从勘探领域变化看地震储层预测技术现状和发展趋势
2018-03-10甘利灯王峣钧孔丽云杨廷强
甘利灯 张 昕 王峣钧 孔丽云 杨廷强
(①中国石油勘探开发研究院，北京 100083； ②电子科技大学资源与环境学院，四川成都 611731)
1 引言
地震储层预测就是以地震信息为主要依据，综合利用其他资料(地质、测井、油藏等)作为约束，对油气储层的品质参数，如几何特征、地质特性、油藏物理特性等，进行预测的一门专项技术[1]。主要内容大体分为四个方面：一是岩相预测，即控制储层发育的相带；二是岩性预测，包括储层的岩性、厚度和顶面构造形态；三是物性预测，诸如孔隙度、渗透率等；四是含油气性综合分析，即研究储层内所含流体性质及其分布、饱和度等。随着非常规油气勘探技术的兴起，储层预测的内涵也得到了迅速扩展，已从储层品质预测扩展到源岩品质和工程品质预测。当前，地震储层预测技术已经成为油气勘探生产中储层预测的主导技术之一，它能较好地根据不同勘探生产阶段的不同需要，提供不同类型、不同精度的储层预测成果，为油气勘探生产服务。
地震储层预测遵循“找规律、提信息、做解释”的过程。其中“找规律”是基础，需要地质模式的指导，其核心是发现储层和非储层的地球物理差异及其可识别性，属于地震岩石物理分析的研究范畴。“提信息”是关键，就是把这种可识别的差异信息从地球物理信号中提取出来，属于地震储层预测方法的研究范畴，主要技术有地震属性分析与地震反演等，它不但要求地震资料是保真的，即实际地震资料与井点合成记录(叠后、叠前道集、蜗牛道集)吻合，而且要满足地震储层预测技术的前提假设。“做解释”是目的，就是依据差异信息解释储层的空间展布形态、储层内部的非均质性和含油气性，甚至烃源岩品质和工程力学品质等，最终实现储盖组合评估、砂体追踪、物性预测、流体预测、储量估算、井位井型井网优化等勘探生产任务。获得高保真的地震资料与采集和处理密切相关，因此，地震储层预测实际上是一个系统化的采集、处理、解释过程，任何一个环节都会影响其最终的预测结果。其中最关键的基础有两个，一是地震岩石物理分析，二是高保真地震资料处理。
地震储层预测是20世纪70年代初兴起、90年代迅速发展普及的一项技术，已在国内外各大油田得到广泛应用，效果显著，成为提高钻井成功率和勘探开发效益的重要手段。其发展历程大致可以分为以下几个阶段[2，3]。第一阶段是20世纪70年代以前，主要利用地震波旅行时信息进行构造和断层识别，确定潜在的油气圈闭。第二阶段是20世纪70年代初到70年代末，主要利用的信息从旅行时发展到地震振幅，先后出现了“亮点”技术、以地震剖面彩色显示和复地震道分析为核心的地震属性分析技术、以递推反演为代表的波阻抗反演技术、以及以地震相分析为核心的地震地层学分析技术等。第三个阶段是20世纪80年代初至世纪末，主要进展包括两个方面，一是利用的信息从叠后振幅发展到叠前振幅，如80年代初期出现的AVO分析技术，1999年出现的EI反演技术，使地震属性分析和反演技术从叠后推向叠前；二是随着90年代初期三维地震技术的普及，涌现了大量新的地震属性(如倾角、方位角、相干体、方差体、纹理和频谱分解属性等)，地震属性分类与聚类技术、模式识别技术和基于神经网络的属性分析技术，以及各种叠后地震反演技术的迅猛发展和大规模应用，解决了大量岩性地层油气藏的勘探开发问题，充分显示了地震储层预测技术的重要作用。第四个阶段就是本世纪以来，随着储层预测技术日趋成熟，以及“两宽一高”地震技术的推广应用，地震储层预测利用的信息也从叠前振幅逐步向宽/全方位叠前振幅发展，先后出现了地震岩石物理分析与叠前反演相结合的定量地震解释技术、方位各向异性属性分析和反演技术、曲率属性、多属性分析技术、以及基于频散和衰减属性的地震储层预测技术等。这个时期随方位和频率变化信息的利用得到了重视，这也预示了储层预测技术未来发展的方向。此外，基于地震岩石物理分析，结合地质、测井和油藏等多学科资料的综合应用技术也已成为地震储层预测发展的趋势。本文试图从勘探领域变化带来的储层介质的变化，以及储层预测技术的前提假设与实际介质之间的差异出发，分析当前储层预测技术现状和技术需求，总结储层预测技术发展趋势，给出整体技术的发展建议。
2 地震储层预测技术需求
