張偉忠,譚明友,張云銀,査 明,曲志鵬,馬勁風

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院,山東青島266580;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257000;3.西北大學地質(zhì)學系,陜西西安710069)

目前CO2驅(qū)油地震監(jiān)測通常采用時移地震方法,對比注氣前、后具有一致性的兩套地震資料的差異,研究地層中CO2的波及范圍[1-2],該方法在加拿大和日本已進行了實際應(yīng)用[3-5]。但在一些難以獲得理想的時移地震資料的老油田,如何進行CO2驅(qū)油地震監(jiān)測是亟需解決的問題[6-7]。盡管在加拿大韋本等油田的應(yīng)用中大都采用了相同的觀測系統(tǒng)來進行時移地震數(shù)據(jù)的采集,但是時移地震應(yīng)用于CO2驅(qū)油地震監(jiān)測時還存在一些難以解決的問題,包括:①可以觀測到足夠異常的地震監(jiān)測時間間隔;②CO2驅(qū)替過程中,如何降低壓力、溫度、飽和度、含鹽度和溶氣比等定量參數(shù)的不確定性[8]。在沒有進行一致性采集的工區(qū)內(nèi)難以有效地解決這些時移地震方法面臨的問題。巖石物理實驗表明,注入CO2后,油藏的飽和度和壓力都會變化,這些變化會引起AVO響應(yīng)特征的變化,這為缺乏時移地震資料的老油田CO2驅(qū)油地震監(jiān)測提供了新思路[9-11]。國內(nèi)外多位學者已經(jīng)開展了巖石孔隙飽和度與AVO屬性之間的量化關(guān)系研究,TURA等[12]通過正演模擬分析了不同飽和度與壓力條件下的AVO響應(yīng)特征,明確了利用AVO響應(yīng)差異區(qū)分不同油藏參數(shù)變化的方法;LANDRΘ等[13]建立了AVO屬性與壓力、飽和度變化的線性關(guān)系。研究表明CO2的注入引起了儲層孔隙中孔隙壓力及飽和度變化,而這些變化又引起AVO響應(yīng)特征的變化,這就為利用注氣后的三維地震資料開展CO2驅(qū)油波及范圍預(yù)測提供了理論基礎(chǔ)[14-15]。目前關(guān)于CO2驅(qū)油地震監(jiān)測的研究多集中在淺層[16-17],在中、深層條件下,儲層物性變差,孔隙壓力增大,CO2注入后是否可以產(chǎn)生足夠的異常,仍有待進一步研究確定。

S油田在高89區(qū)塊開展了CO2混相驅(qū)油先導(dǎo)試驗,提高了采收率,多口井監(jiān)測到CO2的產(chǎn)出,但CO2驅(qū)油波及范圍及地質(zhì)封存現(xiàn)狀一直未能得到準確評價。我們針對S油田高89區(qū)塊中、深層注氣層段,利用注氣后的三維地震資料,基于AVO理論開展了CO2驅(qū)油地震監(jiān)測探索研究,為缺少時移地震資料的勘探老區(qū)CO2驅(qū)油地震監(jiān)測提供了新思路。

1 工區(qū)概況

S油田高89區(qū)塊位于東營凹陷博興洼陷南坡,區(qū)內(nèi)油藏埋深2800～3200m,儲層以濱淺湖相灘壩砂巖儲層為主,縱向上表現(xiàn)為砂泥巖薄互層特征,砂體單層厚度2～5m。儲層物性較差,平均孔隙度12.5%,滲透率4.7×10-3μm2,為低孔低滲儲層。

該區(qū)塊分別于1994年和2010年進行了兩次三維地震資料采集,兩次地震采集的參數(shù)差別大。1994年采集的地震資料覆蓋次數(shù)為20次,遠低于2010年采集資料的覆蓋次數(shù)225次,觀測系統(tǒng)的差別較大,因此難以利用這兩期地震資料開展CO2驅(qū)油波及范圍的評價。2010年地震采集之前,該區(qū)塊共有4口注氣井,累計注氣達4.7×104t,在注氣后采集的地震資料中蘊含了這些注入的CO2所產(chǎn)生的異常信息。

