基于小波边缘分析与井—震联合建模的波阻抗反演技术在陆梁隆起带储层预测中的应用

史全党,孔令业,吴超,丁艳雪,刘泽民,于雪,王江

(1. 中国石油新疆油田公司采气一厂,新疆 克拉玛依 834000;2. 中国石油大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院,黑龙江 大庆 163712)

0 引言

随着含油气盆地精细构造解释、精细储层预测和精细油藏描述工作的深入,对地震资料分辨率的需求越来越高[1-4],精细储层预测的手段也一直以地震波阻抗反演为主[5-8]。根据目标区的构造背景、沉积环境制定合理的技术对策和利用波阻抗反演方法来减小波阻抗反演结果的多解性、提高储层预测能力一直是地震波阻抗反演和储层精细预测的攻关方向[9-10]。姚逢昌等[11]通过对基于模型的波阻抗反演方法进行分析,认为多解性是基于测井约束性框架模型波阻抗反演方法所固有的特性,取决于初始模型和实际地下构造特点、沉积特征的符合程度。现有的测井约束波阻抗反演方法由于各自不同的方法原理,均存在一定局限性[12-13],地震高频分量主要依赖于初始波阻抗模型从测井曲线中获取,初始建模主要是在解释层位控制下的井间插值,没有考虑断层在初始建模中的作用,横向上也没有充分利用地震信息。当目标区构造条件复杂、断层发育、沉积环境和岩性横向变化较大时,利用钻井数据井间插值或外推得到的初始模型低频背景较好,而反映岩性横向井间局部变化的高频成分获取较难,距离插值井点越远,产生的误差越大,减小了波阻抗反演方法对初始模型高频成分的应用程度,降低了波阻抗反演储层预测精度。

基于小波边缘分析与建模的波阻抗反演(acoustic impedance inversion based on wavelet edge analysis and modelling)技术(简称AIW),利用小波边缘分析方法从地震记录中直接提取地震属性特征参数,在断层参与的高密度层控构造框架约束下,同测井声波阻抗数据一起建立初始模型,相互约束、相互补充,充分利用地震数据横向分辨率高、纵向控制层位密度大的优势,避免了常规波阻抗反演过程中初始模型建立不准而产生的地质影响。许崇宝等[14]、崔永福等[15]、谢裕江等[16]应用AIW波阻抗反演技术对准东煤田和新疆红沙泉区块侏罗系西山窑组含煤地层的煤层厚度、塔里木盆地英买力地区志留系沥青砂岩以及中国MOU气田盒8段河流相心滩砂岩进行了预测,弥补了常规波阻抗反演建模过程中井间高频成分缺失,提高了储层反演精度,但应用的区块大多构造简单、地层横向变化不大,很少针对构造复杂、断裂发育、沉积环境多变的断陷盆地以及低分辨率、低信噪比目标区进行研究。

本文应用小波边缘分析与井—震联合建模的波阻抗反演技术,考虑准噶尔盆地陆梁隆起带3D地震的波组反射特性以及地下地震波场的分布特点,通过小波边缘分析提取反映岩性局部变化的地震特征参数,在断层参与的高密度层控构造框架约束下,参与初始模型的建立和波阻抗的反演迭代,确定波阻抗反演的关键环节、优化克拉美丽气田DX14井区储层预测流程,不但精细刻画了克拉美丽气田DX14井区扇三角洲前缘砂体的分布,也提高了有利储层的预测精度。

1 区域地质概况

克拉美丽气田位于准噶尔盆地陆梁隆起东南部的滴南凸起中段,滴南凸起整体为一大型西倾的鼻状构造,受准噶尔盆地多期的构造建造和改造影响,断裂发育、构造复杂。滴南凸起中段是准噶尔盆地腹部最早展开勘探的地区之一,至今已发现了石炭系、二叠系、侏罗系和白垩系多个油气藏,其中二叠系梧桐沟组油气藏埋深3 500～4 000 m,而且构造破碎、断裂发育,多发育为断层控制的小断块和小断鼻构造,气藏类型主要为构造—岩性气藏。主要含油气层为梧桐沟组一段,岩性为细砂岩和粉砂岩,储集空间类型主要为剩余粒间孔及粒内溶孔。根据电性及储层特征,自下而上可划分为两段(P3wt2、P3wt1),油层主要发育在P3wt1,砂岩储层不但低孔、特低渗、非均质性强,而且储层横向连续性差,纵向变化大,使得滴南凸起中段DX14井区的地震资料不但构造成像效果差、分辨率低,而且砂体的地震响应特征不明显。

