CO2驅(qū)油與封存中時(shí)移地震監(jiān)測AVO模型研究
——以鄂爾多斯盆地低孔低滲儲層為例

李丹鷺，李琳，馬勁風(fēng)，王浩璠

（1.二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西西安710069；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069）

時(shí)移地震監(jiān)測是CO2驅(qū)油和地質(zhì)封存中監(jiān)測CO2分布范圍、確定CO2驅(qū)油波及效率，進(jìn)而確定地質(zhì)封存安全性的關(guān)鍵技術(shù)。在國際上影響力大的CO2驅(qū)油和封存項(xiàng)目中，加拿大Weyburn-Midale 項(xiàng)目（IEA GHG Weyburn-Midale CO2Monitoring and Storage Project）在Phase 1A區(qū)域開展了5次四維三分量地震監(jiān)測，3 次四維VSP 在Phase1B 區(qū)域開展了四維九分量地震監(jiān)測[1-3]。CO2-EOR中的四維地震監(jiān)測在國際上已經(jīng)有數(shù)十年歷史[4]，是近十年提高采收率較為有效的方法，近期監(jiān)測項(xiàng)目包括美國Denbury 公司Bell Creek 油田的CO2-EOR[5]，沙特阿拉伯的Uthmaniyah CO2-EOR[6]。而對于咸水層CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，如BP石油公司在阿爾及利亞的In Salah、挪威國家石油公司的Sleipner 項(xiàng)目、Snovit 項(xiàng)目、加拿大薩省電廠與PTRC 的Aquistore 項(xiàng)目、歐盟在德國的Ketzin 項(xiàng)目、澳大利亞CO2CRC 的Owtay 項(xiàng)目、日本CCS 公司的苫小牧項(xiàng)目等，全部開展了地面四維地震監(jiān)測。這其中，部分項(xiàng)目還輔助開展了四維VSP監(jiān)測[7]。

雖然時(shí)移地震監(jiān)測在國內(nèi)外的很多CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目中獲得了成功[1，8-10]，但是在低孔低滲油藏的鄂爾多斯盆地，特別是陜西延長石油集團(tuán)靖邊、吳起區(qū)塊與長慶油田黃3區(qū)塊正在開展CO2驅(qū)油與封存，能否獲得較好的時(shí)移地震監(jiān)測效果以及時(shí)移地震監(jiān)測差異的物理意義，一直未能深入的進(jìn)行研究和理解。包括陜西延長石油集團(tuán)在吳起油田注入CO2過程中[11]開展的三維地震監(jiān)測也未能進(jìn)行很好的解釋[12]，造成對這一區(qū)域內(nèi)時(shí)移地震監(jiān)測部署的質(zhì)疑，和其他地質(zhì)資料無法對CO2注入后的波及范圍、封存效果的證實(shí)。

建立低孔低滲油藏科學(xué)的時(shí)移地震正演模型，是時(shí)移地震解釋和反演的基礎(chǔ)。而建立地震正演模型的關(guān)鍵，是準(zhǔn)確確定注入CO2前后的彈性參數(shù)，特別是縱、橫波速度是建立時(shí)移地震正演模型不可缺少的參數(shù)。而在CO2注入過程中，儲層的溫度、壓力以及流體飽和度都發(fā)生了變化，對橫、縱波速度造成影響，特別是CO2注入過程中和注入后難以實(shí)施二次測井而無法獲得儲層參數(shù)信息。因此需要科學(xué)地預(yù)測不同溫度、壓力和飽和度下低孔低滲儲層的縱、橫波速度，才能建立隨注入時(shí)間變化的縱、橫波速度巖石物理模型[13]。

一般來說，在注入CO2前后如果沒有進(jìn)行過壓裂等儲層改造，兩次地震監(jiān)測中的振幅和旅行時(shí)差異主要來自流體飽和度和壓力的雙重影響[14]。這種影響是儲層彈性參數(shù)受流體飽和度與壓力變化所致，如何預(yù)測彈性參數(shù)隨CO2飽和度與地層壓力變化，是時(shí)移正演模擬的關(guān)鍵。

