初始模型對灰質(zhì)濁積巖儲層疊前AVO反演的影響研究

王麗萍，鈕振宇

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國石化勝利油田分公司 河口采油廠，山東 東營 257200)

1 引 言

地震反演基于所使用的地震數(shù)據(jù)可以分為疊后地震反演和疊前地震反演。疊后地震反演計算效率高，其反演獲得的聲波阻抗分布能夠在一定程度上反映地球介質(zhì)的內(nèi)部變化。但疊后地震資料是疊前數(shù)據(jù)經(jīng)過全角度多次疊加后得到，導(dǎo)致疊前數(shù)據(jù)中豐富的振幅和旅行時信息遺失，而這些損失的信息在某種程度上恰恰能夠反映儲層的特征[1]?；赯oeppritz方程或其近似方程的疊前AVO(Amplitude Variation with Offset,AVO)反演具有原理簡單、效率高、實用性強等優(yōu)點，適用于巖性復(fù)雜、儲層識別難度大的油氣勘探開發(fā)，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

圖1 灰質(zhì)濁積巖地震地質(zhì)模型Fig.1 The seismic geological model for calcareous turbidite

地震地質(zhì)基礎(chǔ)資料、反演方法及反演過程等都會直接影響到地震反演的可靠性[3,4]。地震按照反演思路進(jìn)行分類，可分為地震數(shù)據(jù)驅(qū)動反演和模型驅(qū)動反演兩大類。地震數(shù)據(jù)驅(qū)動反演主要以地震信息為主，測井資料在反演中的作用有限，傳統(tǒng)的反演方法包括道積分反演、遞推反演、稀疏脈沖反演等[5,6]。近年來，基于稀疏表示、正則化等方法技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動疊前AVO反演取得成功應(yīng)用[7-9]。模型驅(qū)動地震反演主要是指從巖石物理出發(fā)來構(gòu)建反演初始模型或反演參數(shù)[10,11]，如張世鑫等[12]、任麗丹等[13]基于巖石物理模型進(jìn)行了疊前AVO三參數(shù)反演；王振濤等[14]提出了模型驅(qū)動的高精度疊前地震反演方法；李坤等[15,16]通過構(gòu)建碎屑巖地震巖石物理高階近似模型緩解了模型反演中的不穩(wěn)定現(xiàn)象；劉金水等[17]考慮常規(guī)數(shù)據(jù)驅(qū)動或模型驅(qū)動地震預(yù)測方法對薄層砂體識別精度較低，提出了基于空變目標(biāo)函數(shù)的模型-數(shù)據(jù)驅(qū)動地震AVO反演方法。

測井約束地震反演是目前刻畫儲層能力較強的一種基于模型的地震反演技術(shù)，本文以灰質(zhì)濁積巖儲層為例，通過建立地震地質(zhì)模型，從基于不同測井?dāng)?shù)量、是否使用層位解釋資料兩方面出發(fā)建立疊前AVO反演初始模型，探討了初始模型對反演結(jié)果的影響，并對實際工區(qū)灰質(zhì)濁積巖儲層進(jìn)行了應(yīng)用研究。

2 灰質(zhì)濁積巖儲層地震地質(zhì)模型的建立及正演模擬

通過收集與研究區(qū)相關(guān)的鉆井、測井、測試等資料，統(tǒng)計巖石物理參數(shù)，如速度、密度、孔隙度等。建立地質(zhì)地震模型時，需注意濁積巖與物源距離的變化而導(dǎo)致的數(shù)量與延伸長度的不同及灰質(zhì)泥巖與濁積巖的同期沉積等問題。建立的灰質(zhì)濁積巖模型局部如圖1所示[18]，目的層段為沙三下段-沙四上段，其中發(fā)育灰質(zhì)泥巖與濁積砂巖，厚度5～15 m，巖性參數(shù)如表1所示。

表1 灰質(zhì)濁積巖模型巖性

采用與實際野外相近的參數(shù)，對所設(shè)計的灰質(zhì)濁積巖地震地質(zhì)模型進(jìn)行彈性波動方程正演模擬，通過對正演模擬地震記錄進(jìn)行處理后，得到時間域疊前CRP(Common Reflection Point,CRP)道集利用正演模型的層速度對疊前CRP道集進(jìn)行計算，得到角度為2°、6°、 10°、 14°、 18°、 22° 、 26° 、 30° 、 34° 、 38°共10個角度的疊前角道集數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 正演疊前角道集Fig.2 Forward prestack angle gathers

3 初始模型對疊前AVO反演結(jié)果的影響研究

Fatii[19]在Aki-Richards近似方程的基礎(chǔ)上稍作修改，得到縱波反射系數(shù)一個新的表達(dá)式：

R(θ)=c1(θ)RP+c2(θ)RS+c3(θ)RD

(1)

