含氣地層地震波衰減特征分析

李生杰

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué))， 北京 102249;2.中國石油大學(xué)CNPC物探重點實驗室,北京 102249)

利用地震波衰減特征進行地下儲層流體性質(zhì)預(yù)測已成為近年來研究的熱點[1,2].當?shù)卣鸩ㄔ诤黧w地層中傳播時,波動能量會發(fā)生衰減[3].引起地震波能量衰減的主要因素包括地層界面散射引起的能量衰減和因地層本身(地層巖性、孔隙及其充填流體性質(zhì)等)性質(zhì)差異引起的衰減.通常將后者稱之為地層本征衰減.因地層界面散射引起的衰減[4],例如:波在地層中的微曲多次、幾何擴散等,在一定平面范圍內(nèi)其作用在橫向上變化不大.地層本征衰減是我們利用地震記錄的衰減特征進行地層孔隙流體性質(zhì)預(yù)測的主要依據(jù).

一般而言,地層中流體性質(zhì)不同,其對地震波傳播能量衰減程度不一樣,含氣地層吸收地震波能量較其它含流體地層強[5],含油水地層對地震波能量的衰減作用相對較弱.通常采用地層品質(zhì)因子來度量地層本征衰減大小.含流體地層品質(zhì)因子的大小主要與地層巖石性質(zhì)、孔滲條件以及孔隙流體性質(zhì)密切相關(guān)[6].

利用含流體地層地震記錄的衰減特征進行地層流體性質(zhì)預(yù)測主要涉及地層品質(zhì)因子(或吸收系數(shù))提取、進行衰減參數(shù)的處理和分析、應(yīng)用地震衰減參數(shù)進行地下巖石中孔隙流體識別等.由地震記錄提取品質(zhì)因子的方法主要包括譜比法、振幅衰減法、解析信號法、信號(子波、相位、頻率等)模擬法、脈沖振幅法、上升時間法以及頻率移動法等,還可通過對地震記錄進行譜分解,比較不同分量記錄中能量變化關(guān)系,預(yù)測地層孔隙流體性質(zhì).本文研究了含氣地層地震波衰減與頻率變化特征,討論了利用含氣地層地震波衰減變化率及頻率關(guān)系進行含氣地層地震識別的途徑,給出了含氣地層地震識別的有效方法.

1 地震記錄的衰減參數(shù)分析方法

對于疊后地震記錄可將其視為自激自收的一維(雙程時間)地震波傳播結(jié)果,其波動方程可表示為:

其中 U( x,ω)為平面波位移,x為平面波傳播距離,ω為角頻率,k為波數(shù).

該方程的解析解可表示為:

其中i為虛數(shù)單位.

對于雙程反射波的傳播距離增量Δx,可用地震波的傳播速度v( f)和傳播時間增量Δt表示為:

對于粘滯性介質(zhì),地震波的傳播將受到地層吸收作用.大量實驗和實際地震數(shù)據(jù)表明,地層吸收作用呈指數(shù)衰減特征,由物理因果原理可知,采用波動方程表征這種地層衰減特征需將波數(shù)中引入虛數(shù)分量,即:

其中v(ω)為在頻率為ω條件下的地震波相速度,Q為介質(zhì)的品質(zhì)因子.

為了將傳播距離轉(zhuǎn)換為時間變量 t,可定義一個相對參考頻率 ω0,該頻率對應(yīng)的速度為v(ω0).將上述復(fù)波數(shù)代入波動方程中,可得:

其中v(ω0)和v(ω)分別為地震波在參考頻率ω0和某一傳播頻率ω時的傳播速度.

上述方程中有兩個指數(shù)項,第一個指數(shù)項的作用是衰減地震波的傳播能量,第二個指數(shù)項是由于地震波傳播速度與頻率的關(guān)系而引起的相位改變項.

根據(jù)Kjartansson常品質(zhì)因子模型,地震波速度頻散關(guān)系可表示為:

當?shù)卣鸩ㄋ俣阮l散非常小的情況下,有v(ω)= v(ω0).

