李 鍵 胡 偉 黃 鋆

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200335)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，地震反演技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)由疊后地震反演到疊前地震反演的跨越。疊后地震反演技術(shù)如今已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且取得了較好的應(yīng)用效果，能在一定程度上預(yù)測(cè)地層巖性、物性的變化規(guī)律，但由于缺乏疊前地震數(shù)據(jù)所包含的能夠反映巖性、含油氣的AVO信息，應(yīng)用疊后反演方法很難獲得對(duì)流體敏感的泊松比、橫波速度等關(guān)鍵參數(shù)，也難以滿足儲(chǔ)層定量描述的要求[1]。1999年之后，疊前反演技術(shù)得到迅速發(fā)展，其中以彈性阻抗反演和歸一化的擴(kuò)展彈性阻抗(EEI)反演[2-3]最具代表性。通過與Zoeppritz近似式的比較，Connolly[2]率先提出了彈性波阻抗(EI)的概念，并且推導(dǎo)出了彈性阻抗公式，該公式利用不同入射角的地震疊加數(shù)據(jù)，保留了地震資料的AVO信息，使得AVO反演可行有效，彈性阻抗理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[4-7]。2002年，Whitcombe[3]對(duì)彈性阻抗公式進(jìn)行了歸一化處理，解決了Connolly彈性阻抗數(shù)值和量綱隨入射角度改變而劇烈變化的情況，使得彈性阻抗值與疊后波阻抗在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，便于兩者之間的比較。針對(duì)彈性阻抗對(duì)應(yīng)的地震反射系數(shù)可能大于1的情況，Whitcombe[8]等用正切函數(shù)替換正弦函數(shù)的方法，控制反射系數(shù)在[-1,1]之間，使得地震記錄更符合實(shí)際情況，并推導(dǎo)出了擴(kuò)展彈性阻抗方程，直接用于巖性、物性和流體的預(yù)測(cè)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多專家在彈性阻抗方面也進(jìn)行了大量研究，在勘探和開發(fā)中取得了一定成效[9-14]。

西湖凹陷平北區(qū)常規(guī)構(gòu)造油氣藏已勘探殆盡，需向構(gòu)造-巖性復(fù)合油氣藏勘探轉(zhuǎn)變。該區(qū)主力油氣層平湖組埋藏深，具有低孔低滲特征。圖1為平北區(qū)實(shí)際地層彈性參數(shù)正演模擬得到的截距、梯度與孔隙度交會(huì)圖，可以看出砂巖孔隙度約為14%，分布在弱振幅區(qū)，表現(xiàn)為Ⅱ類AVO響應(yīng)。由于砂泥巖正好處在速度轉(zhuǎn)換帶，波阻抗差異小，而含氣飽和度增大會(huì)進(jìn)一步弱化這種差異(圖2)，這也導(dǎo)致儲(chǔ)層物性、流體變化所指示的地震響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)的AVO技術(shù)、縱橫波速度比、泊松比方法都不能很好地識(shí)別流體。因此，本文提出在西湖凹陷平北區(qū)利用擴(kuò)展彈性阻抗反演進(jìn)行流體檢測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果吻合較好。

圖1 平北區(qū)地層彈性參數(shù)正演得到的截距、梯度和孔隙度交會(huì)Fig .1 Crossplot of intercept,gradient and porosity in Pingbei area

圖2 平北區(qū)典型砂巖正演地震響應(yīng)Fig .2 Seismic modeling of typical sandstone in Pingbei area

1 基于EEI反演的流體檢測(cè)技術(shù)原理

彈性阻抗反演的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程簡(jiǎn)化式。假設(shè)入射角在臨界范圍內(nèi)，Aki-Richards[15]簡(jiǎn)化式為

(1)

當(dāng)入射角為零時(shí)，反射系數(shù)為

(2)

針對(duì)入射角不為零時(shí)的反射系數(shù)，Connolly構(gòu)建了一個(gè)與聲阻抗類似的方程

(3)

式(3)中：θ為入射角；EI為彈性阻抗。

聯(lián)立式(1)和式(3)，即可得到彈性阻抗公式

(4)

式(4)中,K為相鄰層的橫縱波速度比的平方，其表達(dá)式為

(5)

彈性阻抗是縱、橫波速度、密度和入射角度的函數(shù)。由式(4)可以看到,隨著入射角的增大,求取的EI(θ)值存在急劇降低的問題，使得彈性阻抗和聲波阻抗不能對(duì)比分析，掩蓋了流體或巖性引起的彈性阻抗變化差異，不利于地層中流體或巖性的信息提取。為了解決這個(gè)問題，Whitcombe[3]對(duì)式(4)進(jìn)行了修改，使得所有角度的阻抗值都得到歸一化。歸一化后的彈性阻抗公式為

