1、多波联合反演技术在 SC 盆地 PLN 地区油气勘探开发中的应用研究 王栋 贺振华 王珑 杨海涛 赵尧 符志国 中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司 中国石油天然气集团公司山地地震技术试验基地 成都理工大学地球物理学院 摘 要： 多波联合反演是多波地震勘探的重要环节之一。从多波联合反演的基本原理出发, 研究了该方法的特点及技术流程, 并将该技术应用于 SC 盆地 PLN 地区某工区多波资料处理。首先对参与反演的子波提取方法进行了对比与选择;然后利用近、中、远 3 个角度域的子波进行连井线和全工区数据反演;最后利用该地区速度与孔隙度、速度与含气饱和度拟合公式得到孔隙度和含气
2、饱和度预测结果。对多波联合反演与单一纵波反演在有效储层预测方面的实际应用效果进行了对比, 结果表明, 多波联合反演可以增加对反演结果的约束条件, 降低单一纵波反演的多解性, 提高反演精度, 对储层的识别更加客观可靠, 可以有效提高油气储层预测的准确性。关键词： 多波地震勘探; 子波提取; 多波联合反演; 速度; 孔隙度; 含气饱和度; 作者简介：王栋 (1984) , 男, 硕士, 工程师, 现从事多波地震勘探技术研究工作。收稿日期：2017-02-08基金：国家科技重大专项 (2011ZX05019-008) Application of multi-wave joint inversion
3、 in exploration and development of oil and gas in the PLN area of SC BasinWANG Dong HE Zhenhua WANG Long YANG Haitao ZHAO Yao FU Zhiguo Geophysical Prospecting Company, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Limited Company; College of Geophysics, Chengdu University of Technology; Abstract： Multi-wave
4、joint inversion is an important step in multi-wave seismic exploration.In this paper, the basic principle and technical process of multi-wave joint inversion are introduced, and the technique is applied to process multi-wave data from the SC basin.In the process of application, this study initially
5、compares and selects the wavelet extraction method.Subsequently, the inversion of the well profile and the entire work area was carried out using the obtained wavelet in the near, middle, and far angles.Then, the prediction porosity and gas saturation were estimated by the velocity and porosity, and
6、 velocity and gas saturation fitting formula, respectively.Finally, the multi-wave joint inversion and the single P-wave inversion were compared with respect to the effective reservoir prediction.The results showed that multi-wave joint inversion could increase the constraints on inversion, reduce t
