約束稀疏脈沖反演在GX氣田開發(fā)中的應(yīng)用研究

甘鵬志，王元君，葉　艷

(成都理工大學(xué) a.管理科學(xué)學(xué)院；b.地球物理學(xué)院；c.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

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約束稀疏脈沖反演在GX氣田開發(fā)中的應(yīng)用研究

甘鵬志a，王元君b,c，葉艷b

(成都理工大學(xué) a.管理科學(xué)學(xué)院；b.地球物理學(xué)院；c.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

摘要：GX氣田北部地區(qū)構(gòu)造、斷層特征較為復(fù)雜，地質(zhì)建模較困難，而約束稀疏脈沖反演是一種基于地震道的反演方法，它是在波阻趨勢的約束下，用最少的反射系數(shù)脈沖達(dá)到合成記錄與地震道的最佳匹配。該方法對(duì)初始模型依賴性較小，中高頻部分不受初始模型的影響，其反演結(jié)果能忠于實(shí)際地震資料，分辨率與地震資料接近，保真度高。以GX氣田為例，通過約束稀疏脈沖反演技術(shù)對(duì)GX氣田開展儲(chǔ)層預(yù)測，其反演結(jié)果與實(shí)測井曲線吻合較好，能客觀反映地質(zhì)體在橫向上的變化特征，該方法適用于儲(chǔ)層橫向變化快和非均質(zhì)性較強(qiáng)的少井區(qū)塊。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜區(qū)塊；約束稀疏脈沖反演；波阻抗；橫向預(yù)測

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，地震反演成為了儲(chǔ)層預(yù)測(尤其是隱蔽油氣藏預(yù)測)中的重要手段，其中約束稀疏脈沖反演和隨機(jī)反演等方法得到了廣泛的應(yīng)用。約束稀疏脈沖反演其前提條件是儲(chǔ)層與圍巖存在波阻抗差異，與地震振幅方法相比，以波阻抗為基礎(chǔ)進(jìn)行的油藏參數(shù)估計(jì)(如孔隙度、砂巖厚度等)得到的結(jié)果更為可靠[1]。盡管約束稀疏脈沖反演分辨率相對(duì)較低，不太適用于薄儲(chǔ)層和隱蔽油氣藏的儲(chǔ)層預(yù)測，也不能直接預(yù)測儲(chǔ)層的含油氣性，但是由于其對(duì)初始模型依賴較小、橫向上可靠性較好、算法穩(wěn)定，該方法目前仍然是儲(chǔ)層預(yù)測中的不可或缺的技術(shù)手段[2-7]。

GX氣田位于四川盆地東北部，是該地區(qū)比較有代表性的背斜圈閉構(gòu)造之一。上三疊統(tǒng)須家河組儲(chǔ)層為該區(qū)塊主要勘探層系。須家河組儲(chǔ)層由碎屑砂巖組成，孔隙發(fā)育程度低。砂巖儲(chǔ)層普遍發(fā)育，構(gòu)造整體含氣，但儲(chǔ)層非均質(zhì)性依然較強(qiáng)，橫向分布厚薄不均，縱向分布規(guī)律性較差，砂巖與泥巖常組成以砂巖為主的不等厚韻律層。須家河組主要為煤系烴源層，這些烴源層厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、熱演化程度高，是研究區(qū)豐富油氣資源的物質(zhì)基礎(chǔ)。此次研究的目的層為須二段(T3x2)，其巖性以深灰色泥巖、灰黑色含碳泥巖為主，夾灰色細(xì)砂巖和黑色煤線，橫向上沉積厚度變化較大，具有自南向北、自西向東沉積厚度呈逐漸減薄趨勢。在前期淺層陸相均鉆遇良好油氣顯示，揭示了其陸相具有一定勘探潛力。但儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，橫向分布厚薄不均、變化較快，薄砂層及單砂體展布仍然不清楚，橫向預(yù)測差。而基于模型的反演方法對(duì)初始模型要求很高，不適用于復(fù)雜區(qū)塊。因此，依托約束稀疏脈沖反演對(duì)該地區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)層橫向定量預(yù)測，為地震地質(zhì)解釋提供更為有效的工具。

