疊前多重降維復(fù)雜巖性預(yù)測技術(shù)
——以元壩西部須三段為例

盛秋紅

(中國石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041)

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疊前多重降維復(fù)雜巖性預(yù)測技術(shù)

——以元壩西部須三段為例

盛秋紅

(中國石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041)

川東北元壩西部地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組第三段巖性復(fù)雜多樣，儲層巖性以鈣屑砂巖為主，不同類型巖性地球物理響應(yīng)特征差異小，巖性預(yù)測難度大。針對上述難點，開展疊前多重降維復(fù)雜巖性預(yù)測技術(shù)研究。多重坐標變換逐次降維可將2個彈性參數(shù)合并成1個巖性區(qū)分能力最大的新彈性常數(shù)，用于識別目標巖性。提出了基于疊前多重降維分析的巖性預(yù)測的實現(xiàn)流程，以巖石物理分析為基礎(chǔ)，多重坐標變換降維為核心，對相控約束疊前彈性參數(shù)反演得到的彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體進行多重降維，從而實現(xiàn)復(fù)雜巖性分布預(yù)測。元壩西部須三段鈣屑砂巖預(yù)測的應(yīng)用分析證實了該方法預(yù)測精度高、實用性強。

鈣屑砂巖；坐標變換；多重降維；巖性預(yù)測

川東北地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組成藏條件優(yōu)越、氣源充足，具備良好的勘探潛力。在川東北元壩地區(qū)，以須家河組為主要目的層的中淺層陸相致密砂巖領(lǐng)域已成為該區(qū)天然氣勘探的重要接替領(lǐng)域[1]。元壩地區(qū)西部須家河組第三段(簡稱“須三段”)儲層巖石類型主要為鈣屑砂巖，具有石英含量低、碳酸鹽巖碎屑含量高的特點[2]。鈣屑砂巖儲層易溶蝕，粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔發(fā)育，而且脆性顆粒成分多，有利于微裂縫形成，酸壓改造后易獲高產(chǎn)。鈣屑砂巖與礫巖、巖屑砂巖的地球物理響應(yīng)特征無明顯差異、波阻抗差異小，地震屬性分析、波阻抗反演等技術(shù)識別難度大，發(fā)展復(fù)雜巖性識別技術(shù)，能有效提高須三段的勘探開發(fā)效益，對四川盆地陸相層系油氣勘探具有借鑒意義。

疊后波阻抗反演、擬聲波反演、疊前AVO屬性反演、敏感屬性分析等儲層預(yù)測技術(shù)在四川盆地須家河組儲層預(yù)測中取得了較好的效果[3-10]。元壩西部須三段巖性復(fù)雜，勘探初期采用疊后反演方法預(yù)測巖性，多解性大，預(yù)測精度不能滿足高效勘探要求。Bachrach等人將巖石物理分析、全波形反演和高分辨地震解釋結(jié)果結(jié)合，對深水儲層的巖性進行了識別和劃分[11]。Kamal等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對不確定性分析進行了研究，并在時深轉(zhuǎn)換中引入孔隙度、滲透率、飽和度等儲層參數(shù)，用于區(qū)分目標儲層巖性，取得了較好的效果[12]。但如何區(qū)分鈣屑砂巖與礫巖、巖屑砂巖，目前還幾乎為空白。

本文討論以多重坐標變換為核心的巖性預(yù)測技術(shù)，提出利用疊前多重降維分析進行巖性預(yù)測的流程。該方法不僅可以克服單一參數(shù)進行巖性預(yù)測的多解性，而且由于引入了降維處理，提高了效率。該方法在元壩西部鈣屑砂巖儲層巖性預(yù)測的應(yīng)用中，取得了較好的效果，值得借鑒。

1　巖石物理分析

巖石物理研究是儲層地震預(yù)測的物理學(xué)基礎(chǔ)，巖石物理分析在儲層特性與地震特性之間起到橋梁作用，幫助分析巖性、含流體性質(zhì)與地球物理特征之間的關(guān)系，減小預(yù)測的不確定性和多解性。利用研究區(qū)的鉆井、測井、測試、巖性等資料開展不同巖石類型測井響應(yīng)和巖石物理分析[13]，得到儲層巖性敏感彈性參數(shù)。