7、he multi-solution of the single P-wave inversion, improve the inversion accuracy, and make the reservoir identification more objective and reliable, thus effectively improving the accuracy of oil and gas reservoir prediction and development.Keyword： multi-wave seismic exploration; wavelet extraction
8、; multi-wave joint inversion; velocity; porosity; gas saturation; Received： 2017-02-08随着地震采集仪器精度的提高和地震数据处理技术的进步, 多波多分量地震勘探技术得到了迅速发展和广泛应用。多波联合反演是多波地震勘探的重要环节之一。STEWART1将 SMITH 等2提出的 PP 波加权叠加方法推广到联合反演, 首次给出了实用的纵横波联合反演方法, 并得到了纵、横波速度比等弹性参数。LARSEN 等3在 STEWART1研究的基础上讨论了同时反演纵、横波阻抗的方法。杨绍国等4、李录明等5、雍杨等6、王明春等7-
9、8、黄中玉等9对联合反演公式进行了研究, 进一步利用多波信息联合反演出岩性参数及更多的弹性参数, 据此对岩性进行有效识别。但是, 由于在常规反演过程中增加了横波参数, 反演算法更加复杂, 对横波资料品质的要求更高, 因此, 学者们不断研究推出新的思路、优化算法及高质量横波资料处理方法。VEIRE 等10讨论了利用奇异值分解技术 (SVD) 进行纵横波联合三参数反演的方法, 给出了该方法在实际数据处理中的应用效果。陈天胜等11提出了一种基于方向加速度最优化和纵横波速度比值扫描的纵横波联合反演方法。张春涛等12对纵横波联合反演方法的研究及应用进行了总结。HU 等13利用纵波和转换波联合反演来估算密
10、度比和速度比, 并在反演过程中根据贝叶斯理论加入先验信息, 以改善反演的不适定性。侯栋甲等14进一步研究了基于贝叶斯理论的 VTI 介质叠前多波联合反演技术。杜启振等15提出了基于横纵波速度比值迭代的纵横波联合反演方法。张广智等16提出了纵横波联合叠前自适应 MCMC 反演方法。黄中玉等17提出正交各向异性介质中的多方位三维转换波叠前时间偏移方法。寻超等18提出并利用多方向矢量中值滤波方法进行多分量地震数据的去噪处理。随着研究的不断深入, 多波联合反演技术被广泛应用于各大勘探工区, 取得了良好的效果。如 ZHANG 等19对 Pikes Peak 油田 3C-2D 地震数据体进行了纵横波联合反
11、演;王兴建等20利用纵横波联合反演技术对苏里格含气性进行了检测;程冰洁等21、黄跃等22对川西地区 3C-3D 地震数据体进行了联合反演;付雷等23利用纵波和转换波联合反演技术对松辽盆地北部地区油气藏分布进行了预测;李昂等24将纵、横波联合反演方法应用于海拉尔盆地贝 39 井区储层描述。SC 盆地 PLN 地区须家河组主要为陆相地层, 沉积环境复杂, 埋藏时间较长, 砂岩储层致密化程度高, 在测井曲线上呈“三低”特征 (低孔隙度、低饱和度、低电阻率) 。目前常用的地震反演预测技术虽然可以部分解决该区有效储层的厚度及横向分布预测问题, 但因反演技术的局限性以及该区储层的非均质性较强, 预测成果存
12、在多解性。同时, 利用伽马反演技术进行岩性预测的结果存在较多争议。常规反演过程中, 纵波参数来源于实际纵波资料, 而横波参数是由纵波参数和该地区的经验关系公式计算得到的, 并不是实测的结果, 势必与纵波存在一定的相关性。因此, 常规反演并没有真正同时利用 PP 波与 PS 波的实测信息, 从而忽略了纵横波阻抗、纵横波速度和地质体密度之间内在的联系。事实上, 纵波速度与横波速度之间存在着线性关系 (如 Castagna 泥岩公式25) , 纵波速度与地质体密度之间也存在着密切联系 (如 Gardner 公式26) 。忽略纵波阻抗、横波阻抗与密度之间的内在联系, 将直接降低反演结果的精度和可靠性,
13、 最终影响储层预测、岩性判断、流体识别的准确性。本文通过多波联合反演技术的应用, 获得 SC 盆地 PLN 地区纵波速度、横波速度、密度、纵横波速度比、泊松比以及拉梅常数等岩石物理参数, 为该区储层和流体预测提供更为可靠的依据。1 方法原理多波联合反演仍然沿用纵波反演框架, 只是在反演目标函数上增加了转换横波误差项, 可以用 (1) 式表示:式中:m 表示待求解的模型目标参数, J (m) 表示目标函数;S PP表示 PP 波合成记录, D PP表示 PP 波地震记录;E (S PP-DPP) 表示 PP 波误差能量函数项, E (S PS-DPS) 为 PS 波误差能量函数项。极小化目标函数
