鄂南長7段致密油地震流體識(shí)別技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

劉振峰，張金強(qiáng)，韓 磊，張廣智，武 麗，劉春燕[1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10008； 2.國家能源頁巖油研發(fā)中心，北京 10008；.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 10008； .中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580]

地震流體識(shí)別是利用地震資料對(duì)儲(chǔ)層含流體特征進(jìn)行識(shí)別與描述[1]。地震流體識(shí)別技術(shù)大致經(jīng)歷了“亮點(diǎn)”和“平點(diǎn)”現(xiàn)象烴類識(shí)別[2]、振幅隨偏移距變化流體識(shí)別[3-5]、地震反演流體識(shí)別[6-8]3個(gè)階段。地震流體預(yù)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)是地震巖石物理理論。借助于巖石物理理論，可以對(duì)儲(chǔ)層孔隙中流體類型、流體性質(zhì)、充填狀況可能引起的巖石物理參數(shù)變化進(jìn)行正、反演研究，進(jìn)而對(duì)巖石物理參數(shù)變化造成的地震響應(yīng)特征進(jìn)行分析，對(duì)地下儲(chǔ)層流體類型及分布狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

地震流體識(shí)別技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中取得了一定成效，但也受到了各種各樣的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)大致可以分為兩類：一是復(fù)雜油氣藏所含流體的巖石物理特征難以清晰描述，從而使得識(shí)別方法及相應(yīng)參數(shù)遴選難以有效進(jìn)行；二是微觀尺度的地震巖石物理正反演雖然獲得了確定明晰的認(rèn)識(shí)，但低品質(zhì)的地震資料卻難以應(yīng)用相關(guān)巖石物理結(jié)論去反演地下流體狀況。鄂南致密油地震流體識(shí)別同時(shí)遇到了這兩類挑戰(zhàn)——致密復(fù)雜的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和流體行為[9-13]，以及低品質(zhì)的黃土塬地震資料[14]。在近年的技術(shù)攻關(guān)過程中，筆者圍繞以上難點(diǎn)，在鄂南致密油地震流體識(shí)別方面進(jìn)行了嘗試性的工作，取得了一定的技術(shù)應(yīng)用成效。

1 致密油儲(chǔ)層巖石物理分析

1.1 巖石物理建模

鄂南致密油儲(chǔ)層巖礦組分多樣、不穩(wěn)定礦物組分含量較高，同時(shí)巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低,低孔、低滲且孔隙類型復(fù)雜，而且裂隙的分布導(dǎo)致微觀各向異性特征突出，孔隙及流體分布的非均質(zhì)性較強(qiáng)。這些特征與常規(guī)儲(chǔ)層存在較大的差異，常用的砂泥巖巖石物理模型構(gòu)建方法難以適用。這就需要充分考慮致密油儲(chǔ)層特征來構(gòu)建致密碎屑巖儲(chǔ)層復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)各向異性巖石物理模型，分析、探討低孔隙度條件下流體性質(zhì)對(duì)巖石彈性性質(zhì)的影響，為地震流體預(yù)測(cè)提供依據(jù)。致密各向異性碎屑巖巖石物理模型的構(gòu)建步驟如下。

第一步：利用Voigt-Reuss-Hill平均公式計(jì)算N種礦物的混合平均彈性模量MVRH(GPa)

(1)

第二步：利用微分等效介質(zhì)模型計(jì)算各向同性干巖石骨架體積模量K*(GPa)與剪切模量μ*(GPa)，使用的微分方程組如下:

方程組的初始條件是K*(0)=K1,μ*(0)=μ1。其中，K1和μ1分別是主相的體積模量(GPa)和剪切模量(GPa);K2和μ2分別是逐步加入的包含物的體積模量(GPa)和剪切模量(GPa);x是包含物的含量(以小數(shù)表示)，P和Q是包含物的幾何因數(shù)(無量綱)[15];P和Q的上標(biāo)指此幾何因數(shù)是針對(duì)具有等效模量K*與剪切模量μ*的背景介質(zhì)中的包含物。

