周家雄,李 芳,馬光克,劉 巍,張合斌

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司研究院,廣東湛江524057)

可靠的儲(chǔ)層預(yù)測和油氣檢測結(jié)果可降低勘探風(fēng)險(xiǎn)與投入成本,對于加速油氣勘探進(jìn)程具有重要意義[1-2],同時(shí)也為開發(fā)方案的制定提供了依據(jù)。對于常規(guī)氣藏的地震識(shí)別和預(yù)測,業(yè)界已經(jīng)取得大量研究成果,且總結(jié)了多項(xiàng)有效技術(shù),然而這些技術(shù)對高溫高壓氣藏的預(yù)測精度大幅降低。對于高溫高壓含油氣區(qū),有效儲(chǔ)層的可靠預(yù)測一直是地球物理研究工作的難題。

鶯歌海盆地是一個(gè)快速沉降的新生代沉積盆地,該盆地中深層發(fā)育高溫高壓氣藏,鉆井揭示該類氣藏具有高地溫梯度(地溫梯度高達(dá)5.37℃/100m)和高壓力系數(shù)(壓力系數(shù)高達(dá)1.8,部分高于2.0)的特征,氣藏溫度一般大于140℃,壓力大于50MPa[3-6]。由于高溫高壓成藏的特殊性,在本區(qū)已鉆探揭示的高溫高壓氣藏中,出現(xiàn)了大量的氣層和非氣層(氣水同層、含氣水層、水層和含氣干層)伴生發(fā)育的情況。研究顯示鶯歌海盆地中深層高溫高壓環(huán)境下的巖石物理特征相對常溫常壓下存在很大的不同,高溫高壓對地層礦物巖石和孔隙中的流體都會(huì)造成一定的影響[7-10],利用常溫常壓下的巖石物理分析方法和常規(guī)的烴類檢測方法往往不能有效地區(qū)分高溫高壓條件下的氣層和非氣層。

針對鶯歌海盆地東方區(qū)中深層高溫高壓氣藏的地震預(yù)測問題,我們在常規(guī)含氣性檢測方法應(yīng)用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究并提出了利用計(jì)算密度和測井實(shí)測密度之間的差值識(shí)別和預(yù)測氣層的新方法。研究區(qū)實(shí)際應(yīng)用效果表明,通過密度差值反演能夠有效識(shí)別和預(yù)測出高溫高壓含氣儲(chǔ)層中的有效氣層,在一定程度上解決了研究區(qū)高溫高壓地層流體檢測的難題。

1 常規(guī)含氣性檢測方法應(yīng)用試驗(yàn)

1.1 高溫高壓儲(chǔ)層巖石物理分析

基于Gassmann方程[7-8],根據(jù)Batzle等[9-10]以及Xu等[11-13]的研究成果,建立了高溫高壓條件下地震波速度與巖石骨架模量、孔隙度、流體等參數(shù)的關(guān)系?？紫吨谢旌狭黧w有效體積模量及密度的主要影響因素包括:溫度、壓力、地層水礦化度、氣比重、含水飽和度等[9-10]。因此,在高溫高壓狀態(tài)下,孔隙中的流體性質(zhì)較常溫常壓狀態(tài)下有一定的區(qū)別。表1為東方區(qū)3口井的高溫高壓氣藏參數(shù),其中1井和2井為高烴氣藏,3井為高CO2氣藏。

表1 東方區(qū)高溫高壓氣藏參數(shù)統(tǒng)計(jì)

將表1中的氣藏參數(shù)帶入Batzle等[9]的方程,計(jì)算得到1井的氣體體積模量約為0.15GPa,氣體的密度約為275.0kg/m3；3井氣體體積模量約為2.4GPa,氣體密度約為382.7kg/m3。另外,計(jì)算得到地層水體積模量約為2.5GPa,地層水的密度約為1100kg/m3。得到高溫高壓條件下的流體巖石物理參數(shù)后,在東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶選取井況良好的1井進(jìn)行地震波速度與巖石物性和流體關(guān)系的研究。