14、即求解一组模型的参数使得合成记录与地震记录的误差为最小。Zoeppritz 方程描述了精确的反射系数与地层弹性参数的关系27, 但该方程为隐式方程, 不利于求解。FATTI 等28对纵波与转换波反射系数公式进行了简化, 使纵波、转换波反射系数成为与速度、密度、入射角有关的函数。基于褶积模型, 利用反射系数与地震子波合成地震记录, 则反射振幅成为入射角的函数, 即:为增强反演解的稳定性, 利用以下对数线性关系进行约束:对于多个入射角的道集, 可将 PP 波、PS 波地震记录表示为:将公式 (6) 进一步表示成:式中:G 为线性算子, 是一个利用已知地震速度模型和入射角计算出来的矩阵;d=SPP
15、( 1) SPP ( N) SPS ( 1) SPS ( M) 为反射系数向量;x= (LPL SL D) 为未知参数向量。于是, 反演问题就变成了求解方程 (7) 中的 x, 可以利用奇异值分解法来实现, 并由公式 (2) 和公式 (3) 求出全部模型目标参数Z PZS。此解即为满足公式 (7) 的最优解。2 技术流程多波联合反演的技术流程如图 1 所示。可以看出, 多波联合反演需要输入 6 类数据, 分别为:纵波角度道集数据、转换波角度道集数据、纵波子波、转换波子波、初始纵横波速度及密度模型、测井速度及密度曲线。其中, 初始纵横波速度模型可以利用纵、横波叠前时间偏移速度建立, 初始密度模型
16、利用密度测井曲线建立。测井曲线在反演过程中用于井控处理。多波联合反演的关键是子波的求取。子波形态的不同, 会直接影响反演的结果。目前常用的子波求取方法有理论计算子波、地震资料提取子波和井震联合提取子波, 需要将不同子波的反演结果与测井结果进行对比, 选择适合工区实际的子波提取方法。其次是利用目的层段的测井曲线计算拟合对数线性关系的系数k, m。最后是进行连井数据试验反演, 判断反演结果的准确性, 完成整个工区数据体的反演计算。图 1 多波联合反演技术流程 下载原图3 实际应用效果分析3.1 多波联合反演技术在 PLN 地区的应用在进行多波联合反演之前, 通常需要对纵波、转换波数据进行层位标定、
17、层位对比解释、层位匹配以及相应的岩石物理参数分析。PLN 地区影响储层预测精度的主要因素是难以区分低速泥岩和低速含气砂岩。由于转换横波主要反映岩性变化, 流体对其影响很小, 因此, 利用转换波的特点并结合纵波资料, 可以有效地进行岩性识别, 去除泥岩的影响。由于 PLN 地区须家河组储层物性横向变化较大, 理论子波不适合该地区数据反演, 因此需要对子波提取的方法进行比较和分析。具体做法是将提取的子波和利用测井曲线计算得到的波阻抗褶积, 再计算与实际地震道的相关系数, 如果相关系数高, 说明子波合理, 反之则不合理。图 2 对比了井震结合方法与地震道统计方法提取子波的效果。其中图 2a 是利用井
18、震结合方法提取的子波制作的过 41 井、206 井合成地震记录 (蓝色) 与实际地震记录 (红色) 对比结果, 41 井的相关系数为 0.82, 206 井的相关系数为0.73;图 2b 是采用地震道统计方法得到的子波制作的过 41 井、206 井合成地震记录 (蓝色) 与实际地震记录 (红色) 对比结果, 41 井的相关系数为 0.64, 206 井的相关系数为 0.56。可以看出, 井震结合方法提取子波整体相关系数较高, 故该方法更适合本工区数据反演。在多波联合反演过程中, 需要考虑反演的时效性。通常的做法是将偏移后道集分成近、中、远 3 个角度域, 每个角度域提取一个子波, 并通过目的层
19、 AVO 正演分析确定最大角度的取值 (图 3) 。由图 3 可以看出, 在偏移距 4 300m 左右, 转换波反射系数接近于 0, 在 5 000m 以后, 纵波反射系数出现畸变, 因此最大偏移距选为 4 200m, 此时的入射角为 42。图 2 不同子波提取方法比较 (蓝色为合成地震记录, 红色为实际地震记录) 下载原图a 井震结合方法;b 地震道统计方法图 3 纵横波 AVO 反射系数分析 下载原图将偏移后的纵波、转换波道集抽取为角度道集, 按照 14的间隔分为 3 个角度域, 采用井震结合全局寻优方法提取每个角度域的子波, 如图 4 和图 5 所示。可以看出, 纵波子波主频为 45Hz
20、 左右, 转换波子波主频为 25Hz 左右。利用提取的子波对 PLN 地区三维三分量资料连井线进行多波联合反演试验, 再利用得到的阻抗和密度计算出相应的纵波速度和横波速度, 如图 6 和图 7 所示。纵波和横波速度反演剖面均层次清晰, 形态自然, 与研究区河流相沉积砂包泥的地质特征和测井资料吻合。将纵、横波速度反演结果与实际测井曲线进行对比, 如图 8 所示。可以看出, 多波联合反演得到的横波速度曲线较单一纵波反演与实际测井曲线的趋势一致性更好, 从而更能反映地层在纵向上的物性变化, 揭示岩性和储层的分布。由于纵波速度受流体影响较大, 因此在有利岩性和储层分布区域内, 可以利用反演得到的纵波速
