強反射背景下迭代低頻模型在反演中的應用

劉 波, 王 瑞, 許 剛, 陳柏平

(1.河北工程大學地球科學與工程學院,河北 邯鄲 056038; 2. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發研究院,上海 200120; 3.中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司勘探事業部,甘肅 敦煌 736202; 4.中國礦業大學(北京)地測學院,北京 100083)

0 引言

20世紀80年代以來,古巖溶縫洞儲集體一直是全球油氣勘探與開發的重要目標儲層,縫洞儲集體的研究成為熱點[1-3]。我國西部奧陶系發育碳酸鹽巖縫洞型儲層,是在巖溶作用下的洞穴、孔洞以及裂縫的儲層系統。該儲層在區域構造作用下,首先形成大斷裂,之后地層抬升暴露地表,受到大氣水的淋濾作用,地層沿斷裂進行溶蝕,從而形成有利的儲集空間,屬于斷溶體成藏模式,其中溶洞型油藏賦存了豐富的油氣資源[4-6]。塔河地區奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層埋藏深且非均質性強,溶洞儲層在地震剖面上表現為“串珠”強振幅特征,一般認為“串珠”頂部的負反射系數表征為洞穴頂部[3,7]。裂縫型儲層多發育在奧陶系碳酸鹽巖頂部不整合風化帶附近,在地震剖面表現為雜亂反射或者略強的振幅[8]。碳酸鹽巖頂界與上覆蓋層、碳酸鹽巖洞穴與圍巖都具有較大的反射系數,這種強反射背景導致地震儲層反演彈性參數受到旁瓣效應的影響,導致了奧陶系灰巖頂界儲層彈性參數異常低值和溶洞儲層頂界彈性參數異常高值,這是一種不合理的結果,與實際鉆探明顯不符,影響儲層解釋與認識。韓東等[9]利用波阻抗反演對縫洞型儲層進行研究,較好地刻畫了溶洞的空間分布; 喻定成等[10]用疊前反演得到多參數綜合分析碳酸鹽巖縫洞型儲層,取得了較好的效果; 楊鵬飛等[11]將地質統計學地震反演技術應用于儲層巖相和孔隙度建模中,實現了縫洞型儲層的定量地震描述。

前人研究成果表明,地震反演技術在縫洞型儲層已經廣泛應用。在研究“串珠”類儲層時,發現反演預測結果與地震子波關系很大,其中子波旁瓣是影響反演結果是否符合地質特征的關鍵因素,在很大程度上影響儲層的識別和解釋[12]。低頻信息能有效恢復地震信號中缺失的背景信息[13]。碳酸鹽巖洞穴與圍巖都具有較大的反射系數,多數現有地震資料往往缺少10 Hz以下的低頻信息,有的甚至缺失20 Hz以下的低頻信息,導致速度分析困難,造成深部地層成像差,普遍存在強反射界面反演不合理、不穩定以及反演結果出現異常值等不利影響。因此,要獲得合理的彈性參數進行儲層精細描述,必須要克服強反射界面影響,并提供合理地震低頻信息,建立適用于塔河碳酸鹽巖縫洞型儲層的低頻模型。本文建立了一套壓制旁瓣效應的低頻迭代方法,用實際采集參數、波動方程算法生成的正演地震數據做為反演數據基礎,通過該方法的應用研究壓制子波旁瓣效應,提高儲層定量預測精度,解決奧陶系碳酸鹽巖強反射界面反演不精確的問題,為致密碳酸鹽巖頂界風化帶儲層預測、恢復洞穴頂部真實的彈性參數值提供思路和方法。

