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油气地球物理解释技术研究进展(一)

油气地球物理解释技术研究进展(一)

地球物理资料解释是油气地球物理勘探中采集、处理、解释三个环节中的最后一个环节,主要是根据地震资料确定地质空间几何形态,推断储集层的厚度、岩性及层间接触关系,以及储层的岩石和物理性质。解释技术贯穿油气勘探开发的全过程,涉及构造解释、地层岩性解释、储层解释以及流体检测等多个方面。按照油气地球物理勘探技术发展,地震勘探可自20世纪70年代、2000年和200年之后划分为二维地震、三维地震、全波地震三个时代。近年来,由于三维地震和全波场地震勘探已有的庞大的数据量和较为完备的处理技术积累,三维叠后属性应用在储层预测方面发展迅速,促使地震解释技术向多学科综合、与岩石物理的融合、自动化地震解释等方向蓬勃发展,另外,非常规储层的地震表征技术发展了针对性的甜点预测技术。地球物理解释技术新进展主要集中在裂缝检测分析、三维地震属性优化、全波形反演、AVO、海洋电磁勘探等方面。

1裂缝检测分析

裂缝可以改善油气储集的储层空间,连通无效孔隙,提高储层渗流能力,对富集区油气藏的形成和分布也有控制作用。从20世纪80年代末至今,越来越多的学者开始从叠后地震信息、三维宽方位地震资料、多波裂缝预测、构造应力场分析等方法进行裂缝的综合和定量预测。例如:利用三维方差体、三维相干体、谱分解、倾角扫描技术、多尺度边缘检测等叠后地震信息进行裂缝预测的方法;利用三维宽方位地震资料开展地震属性的各向异性分析和裂缝预测,包括P波振幅、速度等;多波裂缝预测方法,即多波多分量裂缝检测、横波勘探等。

预测相关的叠后三维地震属性分析是围绕地震反射波形的突变(不连续性)而开展的,特别是倾角/方位角分析、曲率分析、相干分析等技术是近年来业界的研究亮点。而自动断层解释技术主要涉及基于蚁群算法的自动断层追踪和三维地震体断层成像等方法。

1.1结合地震相干体属性的断层自动提取

常规断层解释是技术人员在三维地震数据的剖面和水平切片上,通过视觉识别反射层的不连续性,沿着测线方向或者与断层走向垂直的任意测线追踪断层,从而实现手动断层解释的。此方法周期长、主观性强、特别是断层系统比较复杂和走向不明时,解释断层的组合就面临很大的难度。地震相干性才作为一种独立的地震属性展示出来,并且立即受到国际众多专家的极大关注。后来,相继提出第一、二、三代相干体算法(C1、C2、C3)。他们结合三维可视化技术,利用相干体技术,可通过相干切片、相干层切片或相干透视图等手段,反映地下断层展布及断面的特征,实现断层的全三维解释。

帕拉代姆公司与科罗拉多大学BP可视化中心共同合作研发了AFE(AutoFulatExract)断层自动提取技术,并已经整合到帕拉代姆软件平台的工作流程中,基于该项专利技术研发的断层自动提取软件在预测断层及裂缝发育带方面取得了较好的效果。该技术可以结合地震相干体属性在三维地震不连续数据体(相干体)上自动提取断层线,从而得到断层面。这一技术的应用减少解释人员花费在三维断层解释上的时间,使三维断层面的解释准确又一致,并且可以利用已解释的断层面作为约束条件,提高层位自动追踪的效率和准确性。其结果可以为三维地质建模提供输入数据。

1.2使用连续相位谱中的体曲率进行断层特征描述

地震属性的相关文献表明曲率可用于识别断层、裂缝和不连续性。一种方法是先提取层,然后计算其曲率,其局限性是只能计算层面的曲率属性,并且其结果可能引入由于解释偏差而造成的误差。另一种方法是计算体曲率,这需要自动计算地震体主测线和联络线方向上的视倾角。而体的视倾角传统的计算方法受信噪比和相关时窗长度的影响,工作流程复杂并且分辨率具有局限性。

