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1、复杂油气藏储层预测 课件编著人 黄捍东 2010年4月6日 第三课 第二节 地球物理反演的发展过程及趋势 一 地球物理学中反演理论的产生 一 地球物理学中反演理论的产生 二 地震反演技术的发展过程地震反演技术的发展过程 三 地震反演技术的现状及发展趋势地震反演技术的现状及发展趋势 2 线性反演到非线性反演 七十年代末至九十年代初 提出的递归反演和模 型法反演多为线性化反演方法 现在已成为实际生产 应用中反演技术的主流 但线性化反演方法的缺陷是 容易造成局部寻优 这是由算法本身所决定的 因 此 在很大程度上依赖于初始模型的选择和目标函数 曲面的复杂程度 九十年代中后期 地球物理学者开 始尝试将非
2、线性算法应用到反演问题当中 目前仍处 于不断的探索和发展阶段 出现了以非线性反演理论 为基础的多种反演算法 较典型的有以下四种算法 模拟退火是一种较好的解非线性反问题的反演方 法 它模拟金属从加热状态到冷却结晶的过程 模拟 退火反演是利用反演过程和熔化物体退火过程的相似 性 通过采用随机模拟物体退火过程来完成反演问题 的求解 实现过程中把待反演的参数视为熔化物体的 每一个分子 能量函数 判别函数 看作熔化物体的 总能量 控制迭代收敛参数相当于退火过程中的温 度 建立了这种对应关系之后 就可以在控制参数 温度 的作用下对反演参数的值进行调整 直到所 选取的反演参数值最终使能量函数达到全局极小值
3、模拟退火反演 用模拟退火反演纵波速度用模拟退火反演横波速度 利用模拟退火反演方法 在叠前纵 横波速度的 反演中 较好的实现了不同厚度 不同收敛方向参 数的寻优 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 遗传进化算法反演 遗传算法与模拟退火都是基于随机搜索的一类算 法 不同的是遗传算法兼有智能性 其主要原理类似 于生物界中的适者生存原理 模型法反演层速度遗传法反演层速度 遗传算法所具有的 记忆
4、和 淘汰 功能 使得它在 计算量和不同迭代结果的前后联系上具有较大的优势 不同模型试算结果表明 遗传算法在薄层的收敛上 优于模型法反演 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 用神经网络来进行反演或解决实际问题 一般分 为两个阶段 第一个阶段就是网络的训练即学习阶 段 第二个阶段称为识别或预测阶段 图中神经网络的神经元按层排列 有一个输入 层 一个
5、输出层和若干个隐蔽层 每一个层都包含 若干个神经元 同层内神经元间不沟通 但可以从 前一层的所有神经元接受输入并将输出传送给另一 层的所有神经元 神经元之间通过连接强度连接 神经网络结构图 输出层神经元二维排列图 神经元C与邻域关系图 隐蔽层 目前神经网络反演在地震勘探中应用最多的是油气检测 特征提取特征提取 输入 叠加偏移剖面时窗文件 输出 计算的油气特征文件 特征归一化 取出训练集 输入 油气特征及井的CDP道号 输出 计算的油气特征文件 神经网络学习识别 输入 训练集 网络结构 学习参数等 输出 训练和识别结果 图输出 输入 偏移剖面 归一化特征和识别结果 输出 油气的横向变化图 上述三
6、类算法反演的初始模型是根据 低频模型的先验概率而产生一个随机层速 度模型 与测井约束反演由井内插高频模 型有本质的区别 反演过程针对非线性 多参数 多极值的大型组合优化问题 采 用模拟退火 神经网络等全局优化算法 寻找目标函数的最优解 如丹麦的Lsis地 震反演系统等 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
7、化算法 它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 近几年 多种技术的交叉运用 又产生了一些新 的反演思路 如 分频波阻抗反演 地震特征反演 混沌反演 地质统计与随机模拟反演等 针对灰岩 火成岩等特殊储层 以岩石物理学为指导 也展开了 转换声波反演方法研究 从反映其岩性 电性特征的 曲线中 重构出一条能反映储层地球物理特征
8、的曲 线 形成储层的反演数据体 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 t1 t2 t21 t22 t1 t2 t21 t22 L949 120hz L949 80hz 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
9、最优解 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 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
