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        基于構(gòu)形特征的分頻建模隨機(jī)反演方法研究

        2021-02-02 08:10:48
        物探化探計(jì)算技術(shù) 2021年1期

        羅 澤

        (中海石油(中國)有限公司 深圳分公司研究院,深圳 518000)

        0 前言

        反演是地震儲層預(yù)測的主要手段,目前主流反演方法為稀疏脈沖反演、測井約束反演、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演和地震隨機(jī)反演等[1-3]。在油氣田開發(fā)階段由于對儲層預(yù)測分辨率要求較高,主要用測井約束反演和地震隨機(jī)反演。測井約束反演利用測井曲線,采用克里金插值模型,比較地震合成記錄和原始地震記錄殘差,反復(fù)修改模型,最終模型修改結(jié)果為反演結(jié)果[4]。測井約束反演受初始模型影響比較大,層狀模型化現(xiàn)象嚴(yán)重,縱向分辨率高但橫向分辨率低,容易破環(huán)沉積體結(jié)構(gòu)和外形特征。隨機(jī)反演通過選取隨機(jī)路徑,用克里金技術(shù)估算該點(diǎn)的局部概率密度函數(shù),通過序貫高斯隨機(jī)模擬得到井間波阻抗實(shí)現(xiàn),直到合成地震記錄與原始地震記錄達(dá)到一定程度匹配,反演結(jié)果是多個(gè)等概率的實(shí)現(xiàn)體[5]。隨機(jī)反演可以達(dá)到測井分辨率,但在井位分布不均勻的情況下,橫向分辨率較低,隨機(jī)性強(qiáng)。

        反演建模是反演的關(guān)鍵,常規(guī)測井約束反演和隨機(jī)反演都采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法。測井約束反演采用克里金確定性建模[6-7],隨機(jī)反演采用序貫高斯隨機(jī)模擬建模[8]。這兩種建模方法對于沉積地層空間結(jié)構(gòu)的描述都采用了變差函數(shù),但基于空間兩點(diǎn)的變差函數(shù)分析只能簡單描述兩點(diǎn)間的相關(guān)性,難以表征復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)—沉積地層形態(tài)和空間組合關(guān)系,表現(xiàn)為縱向上模型的地層產(chǎn)狀和地震同相軸產(chǎn)狀不一致,橫向上插值結(jié)果有圍繞井的“牛眼”現(xiàn)象,這極大影響了反演結(jié)果對沉積體形狀和結(jié)構(gòu)的刻畫能力,對巖性圈閉的識別和儲層非均質(zhì)性表征非常不利。

        近年來地震沉積學(xué)蓬勃發(fā)展,在薄儲層和巖性圈閉預(yù)測方面取得較好效果,它主要強(qiáng)調(diào)通過沉積儲層的結(jié)構(gòu)和形狀—構(gòu)形特征,分析沉積微相,預(yù)測儲層[9-11]。但目前的測井約束反演和地震隨機(jī)反演技術(shù)因受模型影響,沉積體邊界形態(tài)信息易受損,不能滿足地震沉積學(xué)研究需要,迫切需要開發(fā)出既能反映沉積體的巖性也能反映其形狀(厚度和邊界),及結(jié)構(gòu)(空間組合關(guān)系)的新型反演技術(shù)—構(gòu)形反演,這對于促進(jìn)地震巖性學(xué)的發(fā)展意義重大。

        儲層反演是地震巖性研究的主要技術(shù)手段,而反演建模又是反演的基礎(chǔ)。從地震巖性學(xué)強(qiáng)調(diào)的構(gòu)形(厚度)表征角度來看,反演的核心任務(wù)是地層厚度成像。沉積儲層厚度成像和探測頻率有關(guān),探測頻率越高越有利于薄層成像,因此以分頻厚度成像為原則的分頻反演建模技術(shù)就成為提高反演精度的基礎(chǔ),克服了常規(guī)模型反演或隨機(jī)反演分辨率低的問題。構(gòu)型反演以分頻建模為基礎(chǔ),結(jié)合隨機(jī)反演,既保證縱向上有較高的測井分辨率,又保證橫向上有較高的地震分辨率,實(shí)現(xiàn)了一種能表征沉積體構(gòu)形特征及儲層非均質(zhì)性特征的新型反演方法。

