CN101937101B - 一种鉴定能否实施时移地震的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鉴定能否实施时移地震的方法。本发明提供的方法，包括以下步骤：获得油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；获得实际地震资料中的噪音水平；比较所述能量变化差异与所述噪音水平，如果所述能量变化差异大于所述噪音水平，说明可以实施时移地震。通过模拟能量变化和信噪比分析的结果对比，可以看出实施例中的气田由于压力下降等油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化(13.3％)远高于该地区的噪音水平(2.9％)。因此认为该气田目前可以实施时移地震。

Description

一种鉴定能否实施时移地震的方法

技术领域

本发明涉及一种鉴定能否实施时移地震的方法。

背景技术

时移地震是油藏监测的有效手段，但并不是所有的油田都适合时移地震。时移地震可行性分析是时移地震技术应用的基础。对一个油气田进行时移地震技术的应用之前，必须要进行时移地震的可行性分析。时移地震可行性分析的结果可以告诉我们该目标油田当前是否适合时移地震。

目前时移地震可行性评价都是依据模型分析的结果。基于地下地质结构和油藏开发前后相应的地球物理物性参数建立的模型，通过正演可以模拟地震波在地下介质中的传播规律，并合成地震记录。由此可以得到由于油藏参数变化引起的地震响应的变化。

但是模型分析是一种理想情况。由于实际地震资料中含有由涌浪、平台等噪声源产生的各种随机噪音以及地震数据采集过程中产生的采集脚印等相干噪音，所以时移地震可行性评价得到的基于模型分析的地震响应变化必须要考虑噪音的影响。但是模型分析如何和实际资料相结合，目前尚无资料可查。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鉴定能否实施时移地震的方法。

本发明提供的方法，包括以下步骤：

获得油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；获得实际地震资料中的噪音水平；比较所述能量变化差异与所述噪音水平，如果所述能量变化差异大于所述噪音水平，说明可以实施时移地震；

其中：获得油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异包括如下1)-3)的步骤：

1)在两个时间点分别进行下述步骤获得两次地震数据：测定目标区域的地层基本参数；制作所述目标区域的油藏剖面，依据所述油藏剖面建立所述目标区域的地层剖面模块；根据所述地层基本参数和所述地层剖面模块得到所述目标区域的地震数据1a)或1b)：1a)纵波速度和密度的两个数据体；1b)纵波速度、横波速度和密度的三个数据体；

2)利用声波方程，将步骤1)中的两次地震数据换算为两次地震响应记录；

3)利用下述公式5将步骤2)中的两次地震响应记录换算为所述油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；

$K_o=\frac{\mathrm{\Σ}{(A_{s1}-A_{s2})}^2}{\mathrm{\Σ}{A}_{s1}^2}---\left(5\right)$

公式5中，A_s1是模拟的第一次的的地震响应记录，A_s2是模拟的第二次的地震响应记录，∑表示储层时窗内求和，K_o是油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；

其中，获得实际地震资料中的噪音水平包括如下a)-c)的步骤：

a)采集实际地震资料(地震波的振幅)

b)针对步骤a)得到的资料进行处理得到二维地震剖面；

c)通过SVD滤波方法对步骤b)得到的二维地震剖面进行处理，计算出该实际地震记录的有效信号剖面和噪声剖面，然后利用公式14计算得到实际地震资料中的噪音水平；

$K_n=\frac{\mathrm{\Σ}{A}_n^2}{\mathrm{\Σ}{A}_r^2}---\left(14\right)$

公式14中，A_n是从实际地震剖面中分离出的噪音记录，A_r是实际地震记录，∑表示储层时窗内求和，K_n是地震资料的噪音水平。

上述步骤a)的实际地震资料与上面步骤1)的地震数据的关系：是步骤1)是基于地下油藏剖面建立地质-地球物理模型，通过正演模拟得到地震记录，从而建立和实际地震资料之间的联系。

上述步骤1)中，所述地层基本参数可以是孔隙度、压力、含水饱和度、含气饱和度和/或含油饱和度。上述的鉴定能否实施时移地震的方法在油藏监测中的应用也属于本发明的保护范围之内。

