趙平起 郝會(huì)民 倪天祿 李洪革 陶自強(qiáng) 馬躍華*

(①中國(guó)石油大港油田公司，天津大港 300280； ②東方地球物理公司，河北涿州 072750)

0 引言

油藏地球物理技術(shù)(Reservoir Geophysics)始于20世紀(jì)70年代，1977年美國(guó)能源部資助斯坦福大學(xué)開(kāi)展油藏地球物理基礎(chǔ)研究，1984年SEG(美國(guó)勘探地球物理學(xué)家學(xué)會(huì))成立了開(kāi)發(fā)與開(kāi)采委員會(huì)，召開(kāi)油藏地球物理(開(kāi)發(fā)地震)研討會(huì)，推動(dòng)了油藏地球物理技術(shù)的發(fā)展。1992年，Sheriff[1]給出了油藏地球物理的定義，即借助地球物理方法評(píng)價(jià)和描述油藏或監(jiān)測(cè)油藏在開(kāi)采過(guò)程中的變化。20世紀(jì)90年代起，中國(guó)研究者開(kāi)始對(duì)油藏地球物理技術(shù)進(jìn)行探討。1996年，劉雯林[2]撰寫(xiě)了《油氣田開(kāi)發(fā)地震技術(shù)》一書(shū)，詳細(xì)闡述了開(kāi)發(fā)地震的概念及研究方法。開(kāi)發(fā)地震是在勘探地震基礎(chǔ)上，充分利用針對(duì)油藏的觀測(cè)方法和信息處理技術(shù)，緊密結(jié)合鉆井、測(cè)井、巖石物理、油田地質(zhì)和油藏工程等資料，在油氣田開(kāi)發(fā)和開(kāi)采過(guò)程中對(duì)油藏特征進(jìn)行橫向預(yù)測(cè)，并開(kāi)展完整描述和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著油藏地球物理技術(shù)的發(fā)展，時(shí)移地震監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]、巖石地球物理技術(shù)[4]、3.5維地震技術(shù)[5]、多分量地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)[6]、VSP高精度井筒地震技術(shù)、電磁技術(shù)[7]等越來(lái)越多地應(yīng)用到油藏的描述和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。其中，Huang等[8]將時(shí)移地震技術(shù)與油藏?cái)?shù)值模擬相結(jié)合，提出結(jié)合時(shí)移地震的油藏歷史擬合的概念，提高了油藏?cái)?shù)值模擬的精度。2010年Johnston等[9]從油藏管理、油田生命周期、支撐技術(shù)、勘探評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及油藏地球物理技術(shù)發(fā)展等幾個(gè)方面系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前油藏地球物理的最新進(jìn)展，從地球物理技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)油藏地球物理發(fā)展的角度，分析了未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向，如基于多方位地震數(shù)據(jù)油藏檢測(cè)技術(shù)、巖石物理和地震反演預(yù)測(cè)技術(shù)、彈性波場(chǎng)地震地層學(xué)及儲(chǔ)層描述技術(shù)、最佳四維流體成像技術(shù)、定量地震工程一體化技術(shù)、虛震源成像和油藏監(jiān)測(cè)技術(shù)以及永久油藏監(jiān)測(cè)技術(shù)等。21世紀(jì)以來(lái)，油藏地球物理技術(shù)逐漸應(yīng)用于開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。韓大匡院士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在大慶油田的勘探、開(kāi)發(fā)過(guò)程中積極推動(dòng)油藏地球物理技術(shù)的應(yīng)用，開(kāi)展了低級(jí)序斷層識(shí)別、薄互層預(yù)測(cè)、精細(xì)油藏描述和地震約束下的地質(zhì)建模等方面工作[10-11]。但是，在中國(guó)陸相湖盆沉積環(huán)境條件下，油藏地球物理技術(shù)遇到了一些困難，如陸上多次采集地震資料的非一致性問(wèn)題[12-14]、多分量技術(shù)中橫波資料采集及處理問(wèn)題、時(shí)移電磁資料的低信噪比和低分辨率問(wèn)題[15-17]等制約了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

