地震反演方法

地震反演的分类方法依其不同的目的有不同的分类方法。在地震反演的发展初期，地 震反演基本上分为叠前反演和叠后反演两大类（王延光，2002）。后来随着叠后反演技术 研究的深化，形成了许多不同的反演方法，并在实践中获得了很大的成功，成为储层预测 中不可缺少的标准流程之一，因而针对叠后反演出现了许多不同的分类。形成这么多不同 的反演方法的基本原因是：当从一个地震道中消除子波来获得一个合理的反射系数序列 时，有多种答案，即解不是唯一的（Rebecca，2002）。

所以一般反演都会以某种方式或条件约束答案，因此得到了在地震频带内通常能相对 正确反演地震数据的宽频带结果。因而，约束条件和频率恢复结果的不同，算法也不同。

最基本的反演方法可以分为基于道的反演方法和基于模型的方法（姚逢吕，2000）。基于道的算法是最早研究的波阻抗反演方法，包括基于递归或道积分的算法。这些方法中 地震道是唯一的输入，因而计算简单且速度很快。但是其结果局限于地震数据带宽的范围 内，因为隐含的子波没有被消除，调谐和子波旁瓣效应没有降低，因而其使用具有很大的 局限性。基于模型的波阻抗方法实际上就是以测井资料特别是声阻抗资料（一般从密度 及速度测井资料获得）作为约束，以地质模型为基础，通过不断修改模型，使模型正演 合成的地震资料与地震数据最佳匹配，所修改的最终的模型就是反演结果。常见的基于模 型的反演算法主要分为以下几种：

（1）地层或块的反演

这种算法假定地层是由波阻抗和时间构成的层块结构，通过褶积模型与地震建立联 系。通过限制与地震样点数目相关的层的数目来抵消非唯一性。当地层变得薄于地震分辨 率时，反演结果变得不唯一，为了降低这种多解性，通常以初始模型来作为约束。

（2）稀疏脉冲反演

这种算法假设地震反射系数序列是稀疏的（张永刚，2002），将地震道数据样点进行 重新采样而得到少于地震道样点数目的反射系数序列，与块反演相同的方法是通过褶积模 型来与地震相联系，并且也可使用外部模型作为约束并用于恢复高频及低频成分，从而稀 疏脉冲反演也是宽带的。

（3）最小平方反演

这种方法也是建立一个初始模型并使反演结果最大限度逼近初始模型，同样可作地震 频谱以外的频率补偿，因而也是宽带的。

（4）地质统计学反演

这是一种全新的方法，Hass等（1994）提出了地质统计反演策略。该方法首先在地 震时间域内建立储层的地质模型，然后建立三维地层网格，利用井和地震数据来确定地质 统计学参数，进行地质统计学建模，将生成的可能的波阻抗与地震道进行比较。在地质统 计反演中，当产生井间的储层参数的估算值时，模拟算法同时满足井和地震数据。利用井 控和地质控制对波阻抗空间分布的影响，地质统计反演提供了一种强有力的从地震频带以 外获得信息的方法。

（5）非线性反演

该方法适于解决地震反演中普遍存在的非线性目标函数的最优化问题，即多极值目标 函数的最优化问题。传统方法在求解多极值目标函数的最优化问题时，只能获取局部最优 的反演解，而无法获取全局最优解。模拟退火方法在降温参数的控制下，通过在解空间中 的随机搜寻，获得全局最优的反演解。与传统方法比较，模拟退火方法对初始模型依赖性 低，反演计算过程的稳定性好。

利用非地震资料对地震反演进行约束是反演研究的一种方案。综合多种信息的反演改 变了单一依靠地震资料进行反演的方法。该类方法可在一定程度上补偿地震资料中缺失的 频率成分，可获得频带较宽反演结果，提高反演结果的分辨率。把模拟退火方法和井约束 的反演相结合，可使该方法既具有模拟退火方法在解决非线性最优化问题中能获得全局最 优的特点，又利用测井资料和地震解释的结果构成合理的约束条件，保证获得地质上可接 受的反演结果，但是非线性反演算法由于计算量较大，收敛速度慢，还没有得到广泛的应 用（张永刚，2002）。