第三步：利用Schoenberg模型計(jì)算含裂縫巖石的裂縫巖石物理參數(shù)(法向弱度ΔN(無量綱)，垂直裂縫面上裂縫對(duì)地震波的影響；切向弱度ΔT(無量綱)，平行裂縫面上裂縫對(duì)地震波的影響)。

當(dāng)裂縫面較為平直而且填隙物的彈性模量較小時(shí)，Schoenberg模型與Hudson模型等價(jià)?；谶@一認(rèn)識(shí)，裂縫巖石物理參數(shù)(法向弱度ΔN，切向弱度ΔT)與裂縫密度及填隙物存在如下關(guān)系：

式中:e為裂縫密度(無量綱);K′和μ′分別是裂縫充填物的體積模量(GPa)和剪切模量(GPa);α為裂縫高寬比(無量綱);g=μ/(λ+2μ);λ和μ為不含裂縫巖石的拉梅系數(shù),GPa。在向干巖石添加裂縫時(shí)，先假設(shè)K′=0，μ′=0，然后利用各向異性巖石的流體替換方程實(shí)現(xiàn)飽和巖石彈性參數(shù)和裂縫巖石物理參數(shù)的求取。

第四步：利用Wood公式求解混合流體(含N種組分)的模量和密度。Wood公式如下：

(6)

(7)

式中:KR是混合物的Reuss平均體積模量,GPa;ρ是平均密度,g/cm3;fi、Ki、ρi分別是各組分的體積百分含量(%)、體積模量(GPa)和密度(g/cm3)。

第五步：利用各向異性巖石流體替換方程，計(jì)算飽和裂縫型巖石的剛度系數(shù)矩陣。Gassmann各向異性孔隙巖石流體替換公式的線性彈性系數(shù)矩陣表示如下：

(8)

(9)

由裂縫巖石的剛度矩陣出發(fā)，可選取與裂縫巖石物理參數(shù)有關(guān)的流體替換方程:

(10)

(11)

(12)

(13)

第六步：計(jì)算飽和裂縫型巖石的縱橫波速度。根據(jù)Thomsen關(guān)于各向異性參數(shù)的定義[16]，可以計(jì)算飽和裂縫型巖石的縱波速度VP(m/s)與橫波速度VS(m/s)，如下式所示：

(14)

(15)

由該流程計(jì)算的縱、橫波速度與常用的Xu-White模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況如圖1所示。

圖1 鄂南長7段不同建模方法縱、橫波計(jì)算效果對(duì)比(紅色為實(shí)測(cè)曲線，藍(lán)色為計(jì)算曲線)Fig.1 Comparison of P-and S-wave velocities for different modeling results of Chang 7 Member,south Ordos Basin(red curves for measured value and blue curves for computed value)a.Xu-White模型計(jì)算的縱波速度；b.本文方法計(jì)算的縱波速度；c.Xu-White模型計(jì)算的橫波速度；d.本文方法計(jì)算的橫波速度

1.2 含油性敏感彈性參數(shù)分析

通過巖石物理建?？梢杂?jì)算出系列彈性參數(shù)，結(jié)合鉆井測(cè)試情況進(jìn)行大量的交會(huì)分析，甄選對(duì)含油性較為敏感的彈性參數(shù)或彈性參數(shù)組合。圖2是鄂南某致密油區(qū)長7段目的層段的橫波阻抗(SI)-縱波阻抗(PI)交會(huì)圖、拉梅系數(shù)×密度(λρ)-橫波阻抗(SI)交會(huì)圖、剪切模量×密度(μρ)-拉梅系數(shù)×密度(λρ)交會(huì)圖、拉梅系數(shù)/剪切模量(λ/μ)-拉梅系數(shù)×密度(λρ)交會(huì)圖。圖2中色標(biāo)為含油飽和度。從圖2可以看出，拉梅系數(shù)/剪切模量(λ/μ)對(duì)含油性識(shí)別較為敏感，油層與非油層在交會(huì)圖上分布區(qū)域的區(qū)分度較高。