其中：

(2)

上式中，VP表示上下層縱波速度的平均值，m/s；VS表示上下層橫波速度的平均值，m/s；ρ表示上下層密度的平均值，g/cm3；ΔVP、ΔVS、Δρ分別表示上下層縱波速度(m/s)、橫波速度(m/s)及密度(g/cm3)的差異；θ表示入射角;c1、c2、c3為與入射角θ相關(guān)的系數(shù)。

Geoview軟件Strata模塊中的AVO同步反演，假設(shè)橫波阻抗、密度與縱波阻抗之間的關(guān)系如下[20]：

lnZS=klnZP+kc+ΔLS

(9)

lnρ=mlnZP+mc+ΔLD

(10)

其中：k、kc、m、mc為反演系數(shù)，可通過測井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性分析得到；ΔLS和ΔLD為噪聲擾動值。

通過反演可同時得到縱波阻抗、橫波阻抗及密度反演結(jié)果，進(jìn)而通過彈性參數(shù)之間的相互關(guān)系，可計算出泊松比、Lambda、體積模量、剪切模量等更多的彈性參數(shù)進(jìn)行儲層預(yù)測。

3.1 基于模型理論縱波、橫波及密度建立反演初始模型的AVO反演

疊前AVO反演需要建立縱波阻抗、橫波阻抗及密度三個參數(shù)的初始模型，利用模型的縱波速度、橫波速度及密度直接構(gòu)建初始模型，AVO反演的結(jié)果主要包括縱波阻抗、橫波阻抗、密度，如圖3所示，縱波阻抗、橫波阻抗及密度反演結(jié)果對濁積巖儲層中的地質(zhì)體均有較好的刻畫，基本反演出地震地質(zhì)模型中的地質(zhì)體，縱波阻抗及橫波阻抗對地質(zhì)體的刻畫略好于密度。四口井的反演合成記錄與理論模型的地震記錄相關(guān)系數(shù)分別為：0.993、0.979、0.981、0.933，相關(guān)系數(shù)越高，反演精確度越高。

圖3 疊前AVO反演結(jié)果Fig.3 Prestack AVO inversion results

3.2 基于不同井?dāng)?shù)建立反演初始模型的AVO反演

一般情況下難以獲得整個二維或三維空間的縱波阻抗、橫波阻抗及密度，所以疊前AVO反演初始模型通常是通過測井?dāng)?shù)據(jù)沿著層位進(jìn)行井間插值建立的，為了研究不同井?dāng)?shù)量建立初始模型對反演結(jié)果的影響，采用所有10口井(圖4)、與實際井對應(yīng)的4口井(Lj7500、Lj8500、Lj9000、Lj9500)、2口井(Lj6000、Lj9500)及1口井(Lj8500)這四種情況建立低頻平滑初始模型進(jìn)行疊前AVO反演研究。

圖4 基于全部10口井建立初始模型Fig.4 Establish initial model based on all 10 wells

基于上述4種井?dāng)?shù)據(jù)建立不同初始模型，得到的反演縱波阻抗結(jié)果如圖5所示。反演結(jié)果顯示，基于不同井?dāng)?shù)量建立初始模型的反演結(jié)果均基本能準(zhǔn)確地刻畫出地震地質(zhì)模型中的砂巖及灰質(zhì)泥巖。采用未參與建模及反演的Lj8750井作為驗證井，圖6為Lj8750井處4種建模情況下的ZP反演結(jié)果與理論測井曲線的對比，圖7為ZP反演結(jié)果相對誤差。圖6和圖7均顯示出當(dāng)只有一口井建模時，反演結(jié)果誤差最大，但隨著建模所用井?dāng)?shù)從4口增加到10口，反演誤差的變化逐漸趨于平緩，說明當(dāng)建立初始模型所用井達(dá)到一定數(shù)量后，井?dāng)?shù)量的繼續(xù)增加對反演精確度的提高有限。

圖5 疊前AVO縱波阻抗反演結(jié)果Fig.5 Prestack AVO ZP inversion results

圖6 Lj8750井ZP反演結(jié)果曲線對比Fig.6 Comparison of ZP inversion result curves of well Lj8750

3.3 不使用層位建立反演初始模型的AVO反演

為進(jìn)一步驗證初始模型對反演結(jié)果的影響，仍然選用與實際井對應(yīng)的4口井，但不使用層位來建立反演初始模型，從圖8可以看出，在不使用層位的情況下，所建的初始模型基本為水平層狀模型。

