趙海波,唐曉花,李奎周,楊志會(huì),邊 婧

(1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;2.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶163712)

基于地震巖石物理分析與疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)的齊家地區(qū)致密薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

趙海波1,唐曉花1,李奎周1,楊志會(huì)1,邊 婧2

(1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712;2.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶163712)

松遼盆地北部齊家地區(qū)青山口組鉆遇致密砂巖油,但儲(chǔ)集層巖石的礦物組成復(fù)雜、物性差,薄互層砂泥巖聲阻抗疊置,井間薄儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)因此難以開展,進(jìn)而制約了致密油“甜點(diǎn)”區(qū)優(yōu)選和水平井目標(biāo)鉆探的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)上述問(wèn)題,通過(guò)巖心聲學(xué)測(cè)試及測(cè)井資料巖石物理分析,建立了適用于研究區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)的巖石物理模型,明確了不同巖性和“甜點(diǎn)”在縱波阻抗-縱橫波速度比巖石物理解釋圖版中的彈性參數(shù)特征,為疊前反演統(tǒng)計(jì)分析和儲(chǔ)層解釋提供了基礎(chǔ)資料?；趲r石物理分析,將疊前AVO反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模相結(jié)合,采用高分辨率疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)進(jìn)行了致密薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及水平井優(yōu)化設(shè)計(jì),部署實(shí)施的5口水平井油砂鉆遇率平均95%以上,表明基于地震巖石物理分析的疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)是致密薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的有效手段。

致密砂巖油;地震巖石物理分析;疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演;甜點(diǎn);薄儲(chǔ)層

近年來(lái),成功實(shí)現(xiàn)了以頁(yè)巖氣、致密油氣等為代表的非常規(guī)油氣資源規(guī)模開發(fā),推動(dòng)了全球油氣工業(yè)進(jìn)入了常規(guī)資源與非常規(guī)資源并重發(fā)展的新階段[1]。針對(duì)致密油儲(chǔ)層的精細(xì)勘探開發(fā),目前國(guó)內(nèi)外主要采取大規(guī)模水平井部署的方法,這對(duì)致密薄儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)提出了更高的要求[2]。因此,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者將地震巖石物理分析與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、多波勘探以及四維地震油藏監(jiān)測(cè)緊密結(jié)合起來(lái)。特別是對(duì)于非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā),地震巖石物理已經(jīng)成為基于地震信息進(jìn)行儲(chǔ)層描述的基礎(chǔ)和核心[3]。DAVID等[4]利用AVO反演得到的縱橫波速度比描述了致密砂巖氣儲(chǔ)層屬性。MERLETTI等[5]利用測(cè)井與疊前振幅數(shù)據(jù)聯(lián)合隨機(jī)反演技術(shù)刻畫了薄砂巖沉積層序,并且用正演模擬數(shù)據(jù)證明了該技術(shù)的適用性,為利用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演進(jìn)行薄砂體儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了非常好的借鑒。

松遼盆地北部齊家地區(qū)青山口組致密砂巖油是大慶探區(qū)非常規(guī)致密油勘探的重要領(lǐng)域。該區(qū)致密油形成具備良好的烴源巖、儲(chǔ)集層、源儲(chǔ)配置及地層壓力條件,屬于源內(nèi)致密油,在平面上主要分布于凹陷中心部位與凹陷周邊斜坡、階地,縱向上主要分布在青山口組的高三、高四油層。隨著水平井和壓裂改造技術(shù)的進(jìn)步及規(guī)?；瘧?yīng)用,該區(qū)致密油資源的經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用成為現(xiàn)實(shí)。

