梁宏剛，鄧 鋒，馬洪濤，孫 力，丁 輝，楊俊英

（1.中國(guó)石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.阿派斯油藏技術(shù)（北京）有限公司，北京 100016）

近年來(lái)巖性圈閉預(yù)測(cè)通常都采用疊前確定性地震反演，該方法是通過(guò)測(cè)井約束地震，反演獲得油氣儲(chǔ)層彈性參數(shù)，進(jìn)行儲(chǔ)層巖性、物性及含油氣性的定量解釋。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)疊前反演及烴類檢測(cè)進(jìn)行了很多理論和方法研究，主要包括如波動(dòng)方程反演（層析成像、全波形反演等）、AVO（振幅隨炮檢距變化）含油氣檢測(cè)、EI（彈性阻抗）反演等[1-4]。

根據(jù)采用的正演物理模型，又分為褶積模型反演和全波形反演[5-6]。褶積模型反演無(wú)論在疊前還是疊后，都已得到廣泛的應(yīng)用。雖然基于聲波方程的全波形反演技術(shù)在地震成像上已有成功應(yīng)用，但基于彈性波動(dòng)方程的全波形反演尚在理論探索階段[6]。此外，各種最優(yōu)化算法在地震反演中得到廣泛應(yīng)用，如廣義線性反演法[7]，共軛梯度法[8]和模擬退火法[9]等。其中快速模擬退火法[10-11]憑借其不依賴初始模型和不易陷入局部最小值的優(yōu)勢(shì)，已在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但基于AVO理論的常規(guī)疊前地震反演應(yīng)用廣泛，它直接利用信息豐富的疊前道集數(shù)據(jù)，可以同步獲得縱波速度、橫波速度和密度[12-13]，其在油氣田勘探、開(kāi)發(fā)階段的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。

隨著勘探、開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，油氣藏類型越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的需求越來(lái)越高，在對(duì)復(fù)雜油氣儲(chǔ)層巖性和含流體性質(zhì)進(jìn)行精細(xì)描述時(shí)，發(fā)現(xiàn)基于AVO理論的常規(guī)疊前確定性地震反演方法中存在以下局限[14]：①帶限地震數(shù)據(jù)本身缺少低頻和高頻信息，反演波阻抗會(huì)缺少地震資料低頻部分，疊前地震反演必須通過(guò)其他途徑（如鉆井、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、油藏建模數(shù)據(jù)等）進(jìn)行補(bǔ)充；②建立低頻模型的方法是采用將井的阻抗曲線進(jìn)行低通濾波并線性內(nèi)插，該種算法在井少、薄互層地質(zhì)條件，井間內(nèi)插阻抗存在不確定性；③同時(shí)反演在砂泥巖界面能夠提供可靠的反演結(jié)果，遠(yuǎn)離界面，縱波阻抗（AI）趨向于回到低頻背景模型（LFBM）；④考慮到地震信號(hào)的噪聲分量、巖石性質(zhì)的不確定性等因素，同時(shí)反演可被視為一個(gè)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，在貝葉斯同時(shí)反演中僅僅依靠單一的模型，即指定AI與深度的一個(gè)線性趨勢(shì)獲得最優(yōu)解顯然不夠。針對(duì)上述問(wèn)題，KEMPER等在研究反演中確定性算法、統(tǒng)計(jì)學(xué)算法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的地震反演算法，阻抗與相聯(lián)合反演技術(shù)（Joint Impedance and Facies Inversion，簡(jiǎn)稱JI-FI反演），其通過(guò)使用JI-FI反演技術(shù)將連續(xù)的阻抗與離散的巖相/流體相信息納入到地震反演中，對(duì)疊前確定性反演方法進(jìn)行了以下重要改進(jìn)：①建立2種以上巖相/流體相深度趨勢(shì)，在反演時(shí)窗內(nèi)，阻抗結(jié)果在每個(gè)相趨勢(shì)之間切換，克服了波阻抗單一參數(shù)進(jìn)行線性內(nèi)插造成的不確定性；②增加了每個(gè)相的深度趨勢(shì)和交會(huì)圖進(jìn)行直觀質(zhì)量控制。JI-FI反演技術(shù)在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及含油氣檢測(cè)中，將地質(zhì)與地球物理有機(jī)結(jié)合，直接反演預(yù)測(cè)出目標(biāo)區(qū)的巖相/流體相及巖石物理性質(zhì)，在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用[15-18]，比常規(guī)確定性反演在少井、預(yù)測(cè)薄儲(chǔ)層方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1 方法原理

