鮮 強(qiáng),馮許魁,劉永雷,呂 東,安海亭,蔡志東,王祖君,苑恒超

[1.中國(guó)石油 東方地球物理公司研究院,新疆 庫(kù)爾勒 841000; 2. 中國(guó)石油 東方地球物理公司 新興物探開發(fā)處,河北 涿州 072750]

經(jīng)過十幾年的油氣勘探及前人研究,大家逐漸認(rèn)識(shí)到塔里木盆地塔中地區(qū)鷹山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層為潛山巖溶型油氣藏。但在油氣檢測(cè)方面一直沒能得到讓人信服的結(jié)果,主要有如下幾個(gè)原因：① 塔中地區(qū)地表被沙漠覆蓋,地震資料信噪比低,難以滿足疊前流體預(yù)測(cè)的需要;② 塔中地區(qū)儲(chǔ)層埋藏深(>6 000 m),儲(chǔ)集空間主要為縫、洞等溶蝕體,儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng);③ 鉆遇縫洞型儲(chǔ)層,容易發(fā)生放空,難以獲得縫洞型儲(chǔ)層的縱、橫波曲線,利用縱橫波曲線進(jìn)行AVO正演,難以確定縫洞型儲(chǔ)層中不同流體的AVO響應(yīng)。

針對(duì)地震資料信噪比低的問題,采取小面元、高密度地震采集技術(shù)及相應(yīng)的處理技術(shù)能很好的解決地震數(shù)據(jù)的信噪比低和儲(chǔ)層成像精度差等問題。當(dāng)鉆遇縫洞型儲(chǔ)層容易發(fā)生放空與漏失,孔隙度較大(>30%),橫波預(yù)測(cè)困難。針對(duì)上述問題,前人做了不少研究:楊輝廷[1]、張廣智[2]等人論證了修正型的Xu-white模型[3],可以用來預(yù)測(cè)縫洞型儲(chǔ)層橫波速度,Xu-white模型對(duì)于孔隙型的砂泥巖效果較好,對(duì)于碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層橫波預(yù)測(cè)效果一般。楊敏[4]嘗試?yán)肈EM模型[5]進(jìn)行碳酸鹽巖橫波預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)精度較高。鎮(zhèn)晶晶對(duì)比了DEM模型與Self-consistent模型[6],認(rèn)為二者假設(shè)條件和局限性相似,DEM模型與包含物加入的順序有關(guān),Self-consistent模型只與最后物質(zhì)形式有關(guān)[7]。本文選擇了Self-consistent模型進(jìn)行橫波預(yù)測(cè),受孔隙大小影響較小,通過調(diào)整孔隙結(jié)構(gòu)可以用于孔隙度大于臨界孔隙的巖石物理建模。

AVO正演以及疊前同時(shí)反演的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程及其在不同假設(shè)條件下的簡(jiǎn)化。1985年Shuey對(duì)Zoeppritz方程進(jìn)行了重新推導(dǎo)與簡(jiǎn)化,將地層泊松比變化與入射角的關(guān)系引入簡(jiǎn)化公式,提出了Shuey近似[8]方程。Shuey近似方程較為直觀地反映了縱波反射系數(shù)與入射角及界面兩側(cè)介質(zhì)的彈性參數(shù)間的關(guān)系。Connolly[9]提出了彈性波阻抗反演(EI)方法;Whitecombe等[10]提出了擴(kuò)充彈性阻抗反演(EEI)方法,并應(yīng)用于流體和巖性預(yù)測(cè);Li Yongyi等人[11]利用AVO屬性,對(duì)加拿大西部盆地的碳酸鹽巖進(jìn)行了疊前油氣檢測(cè);李宗杰[12]利用正演模擬實(shí)驗(yàn)以及疊前彈性阻抗反演技術(shù)成功的預(yù)測(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的流體性質(zhì);唐金良[13]利用疊前反演技術(shù),針對(duì)塔河油田碳酸鹽巖進(jìn)行了疊前油氣檢測(cè);張遠(yuǎn)銀[14]利用AVO反演預(yù)測(cè)了塔中地區(qū)碳酸鹽巖含油氣性。

針對(duì)上述難題,在前人研究的基礎(chǔ),嘗試在塔中地區(qū)開展基于巖石物理建模的疊前流體檢測(cè)。研究對(duì)碳酸鹽巖巖石物理建模方法演進(jìn)行了探討,系統(tǒng)的論證了不同類型儲(chǔ)層的AVO響應(yīng)與疊前流體檢測(cè)的可行性,最終開展了疊前流體檢測(cè)實(shí)驗(yàn),并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析與說明。

