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复杂油气藏储层预测技术

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复杂油气藏储层预测技术黄捍东二零零七年十月十八日(北京 )一、地震反演方法研究概述二、叠后储层反演技术研究三、 叠前地震弹性参数反演方法研究专题讨论: 叠前、叠后储层预测技术一、地震反演方法研究概述(一)地球物理反演的研究对象(二)地震反演方法分类(三) 地球物理反演的发展过程及趋势地震反演定义地震反演是利用地表观测的地震资料,以已知地震规律和钻井、测井、地质资料为约束,对地下层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程。波组抗反演是指利用地震资料反演地层波组抗(或速度)的地震特殊处理解释技术。从七十年代被提出,近三十年来,取得了巨大的进展,在实际应用中取得了显著的地质效果。通常地震反演指的就是波组抗反演。九十年代以来,地震反演技术由过去单一的波组抗反演,进一步向岩石密度、孔隙度和岩性体积百分数等多参数反演的方向发展。使得利用地震资料来解决复杂地质问题的能力不断增强。地震 速度 岩性地震多参数反演示意图(一)地球物理反演的研究对象地球物理反演是在地球物理学中利用地球表面观测到的物理现象推测地球内部介质物理状态的空间变化及演化的一个分支。它的核心问题是: 如何根据地面上的观测信号来推测地球内部与信号有关部位的物理状态。用地面观测信号来推测地球内部结构北 南潜山顶 潜山下 10山下 20井控制有利区塔河串珠状缝洞预测由此可见,地球物理反演研究的是各种地球物理方法中反问题共同的数学物理性质和解估计的构成和评价方法,它是从各个地球物理分支中抽象出来的新的边缘学科。上述关于地球物理反演的定义范围太广,它实际包含了地质分析和解释的全部工作。因此,在本次的学习中,我们首先将范围限定在由窄频带地震资料获取宽带声波阻抗测井资料、物性参数和岩性参数上( 这种反演结果被用来更精细的描述地下地层的沉积状况,帮助我们直接找油找气 )。(二)地震反演方法分类由于地震反演技术尚处在发展过程中,目前国内外都没有系统的分类方案。大体上有以下几种分类方法: 依据地震资料分为叠前反演和叠后反演;依据反演方法分为线性反演和非线性反演;依据解的多解性分为确定反演和非确定反演 等。地震反演方法分类反褶积波动方程随机过程基于不同算法的反演特征分析动力学特征测井、地质约束反演带限反演测井约束宽带地震约束测井内插外推动力学特征反演方法分类:地震反演方法分类框图基于地震、测井约束的反演方法:类别 反演方法 主要软件带限反演 道积分、递归反演等 带约束反演、稀疏脉冲、模拟退火反演等机反演等 地震联合反演特征反演、神经网络反演等 解释人员接应不暇。如何正确认识这些方法的特点和应用的局限性,使其发挥应有的效应,是当务之急。(三) 地球物理反演的发展过程及趋势在 1967 美国地球物理学家 为建立统一的地球物理反演理论和方法奠定了基础 。三篇著名的关于 地球物理反演的 文章分别是:① 1967,of a 13,247 1968, of 16,1691970, in of 66,123 它经历了从简单的地震直接反演到利用地震 、 测井 、 地质等多种信息的模型反演 , 从线性反演到非线性反演 , 以及从叠后反演到叠前反演三个发展阶段 。在北美许多大学的地球物理专业开设了地球物理反演方面的研究生课程,标志着它已经成为地球物理学中相对独立的一个分支。地震反演技术的发展过程1979 年 波组抗与反射系数的关系式推导为积分或求和的形式 ,也可以表达成相位谱 900旋转的一种褶积滤波器 , 利用该滤波器很容易生成相对波阻抗数据集 , 这种方法被称作递推反演或道积分 。地震直接反演到模型反演递推反演 利用地震资料直接计算地层的相对波阻抗,把反映岩层速度差异的反射系数积分成具有岩性特征的相对波阻抗,从界面解释上升到地层解释。