2 地震資料特殊處理及流體識(shí)別

2.1 常規(guī)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

鄂南致密油探區(qū)地表多為黃土塬地貌，溝、梁交錯(cuò)，表層結(jié)構(gòu)變化大，靜校正問題較為突出。研究中采用了層析靜校正和反射波剩余靜校正相接合的多尺度綜合靜校正處理方法。通過層析靜校正解決地形起伏劇烈、地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的靜校正問題(包括長波長和部分短波長)；通過中長波長剩余靜校正對(duì)近、遠(yuǎn)偏移距的疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析來判斷是否有中長波長靜校正問題并解決之；通過反射波剩余靜校正進(jìn)行多輪次循環(huán)迭代，進(jìn)一步解決短波長剩余靜校正問題；通過非地表一致性靜校正解決非地表一致性引起的剩余時(shí)差，減少疊加過程中地震波高頻成分的損失。在靜校正處理過程中，對(duì)層析靜校正方法和處理參數(shù)組合進(jìn)行全流程監(jiān)控，確保靜校正問題得以解決。

圖2 鄂南某致密油區(qū)長7段主要巖石物理參數(shù)交會(huì)分析Fig.2 Cross plot of main rock physical parameters in Chang 7 Member of a tight oil region,south Ordos Basina.橫波阻抗-縱波阻抗交會(huì)圖；b.拉梅系數(shù)×密度-橫波阻抗交會(huì)圖；c.剪切模量×密度-拉梅系數(shù)×密度交會(huì)圖；d.拉梅系數(shù)/剪切模量-拉梅系數(shù)×密度交會(huì)圖

地震波傳播過程中自身的球面擴(kuò)散現(xiàn)象、黃土塬表層的吸收、散射效應(yīng)以及強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)差異性，會(huì)造成原始地震記錄炮與炮之間、道與道之間能量、頻率和相位的不一致。這就要求在處理過程中消除由于黃土塬激發(fā)接收條件造成的能量、頻率、相位以及子波的畸變，使地震信號(hào)盡可能地反映地下儲(chǔ)層及流體的變化特征。在研究中，主要通過球面擴(kuò)散補(bǔ)償、地表一致性振幅補(bǔ)償、地表一致性反褶積來實(shí)現(xiàn)一致性處理。

2.2 特殊處理中的去噪、拉平

開展疊前地震反演流體識(shí)別之前，需要將共反射點(diǎn)道集(CRP道集)轉(zhuǎn)換為角道集，大致流程如下：共反射點(diǎn)道集(CRP)能量處理—超道集處理—拉東變換去噪—Trim校正—角道集。其中的拉東變換又叫做τ-p變換(τ為截距時(shí)間，也就是時(shí)距曲線在時(shí)間軸上的截距；p為射線參數(shù)，即時(shí)距曲線的瞬時(shí)斜率)，由于在τ-p域有效波和多次波、干擾波的映射點(diǎn)容易區(qū)分開來，易于做切除處理，因此該方法常用于壓制多次波。在鄂南致密油探區(qū)，由于長7段目的層之上延安組煤層的存在，地震數(shù)據(jù)中多次波較為發(fā)育，在研究中使用拉東變換對(duì)多次波進(jìn)行了切除。流程中的Trim校正主要用來修正未拉平CRP道集，其操作規(guī)則是選擇一個(gè)模型道，將 CRP道集上的各道都和其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的模型道做相關(guān)，修正其在一定時(shí)窗內(nèi)的時(shí)差，從而對(duì)齊不同偏移距目標(biāo)層位的時(shí)間。通過移動(dòng)多個(gè)時(shí)窗，在每個(gè)時(shí)窗內(nèi)循環(huán)操作，在CRP道集上拉平一層或多個(gè)目的層。