与全球油气勘探发展历程一样，中国油气工业的发展历史也主要经历了构造油气藏、岩性地层油气藏和非常规连续型油气藏三个发展阶段或勘探领域[4]。上个世纪主要以构造油气藏勘探为主，对地震技术的需求是构造成图，需要准确的旅行时信息，因此精确构造成像是关键。上个世纪末，中国陆上油气勘探总体上从构造油气藏向岩性地层油气藏转变，并在“十一五”期间进入发现高峰期[5]。其核心是寻找有利的岩性地层圈闭，地震技术要解决复杂岩性问题，如大面积薄互层砂岩、深层火成岩、缝洞碳酸盐岩等储层描述问题，岩性和物性(孔隙度和裂缝等)预测是关键，需要准确的时间和振幅信息，包括叠后、叠前和宽方位叠前振幅信息。当前，油气勘探领域已进入三者并重发展阶段[6]，即构造与岩性地层油气藏、深层与中浅层油气藏以及常规与非常规油气资源并重发展，且以岩性地层油气藏勘探为主，深层和非常规油气越来越重要的阶段。从岩性地层油气藏向非常规连续型油气藏跨越的过程中，找油气的思路是从岩性地层圈闭向无明显圈闭界线的储集体系过渡，核心是寻找油气储集体[4]。对地震技术的需求是三品质预测，即源岩品质、储层品质和工程品质，包括TOC(总有机碳)含量、岩性、物性、含油气性、脆性、应力和裂缝等[7]，需要准确的时间、振幅、频率和方位等信息。可见，从构造到岩性地层再到非常规油气，对地震储层预测技术需求日益增多，对地震信息的保真要求日益增强(表1)，地震储层预测面临的挑战日益突出。
表1 不同勘探领域对地震资料与保真处理的需要
3 地震储层预测技术现状
目前，由于地震技术储备跟不上勘探领域变化带来的技术需要，物探技术人员总感到力不从心、疲于应付。地震储层预测技术的发展历程[2]可以清晰证实这个观点。早在20世纪80年代初，勘探领域从构造转向岩性，地震勘探先后出现了“亮点”和AVO技术、波阻抗反演技术、模式识别技术等，到了90年代末岩性目标的描述在地震领域已经是非常成熟的技术，此时地质上才逐步提出了岩性地层勘探的理念。也就是说地震技术领先于勘探领域对技术的需求，所以物探人员可以从容应对。随后在本世纪初又从波阻抗反演进一步延伸到叠前反演，岩性地层勘探问题可以得到更好地解决。但是，近几年勘探目标很快转到了火山岩、碳酸盐岩等复杂岩性，接着又转入了致密油气，甚至是页岩油气，勘探目标的快速变化，使原来的地震储层预测技术的介质假设不适应勘探新领域的实际介质条件，地震技术储备严重不足，技术应用面临前所未有的挑战。此外，当前储层预测过程中沿用了一些构造圈闭预测的做法，如以储层顶界为基础的属性分析和储层解释方法，这与当前勘探目标不匹配。技术储备不足和面向构造圈闭的储层预测思路与做法，使当前地震储层预测技术应用处于混沌状态：似乎每一项勘探开发工作都要用到地震技术，即地震是万能的，但在实际应用中又都做不到彻底解决问题，总感到心有余而力不足，如碳酸盐岩缝洞雕刻、致密砂岩和页岩气储层中TOC含量预测、裂缝识别、油气检测和脆性预测，以及开发后期的超薄砂体预测和剩余油分布预测等，致使地质家和油藏工程师对地震技术的应用产生了质疑和动摇。
4 地震储层预测关键技术发展方向
储层预测是为油气勘探开发服务的，勘探领域从构造、到岩性地层、再到非常规油气的变化，决定了地震储层预测的技术需求。为了适应这种变化，地震储层预测需要解决的关键基础问题就是如何准确描述地震波在“介质”中的“传播”。
地震波“传播”的描述，既可以采用几何地震学的方法，也可以采用波动地震学的方法。前者通过波前、射线等几何图形研究地震波的传播规律，包括传播路径(射线)、传播速度、旅行时间等运动学参数。几何地震学以费马原理、惠更斯原理、反射定律和透射定律为理论依据，以褶积模型为手段，通常假设介质是层状、均匀、各向同性的，它可以非常好地解决构造问题和部分岩性地层问题。要想进一步解决更复杂的地质问题，如孔隙结构、孔隙中的流体预测问题，还需采用波动地震学的方法。波动地震学从介质运动的基本方程——波动方程出发研究地震波的传播规律，包括波形、频率、吸收、极化特点等动力学参数，可以适应不同类型介质条件，也为时间和振幅之外的地震信息，如相位、频率、衰减和频散等信息的应用提供了理论基础。频散和衰减是地震波蕴含的两个非常重要的信息，因为这两个参数与孔隙结构和孔隙中流体相对固体运动造成的影响密切相关。整体上看，从基于几何地震学的储层预测方法向基于波动地震学的储层预测方法过渡是今后发展的必然趋势。但是，基于波动方程的储层预测方法计算量大，目前大规模工业化应用还不成熟，因此基于波动方程线性化近似公式的储层预测方法更为现实。波动地震学在一定条件下可以过渡到几何地震学，一是异常体尺度远大于波长，二是振幅的旋度为有限值，因此地质体尺度与使用的频率决定了地震传播描述方法的可靠性。
