徐 超,狄?guī)妥?魏建新

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中國石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點實驗室,北京102249)

塔里木盆地碳酸鹽巖溶洞型儲層地震響應(yīng)常表現(xiàn)為“串珠狀”反射。傳統(tǒng)上,針對“串珠狀”反射開展的鉆探工作大都取得了成功。然而,溶洞流體分布規(guī)律十分復(fù)雜,針對“串珠狀”反射的鉆井除了鉆遇油氣外,還會鉆遇水層,簡單地針對“串珠狀”反射進(jìn)行油氣勘探開發(fā)已經(jīng)不能滿足油田高效建產(chǎn)的要求。因此,有效識別溶洞儲層的流體充填性質(zhì),對于指導(dǎo)碳酸鹽巖油氣勘探開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

對于含油氣儲層的流體識別,許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,尤其在砂巖儲層中,許多技術(shù)方法已被廣泛應(yīng)用,如LMR技術(shù)[1]、流體因子ρf[2]、高靈敏度的流體因子[3]等方法。然而,針對碳酸鹽巖儲層的流體識別尚處于探索研究階段,地震物理模擬技術(shù)已被應(yīng)用于碳酸鹽巖溶洞儲層充填流體的地震響應(yīng)特征研究。王立華等[4]研究了充填物對孔洞模型地震響應(yīng)特征“串珠狀”反射振幅、頻率等屬性的影響及規(guī)律;趙群等[5]通過縫洞物理模型實驗觀測,發(fā)現(xiàn)溶洞被油或氣充填時,振幅隨偏移距增大而衰減明顯;唐志遠(yuǎn)等[6]利用一個包含不同尺寸和充填物孔洞的物理模型,對溶蝕孔洞體積定量雕刻的影響因素進(jìn)行了討論;Sun等[7]將基于頻率的AVO反演技術(shù)應(yīng)用于碳酸鹽巖溶洞儲層并進(jìn)行了流體識別分析。這些研究成果為碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別提供了理論基礎(chǔ),而基于物理模擬數(shù)據(jù)處理分析實現(xiàn)流體識別的研究文獻(xiàn)目前尚不多見。

針對碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別問題,我們利用一個含油、氣、水溶洞物理模型的地震模擬采集資料,通過疊前反演獲得多種彈性參數(shù)屬性,對各彈性參數(shù)屬性分別進(jìn)行兩兩交會,并進(jìn)行流體異常分析,實現(xiàn)對充填油、氣、水溶洞的識別,以期為碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別的方法研究與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 含流體溶洞模型地震物理模擬

碳酸鹽巖儲層中不同溶洞尺度范圍的變化較大,小至毫米級,大到百米級。針對碳酸鹽巖溶洞儲層的正演研究,主要采用簡化等效的方法,將地層中千姿百態(tài)的溶洞抽象簡化為簡單的幾何圖形,如球形洞、方形洞、圓柱洞等[8]。盡管實際地層中直徑10m以上的溶洞很少,但大量裂縫、孔洞聚集的溶洞區(qū)往往大于10m,有的甚至大至幾百米。由于溶洞儲層埋深較深(以塔里木盆地碳酸鹽巖溶洞型儲層為例，其埋深大于5300m),以及物理模型制作工藝的限制,模型與模擬實際地層尺寸的比例選為1∶10000較為合適。實驗室模型制作溶洞最小尺度為0.5mm左右,相當(dāng)于實際中直徑5m的溶洞。據(jù)此設(shè)計并制作了分別含有油、氣、水的溶洞物理模型,如圖1所示。

由圖1a可見,模型的第3層為溶洞儲層,高速圍巖中均勻放置6個等直徑3mm(模擬直徑30m的溶洞)的管狀水平洞(圖1b),從左至右溶洞編號分別為①,②,③,④,⑤,⑥;第2層為上覆層;第5層為基座有機玻璃板;第1,4,6層為水層。各層速度參數(shù)如圖1中的標(biāo)注。其中溶洞①,②,③分別充填氣體(空氣)、水和機油(粘度要大些),對應(yīng)的速度分別為340,1480,1520m/s;溶洞④,⑤,⑥由固體混合物充填(不在本文研究范圍內(nèi),這里不予論及)。制作完成的模型實物長×寬×高=758.1mm×358.0mm×112.1mm。

