（信号与信息处理专业论文）钻井模拟中地震测井联合反演方法研究.pdf

钻井模拟中地震测并联合反演方法研究 马海( 信号与信息处理) 指导教师：王延江教授 摘要 在实际钻井过程中，如何获取待钻井井位的虚拟测井信息是研究待钻 井井位的复杂的地质环境特征参数的一个非常关键的问题，也是目前钻井 模拟过程中一个急需解决的技术难点。 本文以中石化重大科技项目“基于钻井工程地质数据库的钻井模拟” 及胜利油田博士后课题“钻井模拟中地层特征参数预测理论研究及应用” 为背景，重点对钻井模拟过程中的地震测井联合反演理论和方法进行了研 究，本文主要贡献如下： 1 由地震数据反演测井属性的数据预处理 利用小波变换通过对测井信号的分析实现了测井信号的去噪，用f i r 数字滤波器较为精确地提取了测井低频信息，并且通过对测井数据的深时 转换，实现了测井与地震信息的匹配。 2 待钻井测井声波低频分量重构 将地统计学方法一- - k r i g i n g 插值方法应用到测井声波低频信息重构 上，通过同一区块中的已钻井的测井声波低频信息，建立待钻井的测井声 波低频信息模型，为后续的反演工作提供数据基础。 3 虚拟测井声波速度反演 地震和测井从信息论的角度出发都是地下相同地质体的综合反映。 由此，提出了基于支持向量机理论的虚拟测井声波速度重构模型，实验结 果表明，该方法基本可以达到反演精度要求。 4 研究并设计了模型算法软件 在理论研究的基础上，针对地震测井反演的功能需求，设计了一套软 件系统。 关键词：地震测井联合反演；支持向量机；克里金算法；深时转换；滤波 s t u d yo nt h em e t h o do fj o i n ti n v e r s i o no fs e i s m i ca n d w e l l l o gi nd r i l l i n gs i m u l a t i o n m a h a i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp m f e s s o rw a n g y a n - j i a n g a b s t r a c t d u r i n gt h ew e l ld r i l l i n g ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt og e tt h ev i r t u a lw e l l l o g i n f o r m a t i o no ft h ew e l lt ob ed r i l l e di no r d e rt os t u d yi t sc o m p l i c a t e dg e o l o g i c e n v i r o n m e n t ，a n di ti sa l s oak e yt e c h n i q u ei nd r i l l i n gs i m u l a t i o n b a s e do nt h ek e yp r o j e c to fs i n o p e e - d r i l l i n gs i m u l a t i o nb a s e do n d r i l l i n ge n g i n e e r i n gg e o l o g yd a t a b a s e a n dt h ep o s t d o c t o r a t et h e s i sf r o m s h e r d io i l f i e l d - - - s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o ft h e l a y e r c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e rp r e d i c tt h e o r yi nd r i l l i n gs i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e so n t h em e t h o do fj o i n ti n v e r s i o no fs e i s m i ca n dw e l l - l o gi nd r i l l i n gs i m u l a t i o n 1 1 l em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 d a t ap r e p r o c e s s i n go ft h ei n v e r s i o nf r o mt h es e i s m i cd a t at o t h e w e l l l o gp r o p e r t i e s t h en o i s ee l i m i n a t i o no ft h ew e l l l o gs i g n a lb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m a n dt h ea c c u r a t ee x t r a c t i o no ft