油气地球物理技术进展

陈 伟， 李 霞， 李红敬， 杨瑞娟， 黎 娜， 周小慧， 杨江峰

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院， 南京 211103)

油气地球物理技术(又称物探技术)是油气勘探开发中的关键支撑技术。物探技术的进步，是油气行业可持续发展的核心推动力。物探技术在识别成藏远景区、揭示复杂构造细节、发现与精细刻画油气藏目标，动态监测与评估开发效果，实时油藏管理决策等油气勘探开发的各个环节都获得了成功应用。随着勘探开发的推进，目标体的地质条件、地球物理条件更为复杂，物探技术的作用愈加重要。油气行业高效、绿色发展的要求，也迫切需要不断提高物探技术水平。

油气地球物理技术的发展趋势主要体现在：在信息技术等高新技术的支持下，多学科融合进程显著加快，以海量地震数据为特征，逐步实现物探技术的采集、处理、解释一体化。地球物理技术分辨率更高，成像更精确，更逼近真实油藏，解决地质、工程问题的能力不断增强。围绕高精度地下成像、精细储层描述和流体检测，开展多学科、多尺度、多属性信息的联合处理和综合分析。深度学习等新技术的引入，引发了物探技术自动化智能化的研究应用热潮。百万道地震采集系统，多源高效采集技术，高密度三维地震，多波多分量地震，以及3D-VSP、微地震、井间地震、时延地震、随钻地震等油藏地球物理技术，使得石油物探技术的应用从油气勘探向开发阶段延伸，由常规油气向煤层气、页岩气、深层致密气、地热等非常规油气、能源的勘探开发拓展。

物探技术正向勘探开发的全过程渗透，高效地震采集、精细偏移成像、全波形反演、油藏地球物理、智能化自动化物探技术的研究应用为代表发展方向。

1 高效地震采集技术

近年来，地震采集技术在采集理念、观测方式、观测资料数量和质量上发生了巨大而深刻的变化。可控震源装备和激发方式、高密度地震、多源地震、无线采集、百万道地震采集系统、随机稀疏采样等技术取得较大进展，实现了长久以来的诸多设想，这部分得益于采样理论、电磁控制等相关学科技术新成果的引入。宽频、宽(全)方位、高密度采集成为主流，采集资料质量的提高为提高资料处理解释质量、提高地震的精度和分辨率打下了良好的基础。

地震采集理念正在更新，由传统的注重覆盖次数转向以波场为中心，争取全面地反映波场，并出现了按需采集[1]等新的尝试，用更合理的代价实现地质、工程目标。

经过多年技术、装备研发和市场耕耘，中国石油东方地球物理公司已经成为全球最大的物探技术服务公司，研发出了高精度可控震源等装备，陆地地震采集业务份额连续多年全球领先，并逐渐占据海洋采集等高端市场。

1.1 可控震源技术

地震采集技术的进步，是在可控震源技术的发展的带动下取得的。可控震源具有震源信号可记录和可重复，信号频带、相位、出力易调整，激发效率高，更加安全、绿色环保等优势，是炸药震源的比较理想的替代者。不仅在人文等条件不允许使用炸药震源的特殊情况下，可控震源在中外的地震采集中已经成为常规使用的震源，海上主动源采集已全部使用气枪等可控震源。

可控震源装备向着两个方向发展，一是大型宽频(最宽6～8个倍频程)、大出力(最高90 000磅)震源;二是灵活方便的小型、窄带震源。前者能提高储层分辨率，改善深部成像、盐下成像以及火成岩地表下的地质目标成像。后者更能适应复杂施工环境，布置和使用更加方便，也更适合分布震源组合(DSA)采集的需求。低频震源已逐渐成为主流趋势，部分震源的最低激发频率已低至0.5 Hz。

随着可控震源设备的不断改进，可控震源激发技术获得较大进展。目前可控震源激发技术主要有：滑动扫描(slip-sweep)、高保真采集(HFVS)、独立同时扫描(ISS)[2]、分组同时扫描(DSSS)[3]、分频同时扫描(FSSS)[4]和同时伪随机扫描(SPST)[5]等。新技术提高了采集效率，显著降低了采集费用，在采集施工中能够进行实时质量控制。

