分類

在獲得可靠的縱、橫波阻抗反演數(shù)據(jù)后，這里引入貝葉斯分類方法進(jìn)行巖相判別，該方法基于概率密度函數(shù)(probability density function，PDF)得到各個(gè)巖相的最大后驗(yàn)概率，以降低因不同巖相的數(shù)據(jù)區(qū)間存在重疊所帶來的判別多解性[19]?；驹頌椋涸贜類巖相中，第i類巖相的ci判別概率為

(2)

(3)

式(3)中：n為樣點(diǎn)數(shù)；h為平滑參數(shù)；K為巖相分布的核函數(shù)；d(x,Xi)為x與彈性參數(shù)樣點(diǎn)值Xi的距離。

圖8 某過井剖面反演結(jié)果

首先選取工區(qū)內(nèi)2口勘探初期鉆遇巖性比較完整的鉆井(圖9)?；诳v波阻抗-橫波阻抗交會平面上分布的概率等值線建立核函數(shù)得到PDF，利用貝葉斯判別獲得各巖相發(fā)育概率，進(jìn)而得到最大概率巖相的預(yù)測結(jié)果。

通過混淆矩陣對巖相分類結(jié)果進(jìn)行質(zhì)控(表1)：矩陣對角線上的值反映了該巖相的分類正確率，對角線以外則表示兩種巖相之間的誤分率。目的層4種主力巖相中，孔隙碳酸鹽巖和侵入火成巖的判別正確率分別在70%和80%以上，而致密碳酸鹽巖和噴發(fā)火成巖在交會圖上的重疊程度較高，判別正確率有所下降，為60%左右。而粉砂巖和泥巖為目的層次要巖相(表1中灰色部分)，缺乏足夠統(tǒng)計(jì)樣點(diǎn)造成準(zhǔn)確率偏低。

將訓(xùn)練結(jié)果用于縱、橫波阻抗反演體，可得到最大概率相和各個(gè)巖相的概率體，并繪制相應(yīng)地層切片揭示有利儲層分布區(qū)和火成巖風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(圖10)。觀察盲井上的巖相預(yù)測結(jié)果可見(圖11)，預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆整體上對應(yīng)較好，對致密碳酸鹽巖和噴發(fā)火成巖的分辨效果有所下降，這與前述分析相符。另外，目的層主頻約為10 Hz，碳酸鹽巖和火成巖地層的地震波速度多大于5 000 m/s，因此對厚度低于20 m的薄層分辨力不足，這屬于地震資料本身的局限；而泥巖和粉砂巖在目的層鉆井揭示很少，其預(yù)測準(zhǔn)確性并非關(guān)注重點(diǎn)。

圖9 基于2口訓(xùn)練井構(gòu)建的巖相核函數(shù)平面圖

巖性預(yù)測結(jié)果指導(dǎo)了區(qū)塊內(nèi)后續(xù)布井，并得到了實(shí)鉆驗(yàn)證(圖12)： 從最大概率巖相剖面可見與實(shí)鉆井揭示吻合較好。A井、B井的測井解釋結(jié)果都為大套孔隙碳酸鹽巖，地震預(yù)測與此相符；C井在鹽底附近鉆遇侵入火成巖、D井底部鉆遇噴發(fā)火成巖，均與地震預(yù)測吻合，也證實(shí)了火成巖的預(yù)測效果。

表1 貝葉斯巖相分類的混淆矩陣 Table 1 Confusion matrix of Bayesian classification on lithofacies %

圖10 碳酸鹽巖儲層及火成巖平面分布

注：左道為井上粗化結(jié)果，右道為地震預(yù)測結(jié)果

圖12 巖性預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果對比

3 結(jié)論

本文利用碳酸鹽巖和火成巖在不同彈性參數(shù)上辨別能力的差異，基于FWI速度和寬頻地震數(shù)據(jù)開展疊前反演獲得相對可靠的彈性參數(shù)體，并利用貝葉斯分類方法得到巖相概率分布，實(shí)現(xiàn)了巖性的定量預(yù)測。實(shí)際效果表明，F(xiàn)WI技術(shù)的應(yīng)用為這種橫向變化劇烈、巨厚巖性地層的絕對阻抗反演提供了可靠的極低頻約束，同時(shí)寬頻地震數(shù)據(jù)上也具有更多低頻信息，大大降低了井控干預(yù)，使得預(yù)測結(jié)果更為客觀。通過本實(shí)例中FWI和寬頻技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，也揭示了地震解釋、儲層預(yù)測更多應(yīng)當(dāng)是基于地震數(shù)據(jù)驅(qū)動而非井控、地質(zhì)認(rèn)識等主觀干預(yù)，而FWI技術(shù)已在海外多個(gè)復(fù)雜探區(qū)得到成功應(yīng)用并逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)處理流程，這也就要求我們今后要更加重視地震采集處理技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。