基于宽频资料的扩展弹性阻抗反演方法在陆丰22洼陷低勘探区古近系岩性预测中的应用

肖张波，雷永昌，于骏清，吴琼玲，杨超群

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518054)

0 引言

陆丰22洼为东沙隆起上受岩浆改造的残留洼陷，早期受限于二维地震资料的品质，认为文昌组沉积时水体相对较浅，主要以滨浅湖、扇三角洲及三角洲沉积为主，生烃能力有限。2018年加大勘探开发力度，对该区采集部署了三维地震资料，基于新三维资料良好的成像品质，深入解剖洼陷结构，综合地球化学模拟分析，认为陆丰22洼陷中心文昌组具有明显平行—亚平行地震相反射特征，具备中深湖相烃源岩发育条件，但由于该洼陷钻井少，地质资料缺乏，仅依靠地质分析来确定不同演化阶段沉积充填特征具有较强的不确定性。因此，如何在无井—少井区利用地震数据开展烃源岩及有利砂体预测对低勘探区具有重要意义。

地震反演技术是油气勘探开发过程中刻画地下岩性特征及分布范围的重要手段之一，其精度受地震资料主频、频带范围、低频模型精度和反演方法等多种因素控制[1]。对于海上勘探，一方面，海洋地震资料受鬼波影响，造成地震资料陷频现象，压制了地震资料低频和高频信息，尤其是低频成分的压制减小了原始地震信号的有效频宽，降低反演结果的保真度和精度，给后续地震资料解释和反演带来假象和干扰[2-4]。为丰富频带信息，使反演结果包含更多地质构造和岩性变化的信息，近几年，宽频地震采集处理技术得到了快速的发展及应用[5-7]。宽频地震资料不仅可以改善复杂区成像精度，提供更多的地层结构信息，而且其丰富的低频和高频信息大幅提升地震反演结果的准确性。另一方面，低频模型是构成反演结果信息的重要组合部分。在井网较密地区，利用测井资料可以弥补地震资料所缺失的频率信息[8-11]，反演的预测结果也相对可靠。但对于无井—少井区，难以利用测井先验信息得到初始低频模型将严重影响反演结果对岩性和含油气性的准确识别，降低反演的可靠性。目前对于无井—少井区的低频模型构建研究相对较少。

从反演方法上，针对深部地层岩石物理关系复杂，地震资料信噪比低，利用常规叠后波阻抗反演难以得到反映正确岩性的信息。随着AVO技术的快速发展，利用不同入射角的叠前地震资料直接估计地下弹性参数已经成为储层描述的主要方法[12-14]。但基于Zoeppritz方程或其近似式的叠前反演对道集资料质量要求较高，限制了其在复杂地质背景下储层研究的应用。Connolly提出的弹性阻抗反演使用不同偏移距的部分叠加资料[15]，与AVO反演方法相比，具有抗噪声能力强、稳定性好等优点[16]。一方面，可以避免由于忽略小波变换而引起的累积误差。另一方面，弹性阻抗包含了比叠后阻抗更丰富的地球物理信息。Whitcombe进一步对Connolly 的弹性阻抗公式进行归一化和优化，提出直接用于岩性、物性和流体预测的扩展弹性阻抗，明确了量纲，为提高储层弹性参数的准确性和稳定性提供了新的解决方案[17-18]。近几年，国内诸多学者针对弹性阻抗理论及应用展开了大量研究，弹性阻抗技术逐步成熟并在实际生产中广泛应用，成为岩性、储层预测的有效手段[19-21]。

海上无井—少井区勘探存在的现实问题，严重制约了低勘探区烃源岩和储层的预测工作。 本文从宽频处理和低频融合建模两个方面，补偿地震资料缺失的低频信息，丰富频带信息，降低地震反演对测井资料的依赖，提高预测的可靠性，在此基础上应用扩展弹性阻抗反演方法充分挖掘叠前道集资料，提升反演对岩性的分辨能力及可信度。

1 基于宽频资料的扩展弹性阻抗反演

1.1 技术流程

无井—少井条件下的宽频地震反演技术以宽频处理地震资料为基础，利用层析速度与有色反演结合建立反演低频模型，最后通过扩展弹性阻抗反演，获得反映岩性的弹性信息，开展古近系低勘探区岩性预测研究，反演技术流程如图1所示。

图1 宽频地震无井反演技术流程Fig.1 Technical flowchart of well-free broadband seismic inversion

