地震相控非線性隨機反演方法在湘西北海相頁巖氣儲層預(yù)測中的應(yīng)用

符 超

(1.神華地質(zhì)勘查有限責任公司，北京 102211；2.北京市頁巖氣勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心，北京 102211)

1 引 言

在復(fù)雜波場油氣儲層研究中，波阻抗或速度是識別地下介質(zhì)巖性最有效的參數(shù)之一，具有明確的地質(zhì)意義，地震波阻抗反演技術(shù)已成為儲層反演和預(yù)測的重要技術(shù)之一。常規(guī)反演方法存在分辨率低、依賴于初始模型等問題[1]。地震相控非線性隨機反演方法采用非線性最優(yōu)化理論及隨機模型算法，不受初始模型的限制，在提高地震資料縱、橫向分辨率的同時，充分考慮地下地質(zhì)條件的隨機特性，使反演結(jié)果更符合實際地質(zhì)情況[2,3]。

本次勘探區(qū)位于湘西北地區(qū)，復(fù)雜的地震地質(zhì)條件下，地震資料信噪比低，分辨率不高，傳統(tǒng)地震剖面無法實現(xiàn)高精度頁巖儲層預(yù)測。本文采用地震相控非線性隨機反演技術(shù)，在充分吸取寬帶約束反演與模型法反演優(yōu)點的同時，將標準化或重構(gòu)之后的測井資料與地震信息有機結(jié)合，采用非線性最優(yōu)化理論、隨機模擬算法等，保證了反演結(jié)果既有明確的地質(zhì)意義，又有較高的縱向分辨率和較準確的預(yù)測性[4,5]。

2 地震相控非線性隨機反演方法

2.1 地震相控約束

地震相控約束外推方法主要是依據(jù)地震相控模型的約束，通過原始數(shù)據(jù)將各個單個反演問題結(jié)合成一個聯(lián)合反演問題，從本質(zhì)上降低單一參數(shù)反演引起的不確定性，提高最終反演效果[6]。相控外推計算主要采用多項式相位時間擬合方法建立道間外推關(guān)系，選取合適相控界面的視窗，將測井資料得到的模型參數(shù)或井旁道反演的模型參數(shù)，利用多項式擬合的方法進行外推計算，約束下一地震道的反演。利用已有的地震解釋層位來建立合理的層序和相控模型是實現(xiàn)本次地震相控約束反演的基礎(chǔ)，圖1中頁巖含氣層龍馬溪組的層位解釋成果是本次地震相控約束劃分的主要依據(jù)。

2.2 非線性隨機反演

非線性隨機反演多為不適定問題，不存在唯一解，且計算量大，簡單、高效的非線性計算方法是實現(xiàn)全局最優(yōu)解的有利保證。利用地震道與波阻抗之間建立的目標函數(shù)(1)式，求該目標函數(shù)最小二乘的極小值，是本次非線性隨機反演的主要任務(wù)。

(1)

(2)

式中,Si為速度初始模型對應(yīng)的合成地震記錄;ΔV為模型參數(shù)攝動量。保留二次項，省略部分高階及小量，將方程簡化，可得：

AΔV+BΔV+C=0

(3)

其中：

通過簡化后的式(3)將矩陣求逆變換為簡單的一元一次方程，大大減少了反演的多解性，同時增強了算法的穩(wěn)定性。求出ΔV后，通過式(4)迭代得到最終的反演速度V，獲得最佳速度譜，為本次地震波阻抗反演建立了可靠的基礎(chǔ)，m為迭代次數(shù)。

Vm+1=Vm+ΔVm

(4)

在地震相模式的約束下將非線性隨機模擬理論與地震反演結(jié)合，其中地質(zhì)層位的相控模式框架是目標反演中重要的約束參數(shù)，當反演的目標層段是同一時代沉積地層時，構(gòu)造層位對反演結(jié)果的約束程度減弱。

3 研究區(qū)概況

研究區(qū)塊位于湖南湘西州，頁巖氣資源豐富，具有一定的資源勘查潛力[8，9]。地層由老至新出露元古界震旦系、下古生界寒武系、奧陶系、志留系、上古生界泥盆系、二疊系、中生界三疊系及第四系。上古生界缺失石炭系。除震旦系及部分寒武系未出露外，其它地層均有出露。

區(qū)塊處于中揚子準地臺西緣、湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶內(nèi)的宜都—鶴峰復(fù)背斜南部，東南部跨入桑植—石門復(fù)向斜之內(nèi)，由八面山向斜東翼、隆頭鎮(zhèn)背斜、馬蹄寨—野竹坪向斜和雪峰山隆起的西部組成，在雪峰山隆起與馬蹄寨—野竹坪向斜交匯處發(fā)育保靖—慈利斷裂帶。

