高榮錦

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

地震巖石物理學(xué)是地震儲(chǔ)層研究和油氣檢測(cè)的理論基礎(chǔ)，是地震數(shù)據(jù)與油氣特征和儲(chǔ)集參數(shù)之間建立溝通的橋梁[1-11]。地震巖石物理特征分析是疊前AVO反演技術(shù)的基礎(chǔ)，疊前AVO反演利用疊前地震資料豐富的信息，反演出縱、橫波速度和泊松比等彈性參數(shù)，同時(shí)，反演出截距、梯度和流體因子等AVO屬性，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜油氣藏的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和油氣檢測(cè)[12-13]。但是疊前AVO反演存在多解性，需要利用實(shí)際地層的儲(chǔ)層及流體信息建立巖石物理模型進(jìn)行正演模擬，建立巖石物理模型的關(guān)鍵在于采用地層條件下的巖石物理參數(shù)[14-18]，而目前尚未有針對(duì)清水洼陷致密砂巖巖石物理特征的研究。因此，對(duì)清水洼陷深層15口井的30塊砂巖巖心樣品的彈性模量以及砂巖飽和不同性質(zhì)流體時(shí)的縱、橫波速度進(jìn)行測(cè)定，分析并總結(jié)了致密砂巖的巖石物理參數(shù)特征，制訂出該區(qū)致密砂巖疊前AVO流體因子的研究思路，利用實(shí)測(cè)的飽和水砂巖縱橫波速度關(guān)系式對(duì)Fatti流體因子經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)公式約束疊前AVO流體因子反演，有效提高了清水洼陷中深層致密砂巖油氣預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)概況

清水洼陷位于遼河坳陷西部凹陷南部，是遼河坳陷內(nèi)最大的生油氣洼陷，其沙河街組沙三段—沙一段是遼河油田致密砂巖深層油氣藏勘探的主要領(lǐng)域之一[19]。古近系沙河街組沉積時(shí)期，東側(cè)大洼斷層活動(dòng)劇烈，使得盆地快速拉張并沉陷，在清水洼陷內(nèi)沉積了巨厚的深灰色泥巖，暗色泥巖最大厚度為1 600 m(圖1)。同時(shí)，來(lái)自于東側(cè)中央凸起和西側(cè)西部凸起多支物源的扇體在洼陷中心延伸，沉積了多期、厚層的湖底扇砂體。這些致密砂巖與深灰色泥巖在縱向上形成“三明治”的良好生儲(chǔ)蓋組合關(guān)系，因此，該區(qū)具備形成巖性油氣藏的優(yōu)越條件。

圖1 大洼-海外河構(gòu)造帶綜合評(píng)價(jià)Fig.1 The comprehensive evaluation of the Dawa-Haiwaihe tectonic zone

2 巖石物理特征

2.1 砂巖縱橫波速度及彈性模量測(cè)定

致密砂巖受埋深大、成巖作用強(qiáng)的影響，儲(chǔ)層致密。據(jù)實(shí)測(cè)巖心物性資料統(tǒng)計(jì)，沙河街組3 000m以深砂巖儲(chǔ)層孔隙度為3.4%～24.7%，平均值為13.3%，滲透率為0.09～334.00 mD，平均為4.00 mD，屬于低孔、低滲儲(chǔ)層。通過(guò)宏觀巖心觀察及微觀特征相結(jié)合，清水洼陷致密砂巖主要以次生孔隙和微孔隙為主，表現(xiàn)為強(qiáng)壓實(shí)、強(qiáng)膠結(jié)、中弱溶蝕，黏土雜基含量高，滲透性差等特征。

結(jié)合致密砂巖儲(chǔ)層特征的分析，實(shí)驗(yàn)室采用13口井的30塊砂巖巖心樣品，通過(guò)測(cè)定巖石樣品在三軸應(yīng)力下的縱波溫度(Vp)、橫波速度(Vs)和密度，獲取巖樣的楊氏模量(E)、剪切模量(μ)、體積模量(K)與泊松比(σ)；在實(shí)驗(yàn)室模擬地層條件，測(cè)量不同深度下巖心樣品的縱、橫波速度和密度，確定彈性模量(表1)。

表1 干巖心彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 The test data of dry rock elastic modulus