其次是“介质”，这是地震储层预测的起点，也是储层预测的目标，对储层预测技术的影响至关重要。沿着勘探目标从构造、岩性地层、致密油气到页岩油气这个趋势看，地震储层预测的对象发生了很多变化。第一，从盆地边缘向盆地中心推进，埋深越来越大；第二，储层与围岩的差异越来越小，非常规油气则没有围岩的概念；第三，储层越来越薄，尺度越来越小；第四，物性越来越差，主要表现在孔隙度和渗透率越来越低，而且孔隙结构越来越复杂。从地震的角度看，最本质的变化有两个方面，一是介质发生了变化，即介质越来越复杂，从构造勘探阶段的层状均匀介质，到岩性勘探阶段的孔隙(非均匀各向同性)介质，再到非常规油气的裂缝—孔隙(非均匀各向异性)介质；二是异常体尺度越来越小，从构造勘探阶段的千米级，到岩性勘探阶段的百米级，再到非常规油气阶段的十米级。通常地震勘探中使用的地震波长在几十米范围，在构造勘探阶段，异常体尺度远大于波长，因此几何地震学是适用的；在岩性勘探阶段，如果不考虑复杂岩性体，如裂缝型火山岩和碳酸盐岩储层，几何地震学也是适用的；但在裂缝—孔隙型储层和非常规油气勘探中，由于目标尺度接近地震波长，且储层存在非均质性和各向异性，因此理想介质模型应该是非均匀各向异性模型，理论上不能用几何地震学描述如此复杂介质中传播的地震波。
此外，随着孔隙度和渗透率的降低，孔喉半径越来越小，孔隙中流体流动由达西流变成非达西流，这导致波传播过程中孔隙流体诱导的衰减和频散增强，描述波传播必须考虑衰减和频散的影响，对应的储层预测方法应该是基于非均匀各向异性介质和黏弹性波动方程的预测方法。然而，基于这种复杂介质模型的储层预测技术大多数仍处于试验阶段。目前流行的绝大多数储层预测技术都基于最为简单的层状均匀介质假设，这种介质假设考虑了孔隙的大小，但没有考虑孔隙形态和结构，更不考虑孔隙中流体相对于固体的运动，因此仅适用于高孔隙度条件下的岩性(固体基质部分)和孔隙度预测。实际上，本世纪初Wang[8]就指出：孔隙形态对弹性性质的影响远超岩性和孔隙度本身的影响。同样，这种介质假设也没有考虑各向异性，因此无法描述火成岩和碳酸盐岩储层，以及非常规储层中普遍发育裂缝的特征。
随着勘探领域的变化，储层介质日益复杂，地震资料处理保真性难以保证，预测的可靠性越来越低，这是造成当前地震储层预测技术困境的根本原因。为此，储层预测技术的介质假设应该从层状、均匀、各向同性介质向连续、非均匀、各向异性介质发展； 其次是储层预测方法应从基于几何地震学向基于波动地震学发展，基于频散与衰减属性以及基于宽方位地震属性的储层预测方法是重点发展趋势，未来地震解释应该基于全波场或矢量波场； 第三是保真资料处理，如保幅、保AVO、保方位和保频处理，要特别关注地表和浅层多次波对目的层资料的影响，考虑全波场或矢量波场的保真处理是终极目标； 第四，由于储层日益复杂，横向变化越来越大，地震相约束的储层预测技术，特别是相控地震反演技术已成为重要趋势[9、10]。这些趋势也就决定了地震储层预测关键技术的发展方向，具体包括以下五个方面。
4.1 地震岩石物理分析技术
地震岩石物理研究地层参数与岩石物理参数之间的关系，用于分析地层参数变化对地震响应的影响，可以分为试验、理论和应用岩石物理三个部分。三者的关系是：试验岩石物理的作用是验证，理论岩石物理的结果是模型，应用岩石物理的基础是理论(即模型)，因此模型的建立和使用是岩石物理研究的核心。从岩石构成出发，可以将岩石物理模型细分四个部分[11]：孔隙流体(油、气、水)模型、基质模型(固体矿物+孤立孔隙)、骨架模型(基质+空的连通孔隙)以及饱和模型(骨架+孔隙流体)。这样，将每一部分中的一种模型组合起来，就可以形成所需要的、接近实际介质的岩石物理模型。确定了理论模型之后，就可以利用实测的纵横波速度和密度约束模型参数的优选，从而完整地确定目标层段合适的岩石物理模型，这就是岩石物理建模的过程，它是地震岩石物理分析的基础。在岩石物理建模的基础上，从三个尺度(宏观、中观和微观)和三个维度(频率、孔隙与流体分布)分析储层参数对弹性性质的影响，进而开展岩性、物性、含油气性等敏感因子分析与优选，为地震解释提供依据和解释量板，这就是地震岩石物理分析的主要内容。在试验岩石物理方面，首先要发展低频测量技术，形成全频带岩石物理分析技术；其次是研发复杂孔隙结构与孔隙流体分布的测试和描述技术；第三是研究裂缝型储层岩心分析和致密储层孔隙流体驱替等试验技术。在理论岩石物理方面，围绕三个维度，特别是孔隙和流体分布非均匀性对弹性性质的影响研究是未来发展的重要方向，如裂缝—多孔介质的岩石物理建模、频散和衰减与储层参数之间的关系等，其次是数字岩石物理。在应用岩石物理方面，基于频散与衰减和各向异性的敏感因子分析、基于地震岩石物理的定量解释、开发和开采过程的岩石物理机理研究和模拟、非常规油气地震岩石分析、以及地震岩石物理分析技术的工业化应用是主要发展趋势[12]。
