劉志遠(yuǎn)，楊春峰，孟祥翠，金蕓蕓，莊一鵬，常文鑫

（ 1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100083；2.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院， 河南鄭州 450048；3.中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京 100190；4.中國石化彈性波理論與探測技術(shù)重點(diǎn)實驗室， 北京 100083；5.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

地震相是沉積相在地震數(shù)據(jù)上的綜合響應(yīng)特征?；诓ㄐ畏诸惖牡卣鹣嗉夹g(shù)是對目標(biāo)層段的地震道波形形狀進(jìn)行分類，并以此分類刻畫較大區(qū)域的沉積相帶或小區(qū)域范圍內(nèi)的巖相區(qū)帶。前人對地震相進(jìn)行了深入地研究，但鑒于地震數(shù)據(jù)體和屬性體的復(fù)雜性，目前尚無法找到地震數(shù)據(jù)與地質(zhì)體間一一對應(yīng)的聯(lián)系[1–11]。對不同地震相、不同的沉積環(huán)境，最有效和最具代表性的地震屬性是不同的，地震相的劃分仍存在某種程度的多解性[12–18]。這些問題可歸納為兩點(diǎn)：①評價地震相分類結(jié)果的可信度或可靠性比較困難；②在地震相分類過程中無法利用有價值的先驗信息以指導(dǎo)分類并提高分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對地震相可靠性問題，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地震相方法，從波形的形態(tài)出發(fā)，以鄂爾多斯盆地南部南旬宜區(qū)塊上古生界致密砂巖儲層為實際數(shù)據(jù)依托，分析地震波形對巖性敏感的測井曲線波形的對應(yīng)關(guān)系及地震相與測井相再到沉積相乃至巖性的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而得出基于波形分類的地震相預(yù)測油氣分布有利區(qū)的可行性和可靠性。

1 鄂爾多斯盆地南部上古生界的沉積特征

近年來，鄂爾多斯盆地巖性油氣藏勘探取得了突破，其北部的杭錦旗、大牛地等整裝大油氣田的發(fā)現(xiàn)，使得巖性地層油氣藏在該區(qū)的勘探生產(chǎn)實踐中受到越來越多的重視[19]。旬邑–宜君（簡稱旬宜）區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地南部，處于伊陜斜坡南部和渭北隆起北部轉(zhuǎn)換帶，位于鄂爾多斯盆地主體內(nèi)。與北部相比，南部地區(qū)尚未取得較大突破。其中太原組–山西組的煤系地層是上古生界油氣藏的主要烴源巖地層，上古生界儲層以石炭系–二疊系太原組、山西組的海相砂巖及上下石盒子組的河湖相砂巖為主。旬宜區(qū)塊上古生界砂巖儲層受巖性、厚度、成巖作用、構(gòu)造運(yùn)動等地質(zhì)因素的影響，儲層物性普遍致密，是儲集性能不好的主要原因。從砂巖厚度、物性條件及距生油氣層位置來看，相對有利的儲層層系為山西組和下石盒子組?；谠搮^(qū)塊的長期研究認(rèn)為，沉積相帶控制氣藏分布，鄂爾多斯盆地南部地區(qū)上古生界目的層山西組二段、盒一段儲層相帶類型為辮狀河三角洲前緣水下分支河道。沉積相控制了儲層的空間展布，儲層主要發(fā)育在前緣水下分流河道砂體中，砂巖類型為三角洲前緣指狀砂體，砂巖層數(shù)少，泥巖厚度較大，有較強(qiáng)的側(cè)向封堵，形成良好的儲蓋組合。

旬–宜區(qū)塊上古生界單層厚砂體的展布是油氣富集的重要因素[20]，主要油氣目標(biāo)層為山2 層和盒1層。山2 層和盒1 層均為致密砂巖層，橫向非均質(zhì)性強(qiáng)，已鉆井位很少，需要刻畫砂體有利分布區(qū)進(jìn)而尋找油氣有利區(qū)帶；但砂體刻畫難度較大，落實程度較低，制約了該區(qū)塊的勘探進(jìn)展。