        1 構(gòu)形反演

        1.1 分頻建模

        在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模中,一般利用變差函數(shù)描述數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)的變異性,依靠變差函數(shù)進(jìn)行插值建模。數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)是沉積地層巖性、形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化的體現(xiàn),受井位分布影響,變差函數(shù)很難求準(zhǔn),也難以對復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)做出全面的描述。所以依靠變差函數(shù)所做的插值建模就顯得理想化和簡單化,對沉積體構(gòu)形或儲層非均質(zhì)性的表征能力不強(qiáng)。

        地層由不同級次的長短旋回組成[12],長短旋回在縱橫向上呈現(xiàn)不同的構(gòu)形特征,長旋回為厚層、低頻、平穩(wěn)特征,短旋回為薄層、高頻、隨機(jī)特征[13-14]。反演從另一個(gè)角度看就是對不同級次沉積旋回的厚度成像過程,而厚度成像和探測頻率相關(guān),所以反演建模應(yīng)分頻討論。常規(guī)地震是一種帶限資料,它只能實(shí)現(xiàn)對中等旋回厚度的地層成像,而對于長旋回相對厚的地層和短旋回相對薄的地層需要分頻施策,即不同頻帶采用不同的分頻建模策略。如圖1所示:第一部分(約0 Hz~10 Hz),這一頻帶代表地層長旋回背景,具有連續(xù)、平穩(wěn)特點(diǎn),可以利用井資料采用克里金插值建模實(shí)現(xiàn);第二部分(約10 Hz~100 Hz)是地震頻帶,可以用簡單反演,如有色反演[15]表征實(shí)現(xiàn);第三部分(約100 Hz~200 Hz)代表短旋回地層,具有較連續(xù)和較穩(wěn)定特征,可以通過對比井旁道地震屬性的相似性,選擇同相帶的井插值建模,即通過地震橫向分辨率換來合理的測井縱向分辨率的插值建模;第四部分(約200 Hz以上)表征的是超短旋回的地層,連續(xù)性差、隨機(jī)性強(qiáng),應(yīng)采用滿足地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)。最后將這四部分按算術(shù)平均加權(quán),完成分頻建模。分頻建模遵循不同級次旋回地層分頻厚度成像原則,按頻段由低到高分別用克里金建模、地震反演、相控建模和隨機(jī)建模聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。

        圖1 分頻厚度建模的頻譜Fig.1 Spectrum for modeling the thickness of frequency division

        1.2 屬性相控建模

        通過反演合理加入高頻成分,突破地震分辨率,使反演結(jié)果對沉積地層構(gòu)形細(xì)節(jié)表征能力更強(qiáng),是反演的目標(biāo)之一,圖1中高頻(100 Hz~200 Hz)部分可以通過地震屬性相控建模得到,以表征短旋回較薄地層的構(gòu)形特征。筆者研究發(fā)現(xiàn),地震波形和測井曲線都是對一段沉積旋回特征的度量,只是兩者的探測頻率不同。如圖2所示,井1和井2的井旁道地震波形構(gòu)形相似,其測井曲線構(gòu)形也相似(近似箱形);井3和井4的井旁道地震波形構(gòu)形特征相近,其測井曲線構(gòu)形也相似(漏斗形),從一定意義上講用兩點(diǎn)間地震屬性差異度量空間結(jié)構(gòu)變異,與用井曲線的變差函數(shù)度量兩點(diǎn)間的空間結(jié)構(gòu)變異是等價(jià)的。但地震數(shù)據(jù)在橫向上是均勻稠密分布的,換句話說,地震屬性相似度指導(dǎo)井高頻的插值外推更合理,能實(shí)現(xiàn)具有地質(zhì)意義的沉積相控制插值建模。相似度函數(shù)和相似度權(quán)重函數(shù)的表達(dá)式分別如式(1)和式(2)所示。