巴基斯坦LMKR石油信息技术公司提出了采用地震数据时频分解和连续相位谱的空间梯度计算体曲率的方法。该频率域方法使用了地震道的时间连续的相位谱,从相位谱的空间梯度计算体积视倾角。两个视倾角的空间梯度提供体积中地震层位的二阶系数。通过结合第一和第二阶系数推导曲率属性。这种方法克服了上述两种曲率的局限性,并且能够提供更高分辨率的体曲率属性。该算法对合成和实际地震资料进行了测试。先进行地震数据的谱分解,再由连续相位谱梯度产生主测线和联络线的倾角体,最后结合主测线和联络线的倾角体的导数计算倾角大小和最大曲率属性。通过合成和实际数据的实例研究表明最大曲率属性可识别断层走向,区分上升盘和下降盘,并且可以表示断层倾角的大小。

断层自动提取技术可以三维地震相干体上自动提取断层线,得到断层面,从而可以减少解释人员花费在三维断层解释上的时间,提高效率和准确性。通过计算曲率属性可用于识别断层、裂缝和不连续性,区分上升盘和下降盘,并且可以表示断层倾角的大小。断层自动拾取和层位自动追踪结合,可以形成了一个新的构造自动化解释系统,有助于复杂地区的油气勘探。

1.3利用地震方位道集的多震属性裂缝预测

在裂缝检测方法中,常规测井能得到裂缝的发育情况,但局限于井点处的裂缝研究,成像测井仍是目前最为可靠的裂缝识别方法。在地震裂缝预测方法中,纵波各向异性裂缝预测方法应用较为广泛,能够比较准确得到高角度裂缝的分布特征;相干体及倾角检测法,叠前远近偏移距属性差法,叠后融合属性法,多尺度边缘检测法以及地震反演方法无法预测裂缝方向,但能够得到裂缝的发育程度数据体;构造应力场分析法经常用于分析界面构造缝的分布特征;横波与转换波、VSP裂缝预测方法受成本限制,均未广泛应用。

目前,大尺度缝—描述百米级裂缝,主要通过井震结合(井信息约束),确定曲率、AFE属性的门槛值来预测;小尺度缝—面元级裂缝,主要通过井信息约束的叠前分方位裂缝预测技术进行识别(FRS、AVAZ软件、ES360、ET等软件)。

目前利用方位纵波地震数据探测裂缝性地层方法较多,通过方位弹性参数分析、各向异性梯度反演可以准确的指示地层裂缝密度、走向和发育带。CGG技术人员研究结果显示,裂缝发育与断裂系统密切相关,裂缝密度高的区域产能也较高。他们根据叙利亚东北部的哈萨克地区Tishrine油田工区100多口井裂缝分布信息的统计,按照裂缝的规模分为裂隙(中低倾角,多方位,中低裂缝密度)和裂缝群。统计表明,油田裂缝走向主要为北北东,北北西和北西西三个方位。其中张开缝和弥合裂缝主要方位是北北东向。

2地震属性综合应用

地震属性是作为地震解释的一项重要油气指示技术,经历了从瞬时属性、简单振幅属性、AVO属性到现在的反演属性、谱分解属性、地震几何属性如曲率属性、相干属性、地震纹理属性等的过程,多种地震属性的提出在辅助三维地震解释工作中发挥了重要的作用。近年文献反映的属性方法仍以传统的频率、振幅、波形类属性为主,应用领域包括构造分析、圈闭评价、气烟囱探测、储层识别等方面。地震属性技术进入直接烃类检测、瞬时属性(振幅)、复数道分析、相干体属性、地震相分析等阶段,广泛应用于储层预测、油气藏特征描述、油气藏动态监测等领域,已经是常规油气、岩性油气藏和非常规油气资源描述的重要组成部分,在勘探地震和开发地震阶段的应用也更为科学和合理。

