[科普中国]-储集层预测技术

简介

储层是储集层的简称，在油气勘探生产中特指地下可供油气聚集、储存的岩层。

储集层预测技术是综合应用地震、地质、钻井、测井等各项资料对地下储集层的分布、厚度及岩性和物理性质变化进行追踪和预测的一项先进技术2。

储层预测的主要工作内容大体分为四个方面：

（1）储层岩性预测，即研究构成储层的岩性以及控制储层发育的相带；

（2）储层形态预测，包括储层的分布、厚度和顶、底面构造形态；

（3）储层物性预测，主要研究储层的主要物性参数，即孔隙度和渗透率；

（4）储层含油气性综合分析，即研究储层内所含流体性质及其分布。

储层预测技术是一门技术方法多、综合性强、相互交叉的技术系列，单项技术不下数十种。大体上可分为地震反演方法、地震属性分析技术、AVO技术等三大类，这些都是以常规的地面地震反射纵波法勘探为基础的储层地震预测技术，也是当前储层地震预测技术的主体3。此外，一些发展中的前缘技术，如利用地震纵横波差异研究储层特征的多波多分量地震技术、利用井眼激发接收的井间地震技术和VSP（垂直地震剖面）技术、重复观测的时移地震（4D）技术、利用钻头作为震源的随钻地震技术、利用地震数据的谱分解来识别超薄层的谱分解技术等，为储层地震预测增添了丰富的技术手段。

发展状况储层预测技术的快速发展是在多次覆盖技术和数字地震技术出现之后。多次覆盖技术显著地改善了地震资料的信噪比，而数字地震技术取代模拟地震技术使得地震记录的动态范围大幅度提高，使地震记录的后续处理能力大大增强，地震资料品质有了质的飞跃，为储层预测技术的迅速发展奠定了基础。1963年，Churdin和Sergeyev报道了地震资料中四个重要的油气直接检测参数：亮点、油气藏边界干涉模式、平点和吸收系数。1969年，Cook和Taner发现速度谱中包含有相当丰富的岩性和地层变化信息，利用速度谱资料识别出泥岩层段和砂岩体，并利用均方根速度与层速度间的关系，进行岩性（主要是砂地比）预测4。

三维地震勘探技术进一步推动了储层地震预测技术的迅速发展5。Lindseth（1972）和Lavergne（1977）研究了道积分和递推反演方法。20世纪70年代，Anstey发现了含气砂岩波阻抗的异常变化，使用反射波振幅变化特征——亮点、暗点，对含气砂岩储集体进行预测。Gardner（1974）指出：有很多因素能影响地震反射系数，而速度和密度取决于岩石骨架的矿物成分和粒状特性，取决于胶结物、孔隙度、流体成分和围压，并特别讨论了岩石微裂隙导致的压力对速度的影响作用。同时，Turhan Taner继承了Anstey的工作，并在其基础上提出了全新的地震属性计算方法——复数地震道分析法，使得利用瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位以及吸收系数进行岩性、含油气性预测的方法在70～80年代广为流行。

20世纪80年代，随着采集处理技术的进步，人们对AVO技术进行了专门研究，通过对叠前信息的利用，为识别“亮点”、判别气/油或气/水界面、反演弹性参数、估算岩性等提供了有力手段。同时，新的反演技术不断出现，如广义线性反演（Cooke，1983）、地震岩性模拟（SLIM）（Gelfand，1984）、速度反演方法（ROVIM）（Fabre，1989）、宽带约束反演（BCD）（Martinez，1988）、具有全局优化特点的遗传算法、模拟退火算法（Smith et al.，1992；Sen and Stoffa，1995）、蒙特卡罗搜索法（Cary and Chapman，1988）以及人工神经网络法（Calderron-Macias et al.，1998）等。80年代地震属性的数量迅速增加，其中许多属性有很好的数学定义并且在其他学科中有明确的意义，但其地质意义却含糊不清。尽管为了更好地理解地震属性，首次使用了多元属性分析技术，但地震属性的混乱不清使其并没有得到信任。到了80年代晚期，多维属性如倾角和方位角的初步发展，导致了三维连续属性在90年代的广泛应用。

