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储层地球物理学5-高分辨率地震反演

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地球物理学 高分辨率 地震 反演
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高分辨率地震反演油气资源与勘探教育部重点实验室 (长江大学 )2007 一、序 反演的概念 反演的目的及研究内容 反演的限制条件 二、高分辨率地震反演 地震反射层精细解释 高分辨率 地震子波的提取及模型的建立 波阻抗反演及应用实例 三、小结 自从石油行业行业诞生以来,地球物理学家就一直致力于求解反演问题。在地球物理勘探中,解释人员总是基于地面观测数据如地震记录或势场记录来推断地下特性。他们事先在头脑中形成一个粗糙的反映地面记录形成过程的模型,解释时通过这个粗糙的模型根据实际观测到的地面记录重构地下特性。按现代的说法,这种根据观测数据推断地下特性的工作就是求解所谓的 “ 反演问题 ” 。 相反, “ 正演问题 ” 就是在给定地下特征和特定的物理定律成立的前提下确定所能记录到的数据。反演的概念一、序 反演就是根据地面观测到的数据来推导出地下的模型参数。实现这一过程必须要确定观测数据和地球物理模型参数之间的函数关系,然后根据观测数据来求取地球物理模型参数。反演分线性反演和非线性反演两种,线性反演是观测数据和模型参数之间的函数关系可以用一个简单的数学关系式表示出来,而非线性反演其间的关系是不能用显式的关系表示的。 反演可以定义为一种方法,借助于这种方法,人们可以获得精确描述所观测到的数据集的地下模型。以地球物理数据为例,我们的观测结果包括那些可称之为地下构造的物理特征信号,即由地震震源或电磁源激发产生的构造反射(或散射)波场,或构造异常重力场或磁场等。 反演处理与正演模拟密切相关。正演模拟利用数学关系如波动方程来合成地层模型的激发响应,例如地震能量脉冲。地层模型是由一组参数如层速度和层密度等来定义的。这里,如何选择能精确描述观测结果的正演模拟方法肯定是十分重要的。 在地震勘探中,正演模拟是用一种生成合成地震记录的算法来实现的,这些算法有地震射线追踪法、有限差分法或有限元波动方程解法等。在重力勘探中,正演模拟方法包括根据假定的地下密度分布计算重力场的规则。除了选择合适的数学模型外,了解应该使用多少模型参数和哪些参数最有效也是很重要的。 “ 正确 ” 模型的选择取决于所面对的勘探问题。反演目的油气田的勘探、开发离不开钻井、测井、测试、采油、地震、油藏工程等方面。通常钻井、测井、测试、采油只能提供井点附近的信息(地层、岩性、物性、构造、含油气性等) ,而这些信息很难满足油藏研究的需要,在油藏的勘探开发中如何设计探井井位、建立开发井网?如何进行储层预测、油藏描述?如何进行开发方案的调整、油藏的动态监测?这些是勘探中所关注的问题。地震资料信息是联系油藏由点到面的纽带,是进行油藏定量化研究的重要信息来源,通过与已知井点信息相结合的地震资料反演技术可以为油田工作者提供大量的地下地质信息,建立油藏的概念模型、静态模型、预测模型,提高油田 的 采收率。 反演理论必须研究的四大问题是: 解的存在性问题: 即给定一组观测数据后 , 是否一定存在一个能拟合观测数据的解或模型 。 模型的构制问题: 如果存在性是肯定的 , 如何求得或构制能拟合观测数据的模型 。 非唯一性问题: 就是要讨论能拟合观测数据的模型是唯一的 , 还是非唯一的 ? 答案是解是非唯一的 , 而且非唯一性很严重 。 原因是观测数据在空间域和时间域上都是有限的 , 观测数据有误差 。 结果的评价: 如果解是唯一的,如何才能从构制的模型中提取关于真实模型的地球物理信息,也就是求出它们的共同信息。