基于多種地震反演方法的哈拉哈塘地區(qū)火成巖識別及速度建模

崔永福， 許永忠， 彭更新， 郭念民， 王興軍， 鄭多明， 馬一名， 張　昆

( 1. 中國石油塔里木油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒　841000；　2. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州　221116 )

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基于多種地震反演方法的哈拉哈塘地區(qū)火成巖識別及速度建模

崔永福1， 許永忠2， 彭更新1， 郭念民1， 王興軍1， 鄭多明1， 馬一名2， 張昆2

( 1. 中國石油塔里木油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116 )

塔里木盆地北部哈拉哈塘地區(qū)油氣成藏條件良好，普遍發(fā)育二疊系火成巖儲層，地震震資料顯示二疊系巖性、速度變化劇烈，影響其下伏奧陶系油藏“串珠”的疊前深度偏移成像及低幅構(gòu)造圈閉的變速成圖。在分析哈拉哈塘南部工區(qū)地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，采用約束稀疏脈沖反演、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演、多參數(shù)反演方法對二疊系火成巖速度識別進(jìn)行對比；采用db4小波對聲波測井曲線進(jìn)行基于小波變換的分頻重構(gòu)，將反演得到的速度模型應(yīng)用在疊前深度偏移中。結(jié)果表明，約束稀疏脈沖反演方法更適用于工區(qū)巨厚的、巖相變化復(fù)雜的火成巖的快速建模；聲波測井曲線重構(gòu)后反演的數(shù)據(jù)體對巖性的識別能力明顯提高，有助于火成巖速度建模。文中速度模型對“串珠”的刻畫取得較好效果，表明該方法可為哈拉哈塘及類似地區(qū)火成巖研究提供初始速度模型。

約束稀疏脈沖反演； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演； 聲波重構(gòu)反演； 速度建模； 火成巖； 哈拉哈塘地區(qū)

0　引言

火成巖油氣藏作為非常規(guī)油氣藏，產(chǎn)層厚，產(chǎn)率高，具有較大發(fā)展?jié)摿?。陳樹民等[1]利用測井、VSP(垂直地震剖面)等資料預(yù)測徐深氣田火山巖含氣儲層，采用PP-PS協(xié)同反演技術(shù)進(jìn)行縱橫波速度比彈性參數(shù)反演，顯示儲層特征明顯，預(yù)測效果良好；潘赟等[2]劃分塔北西部火成巖巖性，利用測井資料研究不同巖性的測井響應(yīng)特征，對識別火成巖巖性具有指導(dǎo)意義；劉小平等[3]分析蘇北盆地海安凹陷火成巖儲層的地震剖面和測井響應(yīng)特征，應(yīng)用伽馬和深側(cè)向電阻率曲線構(gòu)建擬聲波曲線，進(jìn)行高分辨率參數(shù)反演，較準(zhǔn)確地反映火成巖的變化特征；張震等[4]利用巖心、薄片及成像測井方法，分析火山巖巖石學(xué)特征、儲集空間類型和儲層物性特征等，研究哈山地區(qū)石炭系火山巖儲層特征及儲集性能主控因素。

近年來，全波形反演技術(shù)快速發(fā)展，它對初始速度模型依賴性強(qiáng)，需要精確的速度模型才能保證反演的精度[5]。速度建模是制約疊前深度偏移成像精度的主要瓶頸，建立可準(zhǔn)確反映地下巖層巖性規(guī)律的高精度速度模型非常重要。萬忠宏等[6]根據(jù)地震波傳播速度和巖層性質(zhì)關(guān)系，提出屬性模型速度建場技術(shù)，以井為基礎(chǔ)，利用速度場內(nèi)插模塊等形成速度模型。溫聲明等[7]考慮高陡復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的構(gòu)造特點(diǎn)，提出高陡構(gòu)造區(qū)層速度替換建場法。哈拉哈塘地區(qū)二疊系火成巖厚度有數(shù)百米，縱、橫向上巖性變化快，用Dix速度建場、層速度替換建場法、模型速度建場等方法研究火成巖速度變化效果不理想，影響研究區(qū)火成巖下伏低幅構(gòu)造與奧陶系油氣勘探進(jìn)程。地震反演技術(shù)利用地震資料和測井資料，得到包含速度信息的高分辨率波阻抗數(shù)據(jù)體，使高精度火成巖速度建場成為可能[8]。哈拉哈塘地區(qū)火成巖巖性、巖相變化大，筆者采用約束稀疏脈沖反演、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演、多參數(shù)反演方法，對該地區(qū)二疊系進(jìn)行火成巖識別與反演速度建模，得到符合該地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)的高精度速度體。