1 研究區概況

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲層是目前我國已發現儲量規模最大的深部縫洞型油(氣)藏。鉆井目標類別較多,從地震反射特征分析可知,主要分為大—中型洞穴型儲層的串珠狀反射特征和孔洞型儲層的雜亂反射特征[14]。從鉆井資料分析可知,洞穴型儲層頂部的物性以及連通性是關鍵,而孔洞型儲層需要鉆孔直接鉆遇,兩類儲層的物性都比較好,容易發生放空漏失,屬于優質儲層; 從地震數據資料分析可知,這兩類奧陶系碳酸鹽巖儲層都是受地震強反射系數影響,洞穴型儲層的強反射系數是致密碳酸鹽巖圍巖和溶洞造成的(圖1),塔河油田區域內奧陶系碳酸鹽巖儲層上覆巴楚組、桑塔木組、良里塔格組為低阻抗泥巖或者泥灰巖蓋層,該低阻抗巖層致密碳酸鹽巖形成連續強反射系數,而孔洞型儲層主要發育在該套致密碳酸鹽巖頂部的風化帶內,受到上覆地層形成的強反射系數的影響。地震構造解釋結果表明,上述兩種儲層的頂界是較為容易識別的,但對于儲層描述來說,構造解釋是遠遠不夠的,需要開展儲層反演,獲得合理的儲層參數進行碳酸鹽巖儲層的評價[15]。由于洞穴型和孔洞型碳酸鹽巖儲層的鉆井成本較高,因而非常依賴地震數據儲層描述,儲層地震反演是最為重要的預測數據依據之一,在反演過程中壓制地震強反射的影響至關重要。

(a) 碳酸鹽巖洞穴型儲層地震“串珠”特征 (b) 碳酸鹽巖洞穴型儲層地質特征

圖1 碳酸鹽巖洞穴型儲層地震“串珠”特征及地質特征Fig.1 Seismic “beading” characteristics and geological characteristics of carbonate cavernous reservoir

為了更加直觀展示在地震儲層反演過程中通過壓制強反射界面旁瓣效應獲得合理地質參數的效果,本文基于全三維波動方程正演合成得到的地震數據為基礎開展研究[16]。該地震數據基于塔河實際工區觀測系統參數及資料主頻,在模擬過程中采用理論30 Hz的雷克子波作為震源子波,開展三維波動方程有限差分法正演模擬合成地震炮集,采用柯西霍夫疊前時間偏移對地震炮集進行處理,獲得三維偏移地震結果,通過這一數據處理流程最大程度模擬實際的地震數據[17]。所得到的地震數據是進行后續儲層反演的基礎,在整個反演過程中采用的地震子波是地震炮集正演模擬所用的震源子波,采集模擬和反演解釋采用相同的地震子波。雖然實際地震記錄到的子波與震源子波會有變化,可能會變成非零相位的,但地震子波具體變化分析比較困難,且會增加不確定性,因此,本文地震炮集正演模擬和處理過程盡量保證地震子波的零相位化。為了保證研究過程的連貫性以及減少不確定偏差的影響,本文采用30 Hz雷克子波作為地震子波。

2 強反射子波旁瓣效應

地震子波旁瓣效應是子波缺少低頻成分導致的。Knapp等[18]已經對低頻成分對子波旁瓣效應的影響進行了論述,并指出可以通過增加低頻成分來壓制旁瓣效應,但是子波旁瓣完全壓制在數學方法上不能完全實現。只要是帶限數據就會形成子波旁瓣效應,表現為在一定時間范圍內地震上會出現一個真主瓣反射同向軸,伴隨若干由旁瓣形成的相對弱的假反射同向軸。Karsh[19]利用不同低頻截止的子波分析后認為,主瓣與旁瓣的比值隨著低頻成分減少而降低,如果數據缺少較多的低頻成分,則在強反射系數界面處會出現較多強反射特征的假同向軸(旁瓣效應),這些假同向軸由于沒有地質意義,會嚴重影響解釋精度。

圖2為本次研究區塔河油田奧陶系產生旁瓣效應的解釋。圖中地質界面1為碳酸鹽巖儲層頂部界面,地質界面2為洞穴儲層頂部界面。兩個反射界面縱波阻抗發生較大變化,都是強反射系數界面。地質界面1上覆泥巖與致密灰巖波阻抗差異大,產生穩定連續的強地震同向軸(圖3(a)),會形成強波峰反射,同時跟隨強的子波旁瓣(波谷),該旁瓣從常規反演結果看是一套在灰巖頂部穩定分布的低縱波阻抗(圖3(b)),受子波旁瓣效應影響明顯。