與此同時(shí)，為了提高油氣田采收率，開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的專家通過(guò)建立油藏三維地質(zhì)模型和數(shù)值模擬模型研究油藏滲流。提高采收率的方法更多的是通過(guò)注驅(qū)干預(yù)改變油藏滲流狀態(tài)，例如精細(xì)分層注水技術(shù)、聚合物驅(qū)油技術(shù)、三元復(fù)合驅(qū)、二元復(fù)合驅(qū)技術(shù)、泡沫驅(qū)技術(shù)和“二三結(jié)合”技術(shù)[18-20]等。油藏模擬技術(shù)是油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，再現(xiàn)了油氣藏開(kāi)發(fā)歷史，預(yù)測(cè)了油氣藏未來(lái)動(dòng)態(tài)，為油氣藏開(kāi)發(fā)的決策提供了一項(xiàng)重要手段。近年來(lái)，數(shù)值模擬的趨勢(shì)由復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜儲(chǔ)層、復(fù)雜流體逐漸向復(fù)雜滲流模型發(fā)展?；谶_(dá)西定律的數(shù)值模擬技術(shù)在油田開(kāi)發(fā)方案制定及實(shí)施中發(fā)揮了指導(dǎo)作用，但數(shù)值模擬更多依賴于靜態(tài)的測(cè)井資料及動(dòng)態(tài)的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)，地球物理信息主要用于構(gòu)建初期油藏模型[21-23]。實(shí)際上，油藏參數(shù)的變化貫穿于整個(gè)開(kāi)發(fā)全過(guò)程，尤其是特高含水開(kāi)發(fā)階段，油藏的特性發(fā)生了較大變化，滲流場(chǎng)遭到改造和破壞，非均質(zhì)性增強(qiáng)，剩余油分布零散、規(guī)律復(fù)雜。

考慮注入倍數(shù)、注入壓力連續(xù)變化下油藏參數(shù)的變化以及由此產(chǎn)生的滲流場(chǎng)的變化，基于不同開(kāi)發(fā)階段油藏參數(shù)變化與多期觀測(cè)階段中地球物理屬性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，本文提出了油藏滲流地球物理(Reservoir Seepage Geophysics,RSG)新方法，初步確定了應(yīng)用地面地震、井中地震、井地電磁、測(cè)井、試井、多維地質(zhì)建模等多資料綜合研究思路。首先，利用多次采集的三維地面地震資料與低含水、中高含水、特高含水三個(gè)油藏開(kāi)發(fā)階段相關(guān)聯(lián)，井震結(jié)合開(kāi)展非一致性時(shí)移地震資料處理和解釋；其次，在井中應(yīng)用光纖VSP技術(shù)多期觀測(cè)并研究注水開(kāi)發(fā)階段井間滲流變化；同時(shí)，將多分量地面地震與井地電磁相結(jié)合，解決因只依靠縱波資料研究而缺少流體敏感參數(shù)的問(wèn)題；再結(jié)合過(guò)套管的測(cè)井及試井技術(shù)，觀測(cè)高含水期油藏滲流參數(shù)的變化；最終集成油藏地質(zhì)模型，制定提高采收率的對(duì)策與方案。

1 油藏滲流場(chǎng)變化

油藏滲流場(chǎng)是指地下儲(chǔ)層中的骨架場(chǎng)、孔喉道網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)、黏土場(chǎng)、物理化學(xué)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流體場(chǎng)及流體在儲(chǔ)層中滲流狀態(tài)的統(tǒng)稱[22]。隨著油田注水開(kāi)發(fā)的逐漸深入，儲(chǔ)層及流體分布隨之變化，導(dǎo)致油藏滲流場(chǎng)發(fā)生改變。

1.1 孔隙度的變化

中—高滲透油藏開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，隨著注水倍數(shù)的增加，儲(chǔ)層孔隙度發(fā)生變化。例如對(duì)于大港油田明化鎮(zhèn)組中—高滲透油藏，孔隙度在注入初期呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；加大注水倍數(shù)后，孔隙度出現(xiàn)減小的趨勢(shì)(表1)。

表1 取心井不同注入倍數(shù)下孔隙度變化表

注： PV(Pore Volume)指儲(chǔ)層孔隙體積

在不同注入倍數(shù)下，可以通過(guò)CT 掃描對(duì)比孔隙度變化。從圖1(黑白截面圖)中可以看出，該樣品經(jīng)水驅(qū)1PV后孔隙(黑色部分)增多，截面的面孔率由25.01%增加到30.66%。從圖2中可以看出，該樣品經(jīng)水驅(qū)20PV后孔隙減少，截面的面孔率由32.28%減小到30.00%。由于速敏較強(qiáng)，注水20PV后，水流量增大，水與巖石接觸時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致儲(chǔ)層中伊蒙混層與水發(fā)生反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，遇水膨脹，堵塞部分孔隙，導(dǎo)致孔隙度減少。