其商品化的软件有2e x p)()()( 可以导出由道积分反演公式:缺点:分辨率低,无法适应薄层反演。递推反演公式:  ji 1对地震资料的频带宽度和信噪比有较高要求,且地震振幅要保真。低频成分要由层速度或钻井声波测井获得。1983年 文中提出了基于模型的反演方法 , 并给出了合成记录和野外实际记录的反演结果 。模型法反演采用的是一种自适应的反褶积方法,该方法首先根据速度谱和井资料建立一个速度模型,采用逐步修改地层波阻抗及其厚度值,相应修改子波,然后作一次正演,求其与地震道的误差。根据此误差,在作摄动、修改波阻抗模型,直到误差满足一个给定的精度为之。在模型法反演中,井主要起标定、提取低频背景和质量控制的作用,其反演的分辨率、信噪比主要取决于地震资料。这一时期的商品化软件有 T 01)( 基于模型,不用求取低频分量,用阻尼因子控制迭代收敛。缺点:对模型依赖性强,阻尼因子选取难度大,且不具有普遍性。九十年代初,计算机技术的飞速发展,极大地推动了波组抗反演方法的研究和技术的发展。在这个阶段,井约束反演方法和以模型为基础的反演方法有了较大的发展,使得地震剖面目标层段的波阻抗反演技术成为储层研究的一个重要手段。这两种方法都是首先从井出发,建立一个详细的全频带地质模型,采用模型最优化迭代算法,通过不断修改地质模型,使模型合成的地震记录与实测数据最佳吻合,最终的模型就是反演结果。由于避免了用地震数据做递推反演,其结果不仅可以提高地震资料的信噪比,还可以突破传统地震频带的限制,具有比直接反演更高的分辨率。商品化的软件有 01)(将井作为初始模型,从井旁道出发,随机约束反演。由于作了线性化近似,分辨薄层能力受到限制。从国内外成功的实例来看 , 这项技术具有较强的实用性 , 它可以估计出岩石物性和岩石组分等重要参数的纵 、 横向变化情况 。 对提高勘探成功率 , 完善开发调整方案都有一定的作用 。但测井约束反演在很多情况下不能充分描述测井和地震数据间的关系 , 难以实现地震 、 岩心 、 测井三种测量尺度的最佳匹配 。 线性反演到非线性反演七十年代末至九十年代初,提出的递归反演和模型法反演多为线性化反演方法,现在已成为实际生产应用中反演技术的主流。但线性化反演方法的缺陷是容易造成局部寻优,这是由算法本身所决定的。因此,在很大程度上依赖于初始模型的选择和目标函数曲面的复杂程度。 九十年代中后期,地球物理学者开始尝试将非线性算法应用到反演问题当中,目前仍处于不断的探索和发展阶段。出现了以非线性反演理论为基础的多种反演算法。较典型的有以下四种算法:① 模拟退火反演“ 退火 ” 是处于热平衡状态下的物理系统在温度下降时的演化过程。用于某类优化问题,就是将退火过程中亚稳态的玻璃体模拟成搜寻到局部极值,而将稳态的晶体生成模拟成搜寻到整体极值。② 遗传进化算法反演遗传算法是一种模拟生物系统中自然选择和遗传变异机制的完全非线性反演方法。与一般的反演方法在模型参数空间中从一点到另一点进行搜索的方式不同,遗传算法采用对模型群体进行搜索的方式,因而它具有比一般反演算法更大且更复杂的记忆,具有更大的潜力。用模拟退火反演纵波速度 用模拟退火反演横波速度③ 概率法神经网络反演人工神经网络是模拟生物神经网络的结构和功能的一种人工系统,它力图模拟人类大脑神经网络的一些功能。目前人工神经网络有几十种,结构性能各不相同。但无论它们差异如何,它们都是由大量简单的基本处理单元广泛连接而成的,这种基本处理单元称为神经元,它是生物神经元的模拟物。模型法反演层速度 遗传法反演层速度上述三类算法反演的初始模型是根据低频模型的先验概率而产生一个随机层速度模型,与测井约束反演由井内插高频模型有本质的区别。反演过程针对非线性、多参数、多极值的大型组合优化问题,采用模拟退火、神经网络等全局优化算法,寻找目标函数的最优解。 如丹麦的 出层神经元二维排列图 神经元 非线性随机反演( 2005)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的随机特性,使反演结果更符合实际地质情况。