1.2 宽频地震处理技术

模型分析表明，地震数据低频波场成分能够有效降低反演结果的多解性，低频分量的增加可减少子波旁瓣的影响，提高岩性预测的可靠性和解释的精度。在海洋地震勘探中，受鬼波陷波影响，地震资料频带窄，低频成分被压制，给地震资料的解释和反演造成了一定的困难。为了避免鬼波陷波影响，拓宽地震资料频带宽度，减少子波旁瓣的影响对资料的影响，本文应用自适应鬼波压制技术消除鬼波影响，经过反Q滤波、时空变振幅谱补偿拓频等一系列处理，补偿高低频段地震信息，拓宽地震数据频带，突出地震资料主频，为后续反演奠定资料基础。

从图2常规处理资料和宽频处理资料对比可知：常规资料频带窄，反射轴无法有效区分弱红轴—强红轴，分辨率较低(图2a)。而宽频资料频带信息丰富，反射轴能明显区分弱红轴—强红轴(蓝圈处)，反射特征清晰(图2b)。从频谱分析结果来看(图3)，宽频处理资料频带范围可达4～70 Hz，其中4～10 Hz低频成分保持较好，整体频带较宽。常规处理资料频带范围9～60 Hz，高低频信息被限制，频带较窄。

图2 常规处理地震资料(a)与宽频处理地震资料(b)对比Fig.2 Comparison of seismic section processed by conventional(a) and broadband processing(b) methods

图3 常规处理资料与宽频处理资料频谱分析对比Fig.3 Comparison between amplitude spectrum of conventional seismic data and broadband seismic data

对比宽频处理资料与常规处理资料的反演结果可知(图4)，宽频地震资料低频信息丰富饱满，频带宽，反演结果和钻井的吻合度高，灰岩和厚层砂岩均能够精确识别(图4b)。而缺少低频信息的地震资料保真度明显降低，厚层砂岩特征变差，泥岩隔层偏厚，与实际井吻合度低(图4a)。由此说明，低频成分的保持对反演结果的保真度起到关键作用。另外，拓宽地震资料频带范围不仅可以改善地下复杂结构成像精度，而且大幅提升地震反演结果准确性，使得沉积层序解释结果更可靠，其丰富的高频和低频信息可以充分发挥地震反演的技术优势，为地质研究提供可靠依据。

图4 常规处理资料(a)与宽频处理资料(b)反演剖面对比Fig.4 Comparison of seismic data inversion section processed by conventional(a) and broadband(b) processing methods

1.3 高精度低频模型构建技术

目前地震资料反演大多基于模型反演，精确的低频模型是反演成功的关键因素。常规地震数据中缺少低频信息，只能从测井资料中提取低频分量，然后与地震资料反演的相对波阻抗融合，得到绝对波阻抗。针对本区无井—少井的问题，充分依托处理解释一体化的优势，利用高精度层析反演速度和有色反演相结合，建立研究区反演约束模型，解决常规地震反演利用测井对初始模型精度过度依赖问题。

模型建立步骤(图5)如下：①将层析成像得到的背景速度，利用区域经验公式转换为反演所需的初始阻抗模型。初始阻抗模型虽然在空间分布趋势上比较准确，但细节表现较差(图5a)；②利用叠后有色反演计算相对波阻抗。该反演方法不依赖子波，避免了空间上子波变化造成的影响，对井和初始模型依赖度小，反演人为影响因素小，全局优化可以高精度地求取较大时窗内的相对波阻抗，纵向分辨率比约束稀疏脉冲反演高，客观反映地质现象(图5b)。③在频率域，将上述两步得到的初始低频模型和有色反演相对约束模型合并，获得趋势准确、细节清楚的最终低频约束模型(图5c)。利用高精度层析反演速度和有色反演相结合的低频模型精度较高，在缺少测井等先验信息的情况下也能够满足反演要求。

a—初始低频约束模型;b—相对低频约束模型;c—最终低频约束模型a—initial low frequency constraint model;b—relative low frequency constraint model;c—final low frequency constraint model图5 低频约束模型构建流程Fig.5 Construction flowchart of low frequency constraint model

1.4 扩展弹性阻抗反演

在反演低频模型建立的基础上，为进一步提升反演对岩性的分辨能力及可信度，充分挖掘叠前道集资料，避免叠后资料反演提供的信息有限。2002年Whitcombe等在Connolly弹性波阻抗(EI)概念[15]研究基础上继续发展改进,提出了相对于常规叠前反演结果具有较高的信噪比及稳定性的扩展弹性阻抗反演方法(EEI)[17-18]。扩展弹性阻抗反演(EEI)是将声阻抗和梯度阻抗在极坐标中进行角度旋转，从而拟合岩石的弹性参数(如横波阻抗、纵横波速度比等)或储层物性参数等。

Whitcombe基于弹性波阻抗理论提出的直接用于岩性、物性和流体预测的扩展弹性阻抗反演方法，其理论基础是振幅随偏移距变化的AVO理论。

扩展弹性阻抗简单的推导过程如下：

1)经典的弹性阻抗理论为简化的Zeoppritz方程，当入射角小于30°时，反射系数可以表示为Aki-Richards的简化公式：

R(θ)=A+Bsin2θ，

(1)

