基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地震復(fù)合微相自動識別技術(shù)應(yīng)用實踐

李帥?王宇

摘要：西湖凹陷斜坡帶平湖組砂體發(fā)育模式及分布規(guī)律不清限制了斜坡帶勘探開發(fā)評價進(jìn)展。從基礎(chǔ)資料深入分析出發(fā)，井震結(jié)合明確“振幅－頻率－波形－反射外形”四個參數(shù)為地震復(fù)合微相描述敏感參數(shù)，在此基礎(chǔ)上依托BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)地震復(fù)合微相自動識別。明確斜坡帶水下分流河道、河口壩、潮汐砂壩及席狀砂等多類型砂體發(fā)育規(guī)律，為該區(qū)巖性油氣藏勘探提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：地震復(fù)合微相；機(jī)器學(xué)習(xí)；自動識別

一、前言

西湖凹陷斜坡帶歷經(jīng)四十年的勘探開發(fā)實踐，隨著構(gòu)造圈閉的不斷減少及勘探思路的轉(zhuǎn)變，目前已全面轉(zhuǎn)入巖性油氣藏勘探新階段，斜坡帶多個油氣田的勘探開發(fā)實踐證實了圈閉有效性是該區(qū)成藏的主控要素。因此，如何有效識別、刻畫巖性圈閉砂體是目前斜坡帶平湖組巖性油氣藏勘探面臨的核心問題，已鉆井揭示了平湖組為一套三角洲－潮坪相的煤、泥、砂互層地層，研究區(qū)目的層整體埋深在3000-5000米，深層含煤層系限制了砂體地球物理預(yù)測精度，制約了巖性油氣藏勘探的進(jìn)程。

前人針對平湖組儲層刻畫方法進(jìn)行了一系列的研究，如相控儲層預(yù)測技術(shù)、地震多屬性的儲層預(yù)測技術(shù)，但均以地震沉積學(xué)為技術(shù)手段進(jìn)行砂體展布預(yù)測，缺乏地質(zhì)與地球物理的有機(jī)結(jié)合[1-2]。本次以儲層的沉積屬性預(yù)測為重點，地震復(fù)合微相是復(fù)合沉積微相在地震剖面上表現(xiàn)的總和，是由沉積環(huán)境所形成的地震特征，包括地震反射結(jié)構(gòu)、地震微相單元形態(tài)與平面組合、地震反射振幅、地震反射頻率及同向軸連續(xù)性等特征的綜合響應(yīng)。

地震復(fù)合微相識別技術(shù)是從已鉆井地球物理響應(yīng)特征出發(fā)，建立地質(zhì)模式控制到地球物理刻畫的技術(shù)思路流程，建立以單井微相定類型、井震結(jié)合定參數(shù)、復(fù)合微相定展布、精細(xì)刻畫定模式系統(tǒng)化的研究技術(shù)流程，并且依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地震復(fù)合微相自動識別技術(shù)流程，在此基礎(chǔ)上梳理巖性圈閉發(fā)育模式及有利發(fā)育區(qū)帶，為該區(qū)巖性油氣藏評價提供技術(shù)支撐[3-4]。

二、區(qū)域地質(zhì)概況

西湖凹陷屬于東海陸架盆地的二級構(gòu)造單元，位于東海陸架盆地中北部，是晚白堊紀(jì)末期構(gòu)造背景上發(fā)育的新生代沉積凹陷。凹陷呈NNE向展布，凹陷總體具有東斷西超的箕狀斷陷盆地特征。在構(gòu)造上自西向東可以分為西部斜坡帶、中央背斜帶及東部斷階帶，根據(jù)構(gòu)造-沉積特征西部斜坡帶自南向北為天臺斜坡、平湖斜坡和杭州斜坡。本次研究區(qū)位于平湖斜坡中部，處于受一系列反向斷層控制的反向斷槽區(qū)（見圖1）。

