賈凌云,李　琳,王千遙,馬勁風(fēng),王浩璠,王大興

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,陜西西安710069;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安710077;3.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710018)

對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層,采用一般的流體識(shí)別因子可以達(dá)到識(shí)別流體的目的;而對(duì)于致密儲(chǔ)層,由于其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)強(qiáng),采用常規(guī)的流體識(shí)別因子會(huì)產(chǎn)生一些流體識(shí)別假象[1]。國內(nèi)外學(xué)者基于彈性參數(shù)提出了不同的流體識(shí)別因子,且其求取的方法也不同。GOODWAY等[2]提出了拉梅參數(shù)反演(Lambda-Mu-Rho,LMR)流體識(shí)別技術(shù),即在縱、橫波阻抗的平方運(yùn)算和差運(yùn)算后提取出λρ和μρ來識(shí)別儲(chǔ)層中的流體。RUSSELL[3]使用BIOT[4]和GASSMANN[5]孔隙介質(zhì)彈性理論,引入了巖石的體變模量K和切變模量μ,化簡了GOODWAY等[2]的公式,進(jìn)一步估算出了儲(chǔ)層的流體識(shí)別因子。QUAKENBUSH等[6]提出了泊松阻抗的概念,提高了對(duì)巖性及流體的識(shí)別能力。目前致密儲(chǔ)層識(shí)別流體的主要方法是通過疊前彈性參數(shù)反演獲得縱橫波速度、密度、縱橫波阻抗等數(shù)據(jù)體,間接推算出Russell流體因子[7-8]或其它流體敏感參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,獲得有利孔隙砂巖的分布[9]。地震屬性間接計(jì)算流體識(shí)別敏感因子,會(huì)產(chǎn)生較大的累積誤差。許多學(xué)者提出流體敏感因子的直接提取方法,避免了間接計(jì)算帶來的累積誤差。王保麗等[10]用拉梅系數(shù)λ和剪切模量μ表示彈性阻抗公式,認(rèn)為直接求取比通過縱橫波速度和密度間接求取精度高,對(duì)流體的反映較為清楚。宗兆云等[11]基于疊前彈性阻抗反演的方法,實(shí)現(xiàn)了拉梅參數(shù)的直接提取。桂金詠等[12]提出了彈性阻抗直接反演泊松比的方法。孫瑞瑩等[13]基于隨機(jī)地震反演,提出了Russell流體因子的直接估算方法。印興耀等[14-15]認(rèn)為Gassmann流體項(xiàng)識(shí)別流體較Russell流體因子或其它彈性參數(shù)敏感,推導(dǎo)出了含Gassmann流體項(xiàng)的彈性阻抗公式并研究了流體項(xiàng)的直接提取方法。楊培杰等[16]建立了一種敏感因子定量分析方法,認(rèn)為Gassmann流體項(xiàng)對(duì)研究區(qū)流體識(shí)別最為敏感,并通過反演方法直接將其提取出來。

Zoeppritz方程[17]表示了P波入射到彈性介質(zhì)界面時(shí)P波和S波的反射和透射系數(shù)的數(shù)學(xué)方程,由于Zoeppritz方程的非線性形式使得振幅估算的反演結(jié)果不穩(wěn)定,因此地震AVO分析或疊前反演常用Zoeppritz方程的線性近似公式[18-22],并且這些近似公式直接引入了容易理解的地震參數(shù)。其中WANG[20]用流體項(xiàng)和剛性項(xiàng)表達(dá)了Zoeppritz方程,馬勁風(fēng)等人對(duì)其進(jìn)一步化解[23-25],提出了廣義彈性阻抗(GEI)和射線彈性阻抗(REI)計(jì)算方法,該方法對(duì)Zoeppritz方程的近似具有較高的精度,并可以分解為流體項(xiàng)和剛性項(xiàng)。

