基于波動方程的砂泥巖儲層特征及分形特征研究

基于波動方程的砂泥巖儲層特征及分形特征研究

東方地區(qū)地震勘探存在的問題勝海地區(qū)位于鹿島油田以北，也稱為鹿島油田北部。自成立以來，該地區(qū)一直專注于對關(guān)陶組上半部分的研究，并非常重視對東里島油田的研究。東營組的含油構(gòu)造具有“小而肥”的特點,將是今后一段時期內(nèi)埕島油田增儲上產(chǎn)的重要陣地,在埕島油田的勘探開發(fā)中具有十分重要的地位,但是目前存在以下主要問題:(1)海上鉆井費用高,風(fēng)險大,因此,不可能完全依靠鉆井手段達(dá)到探明東營組油氣富集分布情況的目的。(2)地震剖面上東營組呈空白雜亂,或斷續(xù)、振幅中強、疊瓦狀的反射結(jié)構(gòu),用常規(guī)的地球物理研究方法和手段難以對儲層進(jìn)行解釋和評價。(3)在埕島油田的館陶組上段各種新技術(shù)、新方法已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果,但是由于東營組儲集層的特殊性,需要適用于東營組儲集層特點的新技術(shù)和方法。(4)隨著勘探程度的提高,儲集層預(yù)測研究日益顯得重要,而且探井的鉆探也為目標(biāo)處理提供了精確標(biāo)定的可能性。為此需要研究主要針對東營組進(jìn)行處理的地震資料反演和油藏描述軟件。東緣砂組巖相特征埕島地區(qū)東營組的沉積處于盆地演化的第三裂陷期的后期,經(jīng)歷了從斷陷沉降到逐漸抬升、并遭受剝蝕的演化過程。東營組分布的總體特征是底部逐漸向潛山主體超覆,頂部遭受剝蝕,從凸起向凹陷剝蝕程度減弱?？v向上,地層發(fā)育具明顯的階段性,沉積環(huán)境從湖泊環(huán)境經(jīng)三角洲逐漸演變?yōu)楹恿鳝h(huán)境,沉積相類型非常豐富,儲集層十分發(fā)育。依據(jù)沉積發(fā)育的階段性,結(jié)合油水系統(tǒng)及勘探工作的需要,綜合鉆井、測井、地震資料,可將東營組劃分為6個砂層組。Ⅵ砂組(Ed6)此砂組發(fā)育在東營組初期,埋深3250～5000m,主要分布于東部凹陷內(nèi),北部低凸起出露水面,為剝蝕島。巖性為暗色泥巖夾砂巖,沉積相類型主要發(fā)育近岸湖底扇和濱淺湖灘壩。Ⅴ砂組(Ed5)此砂組沉積范圍較Ⅵ砂組有所擴大,這一時期沉積環(huán)境為淺湖環(huán)境,巖性和砂體類型與Ⅵ砂組類似,埋深3150～3950m。Ⅳ砂組(Ed4)此砂組沉積與Ⅴ、Ⅵ砂組明顯不同,全區(qū)覆蓋“胖砂巖”,大量發(fā)育近源辮狀河三角洲沉積,地震剖面反射以楔形為主,埋深3000～3850m,分布凹陷內(nèi),并向翼部超覆,甚至在潛山的主體部位形成披覆沉積。Ⅲ砂組(Ed3)此砂組在全區(qū)發(fā)育,埋深2300～3400m,以中粗砂巖、含礫砂巖為主,縱向上發(fā)育辮狀河道和低彎度曲流河交互沉積以及扇三角洲前緣河口壩、遠(yuǎn)砂壩沉積。Ⅰ+Ⅱ砂組(Ed1+2)此砂組以河流相為主,埋深2200～3100m,縱向上越往上則氧化作用越強烈、粒度越粗。東營組儲層物性與沉積環(huán)境和沉積微相關(guān)系密切,縱向上又與深度密切相關(guān),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂組以較粗砂巖為主,而Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三個砂組以粉砂巖為主。其儲層主要有四種類型,即湖底扇、辮狀河三角洲、河道砂體及濱淺湖灘壩。其中,辮狀河三角洲、河道砂體和滑塌湖底扇的儲集性能較好,為中、高孔滲儲層,而近岸湖底扇和濱淺湖灘壩的儲集性能偏差。反射系數(shù)序列的求解眾所周知,地下地質(zhì)體是由不同的巖性介質(zhì)組成的,巖性的不連續(xù)性造成地震波奇性傳播,如反射、透射、繞射等。巖性的奇性反演有助于識別不同的巖性,提高地震資料的分辨率。