2.3 疊前反演與流體識(shí)別

通過對(duì)鄂南致密儲(chǔ)層的巖石物理分析可以看出，長7段油層與非油層的縱波阻抗大部分是重疊的(圖2a)，利用不同的彈性參數(shù)交會(huì)分析，油層與非油層的區(qū)分度有明顯提高(圖2d)。這預(yù)示著通過疊前反演技術(shù)得到相關(guān)彈性參數(shù)后可以將油層與非油層進(jìn)行區(qū)分，從而達(dá)到利用疊前地震信息進(jìn)行流體識(shí)別的目的。

目前狹義的疊前地震反演大致分為兩類，一類是以彈性阻抗數(shù)據(jù)體作為輸出的彈性反演，一類是以縱橫波速度及密度作為輸出的彈性參數(shù)同時(shí)反演。彈性阻抗反演具有計(jì)算方便，計(jì)算量小的特點(diǎn)，但是彈性阻抗是依賴于地震射線入射角度的一個(gè)計(jì)算屬性，而不是地下介質(zhì)的物理屬性。不同地區(qū)、不同巖性組合條件下，最佳區(qū)分儲(chǔ)層與圍巖的彈性阻抗對(duì)應(yīng)的地震射線角度也不同，最佳彈性阻抗的選擇需要慎重、仔細(xì)的分析。隨著計(jì)算能力的提高，彈性參數(shù)同時(shí)反演逐漸得到廣泛應(yīng)用。該類反演方法可以同時(shí)反演縱橫波速度及密度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到其他彈性參數(shù)。在彈性參數(shù)同時(shí)反演基礎(chǔ)上可以選擇對(duì)儲(chǔ)層及流體有最佳區(qū)分度的彈性參數(shù)或彈性參數(shù)組合來進(jìn)行儲(chǔ)層表征和流體識(shí)別。鄂南致密油地震流體識(shí)別采用了彈性參數(shù)同時(shí)反演方法。

彈性參數(shù)同時(shí)反演過程以不同角度疊加數(shù)據(jù)體及對(duì)應(yīng)的子波為輸入，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及巖石物理建模結(jié)果建立縱橫波阻抗的初始模型，利用簡化的地震反射系數(shù)公式與角度子波褶積得到不同入射角度的地震記錄，根據(jù)正演與觀測(cè)數(shù)據(jù)的殘差修改初始模型，達(dá)到正演與觀測(cè)數(shù)據(jù)的最佳匹配。反演過程中有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是根據(jù)疊前資料情況，合理地進(jìn)行分角度疊加；二是進(jìn)行精細(xì)的井震標(biāo)定，提取部分角度疊加數(shù)據(jù)體對(duì)應(yīng)的子波。圖3為鄂南某工區(qū)不同角度疊加數(shù)據(jù)體的對(duì)比，近、中、遠(yuǎn)角度疊加數(shù)據(jù)體剖面形態(tài)大體一致，目的層具有較好的信噪比。圖4是遠(yuǎn)中近3個(gè)角度子波的對(duì)比，從圖4可以看出3個(gè)角度子波除幅度有差異外，子波形態(tài)非常接近。