通过模拟能量变化和信噪比分析的结果对比，可以看出实施例中的气田由于压力下降等油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化(13.3％)远高于该地区的噪音水平(2.9％)。因此认为该气田目前可以实施时移地震。时移地震能量的变化大于噪音水平，就认为可以实施时移地震。本发明的创新之一就在于将基于油藏模型的时移地震能量变化模拟出来，并将此能量变化与实际地震资料的噪音水平联系起来，由此形成的时移地震可行性分析方法将为大家今后的时移地震可行性分析工作提供重要的参考。

附图说明

图1是油藏剖面与地层剖面模块图，A是油藏剖面，也是2003年和2008年的孔隙度剖面；B是地层剖面模块；C是压力剖面(从上之下依次为2003年和2008年)；D是含气饱和度剖面(从上之下依次为2003年和2008年)。

图2是纵波速度、横波速度和密度的模型，A是纵波速度(从上之下依次为2003年和2008年)，B是横波速度(从上之下依次为2003年和2008年)、C是密度(从上之下依次为2003年和2008年)。

图3为格子法局部网格。

图4为正演模拟得到的地震记录，A是基于2003年地质-地球物理模型得到的叠前单炮记录，B是基于2008年地质-地球物理模型得到的叠前单炮记录，C是A和B的差。

图5为实际地震资料的信噪比分析，a是实际地震资料叠后剖面(去噪前)b是实际地震资料叠后剖面(去噪后)，c是噪音剖面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1、时移地震可行性分析

一、基于模型的正演模拟分析

1.地质-地球物理模型的建立

在进行地震数值模拟时，必须首先建立地质-地球物理模型。准确的地质-地球物理模型是地震数值模拟的基础。

1)建立地层剖面模块

用femlab软件依据研究区块的油藏剖面(图1A)建立研究区块地层剖面模块(图1B)。其中油藏剖面是在ECLIPSE数值模拟软件中，针对目标地质模型，经过数值计算，可以输出任意开发阶段、任意剖面的网格属性参数(孔隙度、渗透率、饱和度、压力、油藏深度等)，带有不同属性值的剖面图即为油藏剖面图。

2)输入基本参数

测定待测地层的基本参数(孔隙度Por、压力Pp、含水饱和度Sw、含气饱和度Sg、含油饱和度So)，依次为各个小区块(如图1B中依据图1A中不同颜色建立的块体)输入基本参数，从而输入到步骤1)建立好的地层剖面模块(图1B)中。

其中孔隙度剖面如图1A(2003年和2008年这个两次时间的孔隙度剖面一样)，图1C是压力剖面(上图为2003年，下图为2008年)，图1D是含气饱和度剖面(上图为2003年，下图为2008年)

3)测井统计

(1)根据测井数据，区分砂层和泥层，分别统计出砂层和泥层的泥质含量SH和孔隙度Por的关系。

(2)对于砂层，根据其流体情况，应用流体替换技术，把砂岩的纵波速度Vp和密度ρ数据转化为饱水砂岩的纵波速度Vp_Sat和密度ρ_sat，统计出纵波速度Vp_Sat和密度ρ_sat与孔隙度Por的关系；对于泥层，直接统计出其纵波速度及密度与孔隙度间的关系。

(3)对于砂层，应用泥岩公式得到饱水砂岩的横波数据Vs_Sat与纵波速度Vp_Sat的关系；对于泥层，应用泥岩公式得到岩石横波数据和纵波速度的关系。

4)模型计算

对于砂岩，将步骤3)统计出的泥质含量、饱水砂岩的纵横波速度及密度(Vp_Sat，Vs_Sat，ρ_sat)公式输入到建立好的地层剖面模块中，应用流体替换插值计算得到实际地层的纵横波速度和密度数据(Vp，Vs，ρ)；对于泥岩，步骤3)统计出的纵横波速度及密度即为实际地层数据。(纵波速度如图2A，横波速度如图2B、密度如图2C)。