1 巖石物理建模

巖石物理是溝通儲(chǔ)層與地震響應(yīng)的橋梁。巖石物理建模是建立起儲(chǔ)層彈性參數(shù)與地震響應(yīng)之間的關(guān)系,通過巖性和流體的替代分析,研究巖性、物性及流體變化對(duì)地震響應(yīng)的影響,來定量地描述油氣與地震響應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13],從而進(jìn)行反演的可行性論證及流體敏感參數(shù)的優(yōu)選。巖石物理建模主要包括兩個(gè)方面：橫波預(yù)測(cè)、流體替代。

1.1 橫波預(yù)測(cè)

橫波預(yù)測(cè)的方法通常是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。Pickett[15],Castagna[16]等許多學(xué)者給出了不同的縱波-橫波速度的關(guān)系,上述學(xué)者研究基于原生孔隙儲(chǔ)層的縱橫波關(guān)系。而本區(qū)碳酸鹽巖主要以溶洞、裂縫等次生孔隙為主,利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行橫波預(yù)測(cè)存在較大誤差。針對(duì)本區(qū)縫洞型儲(chǔ)層對(duì)橫波預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)匦拚Ｒ环矫媸菍L試用Self-consistent模型替換Xu-white模型,Self-consistent模型可以預(yù)測(cè)孔隙度大于30%的儲(chǔ)層的橫波速度,這對(duì)本區(qū)洞穴型儲(chǔ)層橫波預(yù)測(cè)尤為有利。另一方面是將干巖石骨架由泥巖和砂巖換成泥巖和灰?guī)r,通過Viogt-Reuss-Hill平均計(jì)算混合礦物的體積模量和剪切模量[17]。第三,利用Self-consistent模型,通過調(diào)節(jié)礦物的橫縱比來實(shí)現(xiàn)溶洞和裂縫對(duì)碳酸鹽巖彈性模量的影響,從而計(jì)算出干巖石的彈性模量。第四,利用Wood公式[18],計(jì)算在一定壓力、溫度、礦化度條件下,混合流體的體積模量及密度。最后,利用Gassmann方程[19]計(jì)算飽含流體巖石的體積模量和對(duì)應(yīng)的縱橫波速度。

利用上述方法,計(jì)算出的橫波速度受流體影響小,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線吻合度較高。而縱波受流體及裂縫影響較大,預(yù)測(cè)的速度與實(shí)測(cè)的總體趨勢(shì)背景一致,局部有誤差。這種結(jié)果表明改進(jìn)的方法在本區(qū)進(jìn)行橫波預(yù)測(cè)是有效的。

1.2 巖石物性分析及流體替代

流體替代就是替代孔隙中的流體,分析飽含不同流體的對(duì)巖石彈性模量的變化引起的縱、橫波速度的變化,最終定量分析流體變化引起的地震響應(yīng)的變化。流體替代的核心是Gassmann方程。在前面巖石物理建模的基礎(chǔ)上,確定巖石骨架及流體成分,保持巖石骨架不變,替換孔隙中的流體。

研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層埋深6 500 m左右,油氣藏的類型為凝析氣藏,氣油比約2 000 ∶1。目的層地層壓力為60 MPa,地層溫度大約為140 ℃,地層水的礦化度80 000×10-6。本區(qū)儲(chǔ)層為深埋階段的碳酸鹽巖儲(chǔ)層,儲(chǔ)層孔隙主要是次生溶孔和裂縫,40%的井在鉆探過程中發(fā)生了放空,孔隙度變化很大(2%～30%,局部可以達(dá)到100%)。儲(chǔ)層巖性以灰?guī)r為主,圖1中非儲(chǔ)層密度為2.71 g/cm3,阻抗為17 300 g·cm3·m·s-1。當(dāng)巖石發(fā)生溶蝕,洞穴中充注油氣后密度及阻抗會(huì)迅速下降,圖2中密度下降到2.5 g/cm3,阻抗下降到12 000 g·cm3·m·s-1左右?？v波速度(vp)由6 359 m/s下降到4 700 m/s,下降幅度為25%。橫波速度(vs)由3 200 m/s下降到2 700 m/s,下降幅度為15%。vp/vs由1.91下降到1.55,下降幅度為21%。

