1、波阻抗反演中多井条件下的子波提取方法许升辉 1 ,2 , 马劲风 3(1. 中国科学院地质与地球物理研究所 ,北京 100029 ; 2. 中石化新星公司科技部 ,北京 100083 ;3. 西北大学地质学系 ,西安 710069)摘 要 对于井约束的波阻抗反演来说 ,子波提取是反演中最重要的技术环节之一 . 在一个工区有多口井的条件下 ,根据不同的井可以提取不同的子波 . 过井的测线或井控制的区块范围内提取的子波 ,往往只在这条测线或这个区块范围内 ,获得最佳的反演结果 . 而在其它测线或其它井控制的区域 ,不一定会得到好的结果 . 如果采用不同的子波 ,分别在其控制测线或区块进行反演 ,就
2、会出现不同井控制区域或测线上岩性的不闭合 . 子波的变化造成反演结果岩性的变化 ,进而造成岩性解释的错误 . 本文借用速度分析中多道相关的思想 ,给出了多井条件下子波提取的方法和选择最佳子波的定量标准 .关键词 子波提取 ,多井 ,匹配 ,波阻抗反演 ,相关分析中图分类号 P315 ,P631 文献标识码 A 文章编号 100422903 (2003) 0420623205Wavelet extraction method of wave impedanceinverse with multi2well restrictionsXU Shen2hui1 ,2 , MA Jin2feng3(1.
3、 Instit ute of Geology and Geophysics , Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100029 , Chi na ; 2. Si nopec Star Pet roleumCo. L t d. , Beiji ng 100083 , Chi na ; 3. Geology Depart ment of Northwest U niversity , Xi an 710069 , Chi na)Abstract Wavelet extraction is the most important technique in
4、the wave impedance inverse with well restrictions. Differ2ent type of wavelet can be extracted from the different well when more than one well is located at the same region. Usually ,the optimal inverse results only can be obtained within the profile or zone if the wavelet is extracted based on the
5、across wellprofile or well restricting belts. Namely , the good results cannot be surely obtained on other profiles or zones. As a result ,the unclose of zones constricted by different well and lithology in profile will present if the inverse is respectively carried outby different wavelet in their
6、each restricting profiles or zones. The change of wavelet will result in the different inverse re2sults , which will finally lead to the wrong interpretation of lithology. In this paper , the idea of correlation among multi2sta2tions in the velocity analysis is used to pursuit the method of wavelet