埋深較大或致密儲(chǔ)層受強(qiáng)烈的壓實(shí)和后期成巖作用的改造,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[26-27],與常規(guī)儲(chǔ)層地質(zhì)特征差異大,地震資料存在信噪比低、高頻信號(hào)弱等問題。常規(guī)疊前彈性阻抗反演方法在識(shí)別流體中雖然被廣泛應(yīng)用[28-30],但應(yīng)用于致密砂巖儲(chǔ)層流體識(shí)別時(shí)效果不理想。本文將廣義彈性阻抗方程中的流體項(xiàng)進(jìn)一步化解為含Gassmann方程流體項(xiàng)f的公式,可以直接反演獲得參數(shù)f/vS。該參數(shù)是一種新的流體識(shí)別因子,避免了參數(shù)間接計(jì)算的累積誤差,且該流體因子對(duì)流體的識(shí)別較為敏感,提高了致密儲(chǔ)層的流體識(shí)別能力。將該方法應(yīng)用于蘇里格致密砂巖儲(chǔ)層的流體識(shí)別與預(yù)測中,取得了良好效果。

1　理論公式

1.1　流體因子敏感指示系數(shù)

DILLON等[7]提出了用流體因子敏感指示系數(shù)(S)來分析流體敏感性的方法,其值等于含烴流體因子與含水流體因子平均值之差的絕對(duì)值與含烴流體因子標(biāo)準(zhǔn)差的比值,針對(duì)氣層可表示為:

(1)

1.2　基于GEI的敏感流體項(xiàng)彈性阻抗方程

彈性阻抗在油氣儲(chǔ)層預(yù)測中得到了較好的應(yīng)用,但隨著地震勘探難度的增加,彈性阻抗已經(jīng)不能完全滿足油氣預(yù)測的要求。馬勁風(fēng)等人對(duì)彈性阻抗進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)彈性阻抗本身存在一些缺點(diǎn)和不足[23-25],即彈性阻抗隨入射角的增大,誤差逐漸增大,容易導(dǎo)致巖性識(shí)別的錯(cuò)誤,針對(duì)此問題,將上下巖層密度的變化率考慮為橫波速度變化率的線性關(guān)系,并推導(dǎo)出了含有流體項(xiàng)和剛性項(xiàng)的廣義彈性阻抗值IGE公式,具體為:

(2)

基于Gassmann理論,多孔流體飽和巖石的縱橫波速度可以表示為:

式中:Kdry為干巖石體變模量;μ為巖石的切變模量,μ=μdry=μsat;f為流體、孔隙項(xiàng)。

(6)

進(jìn)一步可以表示為:

(7)

將公式(7)代入公式(2)中,化簡后,有:

(8)

(9)

1.3　精度分析

為驗(yàn)證廣義彈性阻抗方程的合理性和精確度,以模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析公式(2)得到反射系數(shù)的近似精度,依據(jù)蘇里格氣田蘇46井測井?dāng)?shù)據(jù)建立兩層介質(zhì)模型,蓋層為泥巖層,儲(chǔ)層為砂巖層,具體的彈性參數(shù)取值如表1所示。

假設(shè)最大入射角為30°,分別采用精確Zoeppritz方程、常規(guī)彈性阻抗(EI)方程和廣義彈性阻抗(GEI)方程計(jì)算兩層模型的反射系數(shù),利用AVO曲線定量對(duì)比GEI方程和EI方程與精確Zoeppritz方程之間的誤差(圖1,圖2)。入射角較小時(shí),EI方程和GEI

表1　兩層模型參數(shù)

圖1　反射系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖2　誤差分析

方程計(jì)算的反射系數(shù)與精確Zoeppritz方程很接近,隨入射角度增加,二者逐漸偏離精確解,GEI方程的精度高于EI方程的精度,最大誤差為-0.001左右。因此,廣義彈性阻抗方程應(yīng)用于致密砂巖儲(chǔ)層可以提高儲(chǔ)層預(yù)測精度。

2　參數(shù)求取

干巖石縱橫波速度比γdry的計(jì)算方法[31-34]主要分為以下兩種:一種是實(shí)驗(yàn)室測量方法,一種是基于實(shí)際測井資料并結(jié)合Gassmann方程的估算方法。實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)研究區(qū)的具體條件選擇合理的求取方法,只有得到適應(yīng)工區(qū)的γdry,才能保證反演流體因子的精度。本文采用Gassmann方程求出測井資料目的層段所有采樣點(diǎn)的γdry,求平均值后作為研究區(qū)的干巖石縱橫波速度比γdry。

