CN102053270B - 一种基于沉积地层单元的地震相分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气及煤层气地震勘探与开发技术领域，尤其涉及勘探开发过程中的储层沉积演化分析方法，为油气和煤层气勘探开发优选有利的目标层系和区带提供可靠的基础性资料。本发明利用三维地震属性数据体进行储层沉积特征的分析，运用高分辨率层序地层学原理和方法，以及地震属性分析方法和模式识别方法；方法中采用K均值聚类算法，在沉积等时界面的控制下，进行沉积地层单元的沉积特征和沉积演化的分析过程。用于辅助油气包括非常规油气勘探开发过程中的储层沉积演化研究工作，并指导岩性和地层圈闭油气藏的精细储层沉积特征描述，为油气和煤层气勘探开发优选有利的目标层系和区带提供可靠的基础性资料。

Description

一种基于沉积地层单元的地震相分析方法

技术领域

本发明属于油气及煤层气地震勘探与开发技术领域，尤其涉及勘探开发过程中的储层沉积演化分析方法，为油气和煤层气勘探开发优选有利的目标层系和区带提供可靠的基础性资料。

背景技术

层序地层学的研究促进了成因地层研究的发展，油气勘探目标的复杂性需要关注目的层段的沉积环境和沉积演化的细节。随着地震技术，尤其是地震属性分析技术的进步，使得利用地震资料进行沉积解释向前迈进了一步，在宏观沉积层序的内部，可以利用地震资料研究更小尺度的沉积过程和成因地层单元，这不仅需要分析三维地震属性数据体中不同沉积相带的属性特征，而且需要在沉积单元内部通过分析地震属性纵向上和横向上的差异，揭示沉积地层单元内的沉积特征的时空配置关系，从而精细地描述储层。利用地震资料进行沉积特征的主要技术手段，可以称之为“地震相分析”。地震相分析技术已经从单纯的地震反射结构和地震属性定性分析，逐步演变成利用三维地震属性体，在沉积地层单元约束下，进行面向沉积等时面地震属性分析的综合性技术，其中沉积地层单元的约束和面向沉积等时面是保证地震相分析可靠性的基本要求和技术关键。

Naamen Keskes于1999年发表的“自动地震模式识别方法(Automaticseismic pattern recognition method)”专利技术(US Patent 5940777)，提出利用一维神经网络的方法进行地震道的分类的方法，然后通过根据分类的结果进行地震相的解释，该技术的实现主要有三个步骤：①根据钻井地质资料给出区域内的先验分类数；②根据给出的分类数建立地震道的预测模式；③基于建立的模式进行地震道的分类。

West，Brian P.和May，Steven R.于2002年发表了“利用纹理分析和神经网络技术进行地震相解释的方法(Method for seismic facies interpretationusing textural analysis and neural network)”专利技术(US Patent 6438493)，提出针对三维地震数据体首先进行纹理处理得到纹理属性体，然后采用概率型的神经网络技术重建地震属性体，然后进行地震相的解释，该技术的关键是纹理分析的算法，主要是数学运算，对地震属性并没有进行具有地质意义的处理。

Lees，Jack和Sheffield，Tatum M.于2006年发表的“利用多种属性提高三维数据体成像和分析的方法和体系(System and method for analyzing andimaging an enhanced three-dimensional volume data set using one or moreattributes)”专利技术(US Patent 6987878)，提出了利用多属性融合技术进行多属性体的处理，获得地质对象的清晰度更高的属性数据体，进而进行地震资料的综合地质解释，该技术在地质体追踪方面采用的一般性的种子点追踪算法，并没有考虑地质层位的约束和沉积单元的控制。