        圖2 波形相似表示測井曲線相似Fig.2 Waveform similarity indicates well logging curve similarity(a)井1;(b)井2;(c)井3;(d)井4

        (1)

        (2)

        其中:i表示井旁道序號;j表示待插值道序號;c表示相似度;v表示地震波形;w表示相似度權(quán)重;αc為相似度因子。

        采用相似度權(quán)重函數(shù)可以代替變差函數(shù)進(jìn)行高頻插值建模。圖3是利用井旁地震屬性相似度建立的權(quán)重函數(shù)。

        圖3 相似度權(quán)重函數(shù)Fig.3 Similarity weight function

        筆者建立一個(gè)理論模型來驗(yàn)證利用相似度權(quán)重函數(shù)進(jìn)行屬性相控建模的合理性。建立準(zhǔn)層狀介質(zhì)波阻抗模型(圖4),分別抽取第45、150、270、340道作為井?dāng)?shù)據(jù)。提取合成地震記錄(圖5)和瞬時(shí)相位屬性剖面(圖6),利用瞬時(shí)相位屬性結(jié)合井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相控建模,得到構(gòu)型建模結(jié)果如圖7所示,研究表明,構(gòu)型建模結(jié)果與理論模型相吻合,說明利用相似度權(quán)重函數(shù)進(jìn)行屬性相控建模是可行的。

        圖4 阻抗模型數(shù)據(jù)圖Fig.4 Impedance model data chart

        圖5 合成地震記錄Fig.5 Synthetic seismogram

        圖6 地震瞬時(shí)相位屬性Fig.6 Seismic instantaneous phase attribute

        圖7 構(gòu)型建模Fig.7 Configuration modeling

        1.3 馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)隨機(jī)反演

        對于超短旋回地層建模(約200 Hz以上),高頻層序表現(xiàn)為不連續(xù)、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn),可以通過隨機(jī)模擬表征,即通過滿足井上概率密度分布的隨機(jī)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。為了使模擬結(jié)果符合地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,需要用反演方法尋找既滿足測井概率密度分布,也滿足地震記錄約束的模型結(jié)果,張利軍等[16]、張恒山等[17]對此提出了馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)算法,筆者在此基礎(chǔ)上運(yùn)用貝葉斯框架下的馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)地震反演算法[18],實(shí)現(xiàn)隨機(jī)模擬結(jié)果求取,這一過程不僅要合理加入高頻成分,又要對中頻建模部分做出修正,即從初始模擬結(jié)果出發(fā),模擬出多個(gè)波阻抗曲線,利用合成地震記錄與實(shí)際地震記錄相關(guān)性,確定合理的儲層參數(shù)[19]。

        2 構(gòu)形反演的應(yīng)用效果

        2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

        研究靶區(qū)為低幅度披覆背斜地質(zhì)背景,沉積環(huán)境為三角洲前緣-濱岸相沉積環(huán)境,油藏類型為巖性-構(gòu)造油藏。從已知幾口測井資料得知,該儲層主要發(fā)育三角洲前緣遠(yuǎn)端、前三角洲泥及濱岸帶條帶砂脊,目的儲層段砂巖平均厚度為5 m~10 m,厚度較薄。研究區(qū)在油田開發(fā)階段面臨以下難點(diǎn):①井少,沉積砂體展布及沉積相邊界難以確定;②地震資料分辨率不足,單砂層空間展布認(rèn)識不清。

        2.2 分頻建模

        圖8是常規(guī)克里金插值建模和地震剖面的疊合圖,從圖8可以看出,反射同相軸所顯示的沉積結(jié)構(gòu)并不是簡單的整合關(guān)系,所以導(dǎo)致常規(guī)插值建模中出現(xiàn)常見的問題:模型地層產(chǎn)狀和地震反射同相軸產(chǎn)狀不一致,這會導(dǎo)致最終反演砂體形態(tài)失真,不利于巖性圈閉邊界刻畫。圖9是分頻建模和地震剖面的疊合圖,圖9和圖8相比,分頻建模結(jié)果的模型地層產(chǎn)狀和地震反射同相軸產(chǎn)狀吻合,能反映儲層的準(zhǔn)確構(gòu)形特征。