反演的限制条件地震资料反演结果的精度从反演的方法上来看不难想象,不论是带限反演、稀疏脉冲反演、基于模型的反演,还是目前还未广泛推广的波动方程反演大致主要受以下几个方面的限制:( 1)地震资料本身的限制,用于反演的地震资料必须是高保真度资料,如果资料本身不是保持振幅处理的,那么在进行反演时,所得到的波阻抗就反映不了地下地层的信息,也就根本就不能用于储层预测和油藏描述。此外,地震资料还应尽量高信噪比、高分辨率、准确成像,这些都将影响反演的分辨率,一句话,地震资料的品质将最终影响反演的分辨率。资料品质分析( 2)用于反演的测井资料品质,在进行反演前必须对工区内参加反演的测井曲线进行环境校正,进行全区曲线的归一化处理。如果测井曲线没有进行环境校正,归一化处理,在反演时同样也反映不了地下地层的地质信息。( 3)子波的提取,以褶积模型为基础的反演方法需要子波来进行反射系数的提取,如何估算子波?怎样提取的子波才更适合于反演?才能得到准确的反射系数?目前提取子波的方法主要是从地震、测井或两者综合。( 4)合成记录的标定。子波提取的好坏、地震资料极性的判别都需要用合成记录来判断。标定的结果将影响低频分量及反射系数的对应关系,最终影响波阻抗反演结果。( 5)地质模型的构建。反演的地震资料必须进行精细的层位、断层解释建立合理的地质模型,用于约束反演和提供低频分量。( 6)反演方法的选择。在不同的勘探、开发阶段我们所掌握的资料信息程度不同,采用的方法也应有所不同。在勘探阶段主要应用道积分、递归反演、稀疏脉冲反演。开发阶段主要采用基于模型的反演,正、反演相结合迭代进行。勘探阶段的岩性反演主要采用统计公式转换,而开发阶段则主要利用地质统计学方法进行随机建模、随机反演。二、高分辨率地震反演1 地震层位的标定和解释2 子波的提取和模型的制做3 波阻抗反演地震反射层精细解释地震解释 精细地震解释是反演成败的关键 。 特别是针对低幅度构造进行研究的时候更是如此 , 因此在解释上大的范围基本上是依据地质分层成果资料确定解释层位 。 对地震层位进行标定 , 又是解释的基础 。因此对合成记录的制作和层位标定在这里显得尤为重要 。层位标定 右图为经过标定后解释的过 该井出油层位在 从剖面上可以看出 , 该储层在时间剖面上是没有被分开 。m)电阻率深度层位走廊迭加 测线性1243177122082260垛一段戴二段戴一段阜四段 地震子波估计是地震波阻抗反演的重要环节 。 在地震反演中常常是利用井旁的测井资料和地震道联合提取出一个恒定的地震子波 。 随着高阶统计量方法在信号处理领域的广泛应用和研究 ,地球物理工作者逐渐认识到应用高阶统计量方法可以从地震资料中提取一个非最小相位 、 时空变化的实际地震子波 。 在这里主要是介绍基于高阶统计量理论 , 也即是基于双谱的相位重构法 , 编制相应的程序来估算地震子波 。地震子波估算提取子波的原理是从叠后地震数据体中抽取的时间地震道数据(见上图)通过高阶统计量方法计算求取。 利用高阶统计包含信号的相位信息特性,并基于信号的四阶累积量及其四阶谱,提出一种地震信号的非最小相位子波的估计方法。在任意高斯噪声环境下,对地震子波进行最小相位和最大相位谱分解,两部分信息完全可以从四阶谱中恢复。 地震信号的采样间隔是 2本数据的采样长度取值是从 2000000图是用双谱法计算获得的地震子波,提取子波所用的采样点是 128个,子波采样间隔也是 2子波的形状可以看出它不是最小相位子波,但是它的脉冲响应更接近地震勘探所希望的尖脉冲,因此用它来做处理分析可望获得更好的分辨率。右图是该子波的频谱图,从图中可以看出子波的主频率是在 40震子波估算地震子波的选取下面三个地震子波分别是利用测井资料 、 实际地震资料统计方法及高阶统计量方法提取的地震子波 。 