1.1測井響應(yīng)信息表征

分析目的層巖石測井響應(yīng)特征，不同類型巖石測井響應(yīng)既有差異也有相似。元壩西部須三段巖性主要為礫巖、泥巖、巖屑砂巖、鈣屑砂巖等，統(tǒng)計分析已鉆井的自然伽馬(GR)、密度(ρ)、聲波時差(AC)、中子(CNL)、電阻率(RT)等測井曲線和波阻抗(IMP)特征值(表1)，鈣屑砂巖表現(xiàn)為相對低GR、AC、CNL、RT和相對高ρ、IMP；但是其特征值與其他巖性仍然存在較多的重疊區(qū)間，利用單一的測井屬性參數(shù)和波阻抗難以識別鈣屑砂巖儲層，因此，需要進一步開展巖石物理分析，尋找儲層巖性的敏感彈性參數(shù)[14]。

表1　須三段不同巖性測井響應(yīng)特征統(tǒng)計Table 1　Statistics of logging response characteristics in Member 3 of Xujiahe Formation

1.2巖性彈性參數(shù)敏感分析

巖石彈性參數(shù)包括楊氏模量(E)、體積模量(K)、剪切模量(G)、拉梅常數(shù)(λ)、泊松比(μ)、縱橫波速度比(vP/vS)，以及計算得到的Gρ、λ/G、λρ和ZEI(彈性波阻抗)[15,16]。對于彈性波阻抗ZEI(θ)，當(dāng)入射角θ不同時，反映不同的彈性參數(shù)，大角度彈性波阻抗對巖性敏感度優(yōu)于小角度彈性阻抗，目前多用ZEI(30°)進行巖性識別[17]。通過彈性參數(shù)與巖性交會篩選分析，得到巖性的敏感彈性參數(shù)，是儲層巖性預(yù)測的關(guān)鍵[18,19]。元壩西部須三段目的層最大入射角約40°，通過鉆井分析結(jié)合不同角度覆蓋次數(shù)分析，ZEI(30°)巖性識別能力較強，選取ZEI(30°)與其他彈性參數(shù)一起進行多井多參數(shù)巖石物理統(tǒng)計分析(圖1)。Gρ能區(qū)分鈣屑砂巖和巖屑砂巖，ZEI(30°)能區(qū)分鈣屑砂巖和礫巖，但是，單一的彈性參數(shù)不能有效地識別鈣屑砂巖。

交會分析彈性參數(shù)ZEI(30°)、Gρ(圖2)與巖性的關(guān)系，不同巖性的樣點值分散、疊置，泥巖的Gρ和ZEI(30°)處于低值區(qū)，Gρ在10～46之間，ZEI(30°)在5 800～12 500之間；巖屑砂巖的Gρ和ZEI(30°)值較泥巖高，Gρ在39～66之間，ZEI(30°)在12 300～15 000之間；鈣屑砂巖的Gρ和ZEI(30°)值較高，Gρ在65～90之間，ZEI(30°)在15 000～17 000之間；礫巖的Gρ在79～100之間，與鈣屑砂巖的Gρ疊置較多，而ZEI(30°)較鈣屑砂巖高，主要處于17 000～19 000的高值區(qū)。因此彈性參數(shù)Gρ和ZEI(30°)為須三段巖性識別的敏感彈性參數(shù)，通過彈性參數(shù)逐一過濾降維，能有效預(yù)測鈣屑砂巖的分布。

圖1　元壩西部須三段多井多參數(shù)分析圖Fig.1　Histogram of different elastic parameters in Member 3 of Xujiahe Formation

圖2　元壩西部須三段多井ZEI(30°)與Gρ交會圖Fig.2　Crossplot of Gρ versus ZEI(30°) in Member 3 of Xujiahe Formation

2　多重降維巖性預(yù)測技術(shù)

2.1坐標變換技術(shù)

前文的巖石物理研究表明單一彈性參數(shù)識別巖性能力有限，開發(fā)坐標變化技術(shù)，通過坐標旋轉(zhuǎn)把一個坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個更合適的坐標系統(tǒng)中，形成一個新的彈性參數(shù)，該參數(shù)對巖性有最大的識別區(qū)分能力[20]。由于不同彈性參數(shù)量綱不同，坐標變換時保持某一彈性參數(shù)不變，另一個彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換為無量綱的新彈性參數(shù)，新彈性參數(shù)AVOIMP通過式(1)計算。

AVOIMP=Ax+By+C

(1)

如圖2所示，保持ZEI(30°)不變，以O(shè)1為原點，O1A線為軸線(圖2中藍色線)逆時針旋轉(zhuǎn)，得到新的坐標系(圖3)，Gρ轉(zhuǎn)換形成新的彈性參數(shù)AVOIMP1。新的彈性參數(shù)AVOIMP1通過式(2)實現(xiàn)。