4.2 地震正演模拟技术
地震正演模拟就是在假定地下介质结构模型和相应物理参数已知的情况下，模拟地震波的传播规律[13]，并研究地震波的传播特性与介质参数的关系，最终实现对实际观测地震数据的最优逼近[14]。地震正演模拟可以分为几何射线法和波动方程法两大类。
几何射线法属于几何地震学的范畴，是建立在射线理论基础上的波动方程高频近似，其主要目标是记录地震波传播路径、反射点位置、波场分布特征等运动学特性，通过求解程函方程和输运方程分别得到地震波的旅行时和振幅信息，主要包括基于平面波理论的射线追踪方法和基于球面波理论的反射率法。射线追踪法的计算成本低、效率高，但由于是高频近似，计算精度低，不能很好地描述地震波的临界反射、转换波和层间多次波等，不适用于物性参数变化较大的介质模型[15]和各向异性介质模型[16]。反射率法考虑了反射层中的多次反射波和转换波，具有很高的计算效率和精度[17]，广泛应用于层状各向异性[18]和方位各向异性[19]等介质的合成地震记录计算，但该方法只能适用于垂向非均匀介质，即水平层状介质。
波动方程法以波动理论为基础，其主要目标是获取地震波在地层中传播的频率、振幅和相位的变化及地震波的其他动力学特征，可以分为积分法和微分法。积分法是基于惠更斯、菲涅尔和基尔霍夫积分等原理建立起来的一套理论体系，其核心是求取或计算Green函数，主要用来解决均匀背景介质上的非均匀地质体散射问题，计算过程中需要给出特定的边界条件[20]。微分法是对介质模型网格化，通过数值求解描述地震波传播的微分方程模拟地震波场传播，主要包括有限元法、伪谱法、有限差分法等。有限元法是以变分原理和插值技术为基础的波动方程数值模拟方法[21]，对计算机内存要求很高，计算量大。伪谱法大大加快了计算速度，并节省了计算机存储空间[22]，但该方法对边界的处理较难。有限差分法是目前应用最广泛的方法[23]，其方法简单，运行速度快，但难以克服空间离散带来的数值频散问题。高阶差分方法和一阶弹性波交错网格方法的提出与结合，形成了一阶交错网格高阶有限差分方法[24]，与常规有限差分法相比，该方法较好地克服了数值频散问题的影响，因而在弹性介质[25]、黏弹性介质[26]、非均匀介质[27]、各向异性介质[28]、孔隙介质[29]、裂缝—孔隙介质[30]的正演模拟中取得了相对成功的应用，但该方法在处理非均匀性较强的介质时需要对物性参数进行平均或插值，且对自由界面也需要进行单独处理。旋转交错网格技术(Rotated Staggered Grid,RSG)的提出[31，32]和不断改进[33]，有效改善了常规交错网格方法的不足，未来将在非均质储层的地震正演数值模拟中发挥更大的作用。
上述两类数值模拟方法各有其特点，同时又有着千丝万缕的联系。几何射线法将地震波波动理论简化为射线理论，主要考虑的是地震波传播的运动学特征，缺少地震波的动力学信息，因此计算速度快； 波动方程法能够得到地震波场所有信息，但其计算速度比几何射线法要慢。随着地震勘探目标从构造、岩性到非常规储层的发展，勘探目标尺度越来越小，所对应的介质也经历了从层状均匀介质、孔隙介质到各向异性孔隙介质的变化过程，这就要求地震正演模拟在保证计算效率的前提下尽可能得到地震波场的所有动力学信息。因此，只有将波动方程法和几何射线法相结合，才能够更好地解决当前勘探领域面临的各种正、反演问题。
4.3 井控保真宽频资料处理与质控技术
随着勘探领域由构造到非常规油气的转变，地震储层预测对地震资料的要求日益苛刻，主要包括三个方面，一是资料必须满足储层预测技术的前提假设，二是要保证井震一致性，即合成记录与实际资料必须吻合，三是满足各向异性分析需求的宽方位地震资料处理。第一个要求可以归结为资料保真性问题，如构造解释的时间保真，基于振幅储层预测的振幅保真，基于频散和衰减方法的频率保真，基于方位各向异性方法的方位保真，因此多目标处理是发展方向。目前，时间信息保真比较容易实现，唯一要注意的是长波长静校正问题。振幅保真是当前最为紧迫的问题，而频率和方位保真还处于探索阶段。第二个要求就是加强钻井信息的约束、辅助和验证作用，即井控地震资料处理。第三个要求是适应各向异性分析和“两宽一高”地震资料采集的发展趋势。因此，井控、保幅、宽频/宽方位地震资料处理是地震储层预测对资料处理的总体要求。