通过滴南凸起中段DX14井区原始地震资料分析,在目的层段梧桐沟组存在弱—空白以及低分辨率的地震反射,地震资料主频为30 Hz,如果地层平均速度按3 900 m/s计算,滴南凸起中段DX14井区3D地震资料可识别砂体的最小厚度为32.5 m,而滴西DX14井区含气砂体厚度一般为2.0～15 m,所以常规地震资料的分辨能力是无法满足精细构造解释和精细储层预测的地质需求,因此,应在精细井—震一体化初始模型建立的基础上开展高精度的波阻抗反演和精细储层预测。

2 技术方法

2.1 多尺度小波边缘分析与地震特征参数建模

小波边缘分析是一个理想的地震特征参数提取方法,利用小波边缘分析从地震数据本身提取地震特征参数得到地震数据局部的变化信息,通过地震数据的小波变换函数的一阶微分极大值和二阶微分零值进行处理,对处理后的梯度点进行判断,确定其为边缘点。

对地震数据d进行小波变换得到Ws(d),计算公式为

(1)

对式(1)两侧求偏导,且令

(2)

(3)

式中:d为地震数据;Ws(d)为地震数据的小波变换;s为小波尺度;x为平移量,s;ψ为母小波函数;t 为时间,s;b为时间延迟x秒的地震数据,小波尺度s控制小波函数的伸缩,平移量x控制小波函数的平移。

联合式(1)、式(2)、式(3),求解此方程组,可得到地震记录中不同尺度、不同级别的地震特征参数边缘点(断层和岩性体的边缘)。

这样,通过小波变换把地震信号分解为多个不同尺度的分量,利用其良好的局部时频分辨力提取不同精度、不同奇异度的边缘点,最后连接起来就形成综合边缘。提取的地震特征参数的边缘点不但反映了原始剖面中不易识别的地质特征和地下岩性纵、横向的局部变化,将综合边缘点控制的地震特征参数同测井曲线一起参与波阻抗反演建模,克服了井间插值反演建模过程中无法充分利用地震信息的不足,获取了反映岩性横向井间局部变化的高频成分,从而也补充了波阻抗反演过程中高、低频地震分量。

2.2 AIW波阻抗反演算法

AIW波阻抗反演采用非线性全局优化的非常快速模拟退火法(VFSA)作为基本反演方法,该算法通过模型反复扰动修改不但可以避免线性反演算法强烈依赖初始模型而落入局部极值的弊端,且可以高精度求得反演问题的全局最优解[17],使得AIW波阻抗反演结果与地下地质情况更加符合,其算法如下:

1)将归一化相似系数定义为AIW波阻抗反演的目标函数E[18],来计算初始框架模型g0的目标函数值E(g0),计算公式为

2)联合地震特征参数和测井数据一起来约束模型扰动中的模型变量的变化区间[Ai,Bi],修改初始模型g0获取新模型g,并根据关系式(4)计算新模型g的目标函数值E(g)以及新模型目标函数E(g)与当前模型目标函数E(g0)差ΔE,即ΔE=E(g)-E(g0)。

3)当ΔE<0时,确定新模型g为最终的初始模型,如果确定了新模型g,置g0=g,E(g0)=E(g)。

4)当ΔE>0,则按依赖于温度的似Cauchy分布产生新模型,计算公式为:

g′i=gi+yi(Bi-Ai),

(5)

yi=Tsgn(u-0.5)[(1+1/T)|2u-1|-1] ,

(6)

式中:g′i为修改后的第i模型,g′i∈[Ai,Bi];gi为当前的第i模型,gi∈[Ai,Bi];yi为扰动因子;T为温度,K;sgn为符号函数;u为均匀分布的随机量,且u∈[0,1]。