將制作好的模型放入水槽中,采用三維地震物理模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行模擬野外地震采集,沿圖1b中模型中部的虛線進(jìn)行二維觀測,獲得超聲地震數(shù)據(jù)。圖2為物理模型采集數(shù)據(jù)第20炮單炮記錄。從圖2中可以看出,原始數(shù)據(jù)具有較高的信噪比,模型中各反射界面清晰可見,而且在目的層頂、底界面反射同相軸T2與T3之間,存在較明顯的非雙曲線形態(tài)的同相軸,為溶洞繞射波。

圖1 溶洞物理模型示意圖解a 剖面示意圖解; b 俯視示意圖解

圖2 溶洞物理模型模擬采集數(shù)據(jù)第20炮單炮記錄

2 溶洞模擬數(shù)據(jù)的流體識別分析

與疊后地震數(shù)據(jù)相比,疊前地震數(shù)據(jù)富含地下介質(zhì)的巖性信息和流體信息,因此被廣泛應(yīng)用于儲層巖性預(yù)測與流體識別研究。AVO技術(shù)與疊前反演技術(shù)是常用的儲層流體檢測手段。我們綜合應(yīng)用疊前AVO反演與疊前同步反演,針對碳酸鹽巖溶洞儲層物理模型中流體充填的溶洞①,②,③,進(jìn)行基于模擬數(shù)據(jù)的流體識別分析。

2.1 含不同流體溶洞的AVO響應(yīng)特征

碳酸鹽巖溶洞的地震反射以繞射波的形式出現(xiàn)。AVO分析在共反射點(CRP)道集上進(jìn)行。為了使溶洞繞射波收斂,對物理模型采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了疊前時間偏移處理,基于偏移歸位后的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行正確的AVO分析[9-10]。圖3為物理模擬數(shù)據(jù)的3個疊前CDP道集(CDP165,CDP166,CDP167),其中圖3a為疊前時間偏移前的原始數(shù)據(jù)經(jīng)動校正后的CDP道集,可見溶洞繞射波比較明顯,反射能量較弱;圖3b為疊前時間偏移后的CDP道集,可以看出,雖然仍有少量殘留的溶洞繞射波,但溶洞反射能量相對得到加強,溶洞繞射波總體上被收斂歸位。

圖3 物理模擬數(shù)據(jù)疊前時間偏移前(a)、后(b)的3個CDP道集

基于疊前時間偏移處理后的疊前數(shù)據(jù),從對應(yīng)不同流體充填溶洞中心點處的CDP道集中提取AVO曲線,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,充填不同流體(氣、油、水)溶洞的AVO響應(yīng)各不相同,這為區(qū)分氣、油、水提供了理論基礎(chǔ)。由于氣與油、水的性質(zhì)差異較大,因此含氣溶洞AVO曲線也與含油、水溶洞AVO曲線差異較大,可以較好地將氣區(qū)分開來。

圖4 充填不同流體(氣、油、水)溶洞物理模擬數(shù)據(jù)的AVO曲線

2.2 疊前AVO屬性反演P-G交會分析

AVO技術(shù)是一種典型的建立在疊前地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的地震技術(shù)。Ostrander[11]首先提出利用反射系數(shù)隨入射角的變化識別“亮點型”含氣砂巖,標(biāo)志著AVO技術(shù)的出現(xiàn)。描述平面波在水平界面反射和透射的Zoeppritz方程是AVO的理論基礎(chǔ),然而由于其表達(dá)式復(fù)雜,無法直接用于AVO分析。Shuey[12]對Zoeppritz方程進(jìn)行了簡化,首次提出了反射系數(shù)的AVO截距與梯度的概念,其表達(dá)式為

