基于饱和介质精确Zeoppritz方程的地震振幅反演方法及系统

文档序号:26001226发布日期:2021-07-23 21:17阅读:122来源:国知局
基于饱和介质精确Zeoppritz方程的地震振幅反演方法及系统

本公开属于常规或非常规油气储层勘探地震和流体预测技术领域,尤其涉及一种基于饱和介质精确zeoppritz方程地震振幅反演方法及系统。



背景技术:

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。

地震振幅反演是获得地下介质内部图像、对储层进行精细描述的有效方法,也是高分辨率地震勘探的最终表现形式,地震数据反演很大程度上提高了储层表征的价值。随着地震研究的重点由勘探逐渐向开发转移,以及由常规油气向非常规油气尤其是页岩气的转移,通过地震振幅反演等手段来揭示地下油气藏的精细分布特征,对油气藏储层进行精雕细刻的技术也受到越来越多的关注。在岩石物理理论的指导下,与储层流体异常特征敏感的弹性参数可以表征为纵横波流体参数。从目前的研究来看,地震叠前反演研究主要涉及基于近似和精确zoeppritz方程的avo反演方法。

发明人发现,基于近似zoeppritz方程的线性反演方法能稳定地解决病态反演问题或局部极值问题,但其在推导过程中的各种假设条件造成反射系数在中、大角度范围内存在较大误差,未能充分利用丰富的叠前信息,在反演精度上不能满足实际油藏储层精细表征要求,尤其对于实际三维大偏移距地震数据。针对各向同性饱和介质,传统的基于zoeppritz方程近似反射系数是一个包含弹性参数和流体特征项相关的表达式,但常规反演获得的弹性参数或流体特征项难以直接对储层流体分布特征进行刻画,分步反演或间接计算会引入累积误差。



技术实现要素:

本公开为了解决上述问题,提供了一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法及系统,所述方案首先将含流体参数的饱和地震波速度引入到弹性介质zoeppritz方程中表征各向同性饱和介质;然后,利用扰动理论、泰勒展开法,将解目标函数的问题转化为求取反射系数对模型参数的梯度或偏导;结合迭代最小二乘算法和贝叶斯理论,建立的模型参数迭代更新表达式,并提出了基于精确zoeppritz方程的多波饱和介质流体因子非线性直接反演方法,最终实现含流体特征及分布规律的定量表征和准确预测。

根据本公开实施例的第一个方面,提供了一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法,包括:

从地震数据提取依赖于入射角度的子波;基于测井数据和各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟地震角道集,并结合实际井旁地震数据确定振幅缩放因子;

基于工区内所有测井数据统计模型参数的先验信息;

对测井数据进行平滑处理并沿解释层位外推,获得初始参数模型,并构建基于最大后验概率的反演目标函数;

以最小化反演目标函数为目的优化所述初始参数模型,获得最优参数模型,进而利用所述参数模型实现地震振幅的反演。

进一步的,所述各向同性饱和介质精确zeoppritz方程将弹性介质精确zeoppritz方程中的纵横波速度替换成饱和纵横波速度。

进一步的,所述基于最大后验概率的反演目标函数的构建,具体包括:基于bayesian原理、先验信息和正演算子构建最大后验概率的反演目标函数,通过求目标函数关于模型参数的导数,并求解目标函数的极小值等价于令其导数等于零,结合迭代最小二乘算法获得更新迭代的模型参数公式。

根据本公开实施例的第二个方面,提供了一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演系统,包括:

正演算子获取单元,其用于从地震数据提取依赖于入射角度的子波;基于测井数据和各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟地震角道集,并结合实际井旁地震数据确定振幅缩放因子;

先验信息获取单元,其用于基于工区内所有测井数据统计模型参数的先验信息;

模型构建单元,其用于对测井数据进行平滑处理并沿解释层位外推,获得初始参数模型,

目标函数构建单元,其用于构建基于最大后验概率的反演目标函数;

模型参数求解单元,其用于以最小化反演目标函数为目的优化所述初始参数模型,获得最优参数模型,进而利用所述参数模型实现地震振幅的反演。

根据本公开实施例的第三个方面,提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现所述的一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法。

根据本公开实施例的第四个方面,提供了一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现所述的一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法。

与现有技术相比,本公开的有益效果是:

(1)本公开所述方案提出了一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法,所述方案首先将含流体参数的饱和地震波速度引入到弹性介质zoeppritz方程中表征各向同性饱和介质;然后,利用扰动理论、泰勒展开法,将解目标函数的问题转化为求取反射系数对模型参数的梯度或偏导;结合迭代最小二乘算法和贝叶斯理论,建立的模型参数迭代更新表达式,并提出了基于精确zoeppritz方程的多波饱和介质流体因子非线性直接反演方法,最终实现含流体特征及分布规律的定量表征和准确预测。