目前利用地震资料进行地震相分析的技术方法均在地震的反射时间域整道或以一定的时窗，数据体内每道采用等长的时窗进行，由于沉积地层在沉积期间受到了当时构造的控制，在地质演化过程中同样会受到构造运动的影响，存在沉积厚度和构造形态的差异，如果采用等长的时窗，势必会造成不同道数据对应的沉积单元不同，将不同沉积单元的地震数据在一起进行地震属性分析和地震相解释，得到的解释结果很难与实际的沉积地层的展步特征相一致，并且地震属性分析缺乏明确的地质意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，研发了一种基于沉积地层单元的地震相分析方法。本发明克服目前地震相分析方法缺乏明确的地质意义的局限，形成在沉积地层单元约束条件下，利用三维地震属性体进行地震相分析的技术方法，用于辅助油气包括非常规油气勘探开发过程中的储层沉积演化研究工作，并指导岩性和地层图闭油气藏的精细储层沉积特征描述，为油气和煤层气勘探开发优选有利的目标层系和区带提供可靠的基础性资料。

本发明为了实现发明目的，所采用的技术方案是

发明利用三维地震属性数据体进行储层沉积特征的分析，运用高分辨率层序地层学原理和方法，以及地震属性分析方法和模式识别方法；

方法中采用K均值聚类算法，在沉积等时界面的控制下，进行沉积地层单元的沉积特征和沉积演化的分析过程。

所述方法包括，

①.三维地震数据体的变换步骤，

常规三维地震数据体都是构造域的成像数据，若直接采用时窗的处理方式，不同的地震道的同一时窗内反映的并不是同一沉积地层单元的地震特征(图1-a)，因此，在进行地震相分析之前，应该根据地震反射同相轴的参考地质年代，进行三维的等时沉积面的变换，首先根据井中地层界面的地质年代与深度的关系，在地震数据体中定义等时沉积面的追踪种子点；其次，根据种子点的地震属性特征，进行地震同相轴的追踪；然后，在地震同相轴追踪的基础上，构建等时沉积面的空间曲面；最后，根据等时沉积面的空间曲面，按照一定的地质年代步长，对三维地震数据体进行重采样和插值，得到能够反映同一沉积地层单元内的地震特征的数据体(图1-b)。

②.建立地震相的分类模式，

根据三维地震测网内不同时期沉积地层单元的特点，确定三维地震测网中地震相分析的地质年代分析时间步长，即时窗，结合井孔沉积相和成因地层单元的结果，建立不同沉积相带的地质年代域地震道的分类模式，可以根据研究区的地质特点，定义不同类型的沉积相(包括：河道砂体，心滩，礁体等)的地震相模式，通过分类模式的建立，可以将地震属性特征(以属性向量表示)与沉积相建立关联，并可以利用地震属性数据体根据分类模式进行同沉积时期的沉积相的自动分析。

③.采用K均值聚类算法实现沉积地层单元的地震相分析步骤，

K均值聚类算法用于确定时窗在三维属性体自动分析每一道的地震属性特征，从而得到地震相分类数据体；

其包括以下五个步骤：

i.根据井孔解释的沉积地层单元，为每个聚类确定一个初始的聚类中心，k个聚类存在k个聚类中心；

ii.将样本集中的每一个样本按照最小距离原则

D_i＝min{||x-c_i||}，x∈DataSet，i＝1，2，...，k    (1)

分配到k个聚类中的某一个类别；

iii.使用每个聚类中所有样本的均值作为新的聚类中心；

iv.若聚类中心在地质年代域的属性空间中产生位置的变化，则重复ii、iii步直到聚类中心不再变化为止；

v.最后得到k个聚类中心就是聚类的结果。

所述K均值聚类算法的聚类准则为

$J=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|x_i^{\left(j\right)}-c_j\left|\right|}^2,$ $x_i^{\left(j\right)}\∈S_j,$ c_j是聚类S_j的聚类中心         (2)