(1)

式中：R為反射系數(shù);θ為入射角;P為AVO截距;G為AVO梯度。

通過分析振幅隨偏移距的變化進(jìn)行巖性和流體識別,交會分析是AVO異常分析的主要技術(shù)手段[13]。聯(lián)合AVO截距與梯度,通過交會分析可知,當(dāng)巖層為泥巖或含水砂巖時,交會圖中截距與梯度變化趨勢基本呈線性關(guān)系,稱為背景趨勢。偏離這個背景趨勢即為烴類流體異常。關(guān)于流體異常的分析,Castagna[14]指出,含氣砂巖通常比含水砂巖具有更小的截距(P)與梯度(G),因此其趨勢線偏離過原點的背景趨勢線向下偏移。

在疊前時間偏移處理的基礎(chǔ)上,對物理模擬地震數(shù)據(jù)進(jìn)行AVO屬性反演,獲得截距P剖面、梯度G剖面和PG屬性剖面。圖5展示了3個充填不同流體溶洞范圍內(nèi)模擬數(shù)據(jù)的PG屬性剖面。如圖5所示,在PG屬性剖面上,各溶洞處的地震響應(yīng)并未被收斂為溶洞形態(tài),而是仍有較好的“串珠”形態(tài),PG數(shù)值有正有負(fù),正、負(fù)與“串珠”的“波峰”、“波谷”對應(yīng)。通過對P和G進(jìn)行交會分析,可以在交會圖上進(jìn)行流體異常分析,進(jìn)而對流體進(jìn)行識別。

圖5 充填不同流體溶洞物理模擬數(shù)據(jù)的PG屬性剖面

與常規(guī)儲層不同,由于溶洞儲層在反演剖面上特有的“串珠”形態(tài),其“波峰”、“波谷”出現(xiàn)在P-G交會圖中關(guān)于原點對稱的兩個象限。由于“串珠”的“波峰”、“波谷”均是溶洞的反映,因此兩個象限的分析是等效的,只對其中一個象限的點進(jìn)行分析即可。

圖6為不同流體充填溶洞①,②,③范圍物理模擬數(shù)據(jù)的P-G交會分析結(jié)果。由圖6可知,溶洞處異常點分布在兩個象限：第Ⅱ象限與第Ⅳ象限,這里只對第Ⅱ象限的點進(jìn)行分析。其中,色標(biāo)表示CDP范圍,根據(jù)色標(biāo)劃分出3個區(qū)域：區(qū)域1、區(qū)域2與區(qū)域3,即分別對應(yīng)含氣、含油、含水溶洞的數(shù)據(jù)點。根據(jù)Castagna提出的流體異常相關(guān)理論,烴類流體異常區(qū)域與含水相比,偏離背景趨勢線更多,向下偏移,且含油的情況介于含氣與含水之間,據(jù)此即可對上述3個區(qū)域進(jìn)行區(qū)分：區(qū)域1應(yīng)該為氣充填;區(qū)域2應(yīng)為油充填;而區(qū)域3應(yīng)為水充填。將上述劃入氣、油、水區(qū)域的數(shù)據(jù)點投影到反演剖面中,結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,氣、油、水?dāng)?shù)據(jù)點重疊較少,三者被很好地區(qū)分開來。圖7識別結(jié)果與物理模型實際情況相符,說明P-G交會分析用于碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別是可行的。