1方法原理

約束稀疏脈沖反演是目前應(yīng)用最為廣泛的波阻抗反演方法[8-12]。該方法在假設(shè)反射系數(shù)是呈稀疏分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際地震數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)寬帶的模型，這個(gè)模型的采樣點(diǎn)是在實(shí)際采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上抽稀得到的。同時(shí)為了對(duì)一些具有地球物理和地質(zhì)含義的解進(jìn)行有效的限制，使用區(qū)域的或井的信息對(duì)模型進(jìn)行約束，而后對(duì)每一個(gè)地震道依次增加脈沖，同時(shí)反射系數(shù)也被依次改變，直至合成地震道與實(shí)際地震記錄之間的誤差較為匹配，則得到了最終的反演阻抗數(shù)據(jù)體。具體的稀疏脈沖波阻抗反演的過程大致可以分為3步[13]：

(1)需要由最大似然反褶積計(jì)算得到反射系數(shù)，該序列具有稀疏特性。此步需假設(shè)強(qiáng)反射界面反射和高斯背景下的小反射疊加組合得到地層反射系數(shù)，進(jìn)而推算出最小目標(biāo)函數(shù)J：

(1)

其中r2，n2分別為反射系數(shù)和噪聲的均方值，是兩個(gè)無量綱值；r(k)，n(k)分別表示采樣點(diǎn)k的反射系數(shù)和噪聲；m是反射層數(shù)；L是總的采樣點(diǎn)數(shù)；ε是給定的反射系數(shù)的似然值。

(2)將第1步得到的反射系數(shù)通過最大似然反演求取寬帶波阻抗：

(2)

(3)由于稀疏脈沖反演使用的是原始地震數(shù)據(jù)，因此其反演結(jié)果同樣缺失的低頻信息。如果通過趨勢和約束等，只能補(bǔ)充一部分極低頻，不能補(bǔ)充得到全頻帶的阻抗體。那么我們通常所采用的方法是利用測井曲線的低頻信息對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。即對(duì)反演中所用的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，然后用濾波器將測井曲線的高頻成分濾掉，保留其低頻信息，最后合并反演結(jié)果和濾波后的結(jié)果，這樣我們就可以獲得一個(gè)補(bǔ)充了低頻信息的全頻帶的絕對(duì)波阻抗數(shù)據(jù)體。

2實(shí)現(xiàn)步驟

2.1測井曲線標(biāo)準(zhǔn)化

測井?dāng)?shù)據(jù)用于對(duì)反映油藏特征的地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行標(biāo)定，高質(zhì)量的測井資料是定量化油藏描述的基本條件。一般我們所應(yīng)用的測井曲線通常質(zhì)量很差、多井之間缺乏一致性或者數(shù)據(jù)缺失。因此，在反演之前需要對(duì)將要參與反演的井標(biāo)準(zhǔn)化處理，以得到高一致性、相對(duì)完整的測井?dāng)?shù)據(jù)。

(3)

圖1為標(biāo)準(zhǔn)化前后的聲波時(shí)差頻率累計(jì)直方圖。圖中每種顏色分別代表不同的井。對(duì)比可知，標(biāo)準(zhǔn)化前(圖1a)，其分布規(guī)律不規(guī)則，并且特征尖峰也不明顯；而標(biāo)準(zhǔn)化后(圖1b)，其變化仍然保持在了一定的范圍之內(nèi)，各口井都符合整個(gè)變化趨勢。標(biāo)準(zhǔn)化后的測井值更在一定程度上消除了測井資料因非地質(zhì)因素而產(chǎn)生的誤差。可以利用標(biāo)準(zhǔn)化后的直方圖讀取頻率最大值，作為控制井點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)層取值，從而保證了取的聲波值的頻數(shù)占主體。

圖1　多井標(biāo)準(zhǔn)化前后聲波時(shí)差頻率累計(jì)直方圖(a為標(biāo)準(zhǔn)化前，b為標(biāo)準(zhǔn)化后)