h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h ew e l l l o g s i g n a lb a s e do nt h ef i rd i g i t a lf i l t e ra r es t u d i e di nt h ea r t i c l e a n dt h em a t c h o ft h ew e l l l o gd a t aa n dt h es e i s m i ci n f o r m a t i o ni sr e a l i z e db yd e p t h - t i m e c o n v e r s i o no ft h ew e l l l o gd a t a 2 l o wf r e q u e n c yc o m p o n e n tr e c o n s t r u c t i o no ft h ew e l l l o ga c o u s t i c v e l o c i t yo f t h ew e l lt ob ed r i l l e d a p p l yt h eg e o s t a t i s t i cm e t h o d ，k r i g i n gm e t h o d ，t ot h er e c o n s t r u c t i o no f l t h el o wf r e q u e n c yo ft h ew e l l l o ga c o u s t i cv e l o c i t ya n de s t a b l i s ht h em o d e lo f t h el o wf r e q u e n c yo ft h ew e l l l o ga c o u s t i co ft h ew e l lt ob ed r i l l e db yt h el o w f r e q u e n c yo f t h ew e l l l o ga c o u s t i co f t h ew e l ld r i l l e di nt h es a n l eb l o c k ，w h i c h w i l lp r o v i d et h ed a t af o rt h ec o n s e q u e n ti n v e r s i o n 3 t h ei n v e r s i o no f t h ev i r t u a lw e l l l o ga c o u s t i cv e l o c i t yt e c h n o l o g y f r o mt h ev i e w p o i n to fi n f o r m a t i o nt h e o r y , b o t ht h es e i s m i ca n dt h e w e l l - l o ga l et h ei n t e g r a t e dr e s p o n s eo ft h es a m eg e o l o g i cb o d yu n d e r g r o u n d t h e r e f o r eam e t h o df o r m o d e l i n gt h e v i r t u a l w e l l l o ga c o u s t i cv e l o c i t y r e c o n s t r u c t i o ni s p r o p o s e d b a s e do n s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e t h e o r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o de a r ! m e e tt h ed e m a n d o f t h ei n v e r s i o na c c u r a c y 4 s t u d ya n dd e s i g nt h ea l g o r i t h ma n dt h es o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nd e m a n do ft h ej o i mi n v e r s i o no fs e i s m i ca n d w e l l l o g ，t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eb a s e do nt h em o d e la l g o r i t h m sh a sb e e n d e s i g n e d k e yw o r d s ：j o i n ti n v e r s i o no fs e i s m i ca n dw e l l - l o g ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ； k r i g i n g ；d e p t h - t i m ec o n v e r s i o n ；f i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 玛海 唧年 j 月哆臼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阋；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 塑盗砷年 哗砷年 ，月 y 具 哆日 嵋日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文研究背景及意义 钻井模拟l j 】是运用钻井数学模型和待钻井的地质环境信息，借助于 计算机模拟实际钻井的过程。