首先, 提出了若干线性结构(可以视为局部平面波)飘在具有不同概率分布特征的、实测的局部高维数据体中是地震信号处理的核心概念模式, 认为对局部高维数据体中的线性结构进行建模及最佳预测, 从而解决去噪、数据规则化和解混叠(Deblending)等问题是地震数据处理中的基本环节; 认为对线性信号进行最佳的建模和预测包括模型驱动和数据驱动的方法。前者是由预先选定的局部平面波基函数的线性叠加表示局部高维数据体中包含的信号; 后者由数据矩阵(张量)分解的方法推断局部高维数据体中包含的线性结构。然后, 全面分析了频率-空间域高维Wiener滤波方法、自相关矩阵及Hankel矩阵正交分解方法(SSA方法)、高维线性Radon变换方法(高维Beamforming方法)和张量分解方法的基本理论, 为进行局部高维数据体中线性信号预测及各种应用奠定了理论基础。最后, 指出山前带及其他复杂地表探区实际数据中的相干噪声和非相干噪声往往不符合线性信号建模及预测的理论假设条件, 因而必须发展非线性去噪方法。
地球物理技术近几十年来一直不断地向油气藏开发延伸, 在面向目标成像、岩石物理、多约束反演、地震约束和驱动建模、油藏动态监测与表征以及多数据融合与智能化等多方面取得了长足的进步。地球物理技术向油藏开发延伸是地球物理技术本身发展的需要, 也是更好开发油气藏的需要。与勘探地球物理相比, 面向油藏开发领域的地球物理技术, 由于数据条件、关键技术问题与目标的变化而形成了具有自身独特特征的技术体系。旨在简单总结和梳理该领域的发展和现状, 目的是能和读者分享作者对未来技术发展的思考, 希望对读者有所启发。
时移地震技术作为目前海上剩余油气监测的重要技术之一, 可以有效指导油气田开发方案。针对海上时移地震数据采集过程中第二次采集受平台及海底管线影响导致采集的数据出现空缺的问题, 首先利用在同一工区两套不同时期采集的地震数据, 即早期采集的拖缆地震数据与近期采集的海底节点(ocean bottom node, OBN)地震数据, 进行叠前地震数据一致性处理以及叠后全局匹配处理, 使其时移差异能有效反映油气开采引起的地震数据变化; 再利用神经网络学习上述两套一致性处理后的地震资料非线性映射关系, 对大范围连续缺失的OBN地震数据进行数据重建。上述海上时移地震数据空缺区智能重建方法可以有效利用两套数据的相似性恢复缺失的地震数据, 同时尽可能地保持时移地震特征, 取得了良好的应用效果。
近年来，宽频、大吨位的横波可控震源在油气勘探中的应用日益广泛，横波地震在气云区成像和地质构造解释等方面展现了显著优势。横波对各向异性尤为敏感，然而即使在较为简单的VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)介质中，qSV波的传播特征也相当复杂，例如在较强各向异性条件下(各向异性参数σ > 0.3)，qSV-qSV波的时距曲线在中-远偏移距(x/z=1.7~2.0) 出现“横波三重波”(shear wave triplication)现象，导致近偏移距与中-远偏移距的时距曲线特征差异显著。现有的qSV-qSV波时距曲线近似方程通常基于小偏移距(x/z=0)处的一阶近似，因而在中-远偏移距范围内精度较低。针对这一问题，本文从qSV波相、群速度表示的精确时距曲线方程出发，结合相、群速度的二阶近似式，以及在x/z=2位置，相、群速度以及相、群角相等的特征，推导出了一种包含改进收敛因子的高精度的时距曲线方程。对比分析表明，在较强各向异性条件下，与现有的近似方程相比，新方程能够在远偏移距更好地收敛至实际时距曲线。本研究为地震横波资料处理提供了更加精确的非双曲时距曲线近似方程，有助于在地震资料处理中保留更多的远偏移距信息，对横波速度和各向异性参数的建模、横波反演等提供了重要的理论支撑。
