汪佳蓓， 黃捍東， 郭　飛

( 1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京　100083；　2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249；　3. 中國石油大學(北京) 提高采收率研究院，北京　102249；　4. 中海石油深圳分公司 研究院，廣東 廣州　510240 )

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基于雙相介質(zhì)的地震波衰減特性油氣檢測方法

汪佳蓓1， 黃捍東2,3， 郭飛4

( 1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京100083；2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；3. 中國石油大學(北京) 提高采收率研究院，北京102249；4. 中海石油深圳分公司 研究院，廣東 廣州510240 )

油氣儲層是典型的多相介質(zhì)，目前油氣檢測中依據(jù)的單相介質(zhì)理論容易造成預(yù)測結(jié)果的多解性。為了更準確地檢測油氣，以Biot雙相介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，推導吸收系數(shù)表達式，建立能量密度衰減方程，利用廣義S變換對地震資料進行頻譜分解，分析介質(zhì)含不同流體后地震波各頻率成分的衰減特征。結(jié)果表明：當雙相介質(zhì)中所含流體性質(zhì)不同時，地震波的頻率衰減也不盡相同，當儲集層中含油氣時，地震波頻率衰減量顯著增大，低頻能量衰減小，高頻能量衰減大，在頻譜上表現(xiàn)為低頻能量相對增強，高頻能量相對減弱，整體能量向低頻移動。對比實際工區(qū)的低、高頻能量剖面和衰減剖面，將地震波的衰減規(guī)律運用到油氣檢測中取得較好的效果，理論模型和實際資料的運用表明該方法可行。

地震波衰減； 雙相介質(zhì)； 吸收系數(shù)； 能量密度衰減方程； 廣義S變換； 油氣檢測

0　引言

隨著勘探精度要求的不斷提高，基于單相介質(zhì)理論的油氣檢測方法已不能滿足勘探開發(fā)的要求。地下儲層介質(zhì)大部分是由固體和流體組成的雙相介質(zhì)，地震波在雙相介質(zhì)中傳播不同于單相介質(zhì)的情況，因此，研究雙相介質(zhì)中地震波的吸收衰減規(guī)律有利于提高油氣儲層預(yù)測的精度。

雙相介質(zhì)理論可以追溯到Voigt W和Reuss A提出的Voigt-Reuss模型[1-2]，隨后Hill R修正為Voigt-Reuss-Hill 模型[3]，該模型已具備雙相孔隙介質(zhì)的雛形。1951年，Gassmann F建立Gassmann方程[4]，方程中設(shè)定自適應(yīng)假設(shè)條件，被認為是最早的孔隙介質(zhì)理論。1956年，Biot M A[5-6]首次系統(tǒng)地闡述含流體介質(zhì)中的彈性波傳播規(guī)律，奠定雙相介質(zhì)彈性波動理論基礎(chǔ)。1962年，Biot M A[7-8]建立雙相介質(zhì)耗散時的地震波方程，推導孔隙介質(zhì)中衰減、波速與頻率和孔隙介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系，分析地震波的吸收衰減機理。1993年，Dvorkin J和Nur A[9]加入噴射流機理，提出BISQ模型，推導地震波的相速度和衰減系數(shù)與固體頻率和流體黏滯性等宏觀變量之間的關(guān)系，研究地震波的衰減和頻散特征。1994年，Parra J O[10]研究在低群和高群速度層中滲透率對地震波衰減的影響。1995年,Dilay A等[11]討論儲層內(nèi)部及儲層上、下方的頻率譜，分析含油氣性對地震波頻率的影響。馬昭軍、李軍、吳順和等[12-14]研究表明，球面擴散、介質(zhì)散射、介質(zhì)黏彈性的吸收衰減等可以導致地震波的衰減，雙相介質(zhì)中的流體也導致地震波的頻散和衰減，可以利用地震波各頻率成分的能量衰減特征檢測油氣。2003年，Castagna J P等[15]提出孔隙介質(zhì)含油氣區(qū)域含有強衰減，利用頻譜分解方法提取衰減特征并成功檢測油氣。2004年，Korneev V A等[16]基于物理實驗得到帶衰減的地震記錄，并指出地層含流體后出現(xiàn)地震波的高頻能量衰減異常、低頻陰影和旅行時延遲等現(xiàn)象。2006年，Coloshubin G等[17]提出應(yīng)用地震波反射信號中的低頻信息識別孔隙介質(zhì)中含油氣區(qū)。

