地球物理反演重点.pdf

1 9 正问题 给定一个问题 寻找答案 2 反问题 给定一个答案 寻找问题 3 适定性问题 解一定存在 解的唯一性 解的稳定性 4 非适定性问题 解不一定存在 解可能不唯一 解不稳定 5 正演问题 正问题 已知模型 m 求解数据 d 的过程 6 反演问题 反问题 已知数据 d 求解模型参数 m 的过程 7 地球物理反演 根据各种位场 地震波 地球自由振荡 交变电磁 场 以及热学的地球物理观测数据去推测地球内部的结构形态及物质成 分 定量计算各种有关的物理参数 8 地震反演 Seismic Inversion 把常规的界面型反射剖面转换成岩层 型的测井剖面 将地震资料变成可与测井资料直接对比的形式 实现这 种转换的处理过程叫地震反演 9 地震反演分类 a 基于原始地震资料 叠前反演类 叠后反演类 b 基于数学算法 线性反演类 非线性反演类 c 基于实现方式 基于反褶积的反演方法 包括基于地层反褶积的道积分 递归 广 义线性等反演方法 基于最大似然反褶积的稀疏脉冲反演方法 基于最大后验概率准则算法反褶积的模拟退火等 基于波动方程的反演 Born 反散射 基于随机过程的反演 随机反演 随机模拟等 基于特征分析的反演 特征反演 神经网络反演等 其它 混沌反演等 d 基于地震和测井的相对作用 带限反演 道积分 Vlog Seislog 和 Verilog 递归等 测井约束下的宽带反演 广义线性 宽带约束反演 稀 疏脉冲反演 等 地震约束下的测井内插外推 随机模拟 随机反演等 测井 地震联合反演 特征反演 神经网络反演等 10 商品化的软件如 strata BCI Jason 等 11 地震反演在石油勘探开发中的应用 微构造识别 岩性预测 储层参数评价 流体识别 烃类 检测 1 地震正演是根据设计的地质模型 选择速度 密度 波松比等地层 参数 用某种方法求得地震响应的过程 2 地质模型 物理模型 数值模型 物理模拟 真实 可靠 费用高 数值模拟 简单 运算快 费用低 3 地震数值模拟 利用计算机建立地质模型并模拟其地震波传播响应 的一种方法 原因 观测系统设计 验证解释结果和反演算法的合理性 简单 便宜 When 野外地震数据采集前或采集后 Where 实验室 计算机 4 射线理论 褶积模型 反射理论 射线追踪 高斯光束理论 波动理论 有限差分理论 有限元理论 伪谱理论 5 地震波传播数值模拟应用领域 地震波传播理论 数据采集 地震解释 数据处理 提供正演 方法 地震反演 岩石物理 6 地震子波 地震子波是褶积模型的一个分量 通常指由 2 3 个或 更多相位组成的地震脉冲 W t A t wf t wR t wp t A t 振幅因子 取决于震源 wf t 野外施工影响 wR t 多次波影响 wp t 地层的滤波效应 7 子波的求取 1 直接观测法 2 厚层反射波 3 经验方法 4 相关分析算法 5 复赛谱分析法 8 最小相位子波 具有相同振幅谱的子波集中相位延迟最小的子波 能量集中在前部 最大相位子波 子波集中相位延迟最大的子波 能量集中在后部 混合相位子波 可分解为一些最小相位子波与最大相位子波褶积的 子波 9 时间域的褶积就是频率域的乘积 褶积计算 包括以下四个步骤 反褶 移位 相乘 求和 10 波动理论正演方法 对建立的模型进行网格化 根据波动方程近 2 9 似 利用差分方法或有限元方法等按时间步长迭代计算波场 获得正演 波场模拟结果 波动理论正演方法的特点 能够准确揭示波在介质中传播时振幅 频率 相位的变化 真实地反映出波的动力学特征 是进行波场研究的 有效手段 11 体波 在弹性介质内部向四周传播的波 面波 只在两种介质的界面传播 瑞雷波 沿自由表面传播的波 勒夫波 在低速岩层覆盖于高速岩层的情况下 沿两岩层界面传播 的波 SH 当发生偏振的 S 波的岩石颗粒仅在水平面中运动时 称为 SH 波 SV 当岩石颗粒在包含波传播方向的垂直平面里运动时 这种 S 波 称为 SV 波 12 波动方程数值解法 建立在以弹性或粘弹性理论和牛顿力学为基础 的双曲型偏微分方程 