2.1三维地震属性优化

三维地震属性优化技术是基于地震、地质、测井和生产测试数据,一般通过属性预处理,采样训练,多变量步步识别,非线性主成分分析,建立判别模型。可以从众多地震属性中挑选出与研究目标反应最敏感的优势属性,再利用优化后的地震属性预测储层,可以提高预测精度,减少多解性。

地震属性优化分析技术的发展提高了特殊储层和特殊地质体的解释精度,叠前-叠后联合解释技术日益成熟。中石油东方地球物理公司研究院在对中国南方页岩气的微裂缝预测研究中,基于大量的构造类属性能够反映页岩气储层中的断层和裂缝的认识,他们认为相干属性和基于自组织映射(KSOM)神经网络的构造属性融合能够较好的预测研究区页岩气储层的裂缝发育情况。一般认为在具有高质量、宽方位角的三维地震数据的情况下,利用偶极声波测井数据联合地震数据进行反演,可以得到较为准确的地层弹性力学参数,进而预测裂缝的发育情况。但在没有高质量反演数据的情况下,三维地震的曲率属性对于水平井的裂缝预测是有效的。

2012年CGG发布了Hampson-RussellHRS-9/R2油藏描述软件套装,赋予了旧版聚焦非常规资源的新能力。属性软件包是从叠加后的地震数据体中推导出的多道(空间)属性的集合。这些属性包括曲率、相位一致性和能量比,可广泛用于寻找裂缝和不连续体,对于资源区很有用。HRS-9/R2内新增基于瞬时时间与空间属性的体积曲率,用于能量比计算的Karhunen-Loeve变换和基于经验模式分解(EMD)的新频率属性。

2.2相干体属性

相干体属性利用相邻地震道间波形的相似性,将三维地震数据体转换为相干数据体,刻画出波形的不连续性,近年来在研究识别沉积相、河道、碳酸盐岩裂缝特征以及火山岩预测等方面均取得了较明显效果。

至今,相干属性的发展已经历经了三代标志性的历程,由于适用性方面的限制并未得到后续推广,以互相关-相似性-本征结构为主线的三代相干算法发展较快,并且是相关主流商业软件中核心算法。第一代采用地震数据相邻道之间波形在不同延迟时刻的互相关值来表征的相干算法,它针对高信噪比的资料具有较好的提取效果,但是对与低信噪比的地震资料并不适用;第二代相干算法,通过相似系数的方式进行计算相干属性,较好的提高了相干属性的信噪比;第三代用互相关系数构建协方差矩阵并对矩阵进行特征分解的本征结构相干算法,该算法中,包括了不进行离散倾角扫描以及进行离散倾角扫描方式所构建的不同形式的协方差矩阵,进行离散倾角扫描方式我们称之为C3.5算法,C3.5算法目前为止计算精度最高,然而该算法耗时较多,并且对于低信噪比的资料其计算效果常常不如第二代相干算法。近年,不少学者提出了通过梯度结构张量(GST)的方法进行相干体的计算以及关联局部熵的方法进行计算。

第75届EAGE年会上,提出了一种结构相干算法,该算法基于结构映射的灰色矩阵函数,从纵横两个方向计算地震相干属性,能够在不同方向充分利用地震信息。与第一代相干算法相比,该算法简单、高速,融合了多方向信息,可更有效地识别断层和河道。还有一种超道技术,通过联结多个地震道形成一个超道从而改善了相干算法的稳健性。基于超道的第一代相干算法抗噪声干扰能力更强,算法稳定、分辨率高,并能够用于快速的地层倾角估算。

由于地质体的构造特征产生的地震响应会在特定的频谱段中表现出来。为识别相同地震数据在不同尺度上的地质非连续性,采用了一种频谱相干的算法。该算法的基本流程是先进行地震数据的频谱分解,之后提取相应的频率成分,最后采用特征构造的相干算法进行计算。该算法能够定量识别不同尺度下地质体非连续性特征,与传统的相干剖面相比,低频相干反映了大尺度的断层,中频相干反映了断层附近的裂缝情况,高频相干则表现为细节的非连续性。过对目的层的地震响应特征分析,选取恰当的属性及其组合进行储层预测可以提高预测精度。

