利用密度差值識別和預測鶯歌海盆地高溫高壓氣藏

周家雄,李 芳,馬光克,劉 巍,張合斌

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司研究院,廣東湛江524057)

可靠的儲層預測和油氣檢測結(jié)果可降低勘探風險與投入成本,對于加速油氣勘探進程具有重要意義[1-2],同時也為開發(fā)方案的制定提供了依據(jù)。對于常規(guī)氣藏的地震識別和預測,業(yè)界已經(jīng)取得大量研究成果,且總結(jié)了多項有效技術(shù),然而這些技術(shù)對高溫高壓氣藏的預測精度大幅降低。對于高溫高壓含油氣區(qū),有效儲層的可靠預測一直是地球物理研究工作的難題。

鶯歌海盆地是一個快速沉降的新生代沉積盆地,該盆地中深層發(fā)育高溫高壓氣藏,鉆井揭示該類氣藏具有高地溫梯度(地溫梯度高達5.37℃/100m)和高壓力系數(shù)(壓力系數(shù)高達1.8,部分高于2.0)的特征,氣藏溫度一般大于140℃,壓力大于50MPa[3-6]。由于高溫高壓成藏的特殊性,在本區(qū)已鉆探揭示的高溫高壓氣藏中,出現(xiàn)了大量的氣層和非氣層(氣水同層、含氣水層、水層和含氣干層)伴生發(fā)育的情況。研究顯示鶯歌海盆地中深層高溫高壓環(huán)境下的巖石物理特征相對常溫常壓下存在很大的不同,高溫高壓對地層礦物巖石和孔隙中的流體都會造成一定的影響[7-10],利用常溫常壓下的巖石物理分析方法和常規(guī)的烴類檢測方法往往不能有效地區(qū)分高溫高壓條件下的氣層和非氣層。

針對鶯歌海盆地東方區(qū)中深層高溫高壓氣藏的地震預測問題,我們在常規(guī)含氣性檢測方法應用試驗的基礎(chǔ)上,研究并提出了利用計算密度和測井實測密度之間的差值識別和預測氣層的新方法。研究區(qū)實際應用效果表明,通過密度差值反演能夠有效識別和預測出高溫高壓含氣儲層中的有效氣層,在一定程度上解決了研究區(qū)高溫高壓地層流體檢測的難題。

1 常規(guī)含氣性檢測方法應用試驗

1.1 高溫高壓儲層巖石物理分析

基于Gassmann方程[7-8],根據(jù)Batzle等[9-10]以及Xu等[11-13]的研究成果,建立了高溫高壓條件下地震波速度與巖石骨架模量、孔隙度、流體等參數(shù)的關(guān)系?？紫吨谢旌狭黧w有效體積模量及密度的主要影響因素包括:溫度、壓力、地層水礦化度、氣比重、含水飽和度等[9-10]。因此,在高溫高壓狀態(tài)下,孔隙中的流體性質(zhì)較常溫常壓狀態(tài)下有一定的區(qū)別。表1為東方區(qū)3口井的高溫高壓氣藏參數(shù),其中1井和2井為高烴氣藏,3井為高CO2氣藏。

表1 東方區(qū)高溫高壓氣藏參數(shù)統(tǒng)計

將表1中的氣藏參數(shù)帶入Batzle等[9]的方程,計算得到1井的氣體體積模量約為0.15GPa,氣體的密度約為275.0kg/m3；3井氣體體積模量約為2.4GPa,氣體密度約為382.7kg/m3。另外,計算得到地層水體積模量約為2.5GPa,地層水的密度約為1100kg/m3。得到高溫高壓條件下的流體巖石物理參數(shù)后,在東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶選取井況良好的1井進行地震波速度與巖石物性和流體關(guān)系的研究。

首先,在測試氣層段,只改變儲層孔隙度大小,保持含水飽和度和溫度、壓力等其它因素不變進行分析。如圖1所示,隨著砂巖孔隙度的逐漸減小,氣層段(圖中紅色段)的密度和速度明顯增大。通過統(tǒng)計東方區(qū)多口井縱波阻抗與孔隙度之間的關(guān)系(圖2),得到縱波阻抗隨著孔隙度的增大而減小的結(jié)論。

圖1 不同孔隙度下的速度和密度曲線

其次,利用Brie公式計算混合流體的體積模量[14]。只改變含水飽和度(0～1)的數(shù)值,保持孔隙度大小、溫度、壓力等其它條件不變,進行流體替換分析。當含水飽和度低于0.7時,縱波速度對含水飽和度并不敏感；當含水飽和度大于0.7時,縱波速度隨著含水飽和度的增加而逐漸增大(圖3中藍色曲線,Brie系數(shù)為4)。與Wood公式[15]計算的結(jié)果(圖3中紅色曲線)相比較,兩者體現(xiàn)的含水飽和度與縱波速度之間的關(guān)系基本一致,但是受高溫高壓特殊地質(zhì)情況的影響,研究區(qū)含水飽和度拐點為0.7左右,而利用Wood公式得到的含水飽和度拐點在0.9左右。

