叠前空变反演方法在致密薄储层预测中的应用

2019-10-23元涛

世界地质 2019年3期

元涛

中国石油化工股份有限公司东北油气分公司,长春 130026

0 引言

随着非常规油气资源潜力被发掘，中国致密储层的研究也成为继页岩油气之后的热点领域。做为未来接替常规油气资源的致密油气藏，具有储层物性差、非均质性强等特点，需要更高的预测精度，寻找具有较好孔渗条件的储层“甜点”；另外，大规模水平井和储层改造技术进一步释放了致密薄层的产能，因此对储层预测的分辨率同样提出要求[1]。

近年来，面向复杂地区的储层预测，越来越多地采用岩石物理分析和叠前地震反演的策略。储层敏感参数的岩石物理分析结果往往随着研究目标的不同而存在差异，可以通过建立更加敏感的预测参数，降低反演多解性[2--9]。而更大的难点在于合理地提高薄层预测的分辨率。具体来说，薄层预测的难点不仅是单纯提高纵向分辨率，更重要的是要保持横向精度和稳定性。在实际工区存在横向控制难的问题时，如快速相变、复杂岩性等，随机反演(或模拟)尽管具有较好的纵向分辨能力，但同时带来了预测不确定性影响了精度。为了解决该问题，陈美伊[10]等人提出采用等时相控反演的方法，章雄[11]等人采用了波形指示叠前地震反演方法，在分辨率控制方面采用了纵向依靠井约束，横向依托相控约束的策略。这种附加测井、地质等信息的方法更多地适用于成熟区域。笔者采用的叠前空变反演方法是一种确定性地反演方法。其根据贝叶斯理论，对稀疏脉冲反演的目标函数进行改进，将模型约束项和稀疏项分离，从而避免了受薄互层发育带来的局部残差影响全局稀疏策略的问题。在区域研究资料不足时，采用该方法更多地挖掘地震资料中地隐含信息，获得更多用于约束随机反演的先验信息，实现纵向和横向精度的双重提升。

目前，该方法在松南断陷龙凤山地区进行了测试应用，并配合实施了致密层岩石物理横波估算和流体因子构建等，最终实现了较好的流体预测效果。

1 叠前空变反演

通常，在解决复杂薄互层的储层预测问题中，纵向分辨率的重视程度更高，往往忽略了反演过程中的横向约束问题。叠前空变反演方法提高了初始模型在反演迭代过程中的修正效果，改善反演结果的空间稳定性。根据贝叶斯公式得到待反演参数的后验分布，将后验分布取对数，通过约束观测地震数据和模型数据的差值，使之达到最小，构建目标函数，得到公式(1):

(1)

该目标函数依次给出了反演迭代过程中的模型约束项、反射系数项和正则化约束项。其中：G是子波褶积矩阵；r是反射系数序列；K是模型矩阵；ξ是扰动项；α、β和μ分别是三项的权值，在反演过程中人为给定。

进一步在模型约束项中加入空变因子C，并进行权值归一化处理得到公式(2)：

(2)

式中：x和y为空间坐标；θ为入射角度。改写后的公式(2)中的空变约束项主要用于改善初始模型，尤其是井点揭示了储层厚度和薄互程度差异时的横向约束效果。后两项则代表了稀疏性和正则化算法。新的方法更加充分利用地震资料优势频带信息，减少了反演过程中初始模型的影响，并且补充了低频模型横向迭代修正功能。

空变因子的引入不仅改变了反演初始值，同样还增加迭代优化过程中的搜索向量空间。然而，对于常见的多元参数优化方法来说，只要符合搜索方向的共轭条件，就可以避免局部极值的出现。本文采用的是修正的Powell共轭方向优化算法[12]。

