波形指示反演在煤层屏蔽薄砂岩分布预测中的应用

doi:10.11720/wtyht.2019.1325

波形指示反演在煤层屏蔽薄砂岩分布预测中的应用

陈彦虎¹^,², 陈佳³

1. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083

2. 北京中恒利华石油技术研究所,北京 100101

3. 自然资源实物地质资料中心,河北廊坊 065201

The application of seismic meme inversion to thin sand distribution prediction under coal shield

CHEN Yan-Hu¹^,², CHEN Jia³

1. School of Earth Science and Resource,China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083,China

2. PEGETE Group Inc,Beijing 100101,China

3. Cores and Samples Center of Natural Resources,Langfang 065201,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2018-11-20 修回日期: 2019-09-4 网络出版日期: 2019-12-20

基金资助:

国家自然科学基金项目. 41572134

Received: 2018-11-20 Revised: 2019-09-4 Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

陈彦虎(1982-),男,高级工程师,现为中国地质大学(北京)矿产普查与勘探专业在读博士,从事储层预测、非常规储层研究工作。Email:yhchen08@qq.com 。

摘要

受煤层强反射同相轴的影响,煤层之下的薄砂岩预测难度大,常规的子波分解技术难以分解出稳定的子波集,即便是分解出的子波集也没有明确的地质意义。文中基于地震波形指示反演,利用地震波形相似性作为指示因子,驱动宽频测井曲线模拟,实现高分辨率薄层反演。首先利用奇异值分解实现地震波形动态聚类分析,建立地震波形与测井曲线结构特征的样本集;然后在小波域确定样本曲线中的共性结构作为初始模型;最后在贝叶斯框架约束下,根据实际地震波形修正初始模型得到高分辨率的反演成果。通过正演模型和准噶尔盆地侏罗系实例研究认为,波形指示反演克服了地震垂向分辨率的限制,能够较好地预测受煤层强屏蔽影响的薄砂岩。波形指示反演为准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和吐哈盆地等侏罗系受煤层屏蔽影响的薄砂岩预测提供了一种全新的思路,具有广泛的应用领域和重要的现实意义。

关键词： 波形指示反演 ; 煤层屏蔽 ; 薄砂岩预测 ; 相控反演 ; 贝叶斯原理

Abstract

It is difficult to predict the thin sand beneath the coal seam because of the influence of the strong shield.It is difficult for conventional wavelet decomposition techniques to decompose stable wavelet sets,and even the decomposed wavelet sets have no definite geological significance.In this paper,a new seismic meme inversion is proposed,which uses the similarity of seismic waveforms as an indicator factor to drive broadband logging curve simulation and realize high resolution inversion.Firstly,the dynamic clustering analysis of seismic waveform is realized by singular value decomposition,and the sample set of seismic waveform and well curve characteristics is established.Then the common structure in the sample is determined as the initial model in the wavelet domain,and the inversion results with high resolution are obtained by modifying the initial model according to the inversion of the actual seismic waveform structure under the constraint of the Bayesian framework.Through forward modeling and Jurassic case study in Junggar Basin,it is concluded that seismic meme inversion overcomes the limitation of seismic vertical resolution and can better predict thin sand affected by strong shield.Seismic meme inversion provides a new way for predicting thin sand affected by coal shield in Jurassic in Junggar Basin,Ordos Basin and Turpan-Hami Basin.It has a wide range of applications and important practical significance.