油气勘探逐渐向深层、深海、非常规、隐蔽岩性油气藏的勘探推进。高精度地震波成像提供的宽带反射波成像结果仍是目前进行油藏描述和含油气性评价的最核心的基础数据。但是随着油气勘探目标的复杂化, 常规的地震波构造成像已经无法满足当前油藏描述和含油气性评价的要求, 定量的弹性参数反演并结合岩石物理转化为物性参数估计逐渐成为地震波成像的目标。因此提出了特征波反演(CWI)+宽带波阻抗建模(WBIM)的技术路线。宽带波阻抗模型的背景部分决定了三维全空间上岩性变化的趋势; 宽带反射系数决定了波阻抗在三维全空间上岩性的局部跃变。采用特征波反演(CWI)方法构建背景速度模型, 然后利用基于空间散乱数据约束重构方法构建背景密度, 从而得到背景阻抗。宽带反射系数的生成采用保真成像道集生成、最佳照明优选的保真叠加、弱旁瓣反射系数重构以及井震结合的反射系数定量标定的技术组合。利用背景阻抗和保真高分辨的宽带反射系数, 求解约束优化反问题, 得到宽带波阻抗模型, 它反映了地下岩石性质在三维全空间上的变化。上述基于信息融合的宽带波阻抗重构方法规避了全波形反演宽带波阻抗的不收敛性, 使其适用于陆上深层超深层、非常规和岩性油气藏的勘探。从宽带反射系数、宽带波阻抗及地震分辨率的基本物理含义的分析入手, 对背景阻抗模型和宽带反射系数对宽带阻抗重构结果精度的影响进行分析, 数值分析结果表明, 定量、保真、高分辨(即弱旁瓣窄主瓣)的宽带反射系数是宽带波阻抗建模精度的核心影响因素, 保真高分辨率地震波成像应将弱旁瓣窄主瓣反射系数作为成像目标, 定量的弱旁瓣窄主瓣(角度)反射系数本身应是非常规、岩性、隐蔽油气藏描述与评价的重要基础数据。弱旁瓣反射系数的形成严重依赖低频激发、低频接收所包含的低中频数据, 因此岩性油藏勘探时必须重视、保护低中频数据。
弹性波高斯束逆时偏移首先通过弹性波高斯束叠加积分来构建格林函数, 然后, 基于格林函数进行波场延拓和互相关成像, 是一种灵活且高效的深度域成像方法, 具有面向目标成像的能力。针对高斯射线束宽度随传播距离增加快速发散的问题, 在弹性波高斯束逆时偏移基础上, 经过推导弹性波动态聚焦束算子, 将地震波能量约束在有效范围内; 随后引入基于相速度的各向异性射线追踪算法来校正各向异性对地震成像的影响。弹性波动态聚焦束逆时偏移不仅具有较高的计算效率, 而且能够避免获取地下弱各向异性参数时的不确定性。VTI复杂构造模型和TTI断层模型测试结果表明, 弹性波动态聚焦束算法能够将地震波束能量约束在有效范围内, 从而提升中深层复杂构造的成像精度。
随着微地震监测的广泛应用, 如何提升微地震的定位精度和效率成为重要的研究方向之一。目前, 井下微地震定位多采用基于走时的线性反演定位方法。然而传统射线追踪方法在复杂非均匀介质中可能会存在阴影区、焦散等问题, 导致定位结果存在一定误差。提出了一种基于改进多模板快速行进法的微地震定位方法, 利用球面波近似算法计算震源附近网格点走时, 再利用多模板快速行进法(MSFM)求解程函方程计算其余网格点走时, 最后, 采用走时差目标函数全局搜索事件位置。理论测试结果表明, 该方法的计算走时优于快速行进法(FMM)和MSFM, 具有较小的走时误差, 尤其是在震源附近误差很小; 且该方法可以对层状以及更复杂速度模型实现射线追踪以及准确定位。将该方法应用于四川盆地威远地区页岩气开发井下数据的处理, 结果表明, 所得到的定位结果比Geiger方法更加准确、合理, 更加清晰地刻画了裂缝以及断层的形态分布。