钻井模拟的目的是优化待钻井钻头类型及 钻井参数、井眼轨道设计和控制、井身结构设计、固井设计、井控设计、 钻井液体系及钻井液性能参数并对井壁稳定性做出评价分析等。通过模 拟可以找出一种成本最低的设计方案作为钻井工程设计的基本依据。 进行钻井模拟，首要的问题是定量确定待钻井的地质环境参数【2 3 】： 地层孔隙流体压力、破裂压力、坍塌压力及钻迸特征参数：可钻性级值 ( 抗钻强度) 、地层各向异性等。可钻性级值用于钻头选型及钻井参数 优化，地层各向异性影响了井眼轨道控制和防斜的质量。地层孔隙流体 压力、破裂压力、坍塌压力等参数是钻井液密度设计的基础，它进而影 响或控制着井身结构设计、套管柱设计、固井设计。因此，待钻井地质 环境参数及钻井特征参数影响钻井模拟的精度和可靠性，这些参数能否 准确确定直接关系着钻井模拟的质量。 目前待钻井地质特征参数4 4 1 的获得主要依赖于地震、测井资料。由 测井资料计算地质环境参数，前人进行了广泛的研究并取得了一些成果， 但还不能形成一套系统完整的技术满足钻井要求。而对待钻井而言，直 接可用的只有地震资料。由于地震资料缺乏详细的地质信息，唯一的途 径是利用己钻井地震资科和测并资料的映射关系，重构待钻井虚拟测井 声波速度剖面，并由此确定地质环境参数。由于实现这一目标需解决的 1 中国石油大学( 华东) 硕十论文第t 章前言 双重非线性映射问题难以用回归或数值分析等常规方法解决，因此，具 有分布处理、自学习、自组织、高度非线性和容错能力人工智能技术在 这一领域的理论研究及应用有着非常重要的意义。 本课题的目的在于结合中石化重大科技项目“基于钻井工程地质数 据库的钻井模拟”以及胜利油田博士后课题“钻井模拟中地层特征参数 预测理论研究及应用”，利用人工智能理论，以地震资料为基础，充分利 用己钻井的地震资料和测井资料，重构生成待钻井虚拟测井声波速度。 本课题的意义是非常重要的，首先它可以解决由待钻井地震资料到 待钻井虚拟测井声波速度的映射问题，可丰富我国重构虚拟测井声波速 度剖面的方法，深化我国在此领域的研究。此外通过该课题研究，可以 进一步由待钻井的虚拟测井资料推算其可钻性级值( 抗钻强度) 及孔隙 流体压力、破裂压力等地质特征参数，为提高钻井模拟和钻井工程设计 的水平奠定可靠的基础。 1 2 地震测井联合反演的研究现状与发展 1 2 1 国外地震测井联合反演研究及应用状况 理论研究及实践表明，石油勘探和开采领域中存在着大量复杂的不 确定因素，无法用精确的数字计算方法来处理和描述，而人工智能以其 具有的分布处理、自学习、自组织、高度非线性和容错能力，大大弥补 了石油工业领域中常规数值处理和分析方法的不足。因此，智能化勘探 和开发越来越受到石油工作者的重视，并且在实际中得到了广泛应用。 运用地震及测井资料联合反演的思想，早在上世纪5 0 年代，就取得 较好的发展。特别是基于介质的弹塑性性质的测井的发展，使得测井和 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 地震的结合有了共同的理论基础。在速度测井诞生的同时，如何将它用 于地震资料的改进、修正和处理，是一个迫切需要解决的问题。例如， 利用声波和密度测井，选取适当的子波，通过褶积模型人工合成地震记 录与井旁地震道相对比，确定发射层位，以利于进一步的地震解释。 上世纪8 0 年代后，随着对复杂地质体勘探要求的提高，基于地下构 造解释等方面研究的地球物理解释与地质要求己显脱节。钻井工程迫切 需要的不仅是地下的地质构造，而且对地下地层的岩性、物性等方面都 要有全面和更精确地解释，以减少勘探投资的风险。在此背景下，从测 井和地震的频率特性考虑，提出用测井的宽频成分来补偿地震资料缺失 的频带，达到反演资料具有宽频的特征，克服反演的不确定性( b c i ) 。 事实上，这样充分利用了测井纵向高分辨率的特点和地震强的横向追踪 能力的特点，使得对地下地层的预测及描述更准确更精细。 从上世纪8 0 年代末，国外学者将人工智能引入了地震测井联合反演 领域。1 9 8 9 年，j l b a l w i n 将神经网络最早应用于测井解释；1 9 9 1 年，m l s m i t h 证明了遗传算法用于多峰值函数的可行性，这种算法 已广泛用于地震波形反演；m a l c o l ms a m b r i d g e 【6 】及p a u l 用遗传算法实现 了对多参数的优化问题；1 9 9 2 年，m c c o r m a c k t 7 1 及s c h u l t z 等将神经网络 应用于地球物理等其他领域。 