在具体的实施中，所述方法还包括，

(1)根据井孔资料(岩性地层、古生物地层和沉积旋回分析等)进行不同地质年代的等时沉积界面的解释，根据时深关系进行等时沉积面的种子点的三维位置定义，然后通过井震标定技术，在三维地震数据体中确定相应的地震参考同相轴，基本要求是地震参考同相轴具有横向连续性；

(2)在等时沉积界面标定的基础上，进行沉积等时面的区域追踪，采用种子点自动追踪或交互手动追踪方法，形成不同沉积等时面的空间曲面，构成年代地层的几何框架模型；

(3)在所述年代地层的几何框架模型中使用线性内插函数作内插，以建立一个地层时代模型来近似表述真实的地层时代构造；沉积地层时代模型X-Y坐标系与原始三维地震数据体相同，但其Z轴坐标是相对地质年代；在该数据体中，所有的等时界面对应的地震同相轴都是水平的；所有时代切片对应的地质年代面总是上面的较之下面的新；

(4)从三维地震数据体中提取年代地层模型中每个等时切片对应的振幅值，生成地质年代域的地震属性数据体；所述数据体等价于在沉积地层单元的控制下对正常地震道进行了重新采样，在该数据体中，相同的地质年代间隔具有相同的数据长度或厚度；

(5)根据井孔资料表示的不同地质年代的沉积地层单元的沉积旋回和沉积相的特征，结合地质年代域的属性体数据的采样间隔，确定沉积地层单元内地震相分析的地质年代分析步长，并建立研究区域，即三维数据体的覆盖范围的沉积特征的样本分类(K值)和初始沉积特征模式；

(6)按照地质年代分析步长逐道读取地质年代域的地震属性数据体的地震属性数据，利用公式(1)分别与每一个沉积特征模式进行比较，计算分析的地震道与模型道的样本空间距离，并按照最小距离原则，保证公式(1)计算的D_i最小，从而为该地震道分配一个沉积模式；

(7)根据第6步的计算结果，利用公式(2)重新计算该沉积特征的模式样本中心，产生新的沉积特征模式的样本地震道；

(8)若产生的样本模型道即聚类中心发生变化，则执行第6步和第7步的计算过程，直至样本模型道不再收敛变化为止；

重复第6步至第8步，分别计算不同地质时期，沉积地层单元内的等时沉积面的地震相分析结果，直至完成所有的计算，循环计算的次数根据沉积地层单元的数而定；

(9)将不同沉积地层单元中不同地质年代的地震相分析结果所构成三维地震数据体的等时切片数据进行输出。

在第8步中，重新执行第6步和第7步过程中，若出现聚类中心不收敛的情况，采取两种方法：其一是设定一个计算的迭代次数，若超过该迭代数，仍然未收敛，则不再迭代，继续下一步计算；其二是终止计算过程，返回第5步重新建立研究区域，三维数据体的覆盖范围的沉积特征的样本分类(K值)和初始沉积特征模式；

在第9步后，为了进行基于地质年代的沉积演化分析，还包括进行三维切片体数据的纪录格式的转换过程，生成以三维测线存放的地震数据体；两种数据体代表的地震相分析结果是相同的。

本发明利用三维地震属性数据体进行储层沉积特征的专项技术，该技术运用高分辨率层序地层学的原理和方法，基于地震属性分析技术和模式识别技术，采用了K均值聚类算法，在沉积等时界面的控制下，进行沉积地层单元的沉积特征和沉积演化的分析，使得地震相分析具有了明确的地质意义。该方法不仅可以进行沿等时界面的地震相分析，分析精度高于现有的沿层地震相分析技术；而且可以进行地质年代域三维地震相属性体的分析，实现了储层的沉积特征时空配置关系分析。该项技术在常规油气储层和煤层气储层的评价和精细描述中具有广泛的应用价值。

