李玉海 岳躍龍 李冰玲 朱梓強(qiáng) 施金伶 周春明

(①中國石油東方地球物理公司研究院大港分院；②中國石油大港油田天津儲(chǔ)氣庫分公司)

0 引 言

狹義上說地震反演是綜合應(yīng)用地震及測井資料，將缺低頻少高頻的有限帶寬的地震數(shù)據(jù)反演為寬帶波阻抗數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)常規(guī)地震資料分辨率低的缺陷[1]。隨著地質(zhì)問題的復(fù)雜化，目前地震反演技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了提高地震資料分辨率的認(rèn)識(shí)范疇，并逐漸催生出一些新的算法、技術(shù)，無論是基于疊前、疊后或者是基于時(shí)間域、深度域[2-3]、頻率域[4-5]等發(fā)展的反演方法，其本質(zhì)上都是為了更好地解決油氣勘探開發(fā)中的儲(chǔ)集層預(yù)測問題。印興耀等[6-8]基于巖石物理分析、疊前多參數(shù)計(jì)算以及彈性阻抗反演流體因子估算等方法，發(fā)展了以流體預(yù)測為目標(biāo)的疊前反演技術(shù)；曾聯(lián)波等[9]、張志讓等[10]、吳國忱等[11]考慮了方位各向異性等因素，發(fā)展了以裂縫預(yù)測為目的的反演方法；黃捍東等[12]基于非線性隨機(jī)反演理論提出了針對(duì)沉積相預(yù)測的相控反演方法，在勝利等油田取得較好應(yīng)用效果；隨著非常規(guī)油氣勘探持續(xù)深入，發(fā)展了針對(duì)致密油甜點(diǎn)預(yù)測的脆性反演、頁巖孔隙結(jié)構(gòu)反演[13]等。

隨著各油田油氣勘探對(duì)象逐漸轉(zhuǎn)向中深層(埋深大于3 500 m)，儲(chǔ)集層與非儲(chǔ)集層地震反射特征差異減小，儲(chǔ)集層巖性與流體預(yù)測難度增大，常規(guī)儲(chǔ)集層預(yù)測方法很難滿足中深層油氣勘探開發(fā)的要求。本文通過巖石物理參數(shù)測量和巖石物理分析，獲得更加真實(shí)的縱橫波速度與地質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建流體敏感識(shí)別因子，進(jìn)而應(yīng)用疊前反演，提高大港油田板橋地區(qū)優(yōu)勢儲(chǔ)集層及含油氣性預(yù)測精度。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于渤海灣盆地黃驊坳陷中北部的歧口凹陷中的板橋次凹(圖1)，由于北大港潛山構(gòu)造帶向板橋次凹傾末形成板橋斜坡，在大張坨斷層上升盤與北大港斷層之間形成中高斜坡，大張坨斷層到板橋次凹之間形成板橋低斜坡。板橋低斜坡油氣勘探主要目的層系是沙一段、沙二段，主要發(fā)育滄縣隆起物源的扇三角洲體系，儲(chǔ)集層為水下分流河道砂體，埋深3 700～4 000 m。鉆井揭示(圖2a)該區(qū)縱向上以砂泥巖薄互層沉積為主，巖相橫向變化快且疊置發(fā)育；儲(chǔ)集層埋深較大，成巖時(shí)間較早，單層厚度3～20 m，孔隙度10.8%～20%，滲透率38～135.2 mD，是典型的中-低孔、中-低滲型儲(chǔ)集層。受物性、含油氣性等影響，縱波阻抗對(duì)該區(qū)薄互層砂泥巖區(qū)分度差(圖2b)。

圖1 板橋地區(qū)構(gòu)造位置

圖2 板橋地區(qū)目的層段鉆井分析圖

2 巖石物理分析

研究區(qū)橫波測井資料匱乏，以往橫波預(yù)測主要基于理論模型，導(dǎo)致疊前反演精度不高。最新研究表明，利用樣本井巖心開展實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量，可得到精確巖石物理模型數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上估算橫波數(shù)據(jù)可有效約束疊前反演?；谏鲜鲅芯砍晒瑢?duì)研究區(qū)主要目的層沙一段優(yōu)選3口樣本井進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量和分析，其取心層段均位于該區(qū)的優(yōu)勢儲(chǔ)集層相帶，巖樣的平均密度、孔隙度和滲透率分別為2.25 g/cm3、14.41%和6.06 mD，代表該區(qū)儲(chǔ)集層的物性情況。通過實(shí)驗(yàn)測試和分析，最終獲得適合該區(qū)的橫波速度和流體敏感識(shí)別因子表達(dá)式。