地震波传播方程的理论基础上的 由于地下介质性质不同 其相应的地震波传播方程也不同 声学介质 声波波动方程 弹性介质 弹性波波动方程 粘弹性介质 粘弹性波波动方程 孔隙弹性介质 双相或多相介质 双相或多相介质弹性 波方程 各向异性介质 各向异性弹性波波动方程 13 波动方程公式 条件 解的收敛性和稳定性 14 地震物理模拟 在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定 的模拟相似比制作成物理模型 并用超声波或激光超声波等方法对野外 地震勘探方法进行模拟的一种地震模拟方法 地震物理模型的优缺点 与数学模型相比 其最大的优点就是地震物理模型模拟结果的 真实性 不受计算方法 假设条件的限制 因而地震物理模型受到国外 各石油公司和大学的普遍重视 震源和检波器的尺度 参数变化困难 15 物理模拟相似三定理 相似第一定理 凡彼此相似的现象 必定具有数值相同的相似 准则 相似第二定理 当一现象由 n 个物理量的函数关系来表示 且 这些物理量中含有k 个独立的物理量 即有k种基本量纲 就能得到 n k 个相似准则 描述这一现象的函数关系式 可表示成 n k 个相似准则 间的函数关系式 相似第三定理 凡具有同一特性的现象 当单值条件彼此相似 且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等 则这些现象必 定相似 16 地震物理模拟的相似准则 地震物理模型是以无量纲波动方程的不变性为基础 以几何参 数 物理参数的相似性为准则的 一般正确模拟地震波传播的物理过程和现象应考虑下述原则 1 二者物理过程服从同一自然规律 可以用相同的物理 方程描述 2 模型与原型的物理量应相似 3 模型与原型的空间条件和时间条件应相似 17 地震物理模拟的相似原理 从几何参数 物理参数两个方面相似性考虑 也就是波在模型和 实际介质中传播的运动学特征和动力学特征都应当具备相似性 1 几何相似原理 几何尺寸 波长 频率 传播时间成比例 当波在模型介质和实际介质中传播速度相同时 模型介质与 实际介质的尺度比 传播时间比 波长比 频率的反比 当波在模型介 质和实际介质中传播速度不同时 模型介质与实际介质的尺度比 速度 比 传播时间比 频率的反比 速度比 波长比 2 动力学相似原理 弹性参数 密度 吸收衰减系数等相等 或相似 3 9 当波在声学介质中传播时 要保持波的动力学特征必须满足 模型介质和声学介质的弹性常数 K 和介质密度 相等或相似 当波在弹 性介质中传播时 要保持波的动力学特征必须满足模型介质和弹性介质 的拉梅弹性常数 和介质密度 相等或相似 当波在介质饱含流 体的双相介质中传播时 要保持波的动力学特征必须满足模型介质和双 相介质的弹性常数 R Q NA 衰减系数 b 和介质密度 相等或相 似 18 物理模拟的应用 地震波理论研究 复杂构造 特殊沉积现象 裂缝带检测 井间 地震研究及油藏动 态监测 波传播的基本规律 典型地质构造地震响应 波传播理论和数学 计算方法的验证 观测系统的研究 勘探方法的研究 处理解释的研究 验证相关理论 利用物理模型设计地震采集施工方案 验证实施 效果 发展新的地球物理技术 物理模型与岩性解释相结合 1 问题反演问题的解 要注意以下几个 1 存在性 是否存在符合观测数据的模型 2 可解性 若存在解 如何构造 3 唯一性 是否不止一个模型符合观测数据 4 稳定性 若多个模型符合观测数据 即多解性 模型的什么信息 是唯一确定的 2 简单代性回归 如果一个反问题 可以用线性方程表示 d Gm 若在观测值 d 和模型参数 m 之间存在精确的关系 则可以用非常简单的过程 从观测 值求出 m 3 Castagna 公式 Vp aVs b 1 实验室测定 2 Castagna 经验公式 3 偶极横波测井 4 直接反演 道积分反演 连续反演 利用叠后地震资料计算地层相对波阻 4 9 抗 速度 的直接反演方法 公式 ln 2 1 r td tZd t t dttr t 0 2 0e