齊家地區(qū)青山口組高三、高四油層平均埋深2000m左右,屬于三角洲前緣沉積環(huán)境。三角洲內(nèi)前緣與外前緣相帶內(nèi)砂體類型主要有河口壩和席狀砂,單砂體厚度1～5m,平面上砂體連續(xù)性較好,孔隙度3%～15%,滲透率(0.1～1.0)×10-3μm2。儲(chǔ)集層主要為方解石膠結(jié)或泥質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)石細(xì)砂巖,少量為介形蟲屑灰?guī)r。巖石的礦物組成復(fù)雜,不同類型的巖性及儲(chǔ)層彈性參數(shù)特征不明,儲(chǔ)層薄互砂泥巖聲阻抗疊置,以往基于疊后信息的屬性分析、稀疏脈沖反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演無(wú)法精細(xì)刻畫井間“甜點(diǎn)”分布,不能滿足該區(qū)致密油勘探資源評(píng)價(jià)和水平井部署要求。本文根據(jù)實(shí)際致密油勘探需求,分析致密儲(chǔ)層巖石物理規(guī)律,結(jié)合地震巖石物理和疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演實(shí)現(xiàn)井間砂體及“甜點(diǎn)”有效預(yù)測(cè),為齊家地區(qū)青山口組致密油勘探提供技術(shù)支撐。

1 地震巖石物理分析

地震巖石物理分析主要是建立孔隙介質(zhì)彈性參數(shù)與巖石屬性之間的關(guān)系,為地震儲(chǔ)層特征描述奠定基礎(chǔ)。三維地震采集處理及地震疊前彈性參數(shù)反演的發(fā)展,促進(jìn)了地震巖石物理分析方法技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用[6]。以下從巖心數(shù)據(jù)和測(cè)井曲線兩個(gè)尺度分析目的層段巖石物理基本規(guī)律,建立巖石物理模型并形成地震巖石物理定量解釋圖版,確定“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層彈性響應(yīng)特征。

1.1 巖樣聲學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

巖心測(cè)試數(shù)據(jù)直觀準(zhǔn)確,已成為分析孔隙介質(zhì)聲學(xué)特征與巖石屬性之間關(guān)系的有效手段。本文通過(guò)基礎(chǔ)巖心參數(shù)測(cè)試和聲學(xué)參數(shù)測(cè)量,重點(diǎn)分析巖石彈性特征與巖性、孔隙度的變化規(guī)律。巖心樣品取自齊家地區(qū)高三和高四油層組,巖性為粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含鈣泥質(zhì)粉砂巖。

圖1為孔隙度與粘土含量交會(huì)圖,色標(biāo)為方解石含量,可以看到比較明顯的3個(gè)分區(qū):A區(qū)孔隙度最高,粘土含量和方解石含量均較低;B區(qū)孔隙度其次,粘土含量最高;C區(qū)孔隙度最低,方解石含量高。這說(shuō)明對(duì)儲(chǔ)集層質(zhì)量影響最大的成巖作用是方解石(鈣質(zhì))膠結(jié),其含量直接影響孔隙度大小。砂巖膠結(jié)物中泥質(zhì)含量適度增加將導(dǎo)致方解石含量降低或儲(chǔ)集層質(zhì)量變好(孔隙度增高)。

圖1 孔隙度與粘土含量交會(huì)分析

采用超聲透射法測(cè)試巖樣聲學(xué)性質(zhì),在實(shí)際地層條件下得到飽水巖石的縱、橫波速度。在儲(chǔ)層基本參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上,通過(guò)不同組合分析研究發(fā)現(xiàn),規(guī)律最明顯的是縱波阻抗與縱橫波速度比彈性參數(shù)交會(huì)結(jié)果(圖2)?？紫抖仍黾右约胺浇馐吭黾訉?dǎo)致的巖樣縱波阻抗和縱橫波速度比變化表現(xiàn)出明顯的規(guī)律,孔隙度增加引起縱波阻抗減小和縱橫波速度比增加。這里需要說(shuō)明的是,測(cè)井解釋上的泥質(zhì)含量與礦物分析中的粘土含量不同,泥質(zhì)含量的變化能夠體現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用中的巖性(或巖相)變化,在后面的巖石物理分析中將給出具體的分析。

1.2 測(cè)井巖石物理交會(huì)分析

巖樣數(shù)據(jù)分析給出了重要的巖石物理規(guī)律認(rèn)識(shí),但測(cè)試對(duì)象的尺度小且是在高頻情況下測(cè)試的結(jié)果。