从图中可以看出 , 利用测井资料获得的地震子波用于地震反演效果肯定很差 , 一是子波的形状不对称 , 旁瓣多而且幅度大 ,地震统计方法获得的地震子波尽管比较规则而且旁瓣幅度小 , 但是相对高阶统计量方法计算获得的子波来说 , 它的旁瓣抖动要严重且幅度要大 , 因此高阶统计量方法获得的地震子波最好 。60u 160叠后资料反演 ,:一 . 带限反演,或称常规递推法。地震资料实际上是地震子波与反射系数的褶积。S(t)=R(t)*W(t)S(t) 地震纪录R(t) 反射系数W(t) 子波反射系数 :当波阻抗反差不大时 ,则有 :因此反射系数取积分便近似有 :11221122  112221d t   所以反射系数的积分正比于波阻抗的自然对数,这是一种最简单的波阻抗概念,我们通常称之为道积分(相对波阻抗方法)。美国某家石油公司在墨西哥湾海上寻找非背斜油藏,一直取得成功。其成功诀窍有三:亮点、积分地震道和分地震道的优点是:( 1)递推时累计误差反而小;( 2)计算简单,不需要反射系数的标定;( 3)没有井的控制也能作。缺点是它不知道波阻抗的绝对值。常规递推法的绝对波阻抗反演通常分步:( 1) 令时刻 n, 时刻时的波阻抗为 递推公式的全形为 :显然,如果利用测井资料已知波阻抗初始值 可利用上式依次推算出任意时刻的波阻抗。大家知道,在野外记录时,由于受接收仪器的频率特性影响,在记录中基本不含低于 6时的波阻抗为相对波阻抗。( 2)利用地震速度场或测井资料建模速度场通过滤波仅保留其低频成分,把所得到的低频成分加到相对波阻抗曲线上,就可得到可用于储层定量计算和油藏描述的绝对波阻抗 。  11001二 . 稀疏脉冲法,包括最大似然反褶积、 小熵反褶积、最大熵反褶积、同态反褶积等。常规递推法与稀疏脉冲反演法主要是利用反褶积方法来恢复反射系数序列,由经过标定的反射系数序列递推出相对波阻抗,然后加上从声波测井和地质模型中得到的低频分量,最终得到反演波阻抗。这两类方法的主要缺陷是选择可靠低频信息较为困难,由反射系数递推波阻抗过程中误差积累快,当反射系数存在较大误差时,递推出来的波阻抗剖面会面貌全非。此外,经过反褶积处理的结果,并不代表真正的反射系数序列,稀疏脉冲法在地质结构复杂的条件下使用效果很差。其精度也难以满足储层预测、油藏描述的需要 。三 . 以模型为基础的反演方法。如地震岩性模拟、广义线性反演、宽带约束反演等。这种反演方法采用最优化算法,迭代速度与稳定性都很好,克服了波阻抗的相对和绝对标度在递推反演中的缺陷,改善了波阻抗界面的分辨率,消除了子波的剩余效应所造成的畸变,受地震资料带限性质的影响小,提高了反演结果的可信度。以模型为基础的反演方法以测井资料为约束条件 ,采用正、反演结合进行迭代,求取地下波阻抗将反演方法推向非线性问题。这种新方法利用了测井资料的高频和低频信息,大幅度拓宽了地震信号的频带,可以更好地获得薄层、薄互层的波阻抗信息。因而表现出强劲的发展势头,是目前国内外各软件公司重点发展的技术,也是油田开发阶段进行储层预测、油藏描述的主要应用技术。以模型为基础的反演主要分三个阶段进行 :( 1) 首先应综合地震、测井和地质等资料得到的波阻抗曲线、层位解释结果和岩性信息,确定一个初始波阻抗模型。这个初始模型把应用地质知识解释的层位、断层和岩性信息反馈到反演中去。( 2) 把地震道的估计结果与实际地震道相比,得到剩余误差值。利用这个误差,通过随机算法(或模拟退火、神经网络、遗传算法等非线性全局最优化方法),在噪声和模型协方差估计值得约束下,迭代修改模型,直到获得一个可以接受的剩余误差为止。最终控制反演过程的稳定性与分辨率,进而处理出高质量的波阻抗剖面。( 3)利用测井岩性、物性、波阻抗反演结果采用拟合、地质统计学(克里金、协克里金)方法求取相关关系,进行岩性反演。目前国内外反演软件众多,总的来说国内的反演软件商业化程度较低,生产中多以国外软件为主。