1.1 JI-FI反演原理

JI-FI反演是KEMPER和GUNNING提出的一種新型的疊前地震確定性反演方法[19]，其基本原理是在具有相同（或相似）構(gòu)造演化史、沉積演化史的地區(qū)建立統(tǒng)一分巖相巖石物理模型并在地震反演中應(yīng)用貝葉斯框架進(jìn)行反演約束，通過(guò)巖石物理分析，建立地質(zhì)屬性與巖石彈性屬性之間的量化關(guān)系。JI-FI是基于相（Facies-based）的反演技術(shù)，其利用研究區(qū)已鉆井或區(qū)域地質(zhì)資料建立巖相巖石物理規(guī)律的先驗(yàn)分布，在疊前地震同時(shí)反演中采用馬爾科夫（MRF）隨機(jī)場(chǎng)[20]和貝葉斯分類技術(shù)結(jié)合，采用期望最大化（EM）算法，對(duì)波阻抗和巖相進(jìn)行多次迭代，獲得最大后驗(yàn)概率成果。

1.1.1 常規(guī)疊前確定性反演

常規(guī)疊前反演依賴初始模型，需要建立縱波阻抗、橫波阻抗和密度低頻模型，在井震標(biāo)定基礎(chǔ)上，應(yīng)用近、中、遠(yuǎn)道道集數(shù)據(jù)，分別提取不同角度地震子波。利用AVO三參數(shù)反演方法和正則化優(yōu)化算法，不斷迭代直到收斂。反演成果根據(jù)AVO三參數(shù)反演算法可以得到縱波速度、橫波速度、密度以及其他彈性參數(shù)體。巖性解釋主要是利用工區(qū)探井資料建立巖石物理模型，將疊前反演成果轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層參數(shù)信息，具體見(jiàn)常規(guī)疊前反演流程圖（圖1）。

1.1.2 JI-FI反演

JI-FI反演是在疊前同時(shí)反演基礎(chǔ)上融入貝葉斯分類和巖石物理模型約束，使得在反演流程中不需要常規(guī)反演的初始模型。圖2展示了JI-FI反演的基本流程，首先，在井震標(biāo)定的基礎(chǔ)上，應(yīng)用近、中、遠(yuǎn)道道集數(shù)據(jù)，分別從不同角度道集上提取目的層段相應(yīng)地震子波。然后由測(cè)井巖石物理分析，定義巖相/流體相類型，針對(duì)不同巖相構(gòu)建每一種巖相的巖石物理關(guān)系和深度趨勢(shì)模型。在反演中，通過(guò)設(shè)置不同巖相的數(shù)學(xué)期望作為初始反演輸入，不同巖相的數(shù)學(xué)期望代表了該巖相類型的巖相-地層比值。反演迭代算法采用期望最大化算法（Expectation-Maximisation），分為E步驟和M步驟。E步驟主要利用馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)調(diào)整不同巖相的數(shù)學(xué)期望，利用調(diào)整后的巖相占比產(chǎn)生新的加權(quán)背景模型；M步驟利用E步驟產(chǎn)生的新背景模型，通過(guò)模型正演生成合成疊前地震。采用最大似然函數(shù)算法擾動(dòng)背景模型使得合成地震道與實(shí)際地震道似然最大化。E步驟和M步驟不斷往復(fù)迭代，直至收斂。通過(guò)以上反演步驟，不僅得到常規(guī)疊前反演輸出的巖石彈性參數(shù)如速度、密度等，亦可以同時(shí)得到巖相的反演結(jié)果。

圖2 JI-FI反演流程Fig.2 JI-FI inversion flow

JI-FI反演是利用不同巖相的巖石物理關(guān)系和深度趨勢(shì)模型，在貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)框架下，使得疊前地震反演的巖相彈性參數(shù)后驗(yàn)分布與測(cè)井巖石物理分析的彈性參數(shù)先驗(yàn)分布一致，從而保證了地震定量解釋的準(zhǔn)確性。