1.2 泥質(zhì)含量的變化

黏土礦物場(chǎng)動(dòng)態(tài)模型可用于研究和表征長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層中的黏土礦物類型、分布、數(shù)量和產(chǎn)狀隨不同含水期的演化及其對(duì)剩余油形成和分布的影響[24]。以大港油田港西開(kāi)發(fā)區(qū)為例，港西開(kāi)發(fā)區(qū)主力含油層系之一的明化鎮(zhèn)組儲(chǔ)層以河流相粉砂、細(xì)砂及砂礫巖為主，膠結(jié)物為泥質(zhì)。由于注入水的長(zhǎng)期沖刷，大量的泥質(zhì)膠結(jié)物被沖散帶走，巖石變得更加疏松。由圖3可知，開(kāi)發(fā)早期和注水開(kāi)發(fā)后期，各油組泥質(zhì)含量均降低。開(kāi)發(fā)早期各油組泥質(zhì)含量普遍高于23%，開(kāi)發(fā)后期泥質(zhì)含量普遍低于23%，特別是原始泥質(zhì)含量高的油層受注入水的沖刷影響，降低幅度更大，如NmⅡ-5油組由初期的29%降低到后期的20%，降低幅度達(dá)到9%。泥質(zhì)含量的顯著變化導(dǎo)致儲(chǔ)層物性的變化。

圖3 港西油田不同開(kāi)發(fā)時(shí)期明化鎮(zhèn)組泥質(zhì)含量變化圖

1.3 注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中剩余油分布變化

開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，儲(chǔ)層在平面及縱向上的非均質(zhì)性導(dǎo)致在注入水波及范圍內(nèi)儲(chǔ)層各部位之間沖洗倍數(shù)或沖洗強(qiáng)度的差別很大。在主流線方向，注水倍數(shù)高，油氣采出程度接近、甚至等于實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的驅(qū)油效率，尤其在正韻律儲(chǔ)層下部高滲透層段的主流線部位油氣采出程度還可能高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的驅(qū)油效率；而在接近分流線的部位、斷層附近等，過(guò)水倍數(shù)非常低，剩余油飽和度相對(duì)較高。港東油田經(jīng)過(guò)五十三年的注水開(kāi)發(fā)，注水未波及低滲夾層，水繞過(guò)的低滲帶中剩余油占總體剩余油的25.0%； 未被鉆遇的透鏡體中的剩余油占16.0%； 小孔隙中原油受到較大毛管力束縛，不易流動(dòng)，剩余油占15.0%； 地層壓力梯度小的滯留帶內(nèi)剩余油占19.5%； 以薄膜狀形式存在于地層巖石表面的剩余油占13.5%。概括而言，在綜合含水率大于90%以后，剩余油的分布呈四種類型: ①低滲透差儲(chǔ)層，如河床邊緣、堤岸相帶； ②封閉性斷層附近、構(gòu)造高部位或微構(gòu)造高點(diǎn)； ③正韻律厚層的上部； ④井間分流線附近井網(wǎng)控制不住、注采系統(tǒng)不完善的部位。

1.4 剩余油分布認(rèn)識(shí)的難點(diǎn)

目前，在地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)和油藏工程分析方法可以判斷剩余油大體分布，但仍然存在以下難點(diǎn)：一是現(xiàn)有數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是達(dá)西定律，對(duì)非達(dá)西滲流的非牛頓流體或者存在啟動(dòng)壓力梯度的油藏具有局限性；二是油藏中小尺度儲(chǔ)層的巖性遮擋難以清楚刻畫(huà)，造成油藏歷史擬合和剩余油預(yù)測(cè)存在不確定性；三是由于長(zhǎng)期的注水開(kāi)發(fā)，多層非均質(zhì)油藏不同方向水驅(qū)倍數(shù)差異大，高滲區(qū)域或大壓差方向容易形成水竄通道，從而形成即注即采的狀況，滲流規(guī)律難以準(zhǔn)確描述。

圖4表示不同含油層段經(jīng)過(guò)注水開(kāi)發(fā)后剩余油在巖心中的分布情況?？梢?jiàn)弱水洗段存在剩余油，強(qiáng)水洗段也能存在剩余油，水洗程度的強(qiáng)弱不能夠直接反映剩余油分布情況，這與儲(chǔ)層本身滲流情況相關(guān)。因此，迫切需要應(yīng)用新方法研究滲流場(chǎng)變化情況、準(zhǔn)確描述剩余油動(dòng)態(tài)賦存狀況才能在高含水階段大幅度提高老油田采收率。

圖4 特高含水期取心井熒光下不同層段剩余油分布

2 發(fā)展油藏滲流地球物理技術(shù)的必要性與可行性

2.1 概念的提出

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)油藏滲流場(chǎng)的精細(xì)表征和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，綜合應(yīng)用測(cè)井、地震、電磁等資料，結(jié)合油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中動(dòng)、靜態(tài)信息定量預(yù)測(cè)剩余油分布，提高油氣藏最終采收率。研究技術(shù)主要涉及地面地震、井筒地震、時(shí)頻電磁、測(cè)井、油藏開(kāi)發(fā)等技術(shù)。油藏滲流地球物理技術(shù)的發(fā)展具有階段性，即由油藏地球物理發(fā)展到滲流地球物理，原油藏地球物理中所運(yùn)用的各項(xiàng)技術(shù)及研究思路在滲流地球物理研究中同樣適用。

