基于首次湖泛面的疊前波形指示反演在深層湖底扇儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

張 星

(江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇揚(yáng)州225000)

蘇北盆地以產(chǎn)油為主,主要油層的深度基本小于3000m。經(jīng)過40多年勘探和開發(fā),盆地內(nèi)剩余資源量與剩余圈閉逐漸減少,急需尋找新的產(chǎn)量增長(zhǎng)點(diǎn)。ZJD地區(qū)位于蘇北盆地鹽城凹陷南部,已鉆遇的氣層主要為阜一段(E1f1),氣層深度在3800m以上,為深盆氣藏[1]。ycan1井在E1f1段日產(chǎn)天然氣13×104m3,預(yù)示ZJD地區(qū)天然氣資源潛力較大,對(duì)蘇北油田的油氣勘探具有重要的意義[2-4]。ZJD地區(qū)氣藏表現(xiàn)為構(gòu)造背景下該區(qū)砂巖控制的復(fù)合性氣藏,例如位于有利構(gòu)造高部位的ych1井阜一段未鉆遇好的氣層,主要由于該井砂巖薄、物性差,說明ZJD地區(qū)砂巖的發(fā)育程度對(duì)氣藏具有較強(qiáng)的控制作用,故如何在深層尋找有利的砂巖是該區(qū)氣藏預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

ZJD地區(qū)砂巖表現(xiàn)為扇三角洲相,目的層深度較深,壓實(shí)作用強(qiáng)[5],泥巖和砂巖阻抗有相當(dāng)部分重疊,采用疊后波阻抗反演方法無法預(yù)測(cè)砂巖的展布特征?；趯?duì)疊前反演得到的多項(xiàng)彈性參數(shù)進(jìn)行巖石物理分析,選取敏感彈性參數(shù)對(duì)砂巖以及氣層進(jìn)行識(shí)別[6-8]。研究區(qū)地震資料頻寬為8～38Hz,疊前同時(shí)反演難以識(shí)別厚度小于10m的薄砂巖;鉆井分布不均,疊前統(tǒng)計(jì)學(xué)反演[9-11]薄砂巖預(yù)測(cè)結(jié)果較差、隨機(jī)性較強(qiáng)。疊前波形指示反演[12-15]利用疊前地震波形相似性代替?zhèn)鹘y(tǒng)變差函數(shù)優(yōu)選隨機(jī)模擬樣本,對(duì)樣本井的數(shù)量及分布相對(duì)疊前統(tǒng)計(jì)學(xué)反演要弱,但是對(duì)不同沉積環(huán)境下的波形類別要求較高,研究區(qū)目的層沉積環(huán)境縱橫向變化較大,不同厚度的砂巖對(duì)應(yīng)的波形結(jié)構(gòu)特征存在一定的差異性,單純根據(jù)疊前波形指示反演過程中機(jī)器算法對(duì)波形進(jìn)行分類并反演會(huì)出現(xiàn)波形與砂巖不匹配、反演結(jié)果縱橫向規(guī)律性差的情況。

為提高波形分類精度,分3個(gè)步驟對(duì)波形進(jìn)行分類：①利用“兩定+一驗(yàn)”方法識(shí)別真實(shí)的首次湖泛面,建立更為合理的框架模型,在新框架模型內(nèi)對(duì)波形進(jìn)行初步分類;②根據(jù)與砂巖厚度相關(guān)性高的波形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)波形做進(jìn)一步分類;③采取“人工干預(yù)+機(jī)器學(xué)習(xí)”的方式確定典型不同微相與不同厚度砂巖的地震波形樣式,調(diào)整疊前波形指示反演關(guān)鍵流程,使得預(yù)測(cè)實(shí)際結(jié)果在縱向上和平面上符合實(shí)鉆井揭示的扇三角洲砂巖沉積規(guī)律,進(jìn)一步降低疊前波形指示反演的隨機(jī)性。

