地震相控非线性随机反演研究与应用
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2007 年 12 月
·经验交流 ·
石油地球物理勘探
第 42 卷 第 6 期
地震相控非线性随机反演研究与应用
黄捍东 3 ① 罗 群 ① 付 艳 ② 王保华 ③
( ①中国石油大学 (北京) CN PC 物探重点实验室 ; ②胜利油田地质科学研究院 : ③华北油田采油四厂)
黄捍东 ,罗群 ,付艳 ,王保华. 地震相控非线性随机反演研究与应用. 石油地球物理勘探 ,2007 ,42 (6) :694～698
(2)
pk ( x) 与 pm ( x) ( k ≠m) 相互正交 。由 p0 ( x) = 1 可 以递推出全部的 pi ( x) ( i > 0) 。一般情况下 , 对地 震信号来说 ,用 3 次多项式拟合即可达到要求精度 。
由式 (2) 可得
N
N
∑ ∑ c0 = p0 ( x) f ( x)
p
(2) 将反演结果与地震剖面对比可发现 , 许多 在原始资料中模糊的或很难看清的隐蔽特征 , 尤 其是储层的沉积和空间展布特征 , 在反演成果中 都清晰可见 , 易于解释和追踪分析 , 为地质解释 人员认识和研究复杂岩性和隐蔽型油气藏提供了 重要素材 。
(3) 考虑到地下地质构造的随机特性 ,将随机模 拟理论与地震反演方法结合 , 有效地提高了地震资
4 结论
本文提出的相控非线性随机反演方法 ,在地质 家对地震相的宏观认识中融入先进的地球物理反演 方法 ,实现了宏观分析与微观预测的有机结合 。对 复杂岩性油气藏和隐蔽油气藏的识别 、预测具有显 著的应用效果 。通过理论研究和对实际资料处理结 果的分析 ,得出以下结论 :
(1) 通过地震相模型的控制可以将单一的地球 物理反演问题综合为一个联合反演问题 ,从而降低 反演在描述参数几何形态时单个反演问题的自由 度 ,从本质上提高了地球物理研究的效果 。
窄小河道砂体 、浊积体和不规则滩坝是复杂油
气藏中几种常见储集体 ,它们占据了相当的油气储 量规模 ,但在地震记录上很难被识别和发现 ,因此备 受人们的关注 。2000 年以来 ,我们分别在胜利 、中 原 、江汉等多个油田应用地震相控非线性随机反演 方法 ,在扇体 、窄河道砂体及不规则滩坝等复杂岩性 油气藏储层预测中均见到了良好的应用效果 ,取得 了几个成功实例 ,为复杂岩性体识别和隐蔽油气藏 勘探开发的方法技术做了有益探索 。
对于复杂油气藏的勘探 ,仅仅依靠现有的方法 技术是不够的 。只有通过对复杂油气藏储层识别和 预测理论的系统研究 ,才能探求进一步提高地震资 料分辨率 、信噪比和可信度的地球物理理论方法与 技术 ,并在复杂油气藏勘探和提高采收率等方面见 到好的应用效果 。
基于地震地层学 、非线性最优化随机模拟及地 震反演等理论 ,本文提出了地震相控非线性随机反 演方法 。在实现过程中 ,首先根据实际地震资料建 立包含反演目标层段的宏观相控模型 ;然后在测井 资料的约束下采用非线性随机算法逐道 、逐次地进 行外推反演 ;最后利用地震解释及可视化技术将在 地震剖面上很难看到的隐蔽特征清晰地展现出来 , 达到准确描述隐蔽油气藏之目的 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 42 卷 第 6 期
黄捍东等 :地震相控非线性随机反演研究与应用
697
中 Y22X1 井试油获日产油 39. 6t 、日产气 5607m3 的高产能 。 3. 2 中原油田某砂岩油藏相控非线性随机反演 实例
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 42 卷 第 6 期
黄捍东等 :地震相控非线性随机反演研究与应用
695
宏观模型最好与构造解释断层 、地层起伏特征结合 起来 。反演过程中由于采用了随机反演算法 ,因此 对地震相界面的划分和宏观模型的建立允许在纵向 上存在误差 。
