结构约束迭代贝叶斯反演方法对生物礁储层的地震特征表征

《Journal of Applied Geophysics》：Seismic characterization of biogenic reef reservoirs via structural-constrained iterative Bayesian inversion

　　

• 提出了一套生物礁一体化地震表征框架。
• 利用生物礁形态约束减少反演非唯一性。
• 分段缩放有效解决了地震能量垂直非平稳性问题。
• 迭代贝叶斯反演改善了反演储层阻抗的横向连续性。
• 演化阶段被确定为储层"甜点"的主要控制因素。

引言

生物礁储层是由珊瑚礁、微生物礁和壳质堆积等生物结构堆积和岩化而形成的独特地质体。二叠系长兴组碳酸盐储层因分布广泛，已成为四川盆地气田勘探与开发的重点区域（Zhao等，2024；Chen，2008；Wang等，2023）。这些生物礁储层以显著的空间非均质性、内部边界不清晰以及复杂的储层结构为特征，这对精确表征构成了重大挑战。特别是，研究区生物礁几何形态和测井物理性质变化显著，导致储层划界和烃类资源估算存在很大不确定性。

过去几十年中，利用地震数据识别和表征生物礁储层的方法发展形成了三大方法类别。第一类聚焦于古地理和地质背景，基于局部隆起、浅滩坡和盆地构造为礁体发育提供约束。第二类依赖地震属性，利用速度分析、相干性、频谱分解和三维可视化等技术检测和划界礁体。第三类采用地震反演和储层物性估算方法，通过推导纵波和横波速度、密度和阻抗，定量预测生物礁储层。

利用古地理和地质背景约束碳酸盐岩沉积和储层分布表征已有悠久历史。Agnich（1949）的早期工作指出，局部隆起和浅滩坡古地理环境有利于礁体发育，确立了古构造控制作为储层预测的关键因素（Agnich，1949）。后来的区域重建表明，盆地尺度的古地理，如古纬度和构造格局，影响了碳酸盐岩相分布和储层结构。例如，Handford（1980）记录了二叠纪下统Palo Duro盆地的古地理和陆缘演化如何控制碳酸盐沉积体系和储层岩相（Handford，1980）。Walker等（1992）重建了Midland盆地晚古生代古地理，并表明盆地位置相对于赤道和盛行风/洋流方向的变化对碳酸盐岩相分布产生了首要控制作用（Walker等，1992）。近年来，古地理重建与地震和地层分析相结合增强了储层表征。例如，Zheng等（2007）应用古地貌约束的地震属性分析划界礁体和滩坝储层位置，展示了古沉积面如何指导碳酸盐岩环境中的地震解释（Zheng等，2007）。此外，序列地层学与古地理制图相结合已应用于全球碳酸盐岩台地，可识别有利滩坝和台地边缘岩相，这些岩相通常与储层分布相关（Wei等，2021；Hu等，2012；Tan等，2022）。

除地质和古地理约束外，地震属性分析已成为检测常规振幅解释难以分辨的碳酸盐岩礁储层的有力工具。Beard等（1983）的早期工作引入基于速度的层序地震方法识别朵状礁或尖塔礁，展示了地震速度和层序响应的变化如何增强碳酸盐岩礁在地震剖面上的识别（Beard等，1983）。Anderson等（1989）进一步展示了地震建模在表征礁储层中的效用，说明与横向厚度变化相关的干涉模式如何划界加拿大阿尔伯塔省Swan Hills组的碳酸盐岩建积体（Anderson等，1989）。后续发展将三维可视化与多种地震属性（如振幅、相位、相干性、频谱分解、AVO）相结合，用于解释礁体分布模式并降低解释不确定性。例如，多种地震属性与三维可视化技术结合，突出礁相几何形态和非均质性，在复杂碳酸盐岩环境中实现更准确的储层划界（Ran和Ding，2014）。相干性和频谱分解等属性被广泛用于映射礁体边界、内部非均质性和常规地震剖面上不易识别的细微地层特征（Skirius等，1998；Hendry等，2021）。此外，基于衍射的地震分析已被应用于识别与不规则礁体边缘相关的衍射点，从而改善礁体划界（Klokov等，2015）。这些基于属性的技术通常与井资料和地质数据进行标定，为碳酸盐岩储层结构提供了关键认识，并显著提高了与礁相关的烃类目标预测（Barnes，2012）。