反演時(shí)將飽和巖石的縱橫波速度比γsat作為反演結(jié)果的一個(gè)參數(shù),即可以通過公式(8)進(jìn)行廣義彈性阻抗反演求得飽和巖石縱橫波速度比γsat。

2.2　巖性和流體參數(shù)求取

當(dāng)入射角度不變時(shí),本文推導(dǎo)的公式(9)中每個(gè)采樣點(diǎn)的廣義彈性阻抗值IGE是未知量γsat和f/vS的函數(shù),選用兩個(gè)角度的廣義彈性阻抗值IGE(θ),可得方程組

(10)

解方程(10)可求出參數(shù)γsat和f/vS。進(jìn)一步可由飽和巖石的縱橫波速度比γsat通過公式(11)計(jì)算出泊松比,用來識(shí)別巖性或流體;橫波速度vS對(duì)剪切模量變化不敏感,其隨流體變化或含水飽和度變化幾乎不變,而流體項(xiàng)f對(duì)流體較敏感,因此f/vS的流體敏感指示系數(shù)與f相近,可用來識(shí)別流體變化。在蘇里格致密砂巖儲(chǔ)層中,廣義彈性阻抗方法較常規(guī)彈性阻抗方法更精確,利用廣義彈性阻抗反演方法求取的流體識(shí)別因子具有較高的流體識(shí)別能力。

(11)

3　實(shí)際應(yīng)用及效果分析

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田上古生界二疊系石盒子組盒8段屬于特低滲致密砂巖儲(chǔ)層,分為盒8上和盒8下兩段,儲(chǔ)層孔隙類型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng),因而氣、水分布復(fù)雜。含氣砂巖和圍巖的彈性參數(shù)存在較大范圍的疊置,儲(chǔ)層預(yù)測存在明顯的多解性,很難預(yù)測致密砂巖儲(chǔ)層中的流體有利區(qū),需要尋找致密砂巖儲(chǔ)層有效的巖性識(shí)別參數(shù)和流體識(shí)別因子。

流體檢測的方法一般是采用彈性數(shù)據(jù)直接求出流體參數(shù)來預(yù)測流體[35],本文采用的方法是:先識(shí)別巖性,再在目的層中求出流體參數(shù),最后進(jìn)行流體預(yù)測。

3.1　巖性識(shí)別

致密砂巖儲(chǔ)層的圍巖對(duì)流體識(shí)別影響較大[36]。首先分析研究區(qū)內(nèi)巖性識(shí)別的敏感參數(shù),將砂巖儲(chǔ)層從巖層中識(shí)別出來。根據(jù)研究區(qū)盒8段測井資料,選用縱、橫波阻抗,縱橫波速度比,泊松比和廣義彈性阻抗的數(shù)據(jù)運(yùn)算與自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行交會(huì)分析(圖3),對(duì)比可知,縱、橫波阻抗難以區(qū)分砂、泥巖,縱橫波速度比雖有一定的區(qū)分能力但沒有泊松比清晰,廣義彈性阻抗的簡單數(shù)據(jù)運(yùn)算也可區(qū)分巖性,但在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地會(huì)產(chǎn)生累積誤差。因此,選擇泊松比作為最優(yōu)巖性識(shí)別參數(shù)來識(shí)別致密砂巖儲(chǔ)層最合理。

3.2　流體敏感因子分析

不同的流體因子在不同地質(zhì)條件下表現(xiàn)出不同的敏感特征。本文選用幾項(xiàng)流體因子對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行流體識(shí)別,采用公式(1)計(jì)算各項(xiàng)流體因子的流體指示系數(shù)(表2),并繪制成直方圖(圖4),可直觀看到致密砂巖儲(chǔ)層中常規(guī)屬性如縱波速度、縱橫波速度比、泊松比等流體指示系數(shù)均較小且差別不大,難以識(shí)別流體,而Gassmann流體項(xiàng)f及f/vS對(duì)流體的指示較為敏感,其中f/vS為最敏感的流體識(shí)別因子。