大量CO2注入后,由于孔隙內(nèi)的流體發(fā)生變化,地層的橫波速度、縱波速度及密度等巖石物理參數(shù)也會產(chǎn)生相應(yīng)變化,這些參數(shù)的變化理論上使得本不存在AVO現(xiàn)象的含油儲層產(chǎn)生AVO異常,這使得利用AVO屬性對注入CO2后采集的三維地震資料開展CO2驅(qū)油波及范圍預(yù)測成為可能。該項研究的關(guān)鍵是在中、深層埋深條件下,CO2的注入是否產(chǎn)生了足夠的AVO異常。

2 CO2驅(qū)油層AVO正演

KHATIWADA等[18],GUTIERREZ等[19]與WANG等[20]詳細研究了淺層儲層中CO2注入前、后巖石物理參數(shù)的變化(注氣層深度均小于1000m)。高89區(qū)塊注氣層深度為2800～3200m,儲層為粉砂巖與泥巖薄互層的巖性組合結(jié)構(gòu),注入CO2后是否產(chǎn)生了足夠的AVO異常,還需進一步研究,這也是基于AVO屬性開展CO2驅(qū)油地震監(jiān)測研究的關(guān)鍵。

2.1 CO2驅(qū)油層正演模擬

模擬中、深層地層條件,開展了CO2飽和度、孔隙壓力、入射角和P、G屬性的關(guān)系模型研究。由于高89注氣區(qū)塊內(nèi)缺少橫波測井資料,該正演模型建立時參考高94井橫波測井資料。高94井位于高89區(qū)塊北(圖1),沉積相為濱淺湖灘壩沉積,儲層及含油性與高89區(qū)塊類似,其橫波資料具有參考價值。依據(jù)工區(qū)實際測井及巖心測試等資料,同時考慮了上覆巖層和在注氣前儲層的彈性參數(shù)特征(表1),分別建立了孔隙壓力為42.6MPa,38.6MPa,34.6MPa時,不同CO2飽和度下的彈性參數(shù)數(shù)值模型。目前的縱、橫波速度預(yù)測方法,無論是基于經(jīng)驗公式還是基于巖石物理理論的方法,少有考慮到壓力變化的情況,因此我們利用考慮了壓力變化的Digby方程[21]并且對其進行改進,得到了隨壓力變化的干巖石體變模量和切變模量,再利用Gassmann方程進行縱、橫波速度計算。

不同壓力和CO2飽和度條件下,入射角為20°時注入CO2后最大振幅與未注入CO2時最大振幅的差值如表2所示,高89區(qū)塊為復(fù)雜的薄層和薄互層儲層類型。為了使模型接近實際地層,更好地保留測井資料深時轉(zhuǎn)換后的薄層及薄互層信息,以實際測井資料為基礎(chǔ),以0.1ms的采樣率對測井資料進行深時轉(zhuǎn)換,并將時深轉(zhuǎn)換后每間隔0.1ms的縱、橫波速度以及密度設(shè)為一層,與Ricker子波褶積建立了不同壓力和CO2飽和度下的合成地震記錄(圖2)。從圖2可以看出,隨著孔隙壓力的增加,同一入射角的振幅值逐漸增大,孔隙壓力相同的情況下,隨著CO2飽和度的增加振幅也逐漸增大,但影響程度比孔隙壓力的影響要弱。隨著孔隙壓力的不斷增加,合成地震記錄的振幅與實際的振幅差值逐漸變小,而在相同的壓力下,隨著CO2飽和度的增加振幅差值逐漸增大。為進一步表征CO2注入引起的變化,還需要分析AVO屬性的變化特征。

圖1 高89區(qū)塊CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗區(qū)構(gòu)造情況