重复上述步骤同时考虑压力变化的影响，可得到第二次(2008年)的实际地层数据(纵波速度、横波速度和密度)。

2.地震波场正演模拟计算

在地下介质结构模型和相应物理参数已知的情况下，基于声波方程模拟研究地震波在地下各种介质中的传播规律，并计算在地面或地下各观测点所接收到的地震响应记录。

1)基于“格子法”的叠前地震模拟方法

波动方程全离散的数值模拟方法可正确模拟介质非均匀和复杂的表面和界面形状的影响，因此在地震勘探方法研究中有特别重要的价值。现行的全离散数值模拟方法更多的基于规则网格离散的算法，如有限差分法、伪谱法等。可使用非规则网格离散的方法包括有限元法、谱元法等。格子法是一类新的非规则网格离散方法，它即可利用非规则和非结构化网格精细刻画复杂介质界面和表面，又和规则网格离散的差分法有相当的计算量。

结合格子法，吸收边界条件采用基于局部坐标系下***方程的非规则网格PML方法，这种吸收边界条件即可提升基于非规则网格离散的地震波模拟方法，特别是格子法的应用效果，又可通过灵活地确定人工边界，减少计算区域。

声波格子法的核心是建立局部坐标系下的***声波方程和基于积分近似的微分方程弱形式。

为更好地处理介质的非均匀，声波格子法使用的声波方程如下：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}(x,z)c^2(x,z)}\frac{{\∂}^{2}P}{{\∂t}^2}=\▿\·(\frac{1}{\mathrm{\ρ}(x,z)}\▿P)---\left(1\right)$

式中P是压力，ρ和c是介质的密度和速度。格子法的核心是在非规则网格下，给出式(1)的基于积分近似的空间离散(弱)形式；为便于精细刻画复杂构造，一般采用由三角形构成的非规则、非结构化网格。以图3中节点k为例，在虚线包围的k节点邻域对式(1)作面积分，得：

(2)

式中是m绕节点k的三角形个数，s_il是在各个三角形中的虚线段。利用动力学计算中的集中质量模型，即假设沿表面分布的1/ρc²被集中到各节点，式(2)左端的面积分可近似为

Q_k是k点邻域各三角形中∫∫_Ω1/ρc² dxdz之值总和的三分之一。数值计算中三角形单元中的插值函数总是线性的，因此在各三角形单元中

和

是常量，可用三角形差分算子基于节点上的P值计算。基于上述两点，可得到式(2)的基于积分近似的空间离散(弱)形式：

$Q_k{\left(\frac{{\∂}^{2}P}{{\∂t}^2}\right)}_k=\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(\mathrm{\ρ}\right)}_l}{\left(D_{x}P\right)}_l{\left(b_k\right)}_l-\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(\mathrm{\ρ}\right)}_l}{\left(D_{z}P\right)}_l{\left(a_k\right)}_l---\left(3\right)$

式中下标1表明量是对应绕节点k的第1个三角形，b_k和a_k是三角形单元的几何参数，其值是该节点对应的边长在坐标轴上投影的二分之一；以图3中的三角形单元ijk为例，b_k＝(z_i-z_j)/2，a_k＝(x_i-x_j)/2；D_x和D_z是三角形差分算子，基于三角形单元的几何参数，可表达为如下简单的形式：

$\begin{array}{cc}{D}_{x}P=-\frac{1}{A}\underset{r=i,j,k}{\mathrm{\Σ}}{b}_r{\left(P\right)}_r& D_{z}P=\frac{1}{A}\underset{r=i,j,k}{\mathrm{\Σ}}{a}_r{\left(P\right)}_r\end{array}---\left(4\right)$

式中下标r代表三角形的三个节点，A是三角形的面积。

给定t时刻各节点上的P，可由(2)式求得各节点上P的二阶时间导数，基于时间域三中心差分公式，可由t-Δt和t时刻的P，求得t+Δt时刻的P，这就完成了P在时间上的更新。数值计算中仅利用了三角形的几何参数，若事先计算并存储这些几何参数，采用规则和非规则网格将不改变计算量；而对一组相等的三角形，仅需存储一组几何参数，因此所需存储量也不大。

2)基于模拟的时移地震能量变化计算

地下波场的压力信息在地面经检波器接收后转为振幅信息。由于波所传播的能量与波的振幅平方成正比。所以，地震剖面时窗内各个样点的振幅的平方和就代表了地下某段地层的反射波能量的相对大小。时移地震前后两次采集资料的差值是由噪音和油藏变化等因素共同导致的。因此，需要比较油藏变化引起的地震记录的差异与噪音能量的相对大小。根据实际生产数据模拟油藏变化前后的地震反射记录差，该差值不含噪音影响，其能量(以下均指振幅平方和)与模拟的油藏变化前的对应时窗内的能量比值K_o反映了油藏变化引起能量变化的相对大小。具体计算方式如下：