Gassmann流體項(xiàng)f主要是含水飽和度和孔隙度的函數(shù),蘇里格氣田盒8段致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙度范圍為2.2%～14.1%,平均值為7.4%,即孔隙度變化不大,對(duì)流體項(xiàng)的影響較小,因此流體項(xiàng)f或f/vS主要受含水飽和度影響,是流體識(shí)別的敏感因子。致密砂巖儲(chǔ)層干巖石的各項(xiàng)彈性參數(shù)與流體項(xiàng)相比大得多[37],包含干巖石信息的常規(guī)參數(shù)識(shí)別流體的能力較低,流體識(shí)別指示系數(shù)差異不大,而流體項(xiàng)f或f/vS去除了干巖石的影響,對(duì)流體的識(shí)別效果尤為明顯。Gassmann方程中假設(shè)流體替換前后剪切模量不變,地層含氣較含水密度小,根據(jù)剪切模量與密度和橫波速度的關(guān)系((3b)式)可知,含氣橫波速度較含水橫波速度有輕微的增大,流體識(shí)別因子f/vS的流體指示系數(shù)有可能比f略大。

圖3　巖性識(shí)別敏感參數(shù)分析a 縱波阻抗與伽馬交會(huì)結(jié)果; b 橫波阻抗與伽馬交會(huì)結(jié)果; c 縱橫波速度比與伽馬交會(huì)結(jié)果; d 泊松比與伽馬交會(huì)結(jié)果; e IGE0-IGE30°與伽馬交會(huì)結(jié)果; f(IGE0-IGE30°)/IGE0與伽馬交會(huì)結(jié)果

IP/(g·cm-3·km·s-1)vP/vSσ(k-μ)/GPaμρ/(GPa·g·cm-3)f/GPafvS/(GPa·km-1·s)(I2P-γ2dryI2S)/(GPa·g·cm-3)含氣砂巖平均值11.2841.5800.1623.42251.1960.1330.0450.062標(biāo)準(zhǔn)差0.8550.0600.2103.8606.6790.1610.0509.651含水砂巖平均值11.7341.6260.1946.31052.3163.7421.3017.369流體指示系數(shù)0.5260.7680.8160.7480.16822.42925.2190.757

圖4　不同流體因子的流體指示系數(shù)

圖5對(duì)比了完全含水和完全含氣情況下流體因子f/vS和泊松比σ與孔隙度的交會(huì)結(jié)果,可以看出,f/vS參數(shù)對(duì)流體指示的效果較為明顯,是流體指示的最佳敏感參數(shù)。

3.3　廣義彈性阻抗正反演

3.3.1正演分析

采用主頻為30Hz的Ricker子波,1ms的時(shí)間采樣率,分別由精確Zoeppritz方程、EI方程和GEI方程對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行正演模擬,并求出EI和GEI的正演誤差(圖6)。對(duì)比可知,隨入射角增大,GEI與EI計(jì)算的誤差逐漸增大,但GEI誤差相對(duì)較小,因此GEI比EI更適合本文研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況。盒8段致密砂巖儲(chǔ)層深度范圍為3562.8～3621.3m(表3),時(shí)間范圍為1420～1446ms(圖6)。

圖5　流體因子敏感性分析a f/vS與孔隙度交會(huì)結(jié)果; b 泊松比與孔隙度交會(huì)結(jié)果

表3　測井儲(chǔ)層段解釋信息

3.3.2反演效果分析

對(duì)精確Zoeppritz方程得到的正演模型進(jìn)行GEI反演,同樣采用主頻為30Hz的Ricker子波,獲得不同入射角度的廣義彈性阻抗GEI數(shù)據(jù)。圖7為實(shí)際地層在入射角0,15°,25°的GEI反演結(jié)果與測井曲線計(jì)算相對(duì)應(yīng)入射角的GEI值對(duì)比結(jié)果,可以看出,反演的GEI值與測井計(jì)算的GEI值相似度較高,說明本方法對(duì)參數(shù)GEI值的估算合理。選用入射角為0和15°的GEI反演數(shù)據(jù)代入公式(10)計(jì)算出縱橫波速度比、泊松比及流體因子f/vS數(shù)據(jù)(圖8)。不同流體因子之間的量綱雖有所不同,但可以看到f/vS對(duì)流體的反映最為清晰。