20世纪90年代随着全三维解释技术的发展6，相干数据体（一种特殊的属性体）断层自动化解释和地质异常体检测的效果，使三维属性体技术引起了人们的普遍关注。利用根据面元法提取的三维属性体来反演油藏参数的方法得到发展。近几年发展起来的随机模拟地震反演技术，能够实现地震反演（模拟退火法等）与地质统计模拟技术（协克里金、高斯等算法）的有机结合，最大限度地利用地震、地质及测井等资料，使反演结果与己知条件充分吻合。其结果既能符合地震反射资料特征，又受地质构造框架模型和井点已知资料的三维空间统计模拟结果控制，在钻井较多地区与实际钻井吻合，储层分辨率高。

矢量地震中的多分量技术，在改善地震成像、裂缝检测、岩性和流体识别等多项应用研究近些年以来在储层地震预测中也开始有很大的发展。经过几十年不断的发展，自20世纪80年代以来，储层地震预测技术基本成熟，形成了以地震反演、地震属性分析、AVO分析等为技术主体的一整套储层地震预测技术系列，在储层的岩性、形态、物性和含油气性预测中发挥着重要作用，成为油气勘探开发的主导技术，并在实际应用中不断发展完善。

地震反演法原理地震反射波法勘探的基础在于7：地下不同地层存在波阻抗差异，当地震波传播到有波阻抗差异的地层分界面时，会发生反射从而形成地震反射波。地震反射波等于反射系数与地震子波的褶积，而某界面的垂直反射系数就等于该界面上下介质的波阻抗差与波阻抗和之比。也就是说如果已知地下地层的波阻抗分布，我们可以得到地震反射波的分布，即地震反射剖面，我们将由地质的地层波阻抗剖面得到地震反射波剖面的过程称为地震波阻抗正演，反过来，我们由地震反射剖面也可以想办法换算出地质的地层波阻抗，与地震波阻抗正演相对应，我们将由地震反射剖面得到地层波阻抗剖面的过程称为地震波阻抗反演。

地震反演是利用地表地震观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束、对地下岩层空间结构和物理性质进行成像（求解）的过程。

在油田开发中，钻井资料的特点是纵向精细、横向稀疏，地震资料的特点是纵向粗略、横向密集，包含着丰富的岩性、物性信息。因此，通过地震反演技术把二者的优势有机的结合起来，经过地震反演，把界面型的地震资料转换成岩层性的测井资料，使其能与钻井、测井直接对比，以层岩为单元进行地质解释，研究储层特征的空间变化，可为勘探开发提供重要依据。

地震反演是地震解释--反演处理--地质认识--再解释--再反演--再认识的一个不断深化的过程，是地震与测井相互验证、相互补充、相互结合的一个综合过程。反演的分辨率和解决地质间题的能力受多种因素的制约，除了反演方法之外，主要是基础资料的品质，地震解释模型的精度及横向外推的控制，地下地质情况复杂的程度以及我们对地下地质情况的认识。

分类由于地震反演技术尚处在发展过程中，目前国内外都没有系统的分类方案。大体上有以下几种分类方法：依据地震资料分为叠前反演和叠后反演；依据反演方法分为线性反演和非线性反演；依据解的多解性分为确定反演和非确定反演等。

对主要方法进行介绍

（1）模拟退火反演

“退火”是处于热平衡状态下的物理系统在温度下降时的演化过程。用于某类优化问题，就是将退火过程中亚稳态的玻璃体模拟成搜寻到局部极值，而将稳态的晶体生成模拟成搜寻到整体极值。

（2）遗传进化算法反演

遗传算法是一种模拟生物系统中自然选择和遗传变异机制的完全非线性反演方法。与一般的反演方法在模型参数空间中从一点到另一点进行搜索的方式不同，遗传算法采用对模型群体进行搜索的方式，因而它具有比一般反演算法更大且更复杂的记忆，具有更大的潜力。