近两年来新的算法应用到求反演解的过程主要有:量子退火法、蚁群算法等。蚁群算法是近年来发展起来的一种仿生模拟进化算法。蚁群算法的思想就是模拟蚂蚁的觅食行为,即使用大量人工蚂蚁在搜索空间中随机搜索,并且用类蚂蚁的人工信息素来加强搜索路线,引导其它蚂蚁的搜索,同时引入信息素的挥发机制。这种正反馈使该算法能够找到全局最优解,而不会象其它搜索方法那样容易陷入局部最优解。自 多方面得到了应用,并取得了较好的效果。近几年,多种技术的交叉运用,又产生了一些新的反演思路。如:分频波阻抗反演、地震特征反演、混沌反演、地质统计与随机模拟反演等。针对灰岩、火成岩等特殊储层,以岩石物理学为指导,也展开了转换声波反演方法研究。从反映其岩性、电性特征的曲线中,重构出一条能反映储层地球物理特征的曲线,形成储层的反演数据体。分频波阻抗反演将地震资料分成几个一定频宽的频段数据进行反演,在用低频成分反演时,避免高频噪声的影响;用高频成分时,避免低频噪音的影响,该方法稳定性强,反演结果较常规方法信噪比高。地震波形特征反演利用小波变换的多分辨性和数学显微镜的性质,将地震波020充分利用多尺度(不同特征波形)间的联系,以引导优化算法搜索方向。一般先在大尺度上迭代反演,得到一个比较好的参数估计,再将这个估计作为小尺度的初始值进行反演,直到反演出原问题的全局最优解。混沌反演所谓混沌就是 “ 无序中的有序 ” ,地球物理反问题的不可实现性、非线性和解的不适定性普遍存在。混沌现象是非线性系统的属性,混沌控制理论是人们对非线性现象加以利用的重要手段,也是混沌动力学在实际应用中的理论基础。现在,反问题求解中的非线性问题受到人们的广泛关注,并在地震道非线性混沌研究方面取得了新的进展。混沌反演目前尚处于初级阶段,还有待进一步研究。关于地震相控制下的联合反演的研究, 003)等指出在地震相模型的控制下,通过原始数据将各个单个反演问题结合成一个联合反演问题可以降低联合反演在描述参数几何形态时的各个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,并从理论上给出了基于相模式下联合反演比无地质层位概念的、单独的一种地球物理资料的反演更优越的结论。相控联合反演( 2003)扇体反演 1: 东海丽水凹陷储层预测生、储、盖层组合关系研究后反演到叠前反演目前,常用的叠后地震反演技术虽然能够在一定地质条件下,解决储层的横向预测问题,但对于厚度薄、横向变化大的复杂油气储层的预测和描述问题却存在明显不足,因为水平叠加使得反射波振幅的 可能造成振幅解释的许多假象;叠前数据所包含的丰富的振幅和旅行时信息,一些细微的地层特征,尤其是当油藏本身的厚度远小于地震的分辨能力时,叠后反演很难确定产层的准确位置。因此,开展地震纵横波速度及其它弹性参数的叠前地震反演,得到高精度的、能够反映储层横向变化的地球物理参数,对于研究复杂油气储层的空间分 布、开展对复杂油气藏的精细描述等都具有十分重要的意义。但是由于叠前反演存在计算量大、随机噪音不易去除、稳定性差等问题,反演方法并不成熟,反演结果也不可靠,还不能广泛应用于实际地震解释。1999年, 起了弹性波组抗反演研究的热潮。我们知道,近偏移距振幅与波组抗的变化有关系,可以把这种近偏移距振幅与测井联系起来。这就是基于声波波阻抗( 且在某种程度上能将其变换到叠后反演算法的波组抗。对于远偏移距,则需通过弹性波组抗函数( 恢复。弹性波组抗是波组抗的推广,它是纵波和横波速度、密度及入射角的函数。波阻抗反演 弹性波阻抗反演针对叠前反演存在的主要问题, 2000年, N, P A, 们认为目前可行的办法是对现有水平叠加方法进行改进,可以选择振幅随炮检距线性变化的部分范围或部分角度道集进行动校叠加,形成特定炮检距或角度剖面,比如,可采用 5º—15º、 15º— 25º、 25º— 35º等临界角范围内不同角度道集进行叠加,来获得多个具有 种叠加方法保留了地震波振幅随入射角变化的信息,较全角度水平叠加方法有了很大的进步,同时也在一定程度上压制了噪音,在保持振幅的基础上再进行高分辨率、拓宽频带等处理,使得部分叠加剖面能满足叠前反演的要求,从而也一定程度上解决了叠前反演计算量大,稳定性差的问题。