附图说明

图1-a是常规地震数据体对应的构造域；图1-b是三维地震数据体的变换以后的数据体对应于地质年代域；方框表示地震相分析时窗

图2-a是常规的三维地震数据体的剖面；图2-b经过三维等时沉积面的变换，得到地质年代域的数据图

图3是沉积地层单元内地震相解释的结果；

图4为在一定地质时期内地震相解释的结果；

图5为等时界面与岩性界面的关系图；

图6为现有的地震相识别模式的定义分析图；

图7为利用现有的地震相分析方法解释的沉积相带图；

图8采用本发明的技术方法对相关的沉积地层单元进行地震相分析的结果图。

上述各幅附图将结合发明内容和具体实施方式加以说明

具体实施方式

本发明的实施方式为，

第一步，根据井孔资料进行不同地质年代的等时沉积面的解释，然后通过井震标定技术，在三维地震数据体中确定相应的地震参考同相轴，基本要求是地震参考同相轴具有一定的横向连续性，便于进行区域追踪。

第二步，在等时沉积界面标定的基础上，进行沉积等时面的区域追踪(可以采用种子点自动追踪或交互手动追踪)，形成不同沉积等时面的空间曲面，构成年代地层的几何框架模型。

第三步，在年代地层的几何框架模型中使用线性内插函数作内插，以建立一个地层时代模型来近似表述真实的地层时代构造。沉积地层时代模型X-Y坐标系与原始三维地震数据体相同，但其Z坐标是相对地质年代。在这个新的数据体中，所有的等时界面对应的地震同相轴都是水平的。所有时代切片对应的地质年代面总是上面的较之下面的新。

第四步，从正常的三维地震数据体中提取年代地层模型中每个等时切片对应的振幅(或其他属性)值，生成地质年代域的地震属性数据体。这数据体等价于在沉积地层单元的控制下对正常地震道进行了重新采样，在此新数据体中，相同的地质年代间隔具有相同的数据长度或“厚度”。

第五步，根据井孔资料揭示的不同地质年代的沉积地层单元的沉积旋回和沉积相的特征，结合地质年代域的属性体数据的采样间隔，确定沉积地层单元内地震相分析的地质年代分析步长，并建立研究区域(三维数据体的覆盖范围)的沉积特征的样本分类(K值)和初始沉积特征模式。

第六步，按照地质年代分析步长逐道读取地质年代域的地震属性数据体的地震属性数据，分别与每一个沉积特征模式进行比较，计算分析的地震道与模型道的样本空间距离，并按照最小距离原则，为该地震道分配一个沉积模式。

第七步，根据第六步的计算结果，重新计算该沉积特征的模式样本中心，产生新的沉积特征模式的样本地震道。

第八步，如果新的样本模型道(聚类中心)发生变化，则执行第六步和第七步的计算过程，直至样本模型道(聚类中心)不再变化(收敛)为止，再次过程中，有可能出现聚类中心不收敛的情况，针对此类情况，有两种处理方式：其一是人为设定一个计算的迭代次数，若超过该迭代数，仍然未收敛，则不再迭代，继续下一步计算；其二是终止计算过程，返回第五步重新建立研究区域(三维数据体的覆盖范围)的沉积特征的样本分类(K值)和初始沉积特征模式。重复第六步至第八步，分别计算不同地质时期(沉积地层单元)内的等时沉积面的地震相分析结果，直至完成所有的计算，循环计算的次数根据沉积地层单元的数而定，就一般的情况，沉积地层单元的数＝年代框架中的沉积等时面数+1，循环计算的次数与沉积地层单元的数相同。

第九步，将不同沉积地层单元中不同地质年代的地震相分析结果构成三维地震数据体的等时切片数据进行输出，为了进行基于地质年代的沉积演化分析，可以进行三维切片体数据的纪录格式的转换，生成以三维测线存放的地震数据体。两种数据体代表的地震相分析结果是相同的，只是为了加快不同显示方式(切片显示-如图3所示和剖面显示-如图4所示)的显示速度。

