基于三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的流體因子構(gòu)建方法及其應(yīng)用*

郭 軍 秦德海 李 英 譚輝煌

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

自O(shè)strander[1]于1984年提出利用振幅隨偏移距的變化(AVO)檢測(cè)烴類以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)AVO技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并在解決復(fù)雜地質(zhì)問題方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[2-3]。文獻(xiàn)[4-6]采用A(截距)和B(截距)的交會(huì)和加權(quán)組合進(jìn)行流體檢測(cè)。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為此類AVO屬性分析技術(shù)在實(shí)際資料分析中由于受到動(dòng)校拉伸、薄層調(diào)諧以及傳播衰減等影響，時(shí)常出現(xiàn)分析效果欠佳的情況。文獻(xiàn)[8]提出了彈性阻抗的概念，此后疊前彈性參數(shù)反演在國(guó)外得到了迅速發(fā)展[9]。文獻(xiàn)[10]基于Biot-Gassmann方程改寫飽和流體下的縱波速度方程，提出了流體因子的概念并加以應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]基于對(duì)縱橫波阻抗交會(huì)的旋轉(zhuǎn)提出了“泊松阻抗”的概念，并得到成功應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在這方面開展了很多有意義的工作，如文獻(xiàn)[12]提出貝葉斯理論框架的兩項(xiàng)彈性阻抗反演與Russell因子直接估算法，提高流體因子精度；文獻(xiàn)[13]提出地震數(shù)據(jù)的概率化疊前地震反演法，用于直接反演Gassmann流體項(xiàng)，降低了流體識(shí)別對(duì)疊前大角度道集的要求。

通常當(dāng)砂巖儲(chǔ)層的孔隙流體從飽含鹽水變化至飽含烴類尤其是氣體時(shí)，密度和縱橫波速度會(huì)發(fā)生一定的變化，這將導(dǎo)致飽和不同流體的儲(chǔ)層在絕對(duì)縱橫波阻抗及密度的三維平面直角坐標(biāo)系中處于相異的空間位置；但實(shí)踐表明，單純基于縱波阻抗或密度等單一彈性參數(shù)識(shí)別儲(chǔ)層含烴特性往往存在較強(qiáng)多解性(如亮點(diǎn)技術(shù)等)，即在三維坐標(biāo)系中縱橫波阻抗或密度方向的單獨(dú)投影不能有效區(qū)分含烴儲(chǔ)層與水層。AVO屬性加權(quán)疊加、LambdaRho—MuRho方法、泊松阻抗等技術(shù)在本質(zhì)上是通過二維角度旋轉(zhuǎn)的方法融合雙參數(shù)來降低烴檢的多解性，在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用并取得了較好的應(yīng)用效果[14-15]，但該方法易受儲(chǔ)層物性干擾，儲(chǔ)層物性變化較大時(shí)二維旋轉(zhuǎn)在流體識(shí)別中仍存在較強(qiáng)多解性。事實(shí)上，基于彈性參數(shù)反演可以獲得密度、縱橫波阻抗或者密度、縱橫波速度等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的巖石物性參量。由于雙參數(shù)二維旋轉(zhuǎn)是三參數(shù)三維旋轉(zhuǎn)的一個(gè)子集，在彈性參數(shù)求解準(zhǔn)確的情況下三維旋轉(zhuǎn)對(duì)流體的區(qū)分特性應(yīng)等于或優(yōu)于二維旋轉(zhuǎn)。

渤海渤中B油田主要含油層系為新近系明化鎮(zhèn)組，屬構(gòu)造-巖性油氣藏[16]。隨著開發(fā)不斷深入，B油田周邊滾動(dòng)需求不斷提升，油田周邊儲(chǔ)層含烴性預(yù)測(cè)成為勘探的關(guān)鍵,但常規(guī)烴檢方法應(yīng)用效果不理想。為此，本文提出了基于三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的流體因子構(gòu)建方法：基于縱橫波阻抗及密度三維坐標(biāo)系，通過旋轉(zhuǎn)尋優(yōu)方法確定反映烴類異常的最佳旋轉(zhuǎn)角度，由此構(gòu)建新的流體因子；同時(shí)引入分頻彈性反演，提升求解彈性參數(shù)的穩(wěn)定性，進(jìn)而改善流體預(yù)測(cè)效果。在渤中B油田某區(qū)塊滾動(dòng)勘探中的應(yīng)用表明，本文方法大幅提高了該區(qū)塊烴類檢測(cè)的可靠性，為后續(xù)滾動(dòng)勘探提供了技術(shù)支撐。

1 基于三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的流體因子構(gòu)建方法

1.1 三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建流體因子

應(yīng)用縱波阻抗、橫波阻抗、密度等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的彈性參數(shù)構(gòu)建三維空間，采用三維空間旋轉(zhuǎn)搜索的方式獲得某一特定角度的空間矢量，該矢量通過巖石物性散點(diǎn)的質(zhì)心，且使得巖石物性的投影在該矢量上具有最佳的油水區(qū)分效果(圖1)。該矢量稱為流體識(shí)別矢量，各地層物性散點(diǎn)的投影值即為三維流體因子。