此時,考慮了地層吸收作用的波動方程的解可表示為:

假設(shè)地震波在時間增量Δt1的頻率響應(yīng)為:

地震波在時間增量Δt2的頻率響應(yīng)為:

不同時刻頻率響應(yīng)相除,得:

兩邊取對數(shù),可得:

通過計算傳播時間Δt前后振幅譜,確定不同頻率振幅衰減變化率k:

以及傳播時間 Δt=t2?t1,其中t1和t2分別是計算窗口(分析目的層頂—底界面)傳播時間.

根據(jù)上述計算參數(shù)可以計算得到分析窗口的品質(zhì)因子:

滑動計算窗口可以得到不同時間地層的品質(zhì)因子參數(shù).

2 數(shù)值模擬分析

由上述波動方程可知,地震波在含流體地層傳播過程中,振幅發(fā)生衰減,相位形態(tài)隨時間變化.地震波波形的變化主要取決于地下巖層的品質(zhì)因子大小,不同含流體地層的品質(zhì)因子不同,其對地震波的吸收能力有差異,品質(zhì)因子越小地層的吸收作用越強,地震波能量的衰減就越嚴重,地震波形態(tài)變化也越大,反之亦然.因此,地震波衰減參數(shù)的變化,可以反映地層孔隙流體性質(zhì)的變化.

由于地層含氣后,地層對地震波的傳播能量吸收增強(地層品質(zhì)因子減小)、地震衰減特征顯著,這為利用地震波衰減參數(shù)預(yù)測含氣地層及含氣范圍提供了物理依據(jù).實驗表明:地層對地震波的吸收作用主要取決于巖石骨架的彈性性質(zhì)、巖石的孔隙率及孔隙中含流體性質(zhì)等[7].當時巖石骨架性質(zhì)及孔隙率變化較小時,巖石中孔隙流體性質(zhì)及其分布將成為控制地震波衰減特征的主要因素.

為了分析巖石孔隙中流體性質(zhì)與地震波衰減參數(shù)變化關(guān)系,設(shè)計并模擬了含不同流體地層的地震記錄,如圖1所示.

圖1 含不同流體地震記錄數(shù)值模擬結(jié)果

地層模型由泥巖—砂巖—泥巖互層構(gòu)成,砂巖孔隙度為 22%.無衰減地震記錄的數(shù)值模擬采用彈性波動方程計算得到,實現(xiàn)過程中考慮了地震波在層間的微曲多次、球面擴散、波動模式轉(zhuǎn)換以及各類多次波等作用,計算精度較高.為了模擬地層吸收特征,在波動方程中引入了復(fù)波數(shù)項,并用地層品質(zhì)因子表征孔隙介質(zhì)對地震波能量的吸收作用.含水地層的品質(zhì)因子取為55(無量綱),含氣地層的品質(zhì)因子取為18.數(shù)值模擬結(jié)果見圖1.圖中1770至1810兩橫線條之間為含流體地層地震響應(yīng)變化時間段.

數(shù)值模擬結(jié)果表明,若將地層視作為完全彈性介質(zhì),地震波能量與實際衰減介質(zhì)(含流體地層)相比差異很大,多次波等干擾現(xiàn)象明顯.當巖石孔隙中含流體后,地震波能量衰減特征與孔隙流體類型密切相關(guān).含氣地層的地震波能量比含水地層小,兩者之間反射波能量與波形差異比較顯著.

對比含水層地震記錄頻譜與含氣層地震記錄頻譜(圖2)不難發(fā)現(xiàn),含氣層地震記錄頻譜主頻向低頻方向有一點移動,頻帶寬度明顯變窄.與含水層相比,最明顯的特征是含氣層頻譜的高頻分量衰減顯著,含氣層頻譜中高頻翼的變化斜率比較陡.

根據(jù)含氣層地震記錄頻譜變化特征,筆者認為利用含氣層地震記錄的頻譜特征,特別是高頻分量的衰減變化率,可直接進行地下含氣地層的地震識別研究.利用地震波衰減特征進行含氣層預(yù)測時,地震記錄的頻譜中高頻分量衰減速率是最為敏感的含氣性地震識別指標參數(shù).