目前常用的弹性阻抗反演方法对不同角度数据体独立进行反演, 没有考虑不同角度弹性阻抗间的关系。对于信噪比较低的角度数据体, 反演结果质量变差。针对这一问题, 从不同角度弹性阻抗均描述地下同一地质结构而应具有结构相似性这一观点出发, 采用交叉梯度度量不同角度弹性阻抗间的结构相似性。然后, 将交叉梯度作为正则化约束项加入到弹性阻抗反演目标泛函中, 研究交叉梯度约束下的弹性阻抗反演方法, 同时反演多个部分角度叠加数据。模型数据试算与实际数据应用结果显示, 交叉梯度约束反演得到的不同角度弹性阻抗间具有地质结构一致性, 无论是小角度弹性阻抗, 还是中、大角度弹性阻抗, 地质体均得到清晰显示, 地层横向展布特征自然。因此, 交叉梯度约束弹性阻抗反演可提高不同角度数据体反演的稳定性, 并提升反演结果的质量。
针对LB油田古近系地层D、E层组储层横向变化快、非均质性强、预测难度大等问题, 提出了基于迭代岩相模型的叠前弹性参数反演方法。首先根据先验地质认识、测井曲线及岩石物理分析结果, 确定了研究区的岩性并划分岩相; 其次在常规低频模型的基础上, 建立了考虑岩相约束的低频模型; 然后构建模型约束反演方程并采用最小二乘方法求解弹性参数, 再结合贝叶斯理论将弹性参数转换为物性参数; 最后利用物性参数预测结果更新低频模型, 并重复以上反演过程, 最终得到高分辨率弹性参数反演结果。该方法在LB油田的实际应用结果表明, 叠前弹性参数反演较传统反演方法分辨率更高, 且与测井曲线吻合程度较好, 证明了方法的有效性和实用性。与传统方法相比, 该反演方法以地震数据为驱动, 在少井或无井、储层横向变化快的储层预测中更有优势。
针对煤系地层薄砂岩预测的难题, 在精细分析地震波形与测井曲线关系的基础上, 建立了基于地震波形横向相似性分析的智能相控波形指示反演技术。首先, 按照相似性原理建立了不同的地震波形样本组, 建立表征不同地震相类型的多个贝叶斯反演模型。其次, 对每个样本组的测井曲线进行滤波, 提取低频共性结构作为贝叶斯反演的先验信息, 建立地震反演高分辨率初始模型。最后, 通过不断修正初始模型, 并利用实际地震数据进行验证, 获得高分辨率的反演结果。正演模型验证结果显示, 智能相控波形指示反演技术能够准确预测厚度为3 m的煤系地层薄砂岩, 证明了该反演方法的合理性和反演结果的准确性。鄂尔多斯盆地D地区煤系地层薄砂岩反演实例表明, 智能相控波形指示反演技术对煤系地层薄砂岩预测精度达到了2~4 m, 后验井反演符合率达到86.96%, 为煤系地层薄砂岩预测提供了一种全新的思路。
传统的深度神经网络通常只能实现确定性的预测, 无法对反演结果进行不确定性分析, 即无法对反演结果的可靠性进行评价。为实现标签数据不足条件下精确的波阻抗反演和对反演结果的不确定性分析, 提出了一种基于对偶贝叶斯U-Net的波阻抗不确定性反演方法。首先, 开展基于对偶贝叶斯U-Net、前沿深度学习反演方法和传统不确定性反演方法的模拟数据实验, 对比分析3种方法的反演精度。然后, 将对偶贝叶斯U-Net和传统不确定性反演方法的反演可靠性和对于含噪数据反演的鲁棒性进行对比分析。最后, 将对偶贝叶斯U-Net应用于实际地震资料波阻抗反演中。模拟数据实验结果表明, 该方法的对偶贝叶斯U-Net在少量标签数据条件下具有较高反演精度并对含噪数据反演有较强鲁棒性。此外, 不确定性分析表明, 该方法的反演结果可靠性强。实际数据测试结果表明, 对偶贝叶斯U-Net能在实际工区数据反演中获得合理并可靠的反演结果。
