肖鵬飛

（中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103）

塔里木盆地海相縫洞型碳酸鹽巖儲層蘊(yùn)藏豐富的油氣資源，勘探開發(fā)潛力巨大[1]，隨著勘探領(lǐng)域不斷向塔河外圍、深層拓展，儲層多表現(xiàn)為“串珠”、弱不連續(xù)、雜亂等多樣化特征[2]，儲層油氣特征評價難度越來越大。地震勘探仍面臨著深層碳酸鹽巖縫洞成像難[3]、多成因類型儲集體預(yù)測與量化描述難[4]、儲層流體檢測難[5]等技術(shù)瓶頸。

流體識別技術(shù)是油氣勘探開發(fā)中需長期研究的重點(diǎn)地球物理課題。自1982年OSTRANDER[6]使用野外數(shù)據(jù)成功區(qū)分與氣有關(guān)的振幅異常以來，利用地球物理技術(shù)直接進(jìn)行儲層流體檢測得到了廣泛應(yīng)用[7]。其中，基于雙相介質(zhì)理論的地震波衰減油氣檢測技術(shù)[8]利用地層吸收性質(zhì)與巖相、孔隙度、含油氣成分等的密切關(guān)系，在中-高孔隙等有利條件下可直接預(yù)測油氣的存在[9]。AVO 屬性交匯分析技術(shù)[10]依據(jù)截距和梯度在交會圖中的不同位置，確定流體性質(zhì)。AVO 反演技術(shù)將巖石物理分析[11]與地震反演相結(jié)合[12]，在實(shí)現(xiàn)疊前彈性參數(shù)反演的基礎(chǔ)上，基于彈性參數(shù)對流體特征進(jìn)行評價[13]。頻變AVO 反演技術(shù)[14]基于多孔介質(zhì)彈性理論，將儲層流體的地震波衰減特征與AVO 特征相結(jié)合，通過定量表征地震縱、橫波速度頻散程度，實(shí)現(xiàn)儲層流體識別[15]。儲層流體因子反演技術(shù)已從簡單基于彈性參數(shù)相對變化量計(jì)算[16]，發(fā)展到基于巖石物理且具有明確意義的多孔彈性介質(zhì)流體因子反演[17]。針對深層地震資料入射角小、信噪比低等特點(diǎn)，印興耀等[18]研發(fā)了基于貝葉斯理論框架的兩項(xiàng)式彈性阻抗反演及Russell流體因子直接估算方法；劉曉晶等[19]進(jìn)一步推導(dǎo)了基于Gassmann流體項(xiàng)與剪切模量的兩項(xiàng)AVO 近似方程，提高了深部儲層流體識別方法實(shí)用性。

總體來看，基于地震資料的流體識別方法越來越多，如何將多種地震流體識別結(jié)果結(jié)合起來，并與鉆井、測井解釋結(jié)果有機(jī)統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)非均質(zhì)性油氣藏流體識別的重要途徑。針對塔河油田外圍順托、托普臺等地區(qū)深層碳酸鹽巖縫洞型儲層油氣識別困難的問題，本文從含油氣儲層的地震AVO 反射特征出發(fā)，重點(diǎn)開展了AVO 屬性分析、頻變AVO 反演、流體因子反演方法的試驗(yàn)，評價了采用單一方法識別流體的有效性。基于最小二乘方法，以測井、鉆井解釋成果（漏失、流體解釋成果）作為期望輸出數(shù)據(jù)，給3種單一地震屬性賦予不同權(quán)值，提高碳酸鹽巖縫洞儲層含油氣性識別可靠性，并將預(yù)測結(jié)果與井穩(wěn)產(chǎn)日產(chǎn)量進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)縫洞儲層流體定量識別。

1 地震地質(zhì)反射特征

研究區(qū)位于塔河外圍，油氣富集區(qū)大多分布于大型走滑斷裂帶或與之相關(guān)的次級斷裂帶附近，有利儲集空間主要由溶洞和裂縫組成的復(fù)雜縫洞體系構(gòu)成[20]。儲層原生儲集空間多已被破壞殆盡，現(xiàn)今有效儲集空間以次生儲集空間為主；油氣類型以低密度、低粘度的輕質(zhì)油-凝析油為主[21]。鉆井結(jié)果表明，斷裂帶附近的鉆井多鉆遇放空和漏失，鉆井放空漏失段在地震剖面上的地震響應(yīng)特征通常表現(xiàn)為“串珠”、弱不連續(xù)、雜亂等特征，內(nèi)幕致密碳酸鹽巖則表現(xiàn)為連續(xù)的中強(qiáng)反射特征。儲層內(nèi)部非均質(zhì)性強(qiáng)，存在橫向和縱向分段現(xiàn)象；含油氣層段多，斷裂破碎帶既是油氣疏導(dǎo)通道，又是成藏有利空間；儲層反射特征與儲層規(guī)模及含油氣關(guān)系復(fù)雜。