1.1.3 常規(guī)疊前反演與JI-FI反演區(qū)別

JI-FI反演較常規(guī)疊前反演，不依賴于初始模型。通過(guò)測(cè)井巖石物理分析構(gòu)建巖相的彈性參數(shù)先驗(yàn)分布。在反演流程中，采用期望最大化算法，同時(shí)得到彈性參數(shù)反演成果和巖相反演成果。而常規(guī)疊前反演依賴于初始模型，反演成果僅包含彈性參數(shù)成果。另一方面，常規(guī)反演的空間變化同時(shí)受到初始模型與地震數(shù)據(jù)的約束，在井空間分布不均和井少的情況下，井間參數(shù)變化具有多解性。JI-FI反演的彈性參數(shù)空間變化來(lái)自地震振幅變化及AVO參數(shù)的變化，反演成果忠實(shí)于地震響應(yīng)，同時(shí)應(yīng)用巖相巖石物理約束，反演成果具有更大的井震一致性。

1.2 JI-FI反演流程

JI-FI反演其主要包括疊前道集優(yōu)化處理、地震層位建立框架模型、巖石物理分析建立各種巖性縱波速度、橫波速度與密度隨深度變化趨勢(shì)、相Facies、提取子波、JI-FI阻抗與相聯(lián)合反演、反演質(zhì)量控制等步驟。

1）分析地震資料質(zhì)量與分辨率

對(duì)研究區(qū)疊前道集資料進(jìn)行質(zhì)量分析并提取A5井區(qū)目的層段時(shí)間2 500～3 500 ms地震頻譜，反演資料頻帶范圍6～55 Hz，主頻38 Hz，目的層段資料分辨率和信噪比較高，地層平均速度取4 000 m/s，地震資料可識(shí)別地層厚度26 m，地震資料品質(zhì)及分辨率滿足反演要求。

2）建立各巖相/流體相深度趨勢(shì)

首先根據(jù)研究區(qū)發(fā)育的巖相/流體進(jìn)行相定義，巖相為石膏、鹽、膏質(zhì)泥巖、泥巖、干砂；流體相為水砂和油砂，巖相/流體由數(shù)字代碼表示的一條連續(xù)的測(cè)井相曲線。然后利用測(cè)井曲線建立每種巖相/流體相的縱波速度（Vp）、橫波速度（Vs）及密度（ρ）隨深度變化趨勢(shì)，相深度趨勢(shì)分析是JI-FI反演獨(dú)特而重要的技術(shù)，是決定反演效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立的相深度趨勢(shì)線與實(shí)際測(cè)井曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)基本一致（圖3）。

圖3 A5 井區(qū)巖相和流體相深度趨勢(shì)Fig.3 Lithofacies and fluid facies depth trend of well area A5

3）確定初始反演輸入

根據(jù)井資料統(tǒng)計(jì)出各種巖性/流體相占比作為初始反演輸入。

4）計(jì)算新的加權(quán)趨勢(shì)模型

根據(jù)砂、泥巖占比與各巖性深度趨勢(shì)模型乘積之和計(jì)算新的加權(quán)趨勢(shì)模型。

5）提取道集子波與層位標(biāo)定

提取A5井子波，制作合成記錄，對(duì)目的層進(jìn)行井震標(biāo)定（圖4），E1-2km底界（T30）標(biāo)定在波谷上沿，A5井油氣層段5 407～5 427 m標(biāo)定在波谷中心—波峰上沿。

圖4 A5井子波提取與合成地震記錄Fig.4 Wavelet extraction and seismic synthetic of Well-A5

6）計(jì)算最大概率模型

采用最大似然函數(shù)算法擾動(dòng)背景模型使得合成地震道與實(shí)際地震道似然最大化，反演迭代算法采用期望最大化算法，E步驟和M步驟不斷往復(fù)迭代，如果反演不收斂，則返回去調(diào)整現(xiàn)有深度趨勢(shì)模型與馬爾科夫場(chǎng)相結(jié)合，重新評(píng)估各參數(shù)巖性占比，計(jì)算新的加權(quán)后的巖性總深度趨勢(shì)，進(jìn)行迭代，直到收 斂，輸 出 最大概 率模型（Vp、Vs、ρ、AI、SI、Vp/Vs、Facies）。