表1 不同壓力和CO2飽和度條件下對應(yīng)的儲層縱、橫波速度及密度

2.2 CO2驅(qū)油層AVO響應(yīng)特征

基于正演模型,開展了不同孔隙壓力和不同CO2飽和度條件下的AVO正演研究,分析了孔隙壓力與CO2飽和度變化時,反射系數(shù)隨入射角變化的趨勢(圖3)。由圖3可知,注入CO2后,隨著入射角的增大反射系數(shù)絕對值逐漸降低,表現(xiàn)出明顯的AVO響應(yīng)特征,相同壓力下,隨著CO2飽和度的增加,反射系數(shù)絕對值逐漸減小。在AVO響應(yīng)特征分析的基礎(chǔ)上分析AVO梯度與截距屬性,建立了不同孔隙壓力和CO2飽和度條件下的梯度與截距屬性關(guān)系(圖4)。由圖4 可知,在相同孔隙壓力條件下,梯度屬性對于CO2飽和度的反映更敏感,而截距屬性難以區(qū)分CO2飽和度的變化,以孔隙壓力為38.6MPa為例,隨著CO2飽和度的增大,梯度屬性逐漸降低,截距屬性變化小。我們分析了AVO屬性與CO2飽和度及孔隙壓力的關(guān)系,建立了基于AVO屬性進行地震監(jiān)測的理論基礎(chǔ),確定了基于AVO屬性在CO2注入?yún)^(qū)開展CO2識別的可行性。

表2 不同壓力和CO2飽和度條件下的最大振幅差異(入射角20°)

圖2 不同孔隙壓力及CO2飽和度下的合成地震記錄

圖3 不同孔隙壓力和CO2飽和度條件下的反射系數(shù)與入射角的關(guān)系

圖4 不同孔隙壓力和CO2飽和度條件下的梯度與截距屬性的關(guān)系

3 基于AVO屬性的CO2驅(qū)油波及范圍地震監(jiān)測

在前文理論分析的基礎(chǔ)上,研究了注氣后4口注氣井及10口產(chǎn)氣井的注(產(chǎn))氣層段地震資料的AVO特征,建立了基于梯度G的含氣層識別量板,預(yù)測了截至2010年10月的CO2驅(qū)油波及范圍。

3.1 工區(qū)內(nèi)注(采)氣層段AVO響應(yīng)特征

截至2010年10月,工區(qū)內(nèi)共有注氣井4口,采油出氣井10口,基于疊前道集資料分析了這14口井對應(yīng)的注(采)氣層段及非注氣層段AVO響應(yīng)特征(表3)。分析結(jié)果表明,注氣層段均具有明顯的Ⅰ類AVO響應(yīng)特征,即隨著入射角的增大,振幅逐漸降低,隨著偏移距的增大出現(xiàn)了振幅反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。區(qū)塊內(nèi)距離注氣井較遠的高89-7井,雖然也監(jiān)測到CO2的產(chǎn)出,但是產(chǎn)出量小,地震剖面無明顯的AVO響應(yīng)特征,這表明注氣量對注(采)氣層段的AVO效應(yīng)具有直接的影響。

為了對比注(采)氣層段與未注氣層段的AVO特征差異,進一步分析了非注氣層段的AVO響應(yīng)特征,研究發(fā)現(xiàn),非注氣層段無論是含油儲層或蓋層,均未出現(xiàn)明顯的Ⅰ類AVO特征。這表明注入CO2后,儲層孔隙壓力及流體成分的變化導(dǎo)致了AVO響應(yīng)特征的變化,儲層與圍巖的AVO響應(yīng)特征差異大,因此注氣層段中AVO效應(yīng)的量化表征可實現(xiàn)CO2驅(qū)油波及范圍的預(yù)測。