近幾年，應(yīng)用油藏地球物理技術(shù)，在老油田的油藏描述過(guò)程中取得了較好成效，但與油藏滲流場(chǎng)重構(gòu)方面結(jié)合不夠緊密。因此，油藏滲流地球物理技術(shù)的目的是推動(dòng)物探技術(shù)向油藏工程領(lǐng)域延伸，為老油田特高含水階段滲流場(chǎng)描述、評(píng)價(jià)及重構(gòu)奠定基礎(chǔ)，為老油田提高采收率提供技術(shù)支撐。

2.2 油藏滲流地球物理技術(shù)發(fā)展的必要性

隨著注水開(kāi)發(fā)的逐漸深入，準(zhǔn)確描述滲流空間、壓力場(chǎng)、流線場(chǎng)、飽和度場(chǎng)等，是老油田效益開(kāi)發(fā)、提高水驅(qū)油效率所面臨的重要問(wèn)題。 “場(chǎng)”是一個(gè)三維立體空間的概念，以往的油藏流場(chǎng)動(dòng)態(tài)(四維)模型均是建立在巖心及測(cè)井資料基礎(chǔ)上。剩余油由普遍分布、局部富集逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨确稚?、零星聚集，但總量依然較大。目前關(guān)于剩余油的認(rèn)識(shí)還處在定性或半定量階段，研究手段也還是局限在靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法配套研究。僅依靠巖心及測(cè)井資料，通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行內(nèi)插和外推的建模思路，已經(jīng)不能滿足復(fù)雜的地下地質(zhì)情況。如圖5所示，飽和度場(chǎng)分布不均衡，反映了平面動(dòng)用不均，目前在開(kāi)發(fā)調(diào)整階段，地球物理技術(shù)對(duì)滲流場(chǎng)的研究還是空白，通過(guò)波場(chǎng)及電磁場(chǎng)的研究，在高精度的三維地震數(shù)據(jù)、電磁數(shù)據(jù)等物探資料的約束下，再構(gòu)建油藏動(dòng)態(tài)模型，是該技術(shù)發(fā)展的必要方向。

圖5 羊三木油田注水開(kāi)發(fā)含油飽和度分布變化圖

2.3 油藏滲流地球物理技術(shù)發(fā)展的可行性

油藏滲流地球物理技術(shù)發(fā)展是建立在油藏地球物理技術(shù)及地震波在孔隙介質(zhì)中傳播理論等基礎(chǔ)之上。在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油藏物性(孔隙度、滲透率)、泥質(zhì)含量、含油飽和度等均發(fā)生了變化。

1956年Wyllie等[25]給出時(shí)間平均方程

(1)

式中：VP、VP-f1、VP-0分別為巖石、孔隙流體、組成巖石的礦物的P波速度；φ為孔隙度。該方程描述了孔隙度與縱波速度之間的關(guān)系，也就是說(shuō)，孔隙度的變化勢(shì)必帶來(lái)地震波速度的變化，所以不同注水開(kāi)發(fā)時(shí)期儲(chǔ)層物性的變化在理論上能夠從地震信號(hào)中得到響應(yīng)。

1942年Archie發(fā)表了關(guān)于砂巖電阻率的公式，由Archie公式可以得到含水飽和度[26]

(2)

式中：a是與巖性有關(guān)的巖性系數(shù)；b是與巖性有關(guān)的常數(shù)；m是膠結(jié)指數(shù)；n是飽和度指數(shù)；Rw是地層水電阻率；Rt是地層電阻率。通過(guò)測(cè)井資料可以計(jì)算油層的含水飽和度。同樣，在理想情況下通過(guò)時(shí)頻電磁反演之后可以得到電阻率的變化，從而獲得地層含水飽和度變化。不同注水開(kāi)發(fā)階段含水飽和度變化較大，也會(huì)從理論上導(dǎo)致地磁場(chǎng)響應(yīng)的變化。

