薄儲(chǔ)層（體）含油氣性識(shí)別的HFC技術(shù)及其應(yīng)用研究

郭見樂，唐文榜，李宗杰，佟鳳芝，趙文龍，姜華方

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院，山東東營(yíng) 257100；2.北京軟島科技有限公司，北京 100083；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊 830011；4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田公司物探研究院，河北任丘 062552）

我國(guó)油氣勘探開發(fā)已進(jìn)入到隱蔽性油氣藏和巖性油氣藏階段，非常規(guī)油氣藏的勘探也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。這些類型的油氣儲(chǔ)集層（體）具有厚度?。ㄐ∮?／4波長(zhǎng)）、規(guī)模?。M向尺度幾十米至數(shù)百米）等特點(diǎn)，要預(yù)測(cè)其含油氣性，難度很大。

已有的各種疊后反演、疊前反演以及振幅、頻率、相位、波形等地震屬性分析技術(shù)雖然在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和油氣識(shí)別中取得了一定效果，但是在薄儲(chǔ)層研究方面的應(yīng)用還存在各自的局限性。疊后波阻抗反演是一種比較成熟的技術(shù)，但其反演結(jié)果的分辨能力依賴于反射波主頻高低和頻帶寬度。同樣地，振幅、頻率、相位、波形等地震屬性的分辨率也受到反射波主頻和帶寬的限制，不能滿足薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的要求。

疊前彈性參數(shù)反演（AVO，AVA 等）能夠求取P（截距）、G（梯度）、流體因子、Δσ（相對(duì)泊松比），以及λ，μ，ρ等彈性參數(shù)及其組合，給利用這些彈性參數(shù)識(shí)別儲(chǔ)層（體）含油氣性帶來希望。但是，需要特別指出的是，疊前彈性參數(shù)反演的理論基礎(chǔ)是佐普利茲方程（Zoeppritz's equations），而佐普利茲方程描述的是單界面斜入射的地震波與其在界面產(chǎn)生的反射縱波、反射橫波、透射縱波、透射橫波之間的振幅關(guān)系［1］。如果對(duì)單界面反射波按照佐普利茲方程及其近似解進(jìn)行反演，可以得到介質(zhì)的彈性參數(shù)（或其近似值）。但是，對(duì)于厚度小于和遠(yuǎn)小于1／4波長(zhǎng)的薄層，由于其反射波是頂面和底面反射縱、橫波，以及頂、底面之間多次反射及其轉(zhuǎn)換波疊加形成的復(fù)合反射波，按照佐普利茲方程求解出來的彈性參數(shù)是否為薄層的彈性參數(shù)值得懷疑。從這個(gè)意義上看，基于佐普利茲方程的疊前反演（AVO，AVA）技術(shù)進(jìn)行薄儲(chǔ)層（體）反演，存在應(yīng)用條件不滿足的問題。

近年來發(fā)展起來的分頻技術(shù)利用時(shí)頻域地震屬性研究?jī)?chǔ)層，識(shí)別其含油氣性。但這種技術(shù)往往使用單個(gè)屬性，而且需賦予單個(gè)屬性特定的地質(zhì)含義。如將高頻成分的振幅隨頻率的變化率稱為“衰減梯度”，將高頻段能量與全頻段能量之比稱為“擬吸收系數(shù)”，將低頻強(qiáng)振幅簡(jiǎn)單地解釋為儲(chǔ)層因孔隙度加大和含油氣而使高頻成分被吸收所致，等等，并利用這些屬性對(duì)儲(chǔ)層的含油氣性進(jìn)行識(shí)別［2－10］。實(shí)際上，時(shí)頻域單一屬性分析結(jié)果不可避免地存在多解性，其與地質(zhì)含義之間的關(guān)系也存在不確定性，用于辨識(shí)薄儲(chǔ)層（體）及其含油氣性具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

不同于已有的時(shí)頻分解技術(shù)，瞬時(shí)諧頻特征（Harmonic Frequencies Characters，HFC）分析技術(shù)利用反射波頻譜特征的變化和差異來辨識(shí)薄儲(chǔ)層（體）含油氣性［11－12］。首先通過分析多個(gè)樣本井含油氣水的層段井旁道的頻譜，尋求頻譜差異與含油氣水的相關(guān)關(guān)系；然后利用不同頻率諧波的振幅（能量）、相位以及高頻振幅隨頻率的變化率等敏感屬性描述頻譜的差異；最后通過這些敏感屬性的交會(huì)分析結(jié)果來實(shí)現(xiàn)薄儲(chǔ)層（體）含油氣性的識(shí)別。