5)同一温度下,多次重复步骤3)和4),缓慢降低温度,重复步骤3)～5),直至收敛条件ΔE<0,反复迭代反演,获取高精度的AIW波阻抗反演数据体。

2.3 AIW波阻抗反演的关键环节

AIW波阻抗反演的关键在于利用小波边缘分析方法从地震记录中直接提取地震属性特征参数,由于提取的地震属性特征参数不但反映地下岩性横向局部变化,而且直接参与了波阻抗反演过程中初始模型的建立和反复迭代反演,弥补了井间插值建模过程中井间高频成分的缺失和井间岩性的局部变化,避免了常规波阻抗反演过程中初始模型建立不准确而产生的影响。主要关键环节为:

1)利用测井和地震资料开展井震精细对比,确定不同波组的地质表征,通过纵向细划地层对比单元、横向精细对比,对三维地震资料开展精细的构造解释,得到精细的构造和沉积格架,联合测井曲线建立波阻抗低频模型;

2)通过小波边缘分析提取反映地下岩性横向局部变化的地震属性特征参数,结合精细标定的测井曲线以及应用解释层位、解释断层和测井曲线建立的波阻抗低频模型重新建立新的AIW波阻抗模型,进一步获取波阻抗高、低频成分;

3)提取的地震属性特征参数同钻井声波测井曲线中速度或声波阻抗数据一起进行模型扰动和修改,利用非线性全局优化的非常快速模拟退火法,反复迭代反演,获取高精度的AIW波阻抗反演数据体。

3 应用实例

3.1 井—震精细标定与储层敏感性分析

图1 波阻抗重构前(a)、后(b)的电阻率与波阻抗交汇Fig.1 Intersection of resistivity and wave impedance before(a) and after(b) wave impedance reconstruction

3.2 构造框架模型

以往波阻抗反演的构造框架模型建立主要是依赖于地震解释的区域性组、段级标准反射层位,而很少应用一些层间的砂组和油层反射层位,同时也完全不考虑断层对反演结果的影响,在构造简单、地层横向变化不大的凹陷性盆地这种影响较小,但在构造复杂、断层发育、地层横向变化较大的断陷盆地就会产生相当大的影响:

1)由于断陷盆地地层横向变化,在大的区域性标准反射层控下内插的井间测井信息就会发生构造误差,为了减小内插测井信息的构造误差,开展层序地层研究,纵向细化地层单元,开展砂组级层序对比,以砂组级的地震反射层面来实现层控构造框架建模,减小区域性标准反射层控下井间内插测井信息发生的构造误差;

2)由于断陷盆地复杂的断裂结构,井间内插时也没有考虑断层两侧内插测井数据的突变,不但影响断层两侧的岩性接触关系,降低断层两侧波阻抗反演精度,而且降低了波阻抗反演剖面对断层的识别能力,为了解决这一问题,将断层转化为地震层位,明确断层与纵向细化地层单元间的接触关系,同地震反射层位一起控制测井信息的井间内插,克服了断层两侧由于井间测井数据内插而引起的测井数据、地震属性特征参数误差,实现了断层两侧内插测井数据以及地震属性特征参数突变。

3.3 小波边缘分析

小波边缘分析具有多尺度分辨的特点,可以有效地区分地震剖面中不同尺度、不同级别的地震特征参数边缘点,利用小波边缘分析获取的地震特征参数中的边缘点可以是断层、岩性体的边缘。

图2和图3分别为DX14井区三维L1036地震剖面以及经小波边缘分析得到的地震特征参数边缘检测特征点剖面。从图3可见,经过小波多尺度边缘分析处理后,纵向地层有效分开,相邻道的不连续性明显,微断裂的断点被突出、地层微小错动特征清晰,反映的地层接触关系更准确,提取的地震特征参数的边缘点可以反映原始剖面中不易识别的地质特征,将边缘点控制的地震特征参数同测井曲线一起参与波阻抗反演建模,不但补充了波阻抗高、低频成分,而且把地层横向间的接触关系完全考虑在波阻抗反演的整个过程中,并且在迭代过程中应用此参数对其进行扰动限制,使AIW波阻抗反演模型反映的地下地质情况更加真实,减少了波阻抗反演的多解性。

图2 DX14井区三维L1036地震剖面Fig.2 L1036 seismic profile in DX14 well area

3.4 井—震一体化初始模型建立

在波阻抗反演框架模型的建立过程中,低频分量主要来源于两种途径:一是将测井数据中的高频成分滤去;二是直接应用地震处理的速度谱资料,目前大多数波阻抗反演的低频成分主要是滤去声波测井曲线中的高频成分获得。