1 工區(qū)概況

1.1 沉積背景

1.2 巖石物理參數(shù)分析

為提高研究區(qū)砂巖和氣層識(shí)別的精度,首先明確砂巖、泥巖、氣層的巖石物理特征,選取對(duì)砂巖和氣層比較敏感的彈性參數(shù),界定砂巖與氣層的識(shí)別門限值[16-18],在識(shí)別砂巖、剔除泥巖的基礎(chǔ)上,再對(duì)識(shí)別的砂巖含氣性進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 ZJD地區(qū)E1亞段彈性參數(shù)分析圖版a 縱波阻抗區(qū)分砂泥巖直方圖; b 橫波阻抗區(qū)分砂泥巖直方圖; c 楊氏模量區(qū)分砂、泥巖直方圖; d vP/vS區(qū)分含氣砂巖與不含氣砂巖直方圖; e vP/vS與楊氏模量對(duì)砂巖、泥巖和含氣砂巖交會(huì)結(jié)果

2 首次湖泛面的識(shí)別

2.1 地質(zhì)-地震沉積旋回對(duì)比

圖2 ZJD地區(qū)E1亞段連井砂巖對(duì)比及地震反射剖面a ZJD地區(qū)E1亞段連井砂巖對(duì)比剖面; b ZJD地區(qū)E1亞段連井地震反射剖面; c 井位分布

在連井地震剖面上,地震反射層T3表現(xiàn)為不連續(xù)反射特征,而反射層T2為連續(xù)性的波峰反射(反極性),表示反射層T2上下地層有明顯的阻抗差異(圖2b),揭示反射層T2上下地層的沉積環(huán)境變化較大。圖2c為井位分布。

2.2 古地貌-沉積演化解釋

圖3 ZJD地區(qū)E1亞段古地貌、振幅屬性及沉積相特征a E1沉積前古地貌; b E1地震振幅屬性; c E1沉積相圖; d E1沉積前古地貌; e E1地震振幅屬性; f E1沉積相圖

2.3 不同沉積格架驗(yàn)證對(duì)比

圖4 ZJD地區(qū)E1亞段不同地質(zhì)模型及楊氏模量反演剖面對(duì)比a 以T1和T3為邊界的地質(zhì)模型1; b 地質(zhì)模型1的反演結(jié)果; c 以T1、T2和T3為邊界的地質(zhì)模型2; d 地質(zhì)模型2的反演結(jié)果

經(jīng)過對(duì)首次湖泛面的識(shí)別,建立新的沉積框架,根據(jù)反演結(jié)果顯示T3到T2時(shí)期扇三角洲砂巖逐漸減少,波形表現(xiàn)為波峰到波谷的正旋回特征,T2到T1沉積時(shí)期主要為濱淺湖、半深湖、深湖亞相的泥巖沉積,波形表現(xiàn)為波谷到波峰再到波谷的特征,T2地震反射層是研究區(qū)大范圍湖侵界線,可以作為首次湖泛面。

3 疊前波形指示反演

3.1 基本原理

地震波形包含地層沉積旋回的信息,在相似沉積環(huán)境下,地震波形和測(cè)井曲線具有相似的旋回特征,具有相似地震波形的不同鉆井,彈性參數(shù)曲線在比地震更寬的頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)出確定性頻率成分,提高砂巖預(yù)測(cè)高頻部分的確定性。疊前波形指示反演利用地震波形縱橫向變化信息,結(jié)合彈性參數(shù)曲線,建立井-震協(xié)同表征機(jī)制,滿足利用地震完成井間高頻成分預(yù)測(cè)的要求,提高預(yù)測(cè)砂巖的精度和準(zhǔn)確性。

圖5 ZJD地區(qū)E1地震波形曲線與楊氏模量曲線對(duì)比a ycan1與ych4井原始地震波形; b～h 分別為ycan1與ych4井E曲線在1000,800,600,400,300,200,100Hz時(shí)的相似性

3.2 波形結(jié)構(gòu)特征分析

3.2.1 波形正演模擬

表1 ych3井①與②砂巖與泥巖測(cè)井解釋結(jié)果統(tǒng)計(jì)