7、extraction with multi2well restriction and the quantita2tive criterion of determining the optimal wavelet.Keywords wavelet extraction , multi2well , matching , wave impedance inverse , correlation analyisis收稿日期 2003201227 ; 修回日期 2003206210.基金项目 国家自然科学基金 ( H40144017)资助 .作者简介 许升辉 ,男 ,1960 年生 ,内蒙古人 ,19
8、82 年毕业于长春地质学院物探系 ,现为中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生 ,主要从事石油地球物理方法研究 .1 波阻抗反演技术1. 1 波阻抗反演技术地震反演是利用地表观测的地震资料 ,以已知地质规律和钻井、测井资料为约束 ,对地下岩层空间结构和物理性质进行成像 (求解 ) 的过程 . 建立于反射系数垂直入射假设基础之上的叠后地震反演技术 ,是油藏描述与储层预测的关键技术 . 该项技术的意义在于将反映构造信息的地震剖面 ,转换成为反映岩性信息的波阻抗剖面 . 李庆忠认为 ,波阻抗剖面第 1 8 卷 第 4 期 地 球 物 理 学 进 展 Vol. 18 No. 42003 年 12 月
9、 (623 627) PRO GRESS IN GEOPHYSICS December 2003 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/是高分辨率勘探的最终成果 1 . 由于波阻抗信息的简单性和精确性 ,使得地震数据到波阻抗的反演成为一个迅速发展的领域 2 . 自从 R. O. Lindseth 1978年提出该项技术以来 3 ,该项技术在 20 多年的时间内 ,获得了长足的进展 ,新方法和新软件不断涌现 1 ,4 ,5 . 包括在波阻抗反演的线性、非线性
10、算法 ,模拟退火、遗传等最优化算法 ,低频分量、约束条件等的求取等方面 ,都取得了不少新认识 . 目前这种方法已经从垂直入射假设的理论 ,向考虑 AVO 问题的弹性阻抗 ( Elastic Impedance)反演的方向发展 6 .这种常规的波阻抗反演技术 ,建立在以褶积模型为基础的理论之上 3 . 以褶积模型为基础的反演方法 ,在实现过程中都会遇到一个棘手的问题 ,就是如何提取或选择准确的子波 . 子波选择的准确与否 ,将直接影响人工合成地震记录的制作及其与地震道的匹配 ,直接影响反射系数求取的精度 ,进一步影响波阻抗求取和岩性反演结果的品质 .我们知道 ,在一条测线、一个工区或一个工区的不
11、同断块 ,有多口井存在 ,或者只有进行多井的标准化处理 ,才能得到准确的声波时差曲一 ,才能进行准确的深时转换运算和计算出准确的反射系数系列 10 .1. 2 对地震资料的特殊要求井资料与地震资料的匹配 ,也需要对地震资料本身进行校正 . 一方面 ,野外采集的地表条件一致性 ,能确保激发子波的一致性和子波横向变化的唯一性 ,是子波提取的基础 . 海上资料在这方面有独特的优势 ,而对陆地资料则需要进行子波一致性的处理 .另一方面 ,目前的水平叠加剖面 ,是对不同炮检距的共中心点道集进行动校 ,然后进行叠加处理的结果 . 由于共中心点道集中存在振幅随炮检距的变化 ,和不同炮检距地震子波的变化 .
12、尤其较大炮检距的地震子波受吸收衰减、各向异性的影响都比较大 .水平叠加后就会使不同炮检距的反射振幅和相位平均化 ,淹没子波振幅和相位的变化 ,形成平均化的复杂子波 . 此时 ,我们可以在共中心点道集内 ,采用分炮检距叠加的方法 ,选择反射振幅随炮检距线性变化的范围进行叠加 ,以降低较大炮检距范围子波变化和反射振幅变化的影响 . 在这种分段叠加剖面上提取的子波 ,具有比较好的振幅和相位一致性 .当然 ,计算反射系数序列时 ,还要考虑地震波倾斜入射时的 AVO 问题 ,抛弃垂直入射假设的观点 ,将全波信息考虑在内 11 . 当地层倾斜或复杂构造的情况下 ,需要精细解释地震剖面 ,然后用射线追踪方法