基于上述初始模型進(jìn)行疊前AVO反演，縱波阻抗反演結(jié)果如圖9所示。和有層位建模的反演結(jié)果(圖5)對比，無層位建模時反演結(jié)果對地震地質(zhì)模型的刻畫相差較大。對Lj8750井處有無層位建模的反演結(jié)果與理論測井曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，使用層位建模時，在層位變化處的反演誤差比不用層位建模的反演誤差小。兩種建模情況下反演結(jié)果的相對誤差如表2所示。從表2可知，層位的準(zhǔn)確拾取對疊前AVO反演具有較大的影響。

表2 Lj8750井有無層位建模時反演結(jié)果相對誤差

圖8 不使用層位建立初始模型Fig.8 Establish initial model without using horizon

圖9 不使用層位建模反演結(jié)果Fig.9 Inversion results when building model without using horizons

圖10 反演結(jié)果與井曲線對比Fig.10 Comparison between inversion results and well curves

4 實際數(shù)據(jù)疊前AVO反演

為提高實際地震資料的信噪比，增加疊前AVO反演的準(zhǔn)確性，對疊前地震數(shù)據(jù)(圖11a)求取超道集(圖11b)，超道集的求取有效地改善了地震數(shù)據(jù)同相軸的連續(xù)性(紅色方框所示)，提高了信噪比。通過均方根速度體可得到角道集數(shù)據(jù)體，研究工區(qū)最大入射角為48°左右，由于地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量隨著角度的增加而下降，為了保證反演的準(zhǔn)確性，選取疊前AVO反演最大角度為36°，生成的角道集如圖11(c)所示。

圖11 工區(qū)實際地震數(shù)據(jù)Fig.11 Seismic data of the work area

工區(qū)灰質(zhì)濁積巖連井剖面中包含的井有：Li981、Li983、Li988、Lishen101、Lishen102、XinLishen1共6口井，使用全部6口井的井資料及層位建立初始模型，疊前AVO反演結(jié)果如圖12所示。圖12(a)中紅色線框處存在的大片異常與Lishen101井的實際測井結(jié)果不吻合，考慮可能是由于Lishen101井測井?dāng)?shù)據(jù)的不準(zhǔn)確導(dǎo)致建立的反演初始模型不準(zhǔn)，從而造成反演結(jié)果誤差較大。

圖12 6口井建模疊前AVO反演結(jié)果Fig.12 Prestack AVO inversion results of building models with using six wells

為驗證Lishen101井對反演結(jié)果的影響，在不使用Lishen101井的情況下用其他5口井建立反演初始模型，反演結(jié)果如圖13所示。對比兩種初始模型下的反演結(jié)果(圖12和圖13)，可以看出是否利用Lishen101井建立模型，反演結(jié)果的差異主要存在于圖中紅色虛線方框中，當(dāng)不使用Lishen101井時，反演結(jié)果具有更高的分辨率，且砂巖高值異常與測井中的含油氣解釋結(jié)果更加吻合(圖14)，說明當(dāng)井資料不準(zhǔn)確，建立的初始模型與真實情況差異較大時，難以獲得準(zhǔn)確的反演結(jié)果。同時還驗證了只用Li988和Lishen102兩口井來建立反演初始模型，反演結(jié)果與5口井建模相似，但分辨率更低，對儲層的刻畫效果更差。

圖13 不含Lishen101井建模疊前AVO反演結(jié)果Fig.13 Prestack AVO inversion results when building models without using well Lishen101

圖14 疊前AVO反演結(jié)果橫波阻抗放大顯示圖Fig.14 Amplified display of ZS of prestack AVO inversion results

5 結(jié) 論

通過對灰質(zhì)濁積巖儲層建立符合實際工區(qū)情況的地震地質(zhì)模型，從正反演相結(jié)合出發(fā)，對理論模型及實際數(shù)據(jù)探討了基于測井資料及層位解釋資料所建立的反演初始模型對疊前AVO反演結(jié)果的影響，可得出如下結(jié)論：

1)由于反演的多解性，即使使用準(zhǔn)確的縱橫波阻抗及密度建立的反演初始模型進(jìn)行疊前AVO反演，得到的反演結(jié)果與理論模型也存在誤差；

2)基于測井資料建立的初始模型對疊前AVO反演結(jié)果具有直接的影響，建模所用井越多，疊前AVO反演精度越高，但當(dāng)井達(dá)到一定數(shù)量時，反演結(jié)果精度的提高有限。

3)層位的準(zhǔn)確拾取對疊前AVO反演具有較大的影響，尤其在層位變化處，沒有使用層位建模比使用層位建模的反演結(jié)果誤差更大。

4)實際工區(qū)灰質(zhì)濁積巖儲層的反演，當(dāng)使用不準(zhǔn)確的測井?dāng)?shù)據(jù)建立初始模型，導(dǎo)致反演結(jié)果與實際測井解釋不吻合，進(jìn)一步驗證了初始模型對疊前AVO反演的影響。因此，在實際應(yīng)用中，對測井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量需要嚴(yán)格把關(guān)。