測(cè)試結(jié)果表明：壓力對(duì)該區(qū)致密砂巖波速影響明顯，壓力增大，縱、橫波速度增高，速度隨有效壓力的變化呈乘冪函數(shù)關(guān)系；溫度對(duì)波速影響不大，在等壓條件下，溫度升高100 ℃，縱、橫速度比變化幅度小于在5%；孔隙度對(duì)波速影響明顯，波速隨孔隙度增大而減小，但由于骨架模量、孔隙類型及膠結(jié)方式的差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散分布。依據(jù)實(shí)測(cè)干巖石、飽和水巖石縱、橫波及彈性模量數(shù)據(jù)，擬合了縱橫波速度關(guān)系式，其中，飽和水致密砂巖縱橫波速度關(guān)系(泥石基線)如式(1)所示(圖2)。

圖2 飽和水巖心縱波速度與橫波速度的關(guān)系Fig.2 The relationship between p-wave velocity ands-wave velocity of rock core with saturated water

Vs=540.5+0.443Vp

(1)

式中：Vs是飽和水致密砂巖橫波速度，m/s；Vp為飽水致密砂巖縱波速度，m/s。

2.2 流體替換

巖石物理分析的重要問(wèn)題之一是流體替換，即研究巖石從飽和一種流體到飽和另一種流體，其縱、橫波速度和體積模量等參數(shù)的變化特征。Gassmann給出了從干巖石到飽和流體巖石體積模量的Gassmann方程，該方程被廣泛應(yīng)用于流體替換的計(jì)算[20-21]。

(2)

式中：Km為基質(zhì)礦物(顆粒)的無(wú)量綱化體積模量；Kdry為干巖石(骨架)的體積模量；Kf為孔隙流體的體積模量；Ksat為飽和巖石的無(wú)量綱化體積模量；φ為孔隙度，%。

圖3為清水洼陷s216井流體替換的參數(shù)變化，該井在3 167～3 180 m井段日產(chǎn)氣量為1.03×104m3/d。由圖3可知：清水洼陷致密砂巖儲(chǔ)層在飽和水、油、氣3種不同流體狀態(tài)下，縱、橫波速度變化小，密度、泊松比變化大。巖石在飽和水、油、氣時(shí)，密度、泊松比均依次減小，飽和氣儲(chǔ)層泊松比相比飽和水儲(chǔ)層泊松比值下降15%。流體替換結(jié)論為疊前AVO反演提供了可行性依據(jù)。

圖3 s216井流體替換參數(shù)變化Fig.3 The changes in fluid replacement parameters of Well s216

3 AVO正演特征分析

AVO正演模型研究是利用疊前AVO反演進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和烴類檢測(cè)的基礎(chǔ)[22-24]。在流體替換的基礎(chǔ)上，利用Zoeppritz方程對(duì)飽和不同流體的儲(chǔ)層進(jìn)行AVO正演模擬，并研究振幅隨偏移距或角度的變化規(guī)律。s216井致密砂巖儲(chǔ)層在飽和水、油、氣時(shí)，反射振幅均表現(xiàn)為隨角度增大而減小的I類AVO特征，但飽和油、氣后，反射振幅隨角度增大而減小的趨勢(shì)更明顯，含氣后振幅衰減梯度最大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，飽和氣后， 28 °入射角處振幅相比飽和水的振幅衰減率達(dá)到60%，AVO正演特征分析進(jìn)一步為疊前AVO反演提供了可行性依據(jù)。

4 AVO流體因子反演

4.1 流體因子反演

基于疊前地震資料開展的流體識(shí)別技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代[25]，目前比較常用的利用AVO反演求取流體因子的方法有：流體異常識(shí)別的LMR(Lambda-mu-rho)法、截距-斜率法(PG剖面)、識(shí)別流體組分的Russell法、流體異常識(shí)別的Fatti法。其中，F(xiàn)atti將流體因子的公式表示為縱波和橫波阻抗反射系數(shù)的加權(quán)差。

(3)

式中：ΔF為流體因子，儲(chǔ)層含水時(shí)為0，儲(chǔ)層含氣時(shí)不為0；Rp為縱波阻抗反射系數(shù)；Rs為橫波阻抗反射系數(shù)。

式(3)中的系數(shù)1.16是根據(jù)Castagna提出的縱、橫波速度經(jīng)驗(yàn)公式得到，地區(qū)適用性十分局限。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的研究區(qū)飽和水致密砂巖縱橫波速度關(guān)系，將Fatti公式改進(jìn)為適合清水洼陷致密砂巖的流體因子公式。

(4)

分別將Fatti流體因子經(jīng)驗(yàn)公式和清水洼陷致密砂巖流體因子公式代入AVO反演，并與鉆井結(jié)果對(duì)比，以檢驗(yàn)改進(jìn)的流體因子公式在清水洼陷致密砂巖流體預(yù)測(cè)中的適用性。