圖1 三維旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D rotation coordinate

根據(jù)歐拉定理，三維空間中任意一種旋轉(zhuǎn)變換都可以歸結(jié)為若干個(gè)沿著坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的組合，組合數(shù)不超過3個(gè),且2個(gè)相鄰的旋轉(zhuǎn)必須沿著不同的坐標(biāo)軸，其旋轉(zhuǎn)矩陣為

R(α,β,γ)=Rx·Ry·Rz=

(1)

式(1)中：Cx=cosα，Sx=sinα，Cy=cosβ，Sy=sinβ，Cz=cosγ，Sz=sinγ，α、β、γ分別為沿X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

由于縱波阻抗、橫波阻抗和密度數(shù)值均為正，流體識(shí)別矢量一定存在于三維空間的第一象限內(nèi)。應(yīng)用前述方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，須依次確定3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角度，過程繁瑣。如果采用坐標(biāo)系平移方法將巖石彈性參數(shù)散點(diǎn)質(zhì)心置于新坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即可在新坐標(biāo)系下通過一次沿Z軸旋轉(zhuǎn)結(jié)合一次沿X軸旋轉(zhuǎn)使得流體識(shí)別矢量與Z軸重合。巖石彈性參數(shù)空間散點(diǎn)經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的Z軸投影對(duì)于流體具有最佳的區(qū)分特性(圖1)，其旋轉(zhuǎn)矩陣為

R(α,β,γ)=Rx·Rz=

(2)

1.2 基于新流體因子的流體預(yù)測(cè)

通過對(duì)縱波速度、橫波速度和密度等3參數(shù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，可以有效擬合飽和度、孔隙度等參數(shù)，建立地震彈性與儲(chǔ)層特性之間的關(guān)系，從而更好地開展儲(chǔ)層研究。同時(shí)，得益于3個(gè)獨(dú)立參數(shù)的融合，能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有高精度疊前同時(shí)反演優(yōu)勢(shì)，最大程度地降低常規(guī)流體因子在流體識(shí)別中的多解性，從而在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

利用新流體因子進(jìn)行流體識(shí)別的流程為：

1) 根據(jù)已鉆井的縱波、橫波和密度曲線在[-90°,90°]區(qū)間掃描旋轉(zhuǎn)角度，并計(jì)算得到不同角度下的流體因子曲線；

2) 將不同旋轉(zhuǎn)角度的流體因子與含油飽和度曲線進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，相關(guān)程度最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度定為最佳旋轉(zhuǎn)角度；

3) 根據(jù)X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)角度及測(cè)井曲線計(jì)算得到井上新的流體因子曲線，驗(yàn)證其在井點(diǎn)處流體識(shí)別效果；

4) 利用地震疊前道集開展疊前彈性參數(shù)反演，得到縱波速度、橫波速度和密度等3個(gè)參數(shù)地震體；

5) 利用上述彈性參數(shù)體及最佳旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算得到最終流體因子體，進(jìn)而用于流體識(shí)別研究。

2 應(yīng)用實(shí)例

渤中B油田鉆井揭示主力儲(chǔ)層埋深為1 400 m左右，屬極淺水三角洲水下分流河道沉積中—細(xì)粒砂巖，為中—高孔滲儲(chǔ)層。圖2a為過油田區(qū)2口已鉆井的疊后地震剖面，可以看出B-6井鉆遇的含油氣儲(chǔ)層與B-8井鉆遇的含水儲(chǔ)層均表現(xiàn)出強(qiáng)振幅的“亮點(diǎn)”響應(yīng)特征，疊后振幅難以反映含烴儲(chǔ)層與非烴儲(chǔ)層的差異。因此，利用疊后地震開展基于吸收衰減機(jī)理的疊后烴檢工作，同時(shí)通過疊前同時(shí)反演求解常規(guī)流體敏感彈性參數(shù)λρ(其中λ為拉梅常數(shù)第一參數(shù)，ρ為密度)，得到相應(yīng)的疊前、疊后結(jié)果如圖2b、c所示。從常規(guī)疊前、疊后烴檢結(jié)果來看，B-8井鉆遇的水層均表現(xiàn)出一定的含烴異常響應(yīng)，與真實(shí)含油氣儲(chǔ)層的響應(yīng)混淆，烴檢效果可靠性差。

圖2 渤中B油田過井地震剖面與疊前、疊后烴檢結(jié)果對(duì)比Fig.2 Contrast between original seismic and pre-stack,post- stack hydrocarbon detection profiles in B oilfield,Bozhong area