1) 砂巖對(duì)波形偏移幅度與跨時(shí)產(chǎn)生影響。以②號(hào)砂巖為例,相比較于原始的波形(圖6a),在去除②號(hào)砂巖后,仍然表現(xiàn)為雙波峰,波峰位置上移并且偏移幅度變小(圖6b白色箭頭處);

圖6 ZJD地區(qū)E1亞段不同厚度砂巖對(duì)波形樣式影響對(duì)比a 原始合成記錄地震道; b 去除②號(hào)砂巖的合成記錄; c 去除①號(hào)砂巖的合成記錄; d 去除①和②號(hào)砂巖的合成記錄

2) 厚層砂巖對(duì)地震波形影響占主要因素。比較分別去除①號(hào)和②號(hào)砂巖合成記錄相關(guān)系數(shù)的變化,原始地震相關(guān)系數(shù)為0.91,去除②號(hào)砂巖后的相關(guān)系數(shù)為0.85,去除①號(hào)砂巖后的相關(guān)系數(shù)為0.80,表示厚度較大的①號(hào)砂巖對(duì)地震波形樣式影響大,雙波峰變?yōu)閱尾ǚ?圖6c白色箭頭處),并且波峰位置往上偏移,偏移幅度變大;

3) 砂巖影響波形曲線形態(tài)。去除①號(hào)和②號(hào)砂巖后,相對(duì)于原始波峰與只去除②號(hào)砂巖的波峰特征,波峰偏移幅度變小,最大波峰位置向下偏移,但整個(gè)波形縱向上跨時(shí)基本保持不變,波形曲線形態(tài)變得更為平坦(圖6d白色箭頭處)。

通過加砂、去砂的正演模擬試驗(yàn),波峰的偏移幅度、縱向上跨時(shí)以及波形曲線形態(tài)在不同厚度砂巖情況下會(huì)產(chǎn)生不同樣式,三者變化的情況反映了砂體的厚度,可以作為關(guān)鍵參數(shù)區(qū)分波形樣式。

3.2.2 波形結(jié)構(gòu)及相似性分析

對(duì)波形進(jìn)行分類需要考慮選取的波形分類參數(shù)要能夠反映研究對(duì)象[21],研究區(qū)選取的波形分類參數(shù)需要滿足3方面要求：①波形結(jié)構(gòu)參數(shù)能與砂巖厚度相關(guān);②波形結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠反映波形樣式;③波形樣式結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性的計(jì)算方法能區(qū)分波形類型。

圖7 ZJD地區(qū)E1波形樣式結(jié)構(gòu)參數(shù)以及SP曲線對(duì)比a 波形結(jié)構(gòu)參數(shù); b SP與偏移幅度曲線; c SP與跨時(shí)曲線; d SP與波形陡度曲線;e ych1與ych5井原始波形曲線; f ych1與ych5井SP測(cè)井曲線; g ych1與ych5井偏移幅度曲線; h ych1與ych5井跨時(shí)曲線; i ych1與ych5井陡度曲線

式中：Si(t)表示采樣點(diǎn)t的陡度;t=1,2,…;n為采樣點(diǎn)數(shù);Ai(t)為采樣點(diǎn)t的振幅;Ai(t-1)與Ai(t+1)為采樣點(diǎn)t前后的振幅;i為采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

以ych5井為例,提取井旁道波形結(jié)構(gòu)特征參數(shù)曲線分別與反映砂巖厚度的SP曲線做對(duì)比分析(圖7b,圖7c和圖7d),在砂巖發(fā)育位置處SP曲線幅度較大,波峰偏移幅度變大、跨時(shí)曲線處于拐點(diǎn)、陡度值較高,表明波峰偏移幅度、跨時(shí)、陡度3個(gè)波形結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠反映砂巖變化,并且根據(jù)相關(guān)系數(shù)劃分波形樣式,計(jì)算相關(guān)系數(shù)主要有以下2種方式。