7）控制JI-FI反演過(guò)程質(zhì)量

相深度趨勢(shì)、初始巖性占比、提取的子波是否合適，需要檢查近—遠(yuǎn)合成道與實(shí)際地震道的殘差是否最小，如果誤差較大，就需要重新提取子波，調(diào)整相深度趨勢(shì)和初始巖性占比，直到合成道與實(shí)際地震道滿足要求（圖5）。

圖5 JI-FI反演合成道與實(shí)際地震道殘差質(zhì)量控制Fig.5 JI-FI inversion synthetic trace and actual seismic trace residual quality control

應(yīng)用測(cè)井巖相/流體相深度趨勢(shì)的縱橫波速度比（Vp/Vs）與縱波阻抗（AI）交會(huì)圖（圖6）進(jìn)行貝葉斯分類，從圖6可以看出，油砂、水砂、泥巖和石膏基本能夠分開(kāi)，小部分有重疊，各種相點(diǎn)落在貝葉斯概率分布的橢圓內(nèi)，大致可分辨，說(shuō)明相深度趨勢(shì)建立合理。

圖6 A5井區(qū)貝葉斯分類Fig.6 Bayes classification of well area A5

2 應(yīng)用效果

將JI-FI反演技術(shù)應(yīng)用到XH地區(qū)主要目的層K1bs3上部薄砂巖儲(chǔ)層巖性圈閉預(yù)測(cè)中，該套儲(chǔ)層為三角洲前緣砂體，油氣層砂組厚度30 m，A5井油氣層發(fā)育井段5 407～5 427 m，砂巖集中段厚度20 m，縱向上由4套薄油氣層組成，單砂巖厚度2～6.5 m，泥巖隔層1～3 m（圖7），薄砂巖儲(chǔ)層與上、下泥巖在聲波、密度、波阻抗和Vp/Vs曲線上差異小。受研究區(qū)井少、薄互層等因素影響，以往應(yīng)用波阻抗、常規(guī)疊前確定性反演預(yù)測(cè)儲(chǔ)層效果較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)砂巖集中段儲(chǔ)層的定量預(yù)測(cè)。

圖7 A5井K1bs3地層綜合柱狀圖Fig.7 Comprehensive column of K1bs3 Formation in Well-A5

2.1 反演剖面效果

A5井 區(qū) 過(guò)A3井—A5井—A1井—A101井 常 規(guī)疊前確定性與JI-FI反演縱波阻抗、Vp/Vs對(duì)比剖面（圖8、圖9），圖中4口井均有砂巖分布，對(duì)4口井主要目的層段儲(chǔ)層頂?shù)走M(jìn)行了層位標(biāo)定，A5井油氣層段5 407～5 427 m表現(xiàn)為低波阻抗，AI值小于9 300［（g/cm3）·（m/s）］，低Vp/Vs（Vp/Vs值小于1.71）；A1井、A101井、A3井水層段分別為5 279～5 299 m、5 392～5 409 m、5 595～5 604 m，在縱波阻抗、Vp/Vs反演剖面上，黃紅色為預(yù)測(cè)儲(chǔ)層。

圖8 常規(guī)確定性反演（上）與JI-FI反演（下）縱波阻抗連井對(duì)比剖面Fig.8 Crossing well comparison section of P-impedance between conventional deterministic inversion（top）and JI-FI inversion（bottom）

圖9 常規(guī)確定性反演（上）與JI-FI反演（下）Vp/Vs過(guò)井對(duì)比剖面Fig.9 Vp/Vs section comparison conventional inversion（top）with JI-FI inversion（bottom）

在JI-FI縱波阻抗、Vp/Vs反演剖面上，A5井、A1井、A101井、A3井預(yù)測(cè)儲(chǔ)層與井吻合，A3井Vp/Vs值比其他3口井高，說(shuō)明A3井物性較差，上部以干層為主，下部為薄儲(chǔ)層，JI-FI反演預(yù)測(cè)儲(chǔ)層與井預(yù)測(cè)符合率達(dá)到100%。