我國學者利用地震波的衰減判斷油氣也取得效果。2002年，撒利明等[18]以多相介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，采用DHAF技術(shù)，觀測地震波振幅衰減情況并檢測油氣。2007年，盧明輝等[19]探討雙相介質(zhì)含不同流體時的反射規(guī)律，研究孔隙度、飽和度等儲層參數(shù)對縱波衰減的影響。2008年，He Zhenhua等[20]運用低頻陰影及其能量強度隨著頻率的變化特征成功識別油氣。董寧等[21]通過提取地震資料的高頻能量衰減梯度，成功識別碳酸鹽巖縫洞型油氣儲層。2010年，李勇等[22]基于地震波衰減規(guī)律，通過快縱波的吸收系數(shù)和逆品質(zhì)因子的橫向變化預(yù)測油氣。張會星、孫萬元等[23-24]提取地震波衰減和頻散屬性并成功識別油氣。筆者基于Biot理論推導雙相介質(zhì)吸收系數(shù)表達式，建立能量密度衰減方程，解釋介質(zhì)含流體后地震波的衰減原理，結(jié)合高低頻能量衰減特性檢測油氣，為利用地震資料進行油氣檢測提供依據(jù)。

1　方法原理

1.1地震波衰減

Biot理論假設(shè)條件：巖石完全飽和，孔隙介質(zhì)視為各向同性均勻介質(zhì)[5-6]。Biot雙相介質(zhì)理論比較完善地描述流體飽和儲層的地震波動力學特征，使儲層中流體性質(zhì)等油藏參數(shù)直接與地震傳播特征聯(lián)系起來[5-8]?；贐iot理論耗散時的地震縱波方程[5-6]為

(1)

式中：P=A+2N,A和N與彈性波理論中的拉梅系數(shù)對應(yīng);e和ε分別為固相和流相的體應(yīng)變；Q為系數(shù)，反映固體與流體體積變化之間的耦合性質(zhì)；R為保持總體積不變而施加在流體上的壓力系數(shù)；ρ11、ρ12、ρ22為質(zhì)量系數(shù)；b為耗散系數(shù)。

(2)

則地震波的能量密度方程為

(3)

式(2-3)中：φ0和φ0分別為固相和流相的初始位移位；x為傳播距離；t為傳播時間；a為吸收系數(shù)；k為波數(shù)；w為圓頻率。e和ε分別為

(4)

將式(4)代入縱波方程(1)可得

(5)

式(5)化簡可以求解出波數(shù)k和吸收系數(shù)a:

(6)

式中：H=P+R+2Q；ρ=ρ11+ρ22+2ρ12。

將式(6)中的吸收系數(shù)a代入到能量密度方程(3)中，得到平面波傳播x后的能量密度衰減方程為

(7)

(8)

同樣可推導波數(shù)k和吸收系數(shù)a的表達式：

(9)

式(9)吸收系數(shù)a恒為零，表明單相介質(zhì)中地震波的各種頻率成分都不衰減。

理想的單相介質(zhì)對平面波無衰減，雙相介質(zhì)具有衰減性。分析能量密度衰減方程(7)可知，雙相介質(zhì)中地震波能量衰減與圓頻率w有關(guān)，w越大，地震波衰減量越大。即當介質(zhì)含有流體后地震波出現(xiàn)頻率衰減，其中高頻衰減相對較快，低頻衰減較慢，致使地震波能量移動到低頻。

1.2譜分解方法

基于雙相介質(zhì)地震波衰減規(guī)律，利用時頻分析方法提取原始地震資料的頻率域能量屬性，根據(jù)地震波各頻率成分的能量衰減特征[25]，分析地層的雙相性并檢測油氣。

時頻分析方法的選取是進行非平穩(wěn)地震信號的頻率域?qū)傩蕴崛〉年P(guān)鍵[26-27]。對原始地震信號進行頻譜分解后，結(jié)果具有較高的時頻分辨率，可對目的層段地震波頻率成分的變化進行精細表征[28-29]。利用廣義S變換對地震資料進行頻譜分解，其小波基函數(shù)[30-31]為

(10)

式中：τ為時間平移因子；f為頻率；λ、p分別為用于調(diào)節(jié)小波基函數(shù)的時寬和衰減趨勢。

原始地震剖面記為s(x1,t)，其中x1為偏移距。定義地震剖面s(x1,t)的廣義S變換為

(11)

則|Sλp(f0,x1,τ)|為頻率f0的單頻能量剖面。

含流體地層的地震波高頻能量衰減，低頻能量增強，因此可以利用高頻能量剖面對應(yīng)低能量區(qū)，低頻能量剖面對應(yīng)高能量區(qū)判斷地層是否含有流體。通過低頻能量剖面與高頻能量剖面相減，可以消除規(guī)律均勻的能量衰減，保留衰減異常的部分，突出地層的衰減特性。由于單頻能量剖面隨機性較強，因此利用頻率段的疊加能量剖面進行比較，有利于凸顯地層的衰減,進而預(yù)測油氣。

