元濤

中國(guó)石油化工股份有限公司 東北油氣分公司,長(zhǎng)春 130026

0 引言

隨著非常規(guī)油氣資源潛力被發(fā)掘，中國(guó)致密儲(chǔ)層的研究也成為繼頁(yè)巖油氣之后的熱點(diǎn)領(lǐng)域。做為未來(lái)接替常規(guī)油氣資源的致密油氣藏，具有儲(chǔ)層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要更高的預(yù)測(cè)精度，尋找具有較好孔滲條件的儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”；另外，大規(guī)模水平井和儲(chǔ)層改造技術(shù)進(jìn)一步釋放了致密薄層的產(chǎn)能，因此對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的分辨率同樣提出要求[1]。

近年來(lái)，面向復(fù)雜地區(qū)的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，越來(lái)越多地采用巖石物理分析和疊前地震反演的策略。儲(chǔ)層敏感參數(shù)的巖石物理分析結(jié)果往往隨著研究目標(biāo)的不同而存在差異，可以通過(guò)建立更加敏感的預(yù)測(cè)參數(shù)，降低反演多解性[2--9]。而更大的難點(diǎn)在于合理地提高薄層預(yù)測(cè)的分辨率。具體來(lái)說(shuō)，薄層預(yù)測(cè)的難點(diǎn)不僅是單純提高縱向分辨率，更重要的是要保持橫向精度和穩(wěn)定性。在實(shí)際工區(qū)存在橫向控制難的問(wèn)題時(shí)，如快速相變、復(fù)雜巖性等，隨機(jī)反演(或模擬)盡管具有較好的縱向分辨能力，但同時(shí)帶來(lái)了預(yù)測(cè)不確定性影響了精度。為了解決該問(wèn)題，陳美伊[10]等人提出采用等時(shí)相控反演的方法，章雄[11]等人采用了波形指示疊前地震反演方法，在分辨率控制方面采用了縱向依靠井約束，橫向依托相控約束的策略。這種附加測(cè)井、地質(zhì)等信息的方法更多地適用于成熟區(qū)域。筆者采用的疊前空變反演方法是一種確定性地反演方法。其根據(jù)貝葉斯理論，對(duì)稀疏脈沖反演的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將模型約束項(xiàng)和稀疏項(xiàng)分離，從而避免了受薄互層發(fā)育帶來(lái)的局部殘差影響全局稀疏策略的問(wèn)題。在區(qū)域研究資料不足時(shí)，采用該方法更多地挖掘地震資料中地隱含信息，獲得更多用于約束隨機(jī)反演的先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)縱向和橫向精度的雙重提升。

目前，該方法在松南斷陷龍鳳山地區(qū)進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，并配合實(shí)施了致密層巖石物理橫波估算和流體因子構(gòu)建等，最終實(shí)現(xiàn)了較好的流體預(yù)測(cè)效果。

1 疊前空變反演

通常，在解決復(fù)雜薄互層的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)問(wèn)題中，縱向分辨率的重視程度更高，往往忽略了反演過(guò)程中的橫向約束問(wèn)題。疊前空變反演方法提高了初始模型在反演迭代過(guò)程中的修正效果，改善反演結(jié)果的空間穩(wěn)定性。根據(jù)貝葉斯公式得到待反演參數(shù)的后驗(yàn)分布，將后驗(yàn)分布取對(duì)數(shù)，通過(guò)約束觀測(cè)地震數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的差值，使之達(dá)到最小，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，得到公式(1):

(1)

該目標(biāo)函數(shù)依次給出了反演迭代過(guò)程中的模型約束項(xiàng)、反射系數(shù)項(xiàng)和正則化約束項(xiàng)。其中：G是子波褶積矩陣；r是反射系數(shù)序列；K是模型矩陣；ξ是擾動(dòng)項(xiàng)；α、β和μ分別是三項(xiàng)的權(quán)值，在反演過(guò)程中人為給定。

進(jìn)一步在模型約束項(xiàng)中加入空變因子C，并進(jìn)行權(quán)值歸一化處理得到公式(2)：

(2)