2 波形分類區(qū)帶劃分可靠性分析

應(yīng)用地震數(shù)據(jù)對儲層的空間和時間特性進(jìn)行細(xì)致劃分是地震相分析的核心。地震相分析結(jié)果的可靠性，很大程度上取決于地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量（完整性和信噪比等）、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及地質(zhì)解釋人員的經(jīng)驗等因素。

2.1 地震相算法分類

地震相的分類方法很多，主要分為無監(jiān)督分類法和有監(jiān)督分類法。

2.1.1 無監(jiān)督分類

當(dāng)先驗信息不完整或不存在時，通過無監(jiān)督學(xué)習(xí)分類是最有效的方法之一，兩種常見無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法為：①自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SOM）聚類，其使用無監(jiān)督學(xué)習(xí)來訓(xùn)練以生成低維（通常為二維）、離散化的訓(xùn)練樣本輸入空間，稱為地圖，實現(xiàn)了高維分布到有規(guī)律的低維網(wǎng)格的有序映射，是一種降維方法；②高斯混合模型（GMM），是概率分布的參數(shù)模型，比傳統(tǒng)的無監(jiān)督聚類算法在建模中提供更大的靈活性和精度。無監(jiān)督分類算法主要應(yīng)用于疊后地震數(shù)據(jù)的地震相分析，因為疊后地震數(shù)據(jù)簡單，運(yùn)算量小，應(yīng)用這些算法可以快速地得到必要的結(jié)果。但對于疊前地震數(shù)據(jù)，直接應(yīng)用這些算法，其龐大的維度和數(shù)據(jù)量會導(dǎo)致運(yùn)算困難、結(jié)果不精確等問題。

2.1.2 有監(jiān)督分類

地震探區(qū)會有一些測井?dāng)?shù)據(jù)，這些測井?dāng)?shù)據(jù)可以作為地震數(shù)據(jù)的有標(biāo)簽信息對模型。有監(jiān)督分類有兩種：①支持向量機(jī)（SVM）是基于邊緣距離最大化理論的有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，適用于需要分析和回歸的數(shù)據(jù)；②人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是基于多層感知器（MLP）和徑向基函數(shù)（RBF）的有監(jiān)督分類方法，模擬生物的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對信息的反饋。

本文采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行地震相技術(shù)應(yīng)用，對大規(guī)模的地震數(shù)據(jù)，井?dāng)?shù)據(jù)是稀疏的，在使用有監(jiān)督分類時往往出現(xiàn)分類模型泛化能力很差，輸出結(jié)果不符合實際地質(zhì)特征，井?dāng)?shù)據(jù)只能代表局部特征，其可靠性分析需要深入研究。

2.2 砂體地震波形響應(yīng)分析

波形分類可靠性分析時，需要確定目標(biāo)地質(zhì)體在地震波形上的響應(yīng)，在旬宜區(qū)塊可通過測井?dāng)?shù)據(jù)的去砂實驗來驗證砂體在地震波形上的響應(yīng)特征。去砂實驗是拉平砂體層對應(yīng)的測井曲線段，并以去砂的測井曲線重新做合成記錄。該區(qū)X1 井去砂實驗效果如圖1 所示。由去砂實驗可知，山2 層和山1層在去砂前后合成記錄波形變化較弱，即這兩個層段的砂體在波形上的響應(yīng)較弱，進(jìn)而可以認(rèn)為這兩個層段的地震波形數(shù)據(jù)在砂體識別能力上較弱。分析以上現(xiàn)象原因，通過已有鉆井資料可知，山2 層和山1 層距離下方煤層很近，而煤層在地震數(shù)據(jù)上為強(qiáng)反射層特征，煤層反射對上方的山2 和山1 層的波形響應(yīng)有較強(qiáng)的掩蓋作用。由以上分析可知，山2 層和山1 層的波形分類結(jié)果可能難以真實反映該層段的砂體有利區(qū)，波形分類的有利區(qū)預(yù)測結(jié)果的可靠性較弱。對于盒5 段和盒1 段，在去砂前后合成記錄波形變化較強(qiáng)，即這兩個層段的砂體在波形上的響應(yīng)較強(qiáng)，可以認(rèn)為這兩個層段的地震波形數(shù)據(jù)在砂體識別能力上較強(qiáng)，其波形分類的有利區(qū)預(yù)測結(jié)果可靠性可能較好。