13、计算地震波的入射角 . 才能得到较为准确的合成地震道和与实际地震道匹配的结果 .1. 3 多井条件下子波提取的步骤要提取多井条件下的最佳子波 ,首先 提取准确的单个井点的子波 . 进行单井的子波提取需要进行下面几步工作 :(1)进行单井资料的环境校正、多井资料的标准化 ,及使用分段叠加的地震剖面 .(2)选择一个模型子波然后制作人工合成地震记录 ,并与井旁地震道进行互相关运算 ,求取时间域声波时差或反射系数序列与井旁地震道的最佳匹配位置 .(3)选择不同的子波相位 ,从 0 到 360进行扫描 ,逐个与反射系数褶积并与井旁道求取互相关系数 ,确定最佳匹配时的子波相位 ;如果先对地震剖面进行相位
14、扫描 ,然后校正为零相位剖面 ,子波提取的效果会更好 .(4)使用匹配好的井旁地震道与反射系数序列进行反褶积 ,来提取井点的子波 .其次 ,对各井提取的子波进行频谱分析 ,统计各井点子波的振幅谱和相位谱分布 . 分析整个工区或剖面上子波振幅谱和相位谱的变化 . 如果子波振幅谱和相位谱分布有规律 ,就说明子波提取的质量较高和子波在地震剖面上的横向变化较稳定 . 如果个别的子波振幅谱和相位谱没有规律可循 ,就需要抛弃这些井点的子波 . 如果所有的子波振幅谱和相位谱分布没有规律可循或变化很大 ,则需要重要提取子波、或者要选择其它方法得到子波 .第三 ,选择振幅谱和相位谱分布有规律的子波 ,制作各井点
15、的合成地震道 ,并与井旁道进行相关运算 ,求取相关系数的和 ,确定最佳子波 .求人工合成地震道与井旁道的互相关时 ,可能会遇见整个井段两者匹配不好 ,但是局部主测线与联络测线上分别过不同的井 . 利用不同的井和地震剖面 ,往往会提取到不同的地震子波 . 如果在二维工区的交叉测线上 ,提取和采用不同的子波进行波阻抗反演运算 ,就会在主测线和联络测线的交点出现岩性的不闭合现象 . 在三维地震工区中 ,如果有多口井存在 ,选择哪一口井提取的子波进行反演运算 ?还是采用综合多口井的子波进行反演运算 ? 一般来说 ,在三维工区不同的断块上 ,可以采用断块上的井提取的子波进行波阻抗反演运算 . 这样做 ,
16、在不同断块的衔接处 ,也会出现岩性的不一致现象 . 因此 ,究竟选择什么样的子波进行反演运算 ,或者说多井条426 地 球 物 理 学 进 展 18 卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/件下选择地震子波的标准是什么 ? 这一直是多井条件下波阻抗反演中棘手的一个问题 . 本文分析了多井条件下井旁地震道子波求取中存在的问题 ,提出了多井条件下井旁道最佳子波的提取方法和判断标准 .2 多井条件下常规的子波提取方法在一个工区进行波阻抗反演时 ,不论有多少口井
17、存在 ,一般整个工区内都只提取一个子波 . 常用的子波选择和提取主要有以下方法 .2. 1 选择野外观测的震源子波 ,或选择 VSP 观测的子波如果有一个较厚的、弧立的强反射界面 (即非复合波 ) ,如华北地区馆陶组底界面、煤系地层、火成岩形成的强反射面等 . 就可以选择这个界面的反射波作为地震子波 . 选取的方法 ,通常是采用顺地震同相轴开时窗 ,然后将时窗内的地震子波叠加平均 ,这种叠加平均可以在时间域进行 ,也可以在频率域进行 ,叠加平均后得到最终的地震子波 .2. 2 选择标准的模型子波 ,如 Trapezoid( 梯形 ) 、Ricker(雷克 ) 、 Klauder( 克劳德 )
18、、 Butterworth( 巴特沃斯 ) 、俞氏子波等选择的方法是 ,首先对目的层附近的地震道 ,开时窗进行频谱分析 ,确定振幅谱中地震波主频和频宽范围 ,并通过相位谱确定子波的相位值 . 然后 ,将这些参数代入公式化的模型子波中 ,得到模型子波 .2. 3 利用井旁地震道提取子波在理论上这是最佳的子波提取方法 . 这种提取方法是在由井得到的人工合成地震记录与井旁地震数据最佳匹配条件下 ,提取的地震子波 .还有其它的子波提取方法 ,包括自相关法、多项式求根法、对数分解法等 .3 多井条件下最佳子波的判断标准多井条件下进行波阻抗反演时 ,利用井旁地震道的子波提取方法 ,应当是最佳的方法 . 但
19、是 ,因为每一口井都可以提取出一个子波 ,每子子波又会得到不同的反演结果 . 因此 ,处理人员往往回避这多个子波所造成的问题 ,只采用一个子波进行反演 .采用一个子波的好处是显而易见的 ,只有整个剖面的子波一致 ,整个剖面反射振幅的强弱特征才能反映出岩性的变化 . 若在不同的区域 ,如断区 ,采用不同的地震子波 ,就会出现不同区域间拼合时的错误 ,或者主测线与联络测线岩性不闭合的问题 . 子波的变化 ,会掩盖岩性造成的反射系数变化 .如果要采用一个地震子波 ,过去的经验和做法 ,或者是采用人工合成地震记录与井旁道匹配相对最好的井点提取的子波 ,或者是采用不同井提取出不同的子波 ,在时间域直接相