在我国较有影响的软件有以下几家:( 1) 软件从软件设计上充分考虑了勘探、开发不同阶段的资料情况,有较完善的建模软件( 子波分析软件( 反演方法主要有 于道反演技术,包括常规递推反演、约束稀疏脉冲反演、道合并和孔隙度估算), 于模型参数反演技术可以反演在时间和深度域里与测井分辨率相同的模型), 质统计学和随机模拟、随机反演技术可以精细描述油藏非均质性特征)。( 2) 软件使用简便但在模型控制方面不如演方法主要有常规递推反演、宽带约束反演、稀疏脉冲反演。其他的反演软件还有很多,如很多地震资料处理软件都含有反演方面的程序,但相比前面所说的几家软件从使用、效果、方法以及商业化程度上都无明显优势,因此在生产中还应用较少。高分辨率地震反演应用实例在已经获得地震信息的情况下 , 要想通过这些信息进一步了解地下的地质构造 、 地层 、 岩性 、物性及含油气性 , 目前较实用的方法就是利用地震反演 。 这里应用的主要还是一模型为基础的反演方法 。 地震反演对于薄储层来说 , 用常规的反演方法难以解决薄储层的识别问题 。 本次采用的地震反演方法系采用高阶统计量计算子波 , 用井约束基于模型法进行反演 ,该方法可以大大提高反演的分辨率 。 这里所举的实例采用的地震反演方法系采用高阶统计量计算子波 , 用井约束基于模型法进行反演 , 在保持地震资料品质的前提条件下 , 可以提高反演的分辨率 。地震反演实例一左边的图是用地震资料统计算出的子波反演的结果 ,右边的图是利用高阶统计量计算的子波反演的结果 。从这两张图中可以明显看出图中画圈的地方的差别 。波阻抗反演剖面过 53井剖面在下面左边的偏移体剖面图上 , 在该井 也就是说在这种分辨率情况下这一砂体分辨不出来 。 在保幅体剖面上该砂体在波形上同样没有被分开 , 见下右图:浦台三维保幅体剖面 通过高阶统计量方法获得的地震子波进行提高分辨率反演 。 从下面的反演剖面中可以看出 , 这套储层已经被分开 ,和自然电位曲线显示的低值为砂岩特性吻合很好 。 根据钻井标定的含油砂岩是巴楚组底部的砂岩 , 在自然伽玛曲线上同样显示低值为砂岩特征 , 反演指示的阻抗值在: 9600左右 , 速度在 3580m/s 880m/ 储层在 470也就是说这种薄砂体只有在这种高分辨率情况下才能被分辨不出来 。 见下图:下图是 剖面中可以明显看出巴楚组底部砂岩体的顶底分界线。图中插入的井曲线是自然电位曲线。剖面中可以明显看出巴楚组底部砂岩体的顶底分界线及横向分布范围,东掉断层在反演剖面上也清晰可辨。储层顶部储层底部过 在该套砂岩体之上覆盖有两套高速层。波阻抗平面分布图速度平面分布图速度平面分布图反演孔隙度剖面 反演剖面可以看出, 测线 121波阻抗反演剖面 (老三维资料 )1、储层反演及储层预测 —— 稀疏脉冲反演8井过 9井反演剖面。在括边界范围都可以圈定。该油藏在 明反演的资料和实际情况是相吻合的。同一条剖面反演结果与前面的对比油气层显示阻抗值偏低 )横测线 259波阻抗反演剖面3阻抗值比围岩高 )12井该反演剖面中 3新部署的 12井在 33阻抗值比围岩低 )与上一张比较 :同一块资料做的反演结果分辨率明显提高1 高分辨率地震反演是建立在高分辨率地震资料的基础之上的 ,在此基础上提取合适的地震子波并建立精细的速度模型进行反演 ,可获得较高分辨率的地震反演资料 。2 在已经获得地震信息的情况下 , 要想通过这些信息进一步了解地下的地质构造 、 地层 、 岩性 、 物性及含油气性 ,目前较实用的方法就是利用地震反演 。3 波阻抗反演通过测井资料约束可以反映地层岩性的变化 , 利用 结合井的砂泥岩数据进行拟合 , 可以求得地层的含砂量分布平面图 。4 因此利用 追踪含油气储层的边界范围 。这些反演资料的综合利用 , 可以提高识别含油气储层的准确性和可靠性 。三、小结
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