Z Z 假设条件 反射系数是地层波阻抗的对数对时间微分的一半 在进行道积分之前 一定要做好零相位处理 具体实现步骤如下 1 将地震记录振幅标定到反射数量级 2 计算积分道 k i i 0 S A k 3 将积分结果转换为波阻抗 2 0 Z kA eZk 4 对转换结果作带通滤波 得地层相对波阻抗 ZrkZFt k 1 2 3 Nsamp 为地震采样点序号 Nsamp 为 地震样点数 优缺点 优点 列累计误差小 计算简单 不需要反射系数的标定 没有井的控制也能作 缺点 受地震固有频率的限制 分辨率低 无法适应薄层 解释的需要 无法求得地层的绝对波阻抗和绝对速度 不能用于 定量计算储层参数 递推反演 基于反射系数递推计算地层波阻抗 速度 的地震反演 方法称为递推反演 递推反演的关键在于从地震记录估算地层反射系数 得到能 与已知钻井最佳吻合的波阻抗信息 公式 无噪偏移地震记录的理论模型为 twtrtS 其中 tS 为地震记录 tr 为地层反射系数 为 tw 地震子波 通过子波反褶积处理 可由地震记录求得反射系数 进而递推计算出地层波阻抗或层速度 j i r r i i Z 1 1 1 01j Z 其中 Z0 为初始波阻抗 常数 1 j Z 为第 j 1 层地层波阻抗 低频速度可以用速度谱或声波测井资料计算 把低频速度 加到由公式递推直接得到的相对速度上去 就得到用绝对速度或时差值 表示的合成声波测井 递推反演的方法步骤 1 递推反演 的初始背景模型是通过对井阻抗滤波获得 2 对地震道运用递推运算 3 滤波后的模型加上加权后反演道就得到了最后结果 基于频域反褶积方法 基本假设 子波振幅谱连续光滑子波相位为常相位 实现方法 频域反褶积 常相位校正 低频成分补偿 优点 反演与实际测井最佳吻合 局限性 分辨率低 频宽和主频决定分辨率 相位决定波形形态 递推反演中几个要点 1 没考虑子波 这意味输入的地震数据必须是零 相位 2 即使地震数据是零相位 实际子波的旁瓣在递推 算法中也会被解释为岩性的变化 3 反演的结果其频带与地震数据频带一样 1 稀疏脉冲反演 Sparse spike Inversion 基于稀疏脉冲反褶积基础 上的递推反演方法 主要包括最大似然反褶积 L1 范数反褶积和最小熵反 褶积 2 基本假设 地层的强反射系数是稀疏分布的 即地层反射系数由一 系列迭加于高斯背景上的强轴组成 只有大脉冲有 意义 3 适用范围及优点 适合于井数较少的地区 4 主要优点 能获得宽频带的反射系数 能较好的解决地震记录的欠定问题 5 稀疏脉冲反演方法计算流程可分为三步 反射系数反演 采用最大似然反褶积进行反射系数的反演 假设条件 地层的反射系数是由较大的反射界面的反射和具有 高斯背景的小反射叠加组合而成 导出一个最小目标函数 5 9 1ln 2 ln 2 1 1 1 2 2 1 2 2 MLMKKJ L K L K n N r R 式中 R2 和 N2 分别为反射系数和噪音的均方值 r K 和 n K 表示第 K 个采样点的反射系数和噪音 M 表示反射层数 L 表示采样总数 表示给定反射系数的似然值 通过多次迭代 求取反射系数 根据反射系数的反演结果结合阻抗趋势计算一个初始的波阻 抗 根据最大似然反褶积计算得到的反射系数 结合初始阻抗模 型 采用递推算法 反演得到初始的波阻抗模型 1 1 1 iR iR iZiZ 式中 Z i 为第 i 层的波阻抗值 R i 为第 i 层的反射系数 结合井的约束条件进行波阻抗反演 约束稀疏脉冲反演对每一道依据目标函数对计算出的初始波 阻抗进行调整 包括对反射系数的调整 目标优化函数为 ZLdsLrLF qp 1 1 式中 r 为反射系数序列 z 为与阻抗趋势的差序列 d 为地震道序列 s 为合成地震道序列 为残差权重因子 为趋势权重因子 p q 为 L 模因子 具体的 右式第一项反映了反射系数的绝对值和 第二项反 映了合成声波记录与原始地震数据的差值 第三项为趋势约束项 6 稀疏脉冲反演方法关键技术 1 数据的准备 2 数据的分析与预处理 3 子波估算 4 合成记录制作 