地震相控非线性随机反演方法在湘西北海相页岩气储层预测中的应用

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(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 102211；2.北京市页岩气勘探开发工程技术研究中心，北京 102211)

1 引 言

在复杂波场油气储层研究中，波阻抗或速度是识别地下介质岩性最有效的参数之一，具有明确的地质意义，地震波阻抗反演技术已成为储层反演和预测的重要技术之一。常规反演方法存在分辨率低、依赖于初始模型等问题[1]。地震相控非线性随机反演方法采用非线性最优化理论及随机模型算法，不受初始模型的限制，在提高地震资料纵、横向分辨率的同时，充分考虑地下地质条件的随机特性，使反演结果更符合实际地质情况[2,3]。

本次勘探区位于湘西北地区，复杂的地震地质条件下，地震资料信噪比低，分辨率不高，传统地震剖面无法实现高精度页岩储层预测。本文采用地震相控非线性随机反演技术，在充分吸取宽带约束反演与模型法反演优点的同时，将标准化或重构之后的测井资料与地震信息有机结合，采用非线性最优化理论、随机模拟算法等，保证了反演结果既有明确的地质意义，又有较高的纵向分辨率和较准确的预测性[4,5]。

2 地震相控非线性随机反演方法

2.1 地震相控约束

地震相控约束外推方法主要是依据地震相控模型的约束，通过原始数据将各个单个反演问题结合成一个联合反演问题，从本质上降低单一参数反演引起的不确定性，提高最终反演效果[6]。相控外推计算主要采用多项式相位时间拟合方法建立道间外推关系，选取合适相控界面的视窗，将测井资料得到的模型参数或井旁道反演的模型参数，利用多项式拟合的方法进行外推计算，约束下一地震道的反演。利用已有的地震解释层位来建立合理的层序和相控模型是实现本次地震相控约束反演的基础，图1中页岩含气层龙马溪组的层位解释成果是本次地震相控约束划分的主要依据。

2.2 非线性随机反演

非线性随机反演多为不适定问题，不存在唯一解，且计算量大，简单、高效的非线性计算方法是实现全局最优解的有利保证。利用地震道与波阻抗之间建立的目标函数(1)式，求该目标函数最小二乘的极小值，是本次非线性随机反演的主要任务。

(1)

(2)

式中,Si为速度初始模型对应的合成地震记录;ΔV为模型参数摄动量。保留二次项，省略部分高阶及小量，将方程简化，可得：

AΔV+BΔV+C=0

(3)

其中：

通过简化后的式(3)将矩阵求逆变换为简单的一元一次方程，大大减少了反演的多解性，同时增强了算法的稳定性。求出ΔV后，通过式(4)迭代得到最终的反演速度V，获得最佳速度谱，为本次地震波阻抗反演建立了可靠的基础，m为迭代次数。

Vm+1=Vm+ΔVm

(4)

在地震相模式的约束下将非线性随机模拟理论与地震反演结合，其中地质层位的相控模式框架是目标反演中重要的约束参数，当反演的目标层段是同一时代沉积地层时，构造层位对反演结果的约束程度减弱。

3 研究区概况

研究区块位于湖南湘西州，页岩气资源丰富，具有一定的资源勘查潜力[8，9]。地层由老至新出露元古界震旦系、下古生界寒武系、奥陶系、志留系、上古生界泥盆系、二叠系、中生界三叠系及第四系。上古生界缺失石炭系。除震旦系及部分寒武系未出露外，其它地层均有出露。

区块处于中扬子准地台西缘、湘鄂西隔槽式冲断褶皱带内的宜都—鹤峰复背斜南部，东南部跨入桑植—石门复向斜之内，由八面山向斜东翼、隆头镇背斜、马蹄寨—野竹坪向斜和雪峰山隆起的西部组成，在雪峰山隆起与马蹄寨—野竹坪向斜交汇处发育保靖—慈利断裂带。