目前，基于疊前地震數(shù)據(jù)的流體識別方法主要基于Zoeppritz方程，包括基于AVO 屬性的定性檢測方法和基于彈性參數(shù)的定量預(yù)測方法。而以巖石物理分析為基礎(chǔ)的地震道集特征研究是提高流體識別可靠性的基礎(chǔ)。

圖1為研究區(qū)過典型井S3 的地震數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖1a為過井地震剖面，表現(xiàn)為雜亂反射特征；圖1b上部為過井底位置的地震共反射點(diǎn)道集（CRP），下部為目標(biāo)層AVO 分析曲線（藍(lán)色）及其趨勢線（紅色），表現(xiàn)為振幅隨偏移距的增大而減小的第一類AVO 特征（高阻抗含氣儲層類型）?；谠摼疁y井?dāng)?shù)據(jù)，利用Zoeppritz方程的Shuey近似式[22]分別計(jì)算不同入射角反射系數(shù)，并與20 Hz雷克子波褶積，獲得井旁道正演地震數(shù)據(jù)，如圖1c所示。圖1d為正演道集AVO 曲線（點(diǎn)線）和Zoeppritz方程的理論AVO 曲線（實(shí)線），也表現(xiàn)為第一類AVO 特征。驗(yàn)證了研究區(qū)碳酸鹽巖縫洞儲層開展地震AVO 分析與疊前地震反演的可行性。

圖1 過S3井地震剖面與正演模擬結(jié)果a井旁地震剖面；b 井旁地震道集；c正演模擬道集；d模擬道集AVO 曲線（點(diǎn)線）與理論曲線（實(shí)線）分析結(jié)果

綜合目標(biāo)區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞儲層地質(zhì)與測井信息，構(gòu)建了適合于目標(biāo)儲層特征的地震巖石物理模型[11]。利用Voigt-Reuss-Hill平均公式計(jì)算基質(zhì)等效模量，采用微分等效介質(zhì)模型（DEM）和Kuster-Toksoz（KT）模型計(jì)算干巖石等效彈性模量，利用Wood混合孔隙流體計(jì)算流體等效體積模量，利用Gassmann模型求取流體飽和巖石等效模量，計(jì)算等效介質(zhì)的縱、橫波速度，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)典型井巖石物理分析與流體替換模擬。以替換前后測井縱橫波速度、密度為基礎(chǔ)，利用Shuey近似式計(jì)算不同入射角反射系數(shù)，與20 Hz雷克子波褶積，獲得疊前地震AVO角道集，開展AVO 特征分析。圖2是井旁不同充填特征的疊前合成記錄及AVO 特征分析結(jié)果。圖2d中虛線為S1井流體替換AVO 曲線，結(jié)果表明含油氣儲層具備高截距（P）、負(fù)高梯度（G）特征，含氣與含水的截距梯度積（P×G）分別為－0.054、－0.077，差異為43%。圖2d中實(shí)線分別為S1 井、S2 井、S3井正演模擬歸一化AVO 曲線。這3口井油氣產(chǎn)量差異較大，其中S3井產(chǎn)量最高、S1井次之，S2井為油氣顯示、產(chǎn)量最低。從圖2d中的實(shí)線可以看出，截距歸一化處理后，產(chǎn)氣量越高井的梯度絕對值越大?？梢钥闯?，在研究區(qū)地質(zhì)地球物理?xiàng)l件下，現(xiàn)有疊前數(shù)據(jù)具有油氣識別的基礎(chǔ)，可用于工區(qū)內(nèi)AVO 屬性分析及地震AVO 反演。

式中：m為頻率數(shù)；n為入射角數(shù)。利用阻尼最小二乘反演方法求解（4）式，有：

式中：ε2I為對角線常數(shù)矩陣，旨在提高地震反演穩(wěn)定性?；冢?）式可以得到每一個采樣點(diǎn)處與頻率相關(guān)的AVO 屬性。

頻散AVO 反演的具體流程為：①基于疊前部分疊加道集開展時頻譜分解，獲得分頻率部分疊加地震道集數(shù)據(jù)；②選取參考頻率f0與單頻瞬時譜進(jìn)行均衡處理；③利用阻尼最小二乘算法（（5）式）求解反演方程組，計(jì)算縱波速度反射率隨頻率的偏導(dǎo)數(shù)，即縱、橫波頻散屬性。