5 初始波阻抗模型的建立 6 反演参数的调整 7 地震反演对地震数据的要求 位或 位相对振幅保持处理的纯波数据 反映岩 性的相对变化 2 高信噪比 3 接近于零相位 或标准 SEY 格式 处理 4 高分辨率处理 地震资料本身所达到的分辨率 由有效 频宽决定 即信噪比大于 的频带宽度 构造解释对地震数据的要求 8 位滤波数据 8 影响子波相位的因素 1 大地吸收的影响 2 野外激发接受的影响 3 不同年份施工 不同仪器施工 不同处理参数 也会造 成子波相位的混乱 4 有一些处理模块会改变子波的极性 但目前在处理中 没有全程对子波相位进行监控 所以最后出站的结果 不知道子波相位 被改造成什么样 5 目前的处理技术还很难解决子波的零相位化 9 地震解释数据 层位与断面解释 要解释全区的地震标准层 把目 的层包含在内即可 1 数据的准备 井数据 保幅纯波数据 滤波数据 2 数据的预处理 基础资料分析 a 岩性统计分析 统计目的层段岩性及岩性组合的分 布规律 b 岩性速度统计分析 统计目的层段各种岩性的速度 差异情况 c 砂层厚度统计分析 统计目的层段单砂层和砂层组 的厚度分布特征 明确为满足基本地质任务所要求的储层预测精度 测井资料预处理 包括测井曲线的拼接处理 环境校正 基线漂移编辑工作 3 构造的精细解释 包括常规的层位解释与断层解释 1 要求除了包括顶底反演控制层外 对地层结构和 接触关系存在差异的 层系必须进行加密层控解释 2 要求断层解释完全闭合 对 级及 级以上断层 建立断层趋势面等断 层模型 级以下采用层位控制方式 1 基于模型地震反演技术是以模型为基础的波阻抗反演方法 以测井 资料丰富的高频信息和完整的低频成份补充地震有限带宽的不足 获得 高分辨率地层波阻抗的方法 基于模型反演是储层评价的关键技术 2 基于模型反演方法特点 最终结果 地层波阻抗 速度 或其它 方法实质 测井 地震联合反演 应用条件 钻井较多或沉积稳定 优点 分辨率高 可解释性强 缺点 多解性 软件差别 初始模型建立 寻优算法 3 基于模型反演方法步骤 1 基础资料的收集和整理 2 测井与地震的精细标定 3 建立初始地质模型 正演计算 4 正演结果与地震道误差计算 5 输出反演结果 4 基于模型反演的几个要点 6 9 1 由于已经知道子波 在计算过程中它的影响从地震数据中排除 了 例如地震数据没有 必要是零相位 而只要子波与地震数据等相位就可以 2 估算的子波若有误差 将导致反演结果出差错 3 地震有效分辩率得到提高 4 反演结果可能在很大程度上依赖原始猜测初始模型 解决的方 法是对初始模型进行 滤波 5 与其它反演方法一样 存在多解性问题 5 基于模型反演技术关键 6 标志层是指在全区广泛分布 厚度稳定 岩性单一 电性特征明显 的非渗透岩层 标志层应符合下列条件 分布在目的层系的中间 顶部或底部 标志层应是不受油气和物性影响的非渗透层 在平面上电性稳定或有规律变化 在纵向上分布稳定 其厚度 一般不小于 2 0 米 岩性均一 隔夹层少 深度变化小 如埋深差别太大 必须分区进行标准化 7 标准化方法 直方图法 重叠图法 均值校正法 趋势面分析法 褶积模型如下 合成地震记录 子波 反射系数 进行合成地震记录标定的关键技术是合成地震记录的制作 而合 成地震记录的核心 是褶积模型 进行层位标定影响因素分析应从子波和反射系数两方面着手 1 反射系数 反射系数如何计算 需要哪些资料 这些资料有哪些影响 因素 如何将深度域的测井曲线转换到时间域进行褶积运算 2 子 波 子波提取方法 子波各参数的选取会对合成记录造成哪些 影响 3 其他原因分析 合成地震记录往往没有考虑噪音的影响 实际地震子波 在向下传播的过程中由于大地的滤波作用子波频率向下是逐渐衰减的 而大多数商用软件提供的合成记录制作模块的前提是子波在时间上是不 变的 8 菲涅耳带 二分之一地震波长 的影响 7 9 1 烃类检测 亮点是指由于油气的存在 在地震剖面上引起反射波振幅相 对增强的点 亮点技术 是基于真振幅技术 检测圈闭中石油 天然气聚 集的一种直接方法 暗点 