1) 整體波形計(jì)算方式?？紤]目的層段整體波形特征,計(jì)算相關(guān)系數(shù)的內(nèi)容包含波形很多方面參數(shù),兩個(gè)長(zhǎng)度為n的波形序列(A,B)相關(guān)系數(shù)可以簡(jiǎn)單表述為：

2) 標(biāo)準(zhǔn)歸一化相關(guān)系數(shù)法。以研究區(qū)兩個(gè)長(zhǎng)度為n的波形序列(A,B)為例,首先利用標(biāo)志層對(duì)兩列波標(biāo)準(zhǔn)化,再對(duì)要參與相關(guān)性計(jì)算的波形參數(shù)(波峰偏移幅度、跨時(shí)以及陡度)進(jìn)行歸一化,標(biāo)準(zhǔn)歸一化相關(guān)系數(shù)R(A,B)如公式(3)所示,其中x,y,z為波峰偏移幅度、跨時(shí)、陡度。根據(jù)公式(3)計(jì)算相似性結(jié)果對(duì)波形進(jìn)行分類(表2),標(biāo)準(zhǔn)歸一化相關(guān)系數(shù)的取值范圍為[-1,1],當(dāng)R≤0時(shí),兩列波不具有相似性;當(dāng)R>0時(shí)為正相關(guān);當(dāng)R=1時(shí),兩列波為完全正相關(guān)。

表2 ZJD地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)歸一化相關(guān)系數(shù)大小的意義

為說明標(biāo)準(zhǔn)歸一化相關(guān)系數(shù)法對(duì)波形分類的情況,選取ych1與ych5井作為試驗(yàn)對(duì)象,提取沿井波形曲線,采用公式(2)和公式(3)分別計(jì)算兩口井波形相似性。由于公式(2)是考慮目的層段整體波形特征,包含波形很多方面參數(shù),其中部分波形參數(shù)并不反映砂巖,計(jì)算ych1與ych5井波形相關(guān)系數(shù)為79%(圖7e)。分析兩口井砂巖發(fā)育情況,其中ych1井只鉆遇②號(hào)5.5 m的砂巖,ych5井鉆遇①號(hào)4.9 m和②號(hào)9.4 m的砂巖,兩口井只有②號(hào)砂巖能匹配,下部厚層的①號(hào)砂巖ych1沒有鉆遇,只有ych5鉆遇,兩口井SP曲線的相關(guān)系數(shù)為47%(圖7f)。分別計(jì)算ych1與ych5井偏移幅度、跨時(shí)、陡度相關(guān)系數(shù)分別為37%、55%、49%(圖7g,圖7h和圖7i),利用公式(3)計(jì)算波形相關(guān)系數(shù)為45%,與兩口井SP曲線相關(guān)系數(shù)接近,表明兩口井波形樣式并不相同,即選取的波形結(jié)構(gòu)參數(shù)與公式(3)對(duì)研究區(qū)波形樣式進(jìn)行分類比較合適。

3.3 波形精確分類

利用新建框架模型對(duì)波形樣式初步分類,其次根據(jù)波形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)波形樣式做進(jìn)一步分類并確定典型波形樣式,最后采用“人工干預(yù)+機(jī)器學(xué)習(xí)”波形分類方式對(duì)波形樣式進(jìn)行精確分類,確定疊前波形指示反演中采用的波形樣本數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。該分類方式簡(jiǎn)單概括為利用前期選取的確定性波形樣本作為訓(xùn)練樣本,利用學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)有監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法對(duì)研究區(qū)樣本井的波形樣式進(jìn)行篩選分類(圖8)。