1 9 9 4 年，p h i l l i p s i 昏10 1 发表了有关“地震导向的测井参数估计”的三 篇文章，详细讨论了基于算子的解释方法面l 临的问题，提出基于统计方 法和神经网络方法，由地震记录识别岩性等。并称这种方法为“数据驱 动”的解释方法，强调了“数据”的主动性和重要性，摆脱了传统算子 中数据处于被动状态下被用来验证假设条件下导出少量算子的正确性。 1 9 9 8 年，l i u z i q 用神经网络直接从地震数据预测测井属性，将神 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 经网络用于建立地震数据和测井属性之间的函数关系，基于人工智能算 法的地震测并联合反演揭开了新的一页。 2 0 0 0 年，s h i v a j in d a s g u p t a 1 2 神经网络方法成功用于由地震属 性和地震特征求取出储层特征。 2 0 0 1 年，d a n i e lp h a m p s o n l l 3 - 1 7 等用人工智能反演方法实现了地震 多参数外推测井属性。 目前流行的地震测井联合反演系统包括：h g s 公司的宽带约束反演 系统( b c i ) ，荷兰的j a s o n 高精度地震反演系统，w e s t e mg e o p h y s i c a l 公司的o m e g as p s 软件系统，加拿大t e k n i c a 公司的s e i s l o g 系统， l a n d m a r k 公司的p r o m a x 系统，p a r a d i g ng e o p h y s i c a l 公司的f o c u s 软 件系统，c g g 公司的g e o v e c t e u r p l u s 软件系统，以及s c h l u m b u r g e r g e c o p r a k l a 的s c i s m o s 软件系统。 意大利a g i p 公司实现了数学模型和人工智能技术的有机结合。它 以钻速曲线为基础，采用进化遗传算法开发地层岩性识别系统，以西格 玛曲线为基础，采用神经网络技术和知识库技术相结合开发了地层孔隙 压力实时检测系统，开发了基于知识库的套管串设计系统，并结合油田 地质构造和井型的特点实现了套管串的优化设计，此外它还使用八元钻 速模型开发了钻井参数优化设计系统等。 挪威北海油田的钻井优化模拟器( d r o p s - - d r i l l i n go p t i m i z a t i o n s i m u l a t o r ) 的研究历时1 5 年，已在北海油田应用了8 年，其间相关钻井 模拟模型得到了验证和完善。该系统在钻井模拟软件方面的研究思路主 要是根据地震解释、测井资料( 包括电阻率测井、声波测井、自然伽玛 测井等) 计算岩石强度、地层压力( 地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压 力、地应力等) ，根据模拟井的地质剖面数据( 包括岩石强度、压力曲线 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 数据、岩石的钻井物理参数等) 、钻井参数组合，把机械钻速r o p 看成 是岩石强度和钻井参数的函数，来模拟钻头的磨损情况，进而优化钻井 施工方案，从而达到安全钻井、节约钻井成本的目的。 1 9 9 8 年h a m p s o n r u s s e l l 与m o b i l 公司联合开发了二维及三维迭后 地震处理、建模及反演软件s t r a t a 。该软件可以依据已钻井的地震资 料和测井资料，将待钻井迭后地震道转换成速度或波阻抗道，从而为地 层特性的精细处理提供依据。软件包含有基本的地震处理、子波提取、 井编辑、地震解释及建模和不同的反演方法。 总之，基于数值算法及人工智能的地震、测并及地层特征参数的联 合反演，国外学者进行了深入的理论研究并在一些方面取得了重大突破， 有些石油公司根据这些理论开发了一系列软件，应用到钻井勘探开发工 程中，取得了巨大的经济效益。 1 2 2 国内地震测井联合反演研究及发展状况 查新结果表明，国内学者在人工智能用于钻井模拟的理论研究及应 用中进行了大量研究工作。 候安宁【t s l 、陶春辉卅( 1 9 9 4 年) 研究了基于遗传算法的弹性介质及 地震弹性参数的非线性反演方法。姚姚2 0 l ( 1 9 9 5 年) 也对地震非线性反 演方法进行了研究。陈遵德川、彭真明【2 2 矧( 1 9 9 8 年) 等将人工智能算 法用于地震勘探中的优化计算。杨斌1 2 4 1 ( 1 9 9 9 年) 提出了测并储层特征 的人工智能反演方法。肖慈王1 0 ( 2 0 0 1 年) 将神经网络方法成功运用于 地震测井联合反演。张学庆【5 】( 2 0 0 2 年) 将演化算法、模糊系统、小波 神经网络方法运用于地震测井联合反演。 杨文采( 1 9 9 5 ) 、王山山口7 】( 1 9 9 5 ) 、王宝珍2 8 1 ( 1 9 9 8 ) 、周辉【2 9 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 ( 1 9 9 7 ) 等学者【3 0 - 3 5 1 在该领域也做了大量有益的工作，对人工智能在地 球物理勘探领域内的应用f 3 6 。