数据f ( x) ,有
f ( x) = c0 p0 ( x) + c1 p1 ( x) + … + cn p n ( x)
(1) 这里每个 pi ( x) ( i = 0 , 1 , 2 , …, n) 为 x 的 i 次多项 式 ,且满足
p0 ( x) = 1
∑pk ( x) pm ( x) = 0
3 应用实例
3. 1 胜利油田某砾岩体油气藏相控非线性随机反 演实例
图 3 是应用本文方法对胜利油田 Y 区三维地
震资料 (图 1) 进行反演的结果 , 图 4 是常规方法的 反演结果 。在相控非线性反演剖面 (图 3) 上扇体的 外形特征 、内部结构 、延伸范围以及不同期次间的 接触 关 系 等 清 晰 可 见 。而 在 普 通 构 造 解 释 剖 面 (图 1) 和常规反演剖面 (图 4) 上 , 由于反映储层纵 横向变化的地震信号之间差异甚小且分辨率低 , 造 成扇体的宏观与微观特征均难以显现 。通过高精度 的相控非线性随机反演 , 可将地震剖面中隐蔽岩性 油气藏的特征显现出来 , 因此可在反演成果剖面 (图 3) 上 , 较容易地对扇体的内部结构 、沉积期次 等进行深入研究 , 并据此将该区扇体划分为 12 个 沉积期次 , 图 5即为扇体第三期沉积砾岩体储层 厚度等值线图 。目前已完钻的 8 口井都部署在储 层物性相对较好的扇体中部 , 且均获商业油流 , 其
图 6 为中原油田 D 区三维连井地震剖面 ,反演 之前首先进行了地震相界面初步划分 , 建立了宏观 相控模型 。图7为相控非线性随机反演剖面局部放 大图 ,其中 D43 井与 D49 井井间的岩性变化 、D49 井砂泥岩层向 D43 井方向上倾尖灭以及高速砂岩 向泥岩的过渡变化 、接触关系等都十分清楚 ,而在常 规地震剖面 (图 6) 中薄层砂岩横向变化 、尖灭等隐 蔽特征均难以看到 。因此研究人员可以根据目前 D43 井和 D49 井的试油情况 ,选择油气显示相对较 好的砂岩储层进行追踪 ,沿 D49 井砂岩层上倾方向 砂岩储层发育区部署井位 。
N
∑ si
=
w ( t)
3
j =1
z j+1 z j+1
- z δj [ t -
+ zj
Tj ] + n( t)
(5)
式中 :si 为地震道 ; w t =τ为具有不同延迟的子波 ; z j
为波阻抗序列 。由于地震道与波阻抗的关系是非线
性的 ,所以被称为非线性反演 。
令 t = iΔt ,对式 (1) 进行离散取样 , 可导出偏导
2 方法原理
2. 1 地震相控约束外推计算 地震相是沉积相在地震剖面上的反映 ,任何一
种地震相都有特定的地震反射特征 (即特定的几何 形态和内部结构等) 对应于相应的沉积相 。依据地 震相的外部几何形态 、内部结构及相互关系 、在区域 构造背景的位置 ,结合钻井资料进行相转化 ,可以在 宏观上初步确定某地震相对应的沉积相 。
6 96
石油地球物理勘探
2007 年
式中 : m 为模型参数 ; A 为 Joco bi 矩阵 ;σn 为数据中 包含的噪声方差 ;σm 为真实模型相对于给定初始模 型的方差值 ; s 为实际地震数据 ; s ( m0 ) 为由参数模 型形成的合成地震记录 。
在实际资料反演过程中 ,先根据井的波阻抗资料 及地震相划分结果建立一个地下波阻抗模型 ,即固定 点模型 z0 ,然后利用井的波阻抗和井旁地震道求出控 制参数 ,即可进行井约束 、相控非线性随机反演。
数矩阵 A 的矩阵元
aij
=
5s ( iΔt) 5zj
(6)
aij 的具体表达式为
aij
=
( zj
2zj- 1 + zj- 1 ) 2
w ( iΔt)
3δ{ [ i
-
(j -
1) ]Δt} -
-
( zj
2 z j+1 + z j+1 ) 2
w ( iΔt)
3δ{ [ i
-
j ]Δt}