式中：A为截距，B为梯度，θ为入射角。

2)根据弹性反射系数，将弹性阻抗值归一化到声波阻抗量纲上，得到了弹性阻抗和声波阻抗、梯度阻抗相关的函数表达式：

EI=AI+GIsin2θ，

(2)

式中：AI为声波阻抗，GI为梯度阻抗，θ为入射角。

3)AI×GI空间域内的坐标旋转，即将式(2)乘以cosα因子，可以获得一系列的弹性阻抗，将其定义为扩展的弹性阻抗(EEI)，其方程表达式为：

EEI(α)=AIcosα+GIsinα，

(3)

式中，α为旋转角度，其与入射角θ之间存在相互对应的等效关系，公式为：

tanα=sin2θ。

(4)

通过梯度阻抗和声波阻抗的坐标旋转，寻找合适的旋转角度α，可以拟合多种岩石物理弹性参数(纵横波速度比、体积模量、泊松比等)或储层参数(泥质含量，孔隙度等)，且具有很好的相关性(相关系数接近1)。因此，可以利用上述特征，通过扩展的弹性阻抗进行岩性、物性及流体预测，关键是寻找最优的旋转角度α。

2 应用实例

陆丰22洼为东沙隆起上受岩浆改造的残留洼陷，由于该洼陷钻井少、地质资料缺乏，烃源岩及优质储层如何展布成为该区勘探评价的关键问题。本文从周边洼陷已钻井分析入手，基于宽频地震资料，研究应用扩展弹性阻抗体对新区烃源岩及有利砂体进行平面展布预测。

2.1 最优敏感曲线弹性参数的计算

由于本研究区古近系无钻井，难以通过岩石物理规律分析明确岩性和物性的敏感弹性参数。因此，借鉴具有相同构造沉积演化背景的陆丰13洼的已钻井进行最优敏感曲线弹性参数计算。首先根据LF-A-1井实测的纵横波速度和密度曲线，利用式(3)计算出不同旋转角度对应的扩展弹性阻抗曲线，将其分别与TOC曲线、孔隙度作相关分析，即得到相关系数随旋转角度的变化趋势。图6相关性分析表明:当旋转角度α=25°时，EEI(25°)与TOC曲线相关系数最大(蓝色曲线)，达到0.87。当旋转角度α=40°时，EEI(40°)与孔隙度曲线相关系数最大(红色曲线)，达到0.8。图7为坐标旋转后构建的扩展弹性阻抗曲线与TOC、孔隙度的对比图，可以看出，在烃源岩层段高TOC对应低扩展弹性阻抗，在储层段高孔隙度对应低扩展弹性阻抗，说明扩展弹性阻抗能够较好地反映孔隙度和TOC的变化。

图6 不同角度EEI与TOC，孔隙度相关性分析Fig.6 Analysis of the correlation between EEI and TOC，porosity at different rotation angles

图7 不同旋转角度EEI曲线与TOC曲线，孔隙度曲线的对比Fig.7 Comparison of EEI curve,TOC curve and porosity curve with different rotation angles

2.2 扩展弹性阻抗转换为物性参数

基于上述相关性分析，进一步建立扩展弹性阻抗和TOC、孔隙度之间的量化关系(图8)，实现由弹性参数转换为物性参数。

烃源岩方面，陆丰南地区多口井钻遇了文四段烃源岩，岩性主要为暗色—暗灰色厚层泥岩，通过对多口井的岩屑和取心资料进行地球化学实验分析(表1)认为，文四段烃源岩TOC大于1.70%为中等—很好烃源岩。从图8a分析可知，当扩展弹性阻抗EEI(25°)小于9.2×106kg·m-3·m·s-1时，TOC含量普遍大于1.70%，具有优质烃源岩特征。利用两者的拟合关系：TOC=-7.458×10-7×EEI(25°)+8.8721，实现扩展弹性阻抗转换为烃源岩TOC。

图8 扩展弹性阻抗EEI与TOC(a)、孔隙度(b)交会关系Fig.8 Extended elastic impedance EEI corresponding to TOC(a) and porosity(b)

表1 陆丰凹陷文四段烃源岩地球化学参数特征Table 1 Geochemical parameters of source rocks in WC4 of Lufeng sag

孔隙度方面，结合储层岩石学特征、成岩作用及优质储层主控因素研究，陆丰南地区古近系文昌组岩石类型为岩屑质石英砂岩,储层孔隙主要由原生孔和次生孔构成[23]，具有经济产能的储层孔隙度普遍大于9.42%。从图8b可知，当扩展弹性阻抗EEI(40°)小于9 000 kg·m-3·m·s-1时，孔隙度普遍大于9.42%，具有优质储层特征。通过弹性阻抗和孔隙度的拟合关系式：φ=-1.009×10-3×EEI(40°)+19.62，实现储层物性孔隙度参数的定量预测。