通過精細(xì)地做好反演過程中的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以得到較好的反演結(jié)果。圖5為反演得到的過井縱波阻抗剖面、橫波阻抗剖面、縱橫波速比剖面以及拉梅系數(shù)/剪切模量(λ/μ)剖面，從剖面看各主要彈性參數(shù)反演結(jié)果與井上相應(yīng)彈性參數(shù)較為一致。在得到諸多彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖石物理分析得到的認(rèn)識(shí)，拉梅系數(shù)/剪切模量(λ/μ)低值異常與含油性關(guān)系較為密切。依此認(rèn)識(shí)，提取長7段λ/μ的平面分布圖(圖6)。從圖6可以看到，反演彈性參數(shù)λ/μ的平面分布狀況與已鉆井有較高的吻合度，含油性較好的鉆井基本分布在λ/μ的相對(duì)低值區(qū)域，而水井多分布在相對(duì)高值區(qū)。說明利用彈性參數(shù)同時(shí)反演技術(shù)在鄂南致密油探區(qū)進(jìn)行地震流體識(shí)別具有較好的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，結(jié)合巖石物理分析(圖2d)也可以看到，由于含油飽和度同λ/μ并非嚴(yán)格的正比相關(guān)，因此含油性最好的鉆井并未出現(xiàn)在λ/μ平面圖上的最低值區(qū)域。這也需要在后續(xù)研究中引入更多的彈性參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)巖石物理的手段進(jìn)一步改善預(yù)測(cè)效果。

圖3 鄂南某致密油區(qū)長7段不同角度疊加數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of different pre-stack angle-gathers of the Chang 7 Member in a tight oil region,south Ordos Basina.近角度疊加數(shù)據(jù)體(入射角角度4°～12°)；b.中角度疊加數(shù)據(jù)體(入射角角度13°～23°)；c.遠(yuǎn)角度疊加數(shù)據(jù)體(入射角角度21°～33°)

圖4 鄂南某致密油區(qū)長7段近角度、中角度、遠(yuǎn)角度地震子波Fig.4 Seismic wavelets of short,middle,and far angle gathers,from the Chang 7 Member in a tight oil region,south Ordos Basin

圖5 鄂南某致密油區(qū)長7段疊前彈性參數(shù)反演得到的主要彈性參數(shù)剖面Fig.5 Main elastic parameter sections from pre-stack elastic parameter inversion,Chang 7 Member in a tight oil region,south Ordos Basina.縱波阻抗；b.橫波阻抗；c.縱橫波速比；d.拉梅系數(shù)/剪切模量

圖6 鄂南某致密油區(qū)長7段拉梅系數(shù)(λ)/剪切模量(μ)屬性分布Fig.6 Distribution of Lame coefficient (λ)/shear modulus(μ)properties of the Chang 7 Member in a tight oil region,south Ordos Basin

3 結(jié)論

1) 鄂南致密油儲(chǔ)層巖礦組分多樣、不穩(wěn)定礦物組分含量較高，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各向異性特征突出，流體分布非均質(zhì)性較強(qiáng)，常規(guī)碎屑巖巖石物理建模方法難以適用。本文針對(duì)鄂南致密油儲(chǔ)層特征提出的巖石物理建模方法適用性較強(qiáng)，依據(jù)建模結(jié)果所進(jìn)行的分析表明，拉梅系數(shù)/剪切模量對(duì)含油性較為敏感。

2) 常規(guī)處理過程中的多尺度綜合靜校正、振幅一致性處理，疊前反演之前的去噪、拉平，疊前反演過程中的分角度疊加、分角度子波提取及井震標(biāo)定對(duì)疊前地震反演流體識(shí)別技術(shù)有效與否至關(guān)重要。實(shí)踐證明，在解決好這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，地震流體識(shí)別技術(shù)能夠在鄂南地震工區(qū)致密油預(yù)測(cè)方面發(fā)揮重要作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 印興耀,宗兆云,吳國忱.巖石物理驅(qū)動(dòng)下地震流體識(shí)別研究[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2015,45(1):8- 21.

Yin Xingyao,Zong Zhaoyun,Wu Guochen.Research on seismic fluid identification driven by rock physics[J].Science China:Earth Science,2015,45(1):8- 21

[2] Backus M M,Chen R.Flat spot exploration[J].Geophysical Prospecting,1975,23(3):533-577.

[3] Ostrander W J.Plane wave reflection coefficients for gas sands at non-normal angles of incidence[J].Geophysics,1984,49(10):1637-1648.

[4] Rutherford S R,Williams R H.Amplitude-versus-offset variations in gas sands[J].Geophysics,1989,54(6):680-688.