(7) 于是地震道随机逆反演的基本公式为
2 0
(
x)
(3)
-N
-N
其一般式为
N
N
∑ ∑ ck = p k ( x) f ( x)
p
2 k
(
x)
-N
-N
k = 0 ,1 ,2 , …, n
(4)
2. 2 地震道非线性随机反演方法
随机地震反演技术是一种将随机模拟理论与地
震反演相结合的反演方法 。该方法可以有效地提高
地震资料的垂向分辨率 , 并充分考虑地下地质构造 的随机特性 ,使反演结果更符合实际地质情形 。本 方法基于褶积关系
据此 ,首先在地震剖面上对沉积体系进行宏观 划分并确定出相界面 。例如 :结合钻井 、综合录井资 料 ,可以将图 1 所示地震剖面划分为半深湖 、扇端 、 扇中和扇根四个相带 , 并确定出四个亚相的界面 (线) ,建立相控模型 ,同时亦可在平面上和三维空间 上勾画出目的层沉积相 、亚相甚至微相的展布和匹 配关系 (图 2) ,为地震相控约束反演创造约束条件 。
关键词 非线性随机反演 地震相 沉积相 地震数据 测井数据 复杂油气藏
1 引言
自上世纪 90 年代以来 ,复杂油气藏的勘探开发 已引起全球范围的广泛重视 。据美国能源部预测 : 2030 年以前美国国内一半以上的天然气产量将来 自复杂油气储层 。在我国 ,自 2000 年以来岩性油气 藏探明储量逐年增加 ,已占据油气总储量的 50 %以 上 。因此复杂油气藏的勘探开发已成为近一个时期 内油田增储上产的主攻方向 。
3 北京市昌平区中国石油大学资信学院地球物理所 ,102249 本文于 2007 年 3 月 5 日收到 ,修改稿于同年 7 月 13 日收到 。 本项研究受国家 973 项目“中国西部典型叠合盆地油气成藏机制与分布规律”(2006CB202306) 和国家 863 项目“深水海域油气与天然气水 合物资源勘探开发关键技术”(2006AA09A10120103) 资助 。
图 5 扇体第三期砾岩体储层厚度等值线图 (单位 :m)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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石油地球物理勘探
2007ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ年
料的垂向分辨率 ,使反演结果更符合实际地质情形 , 经钻探证实预测结果与实际具有较高的吻合度 ,取 得了很好的预测效果 。
(4) 复杂岩性油藏储层预测所要研究的是地层 的细节变化 ,地震记录中的各种频率成分都很重要 , 因此在进行相控非线性随机反演之前先做振幅谱补 偿对于提高反演结果的精度是有益的 。
Δm = ( AT A +σ2nσ-m2 ) - 1 AT [ s - s ( m0 ) ] (8) 其迭代公式为
mi = mi- 1 +Δm
(9)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
考虑地下地质构造的随机性 ,相控外推计算中 采用多项式相位时间拟合方法建立道间外推关系 。 具体做法是在相界面控制时窗范围内从井出发 ,将 从测井资料得到的先验模型参数向量或从井旁道反 演出的模型参数向量沿多项式拟合出的相位变化方 向进行外推 ,参与下一地震道的约束反演 。 设 N 为给 定的 正整 数 , 给 定数 值 f ( - N ) , f ( - N + 1) , …, f ( N) ,则可用一个 2 N 多项式拟合
摘要 在地震相模型控制下 ,通过原始数据将各个单一反演问题转化为一个联合反演问题 ,可降低反演在描述 参数几何形态时的单个反演问题的自由度 ,从本质上提高地球物理反演的效果 。本文在计算过程中采用了非 线性随机反演算法 ,能有效提高地震资料的分辨率 ,并充分考虑地质条件的随机特性 ,使反演结果更符合实际 地质情况 。在胜利 、中原油田等地区的储层预测中 ,应用本文方法均取得了良好的效果 ,为岩性油气藏勘探提 供了可靠基础数据 。