2.3 烃源岩预测及分布特征

图9为过实钻井扩展弹性阻抗反演获得的EEI(25°)数据体，由反演可以看出陆丰22洼在文三、文四段发育一套稳定且具有明显低阻特征的地层。从后验井LF-H地球化学录井图(图10)可知，该井在文三、文四段实钻了近250 m中深湖相暗色泥岩，其揭示的岩性特征以及泥岩发育情况与预测结果非常吻合。TOC含量0.64%～3.75%，平均值为2.0%，为中等—好烃源岩。

图9 扩展弹性阻抗EEI(25°)反演剖面Fig.9 Extended elastic impedance EEI(25°) inversion section

图10 LF-H井地球化学录井Fig.10 Geochemical logging map of LF-H well

结合陆丰地区的烃源岩特征，陆丰22洼烃源岩门槛值为扩展弹性阻抗EEI(25°)小于 9.2×106kg·m-3·m·s-1，由此得到文三、文四段烃源岩厚度分布(图11a)，由图11a可知，陆丰22洼在文三、文四段沉积期相对湖平面持续上升，烃源岩分布广泛，泥岩厚度大于200 m的面积约为105 km2。从厚度上看陆丰22洼主要存在东西两个沉降中心。由扩展弹性阻抗转换得到的文三、文四段烃源岩TOC含量分布(图11b)可知，东次洼TOC含量整体较西次洼高，这也符合东次洼埋藏更深，有机质更容易成熟的认识，烃源岩潜力更大。另外与实钻井的TOC吻合性较好，说明本方法的可靠性。

a—文三段+文四段烃源岩厚度;b—文三段+文四段烃源岩TOC含量分布a—source rock thickness map of WC3+WC4;b—TOC content distribution of source rocks in WC3+WC4图11 文三段+文四段烃源岩分布Fig.11 Distrbution map of source rock in WC3+WC4

2.4 有利砂体预测

图12为扩展弹性阻抗反演EEI(40°)获得的砂体预测剖面，从反演结果可以看出在1号和2号位置(黑圈)存在相对低阻特征的砂体，横向发育较稳定，而3号位置(黑圈)砂体阻抗较高，连续性较差。从砂体平面属性(图13a)及孔隙度分布(图13b)可以看出，陆丰22洼陷南部缓坡带砂体发育，其属性特征表现为低阻抗(扩展弹性阻抗小于9 000 kg·m-3·m·s-1)、高孔隙度(孔隙度大于9.42%)，综合沉积分析及陆丰其他地区优质储层特征认为南部缓坡带主要发育辫状河三角洲沉积体系，砂体搬运距离长，分选磨圆好，储层物性好。而北侧近控洼断裂陡坡带平面属性表现为高阻抗(扩展弹性阻抗大于10 000 kg·m-3·m·s-1)、低孔隙度(孔隙度小于8%)特征，沉积分析认为北侧为陡坡扇体沉积体系，近物源快速堆积，分选磨圆较差，优质储层不发育。该方法预测的平面特征与沉积认识相符合，南部缓坡带辫状河三角洲优质储层具有较大勘探潜力。

图12 扩展弹性阻抗EEI(40°)反演剖面Fig.12 Extended elastic impedance EEI(40°) inversion section

a—砂体均方根属性;b—砂体孔隙度平面分布a—the root mean square attribute of sandstone;b—plane distribution of sandstone porosity图13 砂体平面分布特征Fig.13 Plane distribution characteristics of sandstone

3 结论

基于宽频处理的地震资料，拓宽了地震资料频带范围，丰富了高频和低频信息，不仅改善了地下复杂结构成像精度，而且大幅提升地震反演结果的准确性。

针对无井—少井低勘探区中深层反演，低频模型构建难度大且中深层地震资料照明不足，缺乏大偏移距信息，使得岩性预测多解性强。本文利用高精度层析速度与有色反演相结合构建低频模型，引入扩展弹性阻抗反演技术， 通过坐标旋转构建TOC、孔隙度敏感参数，宽频资料丰富的低频信息增加了反演结果的可靠性。实际应用表明扩展弹性阻抗和TOC、孔隙度具有较好的相关性，反演成果与钻探认识、地质认识吻合较好，有效识别了优质烃源岩和优质储层的分布，为低勘探区中深层岩性预测提供了技术支持。该方法能够充分利用叠前信息，同时降低了低信噪比区对地震道集的苛刻要求，对深层岩性研究具有一定的借鉴意义。