圖2 巖樣數(shù)據(jù)縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析 a 孔隙度; b 粘土含量; c 方解石含量

為進(jìn)一步擴(kuò)展巖石物理規(guī)律認(rèn)識(shí),分析巖性和流體對(duì)彈性參數(shù)的影響,下面對(duì)測(cè)井資料目的層段進(jìn)行巖石物理交會(huì)分析。

圖3給出了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)結(jié)果(圖3a至圖3d色標(biāo)分別為泥質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量、孔隙度和含水飽和度),交會(huì)圖中數(shù)據(jù)使用了實(shí)測(cè)的交叉偶極測(cè)井資料。圖3 與圖2的主要不同體現(xiàn)在,后者分析的對(duì)象主要是粉砂巖類樣品,而前者包含更多巖性信息(如泥巖和過(guò)渡巖性)。圖3顯示,鈣質(zhì)含量(方解石含量)(圖3b)和孔隙度(圖3c)的影響與圖2一致,泥質(zhì)含量增加的影響表現(xiàn)為縱波阻抗降低和縱橫波速度比增高(圖3a)。對(duì)比圖3c和圖3d可以看出,孔隙度高的樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)著高含油飽和度,即孔隙度越高,含油性越好。與其它儲(chǔ)層參數(shù)相比,本區(qū)致密砂巖(鈣質(zhì)含量少的砂巖)孔隙流體變化(油水相對(duì)含量變化)對(duì)縱波阻抗和縱橫波速度比的影響不大(圖3d),但總體趨勢(shì)表現(xiàn)為縱波阻抗和縱橫波速度比均隨含油性增加而降低。

圖3 測(cè)井資料縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析 a 泥質(zhì)含量; b 鈣質(zhì)含量; c 孔隙度; d 含水飽和度

1.3 巖石物理建模

理論分析與測(cè)井巖石物理分析的結(jié)合是巖石物理分析應(yīng)用于地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的主流手段,可以克服測(cè)井巖石物理交會(huì)分析直接應(yīng)用帶來(lái)的片面性[7]。在上述巖心和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)定性分析的基礎(chǔ)上,本節(jié)將理論研究與實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)分析,一方面建立合適的巖石物理模型,以描述彈性參數(shù)響應(yīng)與儲(chǔ)層參數(shù)之間的定量關(guān)系;另一方面,在巖石物理機(jī)制下形成定量解釋圖版,確立地質(zhì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)類別在彈性參數(shù)交會(huì)域中的分布特征,為“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

巖石物理模型大致可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8-10]和理論模型[11-13],其中理論模型主要有等效介質(zhì)理論和波傳播理論。相比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?理論模型考慮巖石微觀結(jié)構(gòu),在一定的假設(shè)條件下通過(guò)內(nèi)在的物理學(xué)原理建立通用關(guān)系,更具有可推廣性?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的可操作性,等效介質(zhì)理論應(yīng)用更為廣泛,如HS界限模型[14]、常數(shù)膠結(jié)模型[15]、未膠結(jié)砂巖模型[16]、自相容模型[17]和DEM模型[18]等。由于膠結(jié)和壓實(shí)作用,研究區(qū)目的層段砂巖固結(jié)致密,顆粒呈點(diǎn)—線接觸,處于中成巖階段[19]。為描述研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層,本文通過(guò)分析對(duì)比,采用硬砂巖等效介質(zhì)模型[20]來(lái)模擬介質(zhì)的彈性性質(zhì)。

假設(shè)開始未成巖砂巖的骨架是孔隙度為φ0=0.36和平均配位數(shù)c=9的等同球體顆粒緊密任意排列。在該孔隙度下,由Hertz-Mindlin理論給出靜水壓力(P)條件下等同球體顆粒緊密任意排列的骨架有效體積模量和剪切模量:

式中:KHM和GHM是由Hertz-Mindlin理論計(jì)算出來(lái)的有效體積模量和剪切模量;σ是顆粒泊松比;G是顆粒剪切模量。對(duì)于不同孔隙度φ的有效模量,采用Hashin-Strikman上邊界[12]求取:

式中:K是顆粒體積模量;Keff和Geff分別是采用HS模型上限計(jì)算出來(lái)的巖石等效體積模量和剪切模量。這里也是硬砂巖模型與未膠結(jié)砂巖模型的不同之處,后者采用的是Hashin-Strikman下邊界(構(gòu)建的有效模量偏軟)。

對(duì)于飽和巖石的有效彈性模量(或低頻聲波速度),采用Gassmann公式求取:

(5)

式中:Ksat和Gsat分別表示飽和巖石的有效體積模量和剪切模量;Geff表示飽和巖石的等效剪切模量;Kfluid表示流體的有效體積模量。實(shí)際應(yīng)用中,巖石骨架顆粒并非一種礦物成分,通常有多種礦物成分存在。對(duì)于多礦物情況,上述公式中的顆粒泊松比及模量由均勻混合模型得到。

體積模量、剪切模量與速度、密度的關(guān)系如下:

式中:vP表示縱波速度,vS表示橫波速度,ρsat表示飽和巖石的密度,ρeff表示骨架密度,ρf表示流體密度。圖4對(duì)比了硬砂巖等效介質(zhì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果(紅色實(shí)線)和實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(黑色實(shí)線),其中考慮到實(shí)際測(cè)井解釋結(jié)果,骨架顆粒由泥質(zhì)、砂巖、鈣質(zhì)組成。圖中預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果匹配良好,說(shuō)明巖石物理建模合理。

硬砂巖等效介質(zhì)模型可用于研究區(qū)疊前反演所需的橫波預(yù)測(cè),更重要的是在該模型理論指導(dǎo)下建立合適的巖石物理定量解釋圖版,明確“甜點(diǎn)”彈性參數(shù)特征,與疊前反演配套進(jìn)行“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè)。巖石物理定量解釋圖版具有明確的地質(zhì)信息和地震信息,作為地震定量解釋的基石在常規(guī)和非常規(guī)油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中有著十分廣泛的應(yīng)用[21-23]。

圖5顯示了研究區(qū)地質(zhì)評(píng)價(jià)分類儲(chǔ)層在縱波阻抗和縱橫波速度比雙彈性交會(huì)域中的分布,有Ⅰ類儲(chǔ)層(孔隙度大于8%,滲透率大于0.10×10-3μm2)、Ⅱ類儲(chǔ)層(孔隙度4%～8%,滲透率(0.02～0.50)×10-3μm2)、干層(孔隙度小于4%,滲透率小于0.02×10-3μm2)及泥巖。圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)取的是每段儲(chǔ)層的代表性特征點(diǎn),而非全井段數(shù)據(jù)點(diǎn),這種做法主要是為了更清晰地分析儲(chǔ)層的彈性特征。Ⅱ類儲(chǔ)層與干層數(shù)據(jù)點(diǎn)疊置,二者整體與Ⅰ類儲(chǔ)層和泥巖可分離,分布區(qū)間為高阻抗和中等縱橫波速度比。Ⅰ類儲(chǔ)層與其它儲(chǔ)層和泥巖有較好的分離,分布區(qū)間表現(xiàn)為中等阻抗和低縱橫波速度比。

圖4 硬砂巖等效介質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 典型井儲(chǔ)層縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析

為便于地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè),在上述地震地質(zhì)綜合巖石物理分析的基礎(chǔ)上,給出了圖6所示的地震巖石物理解釋圖版(數(shù)據(jù)點(diǎn)為全井段數(shù)據(jù)),將孔隙度大于8%的粉砂巖定義為Ⅰ類砂巖,孔隙度小于8%的泥質(zhì)、鈣質(zhì)粉砂巖定義為Ⅱ類砂巖。Ⅰ類砂巖對(duì)應(yīng)Ⅰ類儲(chǔ)層,Ⅱ類砂巖對(duì)應(yīng)Ⅱ類儲(chǔ)層和干層(二者在彈性參數(shù)交會(huì)域中無(wú)法區(qū)分)。圖中的藍(lán)色點(diǎn)為泥巖和過(guò)渡巖性(圖5中無(wú)過(guò)渡巖性是由于僅取了儲(chǔ)層和泥巖段特征點(diǎn)),過(guò)渡巖性指的是泥質(zhì)含量高的粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖,將泥巖和過(guò)渡巖性作為一個(gè)巖相類別主要考慮到二者均是無(wú)效儲(chǔ)層,同時(shí)有利于疊前反演的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析。