圖8 波形分類步驟及流程

“人工干預(yù)”主要包括兩方面工作：第一,將地層框架模型下的砂巖巖相特征進(jìn)行歸類,匹配分析不同巖相下砂巖的測(cè)井相與地震波形特征,確定研究區(qū)主要典型波形樣式類別。第二,分別計(jì)算不同典型井之間SP曲線的相關(guān)系數(shù)以及沿井旁道提取的波形曲線(BX)相關(guān)系數(shù),比較兩者的相關(guān)系數(shù)值,根據(jù)表2中相關(guān)系數(shù)值域范圍,查看相關(guān)程度,如果相差較大,重新分析井巖相、測(cè)井相以及地震波形等特征,調(diào)整波形類別,直至相關(guān)程度較高,確定典型樣本(x1,x2,…,xm)。

“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法主要采用學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)有監(jiān)督式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法。根據(jù)選取的典型樣本(x1,x2,…,xm),搜索需要分類的樣本(y1,y2,…,yn)并進(jìn)行比較,以典型樣本中一個(gè)樣本xi(i∈m)為例,利用“學(xué)習(xí)向量量化”算法找出與xi最相近的樣本yj(j∈n)并將其歸為同類,合棄不同類樣本,初步得到波形樣本類別,查看得到的波形樣本類別并與研究區(qū)主要的典型沉積微相類別對(duì)比,如果差異較大,需要從選取的樣本以及分類依據(jù)等方面進(jìn)行修改,直到最終分選的樣本類別與沉積微相類別相符合,得到研究區(qū)地震波形分類樣本(z1,z2,…,zp)。

3.4 疊前波形指示反演流程

對(duì)研究區(qū)利用調(diào)整的疊前波形指示反演,主要采用“層序框架約束+波形分類+地震驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行反演工作,將確定的時(shí)窗界限、波形分類數(shù)、樣本數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)作為約束條件加入“SMCMC”算法中,在地震波形驅(qū)動(dòng)下,尋找相似波形對(duì)應(yīng)的敏感彈性參數(shù)曲線中含有的砂巖信息,進(jìn)行地震先驗(yàn)有限樣點(diǎn)描述,最終得到高精度的疊前彈性參數(shù)反演成果,技術(shù)流程主要包括以下4個(gè)方面。

1) 根據(jù)首次湖泛面建立更為合理的層序格架和地質(zhì)模型,分析波形旋回結(jié)構(gòu)特征,確定反演樣本波形分選時(shí)窗界限,減少樣本波形分選樣式,降低波形分類多解性,并對(duì)目的層測(cè)井曲線和波形曲線進(jìn)行匹配分析,為波形分析以及樣本的建立提供依據(jù)。

2) 依據(jù)能反映砂巖厚度的波形結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算不同井旁道地震波形相關(guān)系數(shù),對(duì)波形進(jìn)行匹配分類,將統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)敏感彈性參數(shù)(楊氏模量)先驗(yàn)信息,結(jié)合平均AVA子波等參數(shù)進(jìn)行波形聚類映射,并根據(jù)初期建立的地質(zhì)框架模型,建立初始敏感彈性參數(shù)模型,與此同時(shí),統(tǒng)計(jì)敏感彈性參數(shù)的概率分布并作為先驗(yàn)概率分布。

3) 根據(jù)初始敏感彈性參數(shù)模型與敏感彈性參數(shù)匹配濾波的結(jié)果,計(jì)算得到似然函數(shù),根據(jù)計(jì)算的似然參數(shù)結(jié)果,確定不同空間位置敏感彈性參數(shù)值的概率,將地震有效頻寬范圍內(nèi)的確定信息和逐步確定的井曲線上高頻部分信息進(jìn)行融合,得到相對(duì)比較確定的概率分布,可以增強(qiáng)反演結(jié)果低頻段和高頻段的確定性,降低疊前波形指示反演結(jié)果的隨機(jī)性。

4) 參考貝葉斯理論,聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗(yàn)分布得到后驗(yàn)概率分布結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行Gibbss采樣,將采樣結(jié)果作為目標(biāo)函數(shù),不斷對(duì)波形參數(shù)和地質(zhì)模型參數(shù)進(jìn)行擾動(dòng),持續(xù)調(diào)整初始參數(shù)模型和波形匹配分類結(jié)果,使后驗(yàn)概率分布函數(shù)取得最大值,并確?？梢噪S機(jī)實(shí)現(xiàn),取多次有效實(shí)現(xiàn)的均值作為期望值輸出,得到疊前波形指示反演數(shù)據(jù)體。

