砂巖儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)組合及應(yīng)用

范廷恩 張晶玉 王海峰 張顯文 杜 昕

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部的橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)通常是指沉積過程中砂體尖滅、同期砂體側(cè)向接觸、多期砂體縱向疊置等導(dǎo)致的巖性、物性變化以及由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的微小斷層等[1]。這種不連續(xù)結(jié)構(gòu)的存在是導(dǎo)致油田開發(fā)注采不受效、儲(chǔ)量采出程度低和局部剩余油富集的重要原因[2-4]。

雖然在不連續(xù)結(jié)構(gòu)位置存在一定程度的旅行時(shí)、地震振幅和波形等地震響應(yīng)，但由于砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)的尺度通常小于地震資料的分辨率，因此難以通過常規(guī)地震反演、屬性分析等儲(chǔ)層預(yù)測(cè)手段精確地刻畫不連續(xù)結(jié)構(gòu)[5]。

目前，地震信號(hào)橫向不連續(xù)性檢測(cè)大多針對(duì)斷層檢測(cè)、識(shí)別和自動(dòng)解釋，相關(guān)研究包括邊緣保持濾波技術(shù)[6-8]、相干體技術(shù)[9-13]、螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)[14-15]等，并已得到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于小尺度不連續(xù)信息檢測(cè)的研究較少。

本文對(duì)前人研究進(jìn)行了技術(shù)集成和綜合應(yīng)用，以局部結(jié)構(gòu)熵屬性計(jì)算為核心，利用邊緣保持濾波技術(shù)和基于蟻群算法的平面屬性增強(qiáng)處理方法，形成了砂巖儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)的技術(shù)組合，并在南海H油田目標(biāo)砂體單元取得了良好的應(yīng)用效果。

1 儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)組合

砂巖儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)的技術(shù)流程主要包括(圖1)：①地震資料解釋性處理。利用邊緣保持濾波處理方法，在濾除隨機(jī)噪聲、提高資料信噪比的同時(shí)，能夠更好地保持反映儲(chǔ)層橫向邊緣結(jié)構(gòu)的不連續(xù)信息。②相干體屬性計(jì)算。局部結(jié)構(gòu)熵算法屬于第三代相干算法，較前兩代相干算法具有更好的抗噪性和更高的分辨率，對(duì)砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部微小的不連續(xù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)精度更高。③平面表征及優(yōu)化。在步驟②基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)儲(chǔ)層的平面屬性，采用蟻群算法對(duì)平面屬性增強(qiáng)處理，改善檢測(cè)結(jié)果的平面顯示效果，突出主要的不連續(xù)信息，得到較為連續(xù)的平面檢測(cè)屬性分布。④成果驗(yàn)證及應(yīng)用。利用鉆井信息驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠程度，再利用檢測(cè)結(jié)果研究?jī)?chǔ)層構(gòu)型及分析油田注采等。

圖1 砂巖儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)流程

1.1 局部結(jié)構(gòu)熵算法

地震相干是相鄰地震道之間地震信號(hào)相似性的度量，利用相干值的空間變化可以解釋斷層、裂縫、地質(zhì)構(gòu)造異常等儲(chǔ)層橫向非均質(zhì)特征。相干體技術(shù)作為三維地震解釋的重要技術(shù)之一，自1995年被提出以來[16]，在地震勘探領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，形成了三代相干體算法(C1、C2、C3)。局部結(jié)構(gòu)熵算法屬于C3，較C1、C2具有更好的抗噪性和更高的分辨率，對(duì)于檢測(cè)砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部微小的不連續(xù)結(jié)構(gòu)精度更高[17-18]。

局部結(jié)構(gòu)熵屬性將三維分析時(shí)窗分為4個(gè)塊，把每個(gè)塊中的分析數(shù)據(jù)點(diǎn)重新組成四個(gè)一維數(shù)組，利用這些新的數(shù)組對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)4×4階的協(xié)方差矩陣，最后由協(xié)方差矩陣計(jì)算結(jié)構(gòu)熵。詳細(xì)計(jì)算步驟如下。

(1)對(duì)需要計(jì)算的三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行預(yù)處理。將每一地震道的數(shù)據(jù)修正為地震道數(shù)據(jù)減去地震道均值

(1)