圖6中的Ⅰ類砂巖與地質(zhì)評(píng)價(jià)Ⅰ類儲(chǔ)層對(duì)應(yīng),孔隙度高、含油性好,且分布趨勢(shì)與理論分析的含油性增加趨勢(shì)一致(含油飽和度增加,縱波阻抗和縱橫波速度比均降低)。另外,巖樣全礦物成分顯示,相對(duì)高孔粉砂巖的硅質(zhì)礦物和碳酸鹽巖含量較高,利于水力壓裂橫向裂縫延展產(chǎn)生縫網(wǎng)。綜合分析結(jié)果,Ⅰ類砂巖為研究區(qū)目的層段的“甜點(diǎn)”。

圖6 研究區(qū)目的層地震巖石物理定量解釋圖版

2 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法

目前,通過(guò)地震疊前AVO(或AVA)反演獲取彈性參數(shù)的技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。疊前AVO反演問(wèn)題的求解有兩種主要方法[24]:一種是確定性反演;另一種是統(tǒng)計(jì)性反演。確定性反演利用最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來(lái)求解,主要有稀疏脈沖反演和基于模型的反演。統(tǒng)計(jì)性反演也稱為隨機(jī)反演,通過(guò)對(duì)后驗(yàn)概率密度的采樣求解,主要包括蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)和序貫?zāi)M方法。由于序貫?zāi)M過(guò)程在網(wǎng)格被全部填充后即得到近似的結(jié)果,所以任何應(yīng)用序貫?zāi)M的隨機(jī)反演方法在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上都不是嚴(yán)格正確的。相比而言,蒙特卡洛算法更加適用于模擬。

研究區(qū)目的層段地震剖面僅有7個(gè)相位,對(duì)應(yīng)160m層段范圍內(nèi)不同儲(chǔ)層類別的疊置砂體(圖7),疊前確定性反演受地震頻帶控制,反演彈性參數(shù)縱向分辨率低,顯然無(wú)法用于薄儲(chǔ)層刻畫。疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演綜合了地震橫向高密度和測(cè)井垂向精細(xì)尺度,包含了地震的中頻信息和測(cè)井的低頻、高頻信息,能夠提高彈性參數(shù)反演結(jié)果的縱向分辨率,利于薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。本文采用基于馬爾科夫鏈蒙特卡洛算法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法,同時(shí)求得巖性和彈性參數(shù)屬性體。先通過(guò)貝葉斯理論建立后驗(yàn)全局概率密度函數(shù)(probability density function,PDF),該P(yáng)DF包含所有關(guān)于儲(chǔ)層的已知信息(地質(zhì)、油藏、測(cè)井、地震),然后利用MCMC方法獲得符合后驗(yàn)PDF的統(tǒng)計(jì)意義上正確的樣點(diǎn)集。

2.1 基本原理

從概率統(tǒng)計(jì)的角度,任何反演問(wèn)題都可以看成是一種貝葉斯估計(jì)問(wèn)題,在已有觀測(cè)信息的基礎(chǔ)上不斷更新先驗(yàn)知識(shí),得到問(wèn)題的解。一般性公式描述為:

(9)

式中:m是待估計(jì)的參數(shù)空間;Ppost(m)是后驗(yàn)概率密度函數(shù);Pprior(m)是先驗(yàn)概率密度函數(shù);Pdata[d-f(m)]是似然概率函數(shù),用來(lái)測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的匹配程度。地震正演過(guò)程定義為:

(10)

