張紅霖

(中國(guó)石化中原油田分公司 物探研究院，濮陽(yáng) 457001)

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基于AVO屬性體的含氣指數(shù)反演在致密砂巖儲(chǔ)層的應(yīng)用

張紅霖

(中國(guó)石化中原油田分公司 物探研究院，濮陽(yáng) 457001)

川東北須家河組為一套砂泥巖互層的陸相碎屑巖沉積，砂巖極其發(fā)育，但物性差，屬于特低孔低滲儲(chǔ)層，此類砂巖儲(chǔ)層含氣后，縱橫波速度、密度等彈性參數(shù)沒(méi)有明顯變化，地震波形等異常特征微弱，僅利用疊后地震屬性不能有效地進(jìn)行含氣檢測(cè)；此外，通過(guò)流體替換試驗(yàn)以及正演模擬證實(shí)了該區(qū)地層含氣后所引起的AVO異常較為微弱，對(duì)含氣區(qū)域的刻畫(huà)能力也有限。根據(jù)鉆、測(cè)井資料分析可知，該區(qū)砂巖儲(chǔ)層含氣之后會(huì)引起聲波時(shí)差測(cè)井值一定程度的增大，中子明顯下降，有較為明顯的挖掘效應(yīng)。因此，這里利用中子-聲波測(cè)井曲線交匯重構(gòu)含氣指數(shù)曲線，在AVO屬性體的基礎(chǔ)上進(jìn)行含氣指數(shù)反演，突出AVO屬性異常，增強(qiáng)了AVO屬性對(duì)含氣性的預(yù)測(cè)能力。

AVO反演； 流體替換； 正演模擬； 測(cè)井曲線重構(gòu)； 含氣檢測(cè)； 致密砂巖

0 引言

隨著油氣勘探技術(shù)的發(fā)展，含氣檢測(cè)[1,5,7-8]的方法層出不窮，在地震剖面上直接識(shí)別出油氣藏是地震勘探多年來(lái)一直追求的目標(biāo)。研究資料表明，儲(chǔ)層含油氣與否會(huì)在巖石物理性質(zhì)(彈性模量、密度、吸收特點(diǎn)等)上有所反映，而巖石物理性質(zhì)(如彈性模量)在地震波速(縱波和橫波)上有不同的體現(xiàn)特征，這些特殊的地球物理響應(yīng)就成為利用地震資料進(jìn)行油氣檢測(cè)的主要依據(jù)。

根據(jù)油氣檢測(cè)所利用的地震數(shù)據(jù)的不同可分為疊前和疊后兩大類屬性。疊后屬性主要是利用振幅和頻率兩種屬性[13]，由于地下地質(zhì)模型復(fù)雜多樣，受制于地震分辨率因素常常出現(xiàn)不同地質(zhì)模型產(chǎn)生相同的地震指示，屬性數(shù)據(jù)與真正的地質(zhì)模型可能不一致，導(dǎo)致利用疊后振幅、頻率等屬性進(jìn)行含氣檢測(cè)存在較強(qiáng)多解性，例如曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的亮點(diǎn)技術(shù)[1,8]有過(guò)一些成功的案例，也存在很多陷阱。隨著Zoeppritz方程的數(shù)學(xué)近似式的不斷涌現(xiàn)，AVO技術(shù)作為油氣檢測(cè)技術(shù)已趨于成熟，它保留了振幅隨著偏移距的變化特征，在地震巖性分析和油氣檢測(cè)方面扮演相當(dāng)重要的角色，并迅速得到普及和應(yīng)用，亮點(diǎn)已經(jīng)發(fā)展成了AVO的一部分。

AVO技術(shù)雖然存在自己的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)、外利用該技術(shù)檢測(cè)油氣有很多成功的實(shí)例(如墨西哥灣)，但也有不少失敗的教訓(xùn)。地震道集信噪比、孔隙流體飽和度等多重因素將會(huì)嚴(yán)重影響AVO反演結(jié)果的可預(yù)測(cè)性，此時(shí)，采用常規(guī)的AVO反演技術(shù)識(shí)別流體[2,4]的精度會(huì)大大降低。

