基于聚類分析的地震屬性優(yōu)化及儲層預(yù)測——以敖包塔油田敖9工區(qū)為例

王新桐，盧雙舫（東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院）

肖佃師 （油氣藏形成機(jī)理與資源評價黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318）

1 工區(qū)概況

敖包塔構(gòu)造位于松遼盆地大慶長垣二級構(gòu)造單元的南部，敖9工區(qū)處于敖包塔構(gòu)造向古龍凹陷傾沒端，整體表現(xiàn)為東高西低的單斜形態(tài)，構(gòu)造延伸方向?yàn)楸北蔽飨?，傾向?yàn)槲髂舷?。該區(qū)主要產(chǎn)油層位為下白堊統(tǒng)姚家組一段 （K1y1）的葡萄花油層，地層厚度為30～50m，由北向南厚度逐漸減薄。全區(qū)共鉆生產(chǎn)井152口，原部署開發(fā)井96口，井位優(yōu)化后部署開發(fā)井122口。研究區(qū)葡萄花油層主要為北部沉積體系控制下的三角洲外前緣亞相沉積，水下分流河道、席狀砂和遠(yuǎn)砂壩砂體為該區(qū)主要砂體類型，單井砂巖多小于10m，砂體鉆遇率低，單層砂體厚度多小于2m，整體上砂體規(guī)模小、橫向連續(xù)性差，砂體預(yù)測難度較大，嚴(yán)重制約該區(qū)儲量評價及井位部署。

儲層預(yù)測中應(yīng)用測井資料垂向分辨率高，但橫向預(yù)測能力差，而橫向連續(xù)分布的地震資料能有效彌補(bǔ)測井資料不足，在井網(wǎng)密度低的探區(qū)，使用少數(shù)井資料及地震資料聯(lián)合儲層預(yù)測，可有效提高儲層預(yù)測的精度，其中地震屬性分析[1]、井震聯(lián)合儲層反演[2，3]為兩項(xiàng)重要技術(shù)。筆者以敖9工區(qū)葡萄花油層薄差儲層為例，采用地震屬性分析技術(shù)，利用聚類分析進(jìn)行屬性優(yōu)化，多屬性聯(lián)合預(yù)測砂體分布，效果較為理想。

2 原理及方法

地震屬性是指由疊前或疊后地震數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換導(dǎo)出的有關(guān)地震波的幾何形態(tài)、運(yùn)動學(xué)特征、動力學(xué)特征和統(tǒng)計學(xué)特征等信息。地震波在地下傳播過程中由于儲層巖性、物性和流體性質(zhì)的差異，地震波能量發(fā)生改變，并以地震屬性的形式表現(xiàn)出來，地震屬性可以從不同角度、以不同的形式表征地震信息。地震屬性種類繁多，目前實(shí)用性較強(qiáng)的分類方法是根據(jù)研究目標(biāo)、層系、巖性的變化，結(jié)合地震屬性的地質(zhì)意義將其劃分為振幅統(tǒng)計類、復(fù)地震道統(tǒng)計類、頻譜統(tǒng)計類、層序統(tǒng)計類、相關(guān)統(tǒng)計類5大類。地震屬性分析技術(shù)由3部分組成：地震屬性的提取、優(yōu)化和儲層預(yù)測[4～7]。

2.1 層位標(biāo)定和屬性提取

準(zhǔn)確的層位標(biāo)定是精細(xì)地震解釋的基礎(chǔ)，也是屬性分析的關(guān)鍵[8～10]。綜合巖性、測井資料，對探井進(jìn)行地質(zhì)層位劃分，結(jié)合地震合成記錄精細(xì)標(biāo)定葡萄花油層頂?shù)捉缑妫l(fā)現(xiàn)地震分層與地質(zhì)分層具有良好的一致性 （如圖1）。葡萄花油層為一套典型的砂泥巖薄互層，電性曲線呈中高幅齒狀或梳狀形態(tài)，葡萄花油層上下地層間均為湖相暗色泥巖，電性曲線呈低幅平直狀，與葡萄花油層呈突變接觸。葡萄花油層頂部界面 （對應(yīng)T11）為一套正相位強(qiáng)反射軸，底部界面 （對應(yīng)T1－1）為一套負(fù)相位反射軸，兩套反射軸橫向連續(xù)性強(qiáng)，易于對比追蹤，葡萄花油層對應(yīng)時間厚度分布在30～40ms。

圖1 敖9井地震反射特征與地質(zhì)分層

地震屬性提取方式主要有：層間開時窗提取和沿層開時窗提取[11]。敖9工區(qū)地層厚度橫向變化不均勻，且單個油層組厚度較薄，如果沿層提取單一油層組的地震屬性，受上下鄰層干擾嚴(yán)重，誤差較大，故筆者選擇用整個葡萄花油層的頂?shù)捉缑嫦薅〞r窗，提取時窗范圍內(nèi)與儲層具一定相關(guān)性的共三大類8種地震屬性：均方根振幅、平均瞬時相位、平均瞬時頻率、弧長、有效帶寬、平均反射強(qiáng)度、峰值譜頻率和最大波峰振幅。圖2為葡萄花油層幾種地震屬性圖。