圖1 X1 井測井曲線去砂實驗表征不同層位砂體波形響應(yīng)特征

對于波形分類計算，時窗參數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)之一[21]。由圖1 去砂實驗可知，盒5 段和盒1 段砂體的厚度在時間域為4 ms 和6 ms，而去砂前后，即砂體存在與否，其影響的波形時窗范圍約為40 ms。在波形分類中，為了刻畫目標(biāo)地質(zhì)體并進(jìn)行區(qū)帶劃分，計算時窗采用地質(zhì)體厚度時窗或是地質(zhì)體影響的振幅范圍時窗。分別對兩種方案進(jìn)行計算對比，結(jié)果如圖2 所示?；谠搮^(qū)塊已有地質(zhì)認(rèn)識，上古生界沉積微相有9 類，盒5 段自東北至西南地層有4 段前積沉積體。圖2 的對比結(jié)果中，40 ms 時窗波形分類結(jié)果與盒5 段的地質(zhì)認(rèn)識更為吻合，正好按照前積方向主要大致分為4 段；而6 ms 時窗僅計算表征出了2 類相帶，因此40 ms 時窗計算的結(jié)果更為準(zhǔn)確。從理論上分析，由圖2a 和圖2b 對應(yīng)的波形分類模型道可以看出，40 ms 時窗的9 類模型道大約為一個半波長的時窗長度，而6 ms 時窗的9 類模型道大約為半個波長，前者模型道之間的差異性更明顯，分類更加精確。

圖2 盒5 段波形分類不同時窗參數(shù)計算結(jié)果對比

2.3 地震波形與測井曲線波形對應(yīng)性分析

計算有井位約束的地震波形分類時，通常會采用井點(diǎn)處對應(yīng)時窗范圍內(nèi)的地震道作為模型道來計算地震相。合成記錄波形能夠在目標(biāo)地質(zhì)體有較好響應(yīng)的基礎(chǔ)上，分析地震波形與測井合成記錄的對應(yīng)關(guān)系。

實際計算中，合成記錄由子波和反射系數(shù)褶積計算，反射系數(shù)由測井聲波曲線（AC）計算，子波可從地震數(shù)據(jù)提取，測井伽馬曲線（GR）能夠較好地區(qū)分砂泥巖。這幾組數(shù)據(jù)在旬宜區(qū)塊波形上的對應(yīng)關(guān)系如圖3 所示，實際地震道與測井合成記錄在振幅、相位、頻率、波形形態(tài)上均有較好的一致性，測井AC 與GR 曲線在整體形態(tài)上，有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，可以認(rèn)為下石盒子組層系的地震波形與測井AC 曲線有較好的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而與GR 曲線和巖性有較好的匹配關(guān)系。

圖3 地震波形與測井曲線波形對應(yīng)性

2.4 沉積相與測井曲線波形響應(yīng)匹配性分析

測井作為連接地震數(shù)據(jù)和地質(zhì)沉積相的紐帶，GR 曲線能夠反映地質(zhì)巖性，AC 曲線可以用來計算合成記錄，以上合成記錄與地震波形有較好地對應(yīng)關(guān)系。那么AC 曲線和GR 曲線的匹配對應(yīng)關(guān)系則在一定程度上反映了地震波形與沉積相的匹配關(guān)系，也就是表征波形分類結(jié)果描述沉積相的可靠程度。

根據(jù)該區(qū)塊地質(zhì)沉積研究，旬宜上古生界分為9 類巖性組合的沉積微相（圖4）。每類微相從左到右分別對應(yīng)測井GR 曲線、巖性柱狀圖和AC 曲線。根據(jù)測井解釋研究，GR 測井曲線對古生界砂泥巖巖性區(qū)分度較好，圖中GR 曲線與沉積微相有一致的對應(yīng)關(guān)系。

AC 曲線與GR 曲線的對應(yīng)關(guān)系如圖所示，除去紅框以外的區(qū)域，AC 曲線與GR 曲線在80%的對應(yīng)段有著較好的負(fù)相關(guān)匹配關(guān)系。