眾所周知，地層含氣后存在“挖掘效應(yīng)”，天然氣的存在會(huì)引起巖石密度的異常，同時(shí)也會(huì)引起聲波時(shí)差測(cè)井值的增大，中子測(cè)井讀數(shù)下降，挖掘效應(yīng)明顯時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，這種“挖掘效應(yīng)”成為測(cè)井解釋人員對(duì)氣層做出解釋的重要依據(jù)?；诖?，研究中采用基于AVO屬性體的含氣指數(shù)反演，對(duì)川東北須家河組致密砂巖儲(chǔ)層的含氣性進(jìn)行定性預(yù)測(cè)，在AVO屬性體的基礎(chǔ)上加入測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)等地質(zhì)規(guī)律的控制，對(duì)含氣性進(jìn)行一個(gè)很好地預(yù)測(cè)。隨后的鉆探結(jié)果以及試氣等數(shù)據(jù)顯示，該預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆井高度吻合，證實(shí)該方法具有較好的應(yīng)用前景。

1 致密砂巖儲(chǔ)層特征

川東北須家河組主要為三角洲前緣及三角洲平原相沉積，先后經(jīng)歷了印支期、燕山期與喜山期的改造，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成研究區(qū)內(nèi)河道改道頻繁，多期河道疊置，主要發(fā)育“砂包泥”的地層結(jié)構(gòu)，砂巖極其發(fā)育，厚度巨大且橫向分布較為穩(wěn)定，砂地比最低為0.37，最高達(dá)0.72，平均為0.5左右。相對(duì)于海相地層，須家河組含氣性相對(duì)較差，呈現(xiàn)出“滿盆含氣、局部富集”的特征[10]，呈土豆?fàn)罘植肌?/p>

研究區(qū)目的層須家河組須四段埋深一般在3 500 m～4 500 m，主要有巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑(或巖屑長(zhǎng)石) 石英砂巖、鈣屑砂巖和礫巖等。鉆井、測(cè)井、錄井以及試氣結(jié)果顯示含氣豐度低，因此，烴類檢測(cè)有著舉足輕重的作用。

2 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)原理

基于AVO屬性的含氣指數(shù)反演主要步驟：構(gòu)建合理的巖石物理模型，通過(guò)流體替換試驗(yàn)以及道集正演模擬分析儲(chǔ)層含氣敏感屬性，分析含氣層測(cè)井曲線特征，根據(jù)含氣地層的“中子挖掘效應(yīng)”[12]，利用中子—聲波重構(gòu)含氣指數(shù)曲線，在AVO敏感屬性體的基礎(chǔ)上，以含氣指數(shù)曲線作為約束進(jìn)行反演，獲得含氣檢測(cè)結(jié)果。

2.1 流體替換

流體替換[6]是以巖石物理分析為基礎(chǔ)開(kāi)展的一項(xiàng)研究，其目的是將原狀地層中所含的實(shí)際流體(由試油試氣、測(cè)井解釋、錄井資料等成果聯(lián)合提供)替換成其他流體，儲(chǔ)層本身的骨架參數(shù)保持不變[3,11]，通過(guò)Gassmann方程[9]計(jì)算不同流體飽和度情況下的彈性參數(shù)，包括縱橫波速度、密度等，然后利用不同流體飽和度替換結(jié)果合成AVO道集模型，并與實(shí)際井旁道集進(jìn)行分析，優(yōu)選出實(shí)際區(qū)域內(nèi)流體敏感因子。

Gassmann方程：

(1)

(2)

式中： Vs為S波速度；Vp為P波速度；ρ為密度；φ為孔隙度；Kdry為干巖體積模量；μdry為干巖剪切模量；Kma為基質(zhì)物質(zhì)(顆粒)的體積模量；Kfl為孔隙流體的體積模量。