        圖8 常規(guī)克里金建模剖面圖Fig.8 General Kriging modeling section

        圖9 分頻建模剖面圖Fig.9 Frequency division modeling section

        圖10是常規(guī)克里金建模結(jié)果的平面圖,因井少且分布不均勻,結(jié)果出現(xiàn)圍繞井的“牛眼”現(xiàn)象,損失橫向分辨率,無法反映振幅地層切片展示的沉積儲層的構(gòu)形特征。圖11是分頻建模的切片,圖11與圖12地震振幅切片相比,沉積儲層構(gòu)形特征非常吻和,沒有圖10的“牛眼”現(xiàn)象。研究表明分頻建模比常規(guī)克里金建模效果更好,它在縱向上有測井的分辨率,橫向上有地震的分辨率,能準(zhǔn)確反映沉積儲層的空間構(gòu)形特征。

        圖10 克里金建模平面圖Fig.10 Kriging modeling plan

        圖11 分頻建模平面圖Fig.11 Frequency division modeling plane

        圖12 地震-90度相位振幅平面圖Fig.12 Seismic -90 degree phase amplitude plan

        2.3 相控隨機(jī)反演

        圖13是在圖9分頻建?;A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的MCMC隨機(jī)反演,因?yàn)橛蟹暇怕拭芏确植嫉碾S機(jī)擾動(dòng),反演結(jié)果分辨率更高,工區(qū)內(nèi)能夠識別2 m左右的隔夾層。同時(shí)在反演過程中有地震和合成記錄的殘差約束,反演結(jié)果和測井吻合度高。從圖14與圖12對比可以看出,沉積儲層的外形結(jié)構(gòu)保留完整,橫向非均質(zhì)特征明顯。基于相控隨機(jī)反演的精細(xì)儲層預(yù)測結(jié)果為該油田高效開發(fā)提供了有利支持。

        圖13 隨機(jī)反演剖面圖Fig.13 Random inversion profile

        圖14 隨機(jī)反演平面圖Fig.14 Random inversion plan

        3 結(jié)論

        1)針對目前傳統(tǒng)測井約束反演和地震約束隨機(jī)反演中,克里金建模和貫序高斯隨機(jī)建模易損失沉積儲層構(gòu)形信息,橫向非均質(zhì)性表征能力差的問題,根據(jù)不同級次沉積旋回的特點(diǎn),創(chuàng)新性提出了構(gòu)形反演方法,遵從地震巖性學(xué)構(gòu)形分析理念,通過分析大小級次沉積旋回特點(diǎn),提出分頻相控建模思想,實(shí)現(xiàn)了基于構(gòu)形特征的分頻建模隨機(jī)反演。

        2)構(gòu)形反演從地震資料出發(fā),以沉積規(guī)律和地震地質(zhì)特征為指導(dǎo),挖掘相同或相似沉積環(huán)境下測井曲線中蘊(yùn)含的共性結(jié)構(gòu)信息,進(jìn)行地震先驗(yàn)有限樣點(diǎn)模擬,通過蒙特卡羅模擬運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對儲層的量化表征,反演運(yùn)算過程充分體現(xiàn)了相控思想。

        3)實(shí)驗(yàn)研究表明,構(gòu)形反演作為地震巖性學(xué)發(fā)展的一種創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù),能反映沉積儲層構(gòu)形特征,對儲層識別和非均質(zhì)性表征效果明顯,較傳統(tǒng)常規(guī)反演方法提高了儲層預(yù)測精度和準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)了一種新型儲層預(yù)測方法,該技術(shù)對油氣藏精細(xì)表征和油田高效開發(fā)有參考意義。

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