[5] Castagna J P,Swan H W,Foster D J.Framework for AVO gradient and intercept interpretation[J].Geophysics,1998,63(3):948-956.

[6] Yin X Y,Yang P J,Zhang G Z.A novel prestack AVO inversion and its application[C].SEG Technical Program Expanded Abstracts,2008,27:2041-2045.

[7] 宗兆云,印興耀,吳國忱.基于疊前地震縱橫波模量直接反演的流體檢測(cè)方法[J].地球物理學(xué)報(bào),2012,55(1):284-292.

Zong Zhaoyun,Yin Xingyao,Wu Guochen.Fluid identification method based on compressional and shear modulus direct inversion[J].Chinese Journal of Geophys,2012,55(1):284-292.

[8] Yuan S Y,Wang S X.Spectral sparse Bayesian learning reflectivity inversion[J].Geophysical Prospecting,2013,61(4):735-746.

[9] 田景春,劉偉偉,王峰,等.鄂爾多斯盆地高橋地區(qū)上古生界致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(2):183-189.

Tian Jingchun,Liu Weiwei,Wang Feng,et al.Heterogeneity of the Paleozoic tight sandstone reservoirs in Gaoqiao Area of Ordos Basin[J].Oil & Gas Geology,2014,35(2):183-189.

[10] 王峰,陳蓉,田景春,等.鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長4+5油層組致密砂巖儲(chǔ)層成巖作用及成巖相[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(2):199-206.

Wang Feng,Chen Rong,Tian Jingchun,et al.Diagenesis and diagenetic facies of the Chang 4+5 tight sandstone reservoirs in Longdong area,Ordos Basin[J].Oil & Gas Geology,2014,35(2):199-206.

[11] 任曉霞,李愛芬,王永政,等.致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)滲流的影響——以鄂爾多斯盆地馬嶺油田長8儲(chǔ)層為例[J].石油與天然氣地質(zhì),2015,36(5):774-779.

Ren Xiaoxia,Li Aifen,Wang Yongzheng.Pore structure of tight sand reservoir and its influence on percolation—Taking the Chang 8 reservoir in Maling oilfield in Ordos Basin as an example[J].Oil & Gas Geology,2015,36(5):774-779.

[12] 周翔,何生,陳召佑,等.鄂爾多斯盆地代家坪地區(qū)延長組8段低孔滲砂巖成巖作用及成巖相.[J].石油與天然氣地質(zhì),2016,37(2):155-164.

Zhou Xiang,He Sheng,Chen Zhaoyou,et al.Diagenesis and diagenetic facies of low porosity and permeability sandstone in Member 8 of the Yanchang Formation in Daijiaping area,Ordos Basin.[J].Oil & Gas Geology,2016,37(2):155-164.

[13] 耳闖,趙靖舟,姚涇利,等.鄂爾多斯盆地延長組長7油層組頁巖-致密砂巖儲(chǔ)層孔縫特征[J].石油與天然氣地質(zhì),2016,37(2):341-353.

Er Chuang,Zhao Jingzhou,Yao Jingli,et al.Characterization of pores and fracture networks in organic-rich shale and tight sandstone of the Chang-7 member,Triassic Yanchang Formation,Ordos Basin[J].Oil & Gas Geology,2016,37(2):341-353.

[14] 劉振峰.致密砂巖油氣藏地震地質(zhì)研究關(guān)鍵技術(shù)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2014,29(1):182-190

Liu Zhenfeng.Key techniques of integrated seismic reservoir characterization for tight oil & gas sands[J].Progress in Geophysics,2014,29(1):182-190.

[15] Berryman J G.Single-scattering approximations for coefficients in Biot’s equations of poroelasticity[J].Acoustical Society of America Journal,1992,91(2):551-571.

[16] Thomsen L.Weak elastic anisotropy[J].Geophysics,1986,51(10):1954-1966.