圖2 敖9工區(qū)葡萄花油層地震屬性圖

如圖2所示，屬性高值區(qū)主要集中在東北部及西南部，呈南北向展布，低值區(qū)主要集中在西北部，有向東南延伸的趨勢。敖9工區(qū)葡萄花油層砂巖厚度展布受北部沉積體系控制，主要表現(xiàn)為東北部及西南部砂體相對較厚，砂體呈南北向條帶狀展布。地震屬性的分布規(guī)律與工區(qū)砂體展布規(guī)律符合較好。因此可以利用地震屬性反映儲層砂體的分布特征及確定物源方向，指示有利儲層發(fā)育區(qū)。

2.2 單一屬性預(yù)測儲層

選取工區(qū)范圍內(nèi)的171口井作為樣本井，提取樣本井點(diǎn)處的地震屬性數(shù)據(jù)和儲層信息數(shù)據(jù)，將二者擬合建立直觀的數(shù)學(xué)關(guān)系，用相關(guān)系數(shù)度量相關(guān)程度，表1為樣本井點(diǎn)地震屬性分別與砂巖厚度、有效厚度的相關(guān)系數(shù)，從表1可知平均瞬時頻率屬性與砂巖厚度相關(guān)性最好，峰值譜頻率屬性與有效厚度相關(guān)性最好。應(yīng)用線性回歸法，選用平均瞬時頻率屬性預(yù)測砂巖厚度，預(yù)測精度為0.7317；選用峰值譜頻率屬性預(yù)測有效厚度，預(yù)測精度為0.6734（圖3）。

表1 葡萄花油層地震屬性與砂巖厚度和有效厚度的相關(guān)系數(shù)

圖3 單屬性預(yù)測與實(shí)測砂體厚度和有效厚度交會圖

2.3 基于聚類分析的地震屬性優(yōu)化

地震屬性與所預(yù)測對象之間的關(guān)系復(fù)雜，不同的地區(qū)和不同的儲層，對地震屬性的敏感程度不相同，用單一地震屬性分析技術(shù)預(yù)測儲層砂體效果并不理想，而且研究人員越來越認(rèn)識到利用單一一種屬性預(yù)測儲層無法克服地震信息的多解性問題。應(yīng)用多屬性聯(lián)合預(yù)測儲層可有效提高預(yù)測精度[12，13]，對多種地震屬性進(jìn)行優(yōu)化處理也是地震屬性應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前地震屬性優(yōu)化方法很多，大體可分為兩大類：即利用地震屬性降維映射和屬性優(yōu)選。屬性降維映射是指純粹用映射或數(shù)學(xué)方法，將高維的地震屬性空間降到低維。應(yīng)用較廣泛的是主成分分析法即K－L變換。而屬性優(yōu)選則是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)從地震屬性集中優(yōu)選出對所求解問題最敏感、最具代表性的、屬性個數(shù)最少的地震屬性組合[14，15]，常用的方法有：聚類分析、相關(guān)分析、遺傳算法和RS理論等。

針對該區(qū)特殊的地質(zhì)特征，選用基于聚類分析的地震屬性優(yōu)化方法，通過分析每兩種地震屬性間的相關(guān)性，從提取出的8種屬性參數(shù)中優(yōu)選出最優(yōu)的地震屬性組合進(jìn)行儲層砂體預(yù)測。屬性優(yōu)化步驟可分為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、聚類分析、屬性擬合。

由于所提取的地震屬性物理意義不同、量綱不統(tǒng)一、數(shù)量級大小差別很大，直接參與運(yùn)算會導(dǎo)致局部的異常被大的區(qū)域背景所掩蓋以及存在一些離群的異常數(shù)值等問題，使預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在地震屬性優(yōu)化之前，首先要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，針對屬性參數(shù)的特點(diǎn)，采用極差歸一化的標(biāo)準(zhǔn)化處理方法，計算公式：式中：xnor為標(biāo)準(zhǔn)化后的地震屬性值；xatt為實(shí)際地震屬性值；xmin、xmax分別為地震屬性的最小值和最大值。處理之后可將不同量綱的地震屬性值都變換為0～1之間。

應(yīng)用聚類分析優(yōu)化屬性，其具體思路為：首先將參與運(yùn)算的地震屬性各自看成一類，通過計算每兩種屬性之間的相關(guān)系數(shù)以確定它們之間聯(lián)系的緊密程度，相關(guān)系數(shù)計算公式為：

