（固体地球物理学专业论文）地震波阻抗反演及其在储层预测中的应用研究.pdf

摘要 地震波阻抗反演及其在储层预测中的应用研究 作者简介：方磊，男，1 9 8 1 年1 2 月生，师从于成都理工大学曹俊兴教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学固体地球物理学专业，获硕士学位。 摘要 波阻抗反演是利用地震资料反演地层波阻抗的地震特殊处理解释技术，该项 技术在2 0 世纪7 0 年代开始出现。波阻抗是岩石的物性参数( 波速与密度的乘积) ， 波阻抗信息是联系地质和地球物理的一座桥梁。地震波阻抗反演技术把常规的反 射地震剖面转换成岩层型剖面，能较真实的反应地下的岩性和物性的展布和变化 特征，为勘探开发提供重要依据。 本文首先对地震波阻抗反演技术的现状和基本原理进行了介绍。详述了递推 反演，测井约束反演，稀疏脉冲反演的基本原理，优缺点和适用情况。归纳并介 绍了地震反演中的关键技术问题。 然后在实际工区( 胜利油田某工区和川中磨溪气田) 应用中对比各种反演方 法的适用性，具体举例介绍了针对复杂地质情况时，反演应用的关键技术环节。 根据实际工区的已知钻井，地质资料，利用反演波阻抗数据体对工区进行了研究， 并对储层进行预测。论文取得了以下认识和成果： ( 1 ) 地震反演是一个地震解释地震反演地质认识再解释 再反演再认识的一个不断循环、深化认识的过程。所以在做好地震反演工作 的同时需要对工区的地质情况有深刻的认识和理解。 ( 2 ) 高品质的地震资料和测井资料对于减少反演多解性，提高反演精度是 必不可少的。 ( 3 ) 地震反演新技术层出不穷，这些方法都有其不同的特点和适用性，在 使用时要根据研究区的特点和所要解决的地质问题来选择最合适的反演方法。 ( 4 ) 由于地震反演自身不可避免的存在多解性，要取得好的反演效果，第 一需要对地震资料进行不同方法的反复多次地反演，不断修改反演参数，直到获 得满意的反演结果；第二需要对反演结果进行高标准的质量控制。 ( 5 ) 利用反演波阻抗数据体，对胜利油田某工区的岩性差别和构造特征进 行了研究；对川中磨溪气阳雷口坡组雷一1 层段的储层进行了预测。 关键词：地震反演波阻抗储层预测 a b s t r a c t 一一- 一 s e i s m i ci m p e d a n c ei n v e r s i o na n di t sa p p l i c a t i o n i n r e s e n ，o i rp r e d i c t i o n i n t 】d u c t i o no f t h ca u t h o r ：f a l l gl e i ，m a l e ，w a sb o m i i ld e c e n l b e r ，19 81 、) v ：h o s e t u t o rw a sp r o f e s s o rc a oj u i i i l g h eg r a d u a t e d 矗o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 协s o l i dg e o p h y s i c sl n 萄o ra i l dw a s 掣a n t e d t h em a s t e rd e 黟e ei i lj u n e ， 2 0 0 8 a b s t r ac t s e i s m i ci m p e d a n c em v e r s i o ni sas p e c i a ls e i s m i cp r o c e s sa j l di i l t e r p r e t a t i o n t e c h n i q u ew h i c hu s e si n l p e d a n c e ，t h ep r o d u c to fr o c kd e i l s i t ya n dp 。，a v ev e l o c i t y ； s e i s m i ci m p e d a n c ei n v e r s i o nt h r o v e厅o mt h e 7 0 so f2 0c e n t u a n dc h a l l g e c o i e n t i o n a ls e i s m i cd a t ai n t o1 i t h o l o g yd a t a ，w h i c hp r o v i d ei m p o r t 锄ti n 南r m a _ t i o n 如ro i l - g a sp r o s p e c t i l l g t h i sp 印e r 缸r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h eb a s i ct h e o r yo f s e i s m i cm e r s i o n a u t h o ri n t r o d u c e ss e v e r a l i m p e d a n c es e i s i l l i ci l