井控地震资料处理理念是20世纪末西方公司提出的，其宗旨是利用井中观测的各种数据提取球面扩散补偿因子、Q因子、反褶积算子、各向异性参数和偏移速度场等参数，用于地面地震资料处理或参数标定，使处理结果与井资料达到最佳匹配。发展到现在，井控地震资料处理的内涵不断扩大，井控处理可以利用井中观测的各种数据，对地面地震处理参数进行标定，对处理结果进行质量控制[34]。
保幅一般都是指相对振幅保持，通常包括三个方面。①垂向振幅保持，是指通过多种处理手段消除地震波在垂直方向上由于球面扩散、地层吸收衰减等原因造成的振幅损失，处理方法主要包括球面扩散补偿、Q补偿、透射补偿等。②水平方向振幅保持，是指消除地表及近地表结构、采集参数(震源类型、检波器类型、药量、激发井深、设备等)等因素的横向变化造成的地震波在水平方向上的振幅变化，包括炮间能量差异、道间能量差异、叠加剖面的横向能量异常等。这些振幅变化仅与地表观测条件有关，而与地下地质构造和储层及油藏性质无关。处理方法主要包括子波整形、地表一致性振幅补偿、叠前数据规则化、剩余振幅补偿等。③炮检距方向的振幅保持，主要是指保持反射振幅随炮检距的变化关系，即AVO关系，这是AVO分析和叠前地震反演的基础。面向复杂岩性地层油气藏和非常规油气的保幅宽频处理，旨在提高地震资料分辨率和振幅保真度，关键处理技术包括组合静校正、表层吸收补偿、保幅去噪、地表一致性处理、井控精细速度建模、黏弹性叠前时间偏移、道集优化以及叠后保幅拓频处理等。其中道集优化处理包括噪声衰减、道集拉平、剩余振幅补偿、角道集生成、部分叠加分析等。宽频处理是在保幅的前提下适当拓宽频带，提高高频有效信号的信噪比，使高频段有效信息相对增强，达到分辨薄储层的目的，主要方法有地表一致性反褶积、井控反褶积、空变反Q补偿、以及拓频处理等。
振幅保真质控包括常规质控与保幅质控两个方面。基于控制点、控制线和平面属性的常规质量控制涵盖了预处理、静校正、球面补偿、叠前去噪、地表一致性振幅补偿、反褶积、速度分析、剩余静校正、叠前数据规则化、叠前时间偏移以及道集优化等各个环节，在振幅、频率、相位的相对保持及静校正量、速度场等关键参数合理选取方面都起到了明显的作用，但监控结果仍不能满足储层预测的需求。保幅质控面向地震储层预测的需求，主要包括三方面内容：一是通过多井井震标定，评价叠后振幅保真度；二是通过AVO正演和每步处理前后AVO特征监控，实现全过程质量控制、面的质量控制、定量的质量控制[34]；三是通过地质研究成果辅助处理方法、参数和流程的完善，实现处理解释一体化，进一步确保井震一致性。
对于宽/全方位地震资料，传统的地震资料处理多沿用窄方位角数据的处理思路，如采取分方位处理等方法[35]，未能充分挖掘宽方位采集数据中的方位和炮检距信息。近年来发展了在炮检距向量片(简称OVT)道集[36]上进行资料处理的方法，以及局部角度域成像方法[37]，为宽方位地震资料处理开辟了一条新的途径。
4.4 地震属性分析技术
地震属性是指那些由地震数据经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征的特殊测量值，可以分为沿层属性、剖面属性和体属性。它们是地下岩性、物性和含油气性以及相关物理性质的表征。地震属性分析就是以地震属性为载体从地震资料中提取隐藏的信息，并把这些信息转换成与岩性、物性或油藏参数相关的、可以为地质解释或油藏工程直接服务的信息[38]。其关键步骤有三个，即属性提取、优化和预测。其中属性优化是核心，是提高储层和含油气性预测精度的基础。其目的就是优选出对预测参数最敏感(或最有效、或最有代表性)的、属性个数最少的地震属性组合。主要方法大致有两类：经验法和数学法。经验法就是根据本地区的经验优选出最佳地震属性组合，数学法包括降维映射法(如K-L变换)、聚类、交会分析等。预测既可以是含油气性、岩性或岩相预测，也可以是油藏参数估算。前者强调地震属性的聚类与分类功能，主要通过模式识别和神经网络来实现，后者强调地震属性的估算功能，主要方法是函数与神经网络逼近。