式中：Rij為任意兩種屬性的相關(guān)系數(shù)；m為地震屬性個數(shù)；n為樣本井點(diǎn)數(shù)；xki、xkj分別為第k口井的第i種和第j種屬性值分別為第i種和第j種屬性的平均值。Rij在1和－1之間取值，當(dāng)相關(guān)系數(shù)接近1或－1時，認(rèn)為屬性間的相關(guān)度較高，接近0時，則認(rèn)為屬性間是無關(guān)的；隨后，將相關(guān)性好的屬性聚為一類，最終將目標(biāo)屬性分為2類或3類。為了防止同類屬性間相關(guān)信息的彼此干擾，對于每一類只優(yōu)選出一種與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)性最好的地震屬性參與運(yùn)算，這其實(shí)也就完成了屬性降維的過程；最后用逐步線性回歸法建立優(yōu)化屬性組合與儲層砂體二者的擬合關(guān)系，完成對儲層的預(yù)測。

將171口樣本井的8種地震屬性觀測值標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，根據(jù)相關(guān)系數(shù)計算公式，計算每兩種屬性之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 地震屬性相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

相關(guān)系數(shù)反映地震屬性間的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)越高，則表明這兩種屬性所傳達(dá)的地質(zhì)信息相關(guān)度越高，如果將相關(guān)系數(shù)高的屬性同時引入計算進(jìn)行儲層預(yù)測勢必將造成信息的重復(fù)和浪費(fèi)，使權(quán)值過重，信息之間也可能產(chǎn)生干擾使預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確。根據(jù)相關(guān)系數(shù)得到聚類分析譜系圖 （圖4），從圖4中可清晰地看到每種屬性之間的親疏關(guān)系，依據(jù)這種親疏關(guān)系將8種地震屬性分為3類：弧長、均方根振幅、平均反射強(qiáng)度和最大波峰振幅為一類；平均瞬時頻率、有效帶寬和峰值譜頻率為另一類；平均瞬時相位為第3類。綜合聚類分析結(jié)果和每種屬性與砂巖厚度、有效厚度之間的相關(guān)系數(shù)確定：預(yù)測儲層砂巖厚度的最優(yōu)屬性組合為均方根振幅和平均瞬時頻率；預(yù)測有效厚度的最優(yōu)屬性組合為均方根振幅和有效帶寬。

圖4 地震屬性聚類分析譜系圖

2.4 儲層預(yù)測

將聚類分析優(yōu)化地震屬性得到的兩個屬性組合分別與砂巖厚度和有效厚度進(jìn)行逐步回歸分析，建立兩者間轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對砂巖厚度和有效厚度的預(yù)測，通過計算可知樣本井處經(jīng)多屬性預(yù)測砂巖厚度和實(shí)測砂巖厚度相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8515，預(yù)測有效厚度與實(shí)測有效厚度相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7704（圖5），均明顯高于單屬性預(yù)測結(jié)果。

圖5 多屬性預(yù)測與實(shí)測砂體厚度和有效厚度交會圖

圖6是根據(jù)最優(yōu)地震屬性組合預(yù)測敖9工區(qū)砂巖厚度圖和有效厚度圖，從圖6中可以看到，敖9工區(qū)東北部、西南部砂巖厚度較厚，西北部為砂巖厚度低值區(qū)，受北部方向物源的控制，砂體主要呈南北方向條帶狀展布，向東南部延伸，厚度逐漸減薄，砂巖厚度從20m左右變化到10m以下。敖9工區(qū)有效厚度在東北部和西南部較為發(fā)育，中部間隔有效厚度低值區(qū)，全區(qū)最大有效厚度可達(dá)10m左右。

圖6 敖9工區(qū)多屬性預(yù)測砂巖厚度和有效厚度

3 結(jié) 論

1）由于單一地震屬性預(yù)測砂體存在多解性，預(yù)測精度不高，預(yù)測結(jié)果不盡人意，多屬性參數(shù)綜合預(yù)測勢必將成為一種發(fā)展趨勢，采用聚類分析的地震屬性優(yōu)化方法對多種屬性優(yōu)化處理聯(lián)合預(yù)測儲層砂體，提高了工區(qū)內(nèi)地震屬性與儲層砂體的相關(guān)系數(shù)，預(yù)測精度明顯提高。

2）在儲層預(yù)測過程中，根據(jù)預(yù)測對象的不同應(yīng)選取不同的屬性組合，一般地，預(yù)測砂巖厚度應(yīng)選擇振幅類和頻率類屬性，而預(yù)測有效厚度則選擇頻譜類屬性。

3）經(jīng)過幾十年的發(fā)展地震屬性技術(shù)已經(jīng)日趨完善，但由于地震屬性與儲層參數(shù)之間的聯(lián)系并不是一個簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，受工區(qū)地質(zhì)條件影響很大，到目前為止還沒有一種屬性或?qū)傩越M合能夠在任何地質(zhì)條件下、不同工區(qū)范圍內(nèi)都適用，地質(zhì)工作者只有在今后的科研工作中不斷積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，努力擴(kuò)大地震屬性應(yīng)用范圍和提高預(yù)測精度。

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