2.1 實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量與分析

采用鉆樣機(jī)沿3個(gè)相互垂直的方向切割并制成φ25 mm×50 mm的圓柱體，在常溫常壓下利用超聲脈沖透射方法測量巖樣的物性參數(shù)(巖石密度、孔隙度、滲透率)和聲學(xué)參數(shù)(縱橫波速度、含水飽和度)，對(duì)巖樣測量結(jié)果進(jìn)行分析，得到巖樣的巖性、物性及含油氣性測量結(jié)論，從而校正縱橫波速度關(guān)系。

通過測量，得到不同飽和流體情況下的縱橫波速度關(guān)系模板(圖3)，可以看出，縱波速度與橫波速度之間存在線性關(guān)系，與飽水巖樣相關(guān)趨勢基本一致，飽氣巖樣縱波速度平均值低于飽水巖樣，橫波速度與飽水巖樣差異較小。分別計(jì)算出飽氣巖樣與飽水巖樣縱波速度與橫波速度相關(guān)公式，為精確估算橫波提供較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 不同飽和流體情況下的縱橫波速度交會(huì)圖

2.2 巖心驅(qū)動(dòng)下的橫波預(yù)測

疊前彈性反演需要橫波速度資料支持，而實(shí)際生產(chǎn)中往往缺少橫波測井資料，這就需要在反演前進(jìn)行橫波速度預(yù)測。常用的橫波速度預(yù)測方法主要有兩種：一是經(jīng)驗(yàn)公式法，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試或者全波列測井獲得的縱、橫波速度，與孔滲飽參數(shù)交會(huì)統(tǒng)計(jì)，建立橫波速度與縱波速度、泥質(zhì)含量、孔隙度等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，其中包括Castagna[14]泥巖趨勢線、 Greenberg-Castagna[15]砂泥巖公式、Smith[16]趨勢線等；二是理論模型法，在業(yè)界認(rèn)可的理論方程的基礎(chǔ)上，利用已知礦物成分、礦物含量、孔隙度、流體類別、流體飽和度、實(shí)測縱波速度等巖石信息估算得到巖石的橫波速度，針對(duì)砂巖儲(chǔ)集層，應(yīng)用Xu-White[17-18]混合介質(zhì)速度模型計(jì)算橫波速度，綜合考慮巖石孔隙度、黏土含量等因素估算聲波速度，將泥巖和砂巖的孔隙幾何形狀和面孔率的差異等效于黏土成分含量、孔隙壓力、膠結(jié)物等因素對(duì)聲波速度的影響，該方法必須具備一定假設(shè)前提條件，并且需要提前獲得準(zhǔn)確的干巖、基質(zhì)、孔隙、流體、密度等參數(shù)，橫波預(yù)測精度與上述參數(shù)的可靠程度密不可分。

在沒有全波列聲波測井的條件下，橫波資料通常依據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。由于理論公式多為實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果，未考慮到地質(zhì)環(huán)境影響，與實(shí)際數(shù)據(jù)差異較大，依據(jù)理論公式計(jì)算得到的橫波速度進(jìn)行疊前反演，儲(chǔ)集層預(yù)測結(jié)果與實(shí)際鉆探結(jié)果誤差較大。本次研究發(fā)現(xiàn)巖心測量與理論公式預(yù)測結(jié)果在飽氣飽水下橫波速度計(jì)算結(jié)果存在一定差異(圖4)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理測量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際測井資料相結(jié)合，可得到較為準(zhǔn)確的橫波速度。

圖4 巖心測量與理論公式預(yù)測橫波對(duì)比

利用不同的橫波預(yù)測結(jié)果計(jì)算含水飽和度，并與測井解釋結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果顯示巖心測量計(jì)算的含水飽和度結(jié)果較接近實(shí)際測井解釋數(shù)據(jù)(圖5)，在此基礎(chǔ)上開展疊前流體檢測精度將會(huì)更高。