可控震源及激发方法的进步，促使高效地震采集技术快速发展，采集的效率、数据量都呈数量级提高，频带宽度、方位角-偏移距分布了也得到改善。

中石油东方物探公司的EV56高精度可控震源，激发信号频宽达到1.5～160 Hz，出力达到7 000磅级常规震源的水平[6]。在高密度宽频地震采集生产中，EV56可产生90 Hz以上的高频率信号，与常规可控震源相比，高频端可扩频15～20 Hz、中低频部分可扩频5～10 Hz，在实际应用中取得优异的勘探效果，持续保持全球行业领先地位。

1.2 光纤传感器

光纤分布式声波传感器(DAS)是一项发展迅速的技术，最早应用于军事、通信、工程领域。DAS采用激光脉冲激发、相干光反射测量的原理。DAS光纤受到外界振动作用时，由于弹性-光学效应，光纤形状产生微小变化，在光纤中传播的短脉冲激光及其背向散射光发生变化，将接收到的传播光信号、背向散射光信号与原始光信号进行比较，即可测量应变发生的时间、位置和强度等信息。DAS系统主要包括激发单元、处理单元和使用界面。

DAS传感具有以下优点：不需要单独的传感器、传感电缆，成本低；耐高温高压等极端条件、抗电磁干扰；布设方便；排列长度长(可达数十千米或全井)；采集效率高(特别是井中，可一次完成全井段采集)；线内采样率高(可小于1 m)；采集脚印小；光纤寿命长，基本无需维护，更能胜任永久监测。

传统的DAS只能测量平行于光纤方向的应变，螺旋缠绕DAS光纤等技术克服了这一问题，在各个方向都比较灵敏，从而使在地表采用水平DAS光纤采集地震反射数据成为可能。

目前，DAS较多应用于VSP及时延VSP、地震监测、水力压裂微地震监测等领域[7-10]。中国也开展了光纤地震传感器的研究[11]。中石油东方物探公司推出的uDAS系统，大幅提高了全井段观测及成像能力，在应力感应灵敏度、最小采样间距、最大传输距离、生产成本等关键技术指标方面达到国际领先水平，已在中国多个油气田开展了现场试验和应用，在构造成像、小断层识别、砂体描述、压裂微地震监测、油藏时延监测等方面取得良好效果，具备了工业化应用条件。

DAS在地震领域的应用前景广阔，有望成为一种新的认识、管理油藏的手段，与人工智能相结合，DAS地震能够推进智慧油田的建设、提高油气最终采收率。

1.3 多源地震

可控震源高效激发技术带来了采集技术的突破，以往的逐炮采集发展成多震源同时激发、检波器连续记录多炮的叠加波场的多源地震采集，在相同的时间内能够记录到更多的地震数据。数据的冗余有利于降低假频，提高资料质量。

多源地震的优势是每个震源的效率提高，多个震源同时工作。多源地震减小炮线上的炮距、共偏移距域中的道距，与宽频、宽方位、高密度采集相结合，缩短了采集工期，能够降低地震成本。

陆地多源地震在目前都是可控震源按一定方式编码激发进行采集的。海上多源采集形式多样，根据震源船、拖缆船的不同组合以及震源船上的震源配备，形成了环形、双环形、多环形多船地震采集技术。海洋多源地震还可与双缆、斜缆等技术结合，提高采集质量[12-14]。多源长偏移距双方位角采集、海上中间放炮拖缆采集等技术也在实际应用中提高了复杂区域的成像质量和分辨能力。

多震源混叠采集得到的地震数据有两种处理方式：数据分离，得到单炮记录，然后采用与常规单炮处理方式一样的处理流程。炮分离可以通过滤波[15]、反演[16-18]等进行；直接处理超级炮，有多源偏移[19-20]、反演(全波场反演[21]、最小二乘反演[22]、多源全波形反演[23-24])等技术。

多源地震面临着不同采集方式的选择和改进、海量资料的处理等技术难题。通过下列手段能够进一步提高多源地震的效能：缩短震源的激发预备时间，降低在炮点间移动震源所需要的时间，以缩短震源激发周期，在相同的施工时间内激发出更多的炮；选择合适的震源激发方式，设计合理的混叠编码，提高震源激发效率；研究混叠数据的解混叠方法，使得炮分离结果尽可能地消除或减轻道间串扰的影响。