勘探领域的变化带来了储层预测对属性分析技术需求的变化，推动了地震属性技术的发展，主要展现出以下几种趋势。第一是几何属性被越来越多地用于火山岩、碳酸盐岩、致密砂岩、页岩气储层的裂缝检测，包括倾角、相干、方差和曲率属性等。相干、方差和曲率属性计算都要消除倾角的影响，因此倾角估算是基础。由于消除了时间域中采样间隔的限制，基于频率域倾角估算可以提高倾角估算的精度，进而提高频率域相干、方差和曲率属性计算精度[39]。还有一个方向就是为了增强横向分辨率而提出的断层增强处理，它可以显著提高小断层和裂缝发育带识别的可靠性。第二是针对储层与非储层差异小的问题，地震属性从叠后向叠前、宽/全方位叠前和多分量叠前发展，传统的AVO、AVOAZ和转换波AVO属性与地震岩石物理和正演模拟结合形成定量地震解释模板技术，指导了储层和流体定量预测[40]。第三是基于全方位/宽方位叠前地震资料的裂缝方位和裂缝密度预测技术得到广泛应用[41]。第四是随着孔隙形态更为复杂，孔隙流体之间以及孔隙与固体之间的相对流动日益受到重视，以波传播导致孔隙流体流动机理为基础，利用频散与衰减属性进行流体检测逐渐流行[42]。
4.5 地震反演技术
反演是根据各种地球物理观测数据推测地球内部的结构、形态及物质成分，定量计算各种相关地球物理参数的过程。油气勘探的诸多问题最终都可归结为弹性动力学反问题，因此弹性动力学反问题研究在油气地震勘探中具有重要意义[3]。地震反演消除了子波的影响，某一深度点储层物理性质只与对应时间点反演结果有关，实现了一一对应的关系，而且反演结果物理意义明确、分辨率高，是地震储层预测的核心技术之一。现今地震反演方法的分类多而繁杂，根据不同的准则，地震反演有不同的分类。从反演的正问题出发，可以分为基于褶积模型、Zeoppritze方程和波动方程的反演。从数学算法上，既可以分为确定性反演和随机反演，也可以分为线性与非线性反演。从使用数据形式上，可以分为纵波、转换波与多波多分量反演，也可以分为叠后、叠前与宽/全方位叠前反演，还可以分为时间域和深度域、以及二维、三维和四维反演。从使用的地震信息上，可以分为时间反演、振幅反演、以及频散与衰减反演等等。
理论上说，地震反问题一般可以归结为非线性泛函极小问题，这需要解决两个科学问题，一是反演的正问题，二是反问题中的不适定性问题，包括稳定性和多解性。在反演的正问题上，传统基于水平层状均匀介质假设推导的反演方程已经很难适应现今勘探领域的需求，主要表现为传统反演方程只能表征弹性参数，限制了对孔隙形态与结构、孔隙流体类型、流体饱和度及其分布等参数的直接反演需求。反演方程没有考虑储层介质的多尺度特征，制约了对地质体精细刻画的能力。解决方法有三种。一是摒弃原有的近似方程，采用更加精确的反演方程，如Zeoppritze方程、各向异性方程和波动方程等，或采用新的理论(如地震波散射理论、地震波衰减理论)推导新的反演方程，用于品质因子、衰减和各向异性参数的反演[43]。二是在原有各向同性/各向异性反演方程基础上，通过引入岩石物理模型，修改反演方程，形成基于地震岩石物理反演方法，直接反演更多的弹性参数，如杨氏模量和泊松比[44]，甚至是储层物性和含油气性参数，如等效流体体积模量[45]、缝隙流体因子[46]。三是在贝叶斯反演框架下以储层弹性与物性参数的联合后验概率为目标函数，同步反演储层物性参数和弹性参数[47]。
对于不适定性问题，随着勘探目标和勘探领域的变化，反演面临如下挑战：一是带限地震数据和已知信息的有限性，导致常规反演方法不适定问题严重，反演结果多解性增加，反演分辨率受到限制；二是构造和储层复杂、横向变化快，先验模型构建困难，反演多解性问题加重；三是非常规油气评价需要反演更多储层参数，如源岩、储层和工程品质参数，导致反演结果存在严重的多解性；四是目的层深，信噪比低，强噪声背景下地震反演的稳定性受到严重挑战。主要对策有：一是在原有方法基础上，增加先验信息提高反演稳定性，降低多解性，如稀疏约束反演[48]、全变差正则化约束反演[49]、平滑模型约束反演[50]、构造约束多道反演[51]、相控地震反演[10]等；二是提高初始模型构建精度，或者采用不依赖于初始模型的方法提高反演稳定性，减少多解性，如近年来提出将马尔科夫蒙特卡罗方法、混沌反演方法和人工神经网络等全局搜索方法用于改进反演结果对初始模型依赖性等[52]；三是提高反演算法的抗噪性，将常规反演目标函数的高斯噪声假设(最小二乘)修改为能够压制多种类型噪声(高斯噪声和非高斯噪声)的反演方法，如L1范数反演算法[53]、Huber范数反演方法[54]、自适应混合范数和广义极值分布反演方法[55，56]等。