HFC技術(shù)不是進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)屬性分析，而是選擇一些敏感屬性進(jìn)行交會(huì)分析。選擇這些屬性的依據(jù)不是人們賦予的特定“地質(zhì)含義”，而是可以描述頻譜差異的屬性的數(shù)學(xué)特性。換句話說，HFC技術(shù)利用的時(shí)頻域?qū)傩詢H有數(shù)學(xué)物理意義，而沒有特定的地質(zhì)含義。由于極少或不使用單個(gè)屬性，HFC技術(shù)既可以消除單一屬性分析結(jié)果的多解性，又可避免地質(zhì)含義解譯的不確定性，從而提高含油氣性識(shí)別的準(zhǔn)確率。

1 分頻技術(shù)的局限性分析

常用的分頻技術(shù)應(yīng)用往往局限于單個(gè)屬性（參數(shù)），同時(shí)需特別賦予單個(gè)屬性一定的地質(zhì)含義，如將低頻強(qiáng)振幅、低頻陰影、衰減梯度和擬吸收系數(shù)等，與儲(chǔ)層孔隙度及含油氣性變化聯(lián)系起來。單一屬性分析結(jié)果不可避免地存在多解性，從而使辨識(shí)薄儲(chǔ)層及其含油氣性的準(zhǔn)確性受到較大影響。例如薄儲(chǔ)層的巖石成分、巖層壓力、巖石孔隙裂隙、孔隙裂隙流體性質(zhì)或者單相、雙相、多相介質(zhì)變化等，都會(huì)影響巖石的速度、密度變化，也會(huì)影響穿過其中的地震波的頻率變化；而速度、密度的變化加上薄層厚度的變化，會(huì)使薄層頂、底面反射系數(shù)和薄層反射時(shí)間厚度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致薄層反射波不同頻率振幅的變化和振幅隨頻率的變化（圖1）。因此，僅僅利用薄層反射波振幅的變化及振幅隨頻率的變化，有可能解譯出多種地質(zhì)特征的變化。

圖2給出了不同厚度薄層模型的超聲波反射記錄、正演合成記錄［11－12］及其振幅譜?？梢钥闯觯雍穸鹊淖兓丝梢砸鸱瓷洳ǖ恼穹兓?，還可以導(dǎo)致高頻信號(hào)振幅的變化率（即衰減梯度，圖中虛線所示）、主頻和頻帶寬度（點(diǎn)虛線）發(fā)生變化。注意，這些變化僅僅是薄層厚度的變化所致，并不是薄層孔隙、裂隙度的變化或含油氣性（雙相介質(zhì)）的變化引起。

上述現(xiàn)象提示我們，多個(gè)地質(zhì)因素變化可以產(chǎn)生同一個(gè)物理屬性的變化，同一地質(zhì)因素變化可以導(dǎo)致多種物理屬性的變化。換句話說，同一個(gè)物理屬性的變化可以解譯為多個(gè)地質(zhì)因素所引起，物理屬性與薄儲(chǔ)層（體）的地質(zhì)屬性之間的關(guān)系具有不確定性，利用單一屬性進(jìn)行地質(zhì)解釋具有多解性。因此，將某一時(shí)頻域?qū)傩怨谝蕴囟ǖ牡刭|(zhì)含義并用其作為判別儲(chǔ)層（體）含油氣性的標(biāo)志，可能會(huì)帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2 HFC流體識(shí)別與預(yù)測(cè)基礎(chǔ)

2.1 HFC技術(shù)的提出

儲(chǔ)層，特別是薄儲(chǔ)層（體），當(dāng)其物性、巖性發(fā)生變化，且含有不同性質(zhì)的流體時(shí)，其地震響應(yīng)特征會(huì)發(fā)生變化。相應(yīng)地，其頻率響應(yīng)特征也會(huì)發(fā)生變化，亦即其頻譜會(huì)發(fā)生變化。HFC 技術(shù)利用了薄層的調(diào)諧特征、相位特征和高頻振幅隨頻率變化的特征，進(jìn)行薄儲(chǔ)層（體）的含油氣性識(shí)別。

2.1.1 薄層的調(diào)諧效應(yīng)

利用薄層反射波的調(diào)諧效應(yīng)，可以確定儲(chǔ)層（體）的時(shí)間厚度變化，從而檢測(cè)薄儲(chǔ)層（體）的時(shí)間厚度的橫向變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)儲(chǔ)層巖性、物性變化。

時(shí)間厚度的變化，可以由儲(chǔ)層厚度變化所致，也可以由儲(chǔ)層巖性、物性變化所致，比如，儲(chǔ)層速度降低可以引起時(shí)間厚度增大。當(dāng)然，儲(chǔ)層速度降低也同時(shí)使界面反射系數(shù)發(fā)生變化。