圖2 不同狀態(tài)地層模擬記錄的頻譜特征

3 實際資料分析

為了驗證地震記錄頻譜中高頻分量衰減速率與地層含氣性關(guān)系,本文采用我國西部地區(qū)已知某氣田的實際地震記錄及鉆井信息,進行了地震衰減參數(shù)計算及頻譜特征分析.

圖3為我國西部某已知氣田過井地震記錄,沿該地震測線已實施三口鉆探井,分別為鉆探1井、鉆探5井以及鉆探7井.其中鉆探1井在第三系地層獲得工業(yè)氣流(圖中標示為氣層段部分);鉆探5井位于鉆探1井以東,相應(yīng)地層段測試結(jié)果為水層;鉆探7井位于鉆探1井與鉆探5井之間,相應(yīng)地層段測試結(jié)果為氣-水同層.根據(jù)鉆井含氣性測試結(jié)果,可將該氣藏剖面劃分為高豐度含氣區(qū)、低豐度含氣區(qū)以及飽水地層區(qū),分別對應(yīng)于鉆探1井區(qū)、鉆探7井區(qū)以及鉆探5井區(qū).該地震數(shù)據(jù)為分析含不同性質(zhì)流體地層的地震衰減特征提供了非常好的資料基礎(chǔ).

比較含氣層與含水層地震記錄波形特征可知,含氣層段地震記錄表現(xiàn)為反射雜亂、同相軸連續(xù)性很差,反射能量比較弱.與此相反,含水層段(圖中鉆探5井位置附近)地震記錄同相軸連續(xù)好,反射界面清晰、波組橫向相關(guān)性非常強,能量較強.

圖3 已知某氣田過井地震剖面

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,地震波在含不同性質(zhì)流體地層傳播過程中,其頻譜特征不同.根據(jù)實際過井地震數(shù)據(jù)及鉆井測試結(jié)果,本文分別在鉆探1井的高豐度氣藏區(qū)、鉆探7井的氣-水層段以及鉆探5井的含水層段進行了頻譜計算.計算窗口長度為650ms,不同鉆井位置的地震數(shù)據(jù)及相應(yīng)頻譜如圖4所示.

鉆探 1井的氣層段波形雜亂,能量較低,其對應(yīng)頻譜表現(xiàn)為主要波動能量集中在10～20Hz之間,主頻比較低;鉆探5井的含水層段地震記錄中波形橫向連續(xù)性比較好,能量均衡,波峰比較窄,對應(yīng)的頻譜表現(xiàn)為頻帶比較寬,8～55Hz范圍都可見有效信號,地震波能量主要在25～45Hz之間,頻譜中出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象;鉆探 7井的氣-水層段地震記錄中波形橫向連續(xù)較好,但峰-谷波形比較寬,能量適中,對應(yīng)頻譜表現(xiàn)為有效信號頻帶相對較寬,8～40Hz范圍可見有效信號,頻譜中見多峰值現(xiàn)象.

圖4 含不同流體地層實際地震記錄及其頻譜

實際地震記錄頻譜中出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象說明地震記錄頻譜特征不僅與地下巖石孔隙流體性質(zhì)相關(guān),還與地震數(shù)據(jù)采集和處理等非地層因素有關(guān).為了提高地層衰減因子與頻率關(guān)系分析精度,本文采用指數(shù)型非線性擬合方法,分別對不同地層狀態(tài)地震頻譜中高頻衰減變化率進行了擬合,結(jié)果見圖5.