从应用上说，经过20多年的发展，叠后地震反演经历了递推反演、基于模型的反演、地震属性反演、地质统计学反演和随机反演等阶段，已成为非常成熟的技术，分别用于油气勘探开发的不同阶段。但是常规的叠后反演只能提供波阻抗预测结果，对于解决构造和简单的地层岩性油气藏是非常有效、适用的。对于复杂的岩性和非常规油气需要利用更多的参数进行描述，叠前反演应运而生。由于叠前反演充分利用了梯度信息，减少了储层和流体预测的多解性，可以提高岩性、物性和含油气性的预测精度，已成为当前储层预测的核心技术之一。多分量地震由于增加了横波信息，弥补了纵波在中远炮检距能量弱的不足，可以进一步提高地震反演的精度，增强孔隙流体描述的能力。随着“两宽一高”地震采集资料的不断增多，宽/全方位资料处理使方位叠前地震反演和方位裂缝预测成为可能，这为裂缝描述提供了一条新的途径，近年来该技术已在国内外得到了广泛应用[57]。近年来提出的频变AVO技术(FAVO)，由于考虑到流体引起的频散作用，可以更好地预测储层流体的变化，也逐渐受到重视，并见到了实际应用效果[58，59]。开发阶段井数量的增多，使地质统计学建模效果和精度得到很大提升，推动了地质统计学反演的应用和发展。这种“软约束”反演充分利用了测井数据的纵向分辨率，极大地提高了储层预测的分辨能力，近年来已在国内外多个工区取得了理想的应用效果[60]。此外，随着计算机技术和人工智能技术的发展，相信未来人工智能和机器学习技术也会逐步应用到地震反演中，用于改进地震反演先验信息的获取，提高初始模型构建精度，简化反演流程，最终实现地震反演的智能化。
5 地震储层预测技术发展建议
随着勘探目标从构造向岩性和非常规油气转变，基于层状均匀介质的储层预测方法已不能满足勘探目标的需求，需要以非均匀、各向异性介质假设为基础，利用叠前、宽/全方位叠前和多分量叠前地震资料，发展基于弹性动力学信息，如基于频率、频散与衰减的储层预测方法，为此，需要做好以下五个方面工作。
一是强化两个基础，即地震岩石物理基础和地震资料基础。地震岩石物理分析的核心是建立整个工区通用的岩石物理模型，相关内容涉及多井空间一致性校正、矿物体积模型优化和频散校正、横波速度预测、敏感因子分析、解释模板建立、以及结合正演模拟的岩石物理可行性评估。高质量的地震资料是保证储层预测结果可靠性的基础，应满足储层预测方法的前提假设和井震一致的要求。资料处理应面向地质目标，要用好井筒地震资料，做好处理过程质控，实现处理解释一体化。要做好地震资料可行性评估，结合岩石物理可行性，对储层预测的可行性进行整体评估，给出明确的评价结果。
二是研发特色技术。从构造、岩性，到非常规油气，储层与非储层差异越来越小，孔隙结构越来越复杂，裂缝越来越发育，储层个性化日益突出，特色技术需求日益迫切。关于储层与非储层差异小的问题，应该从叠后拓展到叠前和多分量叠前，在不断增加信息的前提下，结合岩石物理敏感因子优选和提取来解决，如衰减和频散属性相关的敏感属性提取技术等。
关于孔隙及其结构预测问题，应加强多孔介质岩石物理模型研究和应用的力度，并进一步探索孔隙形态，甚至是渗透率的预测技术，形成先岩性、孔隙度，再孔隙形态、渗透率，最后流体类型和饱和度的预测思路。在这个过程中，也要非常关注频率相关信息的提取和应用。
关于裂缝预测问题，首先应在成因和分布规律研究基础上建立有效的模型，如VTI、HTI、TTI模型，并开展针对性的处理和解释。例如高角度缝可以用HTI介质来模拟，应该用方位各向异性分析(AVAZ)解决裂缝方向和密度问题。VTI介质只能用来描述水平缝，目前主要可以通过各向异性偏移参数描述。其次，要开展裂缝—多孔介质岩石物理建模和正演模拟，分析裂缝对地震特征的影响，指导地震解释方法优选。最后，要开展裂缝地震综合预测方法研究。目前裂缝预测方法除了AVAZ方法物理基础较可靠外，其他方法本质上都是间接的。即便是AVAZ方法，目前也存在很多问题，如不能解决多组裂缝问题，无法克服溶洞的影响等。此外，目前采用的分方位处理也不满足方位保持的需要，因此多种方法综合裂缝预测应该是近期的出路。对于构造缝，可以通过地应力模拟和构造分析识别几十米大尺度裂缝(断层)，通过相干、曲率、蚂蚁体等地震属性识别分米—米级(低级序断层)中尺度裂缝，通过各向异性分析方法，如AVAZ方法识别厘米级小尺度裂缝。近期提出的离散裂缝网络建模可能是整合大、中、小尺度裂缝的一项可行技术。
三是促进应用配套。随着勘探目标尺度越来越小，储层非均质性越来越强，以地质模式为指导，多学科资料融合，多种方法结合的综合储层预测成为趋势，需要总结发展针对性的配套技术。对于常规岩性油气藏，其难点是砂体薄、纵横向展布复杂、连通性不清、油水关系复杂。当前核心问题是超薄砂体(1～3m)和小断层(3～5m断距)的识别，以及物性和含油气性检测的精度。为此要提高地震成像处理精度，以地震横向高分辨率弥补纵向分辨率的不足，以地震沉积学为指导建立地层体模型，以此为约束开展高分率地震反演与属性分析，预测砂体展布与连通性，并充分利用叠后、叠前和多分量资料提高物性、含油气性的预测精度。