綜上所述，油藏在長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，儲(chǔ)層參數(shù)發(fā)生變化在理論上一定會(huì)導(dǎo)致地震波場(chǎng)參數(shù)、時(shí)頻電磁參數(shù)的變化。油藏滲流地球物理技術(shù)通過(guò)物探方法建立彈性參數(shù)、電磁參數(shù)與油藏參數(shù)變化之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、多維、一體化的油藏模擬。所謂“動(dòng)態(tài)”，即按照油藏開(kāi)發(fā)的不同時(shí)期(開(kāi)發(fā)初期、低含水期、中高含水期、特高含水期)將歷史上所得到的物探資料匹配到每個(gè)開(kāi)發(fā)期，開(kāi)展油藏動(dòng)態(tài)變化研究；所謂“多維”，包含兩方面含義，即多種數(shù)據(jù)類型及多個(gè)時(shí)間維度；“一體化”即是集地球物理與油藏開(kāi)發(fā)為一體的多學(xué)科、多方法的融合。

3 油藏滲流地球物理技術(shù)

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，積累了大量的油藏靜、動(dòng)態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)直接或間接反映了地下油藏滲流場(chǎng)特征及其變化。借助豐富的油藏動(dòng)態(tài)信息，可以開(kāi)展地球物理與油藏滲流相融合的研究，實(shí)現(xiàn)理論與技術(shù)上的突破；可以依托于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為老油田開(kāi)發(fā)后期進(jìn)一步提高采收率探索新思路。

圖6為初步建立的油藏滲流地球物理技術(shù)流程，單元A為理論基礎(chǔ)部分，包含了巖石物理實(shí)驗(yàn)及波場(chǎng)、電磁場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合關(guān)系建立等；單元B為各個(gè)單項(xiàng)技術(shù)，其中包括測(cè)井、地震、非地震、試井等技術(shù)，每項(xiàng)技術(shù)中又包含了具體研究?jī)?nèi)容；單元C為以油藏滲流地球物理技術(shù)為基礎(chǔ)建立地質(zhì)模型，通過(guò)多維油藏滲流地球物理地質(zhì)模型及數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)油藏的連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)；單元D為研究成果在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用和實(shí)踐，最終目的是提高采收率。從圖6中可以看到，油藏滲流地球物理技術(shù)是集物探(地面地震、井中地震、電磁)、測(cè)井、試井、油藏等多內(nèi)容、多技術(shù)的系統(tǒng)科學(xué)。

3.1 理論基礎(chǔ)

油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，流體流動(dòng)滿足滲流方程，地震波傳播滿足波動(dòng)方程。目前時(shí)移地震油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地震模擬研究中，二者是分步、單獨(dú)進(jìn)行的，忽略了滲流—波動(dòng)的耦合效應(yīng)和適用條件，與實(shí)際觀測(cè)存在差異。式(1)及巖石物理實(shí)驗(yàn)研究表明，油藏生產(chǎn)可以引起地震波速度的變化，這是時(shí)移地震的基礎(chǔ)。理論和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)證明在時(shí)移地震差異可測(cè)的情況下應(yīng)用地震差異監(jiān)測(cè)油藏屬性的動(dòng)態(tài)變化是可行的，但是時(shí)移地震響應(yīng)的變化來(lái)自油藏壓力、流體飽和度和溫度變化的耦合效應(yīng)，特別是油藏注水開(kāi)采過(guò)程中，壓力下降、水飽和度增加、溫度變化會(huì)引起地震振幅、波阻抗的變化。因此，時(shí)移地震差異可能并不限于流體飽和度的變化，而是油藏滲流場(chǎng)的綜合變化。如果能夠在滲流方程的基礎(chǔ)上引入波動(dòng)理論滿足虎克定律和波動(dòng)連續(xù)性條件，那么是否可以推導(dǎo)建立滲流—波動(dòng)耦合統(tǒng)一方程，建立流體流動(dòng)、壓力、飽和度與地震響應(yīng)的直接關(guān)系？2008年陳小宏等[27]通過(guò)對(duì)解耦后的方程開(kāi)展研究并正演模擬，研究了模型狀態(tài)下含水飽和度、泥質(zhì)含量、壓力變化造成的地震響應(yīng)的變化問(wèn)題，將時(shí)移地震資料的解釋從疊后推向疊前，對(duì)于提高解釋精度、實(shí)現(xiàn)不同油藏參數(shù)動(dòng)態(tài)的定量解釋具有重要意義。但是，在求解反問(wèn)題即利用解耦波動(dòng)方程從地震資料直接反演到油藏參數(shù)變化的過(guò)程中遇到非常大的挑戰(zhàn)。原因在于：一是地震信號(hào)波場(chǎng)信息不完全，例如常規(guī)的地震采集數(shù)據(jù)缺少橫波信息，包括轉(zhuǎn)換橫波、反射橫波等；二是造成地震信號(hào)差異的因素是多方面的，排除因?yàn)椴杉?、處理帶?lái)的干擾和誤差外，油藏因素也是多方面的，不僅只是含水飽和度的變化；三是由于中國(guó)陸相湖盆砂、泥巖薄互層沉積，薄層調(diào)諧效應(yīng)的影響使時(shí)移地震的研究更加困難。也就是說(shuō)，時(shí)移地震對(duì)于油藏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是可行的，但是對(duì)于陸相砂、泥巖薄互層沉積研究難度也很大。