平点 在砂岩储集层中 油 气 气 水之间的流体接触面为水 平状态 从而在地震 剖面上为水平反射 特别当上覆层为倾斜层时 在其下 出现的较强振幅的 水平反射称为平点 AVO 极性反转 砂岩含气因其速度减小 它的波阻抗小于上覆页岩 的波阻抗 于是在 砂岩的顶面形成负反射 而砂岩内的油气和油水界 面上均产生正反射 因而含气层上的负反射或含气边缘的极性相反 速度异常 由于含气砂岩的速度低 地震波通过该层的旅行 时增大 从而导致含 气砂岩下方的水平反射因速度下拉效应产生界面 下陷的现象 2 AVO 反演弹性波阻抗反演 通过纵波 横波 密度参数计算不同入 射角的弹性阻抗 声阻抗 AI Acoustic Impedance 垂直入射时的纵波阻抗 弹性阻抗 EI EIastic Impedance 不同入射角时的转换波阻抗 3 弹性参数 4 泊松比 反应岩性和含气性的重要参数 用岩石纵向拉伸和横向压 缩的比值来表示 静态泊松比 通过测量岩石纵向拉伸和横向压缩的比值计算的泊松 比 动态泊松比 通过测量岩石的纵波速度和横波速度 计算的泊松比 泊松比与纵横波的关系 5 速度和岩石孔隙度的关系 A B 可由回归分析得到 该公式过分简化速度与岩石物性的关系 特别是忽略了黏土含量对砂岩横波速度的作用 6 今后 AVO 研究的主要内容 1 AVO 属性分析 2 孔隙流体识别技术 3 统计 AVO 分析 4 三维和四维 AVO 分析 5 定量叠前地震反演技术 6 薄层 AVO 分析 7 多波多分量 AVO 分析 8 各向异性 AVO 分析 9 广角 AVO 分析 10 噪声压制和叠前成像 11 叠前地震属性分析 12 AVO 延伸处理分析 7 Gassmann 方程的基本假设 8 9 1 观测岩石 骨架和基质 宏观上是均匀分布的 2 所以孔隙是联通的 3 孔隙中充满无摩擦流体 液体 气体或者混合物 4 研究的岩石 流体系统是封闭的 不排出液体 5 孔隙流体不会对岩石骨架产生软化或硬化作用 8 叠前反演 旅行时反演和振幅反演 叠后反演 已知叠加偏移后的地震数据 求取波阻抗剖面 AVO 反演 CDP 道集上振幅随偏移距的变化 AVA 弹性波阻抗反演 9 AVO 分四类 1 含气砂岩的振幅大小形态与含水砂岩相似 但振幅更小 2 从 I 型到 III 型 AVO 含气砂岩和含水砂岩的振幅曲线差异 增加 3 从 I 型到 III 型 AVO 振幅曲线变得更平缓 10 AV 正演方法 利用模型正演模拟 AVO 现象 结合本区的油藏 特征 分析不同地质条件下油 气 水及特殊岩性体的 AVO 特征 建立 相应的 AVO 检测标志 在实际地震记录中直接识别岩性及油气 11 AVO 正演步骤 首先 要构制一个地质模型 从钻井 测井以及岩石物理实验分 析得到纵波速度 横波速度 密度和地层厚度等参数 其次 通过 Herglotz Wiechert 公式或者在 t x 域利用直射线 计算各炮检距对应的入射角 透射角 最后 通过 Zoeppritz 方程或者它的近似式求出各道的反射系数 形成 CMP 道集 12 AVO 正演的应用 1 根据测井曲线及分层资料进行横波速度外推 2 地震响应的正演模拟 3 模拟数据的属性分析 13 AVO 影响振幅因素 大地滤波系统 数据采集系统和噪声系统 1 剔除不正常炮和道以及 野 值 2 几何球面扩散补偿 透射 吸收 3 地表一致性振幅补偿 4 吸收衰减补偿 5 剩余振幅补偿 处理方法 确定性解 统计平均 最小平方分解 时频域 分析 14 脉冲反褶积 消除子波影响和压制多次波 但它不保持振幅的相 对关系 地表一致性反褶积 保持各道的相对振幅 地表一致性子波处理 保持各道的相对振幅 但在消除子波影响和 压制多次波方面稍逊与地表一致性反褶积 信噪比 有用信号与噪声的比值 角道集 通过对 CMP 常规道集进行切除 然后部分道相加而成的 15 道集数据的叠前偏移 AVO 分析应当采用叠前偏移道集数据 1 提高分析目标深度位置的横向分辨率 2 分析目标在准确位置上 3 绕射能量得到收敛 4 有的偏移方法可以考虑相对