（3）概率法神经网络反演

人工神经网络是模拟生物神经网络的结构和功能的一种人工系统，它力图模拟人类大脑神经网络的一些功能。目前人工神经网络有几十种，结构性能各不相同。但无论它们差异如何，它们都是由大量简单的基本处理单元广泛连接而成的，这种基本处理单元称为神经元，它是生物神经元的模拟物。

（4）非线性随机反演（M.Dorigo，2005）

随机地震反演技术是一种将随机模拟理论与地震反演相结合的反演方法，该方法可以有效地提高地震资料的垂向分辨率，并充分考虑地下地质的随机特性，使反演结果更符合实际地质情况。近两年来新的算法应用到求反演解的过程主要有：量子退火法、蚁群算法等。蚁群算法是近年来发展起来的一种仿生模拟进化算法。蚁群算法的思想就是模拟蚂蚁的觅食行为，即使用大量人工蚂蚁在搜索空间中随机搜索，并且用类蚂蚁的人工信息素来加强搜索路线，引导其它蚂蚁的搜索，同时引入信息素的挥发机制。这种正反馈使该算法能够找到全局最优解，而不会象其它搜索方法那样容易陷入局部最优解。自M.Dorigo提出来后，在多方面得到了应用，并取得了较好的效果。

（5）分频波阻抗反演

将地震资料分成几个一定频宽的频段数据进行反演，在用低频成分反演时，避免高频噪声的影响；用高频成分时，避免低频噪音的影响，该方法稳定性强，反演结果较常规方法信噪比高。

（6）地震波形特征反演

利用小波变换的多分辨性和数学显微镜的性质，将地震波放在一系列嵌套空间进行分析。并充分利用多尺度（不同特征波形）间的联系，以引导优化算法搜索方向。一般先在大尺度上迭代反演，得到一个比较好的参数估计，再将这个估计作为小尺度的初始值进行反演，直到反演出原问题的全局最优解。

（7）混沌反演

所谓混沌就是“无序中的有序”，地球物理反问题的不可实现性、非线性和解的不适定性普遍存在。混沌现象是非线性系统的属性，混沌控制理论是人们对非线性现象加以利用的重要手段，也是混沌动力学在实际应用中的理论基础。现在，反问题求解中的非线性问题受到人们的广泛关注，并在地震道非线性混沌研究方面取得了新的进展。 混沌反演目前尚处于初级阶段，还有待进一步研究。

（8）相控联合反演（Alekseev，2003）

关于地震相控制下的联合反演的研究，Alekseev(2003)等指出在地震相模型的控制下，通过原始数据将各个单个反演问题结合成一个联合反演问题可以降低联合反演在描述参数几何形态时的各个单个反演问题的自由度，从本质上提高了地球物理研究的效果，并从理论上给出了基于相模式下联合反演比无地质层位概念的、单独的一种地球物理资料的反演更优越的结论。

（9）叠前波动方程反演

理想的叠前反演方法应当计算出全地震响应，包括转换波和多次波等。只有这样，其反演结果才能准确地描述任何横向变化介质的地震记录所显示出来的主要特征，包括薄层调谐效应及透射效应，这需要三维弹性有限差分或有限元建模方法。

（10）叠前弹性波组抗反演

弹性阻抗包含了AVO信息，与声波阻抗一起使用可提高判别岩性的能力，弹性阻抗与声波阻抗结合能解决声波阻抗不能解决的问题，是地震数据体多属性（纵、横波速度、密度和泊松比等）提取、进行岩性解释的新方法。通过对地震数据有针对性的叠前时间偏移处理、精细层位解释和测井约束来实现地震波组抗反演的一体化操作，可以从地震资料与测井资料联合反演中提取不同入射角的弹性阻抗参数，能够比常规的波组抗反演更精确、直观的反映地下地质体油气藏的分布特征，而且还能提取更合理、更真实的其它地震属性。