圖6 油藏滲流地球物理技術(shù)流程

區(qū)別于地震技術(shù)，時(shí)頻電磁技術(shù)所依賴的電磁場(chǎng)傳播理論與滲流場(chǎng)之間存在著更加密切的關(guān)系。時(shí)頻電磁探測(cè)方法是十年前發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)油氣目標(biāo)探測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)，原理主要是通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射零方波信號(hào)、接收機(jī)記錄頻率域和時(shí)間域數(shù)據(jù)，從時(shí)間域數(shù)據(jù)中獲得電阻率信息、從頻率域數(shù)據(jù)中提取極化率信息，再根據(jù)電阻率和極化率信息預(yù)測(cè)油氣目標(biāo)[28]。目前的時(shí)頻電磁處理技術(shù)既可以從磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演電阻率，也可以從電場(chǎng)數(shù)據(jù)反演電阻率，還可以利用電、磁兩分量聯(lián)合反演電阻率，同時(shí)可從時(shí)間域或者頻率域數(shù)據(jù)中提取極化參數(shù)。為了提高縱、橫向反演精度，發(fā)展了利用地震、測(cè)井信息的約束反演技術(shù)，反演所得的電阻率可直接與含水飽和度相關(guān)，為預(yù)測(cè)剩余油分布提供了二維、三維空間域的研究資料。

在以往的研究中，缺少?gòu)睦碚撋辖⒌卣鸩▓?chǎng)與滲流場(chǎng)的關(guān)系以及電磁場(chǎng)與滲流場(chǎng)的關(guān)系，這兩種關(guān)系的建立將是油藏滲流地球物理的理論基礎(chǔ)。油藏滲流地球物理有利于直接或者間接研究物探信息與滲流參數(shù)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)油藏的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

目前，應(yīng)用地球物理技術(shù)開(kāi)展地層巖性、儲(chǔ)層物性、含油氣性預(yù)測(cè)等方面都有一些較為成熟的技術(shù)和方法，但是對(duì)于油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同階段、不同時(shí)期巖性、物性、流體性質(zhì)等的演化規(guī)律缺乏有效的描述手段，難以對(duì)油藏滲流場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)表征。實(shí)際工作中較為經(jīng)濟(jì)可行的方法為：一是精確地構(gòu)建波場(chǎng)和滲流場(chǎng)，然后以巖石物理分析為橋梁，達(dá)到相互驗(yàn)證、提高滲流場(chǎng)表征精度的目的；二是通過(guò)采集高信噪比和高分辨率的時(shí)頻電磁數(shù)據(jù)，反演得到地層電阻率，研究含水飽和度的變化，預(yù)測(cè)剩余油分布。構(gòu)成這兩大類研究方法的關(guān)鍵技術(shù)主要有巖石物理分析技術(shù)、時(shí)移地震技術(shù)、時(shí)移VSP技術(shù)、時(shí)頻電磁技術(shù)、套后測(cè)井技術(shù)、多維油藏滲流地球物理地質(zhì)建模技術(shù)等。

3.2.1 巖石物理實(shí)驗(yàn)

巖石物理實(shí)驗(yàn)主要是為了研究油氣藏儲(chǔ)層流體參數(shù)與地球物理參數(shù)之間的關(guān)系，建立油藏特征與地震響應(yīng)之間的橋梁。巖石物理研究用于生產(chǎn)只有三十多年的時(shí)間，以前更注重純理論研究，但是近十多年來(lái)，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，巖石物理已經(jīng)成為一門非常有實(shí)用價(jià)值的學(xué)科，其研究成果已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于油藏描述、油藏監(jiān)測(cè)及提高采收率等方面。

巖心、測(cè)井、地震資料的巖石物理分析中重要的問(wèn)題之一就是流體替換，也就是用一種流體飽和巖石的地震速度預(yù)測(cè)另外一種流體飽和巖石的地震速度。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)巖石受到的擠壓應(yīng)力增加時(shí)，地震波穿過(guò)巖石會(huì)誘發(fā)孔隙壓力的增加，這種孔隙壓力的增加會(huì)阻止巖石壓縮，進(jìn)而增加巖石剛性。物體的體應(yīng)變和平均應(yīng)力之間的關(guān)系可以用體積模量表示。研究巖石骨架、流體及地震波傳播速度之間的關(guān)系就必須研究體積模量之間的關(guān)系。Murphy等[29]在Gassmann方程基礎(chǔ)上提出了其速度形式