21、度拟合储层孔隙度和含水 (气) 饱和度等参数。将研究区测井孔隙度和含水饱和度与砂岩纵波速度进行交会分析, 如图 9 所示, 色标为泥质含量。通过数据拟合得到孔隙度和含水 (气) 饱和度与速度的关系:图 4 纵波 (a) 、转换波 (b) 角度道集 下载原图图 5 纵横波不同角度域子波及频谱 下载原图a 纵波子波;b 转换波子波;c 纵波子波频谱;d 转换波子波频谱图 6 PLN 地区连井线纵波速度联合反演 下载原图图 7 PLN 地区连井线横波速度联合反演 下载原图图 8 纵、横波速度反演结果与测井曲线对比 下载原图a 111 井;b 107 井图 9 测井孔隙度 (a) 和含水饱和度 (b)
22、 与砂岩纵波速度交会分析 下载原图图 10 为利用为多波联合反演得到的纵波速度由公式 (6) 计算得到的连井线孔隙度预测结果, 可见优质储层分布与井对应良好。图 11 为由公式 (7) 所示流体饱和度与纵波速度的拟合关系得到的含气 (水) 饱和度预测剖面, 高含气部位与气井对应关系较好。储层和流体预测结果均表明, 多波联合反演能够较好地刻画目标层地质情况。为了提高多波联合反演的储层厚度预测精度, 通常在地震数据基础上加入测井资料对其进行约束, 即增加了高频信息。研究区目的层主要为薄互层砂体, 将多波联合反演的结果与实际测井资料进行对比, 如表 1 所示。可以看出, 在该区已知 5 口井中, 多
23、波联合反演得到的目标层段总储层厚度与实际钻井情况更加接近, 整体效果优于单一纵波预测结果, 预测符合率达到 100%, 厚度预测误差小于 5m, 孔隙度预测误差小于 1.0%, 含气饱和度预测误差小于 0.5%。图 1 0 连井线孔隙度预测 下载原图图 1 1 连井线含气 (水) 饱和度预测 下载原图表 1 储层厚度预测效果对比 下载原表 在上述研究的基础上, 对全区数据进行反演计算, 得到了纵波阻抗、横波阻抗和密度的三维数据体, 如图 12 所示。利用反演得到的阻抗和密度, 计算出纵、横波速度, 再利用研究区速度与含水饱和度拟合公式 (7) 计算出含水饱和度。图 13 为目的层含气 (水)
24、饱和度预测平面图, 图中含气饱和度大于 44%的红色-黄色为含气饱和度高的含气有利区, 绿色为含气饱和度中等的含气较有利区, 蓝色为含气饱和度低的含气不利区。可以看出, 大部分工业气井都处于含气饱和度大于 44%的红色-黄色含气有利区。利用试验区块内 5 口测试井资料 (未参与反演) , 对含气性预测结果的准确性进行了评价, 如表 2 所示。5 口验证井中有 4 口井与钻井吻合, 符合率 80%, 唯有 002-2-X1 井测试为干井, 在图上却处于含气性较高的有利区。综合前文所述中参与反演的 5 口井, 共计 10 口井中有 9 口井与钻井吻合, 符合率 90%。图 1 2 纵横波阻抗、密度
25、多波联合反演数据体 下载原图a 纵波阻抗;b 横波阻抗;c 密度图 1 3 PLN 地区目的层预测的含气饱和度平面分布 下载原图3.2 与单一纵波反演方法效果对比将多波联合反演的纵横波阻抗与单一纵波反演的结果进行了对比, 如图 14 所示。整体面貌上两者较为一致, 但是联合反演结果的分辨率有所提高 (图 14 中红色圆圈处所示) 。两种方法反演的纵波阻抗差异相对较小, 但联合反演的横波阻抗纵、横向层次明显变得更加清晰, 表明横波振幅信息发挥了较大作用。图 15 对比了多波联合反演与单一纵波反演的横波速度剖面。图 15a 中椭圆处单一纵波反演的结果为横波速度降低, 意味该处存在岩性变化, 而此处
26、多波联合反演结果则相反, 横波速度变化不大, 说明不存在岩性变化 (图 15b) 。若基于图 15a 所示反演结果进行孔隙度计算, 椭圆处目标体将作为非储层被去除, 如图 16a 所示。若基于图 15b 所示反演结果进行孔隙度计算, 则椭圆处目标体将作为高孔储层被保留, 如图 16b 所示。与实际钻井结果进行对比 (该井为日产 5210m 的高产气井) 可知, 多波联合反演结果所表现出的高孔储层特征更加符合实际情况。同时, 单一纵波反演的结果有大量泥岩没有被去除;而多波联合反演则很好地去除了泥岩等非储层的影响, 有效地提高了储层预测的精度。表 2 PLN 地区含气性预测结果准确性评价 下载原表