2.1.2 薄層的相位變化特征

利用反射波的相位變化可以提高界面定位的精度，確定非規(guī)則儲(chǔ)集層（體）的邊界和形態(tài)的變化，從而可以檢測(cè)諸如碳酸鹽巖生物礁、礁灘型儲(chǔ)集體、火山巖儲(chǔ)集體以及與尖滅等有關(guān)的非規(guī)則、非均質(zhì)儲(chǔ)集體。

2.1.3 高頻振幅隨頻率變化（衰減梯度）的特征

一般認(rèn)為，薄儲(chǔ)層（體）的巖石性質(zhì)（如孔隙度）及其含流體性質(zhì)的變化可以使巖石的吸收衰減特性和速度發(fā)生變化。由于薄層復(fù)合反射波中包含有穿過儲(chǔ)層、在下界面形成的反射波，帶來了可能的儲(chǔ)層吸收衰減特性和速度變化信息，因此為研究?jī)?chǔ)層的含油氣性提供了可能。當(dāng)然也要特別注意，薄層的時(shí)間厚度變化也可能引起高頻振幅變化率（衰減梯度）的變化，而時(shí)間厚度的變化則可能由多種地質(zhì)因素變化所致。

2.2 薄儲(chǔ)層含油氣識(shí)別模式的建立

薄儲(chǔ)層（體）的類型、巖性／物性、含流體性質(zhì)的差異會(huì)引起反射波頻譜特征的變化，如果能夠找到反射波頻譜變化與含流體性質(zhì)的關(guān)系，就可以根據(jù)頻譜的差異來判識(shí)流體的性質(zhì)，即識(shí)別儲(chǔ)層含油氣性。

因此，HFC流體識(shí)別研究的基礎(chǔ)，就是以已知井的產(chǎn)層情況為樣本，對(duì)多口井井旁道產(chǎn)層段的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，獲得儲(chǔ)層中已知含油氣水層段的頻譜特征及其變化規(guī)律，建立油氣水識(shí)別模式。在勘探階段井資料較少時(shí)，可以建立概念模式；在開發(fā)階段，可以利用更多的井資料建立較準(zhǔn)確的模式。利用這些模式可以定位儲(chǔ)層，識(shí)別油氣。

2.3 頻譜特征及其變化的描述

可以用于描述頻譜特征的時(shí)頻域?qū)傩灾饕ㄕ穹?、相位類、頻率類、能量類、振幅隨頻率變化類等，如表1所示。

表1 時(shí)頻域主要屬性（參數(shù)）

2.4 多屬性交會(huì)分析和薄儲(chǔ)層含油氣性識(shí)別

利用表1列出的多種屬性（參數(shù)）的數(shù)學(xué)特征，可以較準(zhǔn)確地描述薄儲(chǔ)層反射波頻譜特征及其在時(shí)間域中的變化。由于描述頻譜特征及其變化的目的是對(duì)儲(chǔ)層中的流體性質(zhì)加以識(shí)別，而各個(gè)屬性所描述的結(jié)果彼此會(huì)有差異，甚至還會(huì)有互相矛盾的情況出現(xiàn)，因此，除了選擇能夠區(qū)分油氣水的敏感屬性之外，還需要分析不同屬性在表述儲(chǔ)層流體性質(zhì)方面的差異，以消除單一屬性分析的多解性，提高流體識(shí)別的準(zhǔn)確性。為此，首先分別求取每一種敏感屬性區(qū)分流體性質(zhì)的定量標(biāo)志，將其作為識(shí)別條件；然后對(duì)每種屬性按照各自的識(shí)別條件進(jìn)行交會(huì)分析，得到能夠反映儲(chǔ)層含油氣性的特征值（即油氣識(shí)別的異常值）數(shù)據(jù)體；最后對(duì)特征值數(shù)據(jù)體進(jìn)行顯示分析（剖面、平面或三維可視化），得到薄儲(chǔ)層流體的剖面、平面或空間分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄儲(chǔ)層中含流體性質(zhì)的識(shí)別與預(yù)測(cè)。