西湖凹陷基底之上，依次發(fā)育古新統(tǒng)，始新統(tǒng)八角亭組、寶石組、平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組、柳浪組，上新統(tǒng)三潭組，更新統(tǒng)東海群。其間經(jīng)歷了幾次重要的構(gòu)造運動，分別是甌江運動、玉泉運動、花港運動、龍井運動和沖繩海槽運動，將凹陷劃分為斷陷期、拗陷期、構(gòu)造反轉(zhuǎn)期和晚期區(qū)域沉降四個演化階段。本次研究主要目的層始新統(tǒng)平湖組沉積期，西湖凹陷東部受釣魚島隆褶帶不連續(xù)分割，形成了南部開口的半封閉環(huán)境，海水可間歇性侵入，平湖斜坡帶平湖組整體形成于緩坡、半封閉的淺水沉積背景，形成一套以三角洲－潮坪為背景的含煤碎屑巖地層。

三、沉積微相類型及砂巖特征

平湖組沉積期，斜坡帶物源主要來自西部海礁隆起區(qū)，多樣復(fù)合溝谷體系為斜坡帶沉積提供充足物源，溝谷水系控制斜坡帶三角洲展布，在平湖組半封閉地貌背景及小潮差影響下，平湖組表現(xiàn)為震蕩式的潮汐水體特征，三角洲砂體受潮汐改造形成了斜坡帶平湖組潮坪－潮汐改造型三角洲交互發(fā)育的沉積背景，奠定了平湖組成因復(fù)雜、類型多樣的砂體特征。

平湖組復(fù)雜沉積背景控制下，沉積微相類型多樣，以三角洲前緣水下分流河道、河口壩、席狀砂，潮坪相的潮道、潮汐砂壩、混合坪等微相類型為主。砂巖整體表現(xiàn)為河控及潮控兩種成因類型，從取芯特征來看，河控砂巖主要以塊狀層理、粒序?qū)永怼⑵叫袑永砑暗[石定向排列等為特征，部分巖心可見槽狀及板狀交錯層理。典型潮控砂巖取芯中可見羽狀交錯層理、人字形交錯層理及雙黏土層，反映了周期性雙向潮汐水流作用影響。從測井相特征來看，整體可分為鐘形、箱形、漏斗形及其復(fù)合形態(tài)，潮汐砂體受周期性水體影響，多發(fā)育憩水期泥質(zhì)夾層，測井曲線齒化特征明顯，形成斜坡帶（水上）水下分流河道、河口壩、潮汐砂壩、潮道等，及復(fù)合類型的多樣復(fù)雜成因砂體類型。

四、地震復(fù)合微相描述參數(shù)優(yōu)選

基于沉積微相劃分方案，不同微相類型砂泥巖組合特征差異較大，整體可劃分為厚層砂巖型、砂泥互層型、泥包砂巖型及厚層泥巖型等類型，結(jié)合各沉積微相的粒序演化特征，可按粒序劃分為向上變細(xì)的正韻律、向上變粗的反韻律及均質(zhì)的塊狀砂巖。因此，從不同砂泥巖組合特征及不同粒序特征出發(fā)，總結(jié)不同沉積微相類型與地震反射的響應(yīng)關(guān)系，建立地震復(fù)合微相描述的理論基礎(chǔ)[5-6]。

基于不同砂泥巖組合特征，通過增加泥巖隔層厚度，建立互層介質(zhì)楔形模型，隨著泥巖隔層厚度的不斷增大，其砂泥巖組合由厚層砂巖向砂泥互層、泥包砂巖及富泥背景演化，本次在沉積微相認(rèn)識基礎(chǔ)上以均勻塊狀砂體為參考，設(shè)計河道型砂體（正韻律）和砂壩型砂體（反韻律）正演模型，相較于均勻介質(zhì)砂體，河道砂體波形上具有上寬下窄的特征。固定砂體類型，向薄、向厚兩個方向改變砂體厚度構(gòu)建河道砂體楔形模型，通過模型正演分析，河道砂楔形體地震記錄的振幅以及瞬時頻率屬性均具有“頂?shù)偷赘摺钡奶卣鳌?/p>