多源地震代表了地震采集的方向，将成为下一代地震采集方式——“分布震源组合”(DSA)的主流。

1.4 节点采集

节点采集技术[25]是从海洋地震发展而来的，具有可以在钻井平台密集或有其他障碍物的地方实施采集、观测点位置准确、采集的可重复性高、减少环境的干扰、易于消除鬼波、适于高密度布设等优点。深水勘探、油藏动态监测中，节点采集技术的优势更为明显，很多油田已用节点技术取代了拖缆采集。陆上节点采集则可以减轻复杂地表条件下的采集施工难度，提高效率。随着集成电路、实时无线网络通信、传感器、小体积大容量电池等技术的发展，节点设备有一体化和微型化的趋势。

水下节点的布设方法不断改进，由遥控水下飞行器(ROV)等水下机器人发展到“飞行节点”[26]技术，节点布设和回收效率、定位精度和能够布设的检波点密度都更高。

节点地震技术与可控源高效激发技术、稀疏采集技术相结合，能够进一步提高采集效率、降低采集成本，具有很大的发展前景。

1.5 稀疏采集

1.5.1 压缩感知采集

基于信号稀疏采样理论的压缩感知(compressed sensing，CS)在图像压缩、无线通信、模式识别和医疗成像等领域得到广泛应用。

压缩感知技术利用信号的稀疏特性进行非规则稀疏采样，突破了Shannon-Nyquist采样定理的限制，减少了数据表达和处理的工作量。在油气地球物理领域，在满足CS要求的前提下，可以用它进行缺失数据的恢复和数据插值加密，还可以减少资料采集工作量，降低采集成本。CS成为提高地震勘探效率的重要方法[27-30]。

目前，压缩感知理论在油气地球物理领域的应用已从数据恢复和加密向稀疏观测系统设计[31-32]、地震数据处理[33-37]方向发展。

1.5.2 “分布震源组合”(DSA)采集

多源地震提高了地震采集的效率，充分利用该优势，将目前使用的宽(全)频带震源改为窄带或单频震源，出现了DSA采集的思路[38]。

DSA有下列显著特征：单频或窄带震源(易于实现，且轻便化)的分布式组合，宽频检波器[记录宽(全)频段地震数据]，源、检的随机分布(减轻布设和回收的工作量)和连续采集(在获得巨量数据的同时提高采集效率)。研究表明，在DSA中，采用不同频带范围内的单频或窄频震源进行分布式组合，其响应与宽频震源相似，地震记录的频谱范围很宽，但采集成本要小很多，效率也高，特别有利于重复采集。DSA资料处理的方法正在讨论中[39-40]。

DSA中需要解决的主要问题有：震源组合及激发设计，宽频、能长时间记录和运行的检波器(如光纤等)，随机采样方法，空间、时间上的随机采样巨量资料的数据处理。

DSA将大大提高地震的经济性，通过数据的冗余，提高地震资料反映地质情况的能力。DSA可能是新一代地震采集方法的代表，目前的多源地震可以认为是DSA的初步实现形式。

2 偏移和反演技术

地震资料处理中，更加注意流程规划、方法选择、参数选取时的地质、地球物理意义，为后续解释和重新采集处理过程提供可靠的资料，体现了采集、处理、解释一体化的趋势。地震数据处理技术研究应用的主要内容包括高密度、宽方位资料的插值与规则化[41-42]、静校正[43]、去噪[44-46]、建模[47-49]、偏移成像[50]、反演[51-53]、OVT域处理[54]、针对性属性计算[55-57]等，技术进展中主要集中于偏移技术和全波形反演技术。

偏移和反演是求解波动方程的不同途径。一般而言，偏移给出地下构造情况，反演能揭示地下物性分布，偏移与反演的融合是发展大方向。联合偏移反演(JMI)[58-61]是朝着这个方向的努力之一。