2.2 含氣指數(shù)曲線重構(gòu)原理及步驟

在含氣地層中，中子測(cè)井的孔隙度響應(yīng)比地層真實(shí)含氣指數(shù)小的現(xiàn)象稱為挖掘效應(yīng)。將中子和聲波測(cè)井曲線按孔隙度刻度重疊在一起，氣層幅度差明顯，中子和聲波曲線在氣層處會(huì)呈明顯“鏡像”特征。因此，利用中子與聲波曲線在氣層處的“鏡像”特征來(lái)進(jìn)行含氣指數(shù)曲線重構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步為了消除巖性的影響，采用自然伽馬曲與孔隙度曲線進(jìn)行約束，剔除泥巖與非儲(chǔ)層[14-15]。具體步驟為：

1)中子和聲波曲線按孔隙度刻度進(jìn)行重疊，使非含氣砂巖段重合，則含氣砂巖段種子和聲波曲線呈現(xiàn)明顯鏡像特征。

2)將所顯示的中子、聲波曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化到同一刻度范圍(如0～100)。

3)用標(biāo)準(zhǔn)化后的聲波測(cè)井曲線減去中子測(cè)井曲線。

4)用自然伽馬(如GR<70)以及孔隙度(如por>2.5)曲線作為約束，去掉泥巖以及非儲(chǔ)層段的影響。

通過(guò)上述步驟，我們就得到了含氣指數(shù)曲線，在含氣砂巖段含氣指數(shù)曲線的值大于0，含氣豐度越大，挖掘效應(yīng)越明顯，含氣指數(shù)越大，地層含氣的可能性越大。

3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)上述儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的研究思路，針對(duì)須家河組須四段致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行AVO屬性的含氣指數(shù)反演，形成相關(guān)的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)流程。

3.1 流體替換及正演模擬分析

已知研究區(qū)內(nèi)有f1、sm1、sm101、sm102、tb1、lb1等六口探井以及兩口評(píng)價(jià)井A、B，其中f1井含氣性相對(duì)較好，在須四I砂組試氣產(chǎn)量為1 330 m3/d，sm101在該砂組測(cè)井解釋為26.0 m/4含氣層，sm1井為干層、水層，sm102井位12.3 m/2氣層。

對(duì)工區(qū)須家河組進(jìn)行AVO屬性反演，首先進(jìn)行流體替換試驗(yàn)，圖1為三個(gè)不同巖性組合的地質(zhì)模型的AVO特征分析圖。

根據(jù)巖石物理分析，三個(gè)模型的參數(shù)設(shè)置如下：

1)模型1(泥巖與干砂巖界面AVO特征分析)：

上覆地層為泥巖，其參數(shù)為Vp=4 876 m/s，Vs=2 719 m/s，Rho=2.593 g/cm3。

下伏地層為干砂巖，其參數(shù)為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

2)模型2(干砂巖與孔隙度為10%的含氣砂巖界面AVO特征分析)：

上覆地層為干砂巖，其參數(shù)為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地層為孔隙度=2.5%的氣層，Vp=5 102 m/s，Vs=3 154 m/s，Rho=2.622 g/cm3。

3)模型3(干砂巖干砂巖與孔隙度為25 %的含氣砂巖界面AVO特征分析)：

圖1 不同地質(zhì)模型AVO特征分析Fig.1 The AVO analysis of different models(a)模型1; (b)模型2;(c)模型3;(d)、(e)三個(gè)模型界面的AVO特征分析圖

上覆地層為干砂巖，其參數(shù)為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地層為孔隙度=4%的氣層，Vp=5 032 m/s，Vs=3 106 m/s，Rho=2.613 g/cm3。

圖1(d)為三個(gè)不同模型界面的AVO響應(yīng)特征曲線圖，縱軸為反射系數(shù)，橫軸為地震波入射角，圖1(e)為AVO特征的另一種顯示方式，橫軸為截距，縱軸為梯度。