2.5 HFC技術(shù)思路和實(shí)施步驟

HFC含油氣性識(shí)別的技術(shù)思路如圖3 所示。其實(shí)施步驟為：

1）求出樣本井井旁道產(chǎn)層段的頻譜；

2）分析產(chǎn)層段頻譜與含油氣性的相關(guān)關(guān)系；

3）選擇多種敏感屬性描述因含油氣而產(chǎn)生的頻譜變化；

4）在所選取的敏感屬性中，求取可以區(qū)分油氣和水的定量標(biāo)志，建立含油氣性識(shí)別模式；

5）以區(qū)分油氣和水的定量標(biāo)志為約束條件，對(duì)敏感屬性作交會(huì)分析；

6）將交會(huì)分析得到的結(jié)果作為區(qū)分油氣和水的特征值（油氣異常值）數(shù)據(jù)體。

圖3 HFC技術(shù)思路

2.6 HFC技術(shù)的使用范圍

由于HFC 流體預(yù)測(cè)識(shí)別技術(shù)充分利用了盡可能高的反射波有效頻率成分屬性，因此，其分辨率不受常規(guī)脈沖主頻或主頻帶的限制，可以解決厚度小于乃至遠(yuǎn)小于脈沖主波長(zhǎng)1／4的薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)和含油氣性識(shí)別問題，也可解決小尺度非規(guī)則儲(chǔ)集體的預(yù)測(cè)和含油氣性識(shí)別問題，適用于碎屑巖薄儲(chǔ)層和碳酸鹽巖、火成巖等非規(guī)則儲(chǔ)集體。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 儲(chǔ)層含油氣性與頻譜特征

按照?qǐng)D3所示的HFC 技術(shù)思路對(duì)不同油田不同類型儲(chǔ)層的實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析。

圖4給出了A 油田井旁道的振幅譜和積分能量譜（頻譜積分），紅色譜線表示油井，藍(lán)色譜線表示水井?？梢钥闯?，單用主頻振幅難以區(qū)分油井和水井，即使采用衰減梯度，對(duì)油和水的區(qū)分也有困難。利用高頻（大于40 Hz）振幅和積分能量譜能很好地區(qū)分油和水井，但也會(huì)有例外，如圖中積分能量較低的也有油井。

圖5給出了B 油田油井和水井、氣井和水井的振幅譜對(duì)比，可見主頻帶振幅、主頻帶寬度等差異明顯，據(jù)此可以區(qū)分油氣和水。

圖6是C油田B區(qū)井旁道的振幅譜和積分能量譜。相對(duì)于水井和干井，氣井主頻帶振幅（能量）、積分能量和衰減梯度存在明顯差異，由此可建立主頻帶強(qiáng)振幅、中頻以上強(qiáng)能量、大衰減梯度的油氣識(shí)別模式。

以上實(shí)例表明，不同油田、不同類型、不同流體賦存狀態(tài)儲(chǔ)層反射波的頻譜特征不同，因此，不同地區(qū)辨識(shí)油、氣、水（干）層所選擇的時(shí)頻域?qū)傩圆煌纬傻淖R(shí)別模式也不相同。為了提高油氣水識(shí)別的準(zhǔn)確率，需要結(jié)合不同油田、不同儲(chǔ)集層（體）的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇不同的敏感屬性，建立適合不同油田、不同儲(chǔ)層類型的油氣水識(shí)別模式。換句話說，沒有普遍適用的、具有特定地質(zhì)含義的油氣識(shí)別屬性。

3.2 HFC多屬性交會(huì)分析及含油氣性識(shí)別

在選定油氣識(shí)別的多個(gè)敏感屬性之后，仍難以簡(jiǎn)單地運(yùn)用這些屬性來表示儲(chǔ)集層（體）的含油氣性，還需要根據(jù)這些屬性反映的流體性質(zhì)差異，分析其反映油氣水的數(shù)值范圍，通過交會(huì)分析，將多個(gè)敏感屬性轉(zhuǎn)化為一個(gè)盡可能正確反映油氣水性質(zhì)的特征值，得到展示油氣賦存狀態(tài)的數(shù)據(jù)體，在剖面和平面內(nèi)進(jìn)行油氣富集區(qū)識(shí)別分析。