AVOIMP1=0.000194876ZEI(30°)-

Gρ+67.1281

(2)

一重坐標變換降維后，以0軸為界能快速區(qū)分出相對高速的礫巖和鈣屑砂巖(AVOIMP1<0)。為進一步識別鈣屑砂巖儲層，繼續(xù)進行第二重坐標變換，仍然保持ZEI(30°)不變，以O(shè)2為原點，O2B線為軸線順時針旋轉(zhuǎn)，得到新的坐標系(圖4)，AVOIMP1轉(zhuǎn)換形成新的彈性參數(shù)AVOIMP2。經(jīng)過二重坐標變換降維，得到只包含儲層巖性的鈣屑砂巖(AVOIMP2>0)，從而達到高精度儲層巖性識別的目的。新的彈性參數(shù)AVOIMP2通過式(3)實現(xiàn)。

AVOIMP2=-0.0218667ZEI(30°)-

0.999761Gρ+457.371

(3)

2.2疊前多重降維巖性預(yù)測實現(xiàn)流程

基于疊前多重降維分析的巖性預(yù)測基本步驟如下。

a.巖石物理分析優(yōu)選敏感彈性參數(shù)：根據(jù)地質(zhì)、測井、錄井等資料，對測井曲線及由縱、橫波速度、密度測井曲線計算得到的巖石彈性參數(shù)，利用 直方圖統(tǒng)計和交會分析技術(shù)，優(yōu)選儲層巖性敏感彈性參數(shù)。

圖3　一重降維后新參數(shù)AVOIMP1與ZEI(30°)交會圖Fig.3　Crossplot of ZEI(30°) versus AVOIMP1 after first dimensionality reduction

圖4　二重降維坐標變換(左)新參數(shù)AVOIMP2與ZEI(30°)交會圖(右)Fig.4　Crossplot of ZEI(30°) versus AVOIMP2 before(left) and after(right) second dimensionality reduction

b.多重降維得到新的巖性識別參數(shù)：對優(yōu)選出的2個儲層巖性敏感參數(shù)進行交會分析，在交會圖中找到能將不同巖性分布區(qū)域分開的斜直線，以此直線為軸線進行坐標變換降維，獲得新的巖性識別參數(shù)。巖石類型復(fù)雜時，一重坐標變換不能有效識別儲層巖性，采用同樣的坐標變換方法，在第一重坐標變換的基礎(chǔ)上進行二重或多重坐標變換，最終獲得能高精度識別儲層巖性的新彈性參數(shù)，并確定新參數(shù)與原敏感參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

c.相控約束疊前彈性參數(shù)反演：地震屬性分析確定目的層有利沉積相宏觀展布，以此為約束進行疊前彈性參數(shù)反演，獲得縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度、密度、泊松比、體積模量、拉梅系數(shù)、彈性阻抗等多種數(shù)據(jù)體[21-24]。

d.儲層巖性預(yù)測：將步驟b中多重降維獲得的新彈性參數(shù)與原參數(shù)的函數(shù)關(guān)系應(yīng)用于步驟c得到的彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體，便可得到新彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體，即儲層巖性識別數(shù)據(jù)體，從而實現(xiàn)儲層巖性分布預(yù)測。

3　應(yīng)用分析

研究區(qū)元壩西部構(gòu)造上位于四川盆地川北拗陷九龍山構(gòu)造帶南翼，須三段沉積時期主要為辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系，受西北部龍門山北段二疊-三疊系碳酸鹽巖母巖的影響，須三段巖性復(fù)雜多樣，包括鈣屑砂巖、礫巖、巖屑砂巖、泥巖等，儲層巖石類型以鈣屑砂巖為主，主要發(fā)育在上亞段和中亞段，砂體厚度較大，分布較穩(wěn)定。預(yù)測鈣屑砂巖的分布是優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測的基礎(chǔ)。