圖6 溶洞①,②,③范圍物理模擬數(shù)據(jù)AVO屬性反演的P-G交會分析結(jié)果

圖7 含不同流體溶洞模擬數(shù)據(jù)的P-G交會點分區(qū)域投影到反演剖面中的結(jié)果

2.3 疊前同步反演彈性參數(shù)屬性交會分析

自Connolly[15]提出彈性阻抗概念以來,振幅隨入射角變化(AVA)和彈性阻抗反演技術(shù)得到了較大的發(fā)展和應(yīng)用[16-17]。Ozdemir等[18]提出了利用AVO信息進(jìn)行彈性參數(shù)同步反演的思路。通過疊前同步反演可同時獲得縱、橫波波阻抗,縱橫波速度比,泊松比等多種彈性參數(shù)。與單純應(yīng)用縱波阻抗相比,縱、橫波阻抗等屬性聯(lián)合應(yīng)用可提高儲層流體的識別精度[19]。疊前同步反演技術(shù)被成功應(yīng)用于含氣儲層的流體識別研究[20-21]。

Goodway等[1]提出了LMR技術(shù)用于流體識別,將λρ,μρ稱為流體因子,其表達(dá)式為

式中：IP為縱波阻抗;IS為橫波阻抗。根據(jù)(2)式、(3)式即可由縱、橫波阻抗獲得λρ,μρ。由于橫波不在流體中傳播,所以橫波速度對流體不敏感,與其相對應(yīng)的第二拉梅系數(shù)μ對流體也不敏感;縱波波阻抗IP比橫波波阻抗IS對流體更敏感,所以與其相對應(yīng)的第一拉梅系數(shù)λ對流體敏感。儲層含油氣往往對應(yīng)λρ低值,而μρ對含流體不敏感。

在對物理模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前時間偏移處理后,通過疊前同步反演及LMR轉(zhuǎn)換,獲得縱、橫波波阻抗,縱橫波速度比,拉梅常數(shù),泊松比等多種彈性參數(shù),它們均可作為流體因子用于識別流體。圖8為疊前同步反演獲得的縱波阻抗ZP,橫波阻抗ZS,泊松比σ,縱橫波速度比vP/vS,LMR參數(shù)λρ和μρ等彈性參數(shù)屬性剖面。從圖8中可以看出,上述各屬性值在氣、水、油充填的溶洞①,②,③處有差異,說明它們可以用于識別不同充填流體。

流體識別的目的是將含水和含氣的情況區(qū)分開來,因此流體識別因子對不同流體應(yīng)表現(xiàn)出明顯的差異。圖8中幾種屬性可以定性的區(qū)分油、氣和水,例如在縱波阻抗ZP、泊松比σ剖面中,不同溶洞“串珠”中心部分的值有明顯差異,但由于其值有部分重合,因此單獨的屬性不能準(zhǔn)確地區(qū)分油、氣和水。與單一屬性相比,兩兩屬性的交會分析可以有效地區(qū)分不同流體。圖9為上述各彈性參數(shù)屬性兩兩交會圖,用橢圓線劃分出不同的油、氣、水范圍,紅色橢圓內(nèi)為氣,藍(lán)色橢圓內(nèi)為水,黑色橢圓內(nèi)為油。

圖8 物理模擬數(shù)據(jù)疊前同步反演獲得的多種彈性參數(shù)屬性剖面a 縱波阻抗ZP; b 橫波阻抗ZS; c 泊松比σ; d 縱橫波速度比vP/vS; e λρ; f μρ

對比圖9中各交會圖可以發(fā)現(xiàn),在ZP-σ交會、λρ-vP/vS交會、ZP-λρ交會圖中,對應(yīng)油、氣、水的數(shù)據(jù)點分布范圍有明顯的重疊,因此不容易實現(xiàn)油、氣、水識別;而ZS-σ交會、μρ-σ交會、λρ-σ交會圖中,油、氣、水的數(shù)據(jù)點范圍幾乎沒有重疊,比較容易區(qū)分油、氣、水。因此,我們將ZS-σ交會、μρ-σ交會、λρ-σ交會作為最佳的流體識別因子組合進(jìn)行流體識別。