研究區(qū)三維地震資料在奧陶系碳酸鹽巖目標(biāo)層主頻為22 Hz，頻寬8～35 Hz。基于S變換對地震數(shù)據(jù)開展單頻瞬時譜分解，共分為5個頻率，分別為8，14，20，26，32 Hz，其中參考頻率f0＝20 Hz。vS/vP依據(jù)研究區(qū)S2 井目標(biāo)層縱、橫波速度關(guān)系確定。圖4為計(jì)算誤差評價結(jié)果，其中圖4a為S2井橫縱波速度比，粉紅色直線值為0.536；圖4b為散點(diǎn)與0.536差值評價直方圖。由圖4a可以看到，橫縱波速度比在區(qū)間[0.496，0.576]內(nèi)包含了86%的數(shù)據(jù)，而由Smith近似公式（（2）式）計(jì)算得到的研究區(qū)目的層最大反射系數(shù)條件下，入射角30°時的誤差區(qū)間為[－6.2%，5.8%]，誤差范圍較低。利用以上流程及公式（4）獲得縱、橫波頻散程度屬性。

圖4 計(jì)算誤差評價結(jié)果a S2井橫縱波速度比；b 散點(diǎn)與0.536差值評價直方圖

實(shí)際工作中，巖石孔隙中流體發(fā)生變化時，引起巖石P波速度發(fā)生變化，而S波速度幾乎不受影響，所以縱波頻散效果往往更能體現(xiàn)儲層流體特征。圖5a、圖5b和圖5c、圖5d分別是S2和S9井地震剖面及其縱波頻散程度曲線，圖5e是S9井反演得到的縱波頻散屬性剖面。實(shí)鉆結(jié)果表明，S2井直井段的儲層巖屑錄井結(jié)果中油氣顯示為熒光，但未見工業(yè)氣流；S9井目的層的測井解釋為含油氣層，穩(wěn)產(chǎn)后具有商業(yè)產(chǎn)量。對比圖5a和圖5c可以看出，S2井和S9井在地震剖面上差異較小，但縱波速度頻散屬性的反演結(jié)果（圖5b，圖5d）差異較大，表明頻變AVO 反演方法能有效識別縫洞型儲層的含流體特征。

2.3 流體因子反演

圖5 S2井地震剖面（a）及其縱波頻散程度曲線（b）、S9井地震剖面（c）及其縱波頻散曲線（d）、S9井反演得到的縱波頻散屬性剖面（e）

基于疊前地震數(shù)據(jù)直接反演流體因子是定量油氣識別的重要方法。該技術(shù)避免了常規(guī)地震反演中間接計(jì)算流體因子帶來的累計(jì)誤差，降低了流體檢測的多解性[30]。劉曉晶等[19]在孔隙彈性理論的指導(dǎo)下，推導(dǎo)了Gassmann流體項(xiàng)與剪切模量等參數(shù)定量表征的兩項(xiàng)AVO 地震反射特征方程，公式如下：

其中，2

式中：ΔF/F為界面位置處的Gassmann流體項(xiàng)反射系數(shù)；γdry、γsat分別為干巖石骨架和飽和巖石的縱橫波速度比；Δμ/μ為剪切模量的反射系數(shù)。CONNOLLY[31]提出了彈性波阻抗概念，建立了疊前反射系數(shù)與彈性波阻抗之間的關(guān)系。借助這一思想，公式（6）可以寫成彈性波阻抗方程[19]：

采用WHITCOMBE[32]彈性波阻抗正則化方法，將公式（7）正則化，形成如下公式：

式中：F0、μ0分別為Gassmann孔隙流體項(xiàng)與剪切模量的平均值；A0為彈性阻抗正則化參數(shù)。從（8）式中可見，彈性阻抗IE（θ）與Gassmann流體項(xiàng)、剪切模量呈非線性關(guān)系，增加了疊前地震直接反演的難度。將式（8）線性化，兩邊取對數(shù)，得到：

式中：ln[·]表示自然對數(shù)運(yùn)算。采樣阻尼最小二乘算法求解公式（9）。雙相介質(zhì)理論與孔隙彈性理論的研究結(jié)果表明，Gassmann孔隙流體參數(shù)主要受巖石孔隙流體的影響，對流體具有較高的敏感性；剪切模量反映的是干巖石骨架的信息，不受孔隙流體影響，對流體的敏感性較差。分析可知，公式（9）中包含了與孔隙流體相關(guān)的Gassmann孔隙流體參數(shù)以及與孔隙流體無關(guān)的剪切模量。研究區(qū)中剪切模量與孔隙流體性質(zhì)無關(guān)，對干巖石骨架及巖性具有較好的指示作用。圖6是S3井的剪切模量與流體因子的測井解釋交會分析結(jié)果，不同顏色代表孔隙流體類型差異。研究區(qū)內(nèi)Gassmann流體項(xiàng)在油藏發(fā)育位置呈現(xiàn)異常低值現(xiàn)象，可以作為目標(biāo)工區(qū)的流體指示因子。