從圖1中可知，該區(qū)從泥巖到砂巖的界面有II類AVO響應(yīng)存在，入射角從10°以后變化的斜率較大，異常較為明顯，因此利用AVO屬性能夠?qū)r性進(jìn)行很好的識(shí)別。砂巖中含氣后，從干砂巖到氣層的界面有IV類AVO響應(yīng)存在，但是變化的斜率都非常小，特別是入射角在15°之前，在孔隙度2.5%、4%的地層中，反射波的能量幾乎沒(méi)有變化，因此僅僅利用AVO屬性很難對(duì)含氣性進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)f1井須四I砂組頂部試氣層段(2 524.5 m～2 553 m)進(jìn)行流體替換及道集正演分析(圖2)。圖2中從左到右依次為縱波速度曲線道、橫波速度曲線道、密度曲線道、原始道集地震道、100%含水正演道集地震道、100%含氣正演道集地震道，替換結(jié)果顯示含氣飽和度的變化并沒(méi)有引起縱橫波速度的明顯變化，相對(duì)而言，密度的異常更為明顯，飽含氣之后密度有減小的趨勢(shì)，飽含水地層密度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但異常幅度仍然很小，飽含氣與飽含水兩種情況密度相差0.03 g/cm3左右，很難根據(jù)彈性參數(shù)對(duì)地層流體性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

利用原始、飽含水以及飽含氣曲線進(jìn)行道集正演，對(duì)比三個(gè)道集(圖2)可知，地層流體飽和度的變化并不能引起明顯的地震響應(yīng)異常。提取該砂組頂、底部振幅特征曲線(圖2右下角)，三種不同流體飽和度道集振幅曲線并沒(méi)有明顯差異，因此，也很難通過(guò)振幅異常來(lái)預(yù)測(cè)地層流體性質(zhì)。

為了進(jìn)一步分析地層流體敏感性，我們提取原始(藍(lán)色)、飽含水(綠色)、飽含氣(暗紅色)三個(gè)正演道集的AVO屬性(圖3)，結(jié)論顯示在眾多AVO屬性中梯度與截距的乘積以及流體因子相對(duì)較為敏感(圖3中紅色方框內(nèi))，說(shuō)明本區(qū)利用AVO屬性進(jìn)行含氣檢測(cè)具有一定的可行性，但從圖中可知異常幅度較小，檢測(cè)能力有限，多解性較強(qiáng)。

流體替換與道集正演分析的最終目的是優(yōu)選含氣敏感參數(shù)，為下一步的工作提供支撐，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。圖3中AVO屬性曲線顯示P*G屬性體相對(duì)較為敏感，但異常幅度較為微弱，圖4為對(duì)AVO屬性敏感性的定量分析，結(jié)果同樣顯示P*G屬性對(duì)地層含氣最為敏感，但異常僅為0.353，同樣說(shuō)明利用AVO屬性檢測(cè)地層含氣性的能力有限。

藍(lán)色為原始曲線 綠色為100% 含水曲線 棕紅色為100% 含氣曲線圖2 f1井須四段流體替換及道集正演分析Fig.2 The fluid replacement and forward analysis based on the well f1 of Xu-4

圖3 f1井須四段正演道集AVO屬性曲線對(duì)比Fig.3 The comparison of AVO attributes from forward gathers

圖4 AVO屬性敏感程度對(duì)比分析Fig.4 The analysis of AVO attributes sensitivity of well f1

淺藍(lán)色為氣水同層 藍(lán)色為水層 亮黃色為氣層 棕色為干層圖5 須四段P*G屬性連井剖面與地震剖面對(duì)比Fig.5 The comparison between P*G and original seismic data

