一种针对钻井土层中薄互层砂地比概率化地质分析方法与流程

1.本发明属于地球物理勘探技术，涉及在砂泥岩储层地球物理勘探中薄互层砂地比的概率化地质约束及相关定量地震解释方法，尤其涉及一种针对钻井土层中薄互层砂地比概率化地质分析方法。


背景技术：

2.相砂泥岩薄互储层具有沉积模式多变、砂体厚度薄、横向变化快、互层发育等地质特点，导致地震反射特征复杂，现有地球物理技术进行储层精确描述难度大。widess提出单个小于调谐厚度的薄层可以用厚度和振幅之间的线性关系来描述(widess，1982)。地震属性切片技术作为地震沉积学的关键技术之一也是薄储层预测的重要工具，相比于地震剖面砂体追踪有更好的单砂体识别效果(zeng，2001；li，2015)。hou等通过构建薄互储层参数与地震响应间的关系，并通过支持向量机计算其调谐因子将薄互层地震响应转化为砂地比(hou，2019)。另外地震波形反演等随机反演技术也是利用反射波形特征识别薄互层组合结构和空间展布的常用方法(裴，2017)。然而上述方法中完全依靠薄互储层复杂地震映射关系构建的属性解释技术难以准确实现薄互层预测，以随机模拟为主的随机反演方法井间插值准确性和地质合理性欠缺，依靠地震中频信息无法满足精确解释需要。现有解释方法的多解性和不确定性无法弥补，缺乏地质约束的弊端未得到改善，亟需引入合理的强地质约束提升解释精度和地质可解释性。


技术实现要素：

3.本发明提供一种针对钻井土层中薄互层砂地比概率化地质约束构建与使用方法；该方法包含一种新的基于海量符合沉积规律地质模型的砂地比概率化约束构建方法，井点位置受沉积模式和沉积厚度控制，并以概率形式通过克里金插值向井间扩充，与实际薄互层特征更吻合；所得砂地比概率化地质约束能够通过贝叶斯框架与地震属性解释模型结合，相比仅利用地震属性进行砂地比预测，解释精度获得较大提升，地质可解释性加强。
4.本发明通过如下技术方案实现：
5.一种针对钻井土层中薄互层砂地比概率化地质分析方法，包括如下步骤：
6.根据井内薄互储层的沉积规律和沉积相厚度进行量化构建海量地质模型；
7.计算不同井位对应的海量地质模型的砂地比概率分布特征；
8.采用克里金插值法对不同井位的海量地质模型的砂地比概率分布特征计算构建砂地比概率化地质约束；
9.基于传播矩阵正演法和砂地比概率化地质约束对应海量地质模型计算生成地震属性解释模型；
10.通过如下贝叶斯框架将概率化地质约束和地震属性模型进行融合获得砂地比精确地震预测：
11.ψ＝argmax(p(r|ω)p(ω))
12.其中：ψ代表预测砂地比；r为地震属性；ω对应砂地比；p(r|ω)代表(3)中得到的二维概率密度函数；p(ω)为(2)所得全部砂地比对应的地质约束的概率分布。
13.进一步，所述海量地质模型根据井内薄互储层的沉积规律和沉积相厚度进行量化过程：
14.已钻井薄互储层沉积模式量化：基于工区测井沉积相解释结果，针对特定薄互储层采用一维马尔科夫链模型的沉积特征描述，并利用转移概率矩阵量化沉积模式生成马尔可夫链本质特征，其转移概率矩阵p表示：
[0015][0016]
其中：元素p
ij
(第i行，第j列)代表了从状态i到状态j的转移概率；
[0017]
海量地质模型构建与砂地比概率分布：针对不同井位所得转移概率矩阵p不断调整初始状态实现海量地质沉积层序模拟；进一步统计井内各沉积相的厚度分布，计算相应累积分布函数并随机抽样赋予层序模拟结果中实现海量地质模型构建，最后计算不同井位对应的海量地质模型的砂地比概率分布特征。
[0018]
进一步，所述地震属性解释模型通过传播矩阵正演方法和砂地比概率化地质约束与海量地质模型对应生成过程：
[0019]
统计地层对应的测井段内各沉积相的弹性参数分布，并赋予海量地质模型中，利用传播矩阵法正演算法和90
°
相位雷克子波模拟模型的0
°
入射pp波反射地震记录；
[0020]
基于传播矩阵正演法能够模拟薄层厚度对反射系数的影响，以及层间能量损失和多次波影响；90
°
相移子波则可实现储层和波形的对称性响应；其中90
°