2.3 儲(chǔ)集層敏感參數(shù)分析

在巖石物理精確分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究儲(chǔ)集層巖性、物性及含油氣性規(guī)律，優(yōu)選或重構(gòu)儲(chǔ)集層敏感因子，對(duì)速度、密度和孔隙度、含水飽和度及彈性模量按照不同巖性及所填充的流體進(jìn)行系統(tǒng)分析。依靠統(tǒng)計(jì)直方圖和多屬性交會(huì)圖，先用自然電位、自然伽馬及泥質(zhì)含量等曲線劃分砂泥巖界限，再根據(jù)電阻率、孔隙度及含水飽和度曲線確定流體類別，最后按照飽和流體類別進(jìn)行巖性及流體敏感參數(shù)分析。

建立多種流體參數(shù)與彈性參數(shù)交會(huì)分析，確定各彈性參數(shù)與流體敏感屬性相關(guān)性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為縱橫波速度比、拉梅系數(shù)、泊松比能較好地識(shí)別含油砂巖(圖6)，但是每種彈性模量在不同流體之間仍有部分疊置，流體邊界識(shí)別不夠精確。

為提高儲(chǔ)集層流體識(shí)別精度，依據(jù)巖石物理測量數(shù)據(jù)模型，在彈性公式上進(jìn)一步推導(dǎo)出流體敏感識(shí)別因子(F)[19]：

圖5 估算橫波預(yù)測流體效果圖

圖6 巖性及流體敏感參數(shù)分析

(1)

式中：ρ、α、β分別為密度、縱波速度和橫波速度，Zp、Zs、γdry分別為縱波阻抗、橫波阻抗、干巖石的縱橫波速度比。

對(duì)流體敏感識(shí)別因子表達(dá)式進(jìn)行微分計(jì)算，獲得流體敏感識(shí)別因子反射系數(shù)(RF)與縱波速度反射系數(shù)(Rα)、橫波速度反射系數(shù)(Rβ)、密度反射系數(shù)(Rd)之間的關(guān)系式：

(2)

利用公式(2)將Aki-Richards近似式[20]重新整理可得包含該因子(RF)、剪切模量(Rμ)與密度反射系數(shù)(Rd)形式的AVO反射系數(shù)近似式：

(3)

上式集成體現(xiàn)了Russell等[19]研究成果：識(shí)別因子、巖性指示因子及密度優(yōu)點(diǎn)，突出表征了由于儲(chǔ)集層變化造成的巖石地球物理參數(shù)敏感程度變化。

利用雙流體參數(shù)介質(zhì)模型(表1)對(duì)因子進(jìn)行測試，分別采用Zeoppritz、Aki-Richards、Smith-Gidlow、AVO近似式(F)計(jì)算飽氣儲(chǔ)集層與飽水儲(chǔ)集層雙層模型界面反射系數(shù)和相對(duì)誤差(圖7)。

計(jì)算結(jié)果顯示：θ<30°(圖7a)，AVO反射系數(shù)近似式結(jié)果能夠很好逼近Zeoppritz、Aki-Richards方程計(jì)算的結(jié)果，AVO反射系數(shù)近似式、Aki-Richards與Zeoppritz計(jì)算的結(jié)果最大相對(duì)誤差均小于10-4；θ<45°(圖7b)，AVO反射系數(shù)近似式與Aki-Richards計(jì)算的反射系數(shù)與Zeoppritz之間的誤差隨著角度增加逐漸增加，其相對(duì)誤差比Aki-Richards方程計(jì)算反射系數(shù)的誤差略大些。

表1 飽氣儲(chǔ)集層與飽水儲(chǔ)集層雙層模型彈性參數(shù)

由于本次研究板橋斜坡中深層沙河街組地層入射角范圍均小于40°，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以應(yīng)用表達(dá)式直接反演出流體敏感因子，提高流體識(shí)別能力。

通過對(duì)實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的不同流體的流體敏感因子與泊松比的流體識(shí)別能力對(duì)比(圖8)發(fā)現(xiàn)：泊松比在油氣邊界混疊較小，而在油水邊界混疊較多；流體敏感因子在油氣、油水邊界混疊均較??；流體敏感因子在油氣水識(shí)別上均高于泊松比。因此，在實(shí)際工作中應(yīng)用基于巖心驅(qū)動(dòng)的流體敏感因子進(jìn)行反演有利于提高油氣預(yù)測精度。