首先,在測試氣層段,只改變儲(chǔ)層孔隙度大小,保持含水飽和度和溫度、壓力等其它因素不變進(jìn)行分析。如圖1所示,隨著砂巖孔隙度的逐漸減小,氣層段(圖中紅色段)的密度和速度明顯增大。通過統(tǒng)計(jì)東方區(qū)多口井縱波阻抗與孔隙度之間的關(guān)系(圖2),得到縱波阻抗隨著孔隙度的增大而減小的結(jié)論。

圖1 不同孔隙度下的速度和密度曲線

其次,利用Brie公式計(jì)算混合流體的體積模量[14]。只改變含水飽和度(0～1)的數(shù)值,保持孔隙度大小、溫度、壓力等其它條件不變,進(jìn)行流體替換分析。當(dāng)含水飽和度低于0.7時(shí),縱波速度對含水飽和度并不敏感；當(dāng)含水飽和度大于0.7時(shí),縱波速度隨著含水飽和度的增加而逐漸增大(圖3中藍(lán)色曲線,Brie系數(shù)為4)。與Wood公式[15]計(jì)算的結(jié)果(圖3中紅色曲線)相比較,兩者體現(xiàn)的含水飽和度與縱波速度之間的關(guān)系基本一致,但是受高溫高壓特殊地質(zhì)情況的影響,研究區(qū)含水飽和度拐點(diǎn)為0.7左右,而利用Wood公式得到的含水飽和度拐點(diǎn)在0.9左右。

除了流體替換研究之外,還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。巖石物理實(shí)驗(yàn)室超聲測試分析的結(jié)果表明(圖4),含水飽和度低于0.6時(shí)縱波速度對含水飽和度并不敏感。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果與流體替換的研究成果基本一致:當(dāng)高溫高壓儲(chǔ)層含氣后,速度會(huì)急劇降低,造成地震剖面上的強(qiáng)反射；但當(dāng)含水飽和度在0～0.7的范圍內(nèi)變化時(shí),地震反射強(qiáng)度不會(huì)有太大變化；對于純水層,一般不會(huì)形成地震剖面上的強(qiáng)反射特征。

圖2 縱波阻抗與孔隙度擬合關(guān)系

圖3 流體替換分析的縱波速度與含水飽和度關(guān)系

圖4 實(shí)驗(yàn)室測試分析的縱波速度與含水飽和度關(guān)系

1.2 其它常規(guī)含氣性檢測方法應(yīng)用試驗(yàn)

常規(guī)巖石物理分析結(jié)果表明,由于氣層和純水層的縱波速度存在較大差異,利用縱波阻抗可以識(shí)別出氣層和純水層。然而東方區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層實(shí)際鉆探結(jié)果卻表明,即便氣層與水層孔隙度大小變化不大,純水層也可能會(huì)同氣層一樣表現(xiàn)為強(qiáng)反射特征。圖5為東方區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層4井測井曲線和過4井的地震剖面。4井在Ⅰ氣組鉆遇了一套氣層,該氣層在地震剖面上顯示為強(qiáng)亮點(diǎn)反射特征；而該井在Ⅲ氣組鉆遇了一套純水層,該套水層在地震剖面上也顯示為強(qiáng)亮點(diǎn)的特征。對比Ⅰ氣組和Ⅲ氣組的物性可知(圖5),兩個(gè)氣組的孔隙度大小基本一致；Ⅰ氣組含水飽和度為0.5,Ⅲ氣組含水飽和度接近1.0,按照上述流體替換研究結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知,Ⅲ氣組的地震反射振幅理論上應(yīng)該較弱,而實(shí)際上并非如此。由此可見,利用常規(guī)巖石物理分析方法不能有效區(qū)分4井的氣層和非氣層。

圖5 東方區(qū)4井測井曲線和過4井地震剖面

針對常規(guī)高溫高壓條件下巖石物理分析方法失效的問題,本文嘗試?yán)闷渌Ｒ?guī)含氣性檢測方法來識(shí)別東方區(qū)4井的氣層和水層。首先,對4井進(jìn)行AVO分析,如圖6所示,Ⅲ氣組水層與Ⅰ氣組氣層AVO特征相似,可見簡單的AVO分析無法識(shí)別氣層和水層。另外,在過4井的地震剖面、疊后縱波波阻抗剖面(圖7)以及疊前縱波波阻抗剖面和疊前縱橫波速度比(vP/vS)剖面(圖8)上,Ⅲ氣組水層與Ⅰ氣組氣層都表現(xiàn)為強(qiáng)亮點(diǎn)。可見利用AVO分析和常規(guī)疊前、疊后反演等方法都不能有效地區(qū)分4井Ⅰ氣組的氣層和Ⅲ氣組的水層。