$K_o=\frac{\mathrm{\Σ}{(A_{s1}-A_{s2})}^2}{\mathrm{\Σ}{A}_{s1}^2}---\left(5\right)$

其中，A_s1是模拟的油藏变化前(2003年)的地震记录，A_s2是模拟的油藏变化以后(2008年)的记录，∑表示储层时窗内求和。

结果得到油藏开发前后两次的叠前地震单炮记录(图4A和图4B)，以及相应的由油藏变化引起的地震记录的差异(图4C)。由目的层段的地震信号能量差异，可以得到能量变化的百分比是13.3％。

二、实际地震资料的信噪比分析

1)SVD(奇异值分解)去噪方法：

SVD是近年来引入地震资料处理中的一种新的去噪方法，它已在地震资料处理中得到了广泛应用。这种方法可保留某一方向(如水平方向)的相干信号，压制不相干噪音及其它方向的波。其优点是不要求数据是均匀采样；几乎不损失信号的动力学特征。

具体实现原理如下：

设地震记录有M个道，每个道有N个采样点，这个地震记录的数据可用一矩阵X表示。

X＝[x_ij]，i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N           (6)

其中i表示道号，j表示采样点序号。根据矩阵理论，任何一个M×N矩阵都可以作正交分解，即：

X＝U∑V^T    (7)

U和V分别为M×M和N×N阶正交矩阵，∑为M×N矩阵。若矩阵U的诸列是由协方差阵XX^T的各特征向量(M维)所组成，V由X^TX的各特征向量(N维)组成，则∑为M×N对角阵，主对角元素由X的奇异值σ_i(XX^T或X^TX的第i个特征值λ_i的非负平方根)组成，非对角元素全为零，这时称(7)式为矩阵X的奇异值分解。

(7)式也可以写成

$X=\mathrm{U\Σ}{V}^T$

          (8)

$=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{u}_i{v}_i^T$

这里r为矩阵X的秩，u_i为XX^T的对应于σ_i的特征向量，v_i为X^TX对应于σ_i的特征向量。

是一个M×N矩阵，称为X的第i个特征向量。显然，矩阵X的奇异值分解式是不唯一的。为了使用上的方便，我们规定对角阵∑的对角元素按递减的顺序排列，即：

σ₁＞σ₂＞…＞σ_r＞0

当M道相互独立时，r＝min(M，N)，一般情况下，r≤min(M，N)。矩阵X的Frobenius范数定义为：

${\left|\right|X\left|\right|}_F={\left(\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{\left|x_{\mathrm{ij}}\right|}^F\right)}^{1/F}---\left(9\right)$

取F等于2，上式变为

${\left|\right|X\left|\right|}_2={\left(\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{\left|x_{\mathrm{ij}}\right|}^2\right)}^{1/2}---\left(10\right)$

由(10)式知，矩阵的F范数(当F＝2时)实际上反映了M道地震记录的总能量。可以证明，

${\left|\right|X\left|\right|}_2^2=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2---\left(11\right)$

(11)式表明，M道地震记录的总能量，等于X的协方差矩阵特征值(或X的奇异值的平方)之和。

设M＜N，当M个地震记录道线性无关时，σ_j(j＝1，2，…，M)均不为零。所以X的完全重构需要所有的特征向量。当X的M个地震记录道线性相关时，则仅σ₁不为零，X的完全重构只需要第一个特征向量。地震道相关性越好，重构该记录所需要的特征向量就越少。

如果仅用前P个特征向量近似重建X，重建的地震记录为X_P，则：

$X_P=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{u}_i{v}^T---\left(12\right)$

X_P的总能量为：

${\left|\right|X_P\left|\right|}_2^2=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^2---\left(13\right)$