針對埕島油田東營組特定砂泥巖互層的組合特點,根據(jù)地層巖性的不連續(xù)性造成的波動奇性傳播,利用波動方程對地震資料進(jìn)行奇性反演以識別不同的地層,從而達(dá)到對儲層進(jìn)行描述的目的。以奇性反演為基礎(chǔ)的儲集層描述方法流程見圖1。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積考慮如下地震記錄Zk的離散褶積模型式中:Vk是系統(tǒng)子波(或稱基本子波),根據(jù)其物理可實現(xiàn)性,當(dāng)k<0時,Vk=0;ui是地層反射系數(shù)序列;nk是觀測噪聲;ND是數(shù)據(jù)采樣點個數(shù)。反褶積的目標(biāo)函數(shù)定義為將式(2)影射成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),然后利用神經(jīng)優(yōu)化來實現(xiàn)反褶積。該反褶積方法對子波、反射系數(shù)序列和觀測噪聲都沒有提出前提條件。這也就是說子波可以是非最小相位;反射系數(shù)序列的分布可以是隨機分布的,也可以是確定性分布的;觀測噪聲可以是任意分布的,即可以是高斯分布也可以是非高斯分布的,可以是有色也可以是白色的。把反射系數(shù)序列投影到一個兩維空間來考慮問題,這個空間的一維用于標(biāo)定反射系數(shù)序列在時間(或深度)方向所在位置,另一維則用于標(biāo)定其幅值的代數(shù)大小。即反射系數(shù)序列可以表示為其中:q,是取值為0或1的序列,代表反射系數(shù)在時間(或深度)方向所在的位置,即反射系數(shù)出現(xiàn)的位置qi=1,否則qi=0;ri是表示反射系數(shù)大小的序列。利用離散神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DHNN)和連續(xù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(TH)分別求取qi和ri序列,基本思路如下。(1)令式(3)中ri為a(a為一足夠大的常數(shù)),把它代入式(3)中,求出DHNN的相應(yīng)權(quán)值和偏置值。利用DHNN求出對應(yīng)ri大小為a時反射系數(shù)序列的位置序列qi。(2)把qi代入式(3),把式(3)代入式(2)中利用約束優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)TH求出ri序列。(3)從地震記錄Zk中減掉相應(yīng)值a的反射系數(shù)序列與子波的褶積結(jié)果,這樣得到一個更新之后的地震記錄Zk。通過進(jìn)一步優(yōu)化a的大小,可以得到較準(zhǔn)確的反射系數(shù)序列的位置及大小,從而最終實現(xiàn)地震資料的反褶積。求解確定性反褶積的基本步驟為:(1)已知原始數(shù)據(jù)Zt和初始子波Wt,給定一個足夠大的正數(shù)a(一般取反射系數(shù)序列中幅值最大值的2～3倍,本文取3倍)、一個足夠小的正數(shù)amm(一般取反射系數(shù)序列中幅值最小的值)和一個足夠小的正數(shù)ε0。(2)計算離散Hopfield網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏置值,并置Ripeat=1。(3)通過模擬退火法求取反射系數(shù)序列的位置序列qi。(4)若qi=0,置Ripeat=-1,轉(zhuǎn)到步驟(6);若qi≠0,則把qi代入式(3),求得對應(yīng)a參數(shù)的序列,ri。(5)由ri與初始子波Wt褶積運算,將褶積結(jié)果從地震記錄Zt中減去,得到修改后的地震記錄Zt。(6)若Ripeat<0,則轉(zhuǎn)到步驟(7);若Ripeat≥0,則取a=-a,轉(zhuǎn)到步驟(2)。(7)更新a,令a=丨a丨-ε0,若a<amm,則結(jié)束運算;反之,轉(zhuǎn)到步驟(2)。