(3)

其中

(4)

式中：VPsat、VSsat分別表示飽和巖石的縱波、橫波速度；Kdry表示巖石骨架體積模量；μ為巖石剪切模量；K0表示組成巖石礦物的體積模量；Kf1表示孔隙流體的有效體積模量。

式(3)為巖石物理分析的常用公式，它是分析由于孔隙流體變化引起低頻彈性模量變化的基礎(chǔ)，廣泛用于地震正、反演，如將油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果通過(guò)轉(zhuǎn)換得到地震信號(hào)的過(guò)程。將油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果轉(zhuǎn)換成地震信號(hào)的過(guò)程，是驗(yàn)證數(shù)值模擬是否合理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是近年來(lái)油藏地球物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)，同樣也是油藏滲流地球物理的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。除基于理論公式的巖石物理分析之外，通過(guò)測(cè)井資料進(jìn)行測(cè)井巖石物理分析，通過(guò)巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的巖石物理實(shí)驗(yàn)都是油藏滲流地球物理研究中必不可少的。實(shí)驗(yàn)室的巖石物理分析能夠更加接近真實(shí)情況，主要是利用實(shí)際工區(qū)的不同沉積相帶的巖心在實(shí)驗(yàn)室中模擬地下情況(壓力、溫度等)，然后通過(guò)注入流體的變化激發(fā)接受聲波信號(hào)研究油藏參數(shù)與地震響應(yīng)之間的關(guān)系。近年來(lái)數(shù)字巖心技術(shù)的發(fā)展也為巖石物理分析技術(shù)帶來(lái)了更加先進(jìn)的手段。

3.2.2 非一致性時(shí)移地震處理、解釋技術(shù)

對(duì)于陸上地震資料而言，應(yīng)用時(shí)移地震技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，最關(guān)鍵的問(wèn)題是同一地區(qū)不同時(shí)間的多次地震采集環(huán)境、儀器設(shè)備、技術(shù)參數(shù)均不同，非油藏因素嚴(yán)重影響和制約了時(shí)移地震技術(shù)在油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)地震技術(shù)對(duì)油藏演變過(guò)程及規(guī)律的描述與認(rèn)識(shí)。所以，基于油藏滲流非一致性地震資料的處理、解釋技術(shù)(Seepage based Inconsistency Time-lapse Seismic Technology，SITS)是監(jiān)測(cè)油藏變化的最經(jīng)濟(jì)和方便的技術(shù)，關(guān)鍵在于其處理和解釋過(guò)程中如何消除非油藏因素的影響。

從圖7中能夠得到的信息是，針對(duì)不同開(kāi)采時(shí)期同一油藏(比如圖中①號(hào)油藏)，從開(kāi)發(fā)初期(1969年)的高含油到高含水期(2013年)期間的變化在不同時(shí)期的測(cè)井上是能夠監(jiān)測(cè)得到的。油藏滲流地球物理時(shí)移地震研究的關(guān)鍵是解決不同開(kāi)采時(shí)期含水飽和度的變化帶來(lái)的地震響應(yīng)的變化。圖8是大港油田港東地區(qū)1988年采集地震資料和2003年采集地震資料的差異數(shù)據(jù)分析，在應(yīng)用互均衡技術(shù)前、后兩次地震資料的差異變化明顯?；ゾ夂蟮牟町惼拭嬖谔摼€框內(nèi)具有一個(gè)較強(qiáng)的差異。如果在有井鉆遇的地方能夠證明這樣的差異為油藏開(kāi)采變化所引起，那么非一致性的地震資料處理就能夠?yàn)橛筒乇O(jiān)測(cè)提供有利的資料基礎(chǔ)。

3.2.3 綜合物探資料采集、處理及應(yīng)用

陸上一致性時(shí)移三維地震資料采集、處理及解釋成本太高，而且還很難滿足要求。在已有的非一致性多次地震資料基礎(chǔ)上進(jìn)行處理、解釋，然后結(jié)合、補(bǔ)充采集其他物探資料，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用上都是可取的。比如時(shí)移時(shí)頻電磁資料采集及應(yīng)用(Seepage based Electricity Magnetism Technology，SEMT)、精度高于地面地震的時(shí)移VSP技術(shù)(Seepage based VSP，SVSP)、多波的二維地震資料采集等。時(shí)頻電磁資料能夠反演得到地層電阻率，用于研究飽和度變化[28]； VSP資料可以提供比地面地震更加高精度的地震信號(hào)，可以約束常規(guī)地面地震的速度建模及反演[30-31]，而基于光纖的VSP技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)多次采集和觀測(cè)；以往的地面地震采集中缺少橫波信息，在有利位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩S多波資料采集有利于實(shí)現(xiàn)縱、橫波聯(lián)合反演，可以用于研究油藏的變化。油藏滲流地球物理的發(fā)展離不開(kāi)高精度的物探資料做為基礎(chǔ)，多種信息綜合應(yīng)用有可能對(duì)地下情況得到更加真實(shí)的解。