相移雷克子波可通过对零相位子波进行希尔伯特变换得到；在p波入射情况下，薄层反射系数和透射系数r＝[r
pp
,r
rs
,t
pp
,t
ps
]
t
如下：
[0021]
r＝-(a
1-ba2)-1ip
[0022]
其中a1、a2和b代表上层、下层和中间薄层介质的传播矩阵，i
p
代表入射向量；
[0023]
基于传播矩阵正演法记录提取海量地质模型的最小振幅和弧长属性作为砂地比敏感属性，利用核函数非参数概率密度计算构建对应不同砂地比的二维条件概率密度函数；
[0024]
其中，核函数用于光滑不同砂地比对应的地震属性值，高斯核函数用作滤波模板，在(i,j)位置处的高斯核函数值可表示为：
[0025][0026]
其中:σ代表标准差，滤波模板尺寸为(2k+1)*(2k+1)。
[0027]
有益效果
[0028]
1、本发明相较常规插值所得确定性砂地比分布结果，所得为对应不同砂地比的概率分布结果，井点位置受沉积模式和沉积厚度控制，并以概率形式通过克里金插值向井间扩充，与实际薄互层特征更吻合；所得砂地比概率化地质约束能够通过贝叶斯框架与地震
属性解释模型结合，相比仅利用地震属性进行砂地比预测，解释精度获得较大提升，地质可解释性加强。
[0029]
2、本发明提供一种沉积模式控制的薄互层砂地比概率化地质约束构建与使用方法，属于地球物理勘探技术。该发明针对砂泥薄互层砂地比预测难题，通过多井沉积模式量化与海量模型构建，构建多井井点砂地比概率分布并利用克里金插值进行井间扩充，实现沉积模式控制的砂地比概率化地质约束；并进一步作为先验信息，联合基于上述海量模型正演模拟构建的针对砂地比的敏感属性二维概率密度函数，进行砂地比贝叶斯统计分类，概率化地质约束与地震属性统计特征融合能够极大提升砂地比预测精度。本发明适用于具有不同地质特征的薄互层砂地比的地质约束构建及后续定量地震解释，并以此指导后续的储层勘探开发工作。
附图说明:
[0030]
图1薄互层砂地比概率化地质约束构建与使用方法流程；
[0031]
图2样本井3油组的(a)地层沉积层序及(b)三个模拟地质模型示例；其中：浅灰代表泥岩，中灰代表砂质泥岩，深灰代表泥质砂岩，黑色代表砂岩；
[0032]
图3样本井3沉积模式对应的5000个地质模型砂地比统计(灰色直方图与黑色概率密度实线)、实际地层平均砂地比(黑色虚线)对比；
[0033]
图4 6口样本井位沉积模式对应的海量地质模型砂地比统计直方图(灰柱体)与概率密度函数(黑色实线):(a)样本井1；(b)样本井2；(c)样本井3；(d)样本井4；(e)样本井5；(f)样本井6；
[0034]
图5目的储层砂地比概率化约束体:(a)10％砂地比；(b)20％砂地比；(c)30％砂地比；(d)40％砂地比；(e)50％砂地比；
[0035]
图6目的储层砂地比确定性插值体；
[0036]
图7(a)地质模型(浅灰-泥岩，中灰-砂质泥岩，深灰-泥质砂岩，黑色-砂岩)；(b)弹性参数(纵波速度、横波速度和密度)；(c)相应地震记录；
[0037]
图8(a)依据模型结果实现的最小振幅与弧长属性交会，色标为砂地比；(b)对应不同砂地比的最小振幅和弧长属性二维概率密度函数；
[0038]
图9目的薄互层地震属性体：最小振幅；
[0039]
图10目的薄互层地震属性体：弧长；
[0040]
图11无概率化地质约束所得砂地比预测结果；
[0041]
图12概率化地质约束后所得砂地比预测结果；
[0042]
图13井点位置预测砂地比与实钻砂地比比较，其中浅灰色柱表示约束前预测砂地比，深灰色柱表示约束后预测砂地比，黑色柱表示实钻砂地比；
[0043]
表1地层对应的马尔科夫链转移概率矩阵。
具体实施方式
[0044]
本发明提供一种针对钻井土层中薄互层砂地比概率化地质约束构建与使用方法。该方法是通过井点位置受沉积模式和沉积厚度控制，并以概率形式通过克里金插值向井间扩充，与实际薄互层特征更吻合；所得砂地比概率化地质约束能够通过贝叶斯框架与地震
属性解释模型结合，相比仅利用地震属性进行砂地比预测，解释精度获得较大提升，地质可解释性加强。
[0045]