通过SVD滤波方法对一条二维地震剖面(图5A)(地震剖面是经过地震资料采集，然后处理得到的)进行处理。

2)实际地震资料的信噪比分析

通过上述计算，可以得出该实际地震记录的有效信号剖面(图5B)和噪声剖面(图5C)。从实际地震资料中分离出噪音，就可以计算目的层时窗内噪音能量与地震原始记录能量的比值K_n，也就反映了该地震资料的噪音水平。计算方法如下：

$K_n=\frac{\mathrm{\Σ}{A}_n^2}{\mathrm{\Σ}{A}_r^2}---\left(14\right)$

A_n是从实际地震剖面中分离出的噪音记录(也就是实际地震记录的噪声剖面)，A_r是实际地震记录(实际地震记录的有效信号剖面)，∑表示储层时窗内求和。根据上述方法可以得到实际地震资料目的层段的噪音水平是2.9％。

三、时移地震可行性分析

通过正演模拟计算可以得到目的层段所在时窗内，由油藏变化引起的有效信号变化的百分比。通过信噪比分析可以得到目的层段的噪音水平(百分比)。

将目的层段该时窗内的噪声水平同有效信号变化的百分比进行比较，如果有效信号变化的百分比高于噪声水平，那么从理论上就认为可以实施时移地震。当然，有效能量的变化同噪声水平相比，越显著就越适合时移地震。

本实施例中通过模拟能量变化和信噪比分析的结果对比，可以看出该气田由于压力下降等油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化(13.3％)远高于该地区的噪音水平(2.9％)。因此认为该气田目前可以实施时移地震。

Claims (3)

1.一种鉴定能否实施时移地震的方法，包括以下步骤：

获得油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；获得实际地震资料中的噪音水平；比较所述能量变化差异与所述噪音水平，如果所述能量变化差异大于所述噪音水平，说明可以实施时移地震；

其中：获得油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异包括如下1)-3)的步骤：

1)在两个时间点分别进行下述步骤获得两次地震数据：测定目标区域的地层基本参数；制作所述目标区域的油藏剖面，依据所述油藏剖面建立所述目标区域的地层剖面模块；根据所述地层基本参数和所述地层剖面模块得到所述目标区域的地震数据1a)或1b)：1a)纵波速度和密度的两个数据体；1b)纵波速度、横波速度和密度的三个数据体；

2)利用声波方程，将步骤1)中的两次地震数据换算为两次地震响应记录；所述声波方程为下述公式(1)，式中P是压力，ρ(x，z)和c(x，z)是介质的密度和速度；t是时间；

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}{(x,z)c}^2(x,z)}\frac{{\∂}^{2}P}{\∂t^2}=\▿\·(\frac{1}{\mathrm{\ρ}(x,z)}\▿P)---\left(1\right)$

3)利用下述公式(5)将步骤2)中的两次地震响应记录换算为所述油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；

$K_o=\frac{\mathrm{\Σ}{(A_{s1}-A_{s2})}^2}{\mathrm{\Σ}{A}_{s1}^2}---\left(5\right)$

公式(5)中，A_s1是模拟的第一次的的地震响应记录，A_s2是模拟的第二次的地震响应记录，∑表示储层时窗内求和，K_o是油藏参数变化引起的地震有效信号的能量变化差异；

其中，获得实际地震资料中的噪音水平包括如下a)-c)的步骤：

a)采集实际地震资料；

b)针对步骤a)得到的资料进行处理得到二维地震剖面；

c)通过SVD滤波方法对步骤b)得到的二维地震剖面进行处理，计算出实际地震记录的有效信号剖面和噪声剖面，然后利用公式(14)计算得到实际地震资料中的噪音水平；

$K_n=\frac{\mathrm{\Σ}{A}_n^2}{\mathrm{\Σ}{A}_r^2}---\left(14\right)$

公式(14)中，A_n是从实际地震剖面中分离出的噪音记录，A_r是实际地震记录，∑表示储层时窗内求和，K_n是地震资料的噪音水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述地层基本参数为如下a1)-a3)中任一种：

a1)孔隙度、压力、含水饱和度和含气饱和度；

a2)孔隙度、压力、含水饱和度和含油饱和度；

a3)孔隙度、压力、含水饱和度、含气饱和度和含油饱和度。

3.权利要求1或2所述的方法在油藏监测中的应用。

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