2.1 偏移技术

地震偏移成像是地震资料处理中的关键一步，偏移成像结果直接决定了构造解释、储层预测的精度。随着油气勘探开发程度的不断加深，地震勘探逐渐走向更加复杂的地下构造和复杂储层区域。复杂几何形态的盐体、不同喷发形式形成的火山岩、古潜山等构造体的存在使得地震波场十分复杂，建模和偏移难度加大，这些地质体的底边界、侧翼、下覆构造的成像更为困难。偏移技术的研究聚焦于提高解决复杂地质问题的能力(复杂地表、复杂目标体等艰难条件下的成像能力、成像结果的精度和分辨率等)、偏移成像的计算效率。叠前深度偏移(PSDM)已经成为常规流程。逆时偏移[62-63]、束偏移的研究不断深入，并取得很多成功应用。最小二乘偏移重新受到重视。

2.1.1 最小二乘偏移

标准的偏移方法(包括逆时偏移)是基于正演模拟算子的共轭转置，使得成像结果受假像、不均匀照明的影响，特别是在复杂地区。最小二乘偏移(LSM)则是对正演模拟算子的逆的近似，因而能减轻上述问题。

LSM的优势有：提高成像分辨率；减少观测不规则、采样稀疏、孔径不足时的偏移假象，改善成像聚焦；补偿吸收衰减、几何扩散、各向异性等引起的振幅问题，提高成像保幅性。

声波、弹性波最小二乘成像都有新的成果。最小二乘全波场偏移技术(LS-FWM)，考虑一次波和高阶反射能量，显著增强了成像的照明度和分辨率，成像较少受串音干扰，并改善了波数成分，振幅更加均衡，断层、构造落实效果更好[64]。LSM和稀疏反演相结合[65]，能降低计算成本。最小二乘Q偏移(LSQKir)方法，能进行Q补偿，改善照明度、振幅保真度、成像分辨率[66]。单次迭代(非迭代)最小二乘深度偏移[67]能改进偏移结果的保幅性，提高分辨率和照明补偿效果，并考虑衰减问题。单次迭代最小二乘深度偏移计算量小于常规的迭代最小二乘偏移方法(常规迭代LSM的计算量约为常规偏移的2N倍，N为迭代次数)。基于反射率的反射地震波传播方程(反射波动方程)的LSM方法能够得到地下反射层界面的物性参数，而常规LSM得到的是地下反射层的物性参数[68]。

LSM也存在一些不足。一是计算量大。二是偏移约束条件的选取困难，目前仍然没有统一的结论。

LSM的应用必须寻求效果与效率的平衡。主要有两条路径：利用高效求解Hessian矩阵逆方法代替多次迭代法；LSM偏移与高效偏移算子相结合(如最小二乘逆时偏移成像，LSRTM)，在实现高精度成像的同时兼顾效率。LSRTM还能够克服采集假频、补偿照明不足[69]。

通过解线性化的弹性波方程或采用新的扰动成像条件等方法[70-72]，弹性LSRTM能够得到纵、横波反射系数，结果的分辨率、信噪比、振幅平衡性等都优于弹性RTM和声波LSRTM，振幅信息更加准确，有利于油藏描述。黏弹介质的最小二乘逆时偏移(QLSRTM)也正在研究之中[73]。

虽然LSRTM相比常规偏移具有较大的优势，但仍然面临着速度场的精度、震源子波估计等问题。为此发展出了不依赖子波的LSRTM(SILSRTM)等算法。SILSRTM用观测波场卷积模拟波场的参考道、模拟波场卷积观测波场的参考道形成目标泛函，目标泛函的两项中同时存在观测子波和模拟子波，从而去除子波影响[74]。