l v e r s i o nm e t h o d s ，锄de l a b o r a t e l y 缸r o d u c e st h e i ra d v a n t a g ea i l dd i s a d v a n t a g ea n dt h e i r 印p l i c a b i l i t y t h ek c y t e c h n i q u e so fs e i s m i ci 1 1 v e r s i o nh a v eb e e nc o n c l u d e d i nt h ec a s es t u d yp a r t ，t h e 印p l i c a b i l i t yo fs e v e r a ls e i s m i c 脚e d a n c ei i l v e r s i o n m e t h o d sh a sb e e nc o m p a r e d e x a m p l es h o w sh o wt o 印p l ys e i s m i ci i e r s i o np r o p e r l y i i lt h ec o m p l i c a t e ds t m c t u r e dr e s e r v o 证a c c o r d i n gt ot h ed r i l l i i l g a n dg e o l o g y i i l f o 瑚 1 a ：t i 0 i l ，i n v e r s i o ni m p e ( 1 a n c ed a t ah a sb e e n 印p l i e dt or e s e r v o i rp r e d i c t i o n t h e m a i l lu n d e r s t 锄d m ga 1 1 da c h i e v e m e mo ft h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s e i s m i ci n v e r s i o ni n t e g r a t e s s e i s i n j ci n t e r p r e t a t i o i l ，s e i s 瓶ci n v e r s i o na n d g e o l o g yu n d e r s t a n d i n g s os e i s m i ca n dg e o l o g yi 1 1 f i o m 斌i o na r ei 1 1 d i s p e n s a b l y ( 2 ) s e i s m i cd a t as h o u l d b er e s a m p l e d w e l ll o g g i l l g d a t an m s tb ee d “e da n d c o r r e l a t e d ( 3 ) s e i s m i ci n v e r s i o nm e t h o d sh a v et h e i ro w na d v a m a g ea n dd i s a d v a n t a g ea n d a p p l i c a b i l i t y w | es h o u l dd e c i d ew h i c hi n v e r s i o nm e t h o di ss u i t a b l e ( 4 ) s e i s m i cd a t as h o u l db ei n v e r t e da g a ma n da g a i n ，u n t i la t t a i l lt h eb e s tr e s u l t t h e q co f t h ei n v e r s i o nr e s u l ti sv e r yi m p o r t a n t ( 5 ) i m p e d a n c ed a t ah a sb e e na p p l i e dt oa i le x p l o r a t i o n z o n ei ns h e n 鲥o i lf i e l dt o s t u d yt h el i t h o l o g ya n ds t l l l c t u r a la t t i t u d e 1 nm o x ig a sf i e l d ，i i l l p e d a n c ed a t ah a s b e e n a p p l i e dt op r e d i c tt h ed i s t r i b u t i o no fg a sr e s e n ，o 证 k e y w o r d s ：s e i s m i cm v e r s i o n l n l p e d a n c e i 沁s e r v o i rp r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储虢獗 友诉莎月多同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛酆理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 学位论文作者导师 年石心 同 第l 章引言 第1 章引言 1 1 论文选题依据及意义 石油工业是关系到民生和国家安全的重要产业。