图1 D03线地震剖面层序解释示意

4 储层岩石物理特征

进行储层预测之前要对该层的上下围岩的地球物理特征进行分析研究，结合该区录井岩屑、测井统计等资料，找出对岩性较敏感的测井曲线[10,11]。BC2井页岩储层相比于上覆砂岩和下伏灰岩呈明显低速特征，纵波速度范围约为3 800～4 800 m/s，灰岩速度最高，纵波速度集中在5 000～6 300 m/s之间，页岩层呈现低速度的特征(图2)。

图2 BC2井页岩气层、页岩差气层与非储层速度分布直方图

5 层序划分及曲线重构

区块龙马溪组同相轴全区连续可追踪，层位稳定，是本次层序和相控模型建立的主要依据(图1)。一般反演采用对岩性敏感的声波时差曲线进行反演[12,13]，但当储层与非储层之间声波时差不敏感时，需要对声波时差曲线进行重构，选取伽马等其它多个参数综合利用，目的是突出不明显的声波时差曲线，使得其在纵向上具有更高的分辨率和突出的特点，为波阻抗反演建立高分辨反演的数学基础。

BC2井优质页岩储层的声波时差响应与上覆泥岩层段的声波时差响应相差无几，储层密度特征、电阻率特征及自然伽马特征明显，综合利用密度、电阻率及自然伽马等测井参数，对声波时差曲线进行重构，使得纵向上地质特征更加突出。

6 储层分布预测

区块布置二维测网12条(图3)，网度为4 km×8 km，可标定的井较少，首先结合速度谱反演有井约束的测线(D02，S03，I01，I04)，然后利用由地震道反演速度转换的虚拟井曲线进行二次标定，再结合速度谱控制其他曲线的反演(图3)。

图3 虚拟井位分布

图4为过BY4井及BC2井地震剖面、反演剖面及流体预测剖面。龙马溪组页岩储层清晰连续，下伏灰岩呈现高速特性，与低速页岩储层有明显的区别，上覆的砂泥岩层段呈现明显的中高速特征。底部优质页岩储层在测井曲线上呈现低速、高伽马、低密度、高TOC含量特征，总含气量及残余油气含量整体较高，反演结果能很好地将该优质页岩小层体现出来，厚度与测井结果吻合良好(表1)，区块优质页岩整体的厚度在4～18 m之间变化。实钻测井底部优质页岩储层厚度15.9 m，为黑色页岩，孔隙度较发育，总有机碳含量平均值为3.6 %，总含气量平均值为2.5 m3/t，与流体检测结果预测一致，显示BC2沿D02线往深部有较好的流体显示(图4)。BY4井水平井H1段从A靶点至B靶点，储层总含气量最高为3.85 %，甲烷含量为2.85 %，测井气测强弱趋势与流体检测剖面气测强弱趋势一致(图5)，说明该方法在湘西北B-J区块海相页岩气储层预测结果较好。

表1 龙马溪组优质页岩预测厚度与测井厚度吻合情况

图4 过BY4井D02地震测线反演剖面与实钻气测结果

7 结 论

地震相控非线性随机反演方法能有效地克服复杂地表和地下地质结构的地震资料信噪比低、资料解释困难等问题。本次研究从岩石物理特征响应入手，统计了储层、非储层和页岩气层的敏感测井曲线的筛选；然后利用测井曲线的重构技术，突出了声波时差曲线特征；并且采用非线性随机算法，实现了地震资料相控非线性储层反演和流体检测的综合预测方法，有效地识别了含气储层，对后期勘探具有重要的参考价值和指导意义。通过对该方法的研究和应用，得出以下认识：

1)测井信息与地震信息的有机融合，实现了纵向高分辨识别和横向有效约束，能准确地预测储层纵向岩性变化和横向展布形态；

2)岩石物理参数的响应统计是实现储层划分标准的基本依据；

3)综合利用多种参数的测井曲线重构技术是实现高分辨率反演的关键，为声波时差曲线不敏感的岩性的反演提供了有效的改进手段。地震相控非线性随机反演方法在本勘探区储层预测的准确度较高，为湘西北等低信噪比地区开展储层预测和反演提供了一定的参考价值和推广意义。

致谢

感谢所有项目参与人员对文章提出的修改建议，感谢审稿专家的建议和意见。