除了流體替換研究之外,還進行了實驗分析。巖石物理實驗室超聲測試分析的結(jié)果表明(圖4),含水飽和度低于0.6時縱波速度對含水飽和度并不敏感。實驗分析結(jié)果與流體替換的研究成果基本一致:當高溫高壓儲層含氣后,速度會急劇降低,造成地震剖面上的強反射；但當含水飽和度在0～0.7的范圍內(nèi)變化時,地震反射強度不會有太大變化；對于純水層,一般不會形成地震剖面上的強反射特征。

圖2 縱波阻抗與孔隙度擬合關(guān)系

圖3 流體替換分析的縱波速度與含水飽和度關(guān)系

圖4 實驗室測試分析的縱波速度與含水飽和度關(guān)系

1.2 其它常規(guī)含氣性檢測方法應用試驗

常規(guī)巖石物理分析結(jié)果表明,由于氣層和純水層的縱波速度存在較大差異,利用縱波阻抗可以識別出氣層和純水層。然而東方區(qū)高溫高壓儲層實際鉆探結(jié)果卻表明,即便氣層與水層孔隙度大小變化不大,純水層也可能會同氣層一樣表現(xiàn)為強反射特征。圖5為東方區(qū)高溫高壓儲層4井測井曲線和過4井的地震剖面。4井在Ⅰ氣組鉆遇了一套氣層,該氣層在地震剖面上顯示為強亮點反射特征；而該井在Ⅲ氣組鉆遇了一套純水層,該套水層在地震剖面上也顯示為強亮點的特征。對比Ⅰ氣組和Ⅲ氣組的物性可知(圖5),兩個氣組的孔隙度大小基本一致；Ⅰ氣組含水飽和度為0.5,Ⅲ氣組含水飽和度接近1.0,按照上述流體替換研究結(jié)果以及實驗分析結(jié)果可知,Ⅲ氣組的地震反射振幅理論上應該較弱,而實際上并非如此。由此可見,利用常規(guī)巖石物理分析方法不能有效區(qū)分4井的氣層和非氣層。

圖5 東方區(qū)4井測井曲線和過4井地震剖面

針對常規(guī)高溫高壓條件下巖石物理分析方法失效的問題,本文嘗試利用其它常規(guī)含氣性檢測方法來識別東方區(qū)4井的氣層和水層。首先,對4井進行AVO分析,如圖6所示,Ⅲ氣組水層與Ⅰ氣組氣層AVO特征相似,可見簡單的AVO分析無法識別氣層和水層。另外,在過4井的地震剖面、疊后縱波波阻抗剖面(圖7)以及疊前縱波波阻抗剖面和疊前縱橫波速度比(vP/vS)剖面(圖8)上,Ⅲ氣組水層與Ⅰ氣組氣層都表現(xiàn)為強亮點?？梢娎肁VO分析和常規(guī)疊前、疊后反演等方法都不能有效地區(qū)分4井Ⅰ氣組的氣層和Ⅲ氣組的水層。

圖6 東方區(qū)4井AVO特征分析a Ⅰ氣組氣層; b Ⅲ氣組水層

圖7 過4井地震剖面(a)與疊后波阻抗反演剖面(b)

圖8 過4井疊前vP/vS剖面(a)與縱波阻抗反演剖面(b)

進一步嘗試對東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶所有井的縱波阻抗、密度與縱橫波速度比(vP/vS)進行交會分析(圖9)。由圖9可見,在縱波阻抗與vP/vS交會圖和密度與vP/vS交會圖上都不能區(qū)分出該區(qū)高溫高壓儲層中的氣層和非氣層(干層、氣水同層、含氣水層、水層)。

圖9 東方區(qū)高溫高壓地帶所有井的縱波阻抗(a)、密度(b)與vP/vS交會分析

以上分析表明,常規(guī)的巖石物理分析、AVO分析以及疊前、疊后波阻抗反演和彈性參數(shù)交會等含氣性預測方法均無法區(qū)分高溫高壓條件下的氣層和非氣層。研究區(qū)高溫高壓儲層的有效氣層檢測需要另辟蹊徑。

2 密度差值氣層識別方法

既然彈性參數(shù)的交會分析不能有效識別高溫高壓氣層,我們就重新選擇從物性參數(shù)入手,開展對孔隙度的研究。譚廷棟等[16-18]、毛志強等[19]研究表明:對于巖性穩(wěn)定、泥質(zhì)含量低的純水層,密度孔隙度和中子孔隙度可以表征介質(zhì)孔隙度；相對地層總孔隙度,天然氣的存在會導致密度孔隙度增大、中子孔隙度減小,若不考慮泥質(zhì)的影響,在氣層段,密度孔隙度和中子孔隙度呈負相關(guān),天然氣對中子測井的挖掘效應則加強了這種負相關(guān)性。為了中和這種效應,我們研究利用密度測井和中子測井資料求取總孔隙度，計算公式如下[19]:

式中:φtDEN為密度總孔隙度；φtCNC為中子總孔隙度；ρma代表骨架密度；ρmf代表流體密度；ρ是實際測井得到的密度；Nma代表骨架中子值,Nmf代表流體中子值,N是實際測井得到的中子值。