反演的实现过程（1）测井曲线的校正

（2）反演子波的提取和深时关系的标定

（3）构造解释

（4）建立地质模型

（5）带约束的稀疏脉冲反演

（6）多属性模型参数反演

（7）序贯高斯配置协模拟

（8）岩性指示模拟

研究主要趋势目前地震反演研究的主要趋势包括以下几点7

（1）利用叠前地震资料发展快速高精度的叠前反演技术将是今后研究的重点之一。

（2）综合利用地震、测井及有关地质资料,进行联合反演方法将成为今后的重要方向。

（3）由于很多油气储集层表现很强的各项异性特征,因此对于具有各向异性特性的复杂储集层问题,各向异性参数反演仍将是今后研究的重要内容;

（4）随着实际资料的增加、反演区域的扩大以及高分辨率反演的要求,并行化反演方法研究将成为不可逆转的发展趋势;

（5）实现四维地震反演成像以加强油气流体等生产的监控将成为今后的研究热点;

（6）高维问题的高精度、高分辨率非线性反演的理论和方法将继续成为今后的重要研究内容。

（7）还有许多反演问题(如不适定问题等)的理论和方法也有待于发展和研究。

地震属性分析地震属性分析简介地震属性分析技术是储集层预测的重要手段8。目前，包括时间、振幅、频率、相位和吸收衰减等方面的地震属性已多达60多种。加上几何方面、统计方面，以及综合和派生的属性，已经有上百种属性参数可以提取和利用。而且目前人们还在挖掘新的属性，其中，曲率属性近几年来得到了迅速发展和应用。

在断裂和裂缝预测中，曲率属性是一组重要的属性。基于层位倾角和地层倾角方位的一阶导数可以增强用其他方法无法反映的微小断层。基于曲率图的二阶导数把上述处理又往前推进了一步。最近，在商业化工作站环境中，己经出现了基于层位的曲率计算，使得无权使用处理软件的地学科技人员和没有时间或不愿意编程的地学科技人员拥有了这些工具。由于更注重于解释，所以可以修改基于层位曲率的工作流程，使其能够实现曲率体估计的更重要目标，包括提高精度和估算长波长曲率。作为曲面的二阶导数，曲率对噪声很敏感。这需要通过迭代使用层位面的空间滤波来加以处理。均值滤波器似乎效果很好。能帮助辨别不同曲率面上的细节，每个滤波器都能给出略为不同的认识，因此对准确的地震解释十分有用。与其他属性相比。对于所研究的数据体而言，走向曲率、形态指数、最大正曲率和最大负曲率能提供隐蔽断层细节的更好解释。Blumentritt指出，倾角和方位角数据体中。在适当大小的时间窗口中，拾取零点计算出的曲率体更利于分析裂缝方向。

流程地震属性分析流程如下所示

发展趋势（1）属性的优化和融合。

地震属性之间可能有非常复杂的关系，有的属性是互补关系，而有些属性则是线性相关的，关联度很高，而有些属性可能会产生相互矛盾的结果，多属性综合信息预测将是属性发展的一个主要方向，如通过神经网络和模式识别理论，建立属性参数储层预测模式。

（2）地震波场属性参数的系统研究。

针对不同的地质现象和不同的储层特征，如碳酸盐岩储层和碎屑岩储层的特点，应该系统地研究出最佳属性，最小属性集合等。避免盲目应用属性。

（3）井地联合属性分析技术。

尽管地震属性分析主流技术是在三维数据体上进行并且取得了成功。然而我们还需要优化属性参数，使其在分辨率和信噪比上都可以用来准确地进行储层预测，这其中最可能为地质学家接受的就是采用井地联合属性提取与分析技术。通过测井、井间地震和三维VSP与地面地震的属性联合分析或属性反演。提高地面地震属性参数的分辨率，这应该是属性研究的一个主要方向。