图2-a是常规的三维地震数据体的剖面，剖面中不同颜色标注的线段是不同地质时期的等时沉积面，经过三维的等时沉积面的变换，可以得倒如图2-b所示的地质年代域的数据，此时，等时沉积面已经呈水平，证明三维数据体的变换是正确的，同时在图2-b中沉积等时面之间的地震同相轴的起伏变化，反映的是控制沉积作用的古地貌的变化和横向地层沉积厚度的变化。

图3是在沉积地层单元约束下，利用K均值聚类算法进行沉积地层单元内的地震相分析的结果，其中黑色条带反映的是某个地质时期河流相沉积的特征。

图4是一定地质时期内，在沉积地层单元约束下，利用K均值聚类算法进行数据体地震相分析的结果，利用该结果可以进行不同地质时期沉积特征演化规律的分析。

图5等时界面与岩性界面的关系：地震剖面是年代地层(地质时间-沉积地层)沉积和构造样式的反映。地震反射产生于岩石中的物性界面，这些界面主要是由具有速度-密度差的层(层理)和不整合面组成的(等时界面)。

图6现有的地震相识别模式的定义分析：由于在构造域中采用了等时窗长度的分析技术，要求模型道的采样点相同，可能不包括完整的“半”波形，缺乏实际的地质意义，致使地震相分析结果与实际地质情况有出入。

图7利用现有的地震相分析方法解释的沉积相带图，沉积相带不清晰，反映的储层沉积特征不明显。

图8利用本项发明的技术方法对相关的沉积地层单元进行地震相分析的结果，沉积相带边界清晰，反映的储层沉积特征准确。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是一个具体的实施例，而并不具有限制性的意义。

Claims (3)

1.一种基于沉积地层单元的地震相分析方法，其特征在于，该地震相分析方法利用三维地震属性数据体进行储层沉积特征的分析，运用高分辨率层序地层学原理和方法，以及地震属性分析方法和模式识别方法；

所述模式识别方法中采用K均值聚类算法，在沉积等时界面的控制下，进行沉积地层单元的沉积特征和沉积演化的分析过程；

所述地震相分析方法包括，

①.三维地震数据体的变换步骤，

在进行地震相分析之前，根据地震反射同相轴的参考地质年代，进行三维的等时沉积面的变换，首先根据井中地层界面的地质年代与深度的关系，在地震数据体中定义等时沉积面的追踪种子点；其次，根据种子点的地震属性特征，进行地震同相轴的追踪；然后，在地震同相轴追踪的基础上，构建等时沉积面的空间曲面；最后，根据等时沉积面的空间曲面，按照一定的地质年代步长，对三维地震数据体进行重采样和插值，得到能够反映同一沉积地层单元内的地震特征的数据体；

②.建立地震相的分类模式，

根据三维地震测网内不同时期沉积地层单元的特点，确定三维地震测网中地震相分析的地质年代分析时间步长，即时窗，结合井孔沉积相和成因地层单元的结果，建立不同沉积相带的地质年代域地震道的分类模式；根据研究区的地质特点，定义不同类型的沉积相的地震相模式，通过分类模式的建立，将地震属性特征与沉积相建立关联，并利用地震属性数据体根据分类模式进行同沉积时期的沉积相的自动分析；

③.采用K均值聚类算法实现沉积地层单元的地震相分析步骤，

K均值聚类算法用于确定时窗在三维属性体自动分析每一道的地震属性特征，从而得到地震相分类数据体；

其包括以下五个步骤：

i.根据井孔解释的沉积地层单元，为每个聚类确定一个初始的聚类中心，k个聚类存在k个聚类中心；

ii.将样本集DataSet中的每一个样本x按照最小距离原则

D _i=min{||x-c_i||},x∈DataSet,i=1,2,...,k              （1）

分配到k个聚类中的某一个类别，c_i是聚类中心；

iii.使用每个聚类中所有样本的均值作为新的聚类中心；

iv.若聚类中心在地质年代域的属性空间中产生位置的变化，则重复ⅱ、ⅲ步直到聚类中心不再变化为止；

v.最后得到k个聚类中心就是聚类的结果；

所述K均值聚类算法的聚类准则为

$J=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|x_i^{\left(j\right)}-c_j\left|\right|}^2,x_i^{\left(j\right)}\∈S_j,c_j$ 是聚类S_j的聚类中心        （2）；

n是聚类S_j中的个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于沉积地层单元的地震相分析方法，其特征在于，