2.1.2 无需速度模型的偏移成像技术

对于速度模型的依赖，是偏移技术一直未能摆脱的困境之一，越是成像能力强的方法，对输入速度模型的准确性要求就越高。

解决上述问题，至少有三条途径可以同时努力：改善速度估计方法，建立尽量准确的初始模型；研究反演方法(比如全波形反演等)，提供接近实际的物性分布情况；寻求弱速度依赖性甚至无需速度模型的偏移技术。在第三条路径中[75]，逆散射子级数(inverse scatting subseries，ISS)法[76]、小曲线(curvelet)法[77]研究较多。ISS考虑了逆散射序列中的高阶项，突破了基于Born线性化近似的逆散射成像仅对小扰动速度模型有效的局限性，并且无需水平层状介质的假设，可以实现速度横向变化下的PSDM。Curvelet变换实际上是一个分解、压缩过程，提供了关于局部倾斜的内在信息，得到地震数据的一系列含有方向信息的系数(非零系数的个数很少)。使用这些系数可以进行各向异性偏移，而计算量则大大降低，成像过程中无需建立速度模型。除了偏移成像，ISS、Curvelet变换在地震中还有非常广泛的应用。

2.1.3 Marchenko成像

Marchenko成像[78-79]是一种不含有多次反射假象的成像技术，它是基于Marchenko基准面重建的，用地面地震记录、背景速度模型，将地面地震震源和检波器延拓到地下任意深度，重建出反射响应的基准面。重建出的资料只包含新基准面深度以下的反射响应，基准面以上的介质与反射记录无关。

Marchenko重建基准面、成像方法已应用于实际资料，有效压制了层间多次波引起的成像假象。

Marchenko方法在波场分解、震源子波估计等方面也有应用。

2.2 全波形反演技术

全波形反演(FWI)[80]利用了地震资料的运动学和动力学特征，对提高成像精度和储层预测可靠性具有重要意义，获得广泛的研究，并在海上[81-82]、陆上[83]取得较好应用成果。全波形反演是一种利用迭代的线性化反演方法进行求解的强非线性反演，具有计算量大与局部极值高风险性的特点。其成功应用主要依赖于长偏移距、低频信息丰富、采集系统规则、高信噪比的优质地震数据，精确的初始速度，准确的子波估计等关键信息。

2.2.1 反射波全波形反演

反射波全波形反演(RFWI)方法能补偿背景速度模型的长波长，并能提供使用潜波时难以得到的速度更新。RFWI用分解的全波形反演(FWI)的斜率高波数成分首先更新密度，然后使用低波数成分更新速度。RFWI能够改善一般方法难以确定的微型盆地中盐上的变化的页岩速度，识别浅层慢速页岩体、高速碳酸盐岩，改善盐内和盐下速度，减轻盐体解释的模糊性，成像道集连贯平滑，构造连续性更好[84-85]。使用数据域微分相似系数最优化方法来建立运动学信息校正模型，能够改进RFWI流程的稳健性[86]。扩展源时间域RFWI方法能够避免周期跳跃问题，克服局部最小值问题，放松了常规FWI由于局部最小值限制对应用的苛刻要求，扩展了解空间。RFWI还适用于存在强反射界面的地区，以及初始模型不准、原始数据缺失低频等情况[87]。各向异性多参数全波形反演可获得信噪比高、道集品质好的成像结果[88-89]。廻折波FWI和RFWI相结合，已广泛应用于墨西哥湾盐下建模等[90]。

2.2.2 参数化FWI

进行多参数FWI时，由于模型参数多，参数之间不得不进行折中，从而影响反演结果。在正交各向异性介质中的弹性近似甚至声波近似时，这种影响也被放大得更严重。可以将FWI问题转化为求最影响数据(即数据对其最敏感)的那些参数，这些参数的类型依模型的不同详细程度、尺度和所反映的地质特征而不同。

现有研究指出，对ORT介质，数据将主要对四个参数的散射特性比较敏感：x1方向的水平速度、ε(主要是x-z平面的近零偏移距处的散射)、εd(x1、x2方向的水平速度的平方的比)、δ3(水平面上的非椭圆率的参数)。采用这种参数组合，水平速度和ε的散射特性都与方位无关了，可以对这两个参数进行VTI反演求得初始值，用上述另外的两个参数来拟合资料的方位变化[91]。

2.2.3 自动化FWI

基于机器学习引入FWI实现的自动时窗拾取FWI方法，提高了全波形反演的计算效率[92]。而FWI方法的性质，暗示着FWI方法的自动化是非常有希望实现的。

FWI已经在海上地震资料中实用化，陆上资料的应用主要还以浅、中层为主。FWI还需解决近地表问题，断层成像不准确等问题。需要继续研究的技术难点有初始模型建立、子波估计、缺失低频和长偏移距数据的FWI、避免局部最小陷阱、快速全局寻优、提高计算效率等。