3全波形反演技术新进展

20世纪八十年代,一些学者提出了时间域的全波形反演,并在八十年代早期完成了模型测试,随后实现了2D全波形反演声波和弹性波的实际资料应用。近年全波形反演文献主要是以应用为主,采用的是叠前算法,按应用的方向可以分为三类:叠前反演在岩性预测中的应用,叠前反演在储层物性参数中的应用和叠前反演在储层流体检测中的应用。

EAGE年会上展示了频率域声波全波形反演在Valhall油田的应用实例,这一成果引起了当时参会地球物理学家的轰动。随后,SEISCOPE研究小组也先后展示了3D全波形反演在实际资料中的应用成果。由于在采集过程中陆上资料受到较多干扰,导致其信噪比差,由于陆上采集的原因,致使其缺少低频,另加上近地表吸收衰减以及复杂地表等诸多因素影响,陆上资料的全波形反演成功应用还受到很大限制,3D情况下更甚。值得一提的是,GeophysicalProspecting介绍了Shell公司与东方地球物理公司共同合作内蒙古低频勘探的2D声波全波形反演的结果。东方地球物理公司采用了大偏移距、固定检波器的低频勘探,最大偏移距达到了25km,这一观测系统为陆上资料的成功应用打下了基础。

3.1全波形反演不同算法比较

对全波形反演的几种不同算法进行了比较,一般认为截断牛顿法在近地表全波形反演中,比其他几种算法(Gauss-Newton,l-BFGS,steepestdescent)效果更好。图8是近地表纵波速度模型,定义模型为3.5m深,30m宽,两个高速体(4000m/s)镶嵌在低速(300m/s)背景下,底部有一个速度为500m/s的水平层位。离散网格的间距为0.15m,有3条震源/接收线,一条位于表面,另一条位于左侧,第三条位于右侧。生成9个合成数据体,采用9个离散频率,从100Hz到300Hz,间隔25Hz。用右侧图作为初始模型同时进行反演,为了检验算法稳定性,增加了-3dB噪声,结果显示最陡下降法和l-BFGS算法经过几次迭代就停止了,而Gauss-Newton法和Newton成功使误差函数(misfitfunction)收敛,相对来说Newton法收敛较快。四种方法反演出来的模型效果不同,其中最陡下降法的结果最模糊,l-BFGS和Gauss-Newton方法稍好,Newton法的反演结果最好。

3.2全波形反演新方法

对二维海底拖缆采集数据(2DOBC)进行图形引导全波形反演,相比较传统FWI,IGFWI由于考虑了地下结构,更适合地质成像,地震偏移成像更合理。此外,IGFWI迭代次数更少,收敛速度更快,尤其在用反射能量去反演在高波数模型时。通过对二维海底电缆采集数据进行IGFWI测试。测试中,首先用折射波数据对模型的低波数成分进行更新,然后用反射波数据对高波数数据细节进行反演。在用反射波数据进行反演过程中,加入了构造限制,这样得到的估计模型看起来更符合地质情况。

传统FWI需要耗费大量计算资源,同时也由于在计算中容易陷入局部最小值,使得计算结果具有非唯一性。由于局部最小和周跳因素导致模型和地下结构相差甚大。为了弥补这种误差,发展了多尺度方法,但该方法的可靠性主要与模型低频内容的可靠性有关。

通过对几种全波形反演方法比较,证明了IGFWI可以改善2DOBC数据的速度模型,相比较传统的FWI,IGFWI采用反射数据,由于采用了从偏移地震成像上获得的地下结构信息,从本质上解决了稀疏反演问题,生成的速度模型更符合地质规律。

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