中国目前已成为继美国之后 的第二大能源消费国和进口国，我国自1 9 9 3 年成为纯石油进口国以来，进口逐 年增加，而国内原油生产增长的速度，远远小于对石油需求增长的速度，国内原 油供需缺口将逐年加大。据海关总署公布，中国2 0 0 7 年全年进口原油1 6 3 亿吨， 较上年增长1 2 4 ；2 0 0 7 年全年进口成品油3 ，3 8 0 万吨，较上年下降7 1 。 这 样，2 0 0 7 年全年我国的石油进口量已经达到1 9 6 8 亿吨。这个十分接近2 亿吨的 数字，引起了业内高度关注。中国目前已经成为了石油消费绝对水平上的二号大 国，增量水平上的头号大国。业内专家普遍预测，如此快速度的石油进口，可能 还远不是尽头。因此，增强国内油气开发能力是具有经济和战略上的重要性。 随着油气勘探开发程度的不断深入、地质条件的日趋复杂和成本的急剧上 升，推动现代地震技术得以迅猛发展。目前，地震技术的应用已经从构造形态研 究深入到储层评价，从勘探初期延伸到开发阶段【l j 。 地震反演技术是伴随着地震技术在油田勘探开发中的不断深入应用而发展 起来的，是一门新兴学科。于传统勘探地震方法相比，其基础理论和方法原理基 本相刚】【1 2 】，但地震反演技术所面临的地质任务、涉及的基础资料以及所采用 的研究方法与勘探早期阶段有所区别。地震工作的地质任务是寻找构造、查明圈 闭，主要工作是构造解释。随着勘探程度的加深，储层地球物理的核心是要研究 油藏的非均质性，其地质任务是对油藏及其参数做出预测，着眼点是储层特征的 横向变化，利用地震信息更多，工作内容以储层地震反演、信息提取为基础，进 行地震综合解释i 1 7 j 。 从地震反演的地质结果来分，可分为构造反演、波阻抗反演和储层参数反演 等。波阻抗反演是地震反演的一个重要组成部分，由于波阻抗信息是联系地质 和地球物理的一座桥梁。因此，波阻抗反演在地震反演中具有特殊的地位。狭义 的地震反演概念指的就是波阻抗反演【9 j 。 波阻抗是岩石的物性参数( 波速与密度的乘积) ，可直接与钻井、测井对比 进行储层岩性解释和物性分析，而多解性不像振幅等反映地层界面性质的参数那 么强【8 】。在油田勘探开发中，测井资料的特点是纵向精细，横向稀疏。地震资料 的特点是纵向粗略，横向密集。地震波阻抗反演技术综合应用了测井资料在垂向 上的分辨力和地震资料在横向上的连续性以及所包含的丰富的岩性和物性信息， 把界面性的地震资料转换成岩层性的测井资料，使其能与钻井、测井直接对比， 成都理工大学硕士学位论文 以层岩为单元进行地质解释，研究储层特征的空间变化，描述储层的分布特征， 为勘探开发提供重要依据【2 】。 然而，由于反演技术本身的多解性，应用条件的限制以及储层复杂性，常规 叠后地震资料品质不高且分辨率低等诸多因素，在一定程度上影响了该技术的广 泛应用，必须根据具体情况具体研究【6 1 。 综上所述，地震反演技术是油气田勘探开发中的一项核心技术。对反演技术 进行研究和应用，选用合适的地震反演方法对储层进行预测，剔除反演结果的多 解性，有着重要的意义。因此，选用该题目作为硕士论文题目。 1 ，2 国内外研究现状 地震波阻抗反演是利用地震资料反演地层波阻抗( 或速度) 的地震特殊处理 解释技术，该项技术在2 0 世纪7 0 年代开始出现，当时对地震反演的研究只是以 基于褶积模型的叠后维波阻抗反演为主，8 0 年代得到了蓬勃发展旧1 。对于这一 领域的研究，国内外有许多专家学者作了大量的工作。 国内从7 0 年代末至8 0 年代初开始研究地震反演技术，周竹生等人在9 0 年 代初期提出了综合利用地质地震和测井资料进行约束反演，可克服单一的线性反 演方法的缺陷。9 0 年代中期，李宏兵在国内提出了一条走递推反演与宽带约束 反演结合的道路，该方法的推出，为我们解决了从单道出发的反演方法不能在根 本上消除噪音的困惑。在此基础之上，有人进行了无井多道反演和有井多道反演 的研究，使波阻抗反演方法更加完善。在反演软件方面，目前国内使用的波阻抗 反演软件基本上都是引进软件，如：v e l og ，p i v t g l o gs e i s l o g ，s t r 觚a ， j 船o n 等，国产软件较少。9 6 年以前的软件一般都是单井控制下的地震资料反演， 只能解决单井约束、构造简单的、没有断层或岩性、岩相横向变化小的问题，在 多井条件下和地质条件复杂的地区难以推广使用。 国外，1 9 8 3 年c o o k e 介绍了地震资料广义线性反演方法，从而揭开了波阻抗 反演技术的新篇章。9 0 年代至今，围绕一维波阻抗反演的各类算法以及应用成果 层出不穷。