（6）物性参数反演

岩性储层物性反演是近年来发展起来的一种反演方法（韩小俊，2006），其目的是更 为直接的把地震数据与地质认识结合起来，可以更为直观地为地质人员提供储层解释依据 及油气判别依据。常用的物性反演包括电阻率反演、伽马反演、孔隙度反演、渗透率、饱 和度以及其他岩性参数反演。目前较为成熟的方法主要是孔隙度、GR、电阻率等反演。孔隙度反演的主要作用是作储层量化预测，用于计算储能系数，适用于评价及开发阶段；GR反演用于判定泥质含量，通常在砂体预测中用于判定泥质分布情况，特别是在含气砂 体的速度明显低于泥质的情况下，利用GR反演可弥补速度反演的不足。GR反演也适用 于碳酸盐储层，可以由GR反演来判别碳酸盐岩储层与泥质层，降低了储层预测的多解 性；电阻率反演主要用于汽水判别，在碳酸盐岩储集体中，含水层通常比含气层电阻率 低，因而可以通过电阻率的反演来进行汽水识别。

地震反演是利用地表地震观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像（求解）的过程，广义的地震反演包含了地震处理解释的整个内容。通常地震反演的结果叫做合成声波测井或波阻抗，因此地震反演特指波阻抗反演，地震反演技术就是利用地层资料反演地层波阻抗（或速度）的地震特殊处理解释技术。

地震反演技术是在地层岩性圈闭识别中，定量预测储层的核心技术，它主要从纵向上解决储层的分辨和预测问题。地震反演技术可以分为叠前和叠后两大类。近20年来，叠后地震反演取得了巨大进展，已形成了多种成熟技术。这些技术按测井资料在其中所起作用的大小又可分成四类：道积分、测井控制下的地震反演、测井—地震联合反演和地震控制下的测井内插外推，分别用于油气勘探开发的不同阶段（姚逢昌，1997）。从实现方法上可分为道积分反演、递推反演与基于模型的地震反演等。

（一）道积分反演

道积分是利用叠后地震资料计算地层相对波阻抗的直接反演方法，就是把地震道反射波形由上到下做积分，并去除其直流成分。因为它是在地层波阻抗随深度连续可微条件下推导出来的，因而又成为连续反演，是最简单的相对波阻抗转换。

道积分方法无需钻井控制，递推误差小，处理周期短，对于厚层砂岩，利用道积分数据可以直接确定砂体厚度。但是道积分受地震固有频带的限制，分辨率低，无法适应薄层解释的需要；无法得到地层的绝对波阻抗，不能定量计算储集体参数；处理过程中，不能用井资料进行控制，因而其结果的可靠程度较低。

道积分反演基本原理是由反射系数计算公式经过一系列推导可得：

中国东部裂谷盆地地层岩性油气藏

式中：Wk是地震子波；υk是第k个采样点的速度；υ1是第一个采样点的速度；Xi是地震道，C为常数。

显然，由于假设地震子波Wk不变，那么对地震道的积分反映了第k个采样点地层速度与起始点地层速度的比值。因此，地震道的积分求和结果就相当于一条相对波阻抗曲线。由于道积分的分辨率实际上低于地震反射剖面，另外道积分没有利用井孔资料，已知信息的标定程度太低，目前道积分反演用得比较少，可能在新区无井时才会采用。

（二）递推反演

基于反射系数递推计算地层波阻抗（速度）的地震反演方法称为递推反演。递推反演的关键在于从地震记录估算地层反射系数，得到能与已知钻井最佳吻合的波阻抗信息。递推反演方法中测井资料主要起标定和质量控制的作用，因而递推反演又称为直接反演或测井约束下的地震反演。

递推反演是对地震资料的转换处理过程，其结果分辨率、信噪比及可靠程度完全依赖于地震资料本身的品质，因此用于反演的地震资料应具有较宽频带、较低噪声、相对振幅保持和准确成像特点。测井资料尤其是声波和密度测井资料，是地震横向预测的对比标准和解释依据，在反演之前应进行预处理和标准化，使其能够正确反映岩层的物理特征。

基于地震资料直接转换的递推反演方法比较完整的保留了地震反射的基本特征，不存在基于模型方法的多解性问题，能够明显地反映岩相、岩性地的空间变化，在岩性相对稳定的条件下，能较好地反映储集层的物性变化。由于受地震频带宽度的限制，递推反演资料的分辨率相对较低，不能满足薄储集层研究的需要。