10、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 相控联合反演 Alekseev 2003 地震剖面的沉积解释 贝西北三维地震反演剖面 T600 图 扇根 扇中 扇端 叠瓦前 积结构 平行互 层结构 平行 亚 平行互层 结构 指状交 互结构 发散结构 相控反演成果展示相控反演成果展示 3 叠后反演到叠前反演 二十世纪末到本世纪初 世界油气勘探的重点逐渐 从整装的 类型相对简单的油气藏过度到寻找岩性 薄 层等复杂油气藏 常用的叠后地震反演技术虽然能够在 一定地质条件下 解决储层的横向预测问题 但对于厚 度薄 横向变化大的复杂油
11、气储层的预测和描述问题却 存在明显不足 因为水平叠加使得反射波振幅的AVO特 性消失 还可能造成振幅解释的许多假象 叠前数据所 包含的丰富的振幅和旅行时信息 一些细微的地层特 征 尤其是当油藏本身的厚度远小于地震的分辨能力 时 叠后反演很难确定产层的准确位置 因此 开展地震纵横波速度及其它弹性参数的叠 前地震反演 得到高精度的 能够反映储层横向变化 的地球物理参数 对于研究复杂油气储层的空间分 布 开展对复杂油气藏的精细描述等都具有十分重要 的意义 但是由于叠前反演存在计算量大 随机噪音不易 去除 稳定性差等问题 反演方法并不成熟 反演结 果也不可靠 还不能广泛应用于实际地震解释 1999年
12、BP Amoco公司的 Connolly发表了有关 弹性波阻抗反演的论文 掀起了弹性波组抗反演研究 的热潮 我们知道 近偏移距振幅与波组抗的变化有关系 可以把这种近偏移距振幅与测井联系起来 这就是基于 声波波阻抗 AI 的且在某种程度上能将其变换到叠后 反演算法的波组抗 对于远偏移距 则需通过弹性波组 抗函数 EI 来恢复 弹性波组抗是波组抗的推广 它 是纵波和横波速度 密度及入射角的函数 ii ii i zz zz R 1 1 AI反演 EI反演 EI EI tftf tftf R ii ii 2 1 1 tf 具有声阻抗的性质 并且与入射角有关 针对叠前反演存在的主要问题 2000年 Wh
13、itcombe D N Connolly 和P A Reagan R L也提 出了有效的改进方法 他们认为目前可行的办法是对现有水平叠加方法 进行改进 可以选择振幅随炮检距线性变化的部分范 围或部分角度道集进行动校叠加 形成特定炮检距或 角度剖面 比如 可采用5 15 15 25 25 35 等临界角范围内不同角度道集进行叠加 来获得多个 具有AVO特性的地震剖面 这种叠加方法保留了地震 波振幅随入射角变化的信息 较全角度水平叠加方法 有了很大的进步 同时也在一定程度上压制了噪音 在保持振幅的基础上再进行高分辨率 拓宽频带等处 理 使得部分叠加剖面能满足叠前反演的要求 从而 也一定程度上解决了
14、叠前反演计算量大 稳定性差的 问题 目前对叠前反演方法的研究 主要是围绕着提高 反演解的质量和反演过程的效率 使解释更具有客观 性等方面来开展 研究认为 近几年发展起来的叠前波动方程反演 和叠前弹性波组抗反演是两种较有前景的反演方法 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 此类 方法虽然在理论上可行 但还有待于计算机能力的 进一步扩大 才能完成此类工作 叠前弹性波组抗反演 弹性阻抗包含了AVO信息 与声
15、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 第二节 地球物理反演的发展过程及趋势 一 地球物理学中反演理论的产生 一 地球物理学中反演理论的产生 二 地震反演技术的发展过程地震反演技术的发展过
16、程 三 地震反演技术的现状及发展趋势地震反演技术的现状及发展趋势 三 地震反演技术的现状及发展趋势地震反演技术的现状及发展趋势 过去的20多年中 反演理论在地球物理界和油气 勘探开发领域得到了广泛成功的应用 其波阻抗反演 技术已成为储层预测的核心技术 目前 二十世纪八 十年代末期发展起来的测井约束宽带波组抗反演已成 为主流反演技术 但是 因为波组抗反演技术本身存 在一些陷阱 如存在多解性 反演结果仍需结合其 它资料才能进行储层预测和井位的确定 部分技术细 节也仍需进一步完善 出现多解性 在反演 剖面上进行二次标 定 来消除多解性的 影响 反演结果的多解性问题 完全非线性反演算法由于计算量较大 收敛速度 慢 还没有得到广泛的应用 还由于完全非线性反演 采用的是在模型空间进行随机搜索算法 随机搜索的 优点是最终解不依赖于初始模型的选择 初始模型可 以随机定义 但不可避免地造成收敛速度的降低 提 高反演结果的精度 拓宽反演结果的频带 降低多解 性 是下一步所追求的目标 在经历了由反褶积到模型反演 由线性反演到非 线性反演 二维反演到三维反演后 地震反演技术正 在实现由叠后反演到叠前反演 由声