在反演软件方面，国外在8 0 年代末提出了利用地震剖面所过井位声 波测井资料作为约束条件，正反演结合进行迭代求取地下波阻抗的方法，将反演 方法推向非线性，这种新方法利用了测井资料的高频信息，大幅度拓宽了地震信 号的频带，可以获得薄层和薄互层的波阻抗信息，因而表现了强劲的发展势头， 目前成为各外国石油公司重点发展的对象，如美国h g s 公司宽带约束反演b c i 技术；法国c g g 公司波阻抗反演模拟r o v i m 技术，俄罗斯的删，加拿大的 s t r a t a ，以及荷兰推出的j a s o n 技术。今后地震反演的趋势，是在现有的基础上， 充分利用测井、地震、地质的信息，继续探索先进的算法，使储层横向预测更符 2 第1 章引言 合实际。 波阻抗反演存在的实际问题嘲。虽然地球物理学家们从各个可能的角度对 波阻抗反演进行研究，并力求完善，但是由于种种原因，在实际应用上还存在一些 问题：( 1 ) 在反演前要借助合成记录将测井与地震数据进行相关，这需要对地震 子波进行某种假设，不同的假设直接影响了反演的结果。( 2 ) 由于在地震反演和低 频模型中采用了相同的测井数据，因此在反演的波阻抗值与岩石物性参数之间出 现较强的视相关就不足为奇了，而且测井数据越平滑，这种视相关就越大。( 3 ) 测 井数据和地震数据的尺度差异很大，它们的标准方差值不在同一个数量级上，要 校正这种分散误差，就要对测井数据做很大的平滑，其信息丢失很多，在判别阶段 会导致很大的误差。( 4 ) 波阻抗与有效空隙度之间经常满足w y l l i e 经验公式，但 从非纯砂岩储层泥质含量较少到纯砂岩的分布范围内具有相同的波阻抗值，也就 是说，不管做什么变换，都有可能把泥岩转换成砂岩。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 分析研究几种地震反演方法的基本理论和方法技术特点。 ( 2 ) 基于s t r a t a 软件，掌握实际3 d 地震资料的各种反演方法。 ( 3 ) 结合实际地震资料，分析对比各种地震方法在不同地质条件下的实际应用 效果，研究分析实际工区的储层展布特征。 1 4 主要研究成果 ( 1 ) 通过对地震波阻抗反演的基本理论和方法的学习，归纳了地震波阻抗反演 的关键技术问题。 ( 2 ) 根据工区的实际钻井，测井，地质，地震资料，使用s t 黼软件获得了 实际工区的反演波阻抗数据体。 ( 3 ) 就不同反演方法进行了对比分析，选取适合的反演方法和反演参数。获得 工区储层的形态和展布。 ( 4 ) 利用反演波阻抗数据体，对胜利油田某工区的岩性差别和构造特征进行了 研究；根据已知地质，钻井资料对波阻抗数据进行数据统计，利用波阻抗平面切 片对川中磨溪气田雷口坡组雷一1 层段的储层进行了预测。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章地震波阻抗反演方法原理 2 1 地震反演方法的分类川7 9 6 3 从地震反演所用的地震资料来分地震反演可分为叠前反演和叠后反演；从 反演所利用地震的信息来分，地震反演可分为旅行时反演和振幅反演；从反演的 地质结果来分，可分为构造反演、波阻抗反演和储层参数反演等。 叠前反演主要包括基于旅行时的层析成像技术和基于振幅的a v o 分析技 术、弹性阻抗反演等；叠后反演主要包括基于旅行时的构造分析和基于振幅信息 的波阻抗反演等。近2 0 年来，叠后地震反演取得了很大进展己形成了多种成 熟方法和技术。通常地震反演往往是特指“叠后地震波阻抗反演”，叠后波阻抗 反演在具体实现过程中，对各种参数的估算方法不同、对反演结果的运算过程不 同，派生出很多的反演方法。按测井资料在其中所起作用的大小可分成四类：无 并约束的地震直接反演、测井控制下的地震反演、测井地震联合反演和地震 控制下的测井内插外推，分别用于油气勘探开发的不同阶段。目前，广泛应用的 测井约束反演就是一种测井地震联合反演方法，它通过与测井、地质模型等 信息的结合将反演的波阻抗频率范围在地震频带的基础上分别向低频端和高频 端进行了拓展。 根据反演计算时采用的计算方法不同、反演思路差异，地震反演的叫法也 很多如地震岩性模拟( s l i m ) 、广义线性反演( g l i ) 、宽带约束反演( b c i ) 、 稀疏脉冲反演、非线性反演( 神经网络反演、遗传算法反该、模拟退火反演等) 、 单道反演、多道反演等等。随着地震反演技术的发展，新的计算方法和反演思路 不断涌现，地震反演名称也会层出不尽。 常规的地震波阻抗反演就是指利用地震资料反演地层岩层波阻抗( 或速度) 的地震特殊处理技术。与地震多参数模式识别预测储层参数及储层的含油气性， 振幅拟合预测储层厚度等统计性方法相比，波阻抗反演具有明确的物理意义，它 是储层岩性预测、油藏特征描述的确定性方法，在实际应用中取得了显著的地质 效果，因此地震反演通常是指波阻抗反演。 2 2 地震波阻抗反演方法的基本原理 油气田勘探开发的大部分工作都是针对储层进行的，而地震勘探工作长期 以来只是利用岩层的声学特征确定岩性分界面，这就使地震与油田地质的结合发 生困难。为了使地震资料能与钻井资料直接对比，就要把常规的界面型反射剖面 4 第2 章地震反演方法原理 转换成岩层型测井剖面，把地震资料变成可与钻井直接对比的形式，实现这种转 换的技术就是地震波阻抗反演。 