AVO梯度谱蓝化在中深层薄砂岩刻画中的应用

doi:10.11720/wtyht.2023.1272

AVO梯度谱蓝化在中深层薄砂岩刻画中的应用

刘庆文^,, 李键, 秦德文

中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200300

Application of the AVO gradient-based spectral bluing technique in the characterization of thin sandstones in moderately deep strata

LIU Qing-Wen^,, LI Jian, QIN De-Wen

Shanghai Branch of CNOOC Co. Ltd.,Shanghai 200030,China

第一作者: 刘庆文(1988-),男,硕士,主要从事海油石油勘探地球物理研究工作。Email:liuqw3@cnooc.com.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-06-14 修回日期: 2023-02-13

基金资助:

中国海油“七年行动计划”东海专项课题(CNOOCKJ135ZDXM39SH01)
中国海油“十四五”重大科技项目“海上深层/超深层油气勘探技术”(KJGG2022-0402)

Received: 2022-06-14 Revised: 2023-02-13

摘要

传统谱蓝化主要用于叠后地震拓频处理,适用于测井波阻抗能较好辨别砂、泥岩的浅层,对于中深层阻抗混叠区局限性较大。AVO梯度反映相对反射系数随炮检距的变化,与泊松比变化率呈现正相关,而泊松比能较好辨别中深层砂、泥岩。本文首先通过岩性组合、物性及流体等参数变化,正演论证了AVO梯度在中深层辨识砂岩顶界面的可靠性与稳定性;进一步地,针对中深层薄砂岩刻画精度低问题,提出一种基于AVO梯度信息的谱蓝化地震拓频技术,通过对AVO梯度谱蓝化拓频,提高薄储层刻画精度。模型试算及实际应用表明:基于AVO梯度的谱蓝化可以直接运用AVO梯度辨识储层界面信息,简化基于CRP道集或角度部分叠加的多参数岩性预测方法;同时,该方法较好解决了XH凹陷深埋地层薄砂岩刻画难题,对中深层地震高分辨率处理有一定借鉴意义。

关键词： 中深层; AVO梯度; 谱蓝化; 地震高分辨处理; 薄储层刻画

Abstract

The conventional spectral bluing technique is mainly utilized for post-stack seismic frequency expansion.It is applicable to the shallow strata where sandstones and mudstones can be effectively identified based on the wave impedance of logs.However,this technique has many limitations for the impedance aliasing zones of moderately deep strata.The amplitude versus offset (AVO) gradient reflects the change in the relative reflection coefficient with offset and is positively correlated with the rate of change in Poisson's ratio,which can distinguish between sandstones and mudstones in moderately deep strata.Through forward modeling,this study first proved the reliability and stability of the AVO gradient in identifying the top interface of sandstones in moderately deep strata according to the changes in parameters such as lithologic association,physical properties,and fluids.Furthermore,to improve the characterization precision of thin sandstone interbeds in moderately deep strata,this study proposed a AVO gradient-based spectral bluing for seismic frequency expansion.The model tests and practical applications show that the spectral bluing based on AVO gradient can directly identify the information on reservoir interfaces and simplify the multi-parameter lithology prediction method based on CRP gathers or partial angle stack data.Moreover,the new technique proposed in this study can effectively characterize the thin sandstones in deeply buried strata in the XH sag and provides a reference for high-resolution seismic processing of moderately deep strata.

Keywords： moderately deep strata; AVO gradient; spectral bluing; high-resolution seismic processing; thin reservoir characterization

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本文引用格式

刘庆文, 李键, 秦德文. AVO梯度谱蓝化在中深层薄砂岩刻画中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 438-446 doi:10.11720/wtyht.2023.1272

LIU Qing-Wen, LI Jian, QIN De-Wen. Application of the AVO gradient-based spectral bluing technique in the characterization of thin sandstones in moderately deep strata[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(2): 438-446 doi:10.11720/wtyht.2023.1272