3 定量地震解释技术

地震解释技术由定性、半定量向定量化解释发展。定量解释技术的进展主要是发展了新的反演方法，例如一维随机反演方法、储层物性反演、基于贝叶斯随机地震反演的薄储层预测新方法等。深度域反演方法从深度偏移数据体反演输出反射率和声阻抗。提高复杂环境下地震构造解释和定量地震解释的可靠性与一致性，有助于降低复杂储层环境下的不确定性，改进储层定量解释。

目前，叠前地震反演已经成为定量地震解释的常规流程。近年来，定量地震解释方面又涌现出新的方法研究和应用。

(1)一维随机反演方法(ODiSI)估算储层物性、岩相和结果的不确定性。ODiSI已成功应用于多个地质条件相对简单的硅质碎屑岩地区。反演得到的净毛比和孔隙度数据体已经成功的用于井位部署，同时也可以更好地了解储层地质特征、直接输入储层模型中[93]。

(2)叠前同步反演已扩展到同时方位反演并成功应用于实际数据[94]，如：压力和裂缝方向的方位定量反演。

(3)基于确定性模型的叠前地震反演。传统叠前地震反演的通常是纵波阻抗(PI)、横波阻抗(SI)和密度，新方法则将PI、SI和密度等参数转化为储层物性(岩性、孔隙度和含水饱和度)，用于定量解释[95]。

(4)贝叶斯随机反演。利用了子波、调谐和频谱分析、测井和局部变化的各向异性(LVA)等信息作为约束，贝叶斯地震反演能够给出流体、裂缝参数，预测薄储层[96-100]。该方法的弹性阻抗反演结果非常接近实际测井，并可给出定量的误差或不确定性估计，减小开发风险。

深度域反演提高了复杂环境下地震构造解释和定量地震解释的可靠性和一致性，能够给出反射系数和照明补偿后的声波阻抗，从而由深度偏移数据体得到更一致、可靠的成像结果和岩石属性。深度域反演已得到成功应用。深度域声阻抗反演改进了砂岩侵入体的振幅保真度和分辨率，提高了岩石声学参数、地震振幅的可靠性，进而改进储层定量解释[100-103]。

地震解释技术将向深度域地震解释和智能化解释发展。

4 理论研究与岩石物理实验技术

油气地球物理理论研究中进展最大的是各向异性研究，不确定性问题的研究仍需投入更大的关注。岩石物理实验技术中，不同尺度、频段的岩石物理响应的关系，数字岩心技术，物理模型制作与测试等技术均有进展。以下介绍各向异性、数字岩心技术进展。

4.1 各向异性研究

各向异性是一种重要的地球介质物理性质，会比较显著的影响地震波旅行时及振幅信息，对地震波高精度建模和成像具有重要影响。完全各向异性介质必须用21个独立的弹性参数才能准确描述，对地震资料、计算能力的要求非常高，各向异性研究也一直是一个难题。

多波多分量、宽方位、长偏移距数据对各向异性研究非常重要。在勘探地震领域，各向异性研究主要集中在各向异性介质中波现象模拟及分析、各向异性介质的简化与近似、背景参数建模、反演成像及储层参数建模等方面。

各向异性介质的简化，包括了对介质的简化和对介质的表示方法的简化。前者如横向各向同性(HTI)介质、正交各向异性(ORT)介质、用相对简单的介质近似更复杂介质(如：用TTI、ORT介质近似TORT介质[104])等。后者即所谓的“参数化”，根据地震资料、所要解决的地质和工程问题，选取合适的弹性参数及其组合，降低问题求解的难度和计算代价(参见文献[91])。

波场模拟和分析方面，TORT等各向异性介质中高效的旅行时计算、同时考虑吸收衰减与速度各向异性的波场正演进展明显[105-108]。

参数建模方面，各向异性介质背景参数建模和储层参数建模都有所进展[109-110]。利用角度道集的旅行时层析TORT介质背景参数建模技术逐步成熟，在实际资料中取得了一些地质效果。