將上述ZS-σ交會、μρ-σ交會、λρ-σ交會圖中圈出的對應(yīng)油、氣、水區(qū)域的數(shù)據(jù)點投影到反演剖面中,結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出,μρ-σ交會圖(圖10b)中油、氣、水范圍幾乎沒有重疊,識別效果最好;而對于ZS-σ交會、λρ-σ交會,雖然仍有部分重疊,但總體上仍可很好地區(qū)分氣、油、水。此外,由于充填氣的溶洞①與圍巖阻抗差較大,繞射嚴(yán)重,無法使其完全收斂,但這不影響通過交會分析進(jìn)行流體識別的結(jié)果。上述3組交會分析結(jié)果均能明確識別出溶洞1為氣充填,溶洞2為水充填,溶洞3為油充填。這與物理模型中實際溶洞流體充填情況相吻合,正確實現(xiàn)了流體識別。

圖9 物理模擬數(shù)據(jù)疊前同步反演獲得的彈性參數(shù)屬性交會分析結(jié)果a λρ-σ交會; b λρ-vP/vS交會; c ZS-σ交會; d ZP-σ交會; e μρ-σ交會; f ZP-λρ交會

圖10 彈性參數(shù)屬性交會點分區(qū)域投影到反演剖面中進(jìn)行流體識別的結(jié)果a ZS-σ交會點分區(qū)域投影; b μρ-σ交會點分區(qū)域投影; c λρ-σ交會點分區(qū)域投影

3 結(jié)束語

基于含油、氣、水溶洞物理模型數(shù)據(jù)的研究分析表明,針對碳酸鹽巖溶洞儲層,通過疊前反演獲得各種彈性參數(shù)屬性,對其分別進(jìn)行兩兩交會分析,可以實現(xiàn)對充填不同流體溶洞的識別。其中,P-G交會、ZS-σ交會、μρ-σ交會、λρ-σ交會等可以較好地區(qū)分不同流體,因此它們均可以用于碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別。而在ZP-σ交會、λρ-vP/vS交會、ZP-λρ交會識別油、氣、水效果較差,不宜用于碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別。這一認(rèn)識為碳酸鹽巖溶洞儲層流體識別的方法研究與應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

然而,理想化的純流體充填溶洞物理模型與實際碳酸鹽巖溶洞儲層有著很大的差異,且超聲頻段的物理模型實驗(主頻300kHz左右)與實際地震資料采集(主頻通常為20～30Hz)存在極大的頻率差異,這些差異決定了地震物理模型實驗的局限性。所以,本文獲得的結(jié)論只是定性的認(rèn)識,這一點有待在地震物理模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步中進(jìn)一步深化研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Goodway W,Chen T,Downton J.Improved AVO fluid detection and lithology discrimination using Lame petrophysical parameters:“λρ”,“μρ”,“λ/μfluid stack” from P and S inversion [J].Expanded Abstracts of 68thAnnual Internat SEG Mtg,1997,183-186

[2] Russell B H,Hedlin K,Hilterman F J,et al.Fluid property discrimination with AVO:a Biot-Gassmann perspective[J].Geophysics,2003,68(1):29-39

[3] 寧忠華,賀振華,黃德濟(jì),等.基于地震資料的高靈敏度流體識別因子[J].石油物探,2006,45(3)：239-241

Ning Z H,He Z H,Huang D J,et al.Fluid factor of high sensitivity based on seismic data[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(3):239-241

[4] 王立華,魏建新,狄?guī)妥?等.溶洞物理模型地震響應(yīng)及其屬性分析[J].石油地球物理勘探,2008,43(3)：291-296

Wang L H,Wei J X,Di B R,et al.Seismic response and attributes analysis of cavernous physical models[J].Oil Geophysical Prospecting,2008,43(3):291-296

[5] 趙群,曲壽利,薛詩桂,等.碳酸鹽巖溶洞物理模型地震響應(yīng)特征研究[J].石油物探,2010,49(4)：351-400

Zhao Q,Qu S L,Xue S G,et al.Seismic response study of carbonate cavernous physical models[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2010,49(4):351-400

