韋紅,白清云,張鵬志,甄宗玉

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津 300450)

0 引言

地震油水識(shí)別方法越來(lái)越廣泛應(yīng)用于勘探開(kāi)發(fā)油田中，有關(guān)的油氣檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外研究人員利用疊前疊后地震資料研究流體檢測(cè)方面取得了很多成果。Dilay A等討論儲(chǔ)層的內(nèi)部及其頂、底的頻率譜，分析含油、水對(duì)地震波頻率的影響[1]。Stockwell R G等利用廣義S變換時(shí)頻分析法取得高精度的時(shí)頻譜[2]。Goloshubin等[3-4]和Korneev V A等[5]建立考慮流體粘滯性和彌散性的聲波方程，指導(dǎo)數(shù)值模擬，較好地描述了儲(chǔ)層流體的頻率依賴(lài)衰減特征。Korneev V A等在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上取得帶衰減的地震記錄，認(rèn)為地層含流體后出現(xiàn)地震波的低頻陰影、高頻衰減異常和雙程旅行時(shí)間延遲等等現(xiàn)象[5]。Goloshubin G等應(yīng)用地震波的低頻信息來(lái)識(shí)別孔隙介質(zhì)中的流體性質(zhì)[6]。國(guó)內(nèi)研究人員利用對(duì)流體檢測(cè)做了很多研究，并取得一些成果。盧明輝等基于雙相介質(zhì)理論進(jìn)行數(shù)值模擬，分析油、氣、水的地震波反射規(guī)律[7]。He Z H等尋找低頻伴影及其能量強(qiáng)度隨頻率變化規(guī)律以識(shí)別流體[8]。孫萬(wàn)元等研究流體參數(shù)、頻率對(duì)地震波衰減和頻散的影響規(guī)律助力識(shí)別流體[9]。胡軍輝等利用黏滯—彌散波動(dòng)方程理論進(jìn)行數(shù)值模擬，提出一種分析儲(chǔ)層主頻差、頻帶寬度差及頻譜相似系數(shù)的流體檢測(cè)方法[10]。張廣智等在角道集資料基礎(chǔ)上，基于Curvelet變換提取角度流體因子來(lái)區(qū)分流體信息[11]。黃捍東等和李紅梅通過(guò)流體敏感參數(shù)分析，進(jìn)行疊前反演，提高流體識(shí)別精度[12-13]。李相文等利用方位AVO分析技術(shù)削弱裂縫各向異性特征對(duì)油氣響應(yīng)的影響，提高油氣預(yù)測(cè)精度[14]。李燦等利用縱橫波速度比反演識(shí)別致密低滲儲(chǔ)層中的流體[15]。但該油田是開(kāi)發(fā)油田，鉆井節(jié)奏很快，需要快速較準(zhǔn)確地識(shí)別流體，幫助指導(dǎo)井位布署。由于該油田館陶組的油屬于較稠油，據(jù)文獻(xiàn)研究其衰減吸收特征在疊后地震資料上會(huì)有較明顯的特征，但是館陶組的地震分辨率低，其儲(chǔ)層特征是富砂特征，常規(guī)地震識(shí)別單砂體極困難，因此本文基于疊后地震資料的雙相介質(zhì)理論的地震波衰減理論，首先開(kāi)展了反褶積廣義S變換的時(shí)頻分析，在高精度時(shí)頻譜基礎(chǔ)上利用油、水的頻譜特征差異，提取單砂體儲(chǔ)層頂、底的頻率類(lèi)屬性，提高砂體識(shí)別精度，降低在時(shí)—空域中地震反演進(jìn)行油、水層識(shí)別的多解性。

1 流體檢測(cè)原理

1.1 反褶積廣義S變換

由于渤海S油田館陶組極其富砂的特征，要對(duì)單砂體進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別頂?shù)?，?dāng)前原始地震資料的分辨率嚴(yán)重不足。因此，需要利用適合的時(shí)頻分析方法進(jìn)行改善。時(shí)頻分析方法是進(jìn)行地震信號(hào)的譜分解，檢測(cè)頻率信息的關(guān)鍵手段。在S變換的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者分別提出幾種廣義S變換方法，它們的區(qū)別在于窗函數(shù)不同，且不滿足能量歸一化條件，隨頻率增加，窗函數(shù)幅值會(huì)快速增大，時(shí)頻分布的能量產(chǎn)生加權(quán)效應(yīng)，從而得到錯(cuò)的能量分布特征。為此，本文利用陳學(xué)華等[16-17]代入高斯窗函數(shù)的調(diào)節(jié)參數(shù)λ>0、p>0，以改變高斯窗函數(shù)隨著頻率變化趨勢(shì)，靈活分析和處理具體信號(hào)。