圖4 測井AC 曲線和GR 曲線與沉積微相對應(yīng)關(guān)系

3 有利區(qū)劃分及效果分析

基于以上地震波形、測井曲線波形、沉積微相的對應(yīng)匹配關(guān)系，得知以上數(shù)據(jù)之間的匹配關(guān)系較好，即波形分類結(jié)果可靠性較強(qiáng)，可將波形分類方法應(yīng)用于鄂爾多斯南部旬宜區(qū)塊上古生界的油氣有利區(qū)劃分。該區(qū)塊目的層構(gòu)造平緩，沉積相對穩(wěn)定，由上述可靠性分析可知，石盒子組地層的波形分類地震相可用于區(qū)分沉積相帶。盒1 段的波形分類結(jié)果如圖5 所示。波形分類計算地震相時，用該區(qū)塊X1 井和X2 井約束。

圖5 盒1 段波形分類計算平面圖

圖6 為河道砂體主體部位過X1 井和X2 井的地震剖面，黃色為盒5 段儲層，粉色為盒1 段儲層，計算波形分類地震相的時窗與圖6 中地震相顯示所占厚度時窗相同。綠色層位為山2 段儲層，灰色層位為山1 層緊鄰其下的強(qiáng)反射煤層。從剖面上可見，波形變化處基本為地震相帶的變化處。X1 井有利砂體發(fā)育區(qū)在盒1 段較為落實，砂體追蹤的地震同相軸變化明顯，已鉆的X1 井位于河道砂體的主體部位，可以清楚看到砂體邊界的變化，該套砂體整體表現(xiàn)為典型的泥包砂特征，可形成良好的巖性圈閉。已鉆的X2 井位于振幅能量較弱區(qū)域，該井在盒1 段砂體薄，巖性結(jié)構(gòu)為砂泥巖薄互層，砂體物性也沒有X1 井的好。

石盒子組層系有利油氣層段位于盒1 段，盒1段砂體解剖后的結(jié)果與波形分類計算的有利區(qū)劃分一致，即X1 井位于單層較厚砂體發(fā)育有利相帶，此相帶為南北向發(fā)育河道砂的主體區(qū)域，X2 井則位于多層薄砂迭置的非有利相帶區(qū)，通過該區(qū)盲井也驗證了該波形分類結(jié)果的可靠性。

綜上所述，兩個層位的砂體區(qū)帶預(yù)測結(jié)果與區(qū)域沉積環(huán)境吻合，與單井微相匹配程度高，波形聚類的屬性細(xì)節(jié)變化符合沉積特征。盲井驗證結(jié)果表明，此波形聚類的可靠性高，該波形聚類的油氣有利區(qū)預(yù)測結(jié)果可用于儲層砂體巖性油藏的區(qū)帶優(yōu)選。

4 結(jié)論

基于原始地震數(shù)據(jù)體，運(yùn)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的地震相分類可靠性分析，能夠賦予井控地震模型道以實際的測井和地質(zhì)沉積意義。井控點(diǎn)位置地質(zhì)體響應(yīng)時窗范圍內(nèi)的地震道波形，與同時窗范圍內(nèi)測井合成記錄道，具有波形的一致性，同時對應(yīng)測井敏感曲線（本文為GR 曲線）所指示的巖性組合對應(yīng)的沉積相，即井點(diǎn)處的地震模型道波形對應(yīng)著測井段所指示的沉積微相。

圖6 過X1 井、X2 井東西向地震波形分類與剖面疊合

（1）顎爾多斯南部旬邑區(qū)塊綜合運(yùn)用地質(zhì)沉積數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)等多層次波形對比顯示，地震波形與測井AC 曲線有著較好的匹配關(guān)系。

（2）測井AC 曲線與測井GR 曲線有較好的負(fù)相關(guān)匹配關(guān)系，GR 曲線對砂巖和泥巖的巖性具有較好地區(qū)分響應(yīng)表征，砂泥巖的不同組合對應(yīng)著不同的沉積微相。這幾方面匹配關(guān)系是地震相可靠性分析的關(guān)鍵。