2　理論模型驗證

為了闡明地層中含流體后地震波衰減規(guī)律，分別設(shè)計干砂巖單相介質(zhì)、含水砂巖雙相介質(zhì)、含油砂巖雙相介質(zhì)和含氣砂巖雙相介質(zhì)等4個一維模型，巖石基質(zhì)及流體的物性參數(shù)見表1，模型彈性參數(shù)見表2，彈性參數(shù)是在表1的基礎(chǔ)上根據(jù)Biot-Gassmann物性參數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系求出的[32]。采用平面波激發(fā)，激發(fā)源為35 Hz的Ricker子波，將接收到的3個透射波振幅譜分別作歸一化處理，然后將歸一化結(jié)果進行比較。

表1　巖石基質(zhì)及流體物性參數(shù)

注：K為體積模量；μ為剪切模量;ρ為密度；vp為縱波速度；vs為橫波速度

表2　模型彈性參數(shù)

透射波的振幅譜見圖1(其中，激發(fā)源主頻35 Hz位于虛線處)。由圖1可知，雙相介質(zhì)中透射波的主頻小于單相介質(zhì)的主頻，說明地震波穿過含有流體的地層后，出現(xiàn)頻率衰減，并且含油和含氣介質(zhì)的主頻要小于含水介質(zhì)的主頻，其中含氣介質(zhì)的主頻是最小的，表明當?shù)貙又兴黧w性質(zhì)不同時，地震波的頻率衰減也不盡相同。當儲集層中含油，特別是含有天然氣時，地震波頻率衰減量顯著增大，因而地震波頻率的衰減程度能很好地反映地層中所含流體的情況。

為了突出雙相介質(zhì)中頻率成分的變化，分別將雙相介質(zhì)與單相介質(zhì)的振幅譜相減，結(jié)果見圖2，其中，黑色為零線，藍色為含水介質(zhì)與單相介質(zhì)的頻譜相減，綠色為含油介質(zhì)與單相介質(zhì)的頻譜相減，紅色為含氣介質(zhì)與單相介質(zhì)的頻譜相減，虛線為雙相介質(zhì)和單相介質(zhì)振幅譜相減的零值處。由圖2可知，當?shù)卣鸩ㄖ黝l小于35 Hz時，雙相介質(zhì)和單相介質(zhì)振幅譜相減為正值，即雙相介質(zhì)的振幅譜大于單相介質(zhì)的，并且紅線和綠線對應(yīng)的振幅值大于藍線對應(yīng)的振幅值，說明含油和含氣介質(zhì)的振幅譜要大于含水介質(zhì)的，其中含氣時振幅值最大；當?shù)卣鸩ㄖ黝l大于35 Hz時，雙相介質(zhì)和單相介質(zhì)振幅譜相減為負值，即雙相介質(zhì)的振幅譜小于單相介質(zhì)的，并且紅線和綠線對應(yīng)的振幅值小于藍線對應(yīng)的振幅值，說明含油和含氣介質(zhì)的振幅譜要小于含水介質(zhì)的，其中含氣時振幅值最小。改變模型的彈性參數(shù)后進行相同的運算得到同樣結(jié)論，說明介質(zhì)中含流體后地震波的低頻成分相對增強，高頻成分衰減，如果介質(zhì)中流體為油氣，則高頻能量衰減量更大，低頻能量更強。模型驗證結(jié)果與理論推導的地震波衰減規(guī)律一致，說明地震波的高頻衰減、低頻能量相對增強可以較好地反映介質(zhì)的雙相性及油氣。

3　油氣檢測效果分析

3.1工區(qū)概況

某油田的純波地震資料頻率成分保持較好，有利于應(yīng)用文中方法檢測油氣。工區(qū)目的層為珠江組和珠海組，主要是深水濁積水道沉積，儲層的油氣空間分布主要受巖性和構(gòu)造控制，為巖性—構(gòu)造油氣藏。工區(qū)的連井偏移剖面見圖3，該地震資料主頻為20 Hz，頻寬為5～80 Hz，目的層在2條紅線(圖3的1線和5線)之間，1線和2線之間為Sand1，2線和3線之間為Sand2，3線和4線之間為Sand3，其中Sand1在B井尖滅。區(qū)域內(nèi)有A、B兩口探井，其中A井分布于構(gòu)造高部位，在目的層鉆遇3套含氣砂體(Sand1、Sand2和Sand3)，獲得工業(yè)氣流； B井分布于構(gòu)造低部位，鉆遇2套砂體(Sand2和Sand3)，其中Sand2為含氣工業(yè)氣流，Sand3為水層。