(2)本公开所述方案所述的地震叠前饱和介质avo(amplitudevariationwithoffset,振幅随偏移距的变化)精确zeoppritz方程反演,相对于zeoppritz方程近似式的线性avo反演而言,基于精确方程的反演计算精度高,反演参数目的性强,避免分步反演或间接计算带来的累积误差,具有很好的工业生产应用价值;

(3)本公开所述方案建立的饱和介质多参数反射系数精确zeoppritz方程,相比弹性介质反射系数精确zeoppritz方程,能够直接估计流体因子的同时不降低反演精度,指导储层含流体特征的预测及评价。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述的基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法的处理流程图;

图2为本公开实施例一中所述的cdp叠加剖面图,其中,竖线为测井位置;

图3(a)至图3(d)为本公开实施例一中所述的弹性参数(纵波速度vp、横波速度vs、密度rho)和流体因子f反演剖面图,其中,曲线为测井数据;

图4(a)为本公开实施例一中所述的实际pp波8度到20度部分角道集;

图4(b)为本公开实施例一中所述的经过k-l变换处理后的8度到20度部分拉平角道集;

图4(c)为本公开实施例一中所述的合成伪ps波8度到20度部分角道集;

图5(a)为本公开实施例一中所述的pp波单独反演结果;其中,实线为反演曲线,点实线为实际测井曲线,虚线为初始平滑模型;

图5(b)为本公开实施例一中所述的多波联合反演结果;其中,实线为反演曲线,点实线为实际测井曲线,虚线为初始平滑模型。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一:

本实施例的目的是提供一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法。

针对各向同性饱和介质的储层流体特征预测,传统的基于zoeppritz方程近似反射系数中未知参数过多,造成反演病态,并且流体参数不能直接估计的问题,提出了一种基于饱和介质的精确zeoppritz方程地震振幅反演方法。首先,将含流体参数的饱和地震波速度引入到弹性介质zoeppritz方程中表征各向同性饱和介质。然后,利用扰动理论、泰勒展开法,将解目标函数的问题转化为求取反射系数对模型参数的梯度或偏导。结合迭代最小二乘算法和贝叶斯理论,建立的模型参数迭代更新表达式,并提出了基于精确zoeppritz方程的多波饱和介质流体因子非线性直接反演方法,最终实现含流体特征及分布规律的定量表征和准确预测。

本实施例提供一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法,以满足地震叠前反演对各向同性饱和介质含流体特征及分布规律的定量表征和精确预测,所述方法包括:

步骤1:基于地震数据提取角度依赖的子波;基于测井数据和各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟地震角道集并结合实际井旁地震数据确定振幅缩放因子。其中,所述步骤1具体包括:

101)本发明假设反演之前地震子波已知,因而,需要基于实际的地震叠前道集和测井数据采取统计方法提取子波,子波在传播过程中受地层的影响会发生波形或频率变化,提取依赖于入射角度的地震子波能有效提高振幅匹配程度。

102)实际的地震振幅往往是相对值,采用各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟的地震数据振幅与实际振幅存在一定数值差异。以测井数据为输入模型利用各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟角度域的pp波道集,与实际井旁角度域地震道集对比,计算振幅缩放因子,并应用于所提取的地震子波,达到模拟记录与实际记录的振幅匹配。当地震数据信噪比较高时,为角道集的每一道使用统一的振幅缩放因子,以保证振幅随偏移距的变化关系;当信噪比低时,可分近、中、远偏移距分别计算振幅缩放因子,保证模拟记录与实际记录的最佳匹配,减少噪声对反演过程的影响。

进一步的,所述各向同性饱和介质精确zeoppritz方程的推导,具体详细叙述如下:

为了引入流体特征,将弹性介质精确zeoppritz方程中的纵横波速度(vp和vs)替换成饱和纵横波速度,这样饱和介质精确zeoppritz方程可以表示为,

其中,

其中

其中,ρ是密度,θ1为入射角,rpp和tpp分别表示纵波反射和透射系数。rps和tps表示横波反射和透射系数。饱和的纵横波速度可以表示为,

其中,f分别为流体因子。

联合公式4和6,可产生饱和介质精确zeoppritz方程,这样公式4可写成

步骤2:基于工区内所有测井数据统计模型参数的先验信息,包括三弹性参数(纵横波速度、密度)和流体参数的均值,以及总计四个参数相关的协方差矩阵。其中,所述步骤2详细包括:本公开所述方案采用柯西分布函数作为先验分布函数。基于工区内所有测井数据统计各模型参数的均值,求取各参数的自相关系数和互相关系数,构建参数相关的协方差矩阵,形成符合该工区的模型参数先验分布函数。在后续的反演目标函数中柯西分布函数相应的规则化表达式为:

其中,为参数模型,μ和cm分别为所统计的模型参数的均值和模型参数协方差矩阵。由于柯西分布通过协方差矩阵融合五个参数之间的相关性,降低了模型参数之间的不确定性。

步骤3:对测井数据进行平滑处理并沿解释层位外推,获得初始参数模型;其中,所述步骤3具体包括:

建立初始参数模型主要利用三维空间插值方法,其的技术流程是首先利用散点插值的方法对各个层位的数据进行插值,完成地质层位建模,然后根据地质层位进行模型参数横向插值,即将测井信息进行横向插值,计算得到地下每个点上的模型参数值,完成初始新属性参数建模的任务。

步骤4:基于bayesian原理、先验信息和正演算子构建最大后验概率意义下的反演目标函数,通过求目标函数关于模型参数的导数,并求解目标函数的极小值等价于令其导数等于零,结合迭代最小二乘算法获得更新迭代的模型参数公式;其中,所述步骤4具体包括:

401)贝叶斯方法是用来计算条件概率的一种概率统计方法,数学上它的表达式为,

p(m|d)∝p(d|m)p(m)(7)

其中,p(m|d)是后验概率分布;p(d|m)是从模型参数空间映射到观测数据空间的似然函数;p(m)是在观测之前对模型参数的先验了解,称为先验分布。

假设噪声相互独立并且模型参数服从柯西分布,多波观测数据的后验概率分布可以表示为

其中,上标t表示矩阵的转置,γ表示非线性正演算子,对角阵χ=dtξ-1d为模型参数的统计相关信息,ξ表示观测数据的相关性矩阵,d表示差分矩阵。ω和nm分别表示未知模型参数的均值向量和未知模型参数的长度。τ=σpp/σps是与ps波相关的权值,并且υ=σpp是与先验分布有关的权值。σpp和σps分别为pp和ps波的噪声方差。

402)基于扰动理论和泰勒展开,通过省略二阶项和高阶项,广义线性反演策略可将非线性问题转化为线性问题:

至此,未知模型参数的估计可转化为求解模型参数的扰动:

403)将反演问题转换为直接求最大后验概率解,即求解后验概率分布或目标函数的极小值,也即求目标函数关于模型参数的导数为零的解,联立迭代最小二乘算法整理化简可得

mk+1=mkk(hk)-1k),k=0,1,2...(11)

其中,ηk表示第k次迭代的步长权值,表示目标函数的hessian矩阵,

通过以上具体步骤的处理,可获得待求模型参数的最优估计,最终实现饱和介质的含流体特征直接精准预测及表征的难题。

为了验证基于饱和介质的精确zeoppritz方程地震振幅反演方法的应用效果,下面以四川页岩某研究区实际叠前反演过程为例,进行分析。

如图2所示,为cdp叠加剖面图,从图可以看出在2210-2255ms的位置具有强反射轴。

如图3(a)至图3(d)所示,为弹性参数和流体因子反演剖面,从图中可以看出弹性参数(纵波速度vp、横波速度vs、密度rho)和流体参数f在2210-2255ms具有相对低值,其中,曲线为测井数据;与图2中所述的cdp叠加剖面的强反射轴有较好对应,同时可以看出反演的模型参数曲线与相应的实际测井曲线有很好一致性,含气储层发育段在2210-2255ms。

为了验证多波联合反演对pp波单独反演的优势,利用饱和介质精确方程(公式1和4)和测井数据合成了ps波伪道集。为了凸显pp和伪ps波的差异,图4(a)至图4(c)中显示了8度到20度的部分角道集,其中,图4(a)为实际pp波8度到20度部分角道集;图4(b)为经过k-l变换处理后的8度到20度部分拉平角道集;图4(c)为合成伪ps波8度到20度部分角道集;

如图5(a)至图5(b)所示为测井位置反演曲线对比,其中,图5(a)为所述的pp波单独反演结果;图5(b)为多波联合反演结果;其中,实线为反演曲线,点实线为实际测井曲线,虚线为初始平滑模型;从图中可以看出相比pp波单独反演结果,多波联合反演曲线与测井曲线有更好一致性,证实了多波联合反演方法能有效改善待估参数的反演精度。

实施例二:

本实施例的目的是提供一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演系统。

一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演系统,包括:

正演算子获取单元,其用于从地震数据提取依赖于入射角度的子波;基于测井数据和各向同性饱和介质精确zeoppritz方程正演模拟地震角道集,并结合实际井旁地震数据确定振幅缩放因子;

先验信息获取单元,其用于基于工区内所有测井数据统计模型参数的先验信息;

模型构建单元,其用于对测井数据进行平滑处理并沿解释层位外推,获得初始参数模型,

目标函数构建单元,其用于构建基于最大后验概率的反演目标函数;

模型参数求解单元,其用于以最小化反演目标函数为目的优化所述初始参数模型,获得最优参数模型,进而利用所述参数模型实现地震振幅的反演。在更多实施例中,还提供:

一种电子设备,包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令,所述计算机指令被处理器运行时,完成实施例一中所述的方法。为了简洁,在此不再赘述。

应理解,本实施例中,处理器可以是中央处理单元cpu,处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic,现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如,存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,完成实施例一中所述的方法。

实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成,或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复,这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到,结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤,能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述实施例提供的一种基于饱和介质精确zeoppritz方程的地震振幅反演方法及系统可以实现,具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

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