圖1 塔中地區(qū)密度與阻抗交匯圖Fig.1 Cross-plot between density and P-impedance in Tazhong area

圖2 塔中地區(qū)縱橫波速度比與阻抗交匯圖Fig.2 Cross-plot between vp/vs and P-impedance in Tazhong area

圖3 塔中地區(qū)某氣井流體替代圖 Fig.3 Fluid substitution for gas well in Tazhong area(圖中粉色曲線為混合流體的替代結(jié)果,黑色為實(shí)測(cè)曲線,藍(lán)色曲線為飽含水的預(yù)測(cè)結(jié)果。)

在較大的埋深條件下,當(dāng)孔隙中充滿水時(shí),圖3中縱波速度變化不大;當(dāng)孔隙中含氣時(shí),縱波速度明顯下降。不論孔隙中含有何種流體,橫波速度整體變化較小。本區(qū)流體主要為凝析氣,預(yù)測(cè)流體結(jié)果與實(shí)測(cè)接近。單純的使用縱波阻抗難以區(qū)分儲(chǔ)層中的流體,通過前面儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層的交匯以及流體替換試驗(yàn)可知,縱波速度與橫波速度的比則可以有效區(qū)分油氣與水,因此可以選取縱波與橫波的速度比作為敏感參數(shù)進(jìn)行流體識(shí)別。

2 AVO理論及正演

AVO正演從實(shí)測(cè)縱橫波及密度曲線出發(fā),利用Zoeppritz方程計(jì)算出一個(gè)疊前道集。分析這個(gè)疊前道集振幅隨偏移距變化的關(guān)系可以確定AVO響應(yīng)特征?；诹黧w替代的AVO正演,可以定量分析流體變化對(duì)AVO響應(yīng)的影響,最終實(shí)現(xiàn)反演的可行性分析。

本文在工區(qū)內(nèi)選擇了油井與水井進(jìn)行AVO正演,正演結(jié)果顯示圖4中油井的AVO響應(yīng)是振幅隨偏移距增大而增大,而圖5中水井的AVO響應(yīng)是振幅隨偏移增大基本不變或變化不大。不同類型井的截距和梯度是有差異的,可以利用AVO特征或其它疊前道集屬性在本區(qū)開展定性的流體識(shí)別研究。

3 疊前同時(shí)反演

3.1 道集能量補(bǔ)償基于觀測(cè)系統(tǒng)屬性

地震數(shù)據(jù)受觀測(cè)系統(tǒng)和偏移成像方法的影響,導(dǎo)致CDP道集振幅在不同偏移距位置分布不均勻,中偏移距振幅能量強(qiáng),而小偏移距與大偏移距處能量弱。除了常規(guī)的處理流程,在偏移之后還需要進(jìn)行道集剩余能量補(bǔ)償。常規(guī)的做法是：對(duì)道集內(nèi)振幅進(jìn)行最大與最小值統(tǒng)計(jì),在道集內(nèi)部進(jìn)行能量歸一化,這種方法一定程度上能消除不同偏移距上的能量異常。

圖4 塔中地區(qū)油井AVO正演Fig.4 AVO forward modeling for oil well in Tazhong area

圖5 塔中地區(qū)水井AVO正演Fig.5 AVO forward modeling for water well in Tazhong area

為了使振幅隨偏移距的變化的關(guān)系符合正演模型,本文選擇了基于AVO正演的道集能量補(bǔ)償方法。具體做法是對(duì)非儲(chǔ)層段如本區(qū)奧陶系灰?guī)r頂面進(jìn)行多口井AVO正演,然后對(duì)AVO趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),擬合一個(gè)振幅隨偏移距變化的關(guān)系,最終將這個(gè)關(guān)系應(yīng)用到工區(qū)道集。使得不同類型的井旁道集的振幅變化與井的AVO正演道集振幅變化趨勢(shì)一致。校正前,道集振幅在中偏移距能量強(qiáng),在近、遠(yuǎn)偏移距振幅能量弱,見圖6。校正后,道集振幅隨偏移距增加而增大,與井旁(圖4)正演道集的振幅變化趨勢(shì)一致(圖7)。初步實(shí)現(xiàn)了利用井曲線進(jìn)行AVO正演對(duì)地震道集數(shù)據(jù)振幅變化的質(zhì)控。

3.2 疊前同時(shí)反演

地震疊前反演的理論與AVO正演及屬性分析理論相似,都是Zoeppritz方程及其各種類型的簡(jiǎn)化。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以新的巖石物理模型以及高密度地震資料為基礎(chǔ),對(duì)塔中地區(qū)流體性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