TTI或TORT介质的PSDM算法已发展较为成熟。成像逐步向反演方向发展(这与整体油气地球物理技术的发展趋势一致)，将背景速度建模与高波数反射系数估计合为一体，利用全波场信息进行反演成像。对于越来越复杂的波现象，如何提取波场中的特征量(不同波型、不同传播角度等)以降低反演成像问题的非线性是进一步研究的方向。

4.2 数字岩心

数字岩心技术是一种新兴的数值模拟计算方法。数字岩心技术用扫描电子显微镜、微纳米计算机断层扫描等采集岩心实物的高分辨率、高保真度图像，通过数学建模，刻画岩心微观结构，有效地模拟岩心内部的物理性质及其变化，定量分析和模拟地层的各种特性，为三维岩心建模、岩石物理数值模拟、多尺度孔隙网络及三维连通性表征、储层多尺度表征关键参数提取优化等提供基础研究数据。数字岩心技术有助于更好地了解油藏，提高油气开发效率及采收率[111-112]。

5 自动化智能化技术

地震采集的自动化、智能化起步较早，目前，陆上已经能够运用无人机进行装备的布设，海上已实现飞行节点自动定位、采集。相对而言，处理、解释环节(特别是解释)的自动化、智能化在近年飞速发展，其势头远远超过了采集自动化智能化，这是由深度学习等人工智能技术自身的特质以及计算能力的快速发展所决定的。

油气地球物理中使用的自动化智能化技术主要包括大数据、机器学习(ML)、深度学习(DL)等。

深度学习等智能技术的应用领域已经涵盖了物探数据处理与综合解释、井孔与岩石物理数据分析、油藏表征与油气开发数据分析等方面，主要集中于地震数据处理与解释领域。

在地震处理方面，噪声压制与信号增强、储层参数预测、地震反演、初至拾取、数据规则化、去噪及反演[113]、微地震数据分析的自动化进展较快，未来，全波形反演的自动化值得期待。

在地震解释方面，人工智能、机器学习和深度学习主要应用于断层自动解释、层位自动追踪、地震相识别[114]、盐体识别及盐丘顶底解释[115]、河道或溶洞解释、地质体识别[116]、含油气性预测和非常规页岩脆性预测[117]、综合解释等，大大提高了解释效率并取得良好解释效果。

5.1 层位自动解释

层位自动追踪方法通过求解不均匀各向异性泊松方程从三维地震体中自动提取和恢复有断层的地层。改进后的技术能进行跨断层、多断块区域的层位自动追踪建模，也可以应用于噪声数据或不整合界面周围的层位提取，比以往的方法更加稳定、有效。由多属性数据进行自动拾取、解释的研究仍在推进[118-119]。深度学习可调整近偏移距地震层位解释方案以适合于远偏移距地震数据体，不确定性图可以帮助解释人员更容易地选择层位解释的最佳方案[120]。

5.2 断裂自动解释

3D卷积神经网络在断层自动解释中取得较好成果[121]，解释结果符合地震剖面上的地质特征。三维实际地震数据体断层解释实例中，断层位置的预测准确率为88%[122]。

数据重抽样(bootstrapping)机器学习法(卷积神经网络CNN、深度卷积生成对抗网络DCGAN等)进行断层解释[123]，有助于克服地震数据量大、解释结果(有标签的数据)少这种短期内不大可能改变的现实困难。

5.3 地震相自动解释

地震相自动化解释方法主要有自组织映射(SOM)、深度学习等。

SOM是基于无监督学习的神经网络算法。测井、地震资料解释结果表明，SOM能识别地震相，并且可预测储层的物性，更充分地表示输入地震资料的地质信息[124]。

深度学习方法区分不同的地震相，能在地震成像的地层图上以像素级别的分辨率进行自动解释。荷兰海上资料的自动定量解释结果接近人工解释[125]。

5.4 盐体自动解释

盐体边界通常不规则，手动解释耗时并且准确性可能不高。传统方法主要是选取盐体特征的敏感属性，用神经网络训练分类算法区分盐体与围岩，实现盐体分类。CNN用于盐丘顶界面自动解释的效果与人工解释相当，解释周期从大约一个月或更长时间减少到几个小时[126]。将DNA激励搜索算法与种子3D极值表面序列提取方法结合可以有效地进行盐体自动解释，在墨西哥湾的多客户地震数据中获得了成功应用[127]。