圖4為Fatti經(jīng)驗(yàn)公式和改進(jìn)的流體因子公式反演得到的s229井流體因子預(yù)測(cè)剖面。s229井全井段僅在3 340.0～3 376.0 m鉆遇了一套致密砂巖儲(chǔ)層，該段測(cè)井解釋為4層油層，累計(jì)厚度為11.1 m，試油日產(chǎn)油為52.2 m3/d，日產(chǎn)氣為4 592 m3/d，獲得高產(chǎn)工業(yè)性油氣流。從反演結(jié)果看，利用改進(jìn)公式反演得到的流體因子剖面在2 565～2 585 ms準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了s229井鉆遇的該套油氣層，且除該段外，其余井段均為流體因子零值區(qū)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際鉆井結(jié)果高度吻合；而利用Fatti經(jīng)驗(yàn)公式反演得到的流體因子剖面則未能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該套油氣層，剖面中的流體因子異常區(qū)為s229井鉆遇的泥巖段。Fatti經(jīng)驗(yàn)公式反演預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際鉆井結(jié)果不吻合，改進(jìn)后的流體因子公式反演預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率得到了極大提升。

圖4 s229井流體因子對(duì)比剖面Fig.4 The comparison section of fluid factor of Well s229

4.2 流體平面分布特征

在單井含油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的清水洼陷致密砂巖流體因子公式在全區(qū)范圍內(nèi)開展疊前AVO反演，并提取流體因子平面屬性，對(duì)該套致密砂巖的含油氣分布范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖5為沿s229井鉆遇的油氣層頂界面向下開50 ms時(shí)窗提取的流體因子平面屬性，該套致密砂巖的含油氣區(qū)主要集中分布在清水洼陷的中北部。

圖5 s229井油層沿層(油層頂界向下50 ms)流體因子平面屬性

地質(zhì)研究表明洼陷中心生油巖生油能力最強(qiáng)，該套致密砂巖主要物源方向在洼陷東側(cè)，來(lái)自于東側(cè)的砂體在邊界主斷層的控制下，在湖盆中心洼陷區(qū)展開并廣泛沉積。同時(shí)，洼陷在整體為向斜構(gòu)造的背景下，發(fā)育了一些低幅度的背斜構(gòu)造，這些低幅度背斜與優(yōu)質(zhì)生油巖、致密砂巖儲(chǔ)集體形成了良好的組合關(guān)系，因此，能夠成為油氣成藏的有利場(chǎng)所，是致密砂巖油氣藏勘探的主要區(qū)域(圖6)。通過(guò)對(duì)已知井與預(yù)測(cè)結(jié)果的互相印證，含油氣砂巖的有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與地質(zhì)研究結(jié)論相符，預(yù)測(cè)致密砂巖有利儲(chǔ)層分布面積約為42 km2。

圖6 清水洼陷中深層致密砂巖油氣成藏模式

根據(jù)本次反演的流體因子預(yù)測(cè)結(jié)果，在清水洼陷的東北部流體因子異常區(qū)部署了w115、w125、w128等探井及s229-36-58等開發(fā)井30余口，w128井在3 726.2～3 738.7 m井段自噴日產(chǎn)油為69.6 t/d,s229-36-58井在4 080.7～4 098.0 m井段自噴日產(chǎn)油為105.2 t/d，均獲成功，鉆井結(jié)果進(jìn)一步證明了基于該區(qū)巖石物理特征分析的流體預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

基于以上成果，自2017年起在清水洼陷東部深層沙河街組一段、二段致密砂巖儲(chǔ)層整體上報(bào)石油地質(zhì)儲(chǔ)量為2 800×104t，探索出對(duì)中深層致密砂巖油藏的流體預(yù)測(cè)手段，有力地支撐了遼河油田的千萬(wàn)噸穩(wěn)產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1) 地震巖石物理是疊前AVO反演流體預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。清水洼陷致密砂巖儲(chǔ)層含油、氣后，泊松比和密度值下降，地震道集反射振幅隨偏移距增大而減小，含氣后振幅衰減梯度最大。

(2) 以實(shí)驗(yàn)室測(cè)定致密砂巖縱、橫波速度關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)Fatti流體因子經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用于疊前AVO反演。與Fatti經(jīng)驗(yàn)公式相比，改進(jìn)的公式流體預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際鉆井含油氣性吻合程度好、精度高，為清水洼陷致密砂巖流體預(yù)測(cè)探索出了一種有效方法。