20、加然后平均成为一个子波 ,或者在频率域相加平均的做法 . 这样做似乎综合了几个子波的特征 ,但是进行正、反演运算后的效果并不理想 . 所以 ,我们需要考虑的问题是 ,什么样的地震子波是最佳的子波 ? 以什么标准来判断呢 ?对于工区内只有一口井的情况 ,子波判定的标准比较简单 ,就是用井旁道提取的子波与井点时间域的反射系数序列褶积 ,得到的人工合成地震记录与井旁地震道进行相关运算 ,相关程度高 ,子波选择就可靠 . 反之 ,子波就不可靠 . 如果不采用井旁道提取子波的方法 ,同样应当使用其它方法得到的子波与井点反射系数序列褶积 ,以人工合成地震记录与井旁道进行相关运算 ,来判定子波的优劣 .如果
21、一个工区有多口井 ,就应当充分利用这多口井的信息来获取子波信息 . 此时 ,我们可以借用速度分析中多道相关的思想来确定最佳子波 . 也就是使用各井提取的子波 ,分别在每个井点与反射系数序列褶积 ,得到的人工合成地震记录与该井旁的地震道求相关运算 ,与各井求相关运算的总和 ,再与其它子波得到的相关系数相比总和最大者 ,就是最佳地震子波 . 具体做法如下 :设工区内共有 M 口井 ,其中任意第 i 井提取的地震子波为 bi ( t) ,与反射系数褶积后形成的人工合成地震道为 x i ( n) ,井旁地震道为 yi ( n) , n 为井旁道或人工合成地震道的样点数 . 第 i 井的人工合成地震道与
22、井旁地震道的相互关为rxiyi( ) = Nn = 1x i ( n + ) yi ( n) . (1)由于人工合成地震道的长度要小于井旁地震道的长度 . 所以 ,必须上下移动合成地震道与井旁道求相互关运算 ,寻找最佳匹配位置和最大相关系数 ,即为时移量 .M 口井最大相互关系数的和为S ( j) = Mi = 1| rxiyi| = Mi = 1 Mn = 1x i ( n) yi ( n) .(2)其中 S ( j) 为第 j 个子波的互相关系数绝对值的和 ,绝对值符号表示包含了地震道或子波极性造成的负相关问题 . S ( j) 最大时所采用的子波 ,即为最佳子波 .5264 期 许升辉
23、,等 :波阻抗反演中多井条件下的子波提取方法研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/最佳地震子波可能是某一口井提取的子波 ,也可 能是其它方法提取的子波 . 比如 ,如果以其它方法得到的子波 ,较井旁道提取子波而求得的相关系数和 S ( j) 大 . 那么 ,这个子波就比井旁道提取的子波为好 . 但是井旁道提取的子波 ,总可以作为相互关运算对比的标准 .对于井旁道子波的提取方法 ,由于井资料的环境校正、声波测井资料的深时转换、截断误差、地震道噪声、地震
24、道深浅层频率、相位的变化等原因的影响 ,造成人工合成地震道与井旁地震道不匹配 ,因而提取的子波往往不理想 . 这也是为什么波阻抗反演中 ,难以选择子波和判定子波优劣的根源所在 . 如果合成地震记录与井旁道不匹配 ,就没有判定子波优劣的标准 . 两者不匹配的原因可以是子波造成的 ,也可以是其它环境因素造成的 . 为降低环境因素造成的子波提取误差 ,需要我们做好井资料的环境校正工作 . 因为在进行波阻抗反演时 ,不单需要利用井资料提取子波 ,还需要利用从井资料中得到低频分量、高频分量、非线性反演的初始模型等的信息 . 如果井资料的环境校正做不好 ,井资料与地震资料不匹配 ,这些信息也都不会准确地得
25、到 . 这也是为什么井约束的波阻抗反演中 ,采用井旁道提取子波是最佳选择的原因 . 当然 ,井资料的环境校正 ,及其与地震资料的匹配 ,也需要对地震资料进行校正 ,这是地震勘探工作长期的目标之一 .4 多井条件下最佳子波的提取方法4. 1 校正影响井资料与地震资料匹配的因素进行多井条件下的子波提取时 ,需要先从单井资料的各种环境校正做好 ,即要尽量保证人工合成地震记录与井旁地震道的匹配 . 然后 ,才能对各井提取的子波进行上述的优化选择 .井资料本身的各种校正中 ,对于声波测井来说 ,需要校正周波跳跃、井壁的泥浆侵蚀、井径扩张、钻井过程中钻头冲击造成的井壁附近岩石结构变化带等的影响 . 声源入