式中：x和y為空間坐標(biāo)；θ為入射角度。改寫(xiě)后的公式(2)中的空變約束項(xiàng)主要用于改善初始模型，尤其是井點(diǎn)揭示了儲(chǔ)層厚度和薄互程度差異時(shí)的橫向約束效果。后兩項(xiàng)則代表了稀疏性和正則化算法。新的方法更加充分利用地震資料優(yōu)勢(shì)頻帶信息，減少了反演過(guò)程中初始模型的影響，并且補(bǔ)充了低頻模型橫向迭代修正功能。

空變因子的引入不僅改變了反演初始值，同樣還增加迭代優(yōu)化過(guò)程中的搜索向量空間。然而，對(duì)于常見(jiàn)的多元參數(shù)優(yōu)化方法來(lái)說(shuō)，只要符合搜索方向的共軛條件，就可以避免局部極值的出現(xiàn)。本文采用的是修正的Powell共軛方向優(yōu)化算法[12]。

2 致密儲(chǔ)層巖石物理分析

目前，常規(guī)疊后反演應(yīng)用較多，疊后反演運(yùn)用了縱波速度和密度計(jì)算得到的波阻抗來(lái)分析儲(chǔ)層，對(duì)于致密儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，砂體橫向變化快，砂泥巖波阻抗疊置區(qū)域多，僅僅利用疊后反演得到的信息無(wú)法滿足勘探的需要。這就使反演從疊后走向疊前，疊前反演利用橫波對(duì)流體不敏感，與縱波、密度結(jié)合起來(lái)，可以得到一系列彈性參數(shù)，可以有效地識(shí)別流體的信息。橫波速度預(yù)測(cè)是巖石物理建模的重要組成部分，它依賴于具體的巖石物理模型。因此，致密層橫波預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是選擇合適的等效介質(zhì)模型。圖1所示為針對(duì)致密層巖石構(gòu)建的體積模型，其中對(duì)于壓實(shí)影響下的儲(chǔ)層總孔隙度做了詳細(xì)分解，流體預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于有效孔隙度的正確還原。

圖1 致密巖石體積模型Fig.1 Volume model of tight rocks

針對(duì)致密砂巖的特點(diǎn)，選用適用于低孔滲條件的Xu--White模型[10]。利用該模型對(duì)巖石骨架和孔隙分組，對(duì)物性預(yù)測(cè)要求更高的致密儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，細(xì)

化有效孔隙的分類能夠較好地改善測(cè)井曲線約束效果。而且Xu--White模型可以同時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)于巖石彈性特征的3個(gè)獨(dú)立變量：縱波速度、橫波速度及密度，有利于進(jìn)行質(zhì)控。圖2右邊第三道是用擬合的方法估算的曲線，右邊第二道是Gassmann估算的曲線，右邊第一道是Xu--White模型估算的曲線，從中可以直觀看出Xu--White估算的曲線與原始曲線效果最好。

圖2 多方法估算橫波曲線對(duì)比圖Fig.2 Comparisons of multiple methods for estimating shear-wave curves

在此基礎(chǔ)上，利用巖芯在干燥狀態(tài)、飽含氣和飽含水3種狀態(tài)下的模擬，獲得這3種狀態(tài)下孔隙度、縱橫波速度及密度等幾個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)(圖3)。其中泊松比σ和拉梅常數(shù)λ區(qū)分氣砂和水砂的變化率較其他參數(shù)大，剪切模量μ對(duì)于區(qū)分砂巖和泥巖差異最為突出。

圖3 多參數(shù)敏感性對(duì)比圖Fig.3 Comparisons of multiparameter sensitivity

對(duì)3種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，提出了流體因子公式(3)：

(3)

式中：μ主要用于巖性識(shí)別；而f及σ對(duì)巖性和流體的組合更敏感。利用該流體因子，能夠有效放大致密儲(chǔ)層中有效孔隙內(nèi)流體的異常，從而提高有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的效果。