Keywords： seismic meme inversion ; coal shield ; thin sand prediction ; phase-control inversion ; Bayes theory

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本文引用格式

陈彦虎, 陈佳. 波形指示反演在煤层屏蔽薄砂岩分布预测中的应用. 物探与化探[J], 2019, 43(6): 1254-1261 doi:10.11720/wtyht.2019.1325

CHEN Yan-Hu, CHEN Jia. The application of seismic meme inversion to thin sand distribution prediction under coal shield. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(6): 1254-1261 doi:10.11720/wtyht.2019.1325

0 引言

地震储层预测中经常会面临强振幅同相轴屏蔽的问题,如松辽盆地T₂强反射轴^[1]和鄂尔多斯盆地侏罗系煤层强反射^[2],由于薄砂岩引起的弱反射完全淹没在强同相轴反射中,利用常规的地震反演无法识别。目前去除强反射屏蔽技术主要有多子波分解技术、广义S变化技术等,如赵爽等^[3]在对地震数据开展多子波重构与分解的基础上,利用多种地震属性实现了薄互层砂岩预测和油气检测;佘刚等^[4]同样利用多子波分解与重构法在鄂尔多斯盆地大牛地气田受煤层强反射影响的含气砂岩预测中取得了良好的效果;谢春临^[5]等应用奇异值分解技术将地震数据分解成不同能量级别子波分量集,去除对应强反射的第一分量,突出了砂岩对应的弱反射,提高了扶余组砂岩的预测能力;齐宇等^[6] 利用子波分解重构技术和分频反演技术实现了煤下储层预测,应用于鄂尔多斯盆地临兴气田井位部署,获得了高产工业气流;王宝江等^[7] 通过广义S变换技术实现了鄂尔多斯盆地子洲地区山西组受上覆煤层影响的三角洲前缘薄砂岩精细刻画。这些方法均是基于单道地震进行子波分解,受子波长度、子波分解时窗等因素的影响,很难分解出稳定的子波集,即便是分解出的子波集也没有明确的地质意义^[8],实际应用过程中难以操作。

通过分析认为虽然煤层发育形成了强反射特征,但是煤层之下薄砂岩是否发育,反射特征会有微弱的差异,这些微弱的差异,基于褶积模型的反演难以分辨出来,通过正演模型和准噶尔盆地侏罗系实例研究认为,波形指示反演能够较好地预测受煤层强屏蔽影响的薄砂岩,为准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和吐哈盆地等侏罗系受煤层屏蔽影响的薄砂岩预测提供了一种全新的思路。

1 方法原理与流程

1.1 地震波形指示反演原理

地震波形指示反演(seismic meme inversion,SMI)是利用地震波形横向相似性驱动测井高频信息的高分辨率反演方法。在沉积相对稳定的等时地层格架内,地震波形的横向变化反映了地震相或沉积相的变化,相似的沉积相带反应了相似的沉积结构和岩性组合,表现为测井曲线特征相似,因此地震波形和测井曲线之间具有内在的联系,可以利用地震波形信息反演储层特征。

受分辨率的影响,地震只能反应中频部分,但其横向变化信息代表的沉积相带实际上是全频的,包括低频和高频部分。章雄等^[9]详细论证了地震波形与测井曲线的关系:地震频率范围在5~80 Hz之间,沉积环境相似的两口井地震波形相似度为73.2%,两口井纵波阻抗曲线0~1 000 Hz频率范围相似度为20.2%,逐步减小纵波阻抗曲线的频带范围,相似度逐步提高,当曲线频率成分为0~200 Hz时,两口井相似度提高到76.8%。因此,反演过程中可以利用地震波形相似性代替传统变差函数,建立中频地震信息和高频测井信息之间的联系,进行实现高分辨率反演。

1.2 反演流程

波形指示反演利用地震波形的干涉特征相似性作为指示因子,利用数据学习思想,驱动井间宽频测井曲线模拟,实现高分辨率薄层反演,反演流程如下:

第一步:利用奇异值分解(singular value decomposition)实现地震波形动态聚类分析,建立地震波形与井曲线结构特征的映射关系,进而建立不同的样本集,如图 1a存在两种不同的沉积相类型,同一沉积相中的井具有相似的地震波形和测井曲线特征,依据地震波形相似性,将地震波形分为两组,建立了该区域波形指示反演的2个样本集:样本集1和样本集2(图1b)。