圖6 東方區(qū)4井AVO特征分析a Ⅰ氣組氣層; b Ⅲ氣組水層

圖7 過4井地震剖面(a)與疊后波阻抗反演剖面(b)

圖8 過4井疊前vP/vS剖面(a)與縱波阻抗反演剖面(b)

進(jìn)一步嘗試對東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶所有井的縱波阻抗、密度與縱橫波速度比(vP/vS)進(jìn)行交會(huì)分析(圖9)。由圖9可見,在縱波阻抗與vP/vS交會(huì)圖和密度與vP/vS交會(huì)圖上都不能區(qū)分出該區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層中的氣層和非氣層(干層、氣水同層、含氣水層、水層)。

圖9 東方區(qū)高溫高壓地帶所有井的縱波阻抗(a)、密度(b)與vP/vS交會(huì)分析

以上分析表明,常規(guī)的巖石物理分析、AVO分析以及疊前、疊后波阻抗反演和彈性參數(shù)交會(huì)等含氣性預(yù)測方法均無法區(qū)分高溫高壓條件下的氣層和非氣層。研究區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層的有效氣層檢測需要另辟蹊徑。

2 密度差值氣層識(shí)別方法

既然彈性參數(shù)的交會(huì)分析不能有效識(shí)別高溫高壓氣層,我們就重新選擇從物性參數(shù)入手,開展對孔隙度的研究。譚廷棟等[16-18]、毛志強(qiáng)等[19]研究表明:對于巖性穩(wěn)定、泥質(zhì)含量低的純水層,密度孔隙度和中子孔隙度可以表征介質(zhì)孔隙度；相對地層總孔隙度,天然氣的存在會(huì)導(dǎo)致密度孔隙度增大、中子孔隙度減小,若不考慮泥質(zhì)的影響,在氣層段,密度孔隙度和中子孔隙度呈負(fù)相關(guān),天然氣對中子測井的挖掘效應(yīng)則加強(qiáng)了這種負(fù)相關(guān)性。為了中和這種效應(yīng),我們研究利用密度測井和中子測井資料求取總孔隙度，計(jì)算公式如下[19]:

式中:φtDEN為密度總孔隙度；φtCNC為中子總孔隙度；ρma代表骨架密度；ρmf代表流體密度；ρ是實(shí)際測井得到的密度；Nma代表骨架中子值,Nmf代表流體中子值,N是實(shí)際測井得到的中子值。

選取東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶井況良好的一口井對計(jì)算的中子總孔隙度和密度總孔隙度作對比分析(圖10,圖中右側(cè)黑色曲線為中子總孔隙度,藍(lán)色曲線為密度總孔隙度)。由對應(yīng)的巖性柱狀圖可見,當(dāng)密度總孔隙度大于中子總孔隙度時(shí)對應(yīng)為氣層；密度總孔隙度小于中子總孔隙度時(shí)對應(yīng)為非氣層或者是泥巖。也就是說,利用中子總孔隙度和密度總孔隙度的差值可以敏感地識(shí)別出高溫高壓條件下的氣層。

圖10 中子總孔隙度與密度總孔隙度曲線對比分析

中子測井信息和密度測井信息并非是相互孤立的,中子和密度測井分別是測量地層含氫指數(shù)和地層體積密度,它們的測量值之間具有如下關(guān)系[19]:

(3)

式中:N和ρ分別代表中子測井的數(shù)值和密度測井的數(shù)值；σh代表氫原子密度指數(shù),近似表示氫原子量占化合物克分子量的比值。公式(3)表明,地層礦物的含氫指數(shù)(中子測井?dāng)?shù)值)取決于該礦物中氫核個(gè)數(shù)和礦物的真密度。也就是說,中子測井的數(shù)值可以轉(zhuǎn)化為密度。

基于上述理論基礎(chǔ),首先將公式(1)和公式(2)計(jì)算出的密度總孔隙度和中子總孔隙度進(jìn)行平均,得到最終的總孔隙度φt:

(4)