对于火成岩油气藏，其难点是埋藏深、信噪比低、内幕反射弱、边界(断层)和内幕成像难、内部结构不清，严重影响火成岩期次划分、岩体解剖和岩相刻画精度；储集空间类型复杂，非均质性强，储层表征与预测难。主要技术对策有火山岩体精细刻画技术、火山岩储层预测技术、烃类检测技术等。火山岩体精细刻画步骤是：火山口检测定“点”，主要利用频谱分解在纵向上检测典型火山通道，多窗口倾角扫描在平面上确定火山口位置；火山岩相带分析定“形”，利用井约束多属性体划相技术分析火山喷发期次，明确火山单体平面展布范围，刻画火山机构；空间雕刻定“体”，通过三维可视化确定火山岩体。火山岩储层预测技术包括地震响应模式建立、储层敏感参数分析、“体控+相控”反演、裂缝识别和预测等技术。烃类检测技术主要是AVO属性分析和叠前衰减属性分析等。
对于碳酸盐岩油气藏，储层预测面临的难点是：目的层埋藏深，资料信噪比低；储层类型复杂，非均质性强，预测难度大；油气藏类型多样，流体关系复杂，识别困难。经过多年研究，碳酸盐岩储层预测已经由“相面”向定量化雕刻和流体检测方向发展，形成了以古地貌、沉积模式和成岩作用为指导，利用地震岩石物理分析、AVO分析、叠前反演进行储层预测，利用叠后属性、叠前各向异性分析和应力场分析进行裂缝预测，最后结合钻井和试油资料进行综合评价和水平井部署设计的技术系列，大幅提高了缝洞型储层描述和预测的精度。其关键是缝洞识别和预测，发展方向是多尺度裂缝综合预测，主要手段是离散裂缝网络(DFN)。
对于非常规油气，其难点是岩性复杂，裂缝发育，与围岩差异小，需要开展三品质预测，预测内容多、难度大，如TOC含量预测、裂缝预测和地应力预测等。其技术对策是以非均匀、各向异性介质理论为指导，以地震岩石物理和保真地震资料处理为基础，以叠前地震属性与反演技术解决储层非均质性问题，如复杂岩性识别、复杂孔隙结构和脆性等预测，以宽/全方位地震属性分析和反演技术解决TOC、裂缝和地应力引起的各向异性问题，以基于频散和衰减的属性解决流体识别和预测问题。由于一些三品质参数，如TOC含量、脆性和地应力与弹性参数的物理关系不明确，很多时候利用基于地质统计学和大数据的方法进行预测，因此预测的质控尤为重要。需要指出的是，基于宽/全方位地震资料的储层预测方法目前大多数还处于研究探索和初步应用阶段，是今后储层预测研究需要加强的一个重要发展方向。
四是储层预测质控。当前储层预测技术众多，流程不规范，且缺乏强有力的质控，导致预测结果因人而异，且差别很大，给决策和部署带来很大困扰，因此储层预测质控体系的建立刻不容缓。该体系至少应该包括三个方面内容；一是基础资料的评估与质控，如测井资料和地震资料等，地震资料评估和质控必须与处理阶段的资料质控形成有机整体，相辅相成，互为补充；二是储层预测过程质控，如层位和断层解释、时深转换关系、构造成图、井震标定、子波提取、地震岩石物理分析、地震反演、地震属性分析和储层综合评价等过程；三是储层预测结果的质控，包括误差分析、平面分布规律分析、风险评估等。要针对不同勘探领域将质控流程与关键技术组合，形成储层地震预测的质控体系和相应的实用软件，使储层预测的基础更牢固，过程更规范，结果更客观，全面提升储层预测技术的应用效果。
最后是多学科一体化。地震储层预测是地震解释的核心工作，在勘探开发整个流程中起到承上启下的作用，它涉及多个学科的资料和技术环节，是一个系统工程。在项目组织和实施过程中应强调四个一体化，即处理要面向解释，做到处理解释一体化；解释要面向地质，做到地质地震一体化；地震要用好测井，做到地震测井一体化；应用要向工程延伸，做到地震—地质—油藏工程一体化。
6 结论与认识
随着勘探领域由构造向非常规油气快速推进，地震储层预测的目标介质发生了很大变化，具有明显的非均质、各向异性特征，而当前大多数储层预测技术是建立在层状、均匀、各向同性介质的基础上，不能满足勘探领域的需求。其次，随着勘探领域的快速推进，储层与非储层的差异小，对保真处理的要求日益苛刻，但目前保真处理技术仍有待发展，保真处理质控流程还不够完善，这些都使地震储层预测技术的潜力受到限制，预测精度普遍较低。为此，要以连续、非均匀、各向异性介质及其弹性波传播理论为基础，通过强化地震岩石物理分析和资料保真处理两个基础研究，研发基于波动地震学的储层预测技术，形成面向不同勘探目标的地震储层预测配套技术，做好储层预测质控，使地震储层预测更好地适应当前勘探领域的需要。
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