式中:d是地震數(shù)據(jù);f(m)為正演算子;n為噪聲。

對(duì)于目前所討論的疊前AVO反演,在貝葉斯理論框架下構(gòu)建的后驗(yàn)概率密度分布類似于公式(9):

(11)

式中:melastic代表彈性參數(shù)模型,彈性參數(shù)為縱波阻抗、橫波阻抗和密度;mlitho代表巖性或巖相模型;s為地震疊前道集或者多個(gè)部分疊加數(shù)據(jù)體;P(s|melastic)是似然概率函數(shù),代表地下介質(zhì)彈性參數(shù)模型melastic下地震道集數(shù)據(jù)的概率,用來(lái)測(cè)量彈性參數(shù)模型melastic下合成道集數(shù)據(jù)與觀測(cè)道集數(shù)據(jù)的匹配度,由地震數(shù)據(jù)的信噪比控制;P(melastic|velastic,welastic,mlitho)是彈性參數(shù)的先驗(yàn)PDF,以條件概率的形式給出;velastic為彈性參數(shù)的變差函數(shù);welastic代表彈性參數(shù)測(cè)井曲線(傳遞到后驗(yàn)概率體現(xiàn)出彈性參數(shù)測(cè)井曲線的無(wú)偏約束);P(mlitho|vlitho,wlitho)是巖性的先驗(yàn)PDF,vlitho為巖性的變差函數(shù),wlitho代表巖性測(cè)井曲線(傳遞到后驗(yàn)概率體現(xiàn)出巖性測(cè)井曲線的無(wú)偏約束)。

圖7 典型井井震對(duì)比 a 測(cè)井曲線; b 地震剖面和合成記錄

采用褶積模型正演合成數(shù)據(jù),利用Zoeppritz方程的Fatti近似公式[25]求取反射系數(shù):

(12)

式中:R(θ)為不同入射角θ的反射系數(shù);γ是界面兩側(cè)縱橫波速度的均值;Rp,Rs,Rd分別是縱波阻抗、橫波阻抗和密度反射系數(shù)。

公式(11)的概率分布極其復(fù)雜,不能解析求解,可應(yīng)用MCMC方法進(jìn)行概率評(píng)價(jià)。MCMC方法通常用于解決多峰、多維復(fù)雜貝葉斯判別問(wèn)題,對(duì)貝葉斯推斷中的后驗(yàn)概率分布函數(shù)抽樣,獲取收斂于后驗(yàn)分布的隨機(jī)樣本,再統(tǒng)計(jì)這些樣本,得到后驗(yàn)分布的一些性質(zhì)。MCMC方法的核心是馬爾科夫鏈的構(gòu)建,以確定樣本點(diǎn)接受或拒絕的轉(zhuǎn)移概率。張廣智等[26]采用Metropolis-Hastings算法生成馬爾科夫鏈,建議分布取為均勻分布,該分布函數(shù)滿足對(duì)稱的隨機(jī)游走,因此轉(zhuǎn)移概率表示為:

(13)

式中:ri和r*分別是當(dāng)前樣本點(diǎn)和由建議分布給出的隨機(jī)樣本點(diǎn)(候選點(diǎn));π代表后驗(yàn)概率分布函數(shù)。

MCMC反演算法的基本步驟如下:①利用巖性先驗(yàn)PDF得到巖性的先驗(yàn)實(shí)現(xiàn);②采用彈性參數(shù)的先驗(yàn)條件PDF得到彈性參數(shù)的實(shí)現(xiàn);③利用彈性參數(shù)模型計(jì)算合成地震記錄;④根據(jù)Metropolis-Hastings準(zhǔn)則接受或拒絕巖性和彈性參數(shù)的實(shí)現(xiàn),即根據(jù)公式(13)判斷候選點(diǎn)和當(dāng)前樣本點(diǎn)的取舍。經(jīng)過(guò)不斷迭代,使得馬爾科夫鏈最終收斂于未知參數(shù)的后驗(yàn)PDF。