然后利用總孔隙度與密度之間的相關(guān)性,由總孔隙度反推得到一個(gè)新的密度,在這里稱為計(jì)算密度ρc:

(5)

代入東方區(qū)固體骨架的經(jīng)驗(yàn)值(ρma=2.65g/cm3,ρmf=1.11g/cm3,Nma=-0.02,Nmf=1),(5)式轉(zhuǎn)化為

(6)

這里的ρc是地層含烴校正后的計(jì)算密度。

得到計(jì)算密度后,將計(jì)算密度和測井實(shí)測密度進(jìn)行對比分析,如圖11所示(圖中粉紅色曲線為計(jì)算密度,藍(lán)色曲線為實(shí)測密度)。圖11中氣層和非氣層對應(yīng)的密度曲線存在明顯的差異:在氣層段,計(jì)算密度大于實(shí)測密度；在非氣層段或泥巖段,計(jì)算密度小于或接近于實(shí)測密度。說明根據(jù)計(jì)算密度與實(shí)測密度的正差值和負(fù)差值可以識(shí)別研究區(qū)高溫高壓氣層和非氣層。

圖11 計(jì)算密度與實(shí)測密度曲線對比

圖12 高溫高壓所有井密度差值與聲波時(shí)差交會(huì)分析

我們把計(jì)算密度ρc與實(shí)測密度ρ的差值稱為“密度差值”(氣層檢測因子),用σ表示,其表達(dá)式為

(7)

密度差值σ與東方區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層的密度測井和中子測井信息有關(guān)。

對東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶所有井的儲(chǔ)層段進(jìn)行密度差值交會(huì)分析,如圖12所示,可見氣層密度差值為正值,非氣層密度差值為負(fù)值,利用密度差值可以有效區(qū)分氣層和非氣層。

3 密度差值反演實(shí)例分析

研究表明,針對鶯歌海盆地東方區(qū)的高溫高壓含氣儲(chǔ)層,利用計(jì)算密度與實(shí)測密度的正差值可以有效地識(shí)別出氣層。因此,在得到計(jì)算密度曲線后,可以通過疊前反演得到計(jì)算密度與實(shí)測密度的正差值反演剖面,達(dá)到預(yù)測有效氣層的目的。

圖13是東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶過4井地震剖面與密度差值反演剖面,對比可見,利用密度差值反演結(jié)果可以有效識(shí)別和預(yù)測I氣組的氣層,克服了常規(guī)疊前、疊后反演方法無法區(qū)分該井I氣組氣層和Ⅲ氣組水層(圖7和圖8)的難題。圖14為東方區(qū)高溫高壓區(qū)連井地震剖面與密度差值反演剖面對比圖,可見密度差值剖面的預(yù)測結(jié)果與井上氣層段吻合良好,證實(shí)了密度差值法用于識(shí)別和預(yù)測研究區(qū)高溫高壓氣藏的有效性和實(shí)用性。

密度差值氣層識(shí)別方法在一定程度上解決了東方區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層中有效氣層識(shí)別和預(yù)測的難題,為該區(qū)下一步的勘探井部署和開發(fā)方案設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)支持。

圖13 過4井地震剖面(a)與密度差值反演剖面(b)

圖14 東方區(qū)連井地震剖面(a)與密度差值剖面(b)

4 結(jié)束語

鶯歌海盆地東方區(qū)高溫高壓含氣儲(chǔ)層的地震反射“亮點(diǎn)”可能對應(yīng)氣層,也可能對應(yīng)非氣層,而傳統(tǒng)的巖石物理分析和疊前、疊后反演等常規(guī)含氣性檢測方法無法識(shí)別出該區(qū)非氣層的“假亮點(diǎn)”。為此,研究并提出了密度差值氣層識(shí)別方法,通過計(jì)算密度與實(shí)測密度的差值反演來識(shí)別氣層和非氣層。實(shí)際應(yīng)用效果證實(shí),密度差值氣層識(shí)別方法能夠有效識(shí)別研究區(qū)高溫高壓儲(chǔ)層中的有效氣層,剔除“假亮點(diǎn)”,在一定程度上解決了高溫高壓地層流體檢測的難題。

需要指出的是,密度差值反演方法對地震道集質(zhì)量依賴程度高,道集質(zhì)量越高,可用角度越大,差值密度反演的結(jié)果越精確。

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