圖2 塔河碳酸鹽巖儲層界面示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbonate reservoir interface in Tahe

(a) 全波動方程正演合成地震數據

如圖3(c)所示的正演模擬所用的原始速度場中碳酸鹽巖頂界沒有穩定連續的低速層,所以常規反演結果中的碳酸鹽巖儲層頂部穩定連續分布的低縱波阻抗特征是由于地質界面1的強子波旁瓣引起的不合理假象。從儲層的角度分析認為,碳酸鹽巖頂部風化帶中發育的儲層反射有可能完全與地質界面1的旁瓣摻雜在一起,儲層被地質界面1的旁瓣完全掩蓋,無法有效地預測,甚至出現誤判。地質界面2是溶洞和致密灰巖圍巖的界面,該界面的波阻抗差異大,在地震上形成強波谷特征,有一系列強反射旁瓣,表現為串珠型強振幅,“串珠”的橫向范圍和垂向范圍與溶洞的大小、充填物相關。如圖3(b)所示,溶洞頂部是縫洞型儲層鉆探的主要目標,多數鉆井在溶洞頂部會發生放空漏失,測井曲線上表現為相對較低的阻抗,但是在常規反演結果上由于強反射旁瓣效應溶洞頂部表現為高縱波阻抗異常,這與實際鉆探不符,與初始地質模型差異較大,會導致儲層預測出現誤判,屬于典型的子波旁瓣效應造成的儲層高縱波阻抗異常。

3 迭代低頻模型

一般來說地震數據去除旁瓣效應的根本方法是通過寬頻數據來實現的,但在塔河碳酸鹽巖儲層研究過程中多數采用常規地震數據,而常規地震數據在反演中壓制旁瓣效應的方法主要通過在反演過程提供合理低頻模型來實現。本文基于常規頻帶的地震數據,建立合適的低頻模型可以壓制地震反演中強反射界面旁瓣效應的影響。塔河碳酸鹽巖縫洞型儲層具有強非均質性和局限性,不能應用已知井層位約束插值的方法構建低頻模型,因此解決碳酸鹽巖儲層的子波旁瓣效應需要從現有地震數據和速度場出發,構建合理的低頻模型。本次提出的低頻模型構建方法利用多輪地震反演成果迭代,達到去除旁瓣效應增加儲層預測精度的目的。構建的低頻模型主要針對地震儲層反演波阻抗低頻模型中頻率為0～10 Hz部分的信息[20]。圖4為本次新建低頻模型流程圖,首先消除圖2中地質界面1的強反射旁瓣效應,其次在波阻抗反演結果上進行溶洞異常體解釋,進而更新低頻模型消除地質界面2的強反射旁瓣效應。反復迭代直到建立一個可靠、準確的去除子波旁瓣效應的反演低頻模型(圖4)。

圖4 優化低頻模型反演流程Fig.4 Optimized low-frequency model inversion process

(1)初始低頻模型。利用疊前時間偏移處理提供的速度場作為初始低頻模型的數據基礎(圖5(a)),通過區域的巖石物理關系將其轉化為縱波阻抗低頻模型,并開展第一輪地震反演。

(a) 初始低頻模型

(b) 碳酸鹽巖儲層頂部低頻模型更新

圖5 迭代低頻模型Fig.5 Iterative low-frequency model

(2)碳酸鹽巖儲層頂部界面(地質界面1)低頻模型更新。塔河地區奧陶系圍巖可看做致密碳酸鹽巖,故縱波阻抗值為常數值,將該數值與上一輪的反演結果(非洞穴位置)進行差值運算,而后分層段進行差值統計分析獲得補償值,并應用到第一輪的低頻模型中,進而獲得新的第二輪低頻模型(圖5(b)),這一輪低頻模型已經消除了部分頂界面的低波阻抗影響,應用該模型開展第二輪地震反演。

(3)洞穴儲層頂部界面(地質界面2)低頻模更新。利用第二輪的地震反演結果將溶洞空間分布提取出來,結合第二步產生的低頻體,迭代建立最終的壓制子波旁瓣低頻模型(圖5(c)),從圖中可以看出,第三輪低頻模型消除了溶洞頂部的高波阻抗影響,在此基礎上開展第三輪地震反演。