圖7 多屬性交會(huì)分析流程

圖8 D 油田實(shí)際地震切片多屬性交會(huì)分析的結(jié)果（對(duì)應(yīng)圖7所示的流程）

圖7是D 油田薄砂巖儲(chǔ)層交會(huì)分析識(shí)別油氣水的流程，圖8是對(duì)該油田實(shí)際地震數(shù)據(jù)切片按照?qǐng)D7所示的流程進(jìn)行交會(huì)分析的結(jié)果。在最終切片上，彩色為油氣分布區(qū)，其余為水層或干層分布區(qū)。利用17口樣本井對(duì)該油田375km2的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行HFC 油水識(shí)別分析，采用64 口井對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，其中54口井與實(shí)鉆結(jié)果符合，符合率達(dá)到84.4%。從圖8 還可以看出，單一屬性切片與交會(huì)分析結(jié)果之間差異很大，單一屬性切片之間也存在很大差異。圖9給出了17口樣本井的低頻能量和高頻振幅變化率（衰減梯度）直方圖，藍(lán)色的10口井產(chǎn)層為水層、干層和差油氣層，紅色的7口井產(chǎn)層為油氣層?？梢钥吹?，樣本井中油、氣、水（干）層的兩種屬性值大小均相互交疊，因而無法單獨(dú)正確地辨識(shí)。比如，低頻能量如果以27 000為門檻值，僅有4 口井的水（干）層低頻能量值低于27 000，可以區(qū)分出來；高頻振幅變化率，即衰減梯度，如果以500為門檻值，僅有1口水井的數(shù)值低于500，能與油氣井區(qū)分開來。

這一結(jié)果表明，利用單一屬性辨識(shí)油氣水存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，將某種屬性直接賦予與含油氣性有關(guān)的地質(zhì)含義也不符合客觀實(shí)際。

圖9 D 油田S井區(qū)17口樣本井的低頻能量（a）和高頻振幅變化率（衰減梯度）（b）直方圖分析

3.3 碳酸鹽巖儲(chǔ)集體定位和流體識(shí)別

碳酸鹽巖儲(chǔ)集體多有非規(guī)則、非均質(zhì)特點(diǎn)，利用HFC技術(shù)可以識(shí)別出不同類型的儲(chǔ)集體。

圖10為E 油田三疊系飛仙關(guān)組鮞灘灰?guī)r儲(chǔ)集體的HFC異常，與P井的高產(chǎn)氣井相吻合。

圖11是由諧頻相位屬性分析圈定的生物礁范圍以及衰減梯度和主頻振幅交會(huì)分析發(fā)現(xiàn)的生物礁內(nèi)幕儲(chǔ)集體。

圖12是F油田碳酸鹽巖溶洞型儲(chǔ)集體的HFC異常，在剖面上呈現(xiàn)出串珠狀特征，在平面上呈現(xiàn)出隨機(jī)分布和具有一定延伸長(zhǎng)度的地下暗河形態(tài)。

圖10 E油田三疊系飛仙關(guān)組鮞灘灰?guī)r儲(chǔ)集體的HFC異常

圖13是F 油田碳酸鹽巖洞縫型儲(chǔ)集體的含油氣性預(yù)測(cè)結(jié)果（部分）。利用40口樣本井對(duì)該油田400km2的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行HFC 油氣水識(shí)別分析，用42口井對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，有34口井與實(shí)鉆結(jié)果符合，符合率達(dá)到81.0%。

圖13 F油田碳酸鹽巖洞縫型儲(chǔ)集體HFC油氣預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4 火山巖儲(chǔ)層流體識(shí)別

利用諧頻相位屬性圈定出非規(guī)則分布的火成巖范圍，再通過振幅和衰減梯度等屬性交會(huì)分析，得到火山巖內(nèi)幕的含氣分布（圖14）。

圖14 諧頻相位屬性區(qū)分并圈定的火山巖分布范圍（a）及衰減梯度與諧頻振幅交會(huì)分析指示的油氣分布（b）

4 結(jié)束語(yǔ)

以薄層調(diào)諧特征、相位變化特征、高頻振幅頻率變化率特征為基礎(chǔ)的HFC 含油氣性識(shí)別技術(shù)，是以已知井的產(chǎn)層情況為樣本，對(duì)其反射波進(jìn)行頻譜分析，獲得儲(chǔ)層中已知含油、氣、水層段的頻譜特征及其變化規(guī)律，據(jù)此建立儲(chǔ)層油、氣、水識(shí)別模式，結(jié)合多屬性交會(huì)分析，得到油氣分布特征（異常）數(shù)據(jù)體，可以預(yù)測(cè)薄儲(chǔ)層（體）分布，識(shí)別其含油氣性。

與常用的分頻技術(shù)相比，HFC 技術(shù)擯棄了強(qiáng)加于時(shí)頻域?qū)傩缘牡刭|(zhì)含義，僅用屬性的數(shù)值特征來表征頻譜特征的差異，且在已知樣本井指導(dǎo)下進(jìn)行多種屬性交會(huì)分析，因此使薄儲(chǔ)層（體）預(yù)測(cè)與含油氣性識(shí)別的準(zhǔn)確率得到明顯提高。

需要指出的是，不同油田不同類型、不同流體賦存狀態(tài)的儲(chǔ)集層（體）的反射波頻譜特征不同，辨識(shí)油、氣、水（干）層所選擇的時(shí)頻域?qū)傩圆煌?，形成的識(shí)別模式也不相同。

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