现在可以看见这个楔形模型，如图2 1 ，在常规的地震剖面上难以看出其具 体形态，在地震波阻抗反演剖面上，如图2 2 ，就能一目了然地看出。 圈2 1 常规的地震剖面( 引自s t r a t a 软件教程) 一| i = _ j 1 圈2 2 对应图1 1 的地震反演剖面( 引自s t r a t a 软件教程) 地震波阻抗反演技术的基本原理可用图2 3 来说明。不同岩层具有不同的速 度和密度值，速度和密度的乘积叫做波阻抗。只要不同岩层之间波阻抗有差异， 就能产生反射波。假定地震剖面上的法线入射道，既地震入射射线与岩层分界面 垂直，则法线入射反射系数由下式计算，即 2 6 9 3 6 0 4 7 1 5 8 m 魄 啪 洲 翩 啪 蚋 锄 锄 成都理工大学硕士学位论文 r ；：阻坠二旦堡( 2 2 1 ) i | d 件l l ，j + l + p ，d f 式中，足为第f 层底界面的反射系数；岛为第f 层的密度；q 为第f 层的速度；p m 为第f + 1 层的密度；d 为第f + 1 层的速度。 阻抗反射系数 土 正演 孑搜 弋焉i 一 圈2 3 地震记录的形成和反演原理( 引自s t r a r a 软件教程) 地震遭 地震波从激发、传播到接收，相当于经历了一个滤波系统。一个很尖锐的脉 冲通过这个滤波系统后，就变成了一个延续有一定长度的脉冲波形，通常称其为 子波。这个过程就相当于在每个反射系数位置上用一个子波把反射系数“棒 替 换掉，子波的极性和振幅强弱取决于反射系数的正负和大小。由于岩层通常很薄， 顶底反射系数远小于子波长度，不同界面的反射子波相互重叠，叠加在一起，形 成一道地震记录，这实际上是褶积过程，制作合成地震记录就使用这种方法。最 后，地震波的球面发散、吸收衰减和透射损失，使得野外记录在磁带上的实际记 录浅层振幅强，深层整幅弱，相差太大无法用来解释。只有在经过振幅衰减补偿 后，才得到深浅层振幅相差不大的地震道，即在地震剖面上看到的结果，以上就 是地震记录形成的过程。按此过程制作合成地震记录或合成地震剖面，叫做正演。 如图2 3 所示。 反演就是估算一个子波的逆一反子波，用反子波与地震道进行褶积运算，通 常成为反褶积，从而得到反射系数。然后把反射系数带到式( 2 2 1 ) 导出的递 推公式为 p 。d 。：p ；u 坠 ( 2 2 2 ) 成“q + l 邓f u 赢 坦- 2 - 2 6 第2 章地震反演方法原理 便可逐层递推计算出每一层的波阻抗，这就实现了界面型反射剖面向岩层型剖面 的转换。 2 3 递推反演州田 2 3 1 基本原理 基于反射系数递推计算地层波阻抗的地震反演方法称为递推反演。递推反演 的关键在于从地震记录估算地层反射系数，得到能与已知钻井最佳吻合的波阻抗 信息。递推反演方法中测井资料主要起到标定和质量控制的作用，不直接参与反 演运算，因而递推反演又称之为直接反演，或测井控制下的地震反演。 无噪偏移地震记录的理论模型为： s ( ，) = 厂( f ) 宰形( f ) ( 2 - 3 一1 ) 式中，s ( f ) 表示地震记录；，( f ) 为地层反射系数；形( f ) 为地震子波。 通过子波反褶积处理，可由地震记录求得反射系数，进而递推计算出地层波 阻抗或层速度。 = z o 垂等 协3 圳 式中，z 0 为初始波阻抗；z 为第，+ 1 层地层波阻抗。 递推反演是对地震资料的转换处理过程，其结果的分辨率、信噪比以及可靠 程度完全依赖于地震资料本身的品质，因此用于反演的地震资料应具有较宽的频 带、较低的噪声、相对振幅保持和准确成像。测井资料，尤其是声波测井和密度 测井资料，是地震横向预测的对比标准和解释依据，在反演处理之前需进行仔细 编辑和校正，使其能够正确反映岩层的物理特征。 递推反演的技术核心在于由地震资料正确估算地层反射系数f 或消除地震子 波的影响) ，比较典型的实现方法有：基于地层反褶积方法和基于频率域反褶积 与相位校正。 地层反褶积方法是根据已有测井资料( 声波和密度) 与井旁地震记录，利用最 小平方法估算数学意义上的“最佳”子波或反射系数。这种方法的优点是把子波 求解的“欠定”问题变成了确定问题，在井点的已有测井段范围内可获得与测井 最吻合的反演结果。局限性主要有二：首先是本办法完全忽略了测井误差和地震 噪声，这些因素尤其是前者的客观存在使“子波”确定更加困难；其二，地层反 褶积因子的估算是在计算时窗内数学意义上的最佳逼近，实际处理范围与该时窗 成都理工大学硕士学位论文 的不同已超出了该方法的适用范围，即便是在井点位置，得到的反演结果已不可 能是“误差最小”。不难看出，影响基于地层反褶积递推反演效果的主要因素是 测井资料的质量和地震资料的信噪比以及地震噪声的一致性。 基于频率域反褶积与相位校止的递推反演方法从方法实现上回避了计算子 波或反射系数的欠定问题，以井旁反演结果与实际测井曲线的吻合程度作为参数 优选的基本依据，从而保证了反演资料的可信度和可解释性，是递推反演的主导 技术。 2 3 2 应用条件 基于地震资料直接转换的递推反演方法比较完整地保留了地震反射的基本 特征( 断层、产状) ，不存在基于模型方法的多解性问题，能够明显地反映岩相、 岩性的空间变化，在岩性相对稳定的条件下，能较好地反映储层的物性变化。 