(1)

其中:

p(t,f)=x(T)e-i2πfT,

式中：T為高斯窗的控制時(shí)間，t為時(shí)間，f為頻率。

廣義S變換譜是高斯窗和原信號(hào)各自的Wigner-Vill分布的二維褶積，即：

WVDh(t-u,f-v)dudv

(2)

式中：WVDx、WVDh分別為原信號(hào)和高斯窗的Wigner-Vill分布。本文采用反褶積算法[18]計(jì)算廣義S變換時(shí)頻譜，即

(3)

1.2 雙相介質(zhì)理論

雙相介質(zhì)理論認(rèn)為地下介質(zhì)由固體和流體組成，且兩種相態(tài)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),并引起黏滯摩擦損耗[19]。據(jù)Biot理論，雙相介質(zhì)的波動(dòng)方程表達(dá)式為[20-22]：

(4)

式(4)中考慮流體的影響。A、N為彈性參數(shù)，Q為常數(shù)，R為量度，θ為固體相應(yīng)變，ε為流體相應(yīng)變，t為時(shí)間，ρ11為單位體積中固體相的等效質(zhì)量，u為介質(zhì)的固體位移，ρ12為單位體積流體和固體間質(zhì)量耦合系數(shù)，U為介質(zhì)的液體位移，ρ22為單位體積流體相的等效質(zhì)量，b為耗散系數(shù),與流體黏滯系數(shù)、孔隙度和滲透率參數(shù)有關(guān)。

受里奇理論的啟示，如果我們把量子力學(xué)的態(tài)迭加、坍縮現(xiàn)象引入攝影理論觀測(cè)，那么可以比較容易發(fā)現(xiàn)和理解當(dāng)代數(shù)碼攝影的量子—數(shù)碼世界觀轉(zhuǎn)向。令人驚奇的是，后現(xiàn)代理論家們?nèi)缌_蘭·巴特、雅克·德里達(dá)、讓·鮑德里亞等卓越學(xué)者，早就站在新世界觀（量子—數(shù)碼世界觀）的高點(diǎn)前瞻攝影的發(fā)展，牛頓式—傳統(tǒng)攝影理論已經(jīng)悄然向量子—數(shù)碼世界觀轉(zhuǎn)換。這也是數(shù)碼時(shí)代攝影實(shí)踐轉(zhuǎn)向的理論凝結(jié)。

(5)

式中：u0和U0為初始值，k′為復(fù)波數(shù)，k為波數(shù)，α為衰減系數(shù)，ω為圓頻率，將式(5)代入式(4)，并簡(jiǎn)化之后得到：

(6)

其中，P=A+2N。

求解該式得到：

(7)

其中：

H=P+R+2Q，

ρ=ρ11+ρ22+2ρ12，

式(7)可見(jiàn)，衰減系數(shù)與圓頻率近似成正比。式(4)為非黏彈性方程，說(shuō)明地震波的衰減是雙相介質(zhì)固有特性。而地下流體的介質(zhì)具有黏彈性，它會(huì)引起能量的衰減，使高頻能量衰減更大。

2 模型試算

通過(guò)合成信號(hào)來(lái)進(jìn)行時(shí)頻分析，并證明廣義S變換與反褶積廣義S變換的不同的效果。設(shè)合成信號(hào)為x(t)，即

本次利用廣義S變換和反褶積廣義S變換得到相應(yīng)的時(shí)頻譜(圖1)。從圖中可見(jiàn)，反褶積廣義S變換得到的時(shí)頻譜能更好地區(qū)分頻率發(fā)生突變的位置，其邊界也更清晰，也即更高的分辨率和時(shí)頻能量聚集。

圖1 廣義S變換時(shí)頻譜(a)和反褶積廣義S變換時(shí)頻譜(b)

利用雙相介質(zhì)理論進(jìn)行黏滯摩擦損耗的數(shù)值模擬(圖2)，基于反褶積廣義S時(shí)頻分析后的地震剖面能較好地體現(xiàn)含流體儲(chǔ)層在頻率域的地震波衰減特性。圖2b油層地震剖面顯示，其頂?shù)椎念l率差異較大；圖2c水層的地震剖面顯示，其頂?shù)椎念l率差異弱于油層的。

圖2 透鏡體儲(chǔ)層模型(a)及含油透鏡體(b)、含水透鏡體(c)