·经验交流 ·
石油地球物理勘探
第 42 卷 第 6 期
地震相控非线性随机反演研究与应用
黄捍东 3 ① 罗 群 ① 付 艳 ② 王保华 ③
( ①中国石油大学 (北京) CN PC 物探重点实验室 ; ②胜利油田地质科学研究院 : ③华北油田采油四厂)
黄捍东 ,罗群 ,付艳 ,王保华. 地震相控非线性随机反演研究与应用. 石油地球物理勘探 ,2007 ,42 (6) :694～698
(2)
pk ( x) 与 pm ( x) ( k ≠m) 相互正交 。由 p0 ( x) = 1 可 以递推出全部的 pi ( x) ( i > 0) 。一般情况下 , 对地 震信号来说 ,用 3 次多项式拟合即可达到要求精度 。
由式 (2) 可得
N
N
∑ ∑ c0 = p0 ( x) f ( x)
p
(2) 将反演结果与地震剖面对比可发现 , 许多 在原始资料中模糊的或很难看清的隐蔽特征 , 尤 其是储层的沉积和空间展布特征 , 在反演成果中 都清晰可见 , 易于解释和追踪分析 , 为地质解释 人员认识和研究复杂岩性和隐蔽型油气藏提供了 重要素材 。
(3) 考虑到地下地质构造的随机特性 ,将随机模 拟理论与地震反演方法结合 , 有效地提高了地震资
4 结论
本文提出的相控非线性随机反演方法 ,在地质 家对地震相的宏观认识中融入先进的地球物理反演 方法 ,实现了宏观分析与微观预测的有机结合 。对 复杂岩性油气藏和隐蔽油气藏的识别 、预测具有显 著的应用效果 。通过理论研究和对实际资料处理结 果的分析 ,得出以下结论 :
(1) 通过地震相模型的控制可以将单一的地球 物理反演问题综合为一个联合反演问题 ,从而降低 反演在描述参数几何形态时单个反演问题的自由 度 ,从本质上提高了地球物理研究的效果 。
窄小河道砂体 、浊积体和不规则滩坝是复杂油
气藏中几种常见储集体 ,它们占据了相当的油气储 量规模 ,但在地震记录上很难被识别和发现 ,因此备 受人们的关注 。2000 年以来 ,我们分别在胜利 、中 原 、江汉等多个油田应用地震相控非线性随机反演 方法 ,在扇体 、窄河道砂体及不规则滩坝等复杂岩性 油气藏储层预测中均见到了良好的应用效果 ,取得 了几个成功实例 ,为复杂岩性体识别和隐蔽油气藏 勘探开发的方法技术做了有益探索 。
对于复杂油气藏的勘探 ,仅仅依靠现有的方法 技术是不够的 。只有通过对复杂油气藏储层识别和 预测理论的系统研究 ,才能探求进一步提高地震资 料分辨率 、信噪比和可信度的地球物理理论方法与 技术 ,并在复杂油气藏勘探和提高采收率等方面见 到好的应用效果 。
基于地震地层学 、非线性最优化随机模拟及地 震反演等理论 ,本文提出了地震相控非线性随机反 演方法 。在实现过程中 ,首先根据实际地震资料建 立包含反演目标层段的宏观相控模型 ;然后在测井 资料的约束下采用非线性随机算法逐道 、逐次地进 行外推反演 ;最后利用地震解释及可视化技术将在 地震剖面上很难看到的隐蔽特征清晰地展现出来 , 达到准确描述隐蔽油气藏之目的 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 42 卷 第 6 期
黄捍东等 :地震相控非线性随机反演研究与应用
697
中 Y22X1 井试油获日产油 39. 6t 、日产气 5607m3 的高产能 。 3. 2 中原油田某砂岩油藏相控非线性随机反演 实例
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 42 卷 第 6 期
黄捍东等 :地震相控非线性随机反演研究与应用
695
宏观模型最好与构造解释断层 、地层起伏特征结合 起来 。反演过程中由于采用了随机反演算法 ,因此 对地震相界面的划分和宏观模型的建立允许在纵向 上存在误差 。