研究區(qū)三維地震資料中奧陶系目標(biāo)層地震數(shù)據(jù)能量較弱（圖7a）。在儲層段從S8井向斷裂方向?qū)嵤┝藗?cè)鉆，以進(jìn)一步評價次級斷裂帶儲層發(fā)育及油氣富集狀況。基于該數(shù)據(jù)進(jìn)行流體因子反演，反演前需要做一系列目標(biāo)處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要包括：超道集、疊前隨機(jī)噪聲衰減技術(shù)（RNA）去噪、非地表一致性校正、角道集轉(zhuǎn)換等手段。獲得的過S8井角道集如圖7b所示，其最大入射角為26°。依據(jù)公式（9）開展基于兩角度彈性阻抗的疊前地震流體因子直接反演，得到的彈性阻抗反演結(jié)果如圖7c所示，可以看到，縫洞儲層具有明顯的低阻抗特征。圖7d中S8井含油儲層發(fā)育位置的Gassmann流體項(xiàng)表現(xiàn)出異常低值，與S8井實(shí)際測井解釋結(jié)果相一致。該結(jié)果弱化了振幅異常高值對地震流體識別的影響，同時驗(yàn)證了基于兩角度彈性阻抗的疊前地震流體因子反演技術(shù)的穩(wěn)定性。

圖6 S3井測井解釋交會分析結(jié)果

圖7 過S8井流體因子反演質(zhì)量控制結(jié)果a過井地震剖面；b 過井地震道集；c過井彈性阻抗反演結(jié)果；d反演得到的流體因子F 包絡(luò)剖面

2.4 油氣綜合識別

利用不同地震屬性信息解釋復(fù)雜地質(zhì)問題時，由于觀測條件和測量精度等因素的限制，使用單一地震屬性信息參數(shù)解釋地質(zhì)現(xiàn)象往往存在多解性。多屬性綜合分析基于適合目標(biāo)區(qū)地震地質(zhì)條件的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合巖石物理分析、鉆測井、地震數(shù)據(jù)多種信息，可以減少預(yù)測的多解性，提高復(fù)雜儲層量化描述能力。本文采用基于最小二乘法的儲層期望優(yōu)化技術(shù)，利用井點(diǎn)處有效屬性的線性組合與鉆時、測井油氣解釋等鉆遇儲層期望，構(gòu)建大型超定方程組并求解。分析計(jì)算權(quán)重系數(shù)的客觀賦值對地震屬性開展敏感性分析，建立屬性與目標(biāo)預(yù)測參數(shù)的關(guān)聯(lián)，以達(dá)到屬性優(yōu)選與油氣綜合識別的目的。

對目標(biāo)區(qū)域不同屬性體，如AVO 屬性分析、頻散AVO 反演、流體因子反演等，通過線性組合得到輸出結(jié)果。由此簡化為一般數(shù)學(xué)問題，已知函數(shù)y＝φ（x），在m個點(diǎn)xi處的值yi。

表1 不同地震屬性權(quán)重系數(shù)

圖8為過S1井多屬性流體識別對比結(jié)果。S1井直井段儲層巖屑錄井油氣顯示為熒光，未見工業(yè)氣流；斜井段測井解釋為油層并順利工業(yè)建產(chǎn)。圖8a為過井地震剖面，圖8b、圖8c和圖8d分別是3種單一屬性流體識別結(jié)果，可以看出，這3種屬性對直井段、斜井段都識別為油氣異常，但對哪一段為工業(yè)建產(chǎn)段識別效果不佳。多信息儲層預(yù)測可用的地震數(shù)據(jù)量大，局部異常往往淹沒在區(qū)域背景上，還存在一些奇異值等問題，因此在數(shù)據(jù)體融合后需要對融合體進(jìn)行有效閾值判定（圖8e為融合體閾值大于0.315顯示結(jié)果）。從圖8e中可以看出，直井與斜井呈現(xiàn)明顯的油氣檢測成果差異，直井段異常弱且范圍小，斜井井底存在明顯的油氣檢測融合體高值異常，范圍也相對較大，融合數(shù)據(jù)體與工業(yè)建產(chǎn)結(jié)果一致。