研和推广起到了积极的作用。 总体而言，我国对于人工智能在钻井模拟中的理论研究上世纪9 0 年 代研究较多，而近几年研究较少，鲜有突破性的进展。研究水平尚处于 初级阶段，与国际先进水平相比，差距较大。地震测井联合反演的研究 侧重在油藏分析和油藏预测领域，在钻井工程领域应用的研究非常少。 地震、测井资料的缺乏、不准确及现有资料不能很好的共享，影响了这 一领域的深入研究。建模的方法少，人工智能建模没有得到充分运用。 因此，迫切需要应用人工智能等理论，加强地层特征参数预测研究工作， 提高钻井模拟的可靠性。 1 3 本文主要研究内容及结构安排 本文的研究只是“钻井模拟中地层特征参数预测理论研究及应用” 课题的一部分，其主要目标是利用智能信息处理技术对待钻井的虚拟测 井声波进行预测，为后续的地质环境参数的预测作基础。本文将对以下 几个关键问题进行研究： 1 测井信号的去噪、测井低频信息精确提取方法及测井深时转换 在地震测井联合反演中，由于测劳曲线上往往存在与地层无关的噪 声干扰，为了更好的进行地震测井联合反演，必须对测井信号进行去噪 处理。另外，为了保证反演的适定性，主要指解的唯一性，需要准确的 低频趋势作为反演约束条件，在反演过程中还需要进行测并声波速度低 频信息重构，而重构的前提也是获得比较准确的低频信息，因此，如何 准确地提取所需的测井低频信息显得非常重要。另外，在地震测井数据 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 反演过程中，必须保证测井数据与地震数据的匹配问题，即将测井曲线 从深度域转换到时间域的重采样问题。 2 待钻井测井声波低频分量重构方法研究 在地震测井智能联合反演中，由于地震记录是带限的，缺乏低频分 量，不能够很好地映射测井数据，而对于待钻井而言，可以直接获取的 只有地震数据，其低频信息就只能通过同一区块中的已钻井的低频信息 来重构。因此，如何重构测井声波速度低频分量就显得尤为重要。 3 虚拟测井声波速度重构模型研究 目前钻井地质特征参数的获得主要依赖于地震、测井资料，而待钻 井只有地震资料。由于地震资料缺乏详细的地质信息，很难精确地推算 各种地质参数。而地震和测井从信息论的角度出发，都是地下相同地质 体的综合反映，都包含了同一地质体的地层岩性、物性、所含流体性及 其沉积环境和地质构造信息，地球物理测井信息和井旁地层反射信息必 然具有较强的相关性。因此可利用已钻井地震资料和测井资料的映射关 系，重构待钻井虚拟测井声波速度。 本文的内容安排如下： 第l 章主要介绍本文的研究背景、目的、意义、国内外研究现状以 及本文要研究的主要内容。 第2 章介绍地震测井联合反演的思想及其必要性，提出基于人工智 能的地震测井联合反演的基本思路和算法基础，简要阐述智能反演中数 据驱动思想和多元信息融合的思想，这些思想构成了本论文的理论基础， 也是地层压力和地层特征参数预测的核心。 第3 章研究地震测井联合反演过程中数据预处理方法，主要包括： 根据测井声波信号的特点，构建了小波去噪模型：根据测井声波信号的 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 特点及地震测井联合反演模型的需求，完成了低频测井声波信号的提取； 并研究实现测并声波深时转化的方法。 第4 章提出了空问插值的必要性及插值的方法原理，着重研究了普 通距离反比法、径向基函数法和k r i g i n g 法，并将其应用于待钻井低频测 井信息的获取。 第5 章采用支持向量机理论，研究并建立一套模型算法，通过己钻 井的地震和测井资料的信号提取，与待钻井的地震数据融合，重构获得 待钻井虚拟测井声波速度剖面，为提高钻井模拟和钻井工程设计的水平 奠定可靠的基础。 第6 章为系统的软件实现部分。着重对软 牛系统的研究目的及主要 功能、系统结构框图以及软件系统的具体实现进行了介绍。 第7 章对全文工作进行总结，并提出存在的问题及进一步的研究计 划。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 2 1 引言 第2 章地震测井智能联合反演思想 运用钻井数学模型和待钻井的地质环境信息，借助于计算机模拟实 际钻井过程，可以找出一种成本最低的设计方案作为钻井工程设计的基 本依据，但前提条件是定量确定待钻井的地质环境参数。由于地震记录 反映了横向和纵向方向上地层的信息，但分辨率较低，测井信息高精度 地反映地层的纵向信息，但仅是“一孔之见”，因此，实现地震测井的联 合反演，尽可能的利用测井信息多、垂向分辨率高的优势深化对储层的 认识，充分发挥地震资料在横向上面广量多的优势，在空间上将测井参 数模拟出来，利用岩芯资料标定测井资料，测井资料标定地震资料，通 过测井把岩性和地震有机结合起来，利用地球物理全部可利用的信息， 建立各种转换关系，实现地震测井的联合反演，提高资料解释的垂向分 辨率，进行横向连续性的追踪，达到准确预测地层特征参数的目的。 本章将在分析地震及测井过程、地震及测井资料特点的基础上，阐 明地震测井联合反演的思路，进而提出地震测井智能联合反演的思想【5 】。 