图1

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图1 地震波形指示反演示意

a—依据地震波形优选样本;b—确定样本集共性特征

Fig.1 Schematic diagram of seismic meme inversion

a—sample classification based on seismic waveform;b—determine the common features of the sample set

第二步:在小波域对样本井曲线进行多尺度分析,确定统计样本中的共性结构作为初始模型,以第一步中建立的样本集1为例,取3口井测井曲线的共性结构(图1b中红色曲线)作为反演的初始模型,这样就建立起了地震波形与反演初始模型的对应关系。

第三步:在贝叶斯框架约束下,根据实际地震波形不断修正第二步建立的初始模型,使得反演结果同时符合中频地震信息和井曲线结构特征,最终得到高分辨率的波形指示反演结果。

地震波形指示反演作为近年来发展起来的一种新的反演方法,可以同时提高反演结果的纵向和横向分辨率,解决了地质统计学反演高频成分随机性强的难题,更加适用于横向变化快的薄储层预测^[10],在四川盆地^[11]、准噶尔盆地^[12]、塔里木盆地^[13]和松辽盆地^[14]薄储层预测中取得了良好的应用效果。

2 模型试算

为了验证该方法反演薄砂岩的有效性,建立正演模型进行验证。图2a为地质模型,在大套泥岩中发育一套3 m厚的稳定煤层,其中A井和D井不发育砂岩储层,B井和C井煤层之下发育一套5 m厚的砂岩,砂岩和煤层之间的泥岩隔层厚度为6 m,其中,各岩性的弹性参数如下:煤层速度为2 000 m·s^-1,密度为2.2 g·cm^-3,纵波阻抗为4 400 m·s^-1·g·cm^-3;泥岩速度为2 900 m·s^-1,密度为2.4 g·cm^-3,纵波阻抗为6 940 m·s^-1·g·cm^-3;砂岩速度为3 000 m·s^-1,密度为2.5 g·cm^-3,纵波阻抗为7 500 m·s^-1·g·cm^-3。图中黑色或红色曲线为4口井的纵波阻抗曲线。

图2

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图2 地质模型与不同反演结果对比

a—地质模型;b—合成地震道;c—稀疏脉冲反演结果;d—波形指示反演结果

Fig.2 Geologic model and Comparison of different inversion results

a—geologic model;b—synthetic trace;c—sparse pulse inversion;d—seismic meme inversion

图2b为该地质模型与30 Hz零相位雷克子波褶积得到的地震道,从图中可以看出,由于煤层和泥岩之间阻抗差比较大(2 540 m·s^-1·g·cm^-3),形成了连续的强反射同相轴,而薄砂岩和泥岩阻抗差异较小(560 m·s^-1·g·cm^-3),对同相轴的影响较小,同相轴只发生了微弱的改变。下面通过常规稀疏脉冲反演和波形指示反演对该模型进行反演,验证不同反演方法的精度。

首先利用30 Hz零相位雷克子波进行稀疏脉冲反演,图2c为反演得到的纵波阻抗剖面,从图中可以看出,煤层能够清晰地反演出来,但是泥岩和砂岩阻抗接近,均表现为高阻抗,从反演结果上无法识别薄砂岩储层。进一步再利用4口井和地震道进行波形指示反演,图2d为波形指示反演得到的纵波阻抗剖面,从中可以看出,可以准确反演出5 m厚的砂岩储层,与地质模型有很高的一致性。通过和稀疏脉冲反演结果相比,波形指示反演能够识别受煤层屏蔽的薄砂岩预测。

为了进一步验证波形指示反演方法的抗噪性,对样本集1的地震道加入随机噪声再进行波形指示反演,图3a和图3b分别为加入10%和20%随机噪声的地震道,在此基础上进行波形指示反演,得到的纵波阻抗结果(图3c和图3d),均可以准确地反演出5 m厚的薄砂岩储层。从图3d中可以看出,随机噪声为20%的时候,反演剖面上出现了一些随机分布的薄砂岩,但不影响目标砂岩的准确识别,该反演结果完全在可接受的范围内,也证实了波形指示反演方法具有较强的抗噪性。