0 引言

随着海上油气勘探开发的不断深入,增储上产逐步聚焦中深层结构复杂、储层偏薄的薄互层油气藏,但受限于深层地震资料频带宽度有限、分辨率低等问题,薄储层刻画难度大^[1-2]。针对这一问题,地震高分辨率处理成为一种关键技术手段,常用高频恢复技术包括谱白化、反褶积及反Q滤波等^[3⇓⇓-6],这些技术在实际地震资料高分辨率处理均取得较好应用,但也存在一些假设条件或局限^[7]。谱白化的“白谱”假设不符合实际地震频谱特征,易引起纵向补偿不均衡问题;反褶积方法假设地层反射系数具有统计白谱及子波最小相位信号,且时变子波求取难度大;反Q滤波中Q值估算精度难以有效保证。

谱蓝化利用实际地震频率与振幅正相关“蓝谱”特征,将地震和测井反射系数谱进行匹配求取蓝化算子,将该算子与地震褶积得到拓频数据,通过这种井控思路来提高地震分辨率。Blache-Fraser G^[8]首次提出谱蓝化与有色反演开展叠后地震高分辨率处理思想。近几年,国内外学者也开展了诸多相关研究,Neep^[9]提出时变谱蓝化思想,通过分时窗求取蓝化算子,解决大时窗谱均衡问题;国内学者杨瑞召等^[10]、陈文雄^[11]利用谱蓝化技术较好地解决了薄煤层识别、薄储层刻画难题,杨培杰^[12]提出了复数域约束最小二乘谱蓝化,通过设计一个宽频约束目标谱,更好地提高地震主频,这些方法均取得较好应用效果,但方法应用主要聚焦叠后资料高分辨率处理。Kazemeini等^[13]在叠后谱蓝化基础上,提出将谱蓝化算子应用到叠前道集处理中,并论证了叠前谱蓝化相较于叠后方法的优势;李贤兵等^[14]利用叠前谱蓝化在薄隔层识别及砂体边界取得较好成效,但叠前谱蓝化技术应用依然局限于叠后资料优化对比,这对于中深层阻抗混叠区局限性较大。

1985年Shuey^[15]简化了Zoeppritz方程,首次提出反射系数中AVO截距和梯度概念,随后,Rutherford等^[16]、Castagna等^[17]进一步深化了AVO属性油气检测研究。近几年,国内学者利用截距、梯度属性也开展了相关甜点、油气检测等研究,王迪等^[18]通过变参数正演模拟建立了致密气甜点储层的AVO定量解释量板;付琛等^[19]针对常规AVO属性识别气层难,提出一种相对AVO属性,较好地放大了气、水层的AVO差异,这些应用主要集中在油气识别上;在岩性识别上,刘力辉等^[20]利用AVO梯度与泊松比变化率的正相关性,采用AVO梯度90°相移进行储层刻画,并在四川盆地取得较好应用效果,但缺乏对AVO梯度界面判别的系统性论证。

针对XH凹陷中深层薄储层刻画难及叠后谱蓝化局限性较大等问题,本文首先通过变参数正演模拟论证了AVO梯度对中深层砂岩顶界面辨别的精度及稳定性,在此基础上,针对薄互层刻画难问题,利用AVO梯度与泊松比变化率的正相关性,提出一种基于AVO梯度信息的谱蓝化拓频技术,该方法直接对反映叠前信息的AVO梯度作类似叠后地震谱蓝化拓频,规避了CRP道集高分辨率处理的复杂性,同时,提高了薄储层识别精度。

1 AVO梯度界面识别

1.1 AVO梯度原理

Shuey对Zoeppritz方程进行近似,提出AVO截距和梯度,其反射系数公式为:

(1)

\begin{array}{l} R (θ) \approx R_{0} + [A_{0} R_{0} + \frac{Δ σ}{{(1 - σ)}^{2}}] s i n^{2} θ + \\ \frac{1}{2} \frac{Δ V_{p}}{V_{p}} (t a n^{2} θ - s i n^{2} θ) \end{array}

其中:

(2)

R_{0} \approx \frac{1}{2} (\frac{Δ V_{p}}{V_{p}} + \frac{Δ ρ}{ρ})