含流體砂巖樣品的實驗結(jié)果表明[7],樣品吸收作用與孔隙度、流體飽和度等密切相關(guān).當巖石骨架一定時,孔隙中充入少量液體后,液體將吸附在巖石顆粒表面,使得巖石骨架剛性降低,巖石對地震波衰減作用增大.若巖石孔隙中充滿液體后,巖石完全由巖石骨架和液體構(gòu)成,此時巖石的可壓縮性較小,地震波衰減較弱.當巖石孔隙中(部分)充填天然氣后,巖石的可壓縮性顯著增強,地震波衰減劇烈.其中,波長短、頻率高的諧波分量衰減迅速,而頻率較低的分量衰減相對比較少.因此,含氣層地震記錄頻譜中主頻向低頻方向移動,頻帶范圍明顯減小;而含水層地震記錄中主頻相對比較高,頻帶比較寬.含氣層與含水層地震記錄頻譜差異可以用高頻衰減的變化率進行表征,如圖 5所示.

圖5 含不同流體地層實際地震頻譜及其衰減變化

對比含氣層與非氣層衰減變化率特征可知,兩者之間最顯著的差異是主頻與有效頻帶不同.含氣層地層主頻約在10Hz左右,頻帶寬度為6～22Hz左右,此頻帶以外主要為非氣層地震波能量.根據(jù)地震波衰減變化率與頻率關(guān)系,本文提出了利用不同頻率分量進行含氣層地震識別的方法.

該方法的基本思路如下:根據(jù)含氣層地震衰減變化率與頻率關(guān)系,確定含氣層優(yōu)勢頻率分量和非氣層參考頻率分量,通過對比兩者頻率分量的能量關(guān)系,確定含氣層在地震數(shù)據(jù)中的位置.在確定含氣層優(yōu)勢頻率分量與非氣層參考頻率分量時,注意所確定的分析頻率一定要與非氣層地震波頻率分量有所區(qū)別.地震記錄是一種非平穩(wěn)時間序列,傳統(tǒng)傅里葉變換不適合于表征某一時間的頻率與能量關(guān)系.本文采用匹配追蹤方法將地震數(shù)據(jù)進行分頻處理,得到不同頻率分量與傳播時間剖面,如圖6所示.

圖6 含氣層地震衰減預(yù)測效果

綜合分析含氣層與非氣層地震波衰減變化率與頻率變關(guān)系(圖 5)及地震數(shù)據(jù)(圖 3)的分頻處理結(jié)果(圖 6).在低頻(8Hz)分量地震剖面中,含氣層附近存在明顯的較強波動能量,非氣層段(特別是含水層)地震波的低頻能量較弱;而在相對較高頻率(25Hz)分量剖面中,含氣層段地震波能量非常弱,非氣層段橫向上地震波能量衰減變化較小.不同頻率分量剖面中地震波能量的相對關(guān)系與前述研究結(jié)果一致,根據(jù)地震衰減變化率進行地層流體性質(zhì)分析的結(jié)果與實際鉆井結(jié)果比較一致.因此,本文所述含氣層地震衰減分析方法是一種有效的地震氣層識別方法.

4 結(jié)論與認識

采用波動方程數(shù)值模擬方法,本文研究了含氣地層地震波能量衰減變化特征,與非氣層相比,含氣層地震記錄頻譜主頻向低頻方向移動,頻帶寬度明顯變窄,含氣層頻譜的高頻分量衰減顯著,高頻翼的變化斜率比較陡.因此,高頻分量衰減變化率可作為含氣性地震識別的敏感指標參數(shù).根據(jù)含氣層地震記錄頻譜衰減特征,本文提出了利用地震記錄能量-頻率關(guān)系,特別是高頻分量的衰減變化率,直接進行地下含氣地層的地震識別和預(yù)測研究方法.實際應(yīng)用結(jié)果表明,本文所述含氣層地震衰減分析方法是一種有效的地震氣層識別方法.

應(yīng)用地震衰減參數(shù)進行含氣地層預(yù)測時,需要對所研究地層的巖石孔隙特征、含流體性等因素進行基礎(chǔ)分析,確定含不同流體地層地震波衰減與頻率關(guān)系及其敏感性.在此基礎(chǔ)上利用地震波衰減變化率與頻率關(guān)系可有效識別含氣地層與非含氣層地層.本文所述方法可廣泛地應(yīng)用于天然氣藏地震預(yù)測研究工作之中.

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