深度卷积神经网络(DCNN)技术刻画盐体的研究取得初步成果[128]，含有复杂侵入体的褶皱第三系盆地SEG-SEAM模型的合成资料DCNN数值测试结果与原始地震成像非常吻合，特别是在以往用地震属性较难分辨清楚的弱反射振幅区效果更好。

5.5 注意力机制等新技术

先进的图像处理和机器学习技术已经应用到地震解释中[129]，如在图像标注、机器翻译、语音识别等领域已取得较好应用成果的注意力机制模型(attention model,AM)。AM基于人类视觉系统，模仿和预测解释人员查看地震剖面的行为，利用记录到的人类观察自然场景时的眼球注视模式，用机器学习技术完成自动化的AM建模。实际资料应用表明，该方法能从大规模地震数据体中有效、准确地识别出断层、盐穹等重要构造，也具有识别其他地质特征的潜力[130]。基于视觉特征多通道结构理论的地震资料品质分析方法，实际资料应用效果基本符合主观评价结果[131]。

基于局部二值模式(local binary pattern，LBP)的图像纹理相似性也可用于辅助地震解释[132]，能够从地震数据体中选出关键地震剖面，建立非规则的网格，更容易地捕捉到地震资料的底层结构，更快、更准确地完成解释。实际资料的应用说明，该方法除了加速地震解释外，还可突出地震测量中的差异区域，或者用搜索到的相似性比较不同的3D地震数据。

5.6 自动化智能化技术的困难与未来

复杂地质情况下的地震采集、处理、解释的智能化仍需进一步攻关。

油气地球物理与深度学习等新技术相结合的主要困难在于：地球物理数据解释成果(特别是成功的实例)相对较少，也就是标签数据量小；各探区间地质、物探条件差异较大。相当长时间内这一现状还难以改观，能够克服这些实际困难的方法将脱颖而出。

此外，如何保证学习结果的质量，如何加入模型、生产数据等先验信息的约束，也是深度学习等应用于油气地球物理技术时必须考虑的。

自动化智能化物探技术，将在“单个方法技术”(如全波形反演)、“采集处理解释中的某一技术环节”(如断层识别等)、“整个物探作业链”等多个层面上并行发展，逐步形成一体化的智能化物探技术体系。

6 结论

在油价震荡、业主对方法技术的经济效益要求非常高的情况下，物探技术的作用仍然得到了油公司、油服公司的高度重视，发展物探技术是提高油气行业核心竞争力的战略选择。

(1)可控震源装备及激发技术的发展，为海上、陆上的多源地震等高效地震采集新技术提供了可能。高效采集大大缩短了采集周期、降低了成本，增加了信息冗余，有利于提高地震资料质量。

(2)采集理念的变化推动了宽频、宽(全)方位、高密度地震技术的发展。分布式震源组合(DSA)可能是下一代地震采集技术。节点地震技术发展前景广阔，与可控源高效激发技术、稀疏采集技术相结合，能够大大提高采集效率、降低采集成本。压缩感知、光纤传感器等其他领域新技术成果的引入，加速提升了地震技术的能效。

(3)各向异性偏移、最小二乘偏移与其他偏移技术的结合，是成像技术的研发热点。全波形反演在浅中层建模中应用效果显著。联合偏移反演是发展方向。

(4)在新的反演方法的支持下，地震解释技术由定性半定量发展为定量化解释，对油藏的描述更为精细、可靠。

(5)各向异性是地震理论研究热点，TORT等介质的参数化表达、波场模拟和分析、偏移成像、参数建模等，比以往使用的TTI等更加接近真实的各向异性。数字岩心是新型岩石物理技术，有助于更好地了解油藏，提高油气开发效率及采收率。

(6)自动化智能化物探技术研究热潮来袭，渗透到物探数据处理与综合解释、岩石物理研究、油藏表征等领域，将向整个物探作业链的一体智能化方向迅速发展。近期的重点是复杂地质条件下的地震智能化解释。