1　工區(qū)概況

研究工區(qū)位于塔里木盆地北部的一級構(gòu)造單元塔北隆起。程海燕[9]、崔澤宏[10]等將塔北隆起劃分為6個(gè)二級構(gòu)造單元，李曰俊等[11]將塔北隆起劃分為包括輪南低凸起等5個(gè)次級構(gòu)造單元。哈拉哈塘地區(qū)西部緊接英買力低凸起，截至目前已鉆井?dāng)?shù)百口。選取鉆遇火成巖儲層12口井，巖性以凝灰?guī)r和火山碎屑巖為主，且12口井經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，聲波時(shí)差準(zhǔn)確，能夠反映地下巖層信息。工區(qū)二疊系火成巖主要為基性噴出的玄武巖和介于中性和酸性之間噴出的英安巖，以及過渡類型的凝灰質(zhì)英安巖和安山質(zhì)英安巖，局部出現(xiàn)少量安山巖和流紋巖。工區(qū)內(nèi)火山活動大致分為三個(gè)期次：第一期次巖性主要為凝灰?guī)r和火山碎屑巖；第二期次巖性以玄武巖為主；第三期次巖性以英安巖和英安質(zhì)凝灰?guī)r為主。

2　反演方法

2.1約束稀疏脈沖反演

約束稀疏脈沖反演是基于褶積模型的遞推反演方法[12]，可很好適用于鉆井較少的勘探區(qū)域，并獲得較寬頻帶的反射系數(shù)序列。由于測井資料含有豐富的高低頻率，補(bǔ)充地震波阻抗的頻率信息，使反演結(jié)果能更好地反映地下地質(zhì)情況[13-14]。

首先，對工區(qū)中在二疊系有密度曲線的測井資料進(jìn)行聲波密度擬合，得到工區(qū)聲波—密度擬合經(jīng)驗(yàn)公式，完成聲波—密度轉(zhuǎn)換工作。其次，對比合成地震記錄與實(shí)際地震剖面，精細(xì)調(diào)整合成記錄，反復(fù)迭代修正，使相關(guān)度達(dá)到滿意結(jié)果。最后，在反演中加入控制波阻抗趨勢和范圍的約束條件，得到火成巖的相對波阻抗；建立火成巖低頻模型，將模型與相對波阻抗體融合，得到絕對波阻抗[15]。

2.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可模仿人類大腦自組織和自適應(yīng)的智能行為，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[16]，對于復(fù)雜的邏輯操作及非線性映射關(guān)系，具有良好的仿真處理能力。

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演中，對反演影響較大的因素為：(1)制作合成記錄；(2)建立初始模型；(3)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在合成記錄制作過程中，除了選擇地震子波外，標(biāo)定井震時(shí)深對應(yīng)關(guān)系時(shí)應(yīng)盡量避免拉伸，以免測井曲線發(fā)生改變。對于初始模型的建立，主要利用地震層位約束，對測井曲線低通濾波后通過內(nèi)插和外推得到，能夠初步反映火成巖波阻抗在空間中的變化特征。

2.3多參數(shù)反演

基于測井約束的多參數(shù)反演不僅依靠聲波密度曲線進(jìn)行聲波阻抗反演，而且綜合電阻率、自然伽馬、自然電位及中子測井等測井?dāng)?shù)據(jù)。該反演方法能充分利用測井資料，并與地震資料優(yōu)勢互補(bǔ)[17]。

首先，采用初始模型構(gòu)建與原始地震道最為近似的地震道并進(jìn)行反演，通過迭代調(diào)整并優(yōu)化參數(shù)使殘差達(dá)到最小，得到的空間權(quán)值最優(yōu)分布的數(shù)據(jù)體；然后，將該數(shù)據(jù)體應(yīng)用于不同屬性的測井?dāng)?shù)據(jù)，得到對應(yīng)的測井屬性數(shù)據(jù)體。

文中工區(qū)火成巖測井曲線表現(xiàn)為中低聲波時(shí)差值、高自然伽馬值；火山碎屑巖測井曲線表現(xiàn)為中聲波時(shí)差值、低自然伽馬值。因此，將自然伽馬曲線作為識別火成巖和火山碎屑巖的敏感曲線，進(jìn)行多參數(shù)反演，得到自然伽馬屬性數(shù)據(jù)體。