由前文可知,在研究區(qū)中,泊松比為最優(yōu)巖性識(shí)別參數(shù),f/vS為最優(yōu)流體識(shí)別因子。因此,本文首先采用反演的泊松比識(shí)別砂巖,識(shí)別出儲(chǔ)層段,然后來圈定反演的f/vS流體因子。與測井計(jì)算的儲(chǔ)層f/vS流體因子對(duì)比可知,兩者相似性較高,結(jié)果如圖9所示。圖9中,第一列為反演獲得的f/vS流體因子,第二列為測井計(jì)算的f/vS流體因子,加入10%的噪聲后反演流體因子產(chǎn)生了一定程度的誤差,但仍然可以有效識(shí)別出流體。同時(shí),圖9還顯示,孔隙度越大,f/vS隨含水飽和度的變化越明顯,孔隙度在0.05以下時(shí),f/vS隨含水飽和度的變化難以識(shí)別。可見,GEI直接反演致密砂巖儲(chǔ)層流體因子的方法具有一定的有效性和較好的抗噪性。

圖6　正演模擬

圖7　GEI反演

圖8　GEI反演參數(shù)

3.3.3實(shí)際資料應(yīng)用效果

將廣義彈性阻抗直接反演縱橫波速度比(或泊松比)和流體識(shí)別因子f/vS的方法應(yīng)用于蘇里格致密砂巖儲(chǔ)層預(yù)測中,獲得泊松比剖面和流體識(shí)別因子f/vS剖面。圖10為泊松比反演剖面,圖中紅色層位為盒8下段的底界面,儲(chǔ)層顯示為低泊松比值。剖面中的A井、B井和C井在盒8段測井解釋的砂巖厚度分別為32.5,16.0,15.5m;氣層總厚度分別為6.6,2.2,5.1m;含氣飽和度分別為39.3%,56.0%,63.0%。從泊松比反演剖面中識(shí)別出砂巖儲(chǔ)層,圈定流體識(shí)別因子f/vS的范圍,并估算出儲(chǔ)層的含氣飽和度剖面,結(jié)果如圖11所示,紅色為高含氣飽和度,藍(lán)色為低含氣飽和度,與測井解釋結(jié)果一致。利用廣義彈性阻抗反演獲得的f/vS參數(shù)可以有效預(yù)測出致密砂巖儲(chǔ)層的含氣飽和度,有利于目標(biāo)區(qū)和目標(biāo)層的識(shí)別。

圖9　GEI反演流體因子與測井計(jì)算值對(duì)比

圖10　泊松比反演剖面

圖11　流體飽和度剖面

4　結(jié)論

由于致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度小,滲透率低,導(dǎo)致其與圍巖的密度、速度等彈性參數(shù)差異小,常規(guī)彈性阻抗反演對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層流體識(shí)別難度大,本文采用廣義彈性阻抗反演的方法,直接求取流體識(shí)別因子f/vS,對(duì)蘇里格致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行流體識(shí)別,取得了較好的效果,得到如下結(jié)論:

1) 在蘇里格致密砂巖氣藏中,廣義彈性阻抗方法較彈性阻抗方法精度更高,能更好地為儲(chǔ)層預(yù)測提供技術(shù)服務(wù);

2) 將廣義彈性阻抗公式表示為縱橫波速度比vP/vS(可計(jì)算泊松比σ)和f/vS的函數(shù),直接反演出巖性識(shí)別參數(shù)σ和流體識(shí)別因子f/vS,避免了間接計(jì)算的累積誤差,提高了各個(gè)參數(shù)的估算精度。泊松比σ是蘇里格致密砂巖巖性識(shí)別的最優(yōu)參數(shù),f/vS流體識(shí)別因子能夠較好地滿足致密砂巖儲(chǔ)層中流體的識(shí)別需要,并具有一定的抗噪性;

3) 致密砂巖儲(chǔ)層的圍巖對(duì)流體的識(shí)別影響較大,在實(shí)際應(yīng)用中需要首先識(shí)別出致密砂巖儲(chǔ)層,再針對(duì)儲(chǔ)層采用流體敏感因子識(shí)別出流體,才能取得理想的流體識(shí)別效果。

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