相較于均勻介質(zhì)砂體，砂壩型砂體波形上具有上寬下窄的特征。固定砂體類型，向薄、向厚兩個方向改變砂體厚度構(gòu)建砂壩型砂體楔形模型，通過模型正演分析，砂壩型楔形體地震記錄的振幅以及瞬時頻率屬性均具有“底低頂高”的特征（見圖2）。

正演結(jié)果表明，不同巖相砂體均具有波形、振幅和頻率對應(yīng)的響應(yīng)特征，可結(jié)合這三個參數(shù)進(jìn)行巖相判斷。結(jié)合已鉆井實際標(biāo)定結(jié)果和正演模擬，總結(jié)了河道型砂巖低頻－弱振幅－不連續(xù)短軸狀－非對稱波形的地震相特征，砂泥薄互層席狀砂高頻－強(qiáng)振幅－連續(xù)反射－單峰波性特征，疊置的河道型砂巖為低頻－弱振幅－下切反射－非對稱向上增強(qiáng)波形特征，疊置砂壩砂巖低頻－弱振幅－丘型反射－非對稱向上減弱波形特征，河道砂壩復(fù)合型砂巖低至高頻－強(qiáng)振幅－不連續(xù)反射－似對稱復(fù)波波形特征。

在正演模型分析基礎(chǔ)上，綜合已鉆井實踐，明確了“振幅－頻率－波形－反射外形”可作為反映巖性組合特征的地震復(fù)合微相描述參數(shù)，正演模型及已鉆井分析明確四參數(shù)為地震復(fù)合微相描述敏感參數(shù)。

五、地震復(fù)合微相描述及應(yīng)用

在地震復(fù)合微相描述參數(shù)確定基礎(chǔ)上，一方面從單井復(fù)合微相解剖到骨干剖面地震復(fù)合微相精細(xì)解釋，最后實現(xiàn)平面地震復(fù)合微相解釋，建立了點－線－面三步人工識別技術(shù)流程。另一方面，在深入分析微相組合與描述參數(shù)半定量對應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了基于AI分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)技術(shù)流程，實現(xiàn)地震復(fù)合微相自動化識別技術(shù)體系[7]。

（一）人工地震復(fù)合微相描述成果

單井正演及地震復(fù)合微相描述明確了不同砂泥巖組合特征地震響應(yīng)差異，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已鉆井常見砂泥巖組合地震復(fù)合微相對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)由點到線，從單井地震復(fù)合微相到典型地震剖面復(fù)合微相識別。由井砂泥巖組合特征來看，可劃分為分流間灣微相為主的厚泥層、河道側(cè)緣及遠(yuǎn)砂壩微相為主的厚泥夾薄砂組合類型、席狀砂類型為主的砂泥薄互層組合特征、（水下）分流河道微相類型為主的厚砂薄泥地層組合及砂壩微相類型為主的反韻律砂泥組合特征。綜合振幅－頻率－反射外形－波形四參數(shù)分析，梳理了不同砂泥巖組合類型控制下的中頻強(qiáng)振幅平行反射對稱波形地震相特征、低頻弱振幅下切型復(fù)波波形特征、高頻強(qiáng)振幅平行反射單峰波形特征、低頻弱振幅頂凸型非對稱波形反射特征及中頻弱振幅平行反射對稱波形反射特征五大類地震相組合特征及其剖面展布組合樣式（見圖3）。從地震復(fù)合微相剖面組合劃分結(jié)果與已鉆井實鉆砂泥巖組合特征較為吻合。