(3)

A_{0} = B - 2 (1 + B) \frac{1 - 2 σ}{1 - σ}

(4)

B = \frac{Δ V_{p} / V_{p}}{Δ V_{p} / V_{p} + Δ ρ / ρ}

式中, $V_{p}$ 、 $ρ$ 、 $σ$ 、 $Δ V_{p}$ 、 $Δ ρ$ 、 $Δ σ$ 分别为纵波速度、密度、泊松比、界面两侧介质纵波速度差、密度差及泊松比差,其中泊松比与 $V_{p} / V_{s}$ 表现为正相关,公式为:

(5)

\frac{V_{p}^{2}}{V_{s}^{2}} = \frac{2 (1 - σ)}{1 - 2 σ}

进一步地,将式(1)简写成:

(6)

R (θ) \approx P + G s i n^{2} θ + C (t a n^{2} θ - s i n^{2} θ)

。

当 $θ < 30^{°}$ 时, $C (t a n^{2} θ - s i n^{2} θ)$ 高阶项可忽略,式中, $P$ 、 $G$ 分别表示AVO属性中的截距、梯度,可以看出,截距 $P$ 与界面两侧介质的阻抗差异相关,梯度 $G$ 与由泊松比变化率 $Δ σ$ 表现为正相关性, $Δ σ$ 差异越大, $G$ 值就越大,而泊松比能较好区分中深层砂、泥岩,砂岩泊松比偏低值,泥岩偏高值,且不受阻抗差异影响,即 $G$ 值变化一定程度上可以反映岩性界面变化。

为了更直观地反映梯度 $G$ 物理意义,对叠前CRP道集每一道作反射系数 $R (θ)$ 和入射角 $θ$ 拟合,得到4种类型砂岩 $(θ, R (θ))$ 的AVO特征曲线(图1所示),具体弹性参数见表1。分析可知,Ⅰ类(深层高阻抗砂岩)、Ⅱ类a、b型(中深层阻抗混叠区砂岩)及Ⅲ类(浅层低阻抗砂岩)砂岩顶界面的AVO斜率(梯度 $G$ )均表现为负值,且不受纵坐标截距 $P$ 影响。基于此,可以利用AVO梯度解决常规地震在中深层砂岩顶界面辨识困难的问题。

图1

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图1 4类砂岩的AVO特征曲线

Fig.1 AVO characteristic curves of four types of sandstone

表1 4种AVO类型砂岩弹性参数

Table 1 Sandstone’s elastic parameters of four AVO types

	纵波速度/ (m·s^-1)	横波速度/ (m·s^-1)	密度/ (g·cm^-3)	纵波阻抗/ (g·cm^-3·m·s^-1)
Ⅰ类砂岩	5300	3050	2.55	13515
Ⅱ类a型砂岩	4700	2800	2.49	11703
Ⅱ类b型砂岩	4300	2610	2.47	10621
三类砂岩	3850	2600	2.40	9240
上覆介质	4150	2220	2.65	10997.5

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1.2 界面辨别可靠性分析

结合公式原理及不同砂岩AVO类型,证实了AVO梯度在中深层砂岩顶界面辨识的可行性,进一步地,本次研究通过岩性组合模式、储层物性及流体等参数变化论证AVO梯度砂岩顶界面辨识的可靠性。

研究区属于中深层富煤层系,基于实钻数据设计11类砂、泥、煤岩性组合模式,图2中红色为30 m厚度气砂,黑色为1 m或2 m薄煤,灰色为泥岩,不同岩性弹性参数如表2所示。图3为11类岩性组合模式的合成地震记录及对应的AVO梯度,其中子波采用主频25 Hz的雷克子波,AVO梯度由正演角道集,通过Shuey二项式计算得到,图中黑色虚线为气层顶界面在常规地震及AVO梯度位置。分析可知,随着岩性组合模式变化,气层顶界面在常规地震上相位规律不清,正、负及零相位均存在;而AVO梯度影响较小,不同岩性组合模式下,气层顶界面均对应负梯度。