2 2 地震、测井联合反演的必要- 性 2 2 1 人工地震的概念及特点 人工地震勘探思想是利用弹性波在地层中的传输原理，在地表人为 地发生地震，弹性波传至地下遇反射层反射回地表，由地表接收仪器或 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 仪器阵列接收到反射回来的信息，这些信息显然与地层性质( 包括弹性 波在地层中的传播速度、地层密度、地层岩性、地层孔隙度、地下流体 等等，当然也包括仪器等的误差) 有关，经过适当的处理( 包括静校正 和动校正等) ，可以得到较好反映地下地层性质的信息，就是通常进行反 演所用的地震记录，通常又可称为地震资料或地震信息。 地震记录具有以下特点： ( 1 ) 地震记录在频率域中是带限的。由于大地滤波作用使得高频成 分强烈衰减，又由于检波器响应和接收仪器的影响，记录中的低频成分 也受到很大损失，最终导致人工地震资料缺失了低频和高频分量。 ( 2 ) 地震记录与地层性质之间具有强的非线性关系。由于正演模型 是建立在基于地层是理想弹性介质的前提之上的，而实际地层并不是理 想的弹性介质，进行反演时必须考虑这方面的问题才能得到可信的解。 ( 3 ) 地震记录反映了横向和纵向方向上地层的信息。原因是地震的 发射源和接收仪器都是在地表的二维平面内成阵列分布，所以地震信息 反映了地下三维范围内的信息。相对于测井资料，地震反映地层横向信 息的能力特别突出。 ( 4 ) 地震记录与地层的波阻抗关系密切。原因是地震记录是声波在 地层的波阻抗界面反射回的信息，所以常规的地震反演一般首先反演波 阻抗。也正是这个原因，可以建立起测井与地震之间的关系，即通过测 井信息建立波阻抗曲线，再通过寻找合理的子波，可以合成人工地震记 录。 ( 5 ) 地震波是一种弹性波，所以符合弹性波传播的波动方程理论。 正是如此，通过波动方程进行地震反演是反演的一种重要方法。 ( 6 ) 地震记录反映的是时间域内的信息。由于地震的接收仪器记录 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 的是地震波从激发到反射层反射回的走时，它是时间的函数，其采样率 一般为1 毫秒或2 毫秒。所以地震记录反映的不是某一时间点的信息， 而是某一时间段内的信息的“综合”。反映到空间上，可以理解为一个地 震记录反映了某一地层段内的“综合”信息或“平均”信息。 2 2 2 测井的概念及特点 测井是人们利用电缆和仪器在井孔中直接探测井壁附近地层性质的 一种手段，探测的方法包括声波信息( 声波速度测井) 、密度信息( 密度 测井) 、电信息( 电阻率测井) 、放射性信息( 伽马测井) 甚至图像信息 ( 井下电视和其他成像测井) 等。所以测井同样可以反映地层的声速、 密度、岩性、流体以及孔隙等方面的信息，只不过是井壁周围地层的信 息。 由于测井的方式和性质决定了测井信息具有如下特点： ( 1 ) 测井信息的频带较宽。由于测井信息在空间上是仪器在井中逐 点进行测量的，所以测井信息分辨率较高，频带较宽。 ( 2 ) 测井信息与地层性质之间的关系同样具有强的非线性关系。由 于测井信息与地层、井孔、泥浆以及仪器测量误差等的影响，测井信息 与地层各部分组成之间并不是简单的线性关系。 ( 3 ) 测井信息能够很好地反映地层的纵向信息。由于测井是将仪器 放在井中逐点测量，所以能反映沿井壁在纵向上的地层性质。而每个采 样点的横向信息很少，最多能反映横向上几米内的信息。 ( 4 ) 测井信息可以很好地反映波阻抗界面。测井包括声波速度测井 和密度测井等，经一定的转换公式可以求出地层波阻抗值，所以在进行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 地球物理反演时，常常利用测井信息人工合成地震记录。 ( 5 ) 测井信息具有多样性和复杂性。相对于地震资料，测井信息包 括的内容相对丰富，可以直接反映地层的声速、密度、电性、放射性等 方面，而地震只包括声波信息。 ( 6 ) 测井反映的是空间域而非时间域上的信息。由于测井信息是测 井仪器在井壁的直接测量值，它是空间的函数，其采样率为0 1 或0 1 2 5 米。 2 2 3 地震与测井之间的关系以及表示形式 从人工地震信息和测并信息的特点可以看出，两者之间的关系密切 主要表现在如下两个方面：一是互补性，二是关联性。 互补性是指地震信息和测井信息之间具有互相补充的特性： ( 1 ) 频率互补。 ( 2 ) 空间互补。 ( 3 ) 内容互补。 关联性是指地震信息和测井信息之间具有相互关联的特性： ( 1 ) 都反映了地层的相关信息。 ( 2 ) 可以通过子波进行转换。 ( 3 ) 井旁地震道数据与测井数据在特定意义下有一定的相似性。 2 24 地震数据反演测井参数的难点 在地震反演方面，石油地球物理学界已做了许多工作，但有几个问 题一直未能很好的解决。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 ( 1 ) 测井资料应用较少，仅使用了反映波传播特性及声学信息的声 波测井和反映岩性密度变化的密度测井资料，其他丰富的电性、放射性 等资料都未应用，影响了对地层和储层的全面认识。 ( 2 ) 连续反演、递推反演受地震固有频带的限制，分辨率较低，主 要适合于反射系数变化大、有突出反射界面的地区；基于模型的反演则 需要严格的约束条件，否则会使地震反演具有多解性，影响了预测的精 度。 