2.2儲(chǔ)層特征及反演可行性分析

研究區(qū)地震資料為2ms采樣，波組特征較為清楚；對(duì)目的層段進(jìn)行地震頻譜分析，地震資料主頻為25Hz左右，頻帶在8～60Hz之間。地震波在地層中的傳播速度是地層巖性、物性的主要標(biāo)志。根據(jù)實(shí)際鉆井資料分析可知，砂巖速度在5 000m/s左右，泥巖速度在4 200m/s左右，二者差值為800m/s。對(duì)工區(qū)內(nèi)6口完成了標(biāo)準(zhǔn)化處理的井進(jìn)行縱波阻抗直方圖統(tǒng)計(jì)，黃色為砂巖波阻抗直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果，綠色為泥巖波阻抗直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)，從圖中可知，雖然砂、泥巖波阻抗有所疊置、差異較小，但巖性出現(xiàn)頻率的峰值對(duì)應(yīng)的阻抗差異還是比較大。這就為該區(qū)的儲(chǔ)層預(yù)測提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。圖3為多井波阻抗與GR曲線交會(huì)圖，橫軸為阻抗，縱軸為GR，顏色代表含氣性，圖3中可以看出，紅顏色氣層主要表現(xiàn)為低GR和相對(duì)低阻抗特征。因此，可根據(jù)速度的縱橫向變化，利用波阻抗反演對(duì)該區(qū)進(jìn)行空間研究，表征儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。

圖3　多井縱波阻抗與GR交會(huì)圖

2.3井震標(biāo)定及子波提取

井震標(biāo)定及子波提取兩者相互迭代，以得到最佳組合，可為反演提供準(zhǔn)確的時(shí)深關(guān)系。井震標(biāo)定的實(shí)質(zhì)是調(diào)整時(shí)深關(guān)系，將時(shí)間域的地震信息與深度域的測井信息準(zhǔn)確無縫地對(duì)應(yīng)起來。工區(qū)A井須二底部泥巖測井曲線上明顯表現(xiàn)為“兩高兩低”特征，即：高GR，高AC測值、低DEN、低電阻率，GR極高、速度極低，泥頁巖單層厚度大。圖4為該井的合成地震記錄。通過鉆井精細(xì)標(biāo)定，具有典型強(qiáng)波谷振幅、低阻抗特征。通過原始地震記錄與合成地震記錄對(duì)比可以看出，二者波組特征吻合較好，各波組能量的強(qiáng)弱關(guān)系也較一致。子波提取是反演最關(guān)鍵的步驟，在每口井都完成了精細(xì)的合成記錄標(biāo)定和子波提取后，要提取一個(gè)多井綜合子波用于反演。圖5中顯示了較好的子波的形態(tài)以及穩(wěn)定的振幅譜與相位譜。

圖4　A井的地震合成記錄

圖5　多井綜合子波(藍(lán)色)

2.4低頻初始模型構(gòu)建

低頻初始模型能夠反映出沉積體的地質(zhì)特征。先根據(jù)沉積體的沉積規(guī)律，在精細(xì)解釋的大層位之間，內(nèi)插得到小層，從而建立一個(gè)地質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，并在其控制下，優(yōu)選一種的插值方法，對(duì)井阻抗曲線進(jìn)行內(nèi)插和外推，得到一個(gè)低頻模型。該模型能夠補(bǔ)充稀疏脈沖反演結(jié)果中缺失的低頻部分，將其和反演結(jié)果合并可以得到能反應(yīng)實(shí)際地層層間阻抗變化的絕對(duì)阻抗體。由于工區(qū)內(nèi)的井較少，本次選用反距離平方法的插值方法。圖6為A、B井連井的初始低頻模型剖面，給出了反演的低頻趨勢，與實(shí)際地質(zhì)地震剖面吻合，符合地質(zhì)沉積規(guī)律。

2.5約束稀疏脈沖反演

尋找一個(gè)合適的λ值是約束稀疏脈沖反演中很重要的一步。λ值的大小反映了合成地震道與實(shí)際地震道的匹配程度。若λ值低，則反演剖面展現(xiàn)的細(xì)節(jié)少、分辨率低，同時(shí)合成地震道與實(shí)際地震道二者的殘差大。但若是過分強(qiáng)調(diào)二者的匹配程度、殘差小，將λ的值取得過大，反而會(huì)使反演剖面中有噪聲加入。在實(shí)際應(yīng)用中，λ值通過合成地震記錄與井旁地震道的吻合程度確定。通過反復(fù)試驗(yàn)，本次研究區(qū)塊取λ=32。