CO2注入過程中流體替換的計(jì)算，采用Gassmann方程是有效的方法[4]。但是對于縱、橫波速度隨壓力的變化關(guān)系預(yù)測，首先需要預(yù)測儲層的橫波速度曲線。這是因?yàn)樵谟吞锏拇蠖鄶?shù)區(qū)域橫波速度測井資料缺乏，需要首先預(yù)測出CO2注入前，或者測井時(shí)沒有測的橫波速度測井曲線。然后再考慮如何預(yù)測出注入CO2后，儲層孔隙壓力變化情況下的橫波速度曲線。

而彈性參數(shù)隨壓力變化關(guān)系，可以采用巖心測試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，但是這種統(tǒng)計(jì)結(jié)果受到巖心測試數(shù)量和取心位置的限制，往往不反應(yīng)儲層的非均質(zhì)性及不同孔隙度巖心隨壓力的變化關(guān)系，缺乏巖石物理理論的支持，不具有普遍性[14]。因此，需要建立更合理的以巖石物理理論為基礎(chǔ)，彈性參數(shù)隨壓力變化的預(yù)測方法。

本研究利用考慮壓力變化的Digby 模型結(jié)合Gassmann 流體替換方程進(jìn)行CO2注入前后的縱、橫波速度預(yù)測，然后以此為基礎(chǔ)建立注入CO2前后的兩層介質(zhì)模型，制作時(shí)移AVO 梯度截距圖。進(jìn)而分析注入CO2過程中地層壓力和流體飽和度變化對時(shí)移AVO解釋的影響，為時(shí)移地震解釋與監(jiān)測提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

為模擬CO2注入致密砂巖油藏中地震響應(yīng)的變化，我們選擇位于鄂爾多斯盆地的蘇里格地區(qū)包含有黃234、黃47、黃220、鹽208 四口油井的工區(qū)開展研究。其中，僅有黃47、黃234兩口井有偶極橫波測井資料，且黃234 井資料較為完整，其主要含油層段為三疊系上統(tǒng)延長組的長8-1、長8-2 段。砂體厚度約為25 m，地層壓力為29.77 MPa，上覆壓力為53.77 MPa。延長組厚度約110 m，主要為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖與灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖不等厚互層，局部夾煤線[15]。

蘇里格地區(qū)前期的儲層預(yù)測研究中，對于常規(guī)橫波速度預(yù)測，已有用Xu-White 方法建立的橫波速度擬合模型，是用V-R-H法計(jì)算礦物的有效體積模量，Wood 模型結(jié)合Gassmann 方程進(jìn)行流體替換，計(jì)算出新的橫波速度[16，17]。但是這些橫波速度預(yù)測方法，并不考慮儲層開發(fā)過程中壓力變化對速度的影響，即不是針對油田開發(fā)過程中儲層壓力等彈性參數(shù)變化條件下預(yù)測。因此這些方法不能用于注入CO2后，儲層橫波速度隨壓力變化的預(yù)測，也不能用于進(jìn)行時(shí)移地震正演模型的建立。

2 隨壓力變化速度曲線預(yù)測

為預(yù)測注入CO2前初始橫波速度并檢驗(yàn)速度預(yù)測的精度，我們采用黃234 井的含油層段進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)測縱波速度和實(shí)測橫波速度進(jìn)行對比。

Li 等[14]給出了以Digby[18]方法為基礎(chǔ)的，考慮壓力變化的干巖石的體變模量、切變模量以及飽和巖石的切變模量計(jì)算方法，用于砂巖儲層縱、橫波速度隨壓力變化的預(yù)測。這其中將Digby 公式中配位數(shù)Cp為常數(shù)的方法，改進(jìn)為利用改進(jìn)的縱波約束方法求取配位數(shù)Cp，以便適應(yīng)不同地區(qū)和不同類型的儲層。

Digby 公式表示干巖石的體變模量Kdry和切變模量μdry以及飽和巖石的切變模量Ksat的表達(dá)式如下：

其中：

且d滿足公式（4）:

其中，令：fR:U→F(V),u1→fR(Ui)=(ri1,ri2,…rim)∈F(V),rij=R(Ui,Uj),i=1,2,…,n，j=1,2