递推反演方法具有较宽的应用领域。在勘探初期钻井较少条件下，通过反演 资料进行岩相分析确定地层的沉积体系，根据钻井揭示的储层特征进行横向预 测，确定评价井位。到开发前期，在储层较厚的条件下，递推反演资料可为地质 建模提供较可靠的构造、厚度和物性信息，优化方案设计。在油藏监测阶段，通 过时延地震反演速度差异分析，可帮助确定储层压力、物性的中间变化，进而推 断油气前缘。 由于受地震频带宽度限制，递推反演资料分辨率相对较低、不能满足薄储层 研究的需要。 2 4 测井约束反演1 】 2 4 1 基本原理 测井约束反演是一种基于模型的地震反演技术。这种方法从地质模型出发， 采用模型优选迭代扰动算法，通过不断修改更新地质模型，使模型正演合成地震 资料与实际地震数据最佳吻合，最终的模型数据便是反演结果。 在薄储层地质条件下，出于地震频带宽度的限制，基于普通地震分辨率的直 接反演方法，其精度和分辨率都不能满足油田勘探开发的要求。测井约束地震反 演技术以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震有限带宽的不足， 用己知地质信息和测井资料作为约束条件，推算出高分辨率的地层岩性资料，为 储层深度、厚度和物性等精细描述提供可靠的依据。 对于一个给定的层地质模型，各层厚度、速度、密度参数分别为d ( f ) 、1 ，( f ) 、 8 第2 章地震反演方法原理 p ( f ) 、f = 1 ，2 ，3 ，一，波在各层中垂直传播的时间为f ( d = 2 d ( f ) v ( f ) ，则第f 层顶 部的反射时间为： j l f ( f ) = f = 1 ，2 ， ( 2 - 4 - 1 ) = l 由该模型建立的地震记录可表示为： ， s ( f ) = ，( j f ) 国( f f ( 歹) + 1 ) f = 1 ，2 ，删御( 2 4 2 ) = l 式中，s 为地震信号；f 为记录样点序号；n s a m p 为样点数；为地震子波；， 为地层反射系数。 上式的矩阵形式为： s = 尹尹欠( 2 4 3 ) 式中，s = 卜( 1 ) ，s ( 2 ) ，s ( 鲥j 7 i 护) 】7 为地震振幅；足= 厂( 1 ) ，( 2 ) ，( ) r ；为 ( 鲥脚) 阶子波矩阵。 设n 层地质模型中各层波阻抗初值为厶( f ) ，对其对数可表示为： 加) = 1 0 9 】- l o g 【厶冉器】 ( 2 - 4 - 4 ) ，+ 1 1 、， 对上式作级数展开，略去高次项，既有： 三( f ) = 三( d ) + 2 ，( ) f = 1 ，2 ， ( 2 - 4 5 ) 上式表示，第f 层地层的对数波阻抗近似等于上覆界面反射系数代数和的两倍， 因而有： ，( 歹) = 1 2 【三( f ) 一三( f 一1 ) 】f = 1 ，2 ， ( 2 - 4 - 6 ) 地层反射系数与其对数波阻抗的关系用矩阵表示： 胄= i d 正( 2 4 7 ) 式中，月= 【厂( 1 ) ，( 2 ) ，( ) 】7 为反射系数；三= 【三( o ) ，三( 1 ) ，三( ，2 ) 】r 为波阻抗的对数； d 为n 行，n + 1 列系数矩阵。 把式( 2 4 7 ) 代入d ，得： 弘陟刃吧( 2 4 8 ) 设实际测量地震记录为r ，f f ( 1 ) ，f ( 2 ) ，( 翱御) 】r ，模型道s 与实际记 录之差为庐粥，则误差能量： 成都理工大学硕士学位论文 廊2 舀仁例7 仁例 ( 2 4 9 ) 这样目标函数，使待求波阻抗与实际地震观测资料发生直接联系，使，达到 最小的物理含意是：寻求一个最佳地层模则，使由此模型计算合成地震数据与实 际观测资料的误差能量最小。很容易得到式( 2 4 9 ) 的最小平方直接解： 工= p r 阿删。场丁矿丁 ( 2 - 4 - 1 0 ) 但由式( 2 4 3 ) 无法引入约束条件，实际地震记录中的噪音将强烈地影响反演 结果，一种可选的方法是用共轭梯度法求解。用共轭梯度法求解地层波阻抗主要 优点有： ( 1 ) 算法精确、稳定。 ( 2 ) 不作矩阵反演，从而避免了大矩阵处理中的病态问题。 ( 3 ) 具有较强的抗噪能力。 ( 4 ) 在求解过程中容易执行约束条件。因此，取代直接求解，测井约束反演 采用共扼梯度法，通过迭代修改地层模型，逐次逼近来求取地层波阻抗信息。 2 4 2 应用条件 测井约束地震反演技术把地震与测井有机的结合起来，突破了传统意义上地 震分辨率的限制，理论上可得到与测井资料相同的分辨率，是油田开发阶段储层 精细描述的关键技术。 多解性是测井约束地震反演方法的固有特性，主要取决于创始模型与实际地 质情况的符合程度，在同样的地质条件下，钻井越多，结果越可靠，钻井越少， 预测误差越大。 基于以上原因，测井约束反演通常适用于钻井数量较多的地区，一般要求至 少应有6 口钻井，并且井点分布相对比较均匀，这样才能保证反演结果的质量。 如果地质体的横向变化比较剧烈，则对钻井数目的要求也要相对增加。原则上根 据已知钻井和测井资料建立的初始模型要正确反映地下地质体的基本框架和地 质规律，地质体的横向变化细节主要依靠地震反演来刻画。 