(2)

由式(2)可見，S對(duì)角線上的元素由每個(gè)向量的自相關(guān)構(gòu)成，而非對(duì)角線上的元素由不同向量的互相關(guān)構(gòu)成。需要指出的是，S是一個(gè)對(duì)稱矩陣。

(3)計(jì)算S的局部結(jié)構(gòu)熵

(3)

式中||·||為Hilbert-Schmidt算子。由式(3)可見：若每個(gè)塊中的向量都相關(guān)(不連續(xù)性較小)，則S中的所有元素都相等，此時(shí)trS=||S||，ε(x，y，t)=0；若每個(gè)塊中的向量都不相關(guān)(不連續(xù)性較大)，則trS≤

2||S||，ε(x，y，t) ≤1。利用ε(x，y，t)可以分析時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù)點(diǎn)的混亂程度(不確定性)，是一種分析局部混沌效應(yīng)和不連續(xù)信息的有利工具。

為驗(yàn)證局部結(jié)構(gòu)熵屬性對(duì)地震不連續(xù)信號(hào)的表征效果，設(shè)計(jì)了多期河道疊置的三維正演模型(圖2)模擬河流相儲(chǔ)層的沉積特征，呈現(xiàn)了三維空間中單期河道在沉積過程中的高程變化、河道寬度和砂體厚度變化以及多期河道側(cè)向遷移、疊置等特點(diǎn)，其中包含不同類型的儲(chǔ)層橫向邊界特征。圖3為模型及屬性剖面。由圖可見，在儲(chǔ)層內(nèi)部的不同期次河道疊置部位(圖3a)的地震信號(hào)不連續(xù)(圖3b)，局部結(jié)構(gòu)熵屬性(圖3d)的表征效果明顯優(yōu)于相干屬性(圖3c)。圖4、圖5分別為正演模型、實(shí)際地震數(shù)據(jù)儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)平面屬性。由圖可見，局部結(jié)構(gòu)熵明顯突出了儲(chǔ)層內(nèi)部地震反射信號(hào)的局部差異，明顯反映了儲(chǔ)層內(nèi)部不同地質(zhì)體的接觸關(guān)系信息，異常值的對(duì)比度更強(qiáng)，對(duì)不連續(xù)位置的刻畫精度更高(圖4c、圖5b)。

天花粉化學(xué)成分的藥理活性及其提取與檢測(cè)方法研究進(jìn)展…………………………………………………… 丁建營(yíng)等（13）：1859

圖2 多期河道疊置的三維正演模型

圖3 模型及屬性剖面(a)A測(cè)線模型剖面； (b)地震剖面； (c)相干剖面； (d)局部結(jié)構(gòu)熵剖面

圖4 正演模型儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)平面屬性(a)正演模型俯視圖； (b)相干屬性； (c)局部結(jié)構(gòu)熵

圖5 儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)平面屬性 (a)相干； (b)局部結(jié)構(gòu)熵

1.2 邊緣保持濾波處理

利用地震屬性研究砂體橫向不連續(xù)性時(shí)，由于研究尺度較小，地震數(shù)據(jù)中的噪聲更容易影響屬性提取精度，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果中存在錯(cuò)誤信息，無法清晰地識(shí)別邊界信息。因此濾除隨機(jī)干擾噪聲是儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)的必要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)導(dǎo)向?yàn)V波技術(shù)是近年來成熟且應(yīng)用較廣泛的濾波技術(shù)，其核心是先分析計(jì)算點(diǎn)的傾角和方位角信息，然后沿著傾角和方位角的方向進(jìn)行濾波，在消除隨機(jī)噪聲的同時(shí)，能夠保持不連續(xù)的邊緣信息。本文采用Luo等[19]提出的邊緣保持濾波技術(shù)(Edge Preserving Smoothing, EPS)，具體計(jì)算步驟為：①將以計(jì)算點(diǎn)為中心的滑動(dòng)分析時(shí)窗內(nèi)的地震數(shù)據(jù)分為9個(gè)子窗口，分別是8個(gè)繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的六邊形或五邊形，和1個(gè)以計(jì)算點(diǎn)為中心的規(guī)則正方形；②分別求取9個(gè)子窗口中數(shù)據(jù)的方差值；③將方差最小的子窗口的均值作為計(jì)算點(diǎn)的估計(jì)值。