表3 G89區(qū)塊注(采)氣層段及非注氣層段AVO響應(yīng)特征分析結(jié)果

3.2 基于梯度屬性G的含氣層識別量板

為了更精確地預(yù)測CO2驅(qū)油波及范圍,需要建立實際工區(qū)的梯度屬性G與注氣量或者產(chǎn)氣量的定量關(guān)系,形成基于梯度屬性G與的含氣層識別量板,提高CO2驅(qū)油波及范圍識別精度。

統(tǒng)計分析了4口注氣井、10口產(chǎn)氣井、3個未注氣儲層段和3個圍巖段的P,G屬性值與產(chǎn)氣量/注氣量的關(guān)系,建立了P,G屬性值與注氣量/產(chǎn)氣量關(guān)系量板(圖5)?？梢钥闯?注氣量/產(chǎn)氣量與G屬性值具有較好的相關(guān)性,并據(jù)此可劃分3個級別的CO2驅(qū)油波及區(qū):當注氣量/產(chǎn)氣量大于100t時,對應(yīng)G屬性值小于-50,為主要CO2驅(qū)油波及區(qū);當注氣量/產(chǎn)氣量為0～100t時,對應(yīng)G屬性值為-50～-18,為次要CO2驅(qū)油波及區(qū);當注氣量/產(chǎn)氣量為0時,對應(yīng)G屬性值為-18～50,為非CO2驅(qū)油波及區(qū)。注氣量與G屬性值之間的關(guān)系為CO2驅(qū)油波及范圍的預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

圖5 P,G屬性與CO2注氣量/產(chǎn)氣量關(guān)系量板

3.3 CO2驅(qū)油波及范圍預(yù)測

統(tǒng)計分析了4口注氣井的注氣史,如圖6所示,可以看出,在2010年地震資料采集前,存在3個大的集中注氣時期,分別為2009年10月,2010年2月及2010年6月,形成了3個注氣高峰期,這3個注氣高峰期在地下儲層中理論上可形成3個波及面。

基于梯度屬性沿注氣層段開展了CO2驅(qū)油波及范圍預(yù)測,結(jié)果表明:高89區(qū)塊沙四段純下亞段在地震采集時刻表現(xiàn)為3個CO2驅(qū)油波及面,以高89-4井為中心,呈同心放射環(huán)帶狀分布。CO2驅(qū)油的3個波及面與注氣史的3個注氣高峰具有良好的對應(yīng)(圖6)。最遠的CO2驅(qū)油波及面已到達G89-7井區(qū)附近,G89-7井也監(jiān)測到了CO2氣體的產(chǎn)出,這也表明了預(yù)測結(jié)果的準確性。

圖6 高89區(qū)塊沙四段純下亞段CO2驅(qū)油波及范圍預(yù)測

4 結(jié)論

1) 理論分析表明CO2注入儲層后能引起明顯的AVO效應(yīng),隨入射角的增大,反射系數(shù)減小。梯度屬性對孔隙壓力變化較為敏感,隨著孔隙壓力的增大,梯度逐漸降低,因此利用梯度屬性預(yù)測CO2驅(qū)油波及面具有一定的可行性。

2) 高89注氣區(qū)塊內(nèi)注氣儲層段具有明顯的AVO響應(yīng)特征,非注氣儲層段及蓋層段AVO特征不明顯。梯度屬性與注氣井的注氣量或產(chǎn)氣井的產(chǎn)氣量一定程度相關(guān),當梯度屬性小于-50時,表征了主要的CO2驅(qū)油波及范圍。高89區(qū)塊沙四段純下亞段在地震采集時表現(xiàn)為3個CO2驅(qū)油波及面,以高89-4井為中心,呈同心放射環(huán)帶狀分布。CO2驅(qū)油波及面與注氣井的注氣史具有良好的一致性。

3) 將注入的CO2氣體看作是儲層中的人造氣藏,利用注氣后采集的地震資料,基于AVO理論可對CO2驅(qū)油波及范圍進行有效預(yù)測。該方法避免了四維地震研究中的某些問題,為在缺少四維地震資料的工區(qū)開展CO2驅(qū)油波及范圍研究提供了一種改進的方法。