圖7 雙層模型界面的反射系數(shù)和相對(duì)誤差

圖8 不同巖性不同流體泊松比與敏感因子統(tǒng)計(jì)對(duì)比

3 疊前地震道集預(yù)處理

疊前彈性反演的一個(gè)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是疊前地震道集，其質(zhì)量好壞限制反演預(yù)測成果的準(zhǔn)確性。AVO正演方法是檢驗(yàn)疊前道集的有效工具，應(yīng)用 AVO正演模擬地震響應(yīng)，分析主要目的層AVO異常類型，可以從實(shí)際的地震記錄中直接定性判別巖性和油氣，也可以作為檢驗(yàn)疊前道集質(zhì)量的重要工具。疊前彈性反演存在多解性問題，對(duì)目的層儲(chǔ)集層巖性和流體特征進(jìn)行分類精細(xì)研究，可以提高預(yù)測準(zhǔn)確性和精確度。

優(yōu)選典型含油氣測井進(jìn)行AVA正演疊前合成地震角道集，在含油層段按照不同入射角提取地震振幅屬性，結(jié)果顯示含油層段振幅均為正值，并隨著入射角的增大逐漸減小，屬于Ⅰ類AVA異常；在井旁選取實(shí)際處理入射角道集進(jìn)行AVA異常對(duì)比分析，將入射角分為0～12°、10°～22°、20°～30°三部分進(jìn)行疊加，得到近、中、遠(yuǎn)三個(gè)部分角度疊加數(shù)據(jù)，同樣按照入射角提取振幅屬性，結(jié)果顯示近、中角度部分疊加與AVA正演結(jié)果基本一致，遠(yuǎn)角度部分疊加與AVA正演結(jié)果誤差稍大，分析原因是遠(yuǎn)角度道集的信噪比偏低造成(圖9)。根據(jù)AVA正演分析結(jié)果將處理的入射角道集分成近、中、遠(yuǎn)三組進(jìn)行部分疊加。

圖9 部分角度疊加與AVA正演分析

4 巖心驅(qū)動(dòng)的疊前彈性參數(shù)反演

通過巖心測量數(shù)據(jù)約束的巖石物理分析得到儲(chǔ)集層敏感參數(shù)，疊前地震響應(yīng)分析明確AVO異常類別，在此基礎(chǔ)上為了更加真實(shí)地表征儲(chǔ)集層，應(yīng)用疊前彈性參數(shù)反演開展儲(chǔ)集層巖性及流體預(yù)測研究，通過計(jì)算疊前彈性參數(shù)，解決預(yù)測有利儲(chǔ)集空間分布和含油氣性預(yù)測問題。

4.1 反演原理

疊前彈性參數(shù)反演本質(zhì)上是疊前AVO技術(shù)的延伸[20]，其基本原理是：給定若干組角度道集和對(duì)應(yīng)每個(gè)角度道集的地震子波，利用測井?dāng)?shù)據(jù)最優(yōu)擬合出的K和M值，設(shè)定初始值；利用Zeoppritz近似表達(dá)式求解方程組，在頻率域中與低頻模型合成反演絕對(duì)值，計(jì)算得到儲(chǔ)集層的縱波速度α、橫波速度β、密度ρ三個(gè)數(shù)據(jù)體，進(jìn)而通過彈性公式計(jì)算巖石的縱橫波速度比α/β、泊松比υ、拉梅系數(shù)λL、剪切模量Rμ等彈性參數(shù)，疊前彈性參數(shù)反演在反演過程中建立了縱波阻抗、橫波阻抗和密度之間符合地質(zhì)規(guī)律的相互約束關(guān)系[2]。巖心驅(qū)動(dòng)的流體敏感因子反演是在常規(guī)彈性波阻抗反演基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了對(duì)儲(chǔ)集層流體識(shí)別能力的算法改進(jìn)，可直接獲得流體敏感識(shí)別因子，從而降低因間接計(jì)算產(chǎn)生的誤差累積，進(jìn)一步提高流體預(yù)測精度。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中先將疊前地震道集進(jìn)行優(yōu)化處理，并按照入射角進(jìn)行分組，分為近、中、遠(yuǎn)三個(gè)角度疊加數(shù)據(jù)，在AVA域?qū)⒚恳粋€(gè)角度疊加地震數(shù)據(jù)分別與測井曲線作標(biāo)定估算其子波，然后結(jié)合巖心驅(qū)動(dòng)下的流體敏感因子公式直接反演出縱波阻抗(Vp)、橫波阻抗(Vs)、密度及敏感因子(F)等參數(shù)三維數(shù)據(jù)體。與常規(guī)彈性參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖10)，已鉆A、B井為產(chǎn)油井，縱波阻抗剖面(圖10a)油水界面不清楚，敏感因子剖面(圖10b)清晰地分辨出儲(chǔ)集層油水邊界，據(jù)此可以認(rèn)為敏感流體識(shí)別因子(F)反演成果相對(duì)其他彈性參數(shù)有更高流體識(shí)別能力。