图3

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图3 加随机噪声正演地震道与波形指示反演结果

a—加10%随机噪声合成地震道;b—加20%随机噪声合成地震道;c—加10%随机噪声波形指示反演结果;d—加20%随机噪声波形指示反演结果

Fig.3 Synthetic trace and Seismic meme inversion results with random noise

a—synthetic trace with 10% random noise;b—synthetic trace with 20% random noise;c—synthetic meme inversion result of figure a;d—synthetic meme inversion result of figure b

为进一步验证波形指示反演精度,提取过A井和B井纵波阻抗曲线与井旁地震道的地震波形(图4),可以看出35 ms附近(箭头处)A井和B井纵波阻抗的细微差异导致了两口井地震波形的变化, 而波形指示反演正是利用地震波形的细微变化作为指示因子驱动纵波阻抗曲线,实现高分辨率反演。

图4

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图4 A、B井纵波阻抗曲线和地震道

Fig.4 Pimpdance curves and synthetic trace of well A and B

通过以上正演模型的反演实验,证实了波形指示反演能够利用地震波形的差异准确地驱动测井高频信息进行反演,得到高精度的反演结果,同时具有非常强的抗噪性,可以实现强反射同相轴屏蔽下的薄砂岩地预测。

3 研究实例

3.1 区域地质概况

准噶尔盆地西北缘Z地区侏罗系八道湾组早中期(八一段和八二段)经历了一次明显的湖侵过程^[15-17]。八一段早中期(J₁ $b_{1}^{4}$ —J₁ $b_{1}^{3}$ ),主要发育辫状河三角洲平原沉积,岩性以厚层块状砂砾岩为主;八一段中后期(J₁ $b_{1}^{2}$ ),湖平面逐渐上升,主要发育辫状河三角洲前缘沉积,岩性以辫状河水下分流河道砂岩为主,砂岩较薄,一般在2~8 m,河道频繁改道、分叉、汇聚,垂向上互相叠置,横向上与分流间湾泥岩对接,有利于形成岩性圈闭,是本区有利的勘探目标之一;八一段晚期(J₁ $b_{1}^{1}$ )和八二段(J₁b₂)为快速湖侵期,岩性以滨浅湖相泥岩为主,同时发育2~3层厚度不等的煤层,全区分布较稳定,与下伏辫状河水下分流河道砂岩形成了良好的储盖组合。

3.2 储层特征分析

开展地震储层预测工作的基础是寻找对储层敏感的弹性参数,一般通过测井曲线数据建立直方图或交会图实现。利用对储层敏感的测井曲线纵波阻抗建立了砂岩储层及其上下泥岩和煤层的直方图(图5),其中橙色代表砂岩,蓝色代表泥岩,黑色代表煤层,从图中可以看出,纵波阻抗可以很好地识别砂岩、泥岩和煤层,砂岩和泥岩的纵波阻抗门槛值为9 800 m·s^-1·g·cm^-3,因此,可以通过反演纵波阻抗识别砂岩。

图5

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图5 岩性直方图

Fig.5 Histogram of lithologies

3.3 反演效果分析

本次研究的目标为J₁ $b_{1}^{2}$ 辫状河三角洲前缘水下分流河道砂岩,从过A井到E井连井对比剖面分析表明(图6), A井到D井砂岩厚度为2~8 m,E井砂岩不发育,可以看出,砂岩纵向厚度变化大,横向变化快。其中B井2 998~3 002 m试油获日产油8.2 t,水25.96 m³,D井2 997.5~3 005 m试油获日产油12.4 t,水13.4 m³,C井2 898.1~2 994 m测井解释为油水同层,从三口井的油水关系来看,J₁ $b_{1}^{2}$ 砂岩储层的横向接触关系非常复杂,准确预测砂岩的横向分布范围,是J₁ $b_{1}^{2}$ 勘探主要任务之一。