為檢驗(yàn)邊緣保持濾波方法的效果，對(duì)圖3b加30%隨機(jī)噪聲，分別進(jìn)行中值濾波和邊緣保持濾波(圖6)。可見，與中值濾波(圖6b)相比，邊緣保持濾波在濾除隨機(jī)噪聲的同時(shí)，更好地保持了地質(zhì)體邊緣的地震振幅和波形差異(圖6c)。

圖6 濾波結(jié)果(a)對(duì)圖3b加30%噪聲； (b)中值濾波； (c)邊緣保持濾波

1.3 螞蟻?zhàn)粉櫾鰪?qiáng)處理技術(shù)

螞蟻算法是模擬自然界中螞蟻覓食行為提出的一種尋優(yōu)算法，其基本原理是：在地震數(shù)據(jù)體中設(shè)定大量的“螞蟻”，并讓“螞蟻”沿著可能的斷層面向前移動(dòng)，若“螞蟻”往前能夠追蹤到斷層面，則釋放“信息素”并作出明顯的標(biāo)記；若前方不太可能是斷層面，就不做標(biāo)記或釋放較弱的“信息素”。目前螞蟻?zhàn)粉櫵惴ㄒ呀?jīng)被斯倫貝謝公司集成到軟件中，作為一種識(shí)別低序級(jí)斷層和裂縫的方法得到了廣泛應(yīng)用[20]。

地震資料解釋性處理并不能完全濾除噪聲干擾，表征地震數(shù)據(jù)空間不連續(xù)的地震屬性在平面上往往出現(xiàn)不連續(xù)條帶中斷、邊界模糊、次級(jí)信息干擾等。為改善檢測(cè)結(jié)果的平面顯示效果，采用基于蟻群算法的增強(qiáng)處理，以平面檢測(cè)得到的不連續(xù)屬性作為輸入，通過螞蟻平面追蹤算法突出主要的不連續(xù)信息，得到較為連續(xù)的平面檢測(cè)屬性分布[21]。圖7為螞蟻?zhàn)粉櫾鰪?qiáng)處理前、后的不連續(xù)屬性。

圖7 螞蟻?zhàn)粉櫾鰪?qiáng)處理前(a)、 后(b)的不連續(xù)屬性

2 油田應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

H油田位于中國(guó)南海珠江口盆地惠州凹陷的一個(gè)低幅度披覆背斜構(gòu)造，內(nèi)部斷層不發(fā)育。油田的主要含油層系分布在新近系珠江組，其中砂體L30up的儲(chǔ)量占整個(gè)油田儲(chǔ)量的85%，為油田的重點(diǎn)研究目標(biāo)。L30up為辮狀河三角洲前緣沉積，發(fā)育水下分流河道、河口壩、席狀砂等沉積微相，儲(chǔ)層埋深約為2600m，井點(diǎn)鉆遇儲(chǔ)層厚度為2～13m，平均厚度小于10m。

地震資料在L30up的頻帶寬度約為8～80Hz，主頻約為40Hz。統(tǒng)計(jì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得到此段地層平均層速度約為3100～4300m/s，因此地震垂向分辨率約為20～27m。由于儲(chǔ)層的平均厚度小于地震垂向分辨率，儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度較大。

油田采用天然能量開采，在開發(fā)井生產(chǎn)過程中，地層能量下降快，生產(chǎn)井產(chǎn)量降低，目前考慮部署注水井提高地層能量。充分利用現(xiàn)有地震資料精確檢測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)部的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于指導(dǎo)L30up的注水方案，制定油田的開發(fā)調(diào)整方案具有非常重要的意義。

2.2 儲(chǔ)層不連續(xù)性檢測(cè)

在對(duì)儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)性檢測(cè)之前，應(yīng)首先評(píng)估地震資料品質(zhì)。當(dāng)?shù)卣鹳Y料信噪比較低或地震分辨率不足時(shí)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣叩卣鹳Y料品質(zhì)，但需注意保持地震數(shù)據(jù)中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)信息。圖8為H油田邊緣保持濾波前、后地震剖面。由圖可見：邊緣保持濾波前地震剖面存在明顯噪聲，信噪比較低(圖8a)；邊緣保持濾波后有效濾除了噪聲，同時(shí)保留了反映地質(zhì)體邊界的不連續(xù)信息(圖8b)。