3.2 AVO屬性反演檢測(cè)含氣性

由流體替換與道集正演分析可知，P*G屬性對(duì)地層流體最為敏感，因此，利用AVO屬性反演中的P*G屬性對(duì)須四段流體進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖5(a)為P*G屬性連井剖面與原始地震剖面對(duì)比，插入曲線為測(cè)井解釋結(jié)果，從P*G剖面可以看出井點(diǎn)處P*G異常與測(cè)井解釋結(jié)果吻合較差。

由圖5(b)可以看出，反演結(jié)果受到地震振幅強(qiáng)軸影響較大，橫向分布與形態(tài)與地震強(qiáng)軸極其相似，如圖5中A、B、C三個(gè)橢圓處，反演結(jié)果與地震剖面強(qiáng)軸的分布高度相似，預(yù)測(cè)結(jié)果受地震強(qiáng)軸影響較為嚴(yán)重，而本區(qū)地震振幅的變化可能受到地層巖性及其組合、流體性質(zhì)等多重因素的影響，因此，利用該結(jié)果進(jìn)行流體檢測(cè)能力有限，多解性較強(qiáng)。

圖5中A、B、C三個(gè)藍(lán)色橢圓處，P*G屬性與原始地震剖面形態(tài)、分布范圍等極其相似，AVO屬性反演結(jié)果受到地震強(qiáng)軸嚴(yán)重影響

3.3 含氣指數(shù)反演檢測(cè)含氣性

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)含氣地層存在“挖掘效應(yīng)”，利用中子―聲波進(jìn)行含氣指數(shù)曲線重構(gòu)。圖6中，AC與CNL曲線重疊在一起顯示，在含氣層有明顯的“鏡像特征”，加入自然伽馬曲線與孔隙度曲線的約束得到最終的含氣指數(shù)曲線，在非儲(chǔ)層段以及干層段，曲線值為“0”，含氣層段曲線值大于“0”，含氣指數(shù)曲線與測(cè)井解釋結(jié)果高度吻合。以此曲線作為約束，在P*G屬性體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行測(cè)井約束稀疏脈沖反演，該方法不是一種基于模型的反演，測(cè)井曲線只提供低頻補(bǔ)償，反演結(jié)果更加尊重地震數(shù)據(jù)，因此，橫向預(yù)測(cè)性更強(qiáng)。

圖7(a)為P*G剖面，圖7(b)為含氣指數(shù)剖面，通過(guò)與井點(diǎn)處測(cè)井解釋結(jié)論的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：含氣指數(shù)在含氣層呈正異常(圖7中f1井須四I砂組，sm101須四段以及sm102須四段)，在水層段異常消失(圖7中sm1井須四段)。

圖7顯示含氣指數(shù)反演結(jié)果使P*G異常更加突出，降低了多解性，尤其是紅色矩形區(qū)域中l(wèi)b1井附近，在P*G剖面上雜亂無(wú)章，整個(gè)地層都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的反射，沒(méi)有明顯異常規(guī)律可循，在含氣指數(shù)剖面上該區(qū)域異常突出。整個(gè)連井剖面顯示，含氣指數(shù)正異常與測(cè)井解釋結(jié)論吻合度較高，因此，通過(guò)含氣指數(shù)反演，突出了AVO異常，降低了多解性。含氣指數(shù)平面分布圖也顯示出含氣層呈現(xiàn)出含氣指數(shù)較大值，水層有一定的異常，但很微弱，干層不會(huì)出現(xiàn)異常，與已鉆井測(cè)井解釋結(jié)果吻合率較高，對(duì)地層流體進(jìn)行檢測(cè)具有較強(qiáng)的可靠性與可預(yù)測(cè)性。

為了對(duì)須家河組產(chǎn)能進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了一口評(píng)價(jià)井A井，該井是以須四III砂組為目的層的一口水平井，其鉆后顯示與試氣結(jié)果等與含氣指數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果高度吻合。