奇性分析巖性的奇性反演有助于識別不同的巖層,提高地震資料的分辨率。地震波在非均勻介質(zhì)中的一維傳播過程可描述為記,作時—深轉(zhuǎn)換,并記f(z,t)=u(G1(z))=u(x,t),q(z)=B(x),則式(4)等價于式(5)已有多種求解方法,但存在不穩(wěn)定性和不適定性,將其化為積分方程,該方程不需要爆炸震源,在應(yīng)用中可以避免震源的不確定性以及由介質(zhì)的塑性形變帶來的影響,因而無需對震源作各種近似處理。波場反演積分方程為式中:Cf(n,θ,Φ)為空間點n介質(zhì)的綜合巖性參數(shù),該參數(shù)描述了介質(zhì)的不連續(xù)性,是q(z)的函數(shù)。θ為巖性奇性函數(shù)自變量,Φ(ξ,τ)是與震源有關(guān)的函數(shù),表達(dá)式為Φ(ξ,τ)=exp(-ξ2τ2/σ)(σ為常數(shù));n,τ,μ為離散變量,ξ和θ是連續(xù)變量,積分區(qū)間是(-∞,∞);函數(shù)f(x)是介質(zhì)振動的位移函數(shù),受波動方程制約。將Φ(ξ,τ)代入式(6)得到離散奇性分析表達(dá)式式中a為常量。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)奇性分類自組織特性映射網(wǎng)絡(luò)用作聯(lián)想最鄰近分類器,能將任意連續(xù)值模式(k=1,2,…,m)分成p個類。網(wǎng)絡(luò)用競爭學(xué)習(xí)規(guī)則離線學(xué)習(xí),按離散時間方式運行。自組織特性映射網(wǎng)絡(luò)通過尋找最優(yōu)參考矢量集合對輸入模式集合進(jìn)行分類,每個參考矢量為一個輸出單元對應(yīng)的連接權(quán)向量。輸出層單元對輸入模式響應(yīng)的權(quán)力的競爭是通過側(cè)抑制來實現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程描述如下:(1)首先將LA層單元到LB層單元的所有連接權(quán)隨機地賦區(qū)間的值;(2)令LB層單元j對應(yīng)的連接權(quán)向量為Wj。對于每一輸入模式Sk(k=1,2,…,p),進(jìn)行如下操作:1)求Wj(j=1,2,…,p)中與Ak距離最小的連接權(quán)向量Wg,有2)定義單元g(勝者)及其鄰域為Ng(t),將Ng(t)中各單元對應(yīng)的連接權(quán)向量往Ak靠攏,其學(xué)習(xí)方程為上式中:j∈Ng(t);i=1,2…,n;a(t)是時刻t的學(xué)習(xí)率,其隨時間降低。一般定義a(t)=1/t或a(t)=0.2(1-t/10000),如果LB單元排列成二維陣列,則Ng(t)一般為圓或矩形,也隨時間變小。(3)對于不同的t=1,2,…,z(500≤z≤10000),重復(fù)步驟(2)。奇性分形描述奇性分析算法描述了地震道中某一時刻的復(fù)雜奇性特征,該奇性特征對應(yīng)著地質(zhì)體構(gòu)造特征和巖性特征。分形維數(shù)是度量不規(guī)則性的有力工具。利用分形維數(shù)來描述奇性特征,將有利于巖性解釋。描述中應(yīng)用的維數(shù)是合維數(shù)。合維數(shù)定義如下:若F(X)表示度量空間X上的全體緊子集的集類,令A(yù)屬于F(X),(X,P)為一度量空間,對每一個δ>0,用Nδ(A)表示覆蓋A的半徑為δ>0的閉球的個數(shù),如果lim(lgNδ(A)/-lgδ)存在,則稱這個極限值為集A的合維數(shù)。奇性分形剖面的優(yōu)點從原始地震剖面上看,東營組的反射結(jié)構(gòu)呈空白雜亂,在斜坡帶由于受到深部高角度地層的影響,反射同相軸連續(xù)性更差,無法進(jìn)行儲層形態(tài)描述,為此對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積處理,然后再進(jìn)行奇性反演分析。