圖8 H油田邊緣保持濾波前(a)、 后(b)地震剖面

在邊緣保持濾波后的地震數(shù)據(jù)體上計(jì)算局部結(jié)構(gòu)熵屬性體，用于檢測(cè)砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)的分布。圖9為過水平井A19H地震剖面、局部結(jié)構(gòu)熵剖面。由圖可見，局部結(jié)構(gòu)熵剖面(圖9b)在地震同相軸間斷、扭動(dòng)或振幅變化的位置(圖9a中A19H井鉆遇泥巖段處)表現(xiàn)為異常高值，表明儲(chǔ)層在上述位置存在橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)。

圖9 過水平井A19H地震剖面(a)、 局部結(jié)構(gòu)熵剖面(b)

為進(jìn)一步了解儲(chǔ)層不連續(xù)結(jié)構(gòu)的平面展布特征，根據(jù)目標(biāo)儲(chǔ)層的層位解釋結(jié)果，利用局部結(jié)構(gòu)熵?cái)?shù)據(jù)體提取頂、底界面間的平面振幅屬性，經(jīng)過螞蟻?zhàn)粉櫰矫嬖鰪?qiáng)處理，得到儲(chǔ)層內(nèi)部橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)的平面展布(圖10)。

圖10 儲(chǔ)層內(nèi)部橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)的平面展布

2.3 檢測(cè)效果分析

2.3.1 檢測(cè)結(jié)果的水平井標(biāo)定

H油田L(fēng)30up砂體目前有15口水平井，水平井的巖性、測(cè)井曲線變化等反映了儲(chǔ)層橫向巖性變化和砂體結(jié)構(gòu)信息。因此開展水平井鉆遇泥巖段與檢測(cè)結(jié)果的標(biāo)定分析，可以驗(yàn)證局部結(jié)構(gòu)熵檢測(cè)結(jié)果的可靠性和合理性。圖11為過A14H井地震剖面和局部結(jié)構(gòu)熵剖面。由圖可見，局部結(jié)構(gòu)熵屬性(圖11b)準(zhǔn)確檢測(cè)了水平井鉆遇的儲(chǔ)層不連續(xù)結(jié)構(gòu)(泥巖段)。在實(shí)際標(biāo)定、分析過程中發(fā)現(xiàn)，大部分井鉆遇的泥巖段對(duì)應(yīng)不連續(xù)結(jié)構(gòu)，但存在一些特殊情況導(dǎo)致兩者不對(duì)應(yīng)。

圖11 過A14H井地震剖面(a)和局部結(jié)構(gòu)熵剖面(b)A14H井水平段鉆遇1個(gè)泥巖段，泥巖段寬度為25m

第一，水平井井軌跡縱向鉆出儲(chǔ)層這類非地質(zhì)因素導(dǎo)致的泥巖段。圖12為過A10H井地震剖面和局部結(jié)構(gòu)熵剖面。由圖可見：局部結(jié)構(gòu)熵屬性準(zhǔn)確反映了第1個(gè)泥巖段，但第2個(gè)泥巖段的局部結(jié)構(gòu)熵屬性沒有異常響應(yīng)(圖12b)；從地震剖面上可以看到井軌跡鉆出儲(chǔ)層(圖12a)，因此局部結(jié)構(gòu)熵屬性不能反映第2個(gè)泥巖段。

圖12 過A10H井地震剖面(a)和局部結(jié)構(gòu)熵剖面(b)A10H井水平段鉆遇了2個(gè)泥巖段，第1、第2個(gè)泥巖段寬度分別為32、98m

第二，儲(chǔ)層厚度小導(dǎo)致地震響應(yīng)較弱。雖然地震波形、振幅存在微弱變化，但提取的局部結(jié)構(gòu)熵屬性響應(yīng)太弱，導(dǎo)致無法識(shí)別泥巖段。圖13為過A1H井地震剖面和局部結(jié)構(gòu)熵剖面。由圖可見：局部結(jié)構(gòu)熵屬性準(zhǔn)確反映了A1H井水平段前半部分鉆遇的泥巖段(圖13b)；對(duì)于A1H井水平段后半部分鉆遇的泥巖段，由于地震響應(yīng)太弱(圖13a)，局部結(jié)構(gòu)熵響應(yīng)也較弱，因此檢測(cè)效果不理想。