数据f ( x) ,有
f ( x) = c0 p0 ( x) + c1 p1 ( x) + … + cn p n ( x)
(1) 这里每个 pi ( x) ( i = 0 , 1 , 2 , …, n) 为 x 的 i 次多项 式 ,且满足
p0 ( x) = 1
∑pk ( x) pm ( x) = 0
3 应用实例
3. 1 胜利油田某砾岩体油气藏相控非线性随机反 演实例
图 3 是应用本文方法对胜利油田 Y 区三维地
震资料 (图 1) 进行反演的结果 , 图 4 是常规方法的 反演结果 。在相控非线性反演剖面 (图 3) 上扇体的 外形特征 、内部结构 、延伸范围以及不同期次间的 接触 关 系 等 清 晰 可 见 。而 在 普 通 构 造 解 释 剖 面 (图 1) 和常规反演剖面 (图 4) 上 , 由于反映储层纵 横向变化的地震信号之间差异甚小且分辨率低 , 造 成扇体的宏观与微观特征均难以显现 。通过高精度 的相控非线性随机反演 , 可将地震剖面中隐蔽岩性 油气藏的特征显现出来 , 因此可在反演成果剖面 (图 3) 上 , 较容易地对扇体的内部结构 、沉积期次 等进行深入研究 , 并据此将该区扇体划分为 12 个 沉积期次 , 图 5即为扇体第三期沉积砾岩体储层 厚度等值线图 。目前已完钻的 8 口井都部署在储 层物性相对较好的扇体中部 , 且均获商业油流 , 其
图 6 为中原油田 D 区三维连井地震剖面 ,反演 之前首先进行了地震相界面初步划分 , 建立了宏观 相控模型 。图7为相控非线性随机反演剖面局部放 大图 ,其中 D43 井与 D49 井井间的岩性变化 、D49 井砂泥岩层向 D43 井方向上倾尖灭以及高速砂岩 向泥岩的过渡变化 、接触关系等都十分清楚 ,而在常 规地震剖面 (图 6) 中薄层砂岩横向变化 、尖灭等隐 蔽特征均难以看到 。因此研究人员可以根据目前 D43 井和 D49 井的试油情况 ,选择油气显示相对较 好的砂岩储层进行追踪 ,沿 D49 井砂岩层上倾方向 砂岩储层发育区部署井位 。
N
∑ si
=
w ( t)
3
j =1
z j+1 z j+1
- z δj [ t -
+ zj
Tj ] + n( t)
(5)
式中 :si 为地震道 ; w t =τ为具有不同延迟的子波 ; z j
为波阻抗序列 。由于地震道与波阻抗的关系是非线
性的 ,所以被称为非线性反演 。
令 t = iΔt ,对式 (1) 进行离散取样 , 可导出偏导
2 方法原理
2. 1 地震相控约束外推计算 地震相是沉积相在地震剖面上的反映 ,任何一
种地震相都有特定的地震反射特征 (即特定的几何 形态和内部结构等) 对应于相应的沉积相 。依据地 震相的外部几何形态 、内部结构及相互关系 、在区域 构造背景的位置 ,结合钻井资料进行相转化 ,可以在 宏观上初步确定某地震相对应的沉积相 。
6 96
石油地球物理勘探
2007 年
式中 : m 为模型参数 ; A 为 Joco bi 矩阵 ;σn 为数据中 包含的噪声方差 ;σm 为真实模型相对于给定初始模 型的方差值 ; s 为实际地震数据 ; s ( m0 ) 为由参数模 型形成的合成地震记录 。
在实际资料反演过程中 ,先根据井的波阻抗资料 及地震相划分结果建立一个地下波阻抗模型 ,即固定 点模型 z0 ,然后利用井的波阻抗和井旁地震道求出控 制参数 ,即可进行井约束 、相控非线性随机反演。
数矩阵 A 的矩阵元
aij
=
5s ( iΔt) 5zj
(6)
aij 的具体表达式为
aij
=
( zj
2zj- 1 + zj- 1 ) 2
w ( iΔt)
3δ{ [ i
-
(j -
1) ]Δt} -
-
( zj
2 z j+1 + z j+1 ) 2
w ( iΔt)
3δ{ [ i
-
j ]Δt}
(7) 于是地震道随机逆反演的基本公式为