如图1所示，本发明采用如下步骤：
[0046]
(1)已钻井薄互储层沉积模式量化，据此实现不同井位的海量地质模型构建，并统计砂地比概率分布，其中：薄互储层沉积模式量化包括沉积规律和沉积相厚度。
[0047]
①
已钻井薄互储层沉积模式量化：基于工区测井沉积相解释结果，针对特定薄互储层开展基于一维马尔科夫链模型的沉积特征描述，利用转移概率矩阵量化沉积模式。马尔可夫链本质特征可以通过其转移概率矩阵p表示：
[0048][0049]
其中：元素p
ij
(第i行，第j列)代表了从状态i到状态j的转移概率。
[0050]
②
海量地质模型构建与砂地比统计：针对不同井位所得转移概率矩阵通过不断调整初始状态实现海量地质沉积层序模拟；进一步统计井内各沉积相的厚度分布，计算相应累积分布函数并随机抽样赋予层序模拟结果中实现海量地质模型构建，保证模型内沉积规律和各岩相厚度分布符合实际地层特征，提升模型构建的精确度。最后计算不同井位对应的海量地质模型的砂地比概率分布特征。
[0051]
(2)砂地比概率化地质约束构建：基于(1)所得多个对应不同井位的海量地质模型的砂地比分布，提取某一确定砂地比对应的概率值，利用克里金插值法实现不同砂地比对应概率的井间插值，最终可得对应多个砂地比的概率分布结果，实现砂地比概率化地质约束。该结果能够用于初期针对目的储层砂地比展布的不确定性量化分析以及作为后续联合地震等信息实现砂地比精确预测的先验约束。相较常规插值所得确定性砂地比分布结果，该方法所得为对应不同砂地比的概率分布结果，该概率分布受(1)中沉积模式和沉积厚度控制，与实际薄互层特征更吻合。
[0052]
(3)基于传播矩阵正演法与解释模型构建：统计地层对应的测井段内各沉积相的弹性参数分布，并赋予
②
内模型中，利用传播矩阵法正演算法和90
°
相位雷克子波模拟模型的0
°
入射pp波反射地震记录。传播矩阵法能够模拟薄层厚度对反射系数的影响，以及层间能量损失和多次波影响。90
°
相移子波则可实现储层和波形的对称性响应。其中90
°
相移雷克子波可通过对零相位子波进行希尔伯特变换得到。在p波入射情况下，薄层反射系数和透射系数r＝[r
pp
,r
rs
,t
pp
,t
ps
]
t
如下：
[0053]
r＝-(a
1-ba2)-1ip
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中a1、a2和b代表上层、下层和中间薄层介质的传播矩阵，i
p
代表入射向量。
[0055]
基于所得正演记录提取最小振幅和弧长属性作为砂地比敏感属性，利用核函数非参数概率密度估计来构建对应不同砂地比的二维条件概率密度函数。核函数用于光滑不同砂地比对应的地震属性值，高斯核函数用作滤波模板，在(i,j)位置处的高斯核函数值可表示为：
[0056][0057]
其中σ代表标准差，滤波模板尺寸为(2k+1)*(2k+1)。
[0058]
(4)贝叶斯框架联合解释：构建贝叶斯框架联合(2)中概率化地质约束和(3)中砂地比解释模型，进行砂地比精确地震预测，概率化地质约束引入后可极大提升砂地比预测精度。贝叶斯分类准则表述为
[0059]
ψ＝argmax(p(r|ω)p(ω))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0060]
其中ψ代表预测砂地比；r为地震属性；ω对应砂地比；p(r|ω)代表(3)中得到的二维概率密度函数；p(ω)为(2)所得全部砂地比对应的地质约束的概率分布。
[0061]
本发明提供一种针对钻井土层薄互层砂地比概率化地质约束构建与使用方法；该方法包含一种新的基于海量符合沉积规律地质模型的砂地比概率化约束构建方法，相较常规插值所得确定性砂地比分布结果，该方法所得为对应不同砂地比的概率分布结果，井点位置受沉积模式和沉积厚度控制，并以概率形式通过克里金插值向井间扩充，与实际薄互层特征更吻合；所得砂地比概率化地质约束能够通过贝叶斯框架与地震属性解释模型结合，相比仅利用地震属性进行砂地比预测，解释精度获得较大提升，地质可解释性加强。