圖6 塔中地區(qū)常規(guī)油井CRP道集Fig.6 CRP gather for conventional wells in Tazhong area

圖7 塔中地區(qū)油井CRP道集校正后Fig.7 CRP gather energy compensation for oil wells in Tazhong area

3.2.1 道集部分疊加

AVO屬性分析能夠相對(duì)快速地、半定量地進(jìn)行流體檢測(cè)分析,而疊前同時(shí)反演則可以準(zhǔn)確地、定量地獲得能夠反映流體的彈性參數(shù)。通過疊前同時(shí)反演可以得到縱波橫波以及密度等彈性參數(shù),這些彈性參數(shù)可以較好的反映由于巖性及物性變化引起的振幅隨偏移距的變化,最終預(yù)測(cè)儲(chǔ)層中的流體。

由于本區(qū)埋藏較深,AVO響應(yīng)都在中遠(yuǎn)偏移距出現(xiàn)異常。在偏移距3 000 m左右出現(xiàn)振幅的變化,在遠(yuǎn)偏移距的位置容易出現(xiàn)動(dòng)較拉伸等現(xiàn)象,在近偏移距的位置有多次波及其他類型波的干擾。在選擇偏移距時(shí),適當(dāng)?shù)娜サ暨h(yuǎn)與近偏移距數(shù)據(jù),去除干擾的基礎(chǔ)上保留AVO現(xiàn)象。

針對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)體的疊加方法本文主要考慮兩點(diǎn),單個(gè)限偏移距疊加數(shù)據(jù)體的信噪比和反演結(jié)果的穩(wěn)定性。部分疊加數(shù)據(jù)體越多,反演結(jié)果越穩(wěn)定。在覆蓋次數(shù)一定的基礎(chǔ)上,部分疊加數(shù)據(jù)體越多,單個(gè)數(shù)據(jù)體的覆蓋次數(shù)會(huì)降低,從而導(dǎo)致單個(gè)數(shù)據(jù)信噪比會(huì)下降,最終會(huì)影響反演結(jié)果的穩(wěn)定性。本區(qū)選取有效偏移距為1 000～6 000 m,按照偏移距增量平均將其分為5～7個(gè)部分,然后將其疊加生成5～7個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體。為了求解縱、橫波速度以及密度等參數(shù),至少需要3個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體。利用5個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行反演能夠得到穩(wěn)定的橫波數(shù)據(jù),利用7個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行反演能夠得到穩(wěn)定的橫波與密度數(shù)據(jù)。將本區(qū)道集疊加成7個(gè)和5個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體,7個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體整體信噪比較低,因此使用5個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行反演。5個(gè)部分疊加剖面整體信噪比較高,對(duì)儲(chǔ)集體反映能力較好。

3.2.2 多子波標(biāo)定

利用理論子波制作合成記錄,與全疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行比較,計(jì)算其相關(guān)系數(shù),建立初始的時(shí)深關(guān)系。然后,對(duì)每個(gè)偏移距疊加數(shù)據(jù)體分別提取井旁道子波,修正初始的時(shí)深關(guān)系,子波提取與合成記錄標(biāo)定迭代進(jìn)行,當(dāng)標(biāo)定的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大時(shí),確定最終的時(shí)深關(guān)系,對(duì)應(yīng)于不同偏移距疊加數(shù)據(jù)體同一口井的時(shí)深關(guān)系是唯一的[20]。

3.2.3 低頻模型的建立

由于地震數(shù)據(jù)的頻帶是有限的,缺失高頻和低頻信息。基于約束稀疏脈沖算法的疊前反演能夠提高地震數(shù)據(jù)的帶寬,需要利用工區(qū)內(nèi)測(cè)井低頻信息建立趨勢(shì)模型進(jìn)行阻抗和密度的趨勢(shì)約束,保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性。同時(shí)測(cè)井資料提供了較高的垂向分辨率,較多的保留了測(cè)井的高頻信息。