低頻模型可以根據反演結果是否與鉆遇認識一致不斷迭代優化,在儲層地震反演過程中逐漸補充有效的低頻成分壓制強反射旁瓣效應。

4 應用效果

塔河碳酸鹽巖縫洞型儲層在地震數據上的特征屬于“串珠”形態(圖6),與圖1特征一致,出現多套波峰波谷組成強振幅反射,對比模型數據可知,地震反射展現的“串珠”并不能從地震上準確識別溶洞儲層個數與位置。通過地震儲層反演可以將“串珠”聚焦,反應出溶洞的數量和位置,第一輪反演預測溶洞數量,反演結果僅在溶洞底部有虛增的響應,但是能量較弱,與模型中溶洞個數對應較為準確,第一輪反演應用的低頻模型沒有消除強反射旁瓣效應,生成不合理的反演結果: 奧陶系致密碳酸鹽巖頂部有一套穩定的低縱波阻抗,溶洞頂部出現強高波阻抗,該結果會干擾儲層解釋,造成后續反演解釋為碳酸鹽巖風化殼,掩蓋頂部儲層的響應特征,造成誤判,嚴重影響儲量計算和井位部署; 通過第二輪反演消除奧陶系碳酸鹽巖頂界面的強地震反射在反演過程受子波旁瓣影響,如圖6(b)中藍色箭頭所示,第二輪低頻迭代反演的結果壓制了儲層頂部低波阻抗造成的干擾,為尋找有效的孔洞型儲層提供合理的反演成果,降低碳酸鹽巖風化區孔洞型儲層的勘探風險; 第三輪反演在去除致密碳酸鹽巖儲層頂部干擾后,減少洞穴型儲層頂部強反射子波旁瓣效應的影響(圖6(c)所示藍色箭頭),使溶洞頂部的彈性參數值回歸正常,溶洞頂部位置預測更為準確,保證了儲層預測的精度,為洞穴型儲層的井位靶點選取提供有效支撐。

(a) 未壓制強反射旁瓣效應利用初始低頻模型反演結果(第一輪反演) (b) 壓制碳酸鹽巖頂界強反射旁瓣效應的低頻模型反演結果(第二輪反演) (c) 同時壓制碳酸鹽巖頂界強反射和溶洞儲層頂部旁瓣效應低頻模型反演結果(第三輪反演)

應用該方法迭代低頻模型反演對于碳酸鹽巖儲層的刻畫有較為明顯的提高,儲層模型更加真實。但是仍舊有一些不足,包括“串珠”底部的弱虛假儲層、洞穴型儲層間的彈性參數值不能回歸正常值以及反演溶洞體積偏大,本次研究對于這些問題進行了直觀地暴露,便于后續研究在研究奧陶系縫洞型儲層時更加客觀看待反演所預測的儲層。

5 結論

(1)奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層反演長期以來對學者是比較棘手的問題,強反射界面引起儲層解釋的不確定性往往容易被忽視。本文以最大程度模擬實測地震數據的全波動方程正演模擬地震數據為數據基礎,清晰地反映了子波旁瓣效應對于地震反演的影響,說明常規地震反演會導致奧陶系碳酸鹽巖頂部的縫洞型儲層產生預測中出現誤判,主要表現為在該位置出現與實際地質模型不符合的低縱波阻抗,而往往低縱波阻抗被認為是有效儲層的特征。

(2)通過分析子波旁瓣效應與低頻之間的關系,利用本次提出的迭代低頻流程方法,有效消除了地震反演過程中強反射子波旁瓣響應對碳酸鹽巖儲層反演結果的影響,獲得了合理的彈性參數,使溶洞儲層從個數到頂部位置都更符合實際的地質特征,降低了塔河碳酸鹽巖縫洞型儲層的勘探風險。

(3)火成巖層、煤層等特殊巖性造成強反射界面在地震反演儲層預測過程中經常遇到,去偽存真變得非常重要,本文為解決強反射界面的地震反演提供了一種思路,但是要完全消除這種影響必定要從原始地震數據采集和處理技術方面提升。