[0062]
具体操作流程如图1所示。
[0063]
(1)选取工区8口典型井，6口作为样本井位，2口作为验证井位，首先对选定(薄互)目的层进行岩性和粒度特征分析，并据此划分沉积相。其中样本井3沉积层序如图2a所示，其中浅灰代表泥岩，中灰代表砂质泥岩，深灰代表泥质砂岩，黑色代表砂岩。
[0064]
①
据此开展基于一维马尔科夫链模型的沉积特征描述，统计得到转移概率矩阵(公式1所示)，样本井3转移概率矩阵如表1所示。表1地层对应的马尔科夫链转移概率矩阵。
[0065]
转移概率矩阵泥岩砂质泥岩泥质砂岩砂岩泥岩0100砂质泥岩0.500.30.2泥质砂岩0100砂岩0100
[0066]
此处仅考虑岩性转移未考虑厚度特征，因此同一沉积相的转移概率(对角元素)为0。该矩阵内元素的数值分布控制沉积的方向性，能够准确表征该地层的主要沉积模式。通过不断调整初始状态可以实现符合此沉积模式的不含厚度信息的海量模拟。对6口样本井位目的层段分别进行5000次随机模拟，共记30000个层序模型。
[0067]
②
下一步赋予地质模型厚度特征。统计6口样本井目的层对应的测井段内各沉积相的厚度分布得到对应的累积分布函数，对累积概率随机抽样得到相应的沉积相厚度值，并赋予
①
中模型的对应沉积相中，实现地质模型沉积模式和厚度模拟，保证模型内各岩相厚度分布符合实际地层特征，提升模型构建的精确度。最终可以实现海量符合地层沉积规律和沉积相厚度分布的海量地质模型，图2b展示了利用样本井3目的层段沉积模式和总沉积厚度分布随机构建的三个地质模型示例。图3展示了样本井3对应的5000个随机模型砂地比分布与井目的层实钻砂地比对比，体现出较好的一致性，验证了随机模型的准确性。
[0068]
(2)对6口样本井位目标储层进行(1)中所述处理，得到对应井位的海量地质模型
的砂地比分布，如图4所示。进一步从6口样本井对应的砂地比分布中分别提取某一确定砂地比(10％、20％、30％、40％和50％)对应的概率值，作为各样本井点处对应该砂地比时的概率值，并利用克里金插值法实现井间概率插值，最终可得对应该砂地比的概率分布结果，分别如图5所示,最终实现砂地比概率化地质约束。常规插值所得确定性砂地比分布结果如图6所示，目的储层井点位置的实钻砂地比对井附近位置的砂地比分布和变化规律的表征能力有限，且井间变化一般仅能通过插值算法参数调整，受插值算法本身影响极大。本发明所得为对应不同砂地比的概率分布结果，目的储层任意空间点砂地比均可通过概率分布进行描述。能够用于初期针对目的储层砂地比展布的不确定性量化分析以及作为后续联合地震等信息实现砂地比精确预测的先验约束。该概率分布受(1)中沉积模式和沉积厚度控制，与实际薄互层特征更吻合，相比确定性砂地比插值结果应用范围更广。
[0069]
(3)统计地层对应的测井段内各沉积相的弹性参数分布并随机赋予(1)中构建模型(30000个)中的对应沉积相中，进一步利用传播矩阵法正演算法(公式2所示)和90
°
相位雷克子波模拟各模型的0
°
入射pp波反射地震记录。其中90
°
相移雷克子波可通过对零相位子波进行希尔伯特变换得到。图7展示了一个随机地质模型、弹性参数分布和对应的地震记录。波谷与砂体的对应关系较好，验证了方法的准确性。基于所得正演记录提取最小振幅和弧长属性作为砂地比敏感属性，交会关系如图8a所示。进一步可利用核函数非参数概率密度估计(公式3)构建对应不同砂地比的二维条件概率密度函数，如图8b所示。
[0070]
(4)通过贝叶斯框架(公式4)联合(2)中概率化地质约束和(3)中砂地比二维条件概率密度函数解释模型，进行目的薄互层砂地比精确地震预测。提取所得最小振幅属性体和弧长属性体分别如图9、图10所示。完全依赖二维条件概率密度函数的砂地比预测结果如图11所示，联合概率化地质约束所得砂地比预测结果如图12所示，样本井和验证井的预测砂地比与实钻砂地比对比如图13所示，样本井和验证井的砂地比预测结果和实钻结果验证了技术有效性，整体平均预测误差由36％降为12％，可见概率化地质约束引入后极大提升了砂地比预测精度。