目前对叠前反演方法的研究,主要是围绕着提高反演解的质量和反演过程的效率,使解释更具有客观性等方面来开展。研究认为,近几年发展起来的叠前波动方程反演和叠前弹性波组抗反演是两种较有前景的反演方法。①叠前波动方程反演理想的叠前反演方法应当计算出全地震响应,包括转换波和多次波等。只有这样,其反演结果才能准确地描述任何横向变化介质的地震记录所显示出来的主要特征,包括薄层调谐效应及透射效应,这需要三维弹性有限差分或有限元建模方法。随机产生一族弹性地层模型计算每一地层模型的合成地震道集合成道集与实际观测数据的比较遗传算法修改地层模型收敛?否是计算适应度值保存结果结束此类方法虽然在理论上可行,但还有待于计算机能力的进一步扩大,才能完成此类工作算法基本流程② 叠前弹性波组抗反演弹性阻抗包含了 声波阻抗一起使用可提高判别岩性的能力,弹性阻抗与声波阻抗结合能解决声波阻抗不能解决的问题,是地震数据体多属性(纵、横波速度、密度和泊松比等)提取 、进行岩性解释的新方法。通过对地震数据有针对性的叠前时间偏移处理、精细层位解释和测井约束来实现地震波组抗反演的一体化操作,可以从地震资料与测井资料联合反演中提取不同入射角的弹性阻抗参数,能够比常规的波组抗反演更精确、直观的反映地下地质体油气藏的分布特征,而且还能提取更合理、更真实的其它地震属性。叠前反演弹性参数叠前地震数据角道集数据弹性波阻抗纵横波速度密度泊松比认为这两种方法只在子波不随偏移距变化时是相同的,当子波由于噪音等因素发生变化时,会在不同的 泄漏 ” ,在通常使用的入射角范围内,这种 “ 泄漏 ” 压制了一些抗噪属性。使得 而这个问题弹性波阻抗能够避免,因此弹性被阻抗要更好一些。8度角道集叠加剖面8度弹性波阻抗剖面12度角道集叠加剖面12度弹性波阻抗剖面16度角道集叠加剖面16度弹性波阻抗剖面地震反演技术的发展趋势过去的 20多年中,反演理论在地球物理界和油气勘探开发领域得到了广泛成功的应用。其波阻抗反演技术已成为储层预测的核心技术。目前,二十世纪八十年代末期发展起来的测井约束宽带波组抗反演已成为主流反演技术,但是,因为波组抗反演技术本身存在一些陷阱(如存在多解性),反演结果仍需结合其它资料才能进行储层预测和井位的确定,部分技术细节也仍需进一步完善。出现多解性, 在反演剖面上进行二次标定,来消除多解性的影响反演结果的多解性问题完全非线性反演算法由于计算量较大,收敛速度慢,还没有得到广泛的应用。还由于完全非线性反演采用的是在模型空间进行随机搜索算法,随机搜索的优点是最终解不依赖于初始模型的选择,初始模型可以随机定义,但不可避免地造成收敛速度的降低。提高反演结果的精度,拓宽反演结果的频带,降低多解性,是下一步所追求的目标。在经历了由反褶积到模型反演、由线性反演到非线性反演、二维反演到三维反演后,地震反演技术正在实现由叠后反演到叠前反演、由声阻抗( 弹性波组抗( 跨越。弹性波组抗包含了 前反演虽然计算量大,但其反演结果的质量明显优于叠后反演。叠前反演充分利用 得到比叠后反演更加详细的地层特征。因此,做叠前反演是很有必要的,尤其是对那些需要做详细地层及岩性研究的地区。随着地球物理技术的不断发展,反演方法在理论和运算方面的问题显得更为重要。在众多的反演中,每种反演方法都有自己的局限性,还不能说它们的理论(特别是非线性反演理论)已经完备,效果令人十分满意,同任何新兴学科一样,它还有许多问题亟待解决,就是现有的理论技术也需要在实践中不断改进、补充完善。因此,波阻抗反演技术今后的发展将向多参数反演和岩性反演的方向发展。其应用也将向着多学科相互渗透,多种方法软件集成方向发展。随着人们对反演影响因素的系统分析、对反演方法的解剖及对储层地质模型的研究,必将使地震、测井和岩心这三种不同的测量尺度达到最佳匹配。
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