利用奇性分形技術(shù)進(jìn)行儲層形態(tài)描述,主要步驟為:①從三維數(shù)據(jù)體中抽取所要處理的測線,由SEQ-Y格式轉(zhuǎn)換成奇性分析的輸入格式,然后進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積處理;②在反褶積的基礎(chǔ)上進(jìn)行奇性分析處理和分形分維描述;③從井資料出發(fā),與測井、沉積相資料結(jié)合起來,對處理結(jié)果做出解釋并建立儲層描述模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積處理,剖面質(zhì)量得到明顯改善,主要表現(xiàn)在:(1)剖面分辨率得到提高。原始剖面由于分辨率低,寬相位、復(fù)相位多處出現(xiàn),是多個薄層綜合信息的反映,處理后同相軸明顯增多,連續(xù)性也得到改善(圖2)。(2)剖面信噪比大大提高。勝海三維資料頻率成分少而低,但同相軸連續(xù)性卻很差,這說明信噪比低,反褶積處理后改善明顯。東營組內(nèi)部由于深部斜層影響造成的干擾得到壓制,反射連續(xù)性變好。奇性分析地震波的奇性特征反映地質(zhì)體的構(gòu)造特征和巖性特征,用分形維數(shù)加以描述,地震道中某一時刻巖性的變化反映為分形維數(shù)的變化。根據(jù)地震資料,經(jīng)波動方程反演提取奇性特征數(shù)據(jù),用分形維數(shù)加以描述,從而得到奇性分形剖面。本文分別用原始地震數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反褶積剖面進(jìn)行了奇性分形描述(圖3),通過對比可見,后者同相軸連續(xù)性明顯變好,分辨能力得到提高。分形維數(shù)值反映了地質(zhì)體的巖性信息,為了進(jìn)一步建立分形維數(shù)值與地層巖性的定量關(guān)系,對東營組鉆入CB271井的實測情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析(見表1)。根據(jù)理論計算以及CB27、CB271井標(biāo)定的結(jié)果,在奇性分形剖面上,當(dāng)分形維數(shù)值<1.3時對應(yīng)的巖性為砂巖,對東營組來說,可能是含礫砂巖、粒狀砂巖、中砂巖、粉砂巖等,并且不同的砂巖其分形維數(shù)值亦不同;當(dāng)分形維數(shù)值為1.3～1.5時,對應(yīng)的是砂泥巖過渡帶或是砂泥巖互層;當(dāng)分形維數(shù)值>1.5時對應(yīng)泥巖。這樣,對整個工區(qū)(可控制測網(wǎng)密度)進(jìn)行奇性分析反演,根據(jù)這一原則對奇性分形剖面進(jìn)行解釋,就可以比較準(zhǔn)確地確定砂巖儲層的發(fā)育和分布范圍,選擇有利勘探方向和目標(biāo)。效果分析通過CB271井錄井巖性資料和分形預(yù)測情況的統(tǒng)計對比,發(fā)現(xiàn)奇性分形反演在沒有用井資料約束的情況下,反演結(jié)果與實際井資料吻合仍很好。根據(jù)反演預(yù)測結(jié)果,SH8井處在儲集層發(fā)育的有利部位,由SH8井鉆遇的東營組油氣顯示井段與分形反演剖面基本吻合;在它的上傾部位仍是預(yù)測有利位置,經(jīng)鉆探的SH801井亦證實了該預(yù)測的正確性。利用奇性分形技術(shù)進(jìn)行儲層形態(tài)描述是在未用鉆、測井資料的情況下應(yīng)用地震資料反演進(jìn)行的,對原始資料也未提出要求,從儲集層預(yù)測的結(jié)果來看,符合程度較高,基本上達(dá)到了90%以上。同時,它實現(xiàn)了空間任意點、任意時刻的四維計算。三維空間儲層形態(tài)描述,是一項非常有潛力的技術(shù)。奇性分形技術(shù)所帶來的地質(zhì)意義和啟示利用分形技術(shù)解