圖1 D03線地震剖面層序解釋示意

4 儲層巖石物理特征

進行儲層預(yù)測之前要對該層的上下圍巖的地球物理特征進行分析研究，結(jié)合該區(qū)錄井巖屑、測井統(tǒng)計等資料，找出對巖性較敏感的測井曲線[10,11]。BC2井頁巖儲層相比于上覆砂巖和下伏灰?guī)r呈明顯低速特征，縱波速度范圍約為3 800～4 800 m/s，灰?guī)r速度最高，縱波速度集中在5 000～6 300 m/s之間，頁巖層呈現(xiàn)低速度的特征(圖2)。

圖2 BC2井頁巖氣層、頁巖差氣層與非儲層速度分布直方圖

5 層序劃分及曲線重構(gòu)

區(qū)塊龍馬溪組同相軸全區(qū)連續(xù)可追蹤，層位穩(wěn)定，是本次層序和相控模型建立的主要依據(jù)(圖1)。一般反演采用對巖性敏感的聲波時差曲線進行反演[12,13]，但當儲層與非儲層之間聲波時差不敏感時，需要對聲波時差曲線進行重構(gòu)，選取伽馬等其它多個參數(shù)綜合利用，目的是突出不明顯的聲波時差曲線，使得其在縱向上具有更高的分辨率和突出的特點，為波阻抗反演建立高分辨反演的數(shù)學基礎(chǔ)。

BC2井優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的聲波時差響應(yīng)與上覆泥巖層段的聲波時差響應(yīng)相差無幾，儲層密度特征、電阻率特征及自然伽馬特征明顯，綜合利用密度、電阻率及自然伽馬等測井參數(shù)，對聲波時差曲線進行重構(gòu)，使得縱向上地質(zhì)特征更加突出。

6 儲層分布預(yù)測

區(qū)塊布置二維測網(wǎng)12條(圖3)，網(wǎng)度為4 km×8 km，可標定的井較少，首先結(jié)合速度譜反演有井約束的測線(D02，S03，I01，I04)，然后利用由地震道反演速度轉(zhuǎn)換的虛擬井曲線進行二次標定，再結(jié)合速度譜控制其他曲線的反演(圖3)。

圖3 虛擬井位分布

圖4為過BY4井及BC2井地震剖面、反演剖面及流體預(yù)測剖面。龍馬溪組頁巖儲層清晰連續(xù)，下伏灰?guī)r呈現(xiàn)高速特性，與低速頁巖儲層有明顯的區(qū)別，上覆的砂泥巖層段呈現(xiàn)明顯的中高速特征。底部優(yōu)質(zhì)頁巖儲層在測井曲線上呈現(xiàn)低速、高伽馬、低密度、高TOC含量特征，總含氣量及殘余油氣含量整體較高，反演結(jié)果能很好地將該優(yōu)質(zhì)頁巖小層體現(xiàn)出來，厚度與測井結(jié)果吻合良好(表1)，區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖整體的厚度在4～18 m之間變化。實鉆測井底部優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度15.9 m，為黑色頁巖，孔隙度較發(fā)育，總有機碳含量平均值為3.6 %，總含氣量平均值為2.5 m3/t，與流體檢測結(jié)果預(yù)測一致，顯示BC2沿D02線往深部有較好的流體顯示(圖4)。BY4井水平井H1段從A靶點至B靶點，儲層總含氣量最高為3.85 %，甲烷含量為2.85 %，測井氣測強弱趨勢與流體檢測剖面氣測強弱趨勢一致(圖5)，說明該方法在湘西北B-J區(qū)塊海相頁巖氣儲層預(yù)測結(jié)果較好。

表1 龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖預(yù)測厚度與測井厚度吻合情況

圖4 過BY4井D02地震測線反演剖面與實鉆氣測結(jié)果

7 結(jié) 論

地震相控非線性隨機反演方法能有效地克服復(fù)雜地表和地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震資料信噪比低、資料解釋困難等問題。本次研究從巖石物理特征響應(yīng)入手，統(tǒng)計了儲層、非儲層和頁巖氣層的敏感測井曲線的篩選；然后利用測井曲線的重構(gòu)技術(shù)，突出了聲波時差曲線特征；并且采用非線性隨機算法，實現(xiàn)了地震資料相控非線性儲層反演和流體檢測的綜合預(yù)測方法，有效地識別了含氣儲層，對后期勘探具有重要的參考價值和指導意義。通過對該方法的研究和應(yīng)用，得出以下認識：

1)測井信息與地震信息的有機融合，實現(xiàn)了縱向高分辨識別和橫向有效約束，能準確地預(yù)測儲層縱向巖性變化和橫向展布形態(tài)；

2)巖石物理參數(shù)的響應(yīng)統(tǒng)計是實現(xiàn)儲層劃分標準的基本依據(jù)；

3)綜合利用多種參數(shù)的測井曲線重構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)高分辨率反演的關(guān)鍵，為聲波時差曲線不敏感的巖性的反演提供了有效的改進手段。地震相控非線性隨機反演方法在本勘探區(qū)儲層預(yù)測的準確度較高，為湘西北等低信噪比地區(qū)開展儲層預(yù)測和反演提供了一定的參考價值和推廣意義。

致謝

感謝所有項目參與人員對文章提出的修改建議，感謝審稿專家的建議和意見。