選取東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶井況良好的一口井對計算的中子總孔隙度和密度總孔隙度作對比分析(圖10,圖中右側(cè)黑色曲線為中子總孔隙度,藍色曲線為密度總孔隙度)。由對應的巖性柱狀圖可見,當密度總孔隙度大于中子總孔隙度時對應為氣層；密度總孔隙度小于中子總孔隙度時對應為非氣層或者是泥巖。也就是說,利用中子總孔隙度和密度總孔隙度的差值可以敏感地識別出高溫高壓條件下的氣層。

圖10 中子總孔隙度與密度總孔隙度曲線對比分析

中子測井信息和密度測井信息并非是相互孤立的,中子和密度測井分別是測量地層含氫指數(shù)和地層體積密度,它們的測量值之間具有如下關(guān)系[19]:

(3)

式中:N和ρ分別代表中子測井的數(shù)值和密度測井的數(shù)值；σh代表氫原子密度指數(shù),近似表示氫原子量占化合物克分子量的比值。公式(3)表明,地層礦物的含氫指數(shù)(中子測井數(shù)值)取決于該礦物中氫核個數(shù)和礦物的真密度。也就是說,中子測井的數(shù)值可以轉(zhuǎn)化為密度。

基于上述理論基礎(chǔ),首先將公式(1)和公式(2)計算出的密度總孔隙度和中子總孔隙度進行平均,得到最終的總孔隙度φt:

(4)

然后利用總孔隙度與密度之間的相關(guān)性,由總孔隙度反推得到一個新的密度,在這里稱為計算密度ρc:

(5)

代入東方區(qū)固體骨架的經(jīng)驗值(ρma=2.65g/cm3,ρmf=1.11g/cm3,Nma=-0.02,Nmf=1),(5)式轉(zhuǎn)化為

(6)

這里的ρc是地層含烴校正后的計算密度。

得到計算密度后,將計算密度和測井實測密度進行對比分析,如圖11所示(圖中粉紅色曲線為計算密度,藍色曲線為實測密度)。圖11中氣層和非氣層對應的密度曲線存在明顯的差異:在氣層段,計算密度大于實測密度；在非氣層段或泥巖段,計算密度小于或接近于實測密度。說明根據(jù)計算密度與實測密度的正差值和負差值可以識別研究區(qū)高溫高壓氣層和非氣層。

圖11 計算密度與實測密度曲線對比

圖12 高溫高壓所有井密度差值與聲波時差交會分析

我們把計算密度ρc與實測密度ρ的差值稱為“密度差值”(氣層檢測因子),用σ表示,其表達式為

(7)

密度差值σ與東方區(qū)高溫高壓儲層的密度測井和中子測井信息有關(guān)。

對東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶所有井的儲層段進行密度差值交會分析,如圖12所示,可見氣層密度差值為正值,非氣層密度差值為負值,利用密度差值可以有效區(qū)分氣層和非氣層。

3 密度差值反演實例分析

研究表明,針對鶯歌海盆地東方區(qū)的高溫高壓含氣儲層,利用計算密度與實測密度的正差值可以有效地識別出氣層。因此,在得到計算密度曲線后,可以通過疊前反演得到計算密度與實測密度的正差值反演剖面,達到預測有效氣層的目的。

圖13是東方區(qū)高溫高壓區(qū)帶過4井地震剖面與密度差值反演剖面,對比可見,利用密度差值反演結(jié)果可以有效識別和預測I氣組的氣層,克服了常規(guī)疊前、疊后反演方法無法區(qū)分該井I氣組氣層和Ⅲ氣組水層(圖7和圖8)的難題。圖14為東方區(qū)高溫高壓區(qū)連井地震剖面與密度差值反演剖面對比圖,可見密度差值剖面的預測結(jié)果與井上氣層段吻合良好,證實了密度差值法用于識別和預測研究區(qū)高溫高壓氣藏的有效性和實用性。

密度差值氣層識別方法在一定程度上解決了東方區(qū)高溫高壓儲層中有效氣層識別和預測的難題,為該區(qū)下一步的勘探井部署和開發(fā)方案設計提供了有效的技術(shù)支持。

圖13 過4井地震剖面(a)與密度差值反演剖面(b)

圖14 東方區(qū)連井地震剖面(a)與密度差值剖面(b)

4 結(jié)束語

鶯歌海盆地東方區(qū)高溫高壓含氣儲層的地震反射“亮點”可能對應氣層,也可能對應非氣層,而傳統(tǒng)的巖石物理分析和疊前、疊后反演等常規(guī)含氣性檢測方法無法識別出該區(qū)非氣層的“假亮點”。為此,研究并提出了密度差值氣層識別方法,通過計算密度與實測密度的差值反演來識別氣層和非氣層。實際應用效果證實,密度差值氣層識別方法能夠有效識別研究區(qū)高溫高壓儲層中的有效氣層,剔除“假亮點”,在一定程度上解決了高溫高壓地層流體檢測的難題。

需要指出的是,密度差值反演方法對地震道集質(zhì)量依賴程度高,道集質(zhì)量越高,可用角度越大,差值密度反演的結(jié)果越精確。

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