3.2.4 疊前同時(shí)反演及結(jié)果分析

結(jié)合偏移速度體,對(duì)不同偏移距數(shù)據(jù)體進(jìn)行疊前同時(shí)反演,通過反演可以得到反映流體的彈性參數(shù)。本區(qū)儲(chǔ)層在充填泥質(zhì)、油氣及水,其地震響應(yīng)都是串珠狀響應(yīng)(圖8a),在疊后反演剖面上都為低阻抗的響應(yīng)(圖8b)。常規(guī)的疊后反演預(yù)測(cè)儲(chǔ)層能力較好,而反映油氣的能力有限。ZG8-H1井為水井,在疊后反演上為儲(chǔ)層響應(yīng),在vp/vs剖面上數(shù)值下降較小,由1.8下降到1.7(圖8c)。ZG8-4井為低效井(油氣累計(jì)產(chǎn)量低),在疊后反演剖面上同為儲(chǔ)層響應(yīng),在vp/vs剖面上數(shù)值下降不明顯,由1.8下降到1.65。而ZG8井為高效井(油氣累計(jì)產(chǎn)量高),含油氣后儲(chǔ)層的vp/vs值有明顯下降,由1.8下降到1.6以下。疊前反演得到的縱橫波速度比能夠有效的識(shí)別儲(chǔ)層中的流體。

圖8 塔中地區(qū)疊前油氣預(yù)測(cè)剖面(剖面位置見圖10)Fig.8 Pre-stack hydrocarbon prediction in Tazhong area(seeFig.10 for profile Cocation)a.疊后地震剖面;b.波阻抗剖面;c.縱、橫波速度比剖面

圖9 塔中地區(qū)ZG8井區(qū)鷹山組儲(chǔ)層平面預(yù)測(cè)Fig.9 Reservoir prediction of the Yingshan Fm in ZG8 well-block of Tazhong area

圖10 塔中地區(qū)ZG8井區(qū)鷹山組疊前油氣檢測(cè)平面圖Fig.10 Hydrocarbon prediction plan for Yingshan Fm in ZG8 well-block of Tazhong area

塔中地區(qū)鷹山組儲(chǔ)層為早期潛山巖溶和后期斷控巖溶共同作用下的產(chǎn)物。塔中地區(qū)在鷹山組沉積后,經(jīng)歷了短暫的抬升,在混合水差異溶蝕下[21],在工區(qū)西南部形成了大面積不規(guī)則的儲(chǔ)層,紅色為洞穴型儲(chǔ)層(圖9)黃色為孔隙型儲(chǔ)層。在工區(qū)的北部?jī)?chǔ)集體以洞穴型為主,為后期斷裂改造后形成斷溶體[22-23],在平面上呈點(diǎn)狀,局部串珠呈線狀間接反映斷裂發(fā)育方向。通過疊前流體檢測(cè)后,結(jié)果顯示工區(qū)南部潛山型儲(chǔ)層區(qū)含油較差(圖10)。鉆井資料揭示潛山型儲(chǔ)層在暴露期泥質(zhì)充填,儲(chǔ)集空間難以保存。工區(qū)北部為斷控巖溶發(fā)育區(qū)。由于沒有暴露剝蝕,同時(shí)儲(chǔ)集空間得到了較好的保存,在多期斷裂活動(dòng)的改造下,儲(chǔ)集空間得到進(jìn)一步的擴(kuò)大,為油氣充注提供條件,為有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。對(duì)本工區(qū)的18口井進(jìn)行了預(yù)測(cè),15口井的預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果一致,吻合率達(dá)到83.3%,利用此結(jié)果提供了多個(gè)鉆探目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對(duì)縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu),本文使用Self-consistent模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)縫洞型儲(chǔ)層的橫波速度。通過巖石物理分析及流體替代研究可以優(yōu)選出反映流體變化的敏感參數(shù),利用縱橫波速度比可以有效的進(jìn)行流體預(yù)測(cè)。通過AVO正演可知,碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層飽含油氣時(shí),AVO的響應(yīng)為：振幅隨偏移距增大而增大;儲(chǔ)層含水時(shí),AVO響應(yīng)為：振幅隨偏移距增大保持不變。對(duì)常規(guī)CRP道集進(jìn)行振幅能量補(bǔ)償,消除了觀測(cè)系統(tǒng)造成的道集能量不均。在AVO正演的基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際的地震道集進(jìn)行基于AVO正演的振幅能量補(bǔ)償。利用多個(gè)分偏移距疊加的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前同時(shí)反演,反演得到的彈性參數(shù)vp/vs,能夠有效的反映研究區(qū)內(nèi)流體。

致謝：感謝領(lǐng)導(dǎo)、專家以及同事的建議、指導(dǎo)與幫助。同時(shí)感謝中國(guó)石油塔里木油田公司對(duì)研究提供的資料支持