圖8 過S1井多屬性流體識別結(jié)果a過井地震剖面；b AVO 屬性分析剖面；c頻散AVO 反演剖面；d流體因子反演剖面；e油氣綜合識別剖面

3 應(yīng)用效果分析

在多數(shù)據(jù)融合及閾值判定的基礎(chǔ)上，對工區(qū)每一口井位處的異常體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再以最大、最小能量之差做歸一化處理，將該結(jié)果與歸一化后的每口井穩(wěn)產(chǎn)日產(chǎn)量進(jìn)行對比分析。圖9顯示了研究區(qū)11口井歸一化穩(wěn)定日產(chǎn)量與地震綜合識別異常體積交會結(jié)果，圖中黑色圓點(diǎn)為各井對應(yīng)的歸一化日產(chǎn)量為地震綜合識別異常體積位置，可以看出，日產(chǎn)量與異常體積具有較好的正相關(guān)關(guān)系，S1C 井能量最低，隨著異常體積的增大，日產(chǎn)量快速升高，之后日產(chǎn)量增長隨異常體積增加而放緩。將這種關(guān)系用對數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，圖9中黑色曲線為擬合曲線，曲線公式為y＝48.01×log10（x＋7.7）－50.41，擬合決定系數(shù)為R2＝0.771。研究過程中，S3井的加入較大程度上決定了擬合曲線形式，但由于該井是研究區(qū)產(chǎn)量最高的一口重點(diǎn)井，因而需要引入。從擬合結(jié)果中可以看到，歸一化地震綜合識別異常體積與穩(wěn)定日產(chǎn)量具有較高的相關(guān)性。由此可進(jìn)一步證實(shí)多數(shù)據(jù)融合儲層預(yù)測結(jié)果的可靠性。

圖9 研究區(qū)11口井的歸一化穩(wěn)定日產(chǎn)量與地震綜合識別異常體積交會結(jié)果

4 結(jié)論與認(rèn)識

本文針對塔河油田外圍地區(qū)深層碳酸鹽巖縫洞儲層流體識別難題，開展了基于疊前地震反演的碳酸鹽巖縫洞儲層的流體識別應(yīng)用研究，主要結(jié)論如下。

1）研究區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖縫洞型含油氣儲層高產(chǎn)油井位置地震數(shù)據(jù)具有高截距、負(fù)高梯度特征，放空井及高氣油比井位置地震數(shù)據(jù)的截距與梯度幅值次之。不同產(chǎn)能井AVO 曲線的差異表明了基于疊前地震反演的流體識別的可行性。

2）AVO 屬性分析、頻變AVO 地震反演、疊前地震流體因子反演等單一屬性在碳酸鹽巖縫洞儲層流體識別中具有一定效果，能較好反映地下儲層油氣富集程度及空間展布范圍。研究認(rèn)為：AVO 屬性分析流體識別效果依賴于詳細(xì)的井旁道數(shù)據(jù)分析；頻散AVO 反演應(yīng)用效果的好壞取決于地震數(shù)據(jù)的頻帶寬度以及儲層縱橫波速度比分布范圍，頻帶越寬、速度比越集中，應(yīng)用效果越好；基于兩項(xiàng)式的流體因子反演能大幅度提高信噪比，反演結(jié)果與實(shí)鉆井吻合最好，是深部儲層流體識別的發(fā)展方向；基于最小二乘的油氣綜合識別能將多種流體識別結(jié)果與鉆時、油氣解釋結(jié)果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)深部儲層流體分布的半定量識別；其應(yīng)用效果提升的關(guān)鍵是找到合適的期望數(shù)據(jù)，本文將鉆時與油氣解釋作為期望數(shù)據(jù)，獲得的預(yù)測結(jié)果與穩(wěn)定日產(chǎn)量相關(guān)性較高。

從應(yīng)用結(jié)果來看，AVO 屬性分析是定性分析的基礎(chǔ)；流體因子反演能更好地識別油氣區(qū)域，是重要發(fā)展方向。同時需要基于前期實(shí)鉆與地震數(shù)據(jù)綜合分析，通過多數(shù)據(jù)融合，以提高識別可靠性。

致謝：本文研究過程中，得到中國石化石油物探技術(shù)研究院、中國石化西北石油分公司勘探開發(fā)研究院項(xiàng)目組的大力支持。本文撰寫過程中，中國石化石油物探技術(shù)研究院李弘、馬靈偉、唐金良、胡華鋒、劉嬋娟等以及中國石油大學(xué)（華東）印興耀教授給予了幫助。在此一并致謝。