在常規(guī)疊前反演縱波阻抗、Vp/Vs反演剖面上，波阻抗預(yù)測(cè)儲(chǔ)層效果好于Vp/Vs，通過(guò)對(duì)4口井儲(chǔ)層頂?shù)讟?biāo)定，波阻抗反演預(yù)測(cè)儲(chǔ)層基本吻合，但分辨率低。波阻抗和Vp/Vs預(yù)測(cè)A5井5 407～5 427 m砂巖集中段儲(chǔ)層較厚，A1井、A101井在目的層段發(fā)育砂巖儲(chǔ)層，井上為低Vp/Vs，反演結(jié)果為高Vp/Vs，預(yù)測(cè)為泥巖，與井揭示巖性相反，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層效果較差，A3井也有砂巖發(fā)育，常規(guī)疊前反演Vp/Vs預(yù)測(cè)儲(chǔ)層符合率只有25%。

圖10為A5井區(qū)JI-FI反演過(guò)A3井—A5井—A1井—A101井預(yù)測(cè)相（Facies）反演剖面，圖上綠色為預(yù)測(cè)A5井油氣層與井吻合；A1、A101井測(cè)井解釋頂部為干層（黃色），下部為水層（藍(lán)色），JI-FI預(yù)測(cè)為油氣層，A101井在鉆探過(guò)程中多層見(jiàn)油氣顯示，2口井的儲(chǔ)層段未測(cè)試。

圖10 JI-FI反演巖相過(guò)井剖面Fig.10 Lithofacies section through Well-A3 to Well-A101 by JI-FI inversion

2.2 反演平面效果

根據(jù)JI-FI巖相/流體相（Facies）反演結(jié)果，對(duì)A5井出油氣層砂體進(jìn)行標(biāo)定、解釋，預(yù)測(cè)A5井油氣藏呈東西展布，預(yù)測(cè)A5井砂巖集中段厚度為20 m，經(jīng)過(guò)校正，黃紅顏色為油氣層厚度4～14 m，A5井預(yù)測(cè)油氣層厚度與測(cè)井解釋13.6 m（圖11）接近。常規(guī)疊前反演縱橫波速度比（Vp/Vs）無(wú)法進(jìn)行油氣層解釋、刻畫。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果剛剛部署一口評(píng)價(jià)井，即將實(shí)施鉆探。

圖11 A5井區(qū)K1bs3上部薄儲(chǔ)層JI-FI反演預(yù)測(cè)厚度圖Fig.11 Thickness of upper thin reservoir of K1bs3 Formation in well area A5 by JI-FI inversion

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）通過(guò)對(duì)JI-FI反演和常規(guī)疊前確定性反演結(jié)果對(duì)比與儲(chǔ)層標(biāo)定，JI-FI反演目的層薄砂巖儲(chǔ)層的分辨率及效果均好于常規(guī)疊前確定性反演。根據(jù)該區(qū)地震資料可以識(shí)別地層厚度為26 m，JI-FI反演識(shí)別出目的層薄砂巖儲(chǔ)層集中段A101井儲(chǔ)層厚度為17 m（井5 392～5 409 m），平面上預(yù)測(cè)A5井儲(chǔ)層厚度為12.5 m，測(cè)井解釋儲(chǔ)層厚度為13.6 m。

2）JI-FI反演技術(shù)不僅可以預(yù)測(cè)巖性，而且可以預(yù)測(cè)流體、含油氣儲(chǔ)層。根據(jù)JI-FI反演結(jié)果，對(duì)A5井油氣層進(jìn)行標(biāo)定、解釋，預(yù)測(cè)出了A5井構(gòu)造—巖性油氣藏分布面積，預(yù)測(cè)油氣層厚度2～14 m，A5井預(yù)測(cè)儲(chǔ)層厚度與測(cè)井解釋吻合好。

3）JI-FI反演從復(fù)雜的地震信號(hào)中反演出地質(zhì)相和巖石物理性質(zhì)，在少井及薄互層地區(qū)，JI-FI反演效果較其他常規(guī)疊前反演方法會(huì)提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度，其研究思路及反演方法值得借鑒及推廣。