（4）基于频谱分解的地震属性反演与分析。

谱分解已经证实了它在薄层分忻中的重要地位。这使得我们可以在谱分解的尺度上来研究地震属性，如波峰、波谷，拐点导数等等。

（5）叠前属性和叠后属性联合应用。

叠前地震记录真实地记录了来自地下界面的波场信息，没有经过多次叠加所带来的平均效应，可以更加容易地检测出弱散射异常，而这种异常往往就有可能预示着气储层。

（5）加强正演模拟和岩石物理分析。

通过更加逼近野外实际以及更为系统的岩石物理分析和地震正演模拟分析。提炼不同储层的地震响应特征，分析储层物性与地震属性的关系，从而实现对储层的定量预测。

AVO技术AVO技术简介AVO技术9是利用反射系数随入射角变化的原理，在叠前道集上分析振幅随偏移距变化的规律，估求岩石的弹性参数、研究岩性、检测油气的重要技术。AVO是振幅随偏移距变化(Amplitude Variation with Offset)的英文缩写或振幅与随偏移距关系(Amplitude Versus Offset) 的英文缩写，AVA是振幅随入射角变化(Amplitude Variation with Incident Angle)的英文缩写。在地震勘探中，共中心点道集记录的偏移距可以等价地用入射角表示，故AVO与AVA等价。

该技术自20世纪80年代提出以来，在油气勘探中不断发展，并得到迅速推广和广泛应用。尤其是在天然气勘探中指导寻找天然气藏发挥了重要作用，对提高天然气勘探成功率受到了很好的效果。

从近几年的技术发展情况看，P波方位AVO已作为一种预测油气藏各向异性的有效方法而受到青睐。

AVO技术近年来取得重大进展，相继在陆相盆地中进行储层预测准确率较高，而在海相地层中的应用则很少。通过对研究区内的已知井储层段进行AVO分析，得到了该区海相含气储层具有第Ⅳ类AVO异常响应特征，而非含气储层则具有第Ⅲ类AVO异常响应特征。上述结果和陆相含气储层的AVO特征具有较大差异，应该为岩石物理性质——如压实度等引起。其次，低含气饱和度亦可以引起AVO异常是这个方法的局限性，如何识别商业性含气异常和非商业性含气异常是现今AVO分析的努力方向。

AVO 技术目前存在的问题虽然 AVO 技术最近几十年发展迅速，现在应用 AVO 技术对叠前道集数据预测含流体砂岩有很大的优势，但也不能期望过高。由于 AVO 分析只针对波峰或波谷来进行，因此 AVO 技术也就有它的局限性。

（1）由于 AVO 分析只针对波峰或波谷来进行，而油气藏不可能都位于地震数据的波峰或波谷上，另外由于地震数据的分辨率有限，也就不能完全找准气藏的位置，只是大概的区间而已。不能强求 AVO 结果与井数据完全吻合，但大概的位置（纵、横向）后地震剖面上是找不到的。这是 AVO 技术的优势，但 Zoeppritz 方程的近似公式基本上是弱反差近似，当地层岩性差异较大时，计算就会出现较大的误差，AVO 反演结果就会受到影响。

（2）如何认识 AVO 的类型？如何确认地层是含水、油，还是气？这个工作很重要。

仅凭叠前地震 CRP 道集数据，可以发现 AVO 现象，但是不能确认含流体的性质。如果想要解决这个问题，必须有钻井来揭示。这就是单纯依靠 AVO 的另一个局限。

（3）如果要依靠井来揭示地层的流体性质，就要有测井数据，而必须要有 P-sonic，S-sonic，density 测井数据。才能较好地进行 Zoeppritz 道集正演，了解井数据的 AVO特征与 AVO 类别。一般，S-sonic 测井很缺少；如果存在 S-sonic 数据，但由于测井误差，也是不合理的横波数据。如果用有错误的横波测井数据，进行 Zoeppritz 正演，得到的 AVO 特征有时会与井旁的叠前道集上的 AVO 特征不一致，这就给 AVO 类别的确认带来困惑，使工作很难进行下去。