图2

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图2 靶区11类岩性组合模式

Fig.2 Eleven types of lithological association in the target area

表2 靶区不同岩性弹性参数

Table 2 Elastic parameters of different lithology in the target area

岩相	纵波速度/(m·s^-1)	横波速度/(m·s^-1)	密度/(g·cm^-3)	纵波阻抗/(m·s^-1·g·cm^-3)	V_p/V_s
泥岩	3920	2130	2.64	10349	1.84
煤层	3100	1615	1.94	6014	1.92
气层	4000	2469	2.40	9600	1.62
水层	4140	2437	2.42	10018	1.70

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图3

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图3 气层模式下不同岩性组合正演分析

a—常规叠加地震;b—AVO梯度

Fig.3 Forward modeling of different lithological associations in gas case

a—normal post-stack seismic;b—AVO gradient

随后,将气砂通过Gassmann流体替换成水层,图4为水砂模式下不同岩性组合正演分析,其中图4a为常规地震,图4b为AVO梯度,黑色虚线为水层顶界面在正演常规地震和AVO梯度的位置。分析可知,气层替换为水层,水层顶界面常规地震相位规律不清,而AVO梯度依然表现为稳定负相位,与气层模式认识一致。

图4

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图4 水层模式下不同岩性组合正演分析

a—常规叠加地震;b—AVO梯度

Fig.4 Forward modeling of different lithological associations in water case

a—normal post-stack seismic;b—AVO gradient

进一步对储层物性变化分析,图5为砂岩孔隙度变化对常规地震及AVO梯度影响分析,图5a为不同孔隙下砂岩顶界面常规地震相位变化,图5b为不同孔隙下砂岩顶界面AVO梯度相位变化,横坐标从左往右指示孔隙度增大方向,红色虚线为砂岩顶位置,分析可知,随着储层物性由致密砂向高孔砂岩过渡,砂顶的常规地震相位呈现出正—零—负的变化,而AVO梯度则表现为稳定负值。

图5

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图5 储层孔隙度变化下的正演对比分析

a—不同孔隙下砂顶常规地震变化;b—不同孔隙下砂顶AVO梯度变化

Fig.5 Forward modeling based on reservoir porosity change

a—normal post-stack seismic change of different porosity;b—AVO gradient change of different porosity

通过岩性组合模式、流体及物性变化正演分析,研究表明:相比于常规地震,AVO梯度对储层顶界面指示性较好,表现为稳定的负相位,且不受地层埋深、压实等变化影响。基于此,直接利用反映叠前信息的AVO梯度,采用叠后方法解决中深层储层精细刻画问题。

2 叠前AVO梯度谱蓝化技术

2.1 技术原理及流程

谱蓝化地震高分辨率处理的实质是对测井反射系数频谱与地震数据频谱进行匹配求取蓝化算子,然后将算子和原始地震数据进行褶积得到优化后的拓频数据。本次研究在此基础上,对AVO梯度进行谱蓝化,提高中深层薄互砂岩刻画精度,具体流程如下:

1)AVO梯度地震频谱计算。选取目标井附近AVO梯度地震道,计算目的层段地震平均频谱 $\bar{S (w)}$ :

(7)

\bar{S (w)} = \overset{n}{\sum_{i = 1}} S_{i} (w) / n

式中: $S_{i} (w)$ 为第i道AVO梯度地震频谱,n为选取的地震道数。

2)测井反射系数频谱计算。传统谱蓝化主要针对叠后地震,求取测井波阻抗反射系数频谱,基于AVO梯度与泊松比变化率的相关性,本次研究依据式(5)求取泊松比 $σ$ 测井弹性曲线并计算泊松比反射系数:

(8)

R_{j} = (σ_{j + 1} - σ_{j}) / (σ_{j + 1} + σ_{j})

。

通过傅里叶变换求取泊松比反射系数频谱 $R (w)$ ,式中, $σ_{j}$ 为井纵向第j层的泊松比值, $R_{j}$ 为第j层泊松比反射系数值。

3)谱蓝化算子求取。计算AVO梯度地震频谱和泊松比反射系数频谱的谱蓝化算子,使得两者差异最小化:

(9)

m i n {‖T (w) [B (w) \cdot \bar{S (w)} - R (w)]‖}^{2} + R [B (w)]

式中: $T (w)$ 为锥度函数; $B (w)$ 为谱蓝化算子; $R (w)$ 为泊松比测井反射系数谱; $\bar{S (w)}$ 为AVO梯度地震平均振幅谱; $R [B (w)]$ 为正则化函数。

4)AVO梯度拓频数据计算。将时间域谱蓝化算子 $B (t)$ 与AVO梯度地震 $S (t)$ 进行褶积,得到拓频数据 $S_{o p t i m i z e d}$ :

(10)

S_{o p t i m i z e d} = S (t) * B (t)

。

2.2 模型试算

基于靶区A-1井实钻数据开展叠前正演模拟,验证AVO梯度谱蓝化技术辨识砂岩顶界面的可靠性。图6所示为AVO梯度谱蓝化前后对比分析,测井曲线为反映岩性的伽马曲线,图6a为A-1井道集正演求取的原始AVO梯度,可以看出P6、P7砂顶均对应负梯度,而P8a、P8b薄互层整体砂顶对应负梯度,但纵向上梯度区分度不够。进一步地,将其进行90°相移转换成岩性厚度预测(图6b所示),可以看出AVO梯度90°相移剖面可以较好地识别P6~P8段砂岩。

图6

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图6 靶区A-1井叠前AVO梯度谱蓝化效果分析

a—原始AVO梯度;b—原始AVO梯度+90°相移;c—谱蓝化AVO梯度;d—谱蓝化AVO梯度+90°相移

Fig.6 Analysis of pre-stack AVO gradient spectral bluing for well A-1

a—raw AVO gradient;b—90°phase shift of raw AVO gradient;c—spectral bluing AVO gradient;d—90°phase shift of spectral bluing AVO gradient

同时,针对AVO梯度地震纵向分辨率无法有效区分P8a、P8b薄储层刻画问题,利用谱蓝化对AVO梯度进行拓频(图6c所示),分析可知,拓频后AVO梯度较好地区分开P8薄互层,P8a、P8b砂顶均对应负值,而其90°相移剖面也更好地表征出这两套薄互层(图6d所示),验证了叠前AVO梯度谱蓝化方法的可行性。

3 应用实例

前面通过理论模型正演论证了AVO梯度谱蓝化拓频可行性,进一步地,基于靶区实钻井、震数据验证该方法在实际应用中的效果。A-1、A-1S井为XH凹陷斜坡带钻遇的两口深探井,目的层埋深约4 300 m,其中高部位A-1井P8a、P8b分别钻遇10 m、9.5 m优质气层,低部位A-1S井分别钻遇27 m气水层、2 m气层,钻后测试数据揭示P8a、P8b高低部位砂体各自相连通,如图7所示。

图7

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图7 A-1及A-1S井P8砂体横向展布

Fig.7 P8 sandstone distribution of well A-1 and A-1S

图8为过两口探井的常规地震(图8a)及AVO梯度剖面(图8b),受埋深、煤层及岩性组合影响,P6~P9段砂顶常规地震相位规律不清,A-1及A-1S井P6砂顶均对应正相位,而P7层A-1井偏零相位,A-1S井为正相位,同时,高部位A-1井P8a、P8b薄互层分别为正、负相位,低部位A-1S井为明显正相位;而梯度剖面上,P6~P9段高低部位砂体顶均对应负梯度,仅在高部位A-1井P8a、P8b难以有效区分,但该薄互层砂顶综合响应也为负,且AVO梯度在其泥岩隔夹层存在较明显辅波特征,可能指示互层特征。整体上,相比于常规地震,AVO梯度在深层砂岩界面表征上更好。

图8

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图8 过探井常规地震(a)及AVO梯度剖面(b)