2.2 反演效果分析

在上述地震巖石物理分析指導(dǎo)下,反演中定義Ⅰ類砂巖、Ⅱ類砂巖和泥巖(定義的泥巖巖相包括過(guò)渡巖性)3種巖相進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)保幅高分辨率處理的CRP道集進(jìn)行分角度疊加,增加疊加體數(shù)量可以提高AVO反演算法的穩(wěn)定性,但勢(shì)必會(huì)同時(shí)減小單個(gè)疊加體的覆蓋次數(shù),從而降低疊加體的信噪比,影響反演質(zhì)量。因此,對(duì)于不同品質(zhì)的地震數(shù)據(jù),合理選擇疊加體個(gè)數(shù)十分必要。根據(jù)實(shí)際情況,為保證反演的穩(wěn)定性,研究區(qū)使用了4個(gè)疊加體作為疊前反演的輸入,反演得到儲(chǔ)層預(yù)測(cè)所需的縱波阻抗、縱橫波速度比和巖相體。

圖8給出了后驗(yàn)井疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面,包括地震剖面、縱波阻抗、縱橫波速度比及巖相反演剖面,最右側(cè)為地質(zhì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果。與地震剖面相比,疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面縱向分辨率得到了較大程度的提高,這對(duì)于薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè),特別是水平井設(shè)計(jì)和隨鉆地震地質(zhì)導(dǎo)向十分有益。從巖相剖面上看,疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演對(duì)3m以上砂層預(yù)測(cè)符合率較高,可達(dá)到80%以上,對(duì)主力的“甜點(diǎn)”層(圖中以橢圓標(biāo)示)也有較好的預(yù)測(cè)效果。

圖8 后驗(yàn)井疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面 a 地震剖面; b 縱波阻抗; c 縱橫波速度比; d 巖相

3 致密油勘探中的應(yīng)用效果

綜合地震巖石物理與疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演的致密薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)在齊家地區(qū)南部致密油勘探中發(fā)揮了重要的支撐作用。

1) 分層段“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè)結(jié)果用于實(shí)施水平井目標(biāo)區(qū)和目標(biāo)層的優(yōu)選,如圖9所示。圖9a為A井綜合柱狀圖,按照地震尺度,測(cè)井在青山口組可分為5個(gè)油層組,油層組內(nèi)還可以細(xì)分若干個(gè)重點(diǎn)層。首先利用由地震巖相體得到的層間砂體厚度預(yù)測(cè)油層組級(jí)別“甜點(diǎn)”分布,確定水平井部署的重點(diǎn)油層組和有利區(qū),然后在油層組內(nèi)對(duì)重點(diǎn)層進(jìn)行局部屬性切片分析及重點(diǎn)層“甜點(diǎn)”分布預(yù)測(cè)(圖9b),確定水平井軌跡。圖9b是沿A井重點(diǎn)層提取的縱橫波速度比切片,紅色代表油層發(fā)育,A～E六口井中,A井綜合解釋為油層,其余井為干層,地震預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井吻合較好。通過(guò)這樣分層段進(jìn)行地震預(yù)測(cè),可以逐步定位目標(biāo)層,有利于更好地設(shè)計(jì)井位。

圖9 分層段“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè) a A井綜合柱狀圖; b A井重點(diǎn)層縱橫波速度比切片

2) 利用預(yù)測(cè)的模型優(yōu)化水平井軌跡的設(shè)計(jì),利用高分辨率的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)隨鉆數(shù)據(jù)解釋和地震地質(zhì)導(dǎo)向(圖10)。圖10b為過(guò)QP3井疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演巖相剖面,該井水平段進(jìn)尺1230m,砂巖及油層鉆遇率分別為100%和99%,地震預(yù)測(cè)與水平井實(shí)鉆有著良好的一致性。整體上,在近3年致密油勘探中,部署實(shí)施的4口直井和5口水平井均取得了良好的鉆探效果。4口直井中,有2口井進(jìn)行了儲(chǔ)層壓裂改造后獲得工業(yè)油流。5口水平井油砂鉆遇率平均95%以上,通過(guò)多段壓裂改造后,試油初期產(chǎn)量為4.6～32.0t/d,平均產(chǎn)量為17.6t/d,與周邊直井平均產(chǎn)量相比,平均提產(chǎn)10倍。水平井實(shí)鉆的成功帶動(dòng)了區(qū)塊致密油控制儲(chǔ)量的升級(jí)。