[6] 唐志遠(yuǎn),孫贊東,魏建新,等.基于物理模型的溶蝕孔洞體積定量雕刻影響因素研究[J].石油物探,2012,51(5)：431-439

Tang Z Y,Sun Z D,Wei J X,et al.Analysis on impact factors of quantitative volume estimation for karst-cave based on physical modeling data[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(5):431-439

[7] Sun S,Jiang S,Sun X,et al.Fluid identification using frequency-dependent AVO inversion in dissolution caved carbonate reservoir [J].Expanded Abstracts of 71stAnnual Internat SEG Mtg,1-5

[8] 魏建新,狄?guī)妥?王立華,等.孔洞儲層地震物理模擬研究[J].石油物探,2008,47(2)：156-160

Wei J X,Di B R,Wang L H,et al.Physical modeling study of cavernous reservoirs[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2008,47(2):156-160

[9] 劉洪林,朱秋影.基于疊前深度偏移的AVO反演及解釋[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(3):905-912

Liu H L,Zhu Q Y.AVO inversion and interpretation based on pre-stack depth migration[J].Progress of Geophysics,2007,22(3):905-912

[10] 孫海寧,王曉梅,劉來祥,等.AVO技術(shù)在識別充填流體溶洞中的應(yīng)用[J].物探與化探,2008,32(4)：398-400

Sun H N,Wang X M,Liu L X,et al.Application of AVO technology in identification of caves saturated with fluids[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2008,32(4):398-400

[11] Ostrander W J.Plane wave reflection coefficients for gas sands at non-normal angles of incidence[J].Geophysics,1984,49(10):1637-1648

[12] Shuey R T.A simplification of the Zoeppritz equations[J].Geophysics,1985,50(4):609-614

[13] 管路平.地震疊前反演與直接烴類指示的探討[J].石油物探,2008,47(3)：228-234

Guan L P.Discussion of seismic pre-stack migration and direct hydrocarbon indication[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2008,47(3):228-234

[14] Castagna J P,Swan H W.Principles of AVO crossplotting[J].The Leading Edge,1997,17(4):337-342

[15] Connolly P.Elastic impedance [J].The Leading Edge,1999,18(4):438-452

[16] 甘利燈,趙邦六,杜文輝,等.彈性阻抗在巖性與流體預(yù)測中的潛力分析[J].石油物探,2005,44(5)：504-508

Gan L D,Zhao B L,Du W H,et al.Potentiality analysis of elastic impedance in prediction of lithology and fluids[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2005,44(5):504-508

[17] 王保麗,印興耀,張繁昌,等.彈性阻抗反演及應(yīng)用研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2005,20(1)：89-92

Wang B L,Yin X Y,Zhang F C,et al.Elastic impedance inversion and its application[J].Progress of Geophysics,2005,20(1):89-92

[18] Ozdemir H,Ronen S,Olofsson B,et al.Simultaneous multicomponent AVO inversion [J].Expanded Abstracts of 71stAnnual Internat SEG Mtg,2001,269-272

[19] 李愛山,印興耀,張繁昌,等.疊前AVA多參數(shù)同步反演技術(shù)在含氣儲層預(yù)測中的應(yīng)用[J].石油物探,2007,46(1)：64-68

Li A S,Yin X Y,Zhang F C,et al.Application of pre-stack AVA multi-attributes inversion technology in gas reservoir prediction[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2007,46(1):64-68

[20] 郎曉玲,彭仕宓,康洪全,等.疊前同時反演方法在流體識別中的應(yīng)用[J].石油物探,2010,49(2)：164-169

Lang X L,Peng S B,Kang H Q,et al.Application of pre-stack simultaneous inversion in fluid discrimination[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2010,49(2):164-169

[21] 唐曉花,成德安,呂金龍,等.疊前同步反演在徐家圍子斷陷火山巖氣藏預(yù)測中的應(yīng)用[J].石油物探,2009,48(3)：285-289

Tang X H,Cheng D A,Lv J L,et al.Application of pre-stack simultaneous inversion in gas reservoir prediction in Xujia Weizi fault volcanics[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2009,48(3):285-289