以典型地震剖面解釋為骨干格架，建立平面地震復(fù)合微相解釋網(wǎng)格，由線及面，實現(xiàn)地震復(fù)合微相平面特征刻畫。以P8層地震復(fù)合微相刻畫為例，低頻弱振幅復(fù)波平面呈條帶狀分布特征，低頻弱振幅頂凸型微相特征表現(xiàn)為孤立型砂壩特征。

綜合地震復(fù)合微相反應(yīng)的沉積微相特征，由地震信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)信息，實現(xiàn)地震復(fù)合微相約束下的沉積微相平面展布刻畫。以P8層為例，整體為潮汐改造型三角洲沉積背景，砂巖主要類型為水下分流河道砂巖、潮汐砂壩砂巖、席狀砂及分流間灣泥巖，水下分流河道測井曲線以鐘形及箱形為主，表現(xiàn)為厚砂薄泥的組合特征，地震復(fù)合微相為低頻弱振幅下切復(fù)波特征，整體受古地貌控制呈條帶狀展布。潮汐砂壩型砂巖表現(xiàn)為箱形及漏斗形測井特征。分流間灣微相主要為厚泥夾煤層組合（見圖4）。

（二）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地震復(fù)合微相自動識別

基于剖面解釋的砂體類型需在全剖面解釋的條件下才可投影到平面，過程繁雜且受限于解釋經(jīng)驗。因此，基于地震波形對于砂體類型有敏感響應(yīng)這一認(rèn)識，通過波形聚類的方式開展不同類型砂體平面展布特征分析。波形聚類主要基于波形的相似性進(jìn)行類別劃分，在沉積應(yīng)用角度，需在聚類分析結(jié)束后，結(jié)合單井相進(jìn)行同類合并，最終得到具有沉積相意義的分類結(jié)果。但是，方法屬于無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，即在機(jī)器進(jìn)行聚類分析時無法進(jìn)行約束，只能在得到的結(jié)果上進(jìn)行后期二次分類。如果機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果不理想，后續(xù)二次分類則無法有效開展。

通過以上分析，振幅、頻率、波形以及反射結(jié)構(gòu)對于不同的砂體類型均有一定的響應(yīng)特征。但是在不同巖性組合條件下，四種屬性所表達(dá)的響應(yīng)特征趨于復(fù)雜，無法依靠線性關(guān)系找到明顯的統(tǒng)計規(guī)律。同時，結(jié)合波形聚類分析方法應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)存在單井相不吻合，地質(zhì)意義指示不清的現(xiàn)象。因此，本節(jié)結(jié)合單井相劃分進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，通過屬性非線性組合識別不同類型砂體，同時基于監(jiān)督（單井相約束）學(xué)習(xí)使結(jié)果更具有地質(zhì)意義。

以目標(biāo)區(qū)P8井為例，對研究區(qū)各探井單砂體進(jìn)行微相識別，定義間灣泥為1、砂壩為2、復(fù)合砂體為3、河道砂體為4，制作基于巖相劃分的方波化曲線。在此基礎(chǔ)上，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以振幅、頻率、波形以及反射特征四種屬性為輸入，以微相劃分曲線為輸出，訓(xùn)練隱藏層非線性函數(shù)關(guān)系。最終，將該函數(shù)關(guān)系應(yīng)用到整個研究區(qū)，得到地震復(fù)合微相體（見圖5）。

六、結(jié)語

基于井震結(jié)合，明確了地震復(fù)合微相描述的敏感參數(shù)，指出地震振幅、頻率、波形及反射外形為敏感參數(shù)，奠定地震復(fù)合微相描述的理論基礎(chǔ)。

初步形成了點、線、面人工地震復(fù)合微相識別技術(shù)流程，并且基于機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)地震復(fù)合微相自動識別技術(shù)流程體系。

在地震復(fù)合微相識別基礎(chǔ)上，厘定了目標(biāo)區(qū)不同沉積微相類型及展布模式，奠定目標(biāo)區(qū)巖性油氣藏勘探的理論基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯：張津平、尚丹