盡管利用Zoeppritz方程的近似公式，可以從疊前地震數(shù)據(jù)中直接提取地層的多種彈性參數(shù)[13--14]，但精度較低，難以實(shí)現(xiàn)有效致密儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。利用改進(jìn)的疊前反演目標(biāo)函數(shù)，即公式(2)，可以獲得縱波速度、橫波速度和密度3個(gè)彈性參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算得到流體因子，能夠?qū)崿F(xiàn)保持精度的高分辨率預(yù)測(cè)效果。

3 工區(qū)應(yīng)用

位于松遼盆地南部的龍鳳山斷陷層內(nèi)發(fā)育北正鎮(zhèn)鼻狀構(gòu)造帶，是油氣有利的聚集區(qū)。白堊系營(yíng)城組地層沉積時(shí)期，以近源、快速堆積的扇三角洲和水下扇為主，砂體受河道頻繁改道影響，單期河道砂體厚度小、分布范圍有限；儲(chǔ)層連通性差，橫向變化快，且受長(zhǎng)期壓實(shí)普遍致密化，整體預(yù)測(cè)難度較大。

地震振幅屬性一直以來(lái)被作為沉積認(rèn)識(shí)的重要依據(jù)，隨著埋深增大、儲(chǔ)層致密化等，影響疊后地震屬性的判識(shí)效果。目的層段均方根振幅屬性平面圖(圖4)顯示，工區(qū)中部的強(qiáng)振幅區(qū)域有效儲(chǔ)層厚度不大，并且不在主要的物源供給范圍內(nèi)。物性較差的薄砂巖產(chǎn)生的強(qiáng)反射使得地震振幅屬性無(wú)法判斷沉積特征和有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。利用地震隨機(jī)反演可以在一定程度上借助非彈性參數(shù)實(shí)現(xiàn)目的層巖性預(yù)測(cè)，由于對(duì)井網(wǎng)密度要求高，預(yù)測(cè)結(jié)果往往在橫向上難以保持精度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層流體的預(yù)測(cè)。

采用本文提出的致密層疊前流體因子的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)疊前高精度反演得到流體因子數(shù)據(jù)體，如圖5所示，紅黃暖色調(diào)高值表征氣砂，綠色中值表征干砂，藍(lán)白色表征泥巖。剖面上清楚地揭示了工區(qū)內(nèi)東西兩側(cè)物源供給的差異。經(jīng)區(qū)內(nèi)多口井驗(yàn)證，該反演結(jié)果與實(shí)鉆有效儲(chǔ)層厚度統(tǒng)計(jì)吻合率達(dá)84%。利用反演得到的流體因子清晰地刻畫(huà)目的層含氣砂體的展布(圖6)，符合東支水道物源供給更充足，且水道間存在薄層疊置區(qū)的沉積認(rèn)識(shí)。

圖4 目的層均方根振幅平面圖Fig.4 Plane of RMS amplitude in target layer

圖5 工區(qū)過(guò)井致密層流體因子預(yù)測(cè)剖面Fig.5 Predicton section of fluid factors in tight layer in wells of working area

圖6 目的層致密層流體因子平面圖Fig.6 Plane of fluid factor prediction in target area layer

4 結(jié)論

(1)通過(guò)空變因子的加入，進(jìn)一步提高了模型數(shù)據(jù)再反演過(guò)程中的約束效果，利用地震資料對(duì)薄層的微弱響應(yīng)來(lái)提升模型在迭代過(guò)程中的修正效果，從而實(shí)現(xiàn)井控程度不足時(shí)的反演橫向控制，并且不影響縱向分辨能力。

(2)疊前空變反演方法適用于井位分布不均勻或儲(chǔ)層橫向快速變化的地區(qū)，利用該方法可以降低目前薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)過(guò)程中對(duì)井點(diǎn)資料的依賴。

(3)利用針對(duì)致密碎屑巖儲(chǔ)層有效孔隙度低開(kāi)展的巖石物理橫波估算，具有更高的預(yù)測(cè)精度，是對(duì)該方法應(yīng)用的重要補(bǔ)充。

(4)在地震資料有限條件下，構(gòu)建更為敏感的流體因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于提升致密儲(chǔ)層中的應(yīng)用效果。