Fig.8 Normal post-stack seismic(a) and AVO gradient(b) through exploration wells

进一步对AVO梯度地震开展谱蓝化高分辨率处理。为了提高靶点P8层拓频效果,此次选用A-1井进行测井谱与地震谱匹配算子求取,其中地震谱计算采用该井邻道P6~P9目的层段AVO梯度数据。图9所示为谱蓝化算子求取流程,图9a为A-1井目的层段泊松比反射系数谱计算,图9b为该井目的层段地震谱计算,蓝色为平均后地震振幅谱,图9c为测井反射系数谱与地震谱能量匹配计算,其中蓝色为地震平均谱,绿色为测井反射系数谱,红色曲线为求取匹配的谱蓝化算子,图9d为该算子的时间域形态,最后利用式(10)计算AVO梯度拓频数据。

图9

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图9 谱蓝化算子求取流程

a—测井反射系数谱计算;b—AVO梯度频谱计算;c—谱蓝化算子匹配;d—时间域谱蓝化算子

Fig.9 Process of spectrum bluing operator calculation

a—calculation of well-log’s reflection spectrum;b—calculation of AVO gradient spectrum;c—calculation of bluing operator;d—bluing operator in the time domain

图10为过A-1、A-1S井AVO梯度谱蓝化拓频剖面,与图8b原始AVO梯度相比,拓频后AVO梯度提高了对A-1井P8a、P8b纵向识别精度,两套薄砂岩顶均对应负值,同时,低部位A-1S井P8b层2 m砂岩地震有一定区分性,整体上,薄互层纵向分辨率有较大程度提高。

图10

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图10 过探井AVO梯度谱蓝化拓频剖面

Fig.10 AVO gradient section based on spectral bluing technique through exploration wells

为了更直观对比AVO梯度谱蓝化前后数据对薄储层的预测精度,将原始AVO梯度和拓频AVO梯度分别作90°相移,使得地震界面信息判别转为更直观的岩性厚度识别,图11a为原始AVO梯度90°相移岩性预测剖面,图11b为谱蓝化拓频AVO梯度90°相移岩性预测剖面,红色表征砂岩,浅蓝色偏泥岩,对比可知,谱蓝化拓频后AVO梯度岩性预测与A-1及A-1S井薄层匹配性更高,高部位A-1井P8a实钻10 m,反演厚度12 m,相较于拓频前反演的16 m,厚度精度更高,P8b实钻9.5 m,反演厚度8.5 m,优化后反演不仅有效地凸显P8b且厚度误差较小(约10.5%);低部位A-1S井P8a实钻厚度27 m,拓频前、后精度相近,但2 m 的P8b薄气层响应得到较好凸显,整体上,基于AVO梯度谱蓝化的岩性预测方法在保留较厚储层预测精度基础上,薄层刻画有较大改善。

图11

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图11 AVO梯度谱蓝化前(a)后(b)岩性预测效果对比

Fig.11 Lithology prediction comparison before(a) and after(b) AVO gradient spectral bluing

4 结论及讨论

中深层砂、泥岩阻抗混叠严重,利用常规地震表征岩性存在多解性,本文提出利用AVO梯度辨别砂、泥岩界面信息,通过岩性组合、物性及流体参数变化论证了该地震属性辨别砂岩顶界面的可行性及可靠性,为中深层储层刻画提出了一种行之有效的新方法。

传统的谱蓝化拓频主要应用于叠后地震数据,在中深层应用局限性较大。结合对砂、泥岩界面辨别更加敏感的AVO梯度信息,本文提出一种基于AVO梯度的谱蓝化拓频技术,通过理论模型试算及实际工区数据应用,验证了该方法在中深层高分辨率处理的适用性。

AVO梯度计算与CRP道集质量关联性强,较差的CRP道集会影响AVO梯度计算的精度,即AVO梯度抗噪性一般,因此,在使用AVO梯度砂、泥岩界面识别中,需要评估或优化CRP道集质量,这也是今后进一步研究需要讨论的问题。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李庆忠.

走向精确勘探的道路——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.