汲生珍 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院;中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

鄔興威,王萍,夏東領(lǐng) (中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

雙相介質(zhì)的頻譜分析技術(shù)在流體識(shí)別中的應(yīng)用
——以中東某油田裂縫型碳酸鹽巖稠油油藏為例

汲生珍 (中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院;中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

鄔興威,王萍,夏東領(lǐng) (中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

雙相介質(zhì)理論認(rèn)為地下巖石是由具有孔隙的固體骨架和孔隙中所充填的流體所組成。地震波在含流體的多孔介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)使流體在孔隙空間流動(dòng),從而引起低頻共振與高頻衰減。對(duì)三維地震資料及井旁道典型單井的頻譜分析,以確定不同流體性質(zhì)的頻譜特征。應(yīng)用面積差值法求取高、低頻能量的差異,實(shí)踐證實(shí),油氣層往往表現(xiàn)為明顯的高頻衰減與低頻共振特征,而水層與干層則表現(xiàn)不明顯。該方法在中東某油田碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)流體預(yù)測(cè)符合度可達(dá)80%,為區(qū)內(nèi)的增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

雙相介質(zhì);頻譜分析;低頻共振;高頻衰減

儲(chǔ)層流體識(shí)別的方法較多,近年來(lái)利用頻率域?qū)傩赃M(jìn)行流體識(shí)別逐漸成為儲(chǔ)層描述與流體識(shí)別的熱點(diǎn)。1979年Tanger等[1～3]利用“低頻陰影”技術(shù)識(shí)別儲(chǔ)層流體,1997年BP-Amoco公司的Lopez等人[4]提出適于三維地震解釋和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的地震頻譜分級(jí)技術(shù),隨之被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)層含油氣檢測(cè)。近幾年,基于品質(zhì)因子 (Q)等吸收屬性識(shí)別流體的方法也發(fā)展迅速,并在許多地區(qū)取得了較好的應(yīng)用[5]。

目前,油氣預(yù)測(cè)的技術(shù)多以單相介質(zhì)的波動(dòng)理論為基礎(chǔ),無(wú)法準(zhǔn)確描述地震波的傳播規(guī)律。油氣層是一種多項(xiàng)介質(zhì) (即固相的多孔巖石骨架與流相的油、氣、水等)的組合體,對(duì)此,應(yīng)用雙相介質(zhì)理論對(duì)地震資料進(jìn)行頻譜分析,確定不同流體性質(zhì)的頻譜特征,應(yīng)用 “低頻共振”及 “高頻衰減”法進(jìn)行流體識(shí)別。當(dāng)儲(chǔ)層中含有流體時(shí),往往會(huì)引起地震波能量和頻率的變化,尤其儲(chǔ)層中含有油氣時(shí),往往導(dǎo)致主頻降低及高、低頻反射異常,同時(shí)地層吸收的不一致性致使地震頻譜表現(xiàn)為低頻共振及高頻衰減[6～8]。該現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)外油田現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)鉆結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室模型正演、數(shù)值模擬結(jié)果中均已得到證實(shí)。在國(guó)內(nèi),張應(yīng)波[9]最先將Biot理論用于地震勘探的研究。針對(duì)地震頻譜與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的關(guān)系,楊頂輝等[10]通過(guò)建立BISQ模型證實(shí),含流體多孔介質(zhì)中噴射流是造成地震波強(qiáng)衰減的主要原因。李勇等[11]通過(guò)雙介質(zhì)正演,探索了含油氣儲(chǔ)層對(duì)地震波的吸收衰減作用。尹陳等[12]基于一維彌散-黏滯型波動(dòng)方程正演方法模擬出地震波衰減延遲現(xiàn)象,認(rèn)為含流體性地層的黏滯性和彌散性是地震波在傳播中能量衰減的一個(gè)重要原因。

1 理論依據(jù)-雙相介質(zhì)理論

雙相介質(zhì)理論于1956年由Biot首先提出,并建立了雙相介質(zhì)條件下的波動(dòng)方程。雙相介質(zhì)理論認(rèn)為地下巖石是由具有孔隙的固體骨架 (即固相)和孔隙中所充填的流體 (即流相)所組成。若多孔介質(zhì)的孔隙單元相互連通,則地震波在含流體的多孔介質(zhì)中傳播時(shí),由于流體和固體的振動(dòng)相互作用、耦合,會(huì)使孔隙中的流體在空間中流動(dòng),從而引起流體和固體顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致波的振幅衰減[13～15]。在有限帶寬內(nèi),地震波從低頻向高頻方向移動(dòng)時(shí),存在低頻衰減最小值和高頻衰減最大值,即 “低頻共振”與 “高頻衰減”,這是雙相介質(zhì)和單相介質(zhì)的最大區(qū)別。由于石油和天然氣黏滯系數(shù)遠(yuǎn)比水大,因而含油氣儲(chǔ)層的地震波振幅衰減將會(huì)相當(dāng)明顯。利用儲(chǔ)層中油氣的地震振幅衰減大于水,可以間接識(shí)別含油飽和度較高的儲(chǔ)層流體。振幅衰減?計(jì)算公式如下:

式中:?為介質(zhì)孔隙度,%;K為介質(zhì)滲透率,mD;η為流體黏滯系數(shù),m Pa·m;μ為介質(zhì)固體位移, m;U為介質(zhì)液體位移,m;t為時(shí)間,s[16]。

從式(1)中可以看出:在多相介質(zhì)中,地震波的振幅衰減與介質(zhì)的衰減系數(shù)及流體與固體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比。且當(dāng)流體和固體顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí),地震波衰減最小而振幅最強(qiáng),該現(xiàn)象即為“共振”,它僅存在于地震波的某一低頻率上。

流體和固體顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度隨著頻率的增加而增大,在某一頻率處,地震波衰減最大而振幅最小,從而形成高頻衰減?！案哳l衰減”現(xiàn)象已為人們所熟悉,但“低頻共振”卻為一個(gè)有意義的新發(fā)現(xiàn)。正是該發(fā)現(xiàn)奠定了油氣檢測(cè)的基礎(chǔ)。從圖1中可清晰地反映出地震波在地下傳播時(shí),在一定帶寬內(nèi),存在著低頻衰減的最小值和高頻衰減的最大值。在a～b低頻段,雙相介質(zhì)的振幅衰減低于單相介質(zhì)的振幅衰減;而在c～d高頻段,雙向介質(zhì)的振幅衰減遠(yuǎn)高于單相介質(zhì)的振幅衰減。

應(yīng)用時(shí),應(yīng)首先分析含不同流體性質(zhì)的儲(chǔ)層頻譜特征,確立不同流體性質(zhì)的儲(chǔ)層頻率值域范圍,然后求取低、高頻段振幅能量。一般在含油氣區(qū),主頻較低,且低頻段存在明顯的低頻能量的增強(qiáng),而在高頻段則存在能量的降低。而無(wú)油氣區(qū)通常主頻較高,沒(méi)有 “低頻共振,高頻衰減”的現(xiàn)象 (圖2)。故利用面積差值法(LFR&HFA)來(lái)進(jìn)行流體識(shí)別。

圖1 單相介質(zhì)與多相介質(zhì)中地震波振幅衰減與頻率關(guān)系圖

圖2 面積差值法原理圖

2 應(yīng)用分析

中東某油田屬于復(fù)雜的裂縫型碳酸鹽巖稠油油藏。該油田已勘探開(kāi)發(fā)40余年,從2009～2014年,研究區(qū)產(chǎn)量遞減加快,綜合含水量明顯上升,新鉆井含水率偏高,且不同油藏單元的油水界面和儲(chǔ)層流體性質(zhì)存在較大差異。結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)、動(dòng)態(tài)資料分析,需要尋找能識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)、刻畫(huà)油水分布特征的方法技術(shù),以預(yù)測(cè)有利含油區(qū)范圍和油氣富集區(qū),提高鉆井成功率,為開(kāi)發(fā)方案部署提供可靠依據(jù)。針對(duì)該區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件,在調(diào)研類似儲(chǔ)層油氣預(yù)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)反復(fù)探索與試驗(yàn)認(rèn)為,利用雙相介質(zhì)理論分析其低頻與高頻信息對(duì)預(yù)測(cè)該區(qū)流體分布意義重大。

2.1 儲(chǔ)層流體的單井頻譜分析

研究區(qū)地震資料主頻25Hz左右,利用不同頻率響應(yīng)對(duì)應(yīng)不同巖性、物性和含油性特點(diǎn),結(jié)合鉆井和測(cè)試資料,統(tǒng)計(jì)和分析油層、油水層、水層和干層的頻譜特征。首先確定含油氣層段與水層或干層的主頻分界線,進(jìn)一步分析其頻譜特征,確認(rèn)兩者差異,建立儲(chǔ)層流體識(shí)別的頻譜模板標(biāo)準(zhǔn)。該區(qū)含油層系,儲(chǔ)層巖性變化不大,均為泥晶灰?guī)r,為儲(chǔ)層流體的頻譜界限識(shí)別提供了有利條件。

運(yùn)用該方法對(duì)120口井的井旁道生產(chǎn)層段進(jìn)行頻譜分析,得到目的層段的有效調(diào)諧頻率范圍,油層段的頻率一般小于25 Hz,水層或干層的頻率大于25 Hz。Well1井為油井,Well2井為無(wú)產(chǎn)能井,兩者的單井頻譜分布存在明顯差異,油層段頻譜向低頻段遷移,而無(wú)產(chǎn)能段頻譜向高頻方向遷移 (圖3)。