地震资料在测井约束地震反演中主要起两方面的作用，其一是提供层位和断 层信息来指导测井资料的内插外推建立初始模型，其二是约束地震有效频带的地 质模型向正确的方向收敛。地震资料分辨率越高，层位解释就有可能越细，初始 模型就接近实际情况，同时，有效控制频带范围就越大，多解区域相比减少。因 此提高地震资料自身分辨率是减小多解性的重要途径。 在测井约束地震反演方法中，不适当的强调两个概念容易给人造成误解，其 一是强调分辨率达到了几米，其实并无实际意义，因为这种方法本身以模型为起 点和终点，理论上与测井分辨率相向，问题的实质在于怎么更好地减少多解性。 其二是强调实际测井与井旁反演结果多么相似，以表现其反演的可靠性，显然这 1 0 第2 章地震反演方法原理 很容易给人造成误导。实际上，建立初始模型过程中的第一步就是测井资料校正， 然后提取子波，只有在合成记录与井旁道最相似之后，才利用测井资料制作模型， 实际运算中对井附近的模型不可能有大的修改，因此这种对比并无实际意义。 2 5 约束稀疏脉冲反演州田刀 2 5 1 基本原理 稀疏脉冲反演( s p a r ! ；e s p i l 【ei n v e r s i o n ) 是基于稀疏脉冲反褶积基础上的波阻 抗反演方法，主要包括最大似然反褶积( m l d ) ，l 1 模反褶积和最小熵反褶积 ( m e i ) 。这类方法针对地震记录的欠定问题，假设地层的波阻抗模型所对应的反 射系数序列模型是稀疏分布的，即是由起主导作用的主要( 强) 反射系数序列与具 高斯背景的弱反射系数序列迭加组成，如图2 4 所示。从地震道中根据稀疏的原 则提取反射系数，与子波褶积后生成合成地震记录；利用合成地震记录与原始地 震道残差的大小修改参与褶积的反射系数的个数，再做合成地震记录；如此迭代， 最终得到一个能最佳逼近原始地震道的反射系数序列，如图2 5 所示。这种方法 的优点是适用于井数较少或无钻井资料的地区，直接由地震记录计算反射系数， 实现递推反演，能获得宽频带的反射系数，能较好的解决地震记录的多解性问题， 从而使反演得到的波阻抗模型更趋于真实。其缺陷在于很难得到与测井曲线相吻 合的最终结果。 世卅梁匡蔓亟丑 。g a u s s l nb a c i 圈o u n di 高斯背景的小脉冲i q 懈嗍岍叫娜柑懒忡峨拶椎神神勘妒协o f s m a l le v e n t s i：二二：二二二二 一j 圈2 4 稀疏脉冲反演假定实际反射可以认为是由一系列大脉冲里夹杂有小脉冲背景。 只有大脉冲 有意义。该方法通过检查地震道来寻找大脉冲的位置。( 引自s t r t 软件教程) 1 1 成都理工大学硕士学位论文 卜专辛p ；斗：i 卜；_ 斗 卜手斗 卜十卜4 抖 卜卅料 圈2 5 稀疏脉冲反演每次建立反射序列为一个脉冲。增加脉冲直到地震道被足够准确地进行反演。( 引自 s t r a t a 软件教程) 稀疏脉冲反演的主要步骤： ( 1 ) 最大似然反褶积求取稀疏反射系数序列 它假设地层反射系数是由较大反射界面的反射和高斯背景的小反射迭加组 合而成，据此导出最小目标函数： j ：壹冬笋+ 壹乏铲一2 尬刀( 允) 一2 一m ) 砌( 1 一允) ( 2 - 5 - 1 ) 髟= 1 o k - l r ( k ) 表示第一个采样点的反射系数，m 表示反射层数，l 表示采样总数，n 表示 噪音变量的平方根，允表示给定反射系数的似然值。依据目标函数，对每一道， 从上到下推测反射系数的位置点，判断反射系数的幅值大小。如此，反复迭代修 改每个反射系数的位置和幅度，直到最后修改误差最小满足似然比值的判别标 准，即完成一道的反褶积，得到反射系数的分布。 ( 2 ) 通过最大似然反演导出宽带波阻抗 最大似然反演就是通过转换反射系数导出宽带波阻抗的过程。如果最大似 然反褶积中求得的反射系数是厂( f ) ，则波阻抗： z ( f ) - z ( ) 篇 ( 2 - 5 2 ) 1 2 ， 2 3 4 婚 博一。?i 第2 章地震反演方法原理 在上述过程中为了得到可靠的反射系数估计值，可以单独输入波阻抗信息作为约 束条件，从而求得最合理的波阻抗模型。 约束稀疏脉冲反演( c o n s t m 硫s p a r s es p i l 【ei n v e r s i 0 i r c s s i ) 是一种基于 地震道的反演技术，该方法的基本出发点是认为地下的反射系数不是连续分布而 是稀疏分布的。它建立在一个快速的趋势约束的脉冲反演算法上。波阻抗趋势是 由解释的层位和井控制。约束条件是波阻抗趋势加地质控制，产生一个把地质模 式融合进去的宽带结剽1 8 】。 该算法的公式如下： k l ，+ 刀( 喀+ 最) g + a 2 ( f f + 乙) 2 专m j l l ( 2 - 5 3 ) 式中，罗i r 为反射系数绝对值的近似线性求和； 刀( 4 + s ) 。为地震( z ) 与合成记录( 墨) 的均方差的总和； a 2 ( + 乃) 2 为趋势协调的补偿； 为反射系数；a 为控制稀疏脉冲因子；z 为地震数据；仅数据匹配的权因子； s ，为合成地震道数据；f ，为井阻抗曲线的趋势；乙为实际的阻抗；口g 为三模因 子，一般萨1 ，g = 2 ；f 地震道采样序号。 