26、射到井壁时 ,可能会转换为 PS 转换波并沿井壁滑行 ,在接收点 PS 波又转换成 P 波 ,造成声波时差的增大 . 此外 ,各向异性对深时转换的影响 ,是我们往往忽视而需要格外关注的问题 7 .比如 ,由于岩层中存在水平裂缝、垂直裂缝、或其它方向的斜交裂缝、裂隙时 ,沿井壁测量的滑行纵波速度 ,就会与沿倾斜方向出射的地震波速度不同 . 一般 ,在井和横向各向同性地层斜交的情况下 ,实际地震波沿倾斜方向传播的速度与沿井眼的垂直方向传播的速度 ,可以差 5 10 %8 .另外 ,由于井中激发声波的频率远高于地震波的频率 ,因此井中声波的波长也远小于地震波的波长 . 在进行测井资料的深时转换时 ,
27、我们将测井资料的采样间隔 (一般为 0. 125 m 或 0. 1 m) ,看作各向同性均匀介质 ,计算波在采样间隔内传播的双程旅行时 ,然后累加到整数时间 9 . 这种方法只有在波长小于采样间隔厚度时 ,才是正确的 . 而地震波的波长远大于采样间隔的厚度 ,这种长波长对于纵向不均匀的岩性 ,传播速度明显会受岩性结构的影响 .4. 2 多井资料的标准化在多井条件下 ,除考虑上述环境影响的因素之外 ,还要解决各井的标准化问题 ,即校正不同的刻度不一问题 . 测井曲线标准化处理的实质 ,是利用同一油田或地区的同一层段往往具有相似的地质 地球物理特性 ,规定了测井数据具有自身的相似分布规律 . 因此
28、 ,一旦建立各类测井数据的油田标准分布模式 ,就可以对油田各井的测井数据进行整体的综合分析 ,校正刻度的不精确性 ,达到全工区或测线范围内测井数据的标准化 .显然 ,测井数据标准化的客观依据是“标准层”的测井数据具有相似的频率分布 . 标准层应具有如下特点 : 在目的的层相邻井段内 ,即标准层与目的层之间的测井环境相近 ,尤其是地层浸泡时间接近 .岩性稳定且全区普遍分布 ,地层厚度较大 ,岩性与测井响应特征明显 ,便于对比 ,且同一类测井曲线数值相同或呈规律变化 . 位置匹配较好的情况 . 此时 ,不需要制作全井段的合成地震记录 ,而只选择目的层附近与震剖面匹配较好的一段井资料 ,来进行子波提
29、取和计算相关系数 . 这样做 ,还可以避免地震资料纵向上子波的时变 ,所造成的合成地震记录与地震道不匹配 .在很多情况下 ,个别井的人工合成地震记录与实际地震道匹配的非常差 ,此时 ,就需要抛弃这些井提取的子波信息 . 为此 ,我们可以选择一个井旁地震道与人工合成地震记录间互相关系数的门槛值 . 比如保留门槛值大于 0. 6 的井 ,用于计算多井间的相互关 ,进而求取子波 . 而抛弃门槛值小于 0. 6 的井 .采用其它方法提取子波 ,也需要通过这种互相关的方法 ,来确定子波的优劣 .5 结论与建议5. 1 多井条件下进行波阻抗反演时 ,应当充分利用多口井的信息来提取和选择子波 . 因为子波提
30、取的626 地 球 物 理 学 进 展 18 卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/过程 ,也是准确提取井点的低频成分、高频成分、非线 性反演的初始模型等的过程 .5. 2 多井条件下子波提取的基础是单井的地震资料与测井资料的匹配 . 多井条件下提取子波时 ,井资料的环境因素、深时转换、各向异性等都影响井资料与地震资料的匹配 . 在多井条件下 ,井资料的标准化至关重要 .5. 3 利用多井提取的多个子波 ,需要进行优化处理和质量控制 . 子波的判断 ,
31、需要通过其在各井点制作的合成地震记录与井旁地震道求相关 ,相关系数和最大者 ,即为最佳子波 .5. 4 地震资料的品质和处理方法 ,同样影响其与井资料的匹配 . 选择部分炮检距或角道集叠加 ,不但可以降低大炮检距范围内子波的衰减 ,而且可以避免大炮检距范围内振幅叠加造成的假象 ,并能形成多个具有 AVO 特性的剖面 . 有利于合成地震记录与井旁道的对比和匹配 ,有利于井旁道子波的提取 .参考文献 (References) :1 李庆忠 . 走向精确勘探的道路 2高分辨率地震勘探系统工程剖析 M .北京 :石油工业出版社 ,1994 ,5 :154 177. 2 Rebecca Buxton L
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