本次研究根據(jù)多重降維的思路，首先通過巖石物理分析優(yōu)選敏感彈性參數(shù)ZEI(30°)和Gρ，應(yīng)用式(2)和式(3)二重坐標變換降維，建立鈣屑砂巖區(qū)分能力最大的新彈性常數(shù)AVOIMP2與ZEI(30°)、Gρ的函數(shù)關(guān)系；其次，在疊前道集優(yōu)化處理的基礎(chǔ)上開展相控疊前彈性參數(shù)反演，獲得彈性參數(shù)ZEI(30°)和Gρ數(shù)據(jù)體；最后將反演得到的彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體變換為新彈性常數(shù)AVOIMP2數(shù)據(jù)體。圖5為過A井的新彈性參數(shù)剖面，其中紅黃色代表鈣屑砂巖，其AVOIMP2>0；而藍綠色代表礫巖，其AVOIMP2<0：預(yù)測結(jié)果與鉆井吻合度較高。圖6為研究區(qū)須三段中亞段鈣屑砂巖厚度預(yù)測分布，從圖中可以看出，砂體厚度由西北向東南方向逐漸變薄，與來自西北方向物源的辮狀河三角洲沉積一致，辮狀河道及水下分流河道發(fā)育區(qū)鈣屑砂巖厚度最大。表2為厚度預(yù)測誤 差統(tǒng)計結(jié)果，井點預(yù)測厚度與實鉆吻合度較高，相對誤差≤7.8%。

圖5　過A井新彈性參數(shù)AVOIMP2剖面圖Fig.5　The inverted new elastic parameter(AVOIMP2) section cross Well A

井號鉆井厚度/m預(yù)測厚度/m絕對誤差/m相對誤差/%井號鉆井厚度/m預(yù)測厚度/m絕對誤差/m相對誤差/%A12.511.80.75.6Y616.916.20.74.1Y119.418.80.63.1Y710.911.30.43.7Y229.227.91.34.5Y827.025.11.97.0Y326.924.82.17.8Y912.012.80.86.7Y416.117.31.27.5Y1016.715.61.16.6Y523.122.11.04.3Y118.99.40.55.6

圖6　元壩西部須三中亞段鈣屑砂巖厚度預(yù)測平面圖Fig.6　Predicted thickness map of sandstone in the middle section of Member 3 of Xujiahe Formation

4　結(jié) 論

a.坐標變換技術(shù)通過坐標旋轉(zhuǎn)將2個彈性參數(shù)合并成一個對巖性識別能力更強的新彈性參數(shù)，從而達到巖性預(yù)測的目的。多重降維即為多次坐標變換，逐次降維而構(gòu)建目標巖性區(qū)分能力最大的新參數(shù)。

b.運用疊前多重降維復(fù)雜巖性預(yù)測技術(shù)預(yù)測了元壩西部地區(qū)須三中亞段鈣屑砂巖的平面分布規(guī)律，辮狀河道及水下分流河道是鈣屑砂巖儲層發(fā)育有利區(qū)，厚度預(yù)測誤差均≤7.8%。這為研究區(qū)進一步勘探開發(fā)提供了重要的基礎(chǔ)資料。

c.本文提出的基于疊前多重降維分析的復(fù)雜巖性預(yù)測流程切實可行，尤其在巖性復(fù)雜、不同巖性地球物理響應(yīng)特征差異小的條件下，利用較為成熟的疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)，以坐標變換為核心，為復(fù)雜巖性的高精度預(yù)測提供了一種新的方法。

在論文的撰寫中，得到中國石化勘探分公司勘探研究院孫均、王濤、李文成等人的大力支持與幫助，特致謝意！

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Complex lithology prediction technique based on pre-stack multiple dimensionality reduction: a case study for the Member 3 of Xujiahe Formation in western Yuanba area, Sichuan, China

SHENG Qiu-hong

ExplorationCompanyofSINOPEC,Chengdu610041,China

The lithological composition of the Member 3 of Upper Triassic Xujiahe Formation in Yuanba western region, Sichuan is very complicated and is composed mainly of calcareous sandstone with minor differences in geophysical responses, which lead to great difficulties in lithological prediction. Complex lithology prediction technique of pre-stack multiple dimensionality reduction is carried out to solve this problem. A new elastic parameter, as a combination of two other elastic parameters by using multiple successive coordinate transformation dimensionality reduction, can get best result in distinguishing different lithology. Based on rock physics and multiple successive coordinate transformation dimensionality reduction, the elastic parameters from pre-stack elastic inversion constrained by sedimentary facies are transformed to new elastic parameter, which highly improves the ability of lithological identification. The successful application of the prediction method in Yuanba western region proves to be of high prediction precision and practicability.

calcarenaceous sandstone; coordinate transformation; multiple dimensionality reduction; lithological prediction

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.04.08

1671-9727(2016)04-0447-07

2016-04-30。

國家科技重大專項(2011ZX05002-004)。

盛秋紅(1968-),女,博士,高級工程師,從事石油物探及地質(zhì)綜合研究, E-mail:shengqh.ktnf@sinopec.com。

TE132.14; P631.4

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