第三类方法聚焦于地震反演及相关定量技术，用于预测碳酸盐岩礁储层的分布和物性。在中国，针对四川盆地二叠系长兴组及其他含礁碳酸盐岩储层的研究应用了多种反演方法，包括叠前反演、阻抗反演和正演建模，通常与地震属性分析结合以提高储层划界精度（Li等，2011；Cai，2011；Zhou等，2020；Jin等，2020）。这些研究表明，反演技术可以估算弹性参数、区分碳酸盐岩岩性并定量划界礁体分布。Tian等（2019，2022）进一步证明，精确的基于Zoeppritz方程的反演和多参数联合反演，有时结合深度学习，可以成功预测巴西和中国的盐下或复杂碳酸盐岩礁储层（Tian等，2019a；Tian等，2019b；Tian等，2022）。此外，国际案例研究展示了地震反演在表征碳酸盐岩建积体中的价值（Sams等，2017）。Chen和Zong的最新进展进一步将地震反演和解释扩展到应力敏感和非均各向同性碳酸盐岩储层，包括应力诱导各向异性介质中PP波反射系数建模、多参数地震散射反演和方位角地震数据的逐步贝叶斯反演（Chen和Zong，2022；Chen等，2024a；Chen等，2024b）。这些研究强调了将应力效应、各向异性和贝叶斯框架纳入定量碳酸盐岩储层表征的重要性。总之，这些研究表明，地震反演，特别是与井控制点和属性分析相结合时，提供了定量映射碳酸盐岩礁储层并降低解释不确定性的稳健方法。

尽管取得了这些进展，由于生物礁储层固有的空间非均质性和边界模糊，其高精度表征仍然是一个重大挑战。为解决这些问题，本研究提出了一套整合古构造面恢复、地震属性分析和迭代线性化贝叶斯反演的框架。如工作流程（图1）所示，该方法首先采用等时结构恢复方法重建古构造面，从而划界古构造高点，确定有利于礁体发育的区域。随后，通过融合瞬时相位、频率和混沌等多种构造地震属性并结合礁体轮廓解释，建立生物礁台地的空间框架和外部形态。关键在于，这些解释的礁体轮廓被纳入台地约束先验模型，作为空间结构约束引导反演过程。与传统方法不同，该方法采用迭代线性化贝叶斯框架将地质先验与地震观测相结合。通过迭代更新模型参数，该框架有效利用空间约束抑制物理上不合理的振荡和虚假反射，这是带宽受限地震数据中的常见问题。此外，该方法通过分层特定缩放特别考虑了强基底反射的影响，实现了储层参数如阻抗和含气厚度等的高保真估算。这一地质一致的方法为分辨细微内部非均质性和准确表征复杂生物礁储层空间分布提供了稳健高效的策略。

节选段落

地质和地震背景

川东北建南地区二叠系长兴组生物礁气藏于1970年被发现，当时在钻探一口试验井时遭遇高产试验产量的礁体储层。此后三十年间，沿环江—梁平洼陷缘带发现了一系列大型长兴组生物礁气藏，包括黄龙场、五百梯、普光等。古地貌重建的成因、发育和演化过程

川东北盆地位于上扬子台地西北缘，受晚二叠世峨眉山裂解运动显著塑造。该构造活动引发了一系列北西—南东走向的张性断裂和剪切断裂，建立了区域性的张性构造格局。受基底破裂和断裂重新激活驱动，差异沉降导致大断裂带之间逐渐形成开江—梁平洼陷。研究

具有空间约束的迭代贝叶斯反演方法

迭代线性化贝叶斯反演是本研究用于表征生物礁内部空间架构的核心技术。通过整合地震数据、测井信息和地质先验约束，该方法在统计框架内估算最接近地质实际的储层阻抗分布。

声波阻抗反演结果分析

线性化迭代贝叶斯反演的精度首先通过综合井震标定和空间连续性分析进行评估。在本研究中，所有可用井（A1井、A2井、A3井、A4井和A5井）通过克里金插值用于构建先验模型的低频背景趋势。然而，这些井均未用于约束高频反演更新或调整正则化参数。因此，它们用于

结论

本研究提出并成功应用了一套高分辨率地震阻抗反演框架，该框架整合了迭代正则化策略和生物礁结构约束。我们的主要结论如下。

（1）与简单的解释制图不同，本研究证明了古地貌重建与构造导向地震属性的整合为复杂储层表征提供了稳健的几何先验。通过

CRediT作者贡献声明

杨健：写作—审阅与编辑，写作—初稿，方法，调查，形式化分析。黄旭日：写作—审阅与编辑，监督，资源，资金获取。张福红：监督，资源，资金获取。唐书航：监督。唐静：验证。

资金

本工作得到国家重点研发计划（编号2025YFE0212900）和国家自然科学基金（批准号42241206和U24B2022）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知名利冲突或人际关系。

致谢

感谢中国石油西南油气田分公司授权使用本文中的测井和地震数据。

杨健 | 黄旭日 | 张福红 | 唐书航 | 唐静