3　反演結(jié)果

3.1測井曲線處理

受人為或其他客觀因素影響，采集的測井曲線常出現(xiàn)質(zhì)量差、多井之間缺乏一致性或數(shù)據(jù)缺失等情況，因此需對原始測井資料進(jìn)行質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以消除測井資料中的系統(tǒng)誤差，盡可能還原測井資料的真實(shí)值[18]，使測井?dāng)?shù)據(jù)一致性較高、相對完整。在質(zhì)量控制過程中，需要對密度和聲波等質(zhì)量差的測井曲線進(jìn)行編輯；在標(biāo)準(zhǔn)化處理過程中，根據(jù)每口井的相帶類型與VSP速度，應(yīng)用直方圖和交會圖對目標(biāo)井相同地質(zhì)層位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2反演剖面對比

采用約束稀疏脈沖反演、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演及多參數(shù)反演三種方法，對工區(qū)火成巖巖層進(jìn)行地震反演，得到過井X2—X5—X301—X3_1—X3—X4—X8的波阻抗剖面(見圖1)。

圖1　工區(qū)火成巖不同反演方法反演的過井X2—X5—X301—X3_1—X3—X4—X8波阻抗剖面

三種反演方法得到的波阻抗值的范圍基本相符。其中，約束稀疏脈沖反演采用測井和地震層位建立的初始框架進(jìn)行約束，用相對波阻抗體作為低頻補(bǔ)充，反演結(jié)果更符合地震數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演注重輸入與輸出之間的非線性映射關(guān)系，但工區(qū)中測井?dāng)?shù)量少、位置分布不規(guī)律，在井點(diǎn)分布稀疏的區(qū)域，訓(xùn)練樣本的可靠性較差。多參數(shù)反演以測井?dāng)?shù)據(jù)為主，同時(shí)考慮地震資料橫向上的變化，縱向分辨率較高，但反演結(jié)果過于層狀化。工區(qū)中二疊系火成巖較厚，內(nèi)部成層性不明顯，約束稀疏脈沖反演比其他反演方法的結(jié)果更符合工區(qū)實(shí)際地質(zhì)狀況。

3.3反演速度評價(jià)

將三種不同反演方法得到的波阻抗數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為速度體：

(1)

式中：imp為通過反演得到的波阻抗；a、b為研究區(qū)域聲波—密度擬合經(jīng)驗(yàn)公式的因數(shù)；VP為速度。

提取X2、X4、X3_1、X5、X301、X8井的反演速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，聲波時(shí)差值準(zhǔn)確，能夠反映地下巖層信息。因此，對6口井的反演速度與聲波速度進(jìn)行對比，計(jì)算每口井在不同反演方法下誤差(見表1)。

表1　三種反演方法的速度及與原始聲波時(shí)差速度及誤差

由表1可知：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法由于參與訓(xùn)練的井少、井位分布不均(西側(cè)9口、東側(cè)3口)，得到的反演速度誤差略大。多參數(shù)反演與約束稀疏脈沖反演方法的，除X4井外，其他井點(diǎn)的反演速度與原始聲波時(shí)差速度誤差較小，但多參數(shù)反演的波阻抗剖面有明顯成層性，約束稀疏脈沖反演方法井點(diǎn)處反演結(jié)果整體誤差為0.737%～3.811%，無異常值，與工區(qū)火成巖的速度變化規(guī)律更符合。

4　基于小波變換的聲波時(shí)差重構(gòu)反演

4.1重構(gòu)原理及實(shí)現(xiàn)

聲波時(shí)差測井曲線是聲波阻抗反演的基本資料，受到各種因素影響，其反演速度在井點(diǎn)處易出現(xiàn)異常，難以較好地反映地層巖性變化規(guī)律。塔北哈拉哈塘二疊系火成巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、速度變化差異大，導(dǎo)致聲波時(shí)差反演誤差更為明顯。文中利用對火成巖巖性反映敏感的自然伽馬測井曲線，對聲波時(shí)差曲線進(jìn)行重構(gòu)，可更好地反映火成巖巖性、提高火成巖反演分辨率。