圖7 不同時(shí)期鉆井油藏對(duì)比

圖8 兩次采集地震互均衡前(左)、后(右)的差異地震剖面

3.2.4 井下儲(chǔ)層與生產(chǎn)監(jiān)測(cè)

針對(duì)同一個(gè)油藏(圖7)，應(yīng)用不同時(shí)期的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)移分析，研究油氣藏在不同開(kāi)發(fā)階段的變化是可行的。當(dāng)然，關(guān)鍵是能夠經(jīng)過(guò)精細(xì)對(duì)比、確定鉆遇的地層是同一套油氣藏，實(shí)際上在不同鉆井中地層及油藏對(duì)比是有困難的。相對(duì)而言，針對(duì)同一口井，不同的開(kāi)采階段進(jìn)行測(cè)井資料采集、處理和解釋則更加直觀和可信[32-33]。這樣過(guò)套管XMAC(交叉多極陣列聲波)、套管補(bǔ)中能夠計(jì)算目前的孔隙度及分析地應(yīng)力；PNN(油藏生產(chǎn)飽和度測(cè)井)、C/O(碳氧比能譜測(cè)井)、過(guò)套管電阻率測(cè)井在監(jiān)測(cè)剩余油飽和度及尋找潛力層方面具有重要的作用。因此，需要加強(qiáng)飽和度測(cè)井、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)等在油藏滲流場(chǎng)重構(gòu)中的應(yīng)用[34]。開(kāi)展油藏滲流場(chǎng)測(cè)井(Reservoir Seepage Geophysical Logging，RSGL)技術(shù)應(yīng)用研究，提升測(cè)井資料在老油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用程度將是油藏滲流地球物理研究的一個(gè)關(guān)鍵。

3.2.5 多維油藏滲流地球物理地質(zhì)模型建立

所謂多維油藏滲流地球物理地質(zhì)模型體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一是指時(shí)間維度的多維，充分應(yīng)用油藏開(kāi)發(fā)時(shí)期的多期地震資料和多期測(cè)井資料；第二是指應(yīng)用多個(gè)維度數(shù)據(jù)、多項(xiàng)技術(shù)得到多種油藏參數(shù)的解，比如測(cè)井解釋的油藏參數(shù)、試井解釋的油藏參數(shù)、地震反演的油藏參數(shù)、井地電磁綜合反演的油藏參數(shù)等。設(shè)計(jì)各類數(shù)據(jù)之間的權(quán)重關(guān)系，以測(cè)試井資料為基礎(chǔ)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將各種方法得到的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，最終應(yīng)用到油藏地質(zhì)模型的建立中。地質(zhì)模型的研究是后期油藏?cái)?shù)值模擬的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是研究油氣藏變化的重要手段。多維油藏滲流地質(zhì)模型(Multi-dimensional Seepage Geophysical Reservoir Modeling,MSGM)研究是集中地面地震、VSP、時(shí)頻電磁、測(cè)井、試井等多種動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，在精確的靜態(tài)模型基礎(chǔ)之上應(yīng)用多期資料約束建立動(dòng)態(tài)時(shí)變地質(zhì)模型。在地質(zhì)模型中加入地震和電磁成果作為約束，使地質(zhì)模型不只是局限于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)范疇的插值，而且還有地球物理依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

能否滿足開(kāi)發(fā)后期老油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)需求，依賴于油藏地球物理技術(shù)更進(jìn)一步發(fā)展。油藏滲流地球物理技術(shù)的提出恰逢其時(shí)，當(dāng)然其成功必將經(jīng)歷漫長(zhǎng)過(guò)程，需要從理論到實(shí)踐反復(fù)論證。本文提出的油藏滲流地球物理技術(shù)繼承了前人油藏地球物理的思想，希望在油氣生產(chǎn)階段，通過(guò)油藏滲流地球物理技術(shù)應(yīng)用，解決長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)導(dǎo)致油藏參數(shù)變化后滲流場(chǎng)重構(gòu)問(wèn)題，指導(dǎo)后續(xù)開(kāi)發(fā)井網(wǎng)調(diào)整，提高采收率。