圖10 過(guò)QP3井的疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果與水平井實(shí)鉆對(duì)比 a 地震剖面; b 巖相剖面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)齊家地區(qū)青山口組致密油勘探中井間砂體及“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)問(wèn)題,基于巖心和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)多尺度巖石物理交會(huì)分析形成了巖石物理機(jī)制下地震巖石物理解釋圖版,明確了巖性、孔隙度和流體對(duì)致密孔隙介質(zhì)彈性參數(shù)的影響規(guī)律,確定了“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的彈性參數(shù)特征,為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法選取、疊前反演地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析及反演成果定量解釋提供了地球物理基礎(chǔ)和重要依據(jù)。

研究區(qū)三角洲前緣沉積相對(duì)穩(wěn)定(儲(chǔ)層橫向連續(xù)性較好),地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)顯示出良好的適用性,能大幅提高反演結(jié)果的縱向分辨率,對(duì)井間砂體及“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層有較好的預(yù)測(cè)能力,為井間“甜點(diǎn)”目標(biāo)優(yōu)選和水平井軌跡設(shè)計(jì)及隨鉆地震地質(zhì)導(dǎo)向提供了技術(shù)支撐。

致密油勘探部署的直井和水平井檢驗(yàn)表明,綜合地震巖石物理分析的疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)是齊家地區(qū)薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的有效手段,可在地質(zhì)條件類似的其它地區(qū)推廣應(yīng)用。

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(編輯：戴春秋)

Tightthin-bedreservoirpredictionusingrockphysicsanalysisandprestackgeostatisticalinversionintheQijiaarea

ZHAO Haibo1,TANG Xiaohua1,LI Kuizhou1,YANG Zhihui1,BIAN Jing2

(1.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,DaqingOilfieldCompanyLtd.,Daqing163712,China;2.NO.6OilProductionPlantofDaqingOilfieldCompanyLtd.,Daqing163712,China)

The reservoirs of the Qingshankou formation in the Qijia area have developed tight sand oil in Songliao basin,but the reservoirs exhibit complex lithology and poor petrophysical properties.The reservoirs are thin interbed,and the distribution of the P-wave impedance of sandstone and shale under investigation overlaps to some extent.The reservoir characterization of the tight thin-bed reservoirs using crosswell seismic data faces great challenges.Moreover,“sweet spots” delineation and horizontal well placing are limited.In view of the situation,through the integrated analysis of core plug ultrasonic laboratory results and well logging data,a rock physics model suitable for the tight sand reservoirs of interest is defined.Under the model,a rock physics template is established,and the characterizations of different lithologies and “sweet spots” are revealed in the crossplot of the P-wave impedance andvP/vS.The results greatly support not only the geostatistical analysis in the prestack inversion procedure,but also the quantitative interpretation of the outputs of the seismic inversion.Through combining prestack AVO inversion and geostatistical modeling,a high-resolution prestack geostatistical inversion is used for tight thin-bed reservoir characterization and horizontal well optimum design in the region of interest.Results showed that the average drilling rate of oil-bearing sandstones in the five horizontal wells was above 95%,which verified the effectiveness of the integrated rock physics analysis and prestack geostatistical inversion for tight thin-bed reservoir prediction.

tight sand oil,rock physics analysis,prestack geostatistical inversion,“sweet spots”,thin-bed reservoir

2016-12-21;改回日期2017-06-02。

趙海波(1979—),男,博士,高級(jí)工程師,從事地震波傳播理論與正演模擬方法、地震巖石物理分析及應(yīng)用、地震反演及儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)技術(shù)等研究工作。

唐曉花(1981—),女,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事地震反演及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)研究工作。

P631

A

1000-1441(2017)06-0853-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.06.011