EI(θ)=

(6)

式(6)中：VP0、VS0、ρ0為常數(shù)因子，分別為地層縱波速度、橫波速度和密度的平均值。

由式(6)計(jì)算得到的彈性阻抗與聲波阻抗為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，但對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)可能大于1，這與實(shí)際地震記錄不符。Whitcombe[8]再次對(duì)方程進(jìn)行了修改，令tanχ代替sin2θ,并把反射系數(shù)乘以一個(gè)因子cosχ,得到擴(kuò)展彈性阻抗的表達(dá)式為

EEI(χ)=

式(7)解決了彈性阻抗值隨入射角急劇變化的問題，并且得到比例化的反射系數(shù)表達(dá)式為RS=Rcosχ=Acosχ+Bsinχ,其數(shù)值控制在[-1,1]之間，符合實(shí)際地震記錄的情況，可以用來(lái)進(jìn)行巖性和流體的預(yù)測(cè)。當(dāng)χ=0°時(shí)，EEI(0°)為聲波阻抗;當(dāng)χ=90°時(shí)，EEI(90°)為梯度阻抗。研究表明，隨著角度χ的變化，彈性阻抗與特定的彈性參數(shù)具有很好的相關(guān)性。因此，擴(kuò)展彈性阻抗反演的關(guān)鍵就是求取最優(yōu)流體角，從而按角度把波阻抗和梯度阻抗進(jìn)行結(jié)合來(lái)進(jìn)行巖性和流體的預(yù)測(cè)(圖3)。

圖3 巖性角、流體角旋轉(zhuǎn)示意圖Fig .3 Schematic diagram of lithologic angle and fluid angle rotation

利用擴(kuò)展彈性阻抗反演來(lái)進(jìn)行巖性或流體預(yù)測(cè)的過程與常規(guī)波阻抗反演類似，不同的是擴(kuò)展彈性阻抗反演所需要的地震數(shù)據(jù)是經(jīng)過一定處理得到的疊前入射角道集，參與層位標(biāo)定和子波估算的曲線為最優(yōu)巖性或流體角生成的EEI曲線。利用擴(kuò)展彈性阻抗反演進(jìn)行巖性或流體檢測(cè)的具體流程見圖4。

圖4 擴(kuò)展彈性阻抗反演流程圖Fig .4 Flow chart of extended elastic impedance inversion

2 在西湖凹陷平北區(qū)的應(yīng)用

研究區(qū)位于西湖凹陷平湖斜坡帶平北區(qū)中低帶，含油氣層系主要分布在始新統(tǒng)平湖組，自下而上發(fā)育辮狀河三角洲前緣、受潮汐影響的三角洲前緣及三角洲平原沉積相，古水體往復(fù)震蕩導(dǎo)致縱向上砂泥巖頻繁交互，儲(chǔ)蓋組合條件優(yōu)越。平湖組儲(chǔ)層埋藏較深，孔隙度集中分布在11.0%～16.9%，中值14.7%，平均值14.1%；滲透率集中分布在0.6～47.1 mD，中值14.9 mD，平均值18.2 mD，為低孔中滲儲(chǔ)層。平北區(qū)各探井和鄰區(qū)氣田開發(fā)井實(shí)踐表明，平湖組砂地比25%～40%，單砂體厚度10～30 m，最厚達(dá)50 m，砂體空間變化快，分布不穩(wěn)定，利于巖性圈閉發(fā)育，油氣藏呈現(xiàn)“薄、散、弱”特征。平北區(qū)平湖組儲(chǔ)層含氣后與圍巖的彈性差異較小，流體變化所指示的地震響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)方法進(jìn)行流體檢測(cè)及氣水識(shí)別十分困難。為此，在平北區(qū)利用擴(kuò)展彈性阻抗反演技術(shù)進(jìn)行了流體預(yù)測(cè)，取得了較好的應(yīng)用效果。

2.1 具體步驟

2.1.1資料處理

對(duì)疊前地震道集進(jìn)行優(yōu)化處理：地震道集不保幅會(huì)導(dǎo)致截距和梯度求取不準(zhǔn)，而隨機(jī)噪聲會(huì)引起最優(yōu)角度的旋轉(zhuǎn)，從而影響流體的預(yù)測(cè)精度。為了提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)地震資料進(jìn)行了多次波去除、真振幅恢復(fù)、地表一致性反褶積、去隨機(jī)噪音等處理。