图2 - 1 地震测井信息关联示意图 ( 3 ) 反演结果波阻抗数据虽然与地震资料相比无论在横向和垂向分 辨率有了全面的提高( 波阻抗垂向分辨可达8 1 0 米，远高于地震) ，但对 于分辨3 5 米的砂泥岩的薄互层时，仍然不能满足要求。 ( 4 ) 由于混合岩性( 如含钙或粉砂泥岩和砂岩) 在波阻抗数值上接 近，在波阻抗剖面上难以区分，影响了对岩性和有效储层分布的认识。 这些问题一直是困扰人们的难题，也影响了波阻抗的应用范围。 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 2 2 5 常规地震反演方法 地下不同的岩层具有不同的速度和密度值，速度和密度的乘积称为 波阻抗。只要不同岩层之间波阻抗有差异，就能产生反射波。地震记录 就是震源激发，通过地下岩层的传播、反射回地面接受所记录到的地震 反射波。地震记录是地下不同岩层的综合响应，具有纵向和横向上的数 据，有着良好的空间分布。由于地震频带非常窄，一般为1 0 7 0 h z ，缺 失1 0 h z 以下的低频及7 0 h z 以上的高频信息，频带被限制在有限的频带 范围内，这导致了地震纵向分辨率的先天不足，使得我们无法仅用地震 资料正确地预测岩性和油气，特别是薄层的岩性和油气，只能用于查明 构造形态。测井记录也是地下不同岩层的综合响应，它包括声波、密度、 电阻率、自然电位、自然伽马等多种测井参数，记录的是地下岩层速度、 密度和所具有的电性、放射性等特征。有着精细的垂向分辨率，高频成 分很丰富，但它仅是点上的一孔之见。测井和地震作为应用地球物理的 两种方法，各有自己的特点和优势，也同时具有局限性。因此人们就自 然会想到把测井与地震有机的结合起来，取长补短，以便获得对地下地 层情况的正确而详细的了解。这样，就出现了基于地震和测井的储层预 测技术。储层预测技术是利用地震测井信息，在地质理论指导下，对油 气储层的空间展布和几何形态进行宏观描述，对储层的微观特征进行纵 横向预测的- i 1 技术，其技术的关键是地震反演。地震反演指利用地震 资料，以己知地质规律、钻井和测井资料为约束，对地下岩层的空间结 构和物理性质进行成像的过程。地震反演的结果一般为波阻抗。经过地 震反演，可以将界面型的地震资料转换成岩层型的测井资料，使其能够 与钻井和测井资料直接进行对比。以岩层为单元进行解释，研究储层的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 空间变化。 传统的地震反演一般指波阻抗反演，与地震模式识别预测油气，神 经网络预测地层参数，振幅拟合预测储层厚度等方法相比，波阻抗反演 具有明确的物理意义。地震反演通常可以分为连续反演、递推反演和基 于模型的反演等三类。 图2 - 2 测井横向反演示意图 2 3 地震测井常规反演模型及分析 地震测井联合反演本身是了解地下地层信息的一种具体手段，为地 质学家提供丰富的地层参数，进一步指导资源探勘是该方法的目的。通 常，有井穿过的地层可以通过测井信息和岩心信息清楚地和直观地认识 地层，遗憾的是井孔在平面上看只是一个点，这对于认识地下信息尤其 是井间信息显得明显不足。而地震记录正是联系井间地层的纽带，然而 地震记录也存在明显的不足：地震记录可以理解为反射系数和理想子波 的褶积，其地质意义不够直观，不好理解，无法被地质学家直接应用。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 基于地震测井联合反演的思想，融合两种资料的优点，如果通过数学手 段将井间的每一地震道数据直接转化为一虚拟井的测并属性，实现二维 ( 或三维) 地震数据体向二维( 或三维) 的测井数据体的转化，将为地 质学家了解地下情况提供了更加丰富和更加直观的地层信息，具有很高 的理论价值和实际应用价值。 常规地震测井联合反演模型如图2 3 所示。 图2 3 基于模型反演基本步骤 反演过程如下： ( 1 ) 读地震和测井数据； ( 2 ) 从地震提取统计子波，井相关，利用井再提取最佳子波 ( 3 ) 拾取或读进层位； ( 4 ) 建立初始模型，设立纵向、横向内插； ( 5 ) 应用反演和验证输出的波阻抗合成记录。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 2 4 地震测井智能联合反演 2 4 1 地震测并联合反演基本思路 针对常规地震测井联合反演存在的问题，基于将地震道数据转化为 地质学家更能理解和接受的测井属性的思想，在前人的研究基础上提出 了一种直接反演测井属性的非传统型的地震测井联合反演方法测井 属性的地震测井智能联合反演方法【5 l 。智能算法以其所特有的优点为建 立起测井数据与井旁地震道之间的非线性映射关系提供了强有力的数学 算法上的支撑。将井旁地震道数据作为输入，测井数据作为输出，用智 能算法作为基本算子实现建模操作。然后利用该非线性映射关系，将非 井旁的地震数据作为输入，就可以实现直接反演测井属性。这样就达到 了井间地震道数据向测井属性的转换，得到二维虚测井剖面( 或三维虚 测井数据体) 的目的。 2 4 2 地震测并联合反演算法优势 常规智能算法和混合智能算法具有以下几个方面的独特优势，是解 决常规联合反演中存在问题的理想算法。 ( 1 ) 强的非线性信息处理能力。 ( 2 ) 强的函数逼近能力。 ( 3 ) 并行处理能力。 ( 4 ) 自学习、自组织和自适应能力。 近年来，非线性方法得到了巨大发展，遗传算法、神经网络算法、 模拟退火算法和小波变换等方法纷纷出现，并得到了广泛发展，为地震 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 测井联合反演注入新的活力。 2 4 3 数据驱动的思想 1 9 9 4 年p h i l l i p s t 昏】发表了“地震导向的测井参数估计”相关的三篇 文章，详细讨论了基于算子的解释方法面l 临的问题，提出基于统计方法 和神经网络方法，由地震记录识别岩性等。他们称这种方法为“数据驱 动”的解释方法。该方法强调了“数据”的主动性和重要性，摆脱了传 统算子中数据处于被动状态下被用来验证假设条件下导出少量算子的正 确性。这种思想与现代信息论和数据挖掘理论是一致的。 刘争平【4 】在此基础上提出从信息论( i n f o r m a t i o nt h e o r y ) 和数据挖掘 ( d a t a - m i n i n g ) 的角度出发，建立一种“数据驱动”( d a t a - - d r i v e n ) 的非传统联合反演算法，即数据在反演中处于主动地位，让数据中丰富 的地层信息和复杂关系能够尽可能不受限制地被提取出来。所以在该思 想的影响下，强调地震数据和测井数据的主动性，直接建立两者之间的 联系，由地震数据外推测井信息。 2 4 4 多源信息融合的思想 多源信息融合，简称信息融合，是近十几年发展起来的信息处理技 术，它是将各种途径、任意时间和空间上获取的信息作为一个整体进行 分析处理，为决策奠定基础。 信息融合的技术具有定的生理基础，人类在完成自身的各种活动 以及对客观世界的认识和改造过程中，主要应用两种能力：知识的灵活 应用和交错集成不同形式信息的能力。信息融合是以上两种能力之间互 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地震测井智能联合反演思想 相联系的纽带。 信息融合技术在工程应用中已得到了越来越广泛的重视和普遍应 用。这是因为信息融合技术对于解决实际问题是必须的并且是可能的， 也是技术发展的必然趋势。其次，各种工程应用所面i 临的问题是具体的， 应根据实际情况选择不同的融合方案，如统计原理和神经网络等。 地震信息和测井信息属于不同的数据源，其测量仪器和物理意义有 很大的差别。地震测井联合反演实际也是一种非同源信息融合，即由选 定融合方案，由地震数据导出测井属性，实现测井属性的地震测井智能 联合反演。由此可知，信息融合和数据驱动的思想是一致的。 由上述讨论可以认为测井属性的地震测井联合反演有着强大的思想 基础和理论基础，方法是可行的。 2 5 小结 本章首先在简要阐述地震测井原理的基础上，综合分析了地震信号 及测井信号的特点，从两者之间的互补性和关联性都反映了地层的相关 信息及井旁地震道数据与测井数据在特定意义下有一定的相似性两个方 面，阐明了地震测并联合反演的必要性和可行性。 其次，对反演基本概念及目前地震测井联合反演常规使用的方法进 行了综述。 最后，重点阐述了基于人工智能的地震测井联合反演技术，介绍了 智能地震测井联合反演的基本思路和算法基础，并对该技术的优势所在 数据驱动的思想和多源信息融合的思想作了较为详细的阐述。 本章内容是该课题研究的思想基础和理论基础。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章由地震数据反演测井属性的数据预处理 第3 章由地震数据反演测井属性的数据预处理 3 1 引言 地球物理探测得到的信息非常丰富，但如何有效地利用这些信息， 克服地球物理反演的多解性一直是地球物理学家们所努力探索的一个目 标。地震测井联合反演是该思想的具体体现。 在地震测井联合反演中，由于测井曲线上往往存在与地层无关的噪 声干扰，为了更好的进行地震测井联合反演，必须对测井信号进行去噪 处理。另外为了保证反演的适定性，主要指解的唯一性，需要准确的 低频趋势作为反演约束条件，在反演过程中还需要进行测井声波速度低 频信息重构，而重构的前提也是获得比较准确的低频信息，因此，如何 准确地提取所需的测井低频信息显得非常重要。另外，在地震测井数据 反演过程中，必须保证测井数据与地震数据的匹配问题，即将测井曲线 从深度域转换到时间域的重采样问题。 本章的内容是这样安排的：第二节介绍研究的地质环境及数据资料 选取；第三节介绍基于小波变换的测井声波信号去噪方法；第四节介绍 基于f i r 数字滤波器的测井低频信息提取；第五节介绍声波测井数据的 深时转换方法；第六节为本章小结。 3 2 本研究地质环境介绍 ( 1 ) 地区概况及数据概述 实验中研究的区块位于准噶尔盆地昌吉凹陷的西部，北邻马桥凸起， 南部紧靠北天山山前构造带，西部跨车排子凸起南端和四棵树凹陷东端， 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章由地震数据反演测井属性的数据预处理 总面积4 7 4 2 k m 2 。 我们主要研究对象为中部3 区的永l 、永2 、永3