1.递推反演原理和方法

无噪偏移地震记录的理论模型为：

来自献县S（t）= r（t）×W（t）

式中：S（t）为地震记录；r（t）为地层反射系数；W（t）为地震子波。

通过子波反褶积处理，可由地震记录求得反射系数，进而递推计算出地层波阻抗或层速度。

中国东部裂谷盆地地层岩性油气藏

式中：Z0为初始波阻抗；Zj+1为第j+1层地层波阻抗。

递推反演的技术核心在于由地震资料正确估算地层反射系数（或消除地震子波的影响），比较典型的实现方法有：基于地层反褶积方法、稀疏脉冲反演、和基于频域反褶积与相位校正的递推反演方法等。

2.ISIS反演原理及应用效果

（1） ISIS反演原理：ISIS软件反演方法属于一种特殊的稀疏脉冲反演，其核心技术是全局优化和局域优化相结合的非线性模拟退火方法，具有抗噪能力强、提高分辨率、忠实地震资料等特点。这一方法的主要步骤：曲线标定、地震子波的提取、初始模型的建立、反演约束参数的选取及模拟退火反演。而建立正确的初始模型又是这一方法的关键。可在勘探和开发阶段，尤其井少或无井的情况下，进行大套储层或特殊岩性储层的研究。

（2） ISIS反演应用效果：由于地震合成记录和地震剖面的残差在高频部分充满噪音，而ISIS反演用信噪比和水平连续性作为约束条件，以决定只有有效信号参加反演，同时，有效信号与高频噪音是根据道与道之间波阻抗值的相干性来区分，所以反演结果有较高的信噪比。ISIS反演结果的分辨率主要来自地震资料，其可靠性在横向上是一致的。由于I⁃SIS软件反演采用了时变子波和层序场技术，适用于较大时窗范围的反演，对于初始模型的要求并不高，目前应用到区带性储层、沉积相研究取得了较好的效果。此外，ISIS反演使用了相干体和倾角体来约束断层和地层走向、接触关系，所以更适合于厚度变化快和侧向加积的地层。

对于不同勘探程度的油气区，资料条件各不相同。某些地区地震资料条件较好，分辨率、保真度及信噪比均较高，但是钻井数较少或平面分布不均匀；某些地区地震资料相对较差但钻井、测井资料丰富且质量较高。运用ISIS软件反演过程中，针对工作区资料条件，可通过调整反演流程和约束条件参数分别在上述勘探区（多考虑地震资料）及开发区（多考虑低频约束）均得到了良好的反演效果。

在二连盆地的地层岩性油藏勘探实践中，华北油田应用ISIS软件对于乌里雅斯太凹陷南洼槽腾一段透镜状厚层湖底扇砂砾岩体预测取得了明显成效。这些湖底扇砂砾岩体在地震剖面上表现为孤立的透镜状，横向连续性差，反射振幅、反射频率横向变化大。从反演结果看，在纵向上几期湖底扇群相互叠置，在平面上砂砾岩体分布广、横向分布较为稳定、连通性较好（图7-17）。

（三）基于模型的地震反演

在薄储集层地质条件下，由于地震频带宽度的限制，基于普通地震分辨率的直接反演方法，其精度和分辨率都不能满足油田开发的要求。基于模型地震反演技术以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震有限带宽的不足，可获得高分辨率的地层波阻抗资料，为薄层油（气）藏精细描述创造了有利条件。

基于模型的地震反演的中心思想，就是利用测井资料具有较高的垂向分辨率和地震资料具有较好的横向连续性的特点。将二者结合起来，得到既有较高的垂向分辨率又有较好横向分辨率的反演结果。这类反演的优点是反演结果的分辨率较高，其缺点在于模型对反演结果起着控制作用，因此如何构建合理的地质模型是关键。

基于模型反演技术把地震与测井有机地结合起来，突破了传统意义上的地震分辨率的限制，理论上可得到与测井资料相同的分辨率，是油田开发阶段精细描述的关键技术。多解性是基于模型反演方法的固有特性，主要取决于初始模型与实际地质情况的附和程度，在同样的地质条件下，钻井越多，结果越可靠，反之亦然。

图7-17 乌里雅斯太凹陷ISIS储层反演剖面图、平面图

地震资料在基于模型反演中主要起两方面的作用，其一是提供层位和断层信息来指导测井资料的内插外推建立初始模型，其二是约束地震有效频带的地质模型向正确的方向收敛。地震资料分辨率越高，层位解释就有可能越细，初始模型就接近实际情况，同时，有效控制频带范围就越大，多解区域相应减少。因此提高地震资料自身分辨率是减小多解性的重要途径。