圖3 油井Well1井(a)和無(wú)產(chǎn)能井Well2井(b)的過(guò)井地震道頻譜對(duì)比圖

對(duì)單井附近多道頻譜分解,以確定儲(chǔ)層段流體頻譜界限。在地震剖面上對(duì)單井儲(chǔ)層段附近區(qū)域 (時(shí)間域)統(tǒng)計(jì)頻譜特征,120口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與單井頻譜分析結(jié)果相一致性。通過(guò)分析頻譜形態(tài)特征與油層、油水層、水層或干層的關(guān)系,得到以下認(rèn)識(shí):①油層段單峰優(yōu)勢(shì)明顯,低頻段 (＜25 Hz)具有優(yōu)勢(shì),高頻段 (＞25Hz)峰值不明顯;②油水層段表現(xiàn)為低頻段和高頻段并存的雙峰特征,若低頻段優(yōu)勢(shì),高頻段存在第二峰值臺(tái)階,臺(tái)階峰值的大小反映該井含水率高低,高含水層段 (含水率Sw＞80%)高頻段峰值高于低頻段峰值,低含水層段(Sw=20%～80%)低頻段峰值明顯高于高頻段峰值;③水層或干層為高頻段單峰(圖4)。

2.2 基于雙相介質(zhì)的地震頻譜屬性分析

基于雙相介質(zhì)的頻譜分解主要針對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì),分析不同流體的頻譜特征。由于地下介質(zhì)含油、氣、水等流體時(shí)表現(xiàn)為雙相特性,且介質(zhì)含水時(shí)的地震波能量衰減很微弱。依據(jù)含流體儲(chǔ)層具有高頻衰減、低頻共振特征,運(yùn)用頻譜屬性凸顯油層、水層不同頻率的頻譜響應(yīng)特征,優(yōu)選對(duì)流體性質(zhì)敏感的頻譜屬性,最終結(jié)合試油、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和測(cè)井解釋驗(yàn)證其可靠性。由于該區(qū)主要為碳酸鹽巖儲(chǔ)層,儲(chǔ)層性質(zhì)相對(duì)均一,運(yùn)用基于雙相介質(zhì)的頻譜分析技術(shù),能夠較好地反映儲(chǔ)層中的流體性質(zhì)。

從圖5、6可以看出,油井在目的層段表現(xiàn)為明顯的低頻共振及高頻衰減,而無(wú)產(chǎn)能井在目的層段低頻能量較弱,無(wú)高頻衰減特征,據(jù)此可以定性判斷儲(chǔ)層中的流體性質(zhì)。圖5中的Well3井為一口鉆遇微裂縫儲(chǔ)層的油井,有效儲(chǔ)層厚度為20～30m,在目的層段試采自噴,地震剖面中目的層段僅顯示為較弱反射,在低頻共振剖面中,目的層段具有較強(qiáng)的異常,相應(yīng)的高頻衰減剖面中亦顯示出較為明顯特征。圖6中的Well4井為水井,雖然在鉆探過(guò)程中存在放空漏失,但是在低頻共振及相應(yīng)的高頻衰減剖面中均未發(fā)現(xiàn)任何異常。該區(qū)內(nèi)原油主要為稠油,密度較大,實(shí)踐證實(shí),低頻共振屬性相對(duì)于高頻衰減屬性,能更好地反映儲(chǔ)層中的流體性質(zhì)。對(duì)該區(qū)120口井的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較來(lái)看,符合率達(dá)到80%,表明該方法在復(fù)雜的碳酸鹽巖裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)流體分布較為有效。

圖4 不同流體性質(zhì)的頻率曲線對(duì)比圖

圖5 典型油井Well3井低頻共振(a)及高頻衰減(b)剖面

3 結(jié)論

基于雙相介質(zhì)理論,從頻率域角度探討碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體預(yù)測(cè)是一種行之有效的方法。對(duì)于黏滯系數(shù)較高的重質(zhì)原油,低頻屬性能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)儲(chǔ)層流體性質(zhì),減少鉆探風(fēng)險(xiǎn),為提高鉆探成功率打下了良好的基礎(chǔ),同時(shí)也為油田的增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。但單一地震屬性在反映某一方面的地震信息時(shí),一般存在多解性,故在具體應(yīng)用時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況綜合研究。

圖6 典型水井Well4井低頻共振(a)及高頻衰減(b)剖面

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[編輯] 鄧?yán)?/p>

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A

1000-9752(2014)09-0049-05

2013-12-26

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05031)。

汲生珍(1976-),女,2004年石油大學(xué) (北京)畢業(yè),高級(jí)工程師,博士生,現(xiàn)主要從事儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體檢測(cè)工作。