對(duì)井資料的處理：測(cè)井曲線質(zhì)量直接影響測(cè)井資料處理與綜合解釋結(jié)果的可靠性，從而影響最優(yōu)流體角度的求取，以及降低擴(kuò)展彈性阻抗與目標(biāo)曲線的相關(guān)性，所以對(duì)工區(qū)的三口井(A井、B井、C井)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得井曲線最大限度地體現(xiàn)地層真正巖石物理響應(yīng)，顯示出巖石物理規(guī)律。

2.1.2最優(yōu)流體角的求取

首先要確定流體檢測(cè)的目標(biāo)曲線，本文選擇含水飽和度曲線作為目標(biāo)曲線進(jìn)行EEI計(jì)算。西門度、印度尼西亞含水飽和度計(jì)算公式具有泥質(zhì)導(dǎo)電影響校正，適合本地區(qū)地層特點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)比研究，本區(qū)選用西門度公式計(jì)算了含水飽和度曲線。應(yīng)用式(7)計(jì)算了-90°～90°范圍內(nèi)不同角度對(duì)應(yīng)的EEI曲線，并且分別與含水飽和度曲線進(jìn)行了相關(guān)性分析。圖5為A井EEI(χ)曲線與含水飽和度曲線的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)χ等于25°時(shí)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.93，為最優(yōu)流體角度。利用同樣的方法求取了工區(qū)另外2口井最優(yōu)流體角度為24°和27°，這3口井的最優(yōu)流體角度變化范圍小，為EEI反演進(jìn)行區(qū)域性研究提供了可能。綜合井曲線的質(zhì)量情況以及各井相關(guān)性的大小，選取25°作為整個(gè)工區(qū)平湖組的最優(yōu)流體角，基于此角度的各井相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.85以上，符合預(yù)測(cè)需求，此時(shí)求取各井的最優(yōu)流體角度χ等于25°的EEI曲線。圖6為A井EEI(25°)曲線與含水飽和度曲線對(duì)比圖，可以看到，曲線大體相似，意味著通過反演得到的EEI體進(jìn)行流體檢測(cè)是可行的。通過該井巖石物理交匯(圖7)也可以看到，EEI(25°)曲線對(duì)流體具有很好的識(shí)別效果，EEI值越小，含氣性越好。

圖5 平北區(qū)A井EEI(χ)曲線與含水飽和度曲線的相關(guān)系數(shù)Fig .5 Correlation coefficient of EEI(χ)curve and water saturation curve in Well A of Pingbei area

圖6 平北區(qū)A井EEI(25°)曲線與含水飽和度曲線對(duì)比Fig .6 Comparision of EEI(25 °)curve and water saturation curve in Well A of Pingbei area

圖7 平北區(qū)A井EEI(25°)曲線與縱橫波速度比交會(huì)圖Fig .7 Crossplot of EEI(25°)curve and VP/VS curve in Well A of Pingbei area

2.1.3計(jì)算EEI反射率體

用均方根速度把偏移距地震道集轉(zhuǎn)換成角度道集，角度范圍是3°～42°。應(yīng)用疊前角度道集結(jié)合AVO反演求取工區(qū)的截距A和梯度B，并且應(yīng)用公式REEI=Acosχ+Bsinχ計(jì)算EEI反射率體，χ為上一個(gè)步驟求取的最優(yōu)流體角。EEI反射率體等同于波阻抗反演中使用的疊后地震數(shù)據(jù)，用來(lái)進(jìn)行層位標(biāo)定、子波估算和最后的擴(kuò)展彈性阻抗體的計(jì)算。由于EEI反射率體可以認(rèn)為是截距和梯度按照一定比例的結(jié)合，壓制了巖性的地震響應(yīng)，突出了流體的響應(yīng)特征，因此可以用來(lái)進(jìn)行流體預(yù)測(cè)。

2.1.4井震標(biāo)定和子波提取

井震標(biāo)定是連接測(cè)井與地震信息的橋梁，并且標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性以及提取子波的合理性直接決定了反演的準(zhǔn)確程度，需要對(duì)目的層進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定，追求合成記錄與地震信息的最大相關(guān)度。對(duì)于多井約束的EEI反演，不僅要保持單井地震子波形態(tài)穩(wěn)定，也需要多井子波的一致性。與常規(guī)波阻抗反演不同的是，EEI反演是通過EEI曲線、EEI反射率體來(lái)進(jìn)行井震標(biāo)定和子波提取的。圖8為研究區(qū)3口井提取的子波對(duì)比圖，可以看到3個(gè)子波波形較為一致，變化穩(wěn)定，旁瓣小，運(yùn)用這3個(gè)子波求取平均子波來(lái)作為EEI反演的子波輸入。