同常规波阻抗反演不同,DX14井区AIW波阻抗反演初始模型建立过程中突出井—震一体化、构造—岩性统一:

1)应用钻井拟声波测井曲线获得速度或者阻抗的低频成分,然后在断层参与的高密度层控构造框架控制下横向沿着纵向细化的层序界面外推。为了纵向细化低频模型,保证低频模型井间构造精度,纵向选择梧桐沟组一段3个砂组和梧桐沟组二段1个砂组的底界以及百口泉组底界5个地震反射层做为主要的控制层,当遇到断层时,按该断层转换后的层位与纵向细化的层序界面间的接触关系处理,断层上盘层序界面与断层关系按超覆处理,下盘层序界面与断层关系按剥蚀处理,建立准确的DX14井区AIW波阻抗反演的低频阻抗模型。

2)通过井—震结合精细标定钻井有利储层和纵向细化的层序界面,提取拟波阻抗曲线的低频阻抗分量,在建立的断层参与的高密度层控构造框架控制下内插和外推低频阻抗建立低频阻抗模型后,根据AIW 波阻抗反演基本原理,依据小波边缘分析技术从经过拓频处理的提频三维地震资料中提取反映岩性局部变化的地震属性特征参数,在断层参与的高密度层控构造框架控制下,用小波边缘检测方法得到的边缘信息结合测井沿层位外推的波阻抗来估算反演的初始波阻抗模型,同拟声波阻抗的低频阻抗模型一起建立AIW波阻抗反演的最终初始模型,并且在迭代过程中应用此参数对其进行扰动限制,会使反演结果收获意想不到的效果。

由于断层参与的高密度层控构造框架减小了层间测井信息内插引起的层间构造误差、实现了断层两侧内插测井数据的突变,通过井—震精细标定,依据小波边缘分析技术从双向拓频地震数据中提取地震属性特征参数不但补充了井间内插造成的高频成分缺失,也加入了反映岩性变化信息的地震属性参数,实现井—震一体化、构造—岩性统一的波阻抗反演初始模型。

图4和图5分别为DX14井区3D地震L1036线测井声波阻抗内插外推得到的低频模型以及小波边缘分析得到的地震属性特征参数联合测井声波阻抗、构造框架建立的井—震统一的AIW波阻抗反演模型。对比图4和图5可见,井—震统一的AIW波阻抗反演模型不但包含测井声波阻抗内插外推的低频模型井间横向内插的低频成分,同时也引入了反映井间岩性变化的地震属性数据的小波边缘分析结果,在图4中,由于井间声波阻抗横向连续内插,无法体现井间岩性的变化和地层间的叠置关系,而在井—震统一的AIW波阻抗反演模型图5中,地层纵向上岩性变化可以通过图4中的低频成分来区分,而横向上岩性的变化、地层间接触关系以及断层、断点则通过地震属性特征参数来表征,同测井声波阻抗内插外推的低频模型相比,井—震统一的AIW波阻抗反演模型更能反映地下的实际地质情况。

图4 L1036线测井阻抗低频模型Fig.4 Low frequency logging impedance model of L1036 line

图5 井震统一的AIW波阻抗反演模型Fig.5 AIW wave impedance inversion model for well seismology unification

4 应用效果

在滴南凸起DX14井区,梧桐沟组一段是梧桐沟组的主力含气层系,上部砂岩发育,储层较厚,下部泥岩增多。梧桐沟组一段沉积时期,构造活动相对增强,地貌高差构造变化较大,受东部克拉美丽山物源控制,在DX14井区发育一系列扇三角洲前缘砂体,砂体顶部和底部主要发育泥岩、粉砂质泥岩沉积,储层结构具有典型的“泥包砂”特点,单层砂岩厚度一般2.0～7.0 m,前缘砂体累计厚度一般大于为5.0～18.0 m。应用AIW波阻抗反演方法,充分考虑滴南凸起DX14井区复杂的构造特点、多变的沉积环境形成的“小而薄”扇三角洲前缘砂体以及三维地震资料波组反射特征、地下全方位地震波场的分布特征与变化因素,依据小波边缘分析技术从经过拓频处理的三维地震资料中提取反映岩性局部变化的地震属性特征参数,在断层参与的高密度层控构造框架控制的基础上同测井数据一起参与初始模型建立,并反复迭代修改反演道的波阻抗模型,最终得到滴南凸起DX14井区高精度的地震反演波阻抗资料。