在工區(qū)內(nèi)4口井的約束下得到全頻帶的絕對(duì)波阻抗數(shù)據(jù)體，反演結(jié)果如圖7。紅黃色表示波阻抗高值，反映的是砂巖的變化；藍(lán)綠色表示低波阻抗值，反映的是泥巖。通過與井曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果與測井解釋吻合較好。同時(shí)波阻抗剖面較好地展示了巖性橫向上的變化特征，橫向分辨率較高，縱向成層性較好。說明反演結(jié)果能基本反映儲(chǔ)層的變化規(guī)律。

3成果檢驗(yàn)

約束稀疏脈沖反演是將低頻模型與稀疏脈沖反演結(jié)果二者合并，而低頻模型是通過井阻抗插值后的得到，能對(duì)反演結(jié)果中的低頻成分進(jìn)行補(bǔ)充。因此反演結(jié)果的分辨率在低頻背景上有了很大提高。從圖7中可以看到，砂體縱向變化較大，砂巖的橫向分布與實(shí)際鉆遇砂體也基本吻合，說明反演橫向預(yù)測是可靠的?？v向上砂體分布較為清楚，可以追蹤。圖8為未參加約束的兩口井的連井波阻抗剖面圖，從圖中可以看出，波阻抗剖面客觀反映了橫向上的變化，反演結(jié)果與未參加約束的兩口井曲線基本吻合。說明反演結(jié)果還是比較準(zhǔn)確的。反演剖面分辨率與地震剖面一致，分辨率大致在20～30m，但通常砂體和儲(chǔ)層厚度在五到十米，在剖面上可以看到2套均表現(xiàn)為低波阻抗的含氣砂體，由于受分辨率限制，在剖面上表現(xiàn)為一套。因此約束稀疏脈沖反演對(duì)薄層預(yù)測能力不足，薄層在其反演剖面上分辨不出。

圖7　GX地區(qū)波阻抗剖面

圖8　C、D井連井波阻抗剖面

4結(jié)論

通過約束稀疏脈沖反演在GX地區(qū)的應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：約束稀疏脈沖反演由于對(duì)初始模型依賴較小，適合用于地質(zhì)建模比較困難的復(fù)雜斷塊區(qū)。其反演結(jié)果忠于地震實(shí)際資料，分辨率與地震資料接近，能客觀反映地質(zhì)體在橫向上的變化。但當(dāng)?shù)卣鹳Y料品質(zhì)較差時(shí)，該方法難以分辨薄層，更適用于對(duì)大套的砂巖的預(yù)測，在儲(chǔ)層橫向變化快和井較少的區(qū)塊應(yīng)用效果較好?？梢栽诖嘶A(chǔ)上做地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演，用于儲(chǔ)層的精細(xì)描述和薄層的有效識(shí)別。

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Application Research of Constrained Sparse Spike Inversion in GX Gas Field

GAN Peng-zhia, WANG Yuan-junb,c, YE Yanb

(a.College of Management Science,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; b.College of Geophysics,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; c.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Abstract:The structure and fault characteristics of northern area of GX gas field are relatively complicated,and geological modeling is difficult.The constrained sparse spike inversion is an inversion method based on seismic traces.Constrained by the trend of wave impedance,it achieves optimum match between synthetic record and seismic traces with the least reflection coefficient pulse.This method has less dependence upon the initial model,and the intermediate and high frequency part of seismic data is not influenced by the initial model.The inversion result can be loyal to the actual seismic data and its resolution is close to seismic data,as well as high fidelity.Taking GX gas field as an example,the reservoir prediction of this field is carried out by using constrained sparse spike inversion.The inversion results coincide well with the real logging curves,and can objectively reflect the variation characteristics of the geological body in the horizontal direction.This method is suitable for the sparsely drilled areas where lateral variation of reservoir is large and strong heterogeneity.

Key words:complex blocks;constrained sparse spike inversion;wave impedance;lateral prediction

doi:10.3969/j.issn.1009-4210.2016.03.015

收稿日期：2016-01-05；改回日期：2016-03-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41204091)；四川省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011GZ0244)

作者簡介：甘鵬志(1973—)，男，從事地震資料處理與解釋工作。E-mail：2207462457@qq.com 通信作者：王元君(1964—)，男，教授，博士，從事地震資料處理與解釋、儲(chǔ)層預(yù)測研究以及石油地質(zhì)綜合研究。E-mail：wyj@cdut.edu.cn

中圖分類號(hào)：P631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-4210-(2016)03-107-07