从上面公式中可以看出，在约束稀疏脉冲反演中，反射系数的稀疏、合成 记录与原始地震道的残差最小这两项是相互矛盾的，允值的大小反映了波阻抗值 和子波褶积产生的合成地震道与实际地震道匹配程度的好坏。低的a 值着重强调 反射系数之和最小，即强调稀疏性，约束稀疏脉冲反演剖面细节少，分辨率低， 残差较大；如果a 值太大，过分强调残差最小，而一味地使合成记录与原是记录 吻合，结果会使一些噪音也加到了反演剖面中，同时由于忽略了反射系数的稀疏， 而忽略了波阻抗变化的低频背景。因此，在约束稀疏脉冲反演中最重要的一步就 是寻找一个合适的a 值。 反演的主要约束条件是波阻抗趋势约束和地质控制，其作用是恢复地震数 据中缺少的低频信息。波阻抗趋势由地震层位和测井曲线产生，对时窗内波阻抗 的取值范围起约束作用。 2 5 2 应用条件 约束稀疏脉冲反演方法不仅具有一般递推反演方法的特点，即反演结果较 忠实于地震资料，能反映储层的横向变化。而且，在迭代过程中引入地质和测井 资料参与反演约束，增加了部分低频和高频成分，一定程度拓宽了反演频带。该 成都理工大学硕士学位论文 方法对初始模型依赖较小，反演结果的唯一性较好，不易出现假象。如果合理选 择反演参数和波阻抗趋势及约束，最终可以得到合理的反演带限波阻抗结果。 约束稀疏脉冲反演方法具有较宽的应用领域。在勘探初期只有很少钻井的 条件下，通过反演资料进行岩相分析确定地层的沉积体系，根据钻井揭示的储层 特征进行横向预测，确定评价井位。到开发前期，在储层较厚的条件下，约束稀 疏脉冲反演资料可为地质建模提供较可靠的储层厚度、非均质性和物性信息，优 化方案设计。在油藏监测阶段，通过时延地震反演速度差异分析，可帮助确定储 层压力、物性的空间变化，进而推断油气前缘。 约束稀疏脉冲反演方法的缺点：该方法假定地下强反射系数是稀疏的，而实 际地震道反射系数往往是稠密的。若地下地层不满足假定条件，则得不到较好的 反演结果。 总的来说，因为约束稀疏脉冲反演是以地震道为主的反演方法，反演结果的 分辨率、信噪比以及可靠程度主要依赖于地震资料本身的品质，地震噪音对反演 结果敏感，影响大，因此用于约束稀疏脉冲反演的地震资料应具有较宽的频带、 较低的噪声、相对振幅保持和成像准确等特征。测井资料，尤其是声波测井和密 度测井资料，是地震横向预测的对比标准和解释依据，在反演处理之前应进行仔 细的编辑和校正，使其能够正确反映岩层的物理特征。 1 4 第3 章波阻抗反演的关键技术环节 第3 章地震波阻抗反演的关键技术问题 针对复杂岩性储层进行的反演处理和储层解释，除了需要选择一个适合实 际地质条件和储层情况的高精度反演算法和方法外，同时还应该牢牢把握住反演 处理和解释中的关键性技术环节，认真研究和加以实际应用，以便控制好整个反 演过程，保证得到高质量的反演成果。只有这样，才能够有效地发挥算法及资料 的优势，实现高精度反演处理与解释【l 叭。 地震波阻抗反演是地震、地质、测井相结合的一门综合性技术，对其效果的 影响的因素众多。影响波阻抗反演的主要因素包括：地震、测井等基础资料品质、 子波提取、反演方法和反演过程参数选择控制等，其关键技术问题有以下五个方 面。 3 1 测井资料编辑校正 测井资料，尤其是声波和密度测井资料，是建立初始模型的基础资料，是 地质解释的基本依据。声波测井资料品质的好坏是波阻抗反演的一个重要影响因 素。通常情况下，声波测井都要受到井孔环境( 如井壁垮塌、泥浆浸泡等) 的影响 而产生误差，同一口井的不同层段，不同井的同一层段误差大小亦大相同，另外 测量年代、测井仪器不同都会对测井资料造成不同程度的影响。因此，用于制作 初始波阻抗模型的声波曲线无论是野外原始数字带还是手工数字化采集的，都要 进行环境校正。通常参考综合测井图中的井径、微电极、自然电位、自然伽马、 各种电阻率曲线对声波进行环境校正，主要校正由于泥岩段井壁垮塌造成的高时 差、膏盐层段造成的声波曲线缺失和异常、声波测量段顶底发生的畸变、两次测 井曲线衔接处的异常等，通过这些校正可以提高合成记录制作的精度。另外，一 些不合理的野值必须编辑掉，因为这些野值在合成记录上往往产生非常强的波峰 和波谷，它们将正常的波峰、波谷相对关系压制下去，看不出合成记录与实际地 震记录的正确匹配关系。 声波( 密度) 是唯一与地震直接发生联系的测井资料，储层与围岩声波特征不 同是测井约束地震反演方法应用的先决条件。由于储层固有特征或测井过程的工 程因素，有时研究目的层段储层与围岩在声波测井曲线上无明显差异。这就要求 在仔细分析相关测井资料的基础上，对声波测井曲线进行合理的校正，以便突出 储层的电测曲线特征。 当反演目的层段内测井资料长度不够时，得到的初始波阻抗约束模型结果 中测井资料只在相应的层段内进行内插，其它层段内可能用一个变化较小的值进 行充填或根本没有值，这会直接影响到频带补偿和约束。 成都理工大学硕士学位论文 另一个重要的因素是声波测井曲线储层速度与围岩的速度差。实践经验证 明，如果存在较大的波阻抗差异，一般在地层波阻抗反演剖面中都能够反演出来。 在使用s t ra t a 软件时，需要对测井数据进行深时转换和井相关处理。 3 2 地震子波提