所述地震相分析方法还包括，

（1）根据井孔资料，即根据岩性地层、古生物地层和沉积旋回分析，进行不同地质年代的等时沉积界面的解释，根据时深关系进行等时沉积面的种子点的三维位置定义，然后通过井震标定技术，在三维地震数据体中确定相应的地震参考同相轴，基本要求是地震参考同相轴具有横向连续性；

（2）在等时沉积界面标定的基础上，进行沉积等时面的区域追踪，采用种子点自动追踪或交互手动追踪方法，形成不同沉积等时面的空间曲面，构成年代地层的几何框架模型；

（3）在所述年代地层的几何框架模型中使用线性内插函数作内插，以建立一个地层时代模型来近似表述真实的地层时代构造；沉积地层时代模型X-Y坐标系与原始三维地震数据体相同，但其Z轴坐标是相对地质年代；在该数据体中，所有的等时界面对应的地震同相轴都是水平的；所有时代切片对应的地质年代面总是上面的较之下面的新；

（4）从三维地震数据体中提取年代地层模型中每个等时切片对应的振幅值，生成地质年代域的地震属性数据体；所述地震属性数据体等价于在沉积地层单元的控制下对正常地震道进行了重新采样，在所述地震属性数据体中，相同的地质年代间隔具有相同的数据长度或厚度；

（5）根据井孔资料表示的不同地质年代的沉积地层单元的沉积旋回和沉积相的特征，结合地质年代域的属性体数据的采样间隔，确定沉积地层单元内地震相分析的地质年代分析步长，并建立研究区域，即三维数据体的覆盖范围的沉积特征的样本分类K值和初始沉积特征模式；

（6）按照地质年代分析步长逐道读取地质年代域的地震属性数据体的地震属性数据，利用公式（1）分别与每一个沉积特征模式进行比较，计算分析的地震道与模型道的样本空间距离，并按照最小距离原则，保证公式（1）计算的D_i最小，从而为该地震道分配一个沉积模式；

（7）根据第（6）步的计算结果，利用公式（2）重新计算该沉积特征的模式样本中心，产生新的沉积特征模式的样本地震道；

（8）若产生的样本模型道即聚类中心发生变化，则执行第（6）步和第（7）步的计算过程，直至样本模型道不再收敛变化为止；

重复第（6）步至第（8）步，分别计算不同地质时期，沉积地层单元内的等时沉积面的地震相分析结果，直至完成所有的计算，循环计算的次数根据沉积地层单元的数而定；

（9）将不同沉积地层单元中不同地质年代的地震相分析结果所构成三维地震数据体的等时切片数据进行输出。

3.根据权利要求2所述的一种基于沉积地层单元的地震相分析方法，其特征在于，

在第（8）步中，重新执行第（6）步和第（7）步过程中，若出现聚类中心不收敛的情况，采取两种方法：其一是设定一个计算的迭代次数，若超过该迭代次数，仍然未收敛，则不再迭代，继续下一步计算；其二是终止计算过程，返回第（5）步重新建立研究区域，即三维数据体的覆盖范围的沉积特征的样本分类K值和初始沉积特征模式；

在第（9）步后，为了进行基于地质年代的沉积演化分析，还包括进行三维切片体数据的纪录格式的转换过程，生成以三维测线存放的地震数据体；两种数据体代表的地震相分析结果是相同的。

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