圖8中顯示，在P*G剖面上，異常不突出，整個(gè)地層都呈現(xiàn)出強(qiáng)軸反射，很難根據(jù)P*G屬性對(duì)地層流體性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；而在含氣指數(shù)剖面上，該井水平段正好鉆遇一層較強(qiáng)的正異常頂部，根據(jù)該預(yù)測(cè)結(jié)果，經(jīng)與工程單位結(jié)合，合理設(shè)計(jì)壓裂方案，最終該井獲得29 000 m3/d ～33 000 m3/d的氣流，在該區(qū)塊須家河組取得新的突破，進(jìn)一步說(shuō)明該方法具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

基于流體替換以及道集正演分析了川東北須家河組AVO含氣檢測(cè)的敏感屬性-P*G屬性(梯度與截距的乘積)，并通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)異常幅度定量化分析以及AVO屬性反演結(jié)果與井對(duì)比認(rèn)為利用AVO屬性對(duì)該區(qū)須家河組進(jìn)行流體檢測(cè)具有一定可行性，但檢測(cè)能力有限，多解性較強(qiáng)。

此外，根據(jù)測(cè)井曲線分析中該區(qū)須家河組含氣地層對(duì)中子存在一定程度的“挖掘效應(yīng)”現(xiàn)象，利用中子―聲波重構(gòu)含氣指數(shù)曲線，對(duì)P*G屬性進(jìn)行測(cè)井約束反演，對(duì)比常規(guī)AVO屬性反演發(fā)現(xiàn)基于AVO屬性體的含氣指數(shù)約束反演能夠突出異常，消除巖性等的影響，對(duì)區(qū)域內(nèi)的含氣性進(jìn)行更加可靠地預(yù)測(cè)。研究區(qū)內(nèi)的鉆后試氣等情況也進(jìn)一步證明該結(jié)果預(yù)測(cè)性精度較高，具有較好的應(yīng)用前景。

圖6 f1井含氣指數(shù)曲線重構(gòu)Fig.6 The gas-bearing index curve reconstruction of well f1

圖7 須四段P*G與含氣指數(shù)連井剖面對(duì)比以及含氣指數(shù)平面分布圖Fig.7 The comparison between P*G 、 gas index and the plan(a)P*G剖面;(b)含氣指數(shù)剖面；(c)含氣指數(shù)平面分布圖

圖8 過(guò)A井須四段P*G剖面與含氣指數(shù)剖面Fig.8 The comparison between P*Gand gas index near the well A(a)P*G剖面；(b)含氣指數(shù)剖面

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Inversion of gas-bearing index based on AVO attribute and its application in compact sandstone reservoir

ZHANG Hong-lin

(Geophysical Research Institute of Zhongyuan Oil Field,Puyang 457001,China)

Xujiahe Formation in northeast Sichuan is a set of sand shale interbedded clastic deposition of terrestrial facies, which has developed sandstones with poor physical properties, belongs to reservoir of low porosity and low permeability. In gas-bearing sandstone reservoir, there are no obvious changes in rock elastic parameters such as density, velocity of P- and S-waves, and the anomaly characteristics of the seismic waveforms is weak as well, so it cannot do gas detection effectively only by using post-stack seismic attributes. Meanwhile, fluid substitution test and forward simulation confirmed that the AVO anomaly caused by gas is relatively faint, this also result in the limited ability of depicting gas-bearing area. According to drilling and logging data, the acoustic time logging value has a certain degree of increase caused by the gas in sandstone reservoir, whilst neutron declines obviously, as well as obvious excavation effect. Therefore reconstructing gas-bearing index curve by using the neutron-acoustic logging curve intersection, together with inversion of gas-bearing index based on AVO attributes, can enhance AVO attribute anomaly and its prediction ability of gas-bearing.

AVO inversion； fluid substitution； forward simulation； logging curve reconstruction； gas-bearing detection； compacted sandstone

2015-06-16 改回日期：2015-07-22

張紅霖(1985-)，女，工程師， 主要從事地震地質(zhì)綜合研究方面的工作，E-mail：15939354800@qq.com。

1001-1749(2016)05-0647-09

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.12