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 油田概況

為了證實(shí)文中方法的有效性，本次對(duì)渤海S油田館陶組的儲(chǔ)層進(jìn)行了反褶積廣義S變換時(shí)頻分析后，再進(jìn)行頻率域的儲(chǔ)層頂?shù)椎念l率差屬性進(jìn)行油水識(shí)別。

S油田的構(gòu)造是一個(gè)在古潛山背景上發(fā)育起來(lái)的被斷層復(fù)雜化的大型低幅度披覆構(gòu)造，形成于漸新世，定形于上新世末期。館陶組構(gòu)造高點(diǎn)、主體部位構(gòu)造特征與潛山構(gòu)造面貌相近。館陶組地層厚度137～459 m，極富砂，為辨狀河沉積，其中館陶組二段的主力油組為一套巨厚砂礫巖沉積，單井平均鉆遇砂巖8、9層，平均砂巖含量89%?？v向上呈砂巖夾泥巖特征，儲(chǔ)層平面分布穩(wěn)定。儲(chǔ)層巖性以中—細(xì)砂巖及粉砂巖為主；泥巖夾層的厚度約10 m，儲(chǔ)層厚度約10～26 m不等。從井震標(biāo)定結(jié)果來(lái)看，該主力油組的地震反射特征為較強(qiáng)振幅，地震同相軸較連續(xù)(見(jiàn)圖3)?，F(xiàn)有的地震資料品質(zhì)較好，主頻為40 Hz，地層平均速度為3 000 m/s，但是對(duì)于館陶組的復(fù)合疊置砂體來(lái)說(shuō)，其地震資料垂向分辨率不能準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層或泥巖夾層的頂?shù)捉缑?，且振幅受干涉影響，并不能真?shí)反映儲(chǔ)層及流體的響應(yīng)。

圖3 常規(guī)的連井地震剖面

3.2 流體識(shí)別的現(xiàn)狀

渤海S油田的館陶組的復(fù)合疊置砂體油水關(guān)系復(fù)雜，嚴(yán)重制約井位部署。如館陶組二段的主力油組1640砂體屬于典型的復(fù)合疊置砂體，地質(zhì)儲(chǔ)量較大，目前綜合調(diào)整部井10余口，但是第1口最有把握的I38P1遭遇失利，它離探井的距離僅僅300 m遠(yuǎn)，它的地震剖面與平面特征也與探井10井的非常相似(見(jiàn)圖4、5)，10井為油層，而I38P1井確鉆遇水層，兩種不同的流體類(lèi)型有相似的地震反射特征，這給后續(xù)井位部署帶來(lái)極大不確定性。

圖4 過(guò)I38P1-10井的地震剖面

據(jù)胡軍輝等[10]基于黏滯—彌散波動(dòng)方程理論，分析不同流體的黏滯系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層底的地震波形及頻譜的影響，從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，在時(shí)間域里，黏滯系數(shù)越大，儲(chǔ)層底的地震波的波形變化越明顯；在頻率域里，黏滯系數(shù)越大，儲(chǔ)層底地震波頻譜變化曲線越明顯，且曲線差異大于時(shí)間域的差異[10]。該油田的原油具有密度高、黏度高、膠質(zhì)瀝青含量高、含蠟量中等、含硫量低及凝固點(diǎn)低的特征，屬重質(zhì)稠油。因此，在該油田的流體識(shí)別方法優(yōu)選中，選取基于黏滯—彌散波動(dòng)方程理論的頻譜分析，提取儲(chǔ)層頂?shù)椎念l率信息差異，會(huì)對(duì)流體識(shí)別有較好的效果。然而由于地震分辨率低，較難準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層頂?shù)住?/p>