著名反演软件Strata和Jason中的InverMod反演模块就属于地震数据与测井数据联合反演这种基于模型的地震反演。华北油田在二连盆地油气勘探中，成功使用了Strata和Jason等反演软件，并取得了非常好的油气勘探效果。

1.基于模型反演原理和方法

基于模型反演方法的原理是：先建立一个初始地层波阻抗模型，然后由此模型地震正演，求得合成地震记录，将合成地震记录与实际地震记录相比较，根据比较结果，修改地下波阻抗模型的速度、密度、深度及子波，在正演求取合成地震记录，再与实际地震记录比较后，继续修改波阻抗模型，如此反复，从而不断地通过迭代修改，直至合成地震记录与实际地震记录最接近，最终得到地下的波阻抗模型（图7-18）。

图7-18 基于模型反演方法思路

（据姚逢昌等，2000）

基于模型地震反演实质上是地震、测井联合反演，其结果的低、高频信息来源于测井资料，构造特征及中频段取决于地震数据。多解性是基于模型地震反演的固有特性，即地震有效频带以外的信息不会影响合成地震资料的最终结果，减小基于模型方法多解性问题的关键在于正确建立初始模型。基于模型反演结果的精度不仅依赖于研究目标的地质特征、钻井数量、井位分布以及地震资料的分辨率和信噪比，还取决于处理工作的精细程度。

基于模型地震反演方法主要有：测井约束反演、地震岩性模拟反演、广义线性反演、多道反演、地质统计学反演、遗传算法反演、混沌反演及波阻抗多尺度反演等。

2.Strata反演原理及应用效果

（1） Strata反演原理：首先，建立地震地质模型（包括深度、厚度、速度），利用地震频带对测井声波曲线进行滤波，用来作为反演的初始波阻抗模型，然后用初始波阻抗模型和从反演的目标层所提取的子波做合成记录，并与井旁地震道进行对比，如果两者不吻合，则对初始波阻抗模型进行修改，再做合成记录并且继续与井旁道对比，直到二者相似为止。这时的波阻抗模型，便是井旁道的波阻抗。接下来，把井旁道的波阻抗作为下一道的初始波阻抗模型，重新做合成记录，沿地震解释层位与实际地震记录进行与上一轮相同的对比，若不同，则修改，直至相符。按此方法，由井出发沿解释层位做对比并逐道外推，直至运算结束。

（2） Strata应用效果：华北油田在二连盆地巴音都兰凹陷的地层岩性油气藏勘探中，紧密结合钻探成果，滚动式开展储层预测。通过应用Strata软件进行储层预测，认为储层在巴19、巴19东及西南较为发育（图7-19），结果被勘探所证实。

图7-19 二连盆地巴音都兰凹陷巴19井区Strata波阻抗反演平面图

（据杜金虎，2003）

图7-20 太43油层Jason波阻抗反演平面图

（据杜金虎，2003）

3.Jason反演原理及应用效果

（1） Jason反演原理：Jason软件中的InverMod反演模块是一个基于模型的多种资料约束的反演工具，而不是一个一般意义上的测井约束反演软件。它尊重测井资料并利用地质资料和地震道振幅数据由井外推，具体就是利用构造地质解释层位数据建立一个称为Framwork的地质框架模型，以此为主要约束条件，由测井数据按照线性加权方法内插一个初始的精细储层模型，即在每个地震道处，由测井数据的线性加权生成模型道。利用PCA（主分量分析）技术计算权值，并修改每个地震道的权重以获得与地震的最佳匹配，直至合成地震数据与实际地震数据相吻合，这时的模型即为最终反演结果。一旦从地震数据中估算出最佳权重，就可以利用同样的权重重建其他任一测井属性，如自然伽马、电阻率、孔隙度等。

Jason InverMod反演结果既保留了测井分辨率又保持了横向变化。即最终成果是一个由地震、测井和地质综合得到的具有横向和垂向非均质性的地质模型。

（2） Jason应用效果：Jason软件在二连盆地的勘探中发挥了很重要的作用，尤其在地层岩性油气藏勘探过程中，勘探效果显著。如图7-20中太43油层Jason波阻抗反演平面图中，高波阻抗反映储层发育，是湖底扇的主沟道或辫状沟道分布区；在图7-21反演纵剖面中，两套砂体储层显示明显。

图7-21 乌里雅斯太凹陷南洼槽IN378测线Jason波阻抗反演剖面图

（据杜金虎，2003）

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