錄井資料顯示，工區(qū)火成巖儲層巖性主要有英安巖、火山碎屑巖和凝灰?guī)r。目的層段測井曲線包括聲波時(shí)差(DT)、自然伽馬(GR)和自然電位(SP)等。不同測井方法反映的是同一地質(zhì)體的地球物理特征，不同曲線存在相關(guān)關(guān)系，對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，利用同時(shí)與聲波時(shí)差和火成巖巖性相關(guān)關(guān)系較好的曲線進(jìn)行重構(gòu)。

以X2、X302、X3井為例，繪制3口井的聲波時(shí)差—自然伽馬曲線交會圖、聲波時(shí)差—自然電位曲線交會圖(見圖2)。由圖2可以看出，聲波時(shí)差與自然伽馬曲線有較好的相關(guān)關(guān)系，自然伽馬曲線對火成巖的巖性變化更敏感。因此，利用自然伽馬曲線的高頻信息與聲波時(shí)差曲線進(jìn)行重構(gòu)，能更好地反映火成巖信息，提高對火成巖的識別能力。

采用db4小波對聲波時(shí)差和自然伽馬曲線進(jìn)行五尺度小波分解，將聲波時(shí)差和自然伽馬曲線分成低頻分量及高頻分量部分。聲波時(shí)差和自然伽馬曲線的低頻分量部分比兩者的高頻分量部分相關(guān)關(guān)系更好，因此以兩條曲線低頻分量部分為基礎(chǔ)建立回歸模型：

(2)

式中：LDT和LGR分別為聲波時(shí)差和自然伽馬測井曲線經(jīng)五尺度分解后得到的低頻部分；g為量綱轉(zhuǎn)換因子；C為校正常數(shù)。回歸求出g和C，進(jìn)而得到與聲波時(shí)差相同量綱的自然伽馬曲線：

(3)

式中：GRnew和GRold分別為原始和模型建立的自然伽馬曲線。

圖2　工區(qū)X2、X302、X3井的DT-GR與DT-SP交會圖Fig.2 Crossplots DT-GR and DT-SP of X2, X302, X3 well in work area

測井曲線標(biāo)準(zhǔn)化處理和量綱轉(zhuǎn)換使聲波時(shí)差和自然伽馬曲線在重構(gòu)中貢獻(xiàn)相同，通過Matlab編程計(jì)算量綱轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到工區(qū)8口井的擬合參數(shù)(見表2)。

表2　工區(qū)8口井量綱轉(zhuǎn)換參數(shù)

聲波時(shí)差測井曲線的小波重構(gòu)是分解的逆過程。首先，通過式(3)將原始自然伽馬曲線轉(zhuǎn)換為具有聲波時(shí)差量綱的曲線；其次，將分解得到的原始聲波時(shí)差曲線的低頻部分及原始自然伽馬曲線高頻的細(xì)節(jié)部分，組合并重構(gòu)得到擬聲波時(shí)差曲線(見圖3)。

4.2聲波時(shí)差重構(gòu)反演

重構(gòu)的聲波時(shí)差曲線應(yīng)用于約束稀疏脈沖反演，得到波阻抗反演結(jié)果并轉(zhuǎn)換為速度體。對比聲波時(shí)差重構(gòu)反演前后的過X8、X9井的連井波阻抗剖面(見圖4)。由圖4可見，重構(gòu)前后聲波阻抗反演結(jié)果整體一致，但細(xì)節(jié)上略有差異：其中4處被圈區(qū)域差異相對明顯，反演波阻抗低值的連續(xù)小層(藍(lán)色)在重構(gòu)后的剖面中差異更明顯。

圖3　X8井小波重構(gòu)聲波時(shí)差曲線Fig.3 The reconstruction DT curve with wavelet transform in well X8

圖4　過X8—X9井聲波時(shí)差曲線重構(gòu)反演前后波阻抗剖面Fig.4 P-impendence contrast before and after DT reconstruction cross well X8 and X9

聲波時(shí)差重構(gòu)反演前后的波阻抗剖面的波阻抗差異不明顯，原因?yàn)椋?1)聲波時(shí)差重構(gòu)沒有改變其低頻信息，對大的地層背景速度沒有改變；(2)雖然工區(qū)火成巖儲層分布廣泛、變化劇烈，但普遍發(fā)育較厚，受地質(zhì)條件制約，難以發(fā)揮重構(gòu)反演對巖性的識別能力。