27、 图 1 4 多波联合反演与单一纵波反演纵、横波阻抗对比 下载原图a 单一纵波反演纵波阻抗;b 多波联合反演纵波阻抗;c 单一纵波反演横波阻抗;d多波联合反演横波阻抗图 1 5 多波联合反演与单一纵波反演的横波速度剖面对比 下载原图a 单一纵波反演;b 多波联合反演图 1 6 多波联合反演与单一纵波反演的孔隙度剖面对比 下载原图a 单一纵波反演;b 多波联合反演4 结束语多波联合反演由于利用实际转换横波资料增加了对反演结果的约束条件, 因此, 能获得较高精度的反演参数, 去除泥岩等非储层的影响, 显著提高了反演结果的可靠性和精度。多波联合反演技术在 SC 盆地 PLN 地区的应用有效地降低了单
28、一纵波反演预测的多解性, 较好地刻画了目的层的地质情况, 为须家河组致密砂岩气藏的预测提供了可靠的依据。参考文献1STEWART R R.Joint P and P-SV inversionR.Calgary:The CREWES Project, 1990:112-115 2SMITH G C, GIDLOW P M.Weighted stacking for rock property estimation and detection of gasJ.Geophysical Prospecting, 1987, 35 (9) :993-1014 3LARSEN J, MARGRAVE G,
29、 LU H X.AVO analysis by simultaneous P-P and P-S weighted stacking applied to 3C-3Dseismic dataJ.Expanded Abstracts of 69th Annual Internat SEG Mtg, 1999:721-724 4杨绍国, 周熙襄.多波多层 AVO 数据反演J.石油地球物理勘探, 1994, 29 (6) :695-705YANG S G, ZHOU X X.Multiwave multilayer AVO inversionJ.Oil Geophysical Prospecting
30、, 1994, 29 (6) :695-705 5李录明, 罗省贤, 王明春, 等.各向异性介质三维纵横波联合叠前反演方法及应用J.石油地球物理勘探, 2010, 45 (1) :60-65LI L M, LUO X X, WANG M C, et al.3DPP-PS joint inversion method and application in anisotropic mediumJ.Oil Geophysical Prospecting, 2010, 45 (1) :60-65 6雍杨, 李录明, 罗省贤, 等.TI 介质多波 AVA 方程及参数反演J.石油物探, 2004, 43
31、(1) :11-16YONG Y, LI L M, LUO X X, et al.Multiwave AVA equation and parameter inversion in TI mediaJ.Geophysical Prospecting for Petroleum, 2004, 43 (1) :11-16 7王明春, 李录明, 罗省贤.TI 介质多波 AVA 联合反演岩性参数及应用J.天然气工业, 2007, 27 (4) :49-52WANG M C, LI L M, LUO X X.Method for lithology parameter inversion with jo
32、int multiwave AVA in transversely isotropic media and its applicationJ.Natural Gas Industry, 2007, 27 (4) :49-52 8王明春.VTI 介质多波叠前联合反演岩性参数方法及其应用D.成都:成都理工大学, 2007WANG M C.Method and application of multiwave prestack joint inversion lithologic parameters in VTI mediaD.Chengdu:Chengdu University of Technology, 2007 9黄中玉, 赵金州.纵波和转换波 AVO 联合反演技术J.石油物探, 2004, 43 (4) :319-322HUANG Z Y, ZHAO J Z.Simultaneous P-and S-wave AVO inversionJ.Geophysical Prospecting for Petroleum, 2004, 43 (4) :319-322