4 應(yīng)用效果

對(duì)疊前波形指示反演預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性從不同反演方式對(duì)比、單井鉆遇率以及平面沉積解釋3方面進(jìn)行檢查,查看反演結(jié)果縱橫向分辨率、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率以及能否反映砂巖沉積演化特征。

4.1 不同反演方式對(duì)比

圖9 ZJD地區(qū)E1亞段不同反演方法的反演結(jié)果對(duì)比(井左側(cè)為SP曲線、右側(cè)為GR曲線)a 常規(guī)疊前反演; b 疊前波形指示反演

4.2 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度

表3 ZJD地區(qū)單井E1砂巖反演符合率統(tǒng)計(jì)

4.3 反演結(jié)果沉積解釋及應(yīng)用

圖10 ZJD地區(qū)反演的E1亞段不同時(shí)期楊氏模量沿層切片a T3向上15ms沿層反演切片; b T3向上35ms沿層反演切片; c T2向上15ms沿層反演切片; d T2向上35ms沿層反演切片

對(duì)于砂巖含氣性檢測(cè),在識(shí)別砂巖的基礎(chǔ)上,結(jié)合樣品實(shí)測(cè)的孔隙度、滲透率以及反映物性的SP曲線,將楊氏模量(E)曲線與AC、SP等曲線交會(huì)分析,對(duì)識(shí)別的砂巖進(jìn)行巖性遮擋處理,只保留物性較好(孔隙度≥10%)的有利砂巖(圖11a)。再與氣層敏感的vP/vS彈性參數(shù)(vP/vS<1.74)(圖11b)進(jìn)行交會(huì)處理,對(duì)砂巖含氣性進(jìn)行解釋,最終得到解釋的氣層剖面(圖11c),例如ych5井在預(yù)測(cè)的兩套氣層均鉆遇累計(jì)厚度為14.3m含氣砂巖,這為研究區(qū)含氣砂巖的勘探提供了很好的依據(jù),在隨后部署的ych1-2C井目的層鉆遇含氣砂巖層,累計(jì)厚度為21m。

圖11 ZJD地區(qū)E1有利砂巖、vP/vS以及含氣層預(yù)測(cè)連井剖面a 有利砂巖預(yù)測(cè)剖面; b vP/vS反演剖面; c 含氣砂巖預(yù)測(cè)剖面

5 結(jié)論

1) 鹽城凹陷ZJD地區(qū)深層扇三角洲相砂巖具有厚度薄、壓實(shí)作用強(qiáng)和非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn),常規(guī)疊前、疊后反演并不適用于研究區(qū)深層砂巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè),疊前波形指示反演在重新建立地質(zhì)沉積模式的基礎(chǔ)上,利用地震波形相似性原理,借助對(duì)砂巖敏感性較高的楊氏模量,刻畫砂巖在平面和縱向上的分布特征,預(yù)測(cè)結(jié)果與井揭示的結(jié)果吻合度較高。

2) 疊前波形指示反演關(guān)鍵是對(duì)波形樣式的劃分,找出不同沉積環(huán)境和不同厚度砂巖情況下的波形樣式,借助“兩定+一驗(yàn)”方法識(shí)別首次湖泛面,并對(duì)波形樣式進(jìn)行初步分類;利用能反映砂巖的波形結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)波形樣式的相關(guān)系數(shù)對(duì)波形進(jìn)一步分類;最后采用“人工干預(yù)+機(jī)器學(xué)習(xí)”的方式對(duì)各類波形進(jìn)行匹配分類,根據(jù)波形分類結(jié)果進(jìn)行疊前波形指示反演,可以預(yù)測(cè)單層厚度大于3m的砂巖。