圖13 過A1H井地震剖面(a)和局部結(jié)構(gòu)熵剖面(b)A13H井位于沉積朵體邊部，儲(chǔ)層厚度約為3m

第三，地震資料橫向分辨能力影響。圖14為過A4H井地震剖面和局部結(jié)構(gòu)熵剖面。由圖可見，無論是地震剖面(圖14a)還是局部結(jié)構(gòu)熵剖面(圖14b)，都不存在明顯的儲(chǔ)層不連續(xù)信息的響應(yīng)。多個(gè)實(shí)際油田的資料證實(shí)，局部結(jié)構(gòu)熵屬性的橫向檢測(cè)寬度下限與地震采集面元尺寸相當(dāng)。如H油田的采集面元為22.5m×22.5m，則局部結(jié)構(gòu)熵屬性可分辨的泥巖寬度下限約為20m。

圖14 過A4H井地震剖面(a)和局部結(jié)構(gòu)熵剖面(b)A4H井水平段鉆遇寬度為12m的泥巖段

2.3.2 檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，統(tǒng)計(jì)、分析15口水平井鉆遇的泥巖段和檢測(cè)結(jié)果的匹配關(guān)系，主要包括以下步驟：①整理目標(biāo)儲(chǔ)層所有水平井的泥巖段數(shù)量；②剔除水平井井軌跡縱向鉆出儲(chǔ)層這類非地質(zhì)因素導(dǎo)致的泥巖段；③將過水平井軌跡的局部結(jié)構(gòu)熵剖面與篩選后的水平井泥巖段進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于全水平井段未鉆遇泥巖段的水平井，統(tǒng)計(jì)得到單井吻合率(如局部結(jié)構(gòu)熵過井剖面無異常值，則吻合率為100%，否則吻合率為0)；④統(tǒng)計(jì)所有水平井的總吻合率；⑤分析不吻合的原因。表1為H油田儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)結(jié)果水平井標(biāo)定統(tǒng)計(jì)表。由表可見，H油田不連續(xù)性檢測(cè)結(jié)果的最終吻合率達(dá)到76%，說明局部結(jié)構(gòu)熵屬性對(duì)于儲(chǔ)層橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果可靠、有效。

表1 H油田儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)結(jié)果水平井標(biāo)定統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)油田開發(fā)意義重大，但基于常規(guī)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法的識(shí)別精度較低，且難度較大。局部結(jié)構(gòu)熵算法屬于第三代相干算法，本文以該方法為核心，與邊緣保持濾波處理、螞蟻?zhàn)粉櫰矫嬖鰪?qiáng)方法組合，形成適用于油田開發(fā)階段儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)刻畫的組合技術(shù)。利用儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)技術(shù)組合得到的儲(chǔ)層內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果可預(yù)測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)部的連通性，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)層構(gòu)型、預(yù)測(cè)剩余油等，并指導(dǎo)油田開發(fā)階段的井位調(diào)整部署。

(1)通過對(duì)地震數(shù)據(jù)計(jì)算局部結(jié)構(gòu)熵?cái)?shù)據(jù)體，可提取原始地震數(shù)據(jù)中的振幅、波形等微弱變化特征，用于檢測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)部橫向不連續(xù)結(jié)構(gòu)的分布，檢測(cè)精度高于常規(guī)相干計(jì)算方法。

(2)計(jì)算局部結(jié)構(gòu)熵對(duì)地震資料的品質(zhì)要求較高，利用邊緣保持濾波可以提高地震資料品質(zhì)，利用螞蟻?zhàn)粉櫰矫嬖鰪?qiáng)可以改善平面屬性檢測(cè)效果。

(3)儲(chǔ)層橫向不連續(xù)性檢測(cè)效果可采用水平井鉆遇泥巖段標(biāo)定的方法進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于儲(chǔ)層厚度遠(yuǎn)小于地震分辨率的位置、橫向尺度小于地震采集面元尺度的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，局部結(jié)構(gòu)熵方法的檢測(cè)精度不高。