圖1　透射波振幅譜Fig.1 Amplitude spectrum comparison diagram of transmitted wave

圖2　雙相介質(zhì)與單相介質(zhì)的振幅譜差值Fig.2 Subtraction between the amplitude spectrum of two-phase medium and single-phase medium

圖3　工區(qū)連井偏移剖面Fig.3 Well-tie migration section of work area

3.2預(yù)測結(jié)果

對連井剖面(見圖3)進行油氣檢測處理，結(jié)果見圖4和圖5。A井鉆遇的3套含氣砂體和B井的1套含氣砂體,在低頻能量剖面(見圖4)中對應(yīng)紅色強能量區(qū)域，即圖4圓圈處。由圖4可以看出，A井的3套砂體處低頻能量較高，證明低頻能量增強；B井是1套含氣砂體，低頻能量也偏高，但沒有A井的高。在高頻能量剖面(見圖5)中，A井圓圈處對應(yīng)藍色低能量區(qū)，證明該處高頻能量較低，地震波高頻段衰減很大，B井的高頻能量比A井處的高，表明B井出現(xiàn)衰減，但沒有A井的衰減大。這些現(xiàn)象與理論推導的含油氣地層中地震波衰減規(guī)律一致，即地震波穿過含氣儲層后，能量發(fā)生較大的衰減，低頻能量增強，高頻能量減弱，整體能量向低頻移動。

低頻能量剖面(見圖4)減去高頻能量剖面(見圖5)得到的衰減剖面見圖6。衰減剖面中紅色區(qū)為預(yù)測的高衰減異常段，指示流體特別是油氣的存在。由圖6可以看出，A井鉆遇3套砂體(Sand1、Sand2和Sand3)含氣，與對應(yīng)的深度預(yù)測為高衰減異常區(qū)吻合；B井鉆遇2套砂體(Sand2和Sand3)，其中Sand2含氣與對應(yīng)的深度預(yù)測為衰減異常區(qū)吻合，Sand3為水層；Sand3異常段沒有Sand2的含氣情況明顯，說明含水衰減異常沒有含氣衰減異常明顯，與實際理論符合。這表明預(yù)測結(jié)果與實鉆結(jié)果相符，說明該方法可以有效地檢測油氣。

圖4　低頻能量剖面(20～25 Hz)Fig.4 Low-frequency energy section (20～25 Hz)

圖5　高頻能量剖面(60～65 Hz) Fig.5 High-frequency energy section (60～65 Hz)

圖6　衰減剖面Fig.6 Attenuation section

分析工區(qū)的低、高頻能量剖面和衰減剖面，將地震波的衰減規(guī)律運用到油氣檢測中，證實該方法的可行性。為了在實際應(yīng)用中得到更高的油氣檢測精度，需注意：(1)常規(guī)地震數(shù)據(jù)在處理過程中可能改造原始頻率成分或是濾掉對儲層較敏感的低頻分量，應(yīng)使用頻率成分相對保持完好、保幅和剔除AVO角度效應(yīng)等地震資料進行目的層的油氣檢測；(2)地震反演能夠在一定程度上彌補地震波衰減解釋中存在的多解性，文中方法和高精度反演技術(shù)結(jié)合將更有利于精細刻畫油氣儲層的空間展布。

4　結(jié)論

(1)以Biot雙相介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，推導介質(zhì)的吸收系數(shù)表達式，建立與油藏參數(shù)有直接聯(lián)系的能量密度衰減方程，并結(jié)合模型驗證分析介質(zhì)含不同流體后地震波各頻率成分的能量衰減規(guī)律，為利用地震資料進行油氣檢測提供理論依據(jù)。

(2)廣義S變換能對地震剖面進行逐道頻譜分解，變換的能量譜可以清晰刻畫目的層段的地震波的能量隨時間和頻率變化的情況，同時結(jié)合雙相介質(zhì)地震波衰減規(guī)律分析地層的雙相性檢測油氣。

(3)地震波穿過含有流體的地層后，出現(xiàn)能量和頻率的衰減，并且當?shù)貙又兴黧w性質(zhì)不同時，地震波的頻率衰減也不盡相同。當儲集層中含油，特別是含有天然氣時，地震波頻率衰減能量顯著增大，低頻能量衰減小，高頻能量衰減大，在頻譜上表現(xiàn)為低頻能量相對增強，高頻能量相對減弱，整體能量向低頻移動。

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2015-10-19；編輯：陸雅玲

國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB201104)

汪佳蓓(1986-)，女，博士研究生，主要從事復(fù)雜油氣藏儲層預(yù)測方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.02.003

P631.4;TE122.2

A

2095-4107(2016)02-0019-08