图6

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图6 A井~E井连井砂体对比特征

Fig.6 The sand features of correlation profiles from wells A to E

由于J₁ $b_{1}^{2}$ 砂岩储层薄,横向变化快,同时受上覆J₁ $b_{1}^{1}$ 稳定分布的煤层的影响,地震特征表现为连续的强反射(图7a),地震资料主频为30 Hz,速度约为3 800 m·s^-1,按照地震分辨率理论,地震资料可识别的最大砂岩厚度为1/4λ,约30 m,显然无法识别J₁ $b_{1}^{2}$ 薄砂岩,从常规的稀疏脉冲反演纵波阻抗剖面上(图7b)可以清楚地看到,稀疏脉冲反演无法预测2~8 m的砂岩。

图7

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图7 A井~E井连井地震特征和反演效果分析

a—地震剖面;b—稀疏脉冲反演剖面;c—波形指示反演剖面

Fig.7 Seismic profile and Comparison of different inversion results from well A to E

a—seismic profile;b—sparse pulse inversion result;c—seismic meme inversion result

利用第一节建立的波形指示反演流程进行了波形指示反演,得到了纵波阻抗结果,同样从过A井到E井的连井反演剖面上(图7c),可以清楚地识别煤层下的薄砂岩,且波形指示反演预测砂体厚度与测井解释砂体厚度吻合程度较高,其中A、B、C和D井测井解释砂岩厚度分别为2、5、5.5、8 m,波形指示反演预测4口井砂岩厚度分别为2.8、6.2、6.9、9.1 m,误差分别为0.8、1.2、1.4、1.1 m,E井砂体不发育(图8)。其中A井到B井为一套连通的砂岩,但砂岩厚度变化较大;C井虽然砂岩发育,但砂岩规模较小,与相邻的B井和D井不连通;D井砂岩发育,且砂体分布面积较大,有较大的勘探潜力。通过波形指示反演得到的纵波阻抗结果可以实现薄砂岩地预测,并且对复杂的井间油水关系给出了合理的解释,各单井砂体为互不连通的孤立油藏,具有“一砂一藏”的特点。

图8

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图8 反演砂体厚度

Fig.8 Sand thickness map of inversion result

以上分析结果表明,波形指示反演结果可以有效地避免煤层强同相轴的屏蔽作用,精确地识别煤层之下2~8 m的薄砂岩,并且可以预测砂岩储层横向的分布范围,具有常规稀疏脉冲反演不可比拟的优势。

4 结论与展望

1)受煤层强轴屏蔽影响的薄砂岩预测通常采用多子波分解技术,这一技术存在子波分解不稳定、地质意义不明确等问题,实际应用中难以操作。

2)波形指示反演利用波形横向差异驱动测井高频信息进行反演,可以有效地避免煤层强反射强同相轴的影响,在提高纵向分辨率的同时,可以准确预测砂岩储层横向分布范围,具有常规反演方法不可比拟的优势,可以准确预测准噶尔盆地侏罗系煤下2~8 m的薄砂岩。

3)波形指示反演能够较好地预测煤层强屏蔽影响的薄砂岩,为准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和吐哈盆地等侏罗系受煤层屏蔽影响的薄砂岩预测提供了一种全新的思路,并且可以推广到其他类似受强反射同相轴屏蔽的薄砂岩储层,如松辽盆地T₂强反射、四川盆地海相灰岩强反射、柴达木盆地盐层强反射等,因此本方法具有广泛的应用领域和重要的现实意义。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

顾雯, 章雄, 徐敏 , 等.

强屏蔽下薄储层高精度预测研究——以松辽盆地三肇凹陷为例

[J]. 石油物探, 2017,56(3):439-448.