2 0
(
x)
(3)
-N
-N
其一般式为
N
N
∑ ∑ ck = p k ( x) f ( x)
p
2 k
(
x)
-N
-N
k = 0 ,1 ,2 , …, n
(4)
2. 2 地震道非线性随机反演方法
随机地震反演技术是一种将随机模拟理论与地
震反演相结合的反演方法 。该方法可以有效地提高
地震资料的垂向分辨率 , 并充分考虑地下地质构造 的随机特性 ,使反演结果更符合实际地质情形 。本 方法基于褶积关系
据此 ,首先在地震剖面上对沉积体系进行宏观 划分并确定出相界面 。例如 :结合钻井 、综合录井资 料 ,可以将图 1 所示地震剖面划分为半深湖 、扇端 、 扇中和扇根四个相带 , 并确定出四个亚相的界面 (线) ,建立相控模型 ,同时亦可在平面上和三维空间 上勾画出目的层沉积相 、亚相甚至微相的展布和匹 配关系 (图 2) ,为地震相控约束反演创造约束条件 。
关键词 非线性随机反演 地震相 沉积相 地震数据 测井数据 复杂油气藏
1 引言
自上世纪 90 年代以来 ,复杂油气藏的勘探开发 已引起全球范围的广泛重视 。据美国能源部预测 : 2030 年以前美国国内一半以上的天然气产量将来 自复杂油气储层 。在我国 ,自 2000 年以来岩性油气 藏探明储量逐年增加 ,已占据油气总储量的 50 %以 上 。因此复杂油气藏的勘探开发已成为近一个时期 内油田增储上产的主攻方向 。
3 北京市昌平区中国石油大学资信学院地球物理所 ,102249 本文于 2007 年 3 月 5 日收到 ,修改稿于同年 7 月 13 日收到 。 本项研究受国家 973 项目“中国西部典型叠合盆地油气成藏机制与分布规律”(2006CB202306) 和国家 863 项目“深水海域油气与天然气水 合物资源勘探开发关键技术”(2006AA09A10120103) 资助 。
图 5 扇体第三期砾岩体储层厚度等值线图 (单位 :m)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
6 98
石油地球物理勘探
2007ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ年
料的垂向分辨率 ,使反演结果更符合实际地质情形 , 经钻探证实预测结果与实际具有较高的吻合度 ,取 得了很好的预测效果 。
(4) 复杂岩性油藏储层预测所要研究的是地层 的细节变化 ,地震记录中的各种频率成分都很重要 , 因此在进行相控非线性随机反演之前先做振幅谱补 偿对于提高反演结果的精度是有益的 。
Δm = ( AT A +σ2nσ-m2 ) - 1 AT [ s - s ( m0 ) ] (8) 其迭代公式为
mi = mi- 1 +Δm
(9)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
考虑地下地质构造的随机性 ,相控外推计算中 采用多项式相位时间拟合方法建立道间外推关系 。 具体做法是在相界面控制时窗范围内从井出发 ,将 从测井资料得到的先验模型参数向量或从井旁道反 演出的模型参数向量沿多项式拟合出的相位变化方 向进行外推 ,参与下一地震道的约束反演 。 设 N 为给 定的 正整 数 , 给 定数 值 f ( - N ) , f ( - N + 1) , …, f ( N) ,则可用一个 2 N 多项式拟合
摘要 在地震相模型控制下 ,通过原始数据将各个单一反演问题转化为一个联合反演问题 ,可降低反演在描述 参数几何形态时的单个反演问题的自由度 ,从本质上提高地球物理反演的效果 。本文在计算过程中采用了非 线性随机反演算法 ,能有效提高地震资料的分辨率 ,并充分考虑地质条件的随机特性 ,使反演结果更符合实际 地质情况 。在胜利 、中原油田等地区的储层预测中 ,应用本文方法均取得了良好的效果 ,为岩性油气藏勘探提 供了可靠基础数据 。