將多井的縱橫波阻抗、密度曲線基于前述濾波參數(shù)進(jìn)行濾波與采用同樣參數(shù)濾波后的含油飽和度曲線做互相關(guān)，搜索最大相關(guān)值并明確所需旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)矩陣。圖3為縱波阻抗、橫波阻抗和密度在三維空間內(nèi)不同旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)建的敏感因子與含油飽和度曲線的相關(guān)度，其中X、Y方向分別對(duì)應(yīng)以密度和縱波阻抗為軸的旋轉(zhuǎn)角度，Z方向代表構(gòu)建流體因子與含烴飽和度曲線的相關(guān)系數(shù)。由圖3可以看出，最大互相關(guān)值出現(xiàn)在沿密度軸旋轉(zhuǎn)31°后沿縱波阻抗軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)。由于初始Z軸為相對(duì)密度變化量，沿Z軸旋轉(zhuǎn)可以看成僅沿縱橫波阻抗平面旋轉(zhuǎn)形成的泊松阻抗，在旋轉(zhuǎn)互相關(guān)圖中最大互相關(guān)值出現(xiàn)在與X軸旋轉(zhuǎn)0°以外的位置，說明三維旋轉(zhuǎn)后的互相關(guān)值要高于單純的縱橫波阻抗旋轉(zhuǎn)，可以認(rèn)為新的流體因子區(qū)分效果要好于傳統(tǒng)的泊松阻抗。

圖3 三維旋轉(zhuǎn)角度與相關(guān)度分布Fig.3 Correlation degree of different 3D rotation angles and correlogram

將最終構(gòu)建的敏感因子(FI)與常規(guī)彈性曲線以及泊松阻抗(PI)對(duì)比(圖4)可以看出，相對(duì)于原始縱、橫波速度及密度曲線，二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建的泊松阻抗在含油氣層段響應(yīng)更明顯，氣、水響應(yīng)差異明顯，但油、水響應(yīng)差異相對(duì)較弱；而三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建的流體敏感因子在保持對(duì)油氣層識(shí)別敏感的同時(shí)，很好地壓制了該井頂部2套水層(橢圓內(nèi))的響應(yīng)，使含油氣層與含水層響應(yīng)差異更加明顯，展示了三參數(shù)融合的優(yōu)勢(shì)。

由基于三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)得到的流體指示因子剖面與泊松阻抗剖面對(duì)比(圖5)可以看出，實(shí)鉆揭示砂體S1、S2都為含水砂巖，但在泊松阻抗剖面上這2套砂體都表現(xiàn)出一定的含烴異常響應(yīng)，與真實(shí)含油氣層響應(yīng)差異較小，基于該結(jié)果很難展開潛力砂體含油氣性預(yù)測(cè)，為此計(jì)算了基于三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建的新流體指示因子剖面(圖5)。由圖5可以看出，含水砂巖的異常響應(yīng)得到了明顯壓制，與其他含油氣層差異明顯，并且剖面整體背景干凈，含烴異常響應(yīng)邊界清晰，流體識(shí)別的準(zhǔn)確度、可預(yù)測(cè)性大幅提高，為后續(xù)潛力砂體分析及井位部署提供了有力支撐。

圖4 渤中B油田X井旋轉(zhuǎn)流體因子與泊松阻抗對(duì)比Fig.4 Contrast between Fluid Indicator and Poisson Impedance in Well X of B oilfield,Bozhong area

圖5 渤中B油田過井二維旋轉(zhuǎn)的泊松阻抗剖面(a)與三維旋轉(zhuǎn)流體因子剖面(b)對(duì)比Fig.5 Contrast between cross wells profiles of Poisson Impedance based on 2D coordinate rotation(a) and Fluid Indicator based on 3D coordinate rotation(b) in B oilfield,Bozhong area

3 結(jié)論

1) 提出了一種三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建流體因子的新方法：將縱波阻抗、橫波阻抗、密度在三維空間內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，以含水飽和度曲線為約束條件，在最佳旋轉(zhuǎn)角度下構(gòu)建出融合三屬性的流體敏感因子，然后與彈性參數(shù)反演結(jié)合獲得區(qū)域內(nèi)流體敏感因子體。

2) 將該技術(shù)應(yīng)用于渤中B油田周邊滾動(dòng)勘探實(shí)踐中，結(jié)果表明該方法能有效提高油田圍區(qū)的流體識(shí)別精度，降低儲(chǔ)層孔隙度等非烴因素對(duì)流體識(shí)別的干擾，為后續(xù)滾動(dòng)勘探提供有力的支撐。

3) 由于實(shí)際資料缺乏大偏移距(角度)信息，疊前地震資料蘊(yùn)含的AVO信息不足，常規(guī)方法反演密度時(shí)存在求解穩(wěn)定性差、準(zhǔn)確性低的問題，建議進(jìn)一步探索提高密度反演精度的新方法，進(jìn)一步改善流體敏感因子的應(yīng)用效果。

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