岩石的脆性性质是页岩油气藏勘探开发过程中工程甜点预测的重要指标之一。以横向各向同性介质(HTI)为例, 建立了各向异性假设下的脆性指示因子与背景杨氏模量、背景泊松比及各向异性参数的关系, 形成了五维地震脆性稳定预测方法。首先, 基于各向同性假设预测储层的杨氏模量和泊松比; 其次, 基于复频域反演获得各向异性参数的低频信息作为初始模型, 结合方位振幅差异反演技术稳定预测储层的3个各向异性参数; 最后, 通过背景杨氏模量和泊松比以及各向异性参数计算各向异性储层的脆性指示因子, 实现HTI介质脆性的稳定预测。该方法可以充分利用宽频地震数据的低频信息, 并将六参数直接反演转化为二次三参数反演, 理论上提升了反演过程的稳定性。实际资料应用结果表明, 该方法针对页岩油的脆性预测具有良好的效果。
天然裂缝对致密气和页岩气气藏的富集和高效开发有重要的支撑作用, 地震裂缝预测则是部署钻井前的关键环节之一。然而, 受地表复杂的采集条件、多变的处理流程和目的层岩性突变等因素影响, 地震波在振幅和速度上可能表现出“伪方位各向异性”, 导致传统的OVT域叠前各向异性裂缝预测的精度下降。在传统方位各向异性理论的基础上, 从储层和裂缝对地震波的衰减出发, 基于等效介质理论推导了衰减各向异性反射系数近似公式和方位衰减弹性阻抗(QVAZ)方程; 结合贝叶斯和组稀疏反演方法建立目标函数, 经过求解弹性矩阵获得相应流体项和裂缝弱度等参数, 并实现三维裂缝密度高精度预测。利用单井数据进行试算, 明确了衰减各向异性对裂缝的敏感性; 结合实际钻井和OVT宽方位地震数据, 反演分方位衰减弹性阻抗得到裂缝密度等关键参数, 这些参数与钻井FMI成像测井解释的结果吻合度较高, 证实了方法的可靠性, 一定程度上避免了“伪方位各向异性”的现象。
塔河油田超深碳酸盐岩储层经过多年开发, 水侵井逐年增多, 储层油、气和水的关系极其复杂, 为此, 利用井地电磁法开展了剩余油分布探测的应用探索研究。针对超深小尺寸目标识别难题, 通过井中目的层段10 m或5 m间距多位置电磁场激发, 地面采用25 m×25 m高密度大面积阵列数据采集, 获取了高质量井地电磁三维数据集, 进而开展数据预处理、三维差分相位异常处理、三维差分视电阻率处理和三维电阻率反演, 获得了激发井段差分视电阻率(反映电性特征)、差分相位异常(反映激发极化性特征)和电阻率的三维地电结构模型, 最后, 利用测井解释成果进行标定, 对目标区的剩余油空间分布进行刻画和解释, 解释结果与生产井已有成果资料吻合。应用结果表明, 井地电磁法为解决超深复杂碳酸盐岩储层剩余油的分布评价难题提供了很好的技术手段。
密度、声波时差、自然伽马等测井参数的不确定性使得基于测井数据的地层坍塌压力预测存在不确定性。基于此, 首先确定了密度、声波时差、自然伽马等测井参数的不确定性特征; 其次引入改进的Rosenbluthe方法, 理论推导了岩石力学参数的不确定性表达式, 并结合水平地应力和地层压力的不确定性表达式, 提出了井眼坍塌压力的不确定性分析方法, 最终得到井眼坍塌压力的概率分布情况。以SY1井为例, 利用不确定性分析方法和蒙特卡罗方法分别预测了井眼坍塌压力的概率分布情况并对实际钻井过程中井壁失稳风险进行了预测, 结果表明不确定性分析方法的预测结果与蒙特卡罗方法吻合度超过了95%, 不确定性分析方法预测井壁失稳风险率为68.4%, 蒙特卡罗方法预测井壁失稳风险率为67.4%, 实际钻井过程中该井深位置发生了井壁坍塌, 预测结果与实际情况相符, 且所提出的不确定性分析方法预测的井壁失稳风险率略大于蒙特卡罗方法的井壁失稳风险率, 对现场施工具有重要的参考价值。
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