2 致密储层岩石物理分析

目前，常规叠后反演应用较多，叠后反演运用了纵波速度和密度计算得到的波阻抗来分析储层，对于致密储层来说，砂体横向变化快，砂泥岩波阻抗叠置区域多，仅仅利用叠后反演得到的信息无法满足勘探的需要。这就使反演从叠后走向叠前，叠前反演利用横波对流体不敏感，与纵波、密度结合起来，可以得到一系列弹性参数，可以有效地识别流体的信息。横波速度预测是岩石物理建模的重要组成部分，它依赖于具体的岩石物理模型。因此，致密层横波预测的关键是选择合适的等效介质模型。图1所示为针对致密层岩石构建的体积模型，其中对于压实影响下的储层总孔隙度做了详细分解，流体预测的关键在于有效孔隙度的正确还原。

图1 致密岩石体积模型Fig.1 Volume model of tight rocks

针对致密砂岩的特点，选用适用于低孔渗条件的Xu--White模型[10]。利用该模型对岩石骨架和孔隙分组，对物性预测要求更高的致密储层来说，细

化有效孔隙的分类能够较好地改善测井曲线约束效果。而且Xu--White模型可以同时计算出对应于岩石弹性特征的3个独立变量：纵波速度、横波速度及密度，有利于进行质控。图2右边第三道是用拟合的方法估算的曲线，右边第二道是Gassmann估算的曲线，右边第一道是Xu--White模型估算的曲线，从中可以直观看出Xu--White估算的曲线与原始曲线效果最好。

图2 多方法估算横波曲线对比图Fig.2 Comparisons of multiple methods for estimating shear-wave curves

在此基础上，利用岩芯在干燥状态、饱含气和饱含水3种状态下的模拟，获得这3种状态下孔隙度、纵横波速度及密度等几个基础参数(图3)。其中泊松比σ和拉梅常数λ区分气砂和水砂的变化率较其他参数大，剪切模量μ对于区分砂岩和泥岩差异最为突出。

图3 多参数敏感性对比图Fig.3 Comparisons of multiparameter sensitivity

对3种参数进行优化组合，提出了流体因子公式(3)：

(3)

式中：μ主要用于岩性识别；而f及σ对岩性和流体的组合更敏感。利用该流体因子，能够有效放大致密储层中有效孔隙内流体的异常，从而提高有效储层预测的效果。

尽管利用Zoeppritz方程的近似公式，可以从叠前地震数据中直接提取地层的多种弹性参数[13--14]，但精度较低，难以实现有效致密储层的预测。利用改进的叠前反演目标函数，即公式(2)，可以获得纵波速度、横波速度和密度3个弹性参数，进而计算得到流体因子，能够实现保持精度的高分辨率预测效果。

3 工区应用

位于松辽盆地南部的龙凤山断陷层内发育北正镇鼻状构造带，是油气有利的聚集区。白垩系营城组地层沉积时期，以近源、快速堆积的扇三角洲和水下扇为主，砂体受河道频繁改道影响，单期河道砂体厚度小、分布范围有限；储层连通性差，横向变化快，且受长期压实普遍致密化，整体预测难度较大。

地震振幅属性一直以来被作为沉积认识的重要依据，随着埋深增大、储层致密化等，影响叠后地震属性的判识效果。目的层段均方根振幅属性平面图(图4)显示，工区中部的强振幅区域有效储层厚度不大，并且不在主要的物源供给范围内。物性较差的薄砂岩产生的强反射使得地震振幅属性无法判断沉积特征和有利储层发育区。利用地震随机反演可以在一定程度上借助非弹性参数实现目的层岩性预测，由于对井网密度要求高，预测结果往往在横向上难以保持精度，无法实现对储层流体的预测。

采用本文提出的致密层叠前流体因子的预测方法，通过叠前高精度反演得到流体因子数据体，如图5所示，红黄暖色调高值表征气砂，绿色中值表征干砂，蓝白色表征泥岩。剖面上清楚地揭示了工区内东西两侧物源供给的差异。经区内多口井验证，该反演结果与实钻有效储层厚度统计吻合率达84%。利用反演得到的流体因子清晰地刻画目的层含气砂体的展布(图6)，符合东支水道物源供给更充足，且水道间存在薄层叠置区的沉积认识。