图6为DX14井区在同一个构造地质框架模型基础上,分别采用AIW波阻抗反演和常规基于模型波阻抗反演方法得到的过DX14井波阻抗反演剖面,从图6可见,AIW波阻抗反演剖面的分辨率高于常规基于模型波阻抗反演结果和常规叠后地震剖面,AIW波阻抗反演结果反映的砂层间相互接触关系不但清晰,而且明显反映出了地层岩相、岩性的横向变化,地层岩性信息也更加丰富。通过过DX14井的波阻抗反演剖面也可以看出梧桐沟组一段的砂体横向分布范围较小、不连续,呈现出扇三角洲前缘砂体“小而薄”的特点,符合在DX14井区发育扇三角洲前缘砂体的地质认识。纵向上准确预测了DX14井梧桐沟组一段发育的5套砂体,其中3 532.00～3 536.00 m井段厚度为4.0 m的含气砂体同3 542.00～3 550.00 m井段厚度为8.0 m的含油砂体呈明显的叠置关系,而3 522.00～3 524.00 m井段厚度为2.0 m的含气砂体、3 562.00～3 572.00 m井段厚度为10.0 m的含气砂体则呈现明显的透镜状砂体,向上倾和下倾方向尖灭,反演结果并与实钻结果高度吻合,而常规基于模型波阻抗反演结果不但储层分辨率不高,而且无法反映砂体间的叠置关系。

图6 AIW波阻抗反演(a)与常规基于模型波阻抗反演(b)剖面对比Fig.6 Comparison between AIW wave impedance inversion section and conventional model-based wave impedance inversion section

利用AIW波阻抗反演和常规基于模型波阻抗反演结果,分别对梧桐沟组一段下砂组砂体顶、底界面进行精细井震对比、追踪解释,构造成图,以梧桐沟组一段下砂组顶、底地震反射界面为层段时窗界限,按照砂岩和泥岩间波阻抗界限6 700 [(kg·m-3)·(m·s-1)]预测砂体分布结果如图7,从中可见常规基于模型波阻抗反演资料分辨率较低,砂体的地震响应特征不明显,砂体边界及岩性体间的关系不清(图7b)。而利用AIW波阻抗反演结果可以明显看出:受东部克拉美丽山物源控制,在DX14井区发育一系列扇三角洲前缘砂体,砂体与断裂相配合在DX14井区形成断层—岩性和岩性油气藏(图7a)。

图7 DX14井区梧桐沟组一段波阻抗反演(a)与常规基于模型波阻抗反演(b)波阻抗平面Fig.7 P3wt2 1 AIW wave impedance inversion(a) and conventional model-based wave impedance inversion(b) wave impedance plan of the first member of Wutonggou Formation in DX14 well area

5 结论

1)应用小波边缘分析技术建立的初始波阻抗模型更加接近真实地下地质情况,提高了反演的真实性,利用所得的特征点信息结合测井波阻抗对反演的约束起到了很好的效果,为储层的研究提供了指导作用。

2)AIW波阻抗反演技术将测井波阻抗、地震特征边缘信息作为约束条件建立的初始模型,弥补了常规反演过程中缺少井间的局部构造、岩性变化的地震信息,增加了波阻抗反演过程中高频成分,同常规反演相比,AIW波阻抗反演结果不但能够准确反映井间岩性变化,而且更接近实际地质情况。

3)在断层参与的高密度层控构造框架控制下,测井波阻抗和地震属性特征参数联合建模实现了井—震一体化、构造—岩性统一,但应用的地震属性特征参数比较单一,多属性联合建模仍是波阻抗反演的研究方向。

4)利用基于小波边缘分析的井—震联合建模AIW波阻抗高反演方法,对准噶尔盆地陆梁隆起DX14井区梧桐沟组一段含气砂岩储层进行精细反演和预测,刻画了扇三角洲前缘砂体,预测砂体厚度的相对误差均小于2.84%,预测精度高,完全适用于准噶尔等复杂断陷盆地以及复杂目标区构造—岩性等各种隐蔽性油气藏的精细储层预测和精细油藏描述。