圖10 疊前彈性參數(shù)反演剖面效果

5 應(yīng)用效果

通過基于巖心實(shí)測數(shù)據(jù)約束的疊前彈性反演儲(chǔ)集層預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了板橋低斜坡沙河街組儲(chǔ)集層的含油氣性檢測?；诰礁穹鶎傩缘膬?chǔ)集層預(yù)測(圖11)與板橋?yàn)IⅠ油氣檢測圖(圖12)相對(duì)比，振幅屬性能夠宏觀刻畫砂體由物源方向自北向南發(fā)育的宏觀形態(tài)，但是對(duì)于優(yōu)勢儲(chǔ)集層和含油氣性的刻畫與已鉆井吻合度較差。文中所應(yīng)用的方法相對(duì)準(zhǔn)確地刻畫了含油氣區(qū)域，實(shí)際鉆井證實(shí)含油氣性預(yù)測準(zhǔn)確率在80%以上。經(jīng)鉆探可知，BS 37井獲百噸高產(chǎn)油氣流，BS 1502等6口井獲工業(yè)油氣流，板橋低斜坡沙一段巖性油氣藏獲得新發(fā)現(xiàn)，新增儲(chǔ)量千萬噸，證實(shí)儲(chǔ)集層流體檢測方法的可靠性，對(duì)類似地區(qū)巖性油氣藏流體預(yù)測具有一定的借鑒作用。

圖11 板橋斜坡濱Ⅰ振幅屬性儲(chǔ)集層預(yù)測

圖12 板橋斜坡濱Ⅰ油氣檢測平面圖

6 結(jié) 論

通過對(duì)大港油田板橋斜坡中深層扇三角洲開展基于巖心實(shí)測數(shù)據(jù)約束的疊前彈性反演儲(chǔ)集層預(yù)測與流體檢測技術(shù)研究，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)針對(duì)中深層儲(chǔ)集層和非儲(chǔ)集層地震響應(yīng)差異小的問題，應(yīng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建符合實(shí)際地下地質(zhì)條件的巖石物理模型，準(zhǔn)確計(jì)算彈性參數(shù)，井震結(jié)合優(yōu)選儲(chǔ)集層敏感參數(shù)，為后期疊前彈性反演奠定可靠的資料基礎(chǔ)。

(2)巖石物理分析是制約疊前反演關(guān)鍵因素之一，與理論公式比較，實(shí)際巖心測量可獲得符合實(shí)際地下巖石物理關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，精確預(yù)測橫波速度，直接提取儲(chǔ)集層流體敏感因子，提高疊前反演結(jié)果預(yù)測可靠性。

(3)針對(duì)儲(chǔ)集層薄、橫向變化大、油藏關(guān)系復(fù)雜等問題，在前期巖石物理分析的指導(dǎo)下，應(yīng)用疊前彈性參數(shù)反演開展巖性與流體預(yù)測，獲得儲(chǔ)集層巖性及流體敏感參數(shù)，并直接反演出敏感因子，降低多次計(jì)算的累計(jì)誤差，提高油氣識(shí)別能力，為地質(zhì)目標(biāo)研究及井位部署提供更可靠的依據(jù)。