2.1.5建模及反演

利用工區(qū)3口井計(jì)算得到的最優(yōu)流體角EEI(25°)曲線,在地質(zhì)模型的約束下采用反距離加權(quán)法進(jìn)行內(nèi)插外推，建立相應(yīng)的低頻模型。結(jié)合EEI反射率體以及平均子波進(jìn)行EEI(25°)數(shù)據(jù)體的求取。該數(shù)據(jù)體與含水飽和度具有很高的相關(guān)性，可以看作是定量預(yù)測(cè)油氣的三維數(shù)據(jù)體。

圖8 平北區(qū)3口井子波對(duì)比Fig .8 Wavelet comparison of three wells in Pingbei area

2.2 效果分析

應(yīng)用擴(kuò)展彈性阻抗反演求取了與含水飽和度相關(guān)性最好的EEI反演體，其分辨率受地震分辨率的限制。研究區(qū)目的層地震資料主頻為26 Hz，速度約為3 700 m/s，實(shí)際生產(chǎn)認(rèn)識(shí)的反演最佳分辨率窗口為λ/4～2λ/3,氣層準(zhǔn)確預(yù)測(cè)厚度約為27～74 m(由于調(diào)諧作用，雖然能夠識(shí)別到小于27 m的薄儲(chǔ)層，但預(yù)測(cè)的厚度會(huì)偏大)。圖9為工區(qū)內(nèi)垂直構(gòu)造走向的EEI連井剖面，紅色為EEI值小于8 500 (g/cm3)·(m/s)的含氣砂巖，藍(lán)色為水層、干層以及泥巖，其值大于8 500 (g/cm3)·(m/s)，這與圖7反映的巖石物理特征相一致，說明流體預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)井解釋結(jié)果吻合較好。如果排除厚度這一因素，僅從氣層能夠被識(shí)別到的角度來(lái)看，工區(qū)3口井的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果的吻合率在80%以上，預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足尋找?guī)r性油氣藏的需求。圖10為X1氣層流體與巖性平面分布圖，紅色為EEI反演預(yù)測(cè)的氣層展布范圍，黃色、藍(lán)色分別為EEI反演預(yù)測(cè)的砂巖及泥巖的展布范圍，可以看到預(yù)測(cè)氣層分布在砂巖范圍之內(nèi)，符合地質(zhì)規(guī)律，其中X1層在A井及周邊氣層較發(fā)育，而在B井和C井處無(wú)氣層響應(yīng)，符合實(shí)鉆結(jié)果。依據(jù)EEI流體反演結(jié)果，并結(jié)合劃分的巖性圈閉,指出A井西部上傾區(qū)域?yàn)闅鈱影l(fā)育的有利區(qū)域，剖面上此區(qū)域平湖組由上至下發(fā)育多套EEI流體指示因子異常的油氣層。綜合構(gòu)造、沉積、成藏規(guī)律，在此區(qū)域設(shè)計(jì)了一口探井D(圖9、10)，預(yù)測(cè)油氣層6套，實(shí)鉆油氣層5套，預(yù)測(cè)符合率為83%，并且在X1層和X2層均獲得了高產(chǎn)工業(yè)油氣流，測(cè)試?yán)塾?jì)日產(chǎn)油當(dāng)量超千立方米。

圖9 平北區(qū)EEI(25°)連井剖面 Fig .9 Cross well profile of EEI(25°) in Pingbei area

圖10 平北區(qū)X1層流體與巖性平面分布圖Fig .10 Plane distribution diagram of fluid and lithologic in X1 layer,Pingbei area

3 結(jié)論

1) 擴(kuò)展彈性阻抗反演充分利用了地質(zhì)體的彈性信息及疊前道集的振幅隨偏移距變化響應(yīng)特征，是一種深化了截距、梯度屬性分析的應(yīng)用，對(duì)巖性和流體的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)，為計(jì)算巖石彈性參數(shù)和儲(chǔ)層物性參數(shù)提供了一種新的思路。擴(kuò)展彈性阻抗反演中的最優(yōu)流體角與縱橫波速度和密度有關(guān)，對(duì)不同工區(qū)或不同深度都需重新計(jì)算最優(yōu)流體角，還要保證所有井選取角度的穩(wěn)定性，才能得到可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。

2) 西湖凹陷平北區(qū)流體變化所指示的地震響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，而擴(kuò)展彈性阻抗反演突出了流體異常，剖面上流體預(yù)測(cè)與井吻合較好，平面上的油氣展布符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)。D井的成功鉆探，驗(yàn)證了基于EEI反演的流體檢測(cè)技術(shù)在平北構(gòu)造-巖性油氣藏的勘探開發(fā)研究中的適用性。當(dāng)然，研究中也發(fā)現(xiàn)煤層或者超壓作用具有的AVO特征會(huì)造成烴類檢測(cè)異常的假象，這是擴(kuò)展彈性阻抗反演需要注意的地方。