工區(qū)東南區(qū)域X8井附近發(fā)育火山碎屑巖與砂泥巖互層，井點(diǎn)處重構(gòu)反演的波阻抗剖面見圖5。由圖5可見，地層A(4 810～4 840 m)巖性主要為含泥巖的火山碎屑巖，厚度約為30 m；重構(gòu)的波阻抗剖面上可見該層巖性與鄰近地層巖性的差異，其波阻抗相對火成巖的較低，位于低阻區(qū)，顯示為藍(lán)色。地層B(4 840～4 995 m)巖性主要為玄武巖和凝灰?guī)r的夾層，厚度約為155 m。地層C(4 995～5 175 m)巖性主要為砂泥巖互層，厚度約為180 m，波阻抗位于低阻區(qū)。

圖5　X8井點(diǎn)處重構(gòu)反演波阻抗對比Fig.5 P-impendence contrast before and after reconstruction at X8

在聲波時(shí)差重構(gòu)反演的波阻抗剖面中，巖層的橫向連續(xù)性得到優(yōu)化。以X8井南側(cè)砂泥巖重構(gòu)反演前后波阻抗剖面和水平切片(見圖6)為例，波阻抗數(shù)據(jù)體的水平切片中黑色框區(qū)域?yàn)椴ㄗ杩沟椭祬^(qū)(見圖6(c))，對比該區(qū)域聲波時(shí)差重構(gòu)反演前后波阻抗剖面(見圖6(a-b))，低波阻抗薄層的橫向連續(xù)性更好，聲波時(shí)差重構(gòu)反演對薄層巖性的分辨能力加強(qiáng)，地震反演分辨率得到提高。

圖6　X8井南側(cè)砂泥巖重構(gòu)前后波阻抗剖面和水平切片F(xiàn)ig.6 The P-impendence contrast and horizontal slice of sand-mud rocks in south of X8

通過聲波時(shí)差重構(gòu)反演方法得到火成巖速度模型，在L2400線，它與常規(guī)層控建?；鸪蓭r速度模型見圖7。由圖7可見，文中反演方法建立的速度模型(見圖7(a))比常規(guī)層控建模方法建立的速度模型(見圖7(b))更能精細(xì)地反映火成巖細(xì)節(jié)。

在L2400線，文中火成巖反演方法與常規(guī)層控建模方法處理的疊前深度偏移剖面見圖8。由圖8可見，文中反演方法可較好地刻畫出奧陶系“串珠”，并較為準(zhǔn)確地反映工區(qū)火成巖儲層特征，即“空白相帶”火成巖以熔巖為主，速度高；“雜亂相帶“火成巖速度相對較低，巖性以沉凝灰?guī)r為主(見圖8(a))。同時(shí)，反映出地層下部地勢偏低，是接受沉積的環(huán)境，巖性與鉆、錄井結(jié)果相符。

圖7　文中反演方法與常規(guī)層控方法火成巖速度模型

圖8　文中反演方法與常規(guī)層控方法火成巖速度建模疊前深度偏移剖面Fig.8 Inversion method in the paper and conventional strata-bound method contrast in igneous rock velocity modeling pre-stack depth migration sections

5　結(jié)論

(1)對比約束稀疏脈沖反演、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演和多參數(shù)反演方法，分析刻畫哈拉哈塘地區(qū)二疊系火成巖速度場的最佳反演方法。工區(qū)火成巖厚度大、變化復(fù)雜，約束稀疏脈沖反演比其他方法更適用于大范圍、快速度的火成巖速度建模。

(2)聲波時(shí)差測井曲線對火成巖反演建模結(jié)果影響較大，對它進(jìn)行重構(gòu)反演有助于精細(xì)刻畫火成巖的巖性。利用小波分析方法實(shí)現(xiàn)聲波時(shí)差測井曲線的重構(gòu)，在保留原始聲波時(shí)差曲線低頻部分基礎(chǔ)上，加入對巖性變化敏感的自然伽馬曲線高頻部分，提高對火成巖巖性的識別能力和分辨能力。

(3)地震反演技術(shù)能為地震資料處理提供更為精細(xì)的初始速度模型，能有效提高厚度大、巖性變化大的火成巖等異常巖性體的建模精度。在哈拉哈塘地區(qū)實(shí)際應(yīng)用取得較好的效果，對相鄰區(qū)塊和類似巖性地區(qū)的地層精細(xì)刻畫具有一定指導(dǎo)作用。

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2016-02-18；編輯：張兆虹

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05004-004)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374140)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

崔永福(1978-)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事石油物探方面的研究。

許永忠，xuyongzhong2004@126.com

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.04.007

TE122.2

A

2095-4107(2016)04-0054-09