3.3 流體識(shí)別方法的應(yīng)用

由于該油田的油層的黏度是變化的，為了減小流體識(shí)別的多解性，本文在黏滯—彌散波動(dòng)方程理論的基礎(chǔ)上，再結(jié)合雙相介質(zhì)理論同時(shí)研究流體變化。首先進(jìn)行反褶積廣義S變換時(shí)頻分析，在頻率域，計(jì)算高頻屬性體和低頻屬性體，據(jù)雙相介質(zhì)理論，低頻吸收，高頻衰減的動(dòng)力學(xué)特征，利用已鉆井進(jìn)行反復(fù)嘗試，計(jì)算得到地震波的一個(gè)低頻體，其地震波衰減最小，振幅最大；同時(shí)計(jì)算一個(gè)高頻體，地震波衰減最大，振幅最小。再將高頻屬性體與低頻屬性體作比值，得到一個(gè)新的頻率屬性體，若含油氣，則該屬性值會(huì)變小。同時(shí)基于高頻屬性體，較清楚地識(shí)別儲(chǔ)層頂?shù)?，利用已鉆井反復(fù)計(jì)算，最終提取得到儲(chǔ)層頂?shù)椎闹黝l差異屬性，主頻差異越大，含油氣可能性越大。最后將儲(chǔ)層頂?shù)椎闹黝l差屬性值比上新的頻率屬性體得到一個(gè)最終的頻率屬性體，以此放大流體差異，本文稱(chēng)這個(gè)最終的頻率屬性體為構(gòu)建的該主力油組的流體識(shí)別因子，如式(11):

I=(fmb-fmt)/(Fh/Fl)

(11)

式中：fmb為儲(chǔ)層底的主頻，fmt為儲(chǔ)層頂?shù)闹黝l，F(xiàn)h為高頻屬性體，F(xiàn)l為低頻屬性體。

本文利用構(gòu)建的流體識(shí)別因子，首先檢驗(yàn)失利井I38P1，從圖6中可以看到，雖然I38P1井與10井距離很近，且從時(shí)間域里其地震波形相似，但是在頻率域里，通過(guò)構(gòu)建的流體識(shí)別因子—頻率屬性體里可以清楚地發(fā)現(xiàn)I38P1井的地震波的頻譜變化特征截然不同，I38P1井的流體因子顯示為弱屬性值(0～35之間)，10井的為強(qiáng)屬性值(35～55之間)，地震剖面和平面屬性均有明顯的區(qū)別(見(jiàn)圖7)，這與實(shí)鉆結(jié)果非常吻合。并且從流體識(shí)別因子的平面屬性表明，I38P1井位于一條明顯的分支河道中，與主體河道有不同的油水系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)的井位布署提供了很多幫助，并在I38P1井北邊500 m的位置布署一口水平井I38H井，并取得了成功。顯然，I38H井位在常規(guī)地震振幅屬性中(值35～55之間)也是屬于有利區(qū)域(見(jiàn)圖5)，不足以證明流體識(shí)別因子的可靠性。為此，我們?cè)诹硪豢谔骄浇际鹨豢谠u(píng)價(jià)性質(zhì)的井J56H井，若評(píng)價(jià)成功，則轉(zhuǎn)為采油水平井。鉆前分析，從常規(guī)地震剖面和平面屬性來(lái)看，該井離探井11井距離約60 m，構(gòu)造位于較高部位，著陸點(diǎn)位置儲(chǔ)層特征在常規(guī)地震剖面和平面屬性中表現(xiàn)為較弱振幅屬性(見(jiàn)圖8a，圖9a)，若著陸失敗，則進(jìn)行側(cè)鉆備選井位。而基于流體識(shí)別因子的地震剖面與平面屬性中，其儲(chǔ)層特征則表現(xiàn)為較好的地震屬性(見(jiàn)圖8b，圖9b)。最終，J56H井成功著陸并鉆遇油層，并且水平段也鉆遇80%的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。這口井的成功充分證明了，本次構(gòu)建的流體識(shí)別因子在該油田的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，為后續(xù)調(diào)整井的實(shí)施提供了巨大幫助。

圖5 主力油層的平面振幅屬性

圖6 基于流體識(shí)別因子過(guò)I38P1-10井地震剖面

圖7 基于流體識(shí)別因子平面屬性

圖8 常規(guī)地震剖面(a)與基于流體識(shí)別因子的過(guò)11-J56H井的地震剖面(b)

圖9 常規(guī)振幅平面屬性(a)與基于流體因子的平面屬性(b)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)反褶積廣義S變換在本文的時(shí)頻分析中起到了提高分辨率和頻率能量聚集的效果，適用于該油田的地震資料解釋性處理。

2)在反褶積時(shí)頻分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行雙相介質(zhì)理論的應(yīng)用，尋找到含油儲(chǔ)層和含水儲(chǔ)層的頻率衰減特征，能較好地區(qū)分流體。并且利用新鉆井的開(kāi)發(fā)井再次驗(yàn)證了本次研究的實(shí)用性，助力該油田后期10余口調(diào)整井的布署和實(shí)施。

致謝:感謝本次一起工作的流體檢測(cè)小組成員的辛勤付出，感謝專(zhuān)家和編輯部提出的寶貴意見(jiàn)。