地震反演技术及其应用

地震反演技术及其应用FrazerBarclay澳大利亚西澳大利亚州珀斯AndersBruunKlausBoldingRasmussen丹麦哥本哈根JoseCamaraAlfaro墨西哥石油公司墨西哥塔毛利帕斯州TampicoAnthonyCooke苏格兰阿伯丁DennisCookeDarrenSalterSantos西澳大利亚州珀斯RobertGodfreyDominicLowdenSteveMcHugoHüseyinÖzdemirStephenPickering英国GatwickFranciscoGonzalezPineda墨西哥石油公司墨西哥塔毛利帕斯州ReynosaJorgHerwangerStefanoVolterrani美国得克萨斯州休斯敦AndreaMurinedduAndreasRasmussen挪威斯塔万格RonRoberts阿帕奇公司加拿大艾伯塔省卡尔加里在编写本文过程中得到以下人员的帮助，谨表谢意：挪威StatoiHydro公司的TrineAlsos；塔尔萨SEG协会的TedBakamjian；墨西哥城的RichardBottomley；哥本哈根的JonathanBown，HenrikJuhlHansen和KimGunnMaver；吉隆坡的TimBunting；休斯敦的KarenSullivanGlaser；阿联酋阿布扎比的JalalKhazanehdari；英国Gatwick的HasbiLubis；阿伯丁的FaridMohamed；西澳大利亚州珀斯的RichardPatenall；开罗的PrameshTyagi，以及斯塔万格的AnkeSimoneWendt。ECLIPSE，ISIS和Q-Marine等是斯伦贝谢公司的商标。42油田新技术三维地震勘探是最常用的确定地下潜在勘探目标的方法。利用三维地震勘探进行大规模地下地质构造探测，有助于油气公司绘制地下构造图并选择有利钻井井位。一直以来，地震资料主要用于确定反射层的几何形状及深度。主要是因为地震波在遇到声波属性不同的地层界面时会发生反射。然而，地震反射资料包含的信息远远超出反射体所在位置的信息，因为每一次反射都会使反射回来的地震波振幅发生改变。发生在反射界面处的属性表现为声阻抗差，声阻抗是波速与密度之积。地震反射振幅信息可被用来逆向推导或反演界面两侧物质的相对声阻抗。通过互相关基于地震数据推导的属性值和测井数据，解释人员能够将井筒信息外推到整个反射体。该过程称为储层描述地震反演。通过地震反演，能够帮助我们更好地了解井间地层的属性。本文阐述了地震反演的技术方法，并介绍了油气公司利用地震反演技术降低油气勘探、开发和生产过程中风险的实例。本文在介绍了地震反演技术的用途之后，对从简单到复杂的反演类型进行了介绍。通过墨西哥、埃及、澳大利亚和北海等地区的实例，说明地震反演技术在精细调整钻井井位、描述复杂油气藏特征、确定含水饱和度、改善油藏模拟以及更好地了解地质力学特性等方面的应用。地震反演概述油气勘探开发行业的许多测量结果在一定程度上都依赖于反演进行资料解释。究其原因相当简单，对于许多测量资料解释问题，没有一个可将多种测量结果，如噪声、损失及其他误差等，关联起来的公式能获得唯一答案。在这种情况下，我们求助于反演这一数学方法，先估算一个结果，然后对照我们的观测数据检查反演结果，并进行适当修正，最终得到合理答案。从地下地层反射回来的地震波能够反映地下潜在油气藏的情况。当地震波发生反射时，其振幅发生改变，这些变化能够揭示地下地层的重要信息。地震振幅反演就是利用反射波振幅信息，经过井数据标定，提取能与孔隙度、岩性、流体饱和度及地质力学参数相关的详细地层信息。1.QuireinJ，KimminauS，LaVigneJ，SingerJ和WendelF：“ACoherentFrameworkforDevelopingandApplyingMultipleFormationEvaluationModels”，SPWLA第27届测井年会论文集，休斯敦，1986年6月9-13日，论文DD。JammesL，FaivreO，LegendreE，RothnemerP，TrouillerJ-C，GalliM-T，GonfaliniM和GossenbergP：“ImprovedSaturationDeterminationinThin-BedEnvironmentsUsing2DParametricInversion”，SPE62907，发表在SPE技术年会暨展览会上，美国得克萨斯州达拉斯，2000年10月1-4日。FaivreO，BarberI，JammesL和VuhoangD：“UsingArrayInductionandArrayLaterologDatatoCharacterizeResistivityAnisotropyinVerticalWells”，SPWLA第43届测井年会论文集，日本大矶，2002年6月4-7日，论文M。MarsalaAF，Al-RuwailiS，MaSM，ModiuSL，AliZ，DonadilleJ-M和WiltM：“CrosswellElectromagneticTomographyinHaradhField：ModelingtoMeasurements”，SPE110528，发表在SPE技术年会暨展览会上，美国加利福尼亚州Anaheim，2007年11月11-14日。432008年春季刊正如其名称所表示，反演可以理解为正演模拟（有时被简称为模拟）的逆向过程。在本文中，正演模拟从建立地层模型开始，然后通过数学方法基于该模型模拟某个物理实验或过程，如电磁、声波、核反应、化学或光学实验或过程，最后输出模拟响应。如果模型及假设条件都很精确，模拟响应就比较接近真实数据。反演是以上过程的逆过程：即根据实际测量的数据，逆向推导物理实验过程，最后建立地层模型。如果反演过程正确，所建立的模型就比较接近真实模型。反演技术在勘探开发许多学科中都有应用，并广泛应用于各种规模、级别的复杂实验过程：●根据感应测井数据计算井筒流体侵入剖面；●利用超声波测井评估水泥胶结质量（请参见“确保实现长期层间封隔”，第18页）；●从多种测井结果提取地层岩性和流体饱和度数据；●根据生产测井资料解释油气水体积；●根据瞬时压力资料预测储层渗透率及其范围（请参见“智能井技术在地下储气库中的应用”，第4页）；●根据井间电磁测量绘制流体前沿；●综合电磁和地震测量数据，精细描述盐下沉积特征[1]。勘探开发地震专家利用不同反演类型，如速度反演和振幅反演，解决各种特殊问题。第一种反演类型，即速度反演，有时也称为旅行时反演，主要用于深度成像。采用大间距地震道建立速度-深度模型，拟合地震波的波至时间。这是一个相对粗略的速度-深度模型，在深度上可延伸数千米，在长度和宽度上可覆盖数十万米。基于该模型进行资料处理，如偏移、叠加，生成许多读者都很熟悉的地震剖面。地震解释人员根据地震剖面确定地下反射层的形状和深度。44油田新技术正演和反演：正演模拟（上）首先采用地层物性建立模型（本例中使用测井数据得到的声阻抗），然后合并声阻抗和地震子波或脉冲，输出合成地震道。相反，反演（下）是从地震道记录数据开始，从地震道记录中去除估算子波的影响，得出每个时间样点上的声阻抗值。第二种反演类型，即振幅反演，是本文的重点。该方法利用地震波在每个反射点的反射波波至时间和振幅值求解成像反射体所在地层的相对阻抗值。这种方法称为油藏描述地震反演，根据测线或反射界面信息来建立精确的岩石属性模型。为简单起见，下面我们只讨论基于模型的反演。其他还有空间适应反演和离散脉冲反演[2]。理论上，基于模型的地震反演的第一步（正演）是先根据测井数据估算的地层深度、厚度、密度和层速度建立层状模型。最简单的模型只涉及纵波（P波）速度（Vp）和密度（ρ），可以用来反演P波或声波阻抗；包含横波（S波）速度（Vs）的模型可以计算S波或弹性波阻抗。然后将地震脉冲加到所建立的层状模型上，形成模拟地震道，即合成地震道（上图）。反演采用实际地震道，消除地震脉冲，推导出该地震道处的地层模型。为获得最佳模型，许多反演流程都经过多次的正演-反演迭代，力图使合成道与实际地震道之间的误差减到最小。实际上，反演的每一步都涉及到并依赖于被反演数据的类型。对于垂直入射数据，建立初始模型需要从密度测井记录中获得体积密度，从声波测井记录中获得纵波速度，这两项数据在反演层段上都有一定的跨度。遗憾的是，我们常常只能获得储层的测井数据。在缺乏声波测井记录的情况下，利用井眼地震勘探（垂直地震剖面VSP）能够获得必要层段上的平均波速。如果没有井眼速度数据，可利用旅行时反演求速度。缺失的密度数据可根据经验关系估算。对非垂直入射数据，所建立的模型必须包含S波和P波速度。对垂直入射数据进行常规反演时，首先将密度-速度模型转换成反射系数模型。反射系数表示反射波与入射波的振幅比，该参数决定垂直入射的地震波反射后的振幅变化，其大小与界面两侧声阻抗不同的地层的密度和速度相关。这样反射系数也表示为界面两侧地层声阻抗差与声阻抗和的比值[3]。然后再将深度域反射系数模型通过速度值转换为时间域模型。将地震脉冲信号合并到时间域模型上得到合成地震道。该过程在数学上称为褶积[4]。地震脉冲信号或子波，表示来自某个震源的能量包。选择一个模型子波来匹配处理后的地震数据的振幅、相位和频率特征值。将该子波与反射系数模型进行褶积产生合成地震道，该地震道表示被模拟地层对输入地震脉冲信号的响应。如果模拟道上有噪音干扰、信号衰减及多次反射现象，还需要进行其他处理。反演操作从实际地震道开始。因为地震道每一次摆动产生的振幅和形状都会对反演结果造成影响，在此之前的处理一定要保护地震信号的相位和振幅，这一点非常重要。不同类型的反演开始于不同类型的地震道。主要区别在于叠加前和叠加后采取的反演方法不同。多数地震勘探都利用叠后资料提供地下构造图。叠加是一种通过平均很多地震道达到信号加强目的的技术。参与平均处理的地震道代表着共反射中心点的不同偏移距集合的地震记录（下一页，左上图）。假定每条地震道都包含相同的信号，但携带的随机噪音不同。通过叠加形成一条地震道，使其随机噪音最小，信号振幅等于所有叠加道的平均信号的振幅。由此产生的叠加道被认为是共中心点（CMP）上垂直入射的反射响应。2.“Space-AdaptiveInversion”，http：//（2008年4月22日浏览）。3.反射系数可能为正，也可能为负。正值表示反射波与入射波极性相同，负值表示反射波与入射波极性相反。4.YilmazO和DohertySM：SeismicDataProcessing，塔尔萨：勘探地球物理学家协会，1987年。452008年春季刊叠加的基本原理。地震道叠加能够加强信号，降低噪音。地震采集船对各个震源不同偏移距地震道进行采集（上）。图中S代表震源，R代表反射点，H表示检波器；然后收集各共中心点（CMP）所有炮检距的地震道形成共中心点道集（中）；进行NMO校正：因大偏移距地震波传播距离较远，需要对每一个道集进行时间校正，即正常时差校正（NMO），拉平大偏移距到达波（左下）；将拉平后的地震道取平均值得到一条叠加道（右下），该道代表垂直入射（零偏移距）地震道。相对声阻抗和绝对声阻抗。地震振幅反演产生相对声阻抗（AI）（左）。但真正的绝对声阻抗（蓝色）包含低频模型（LFM）（红色），必须从井眼数据中获得或采用其他方法模拟获得（右）。假设反射层上覆介质速度呈渐进变化，并且叠加道平均振幅与垂直入射道振幅相等，那么叠加就是相当合理的处理步骤。多数情况下，以上假设条件都能成立，这样就可以在叠加后的数据上进行反演，即叠后反演。相反，当地震道振幅随偏移距变化较为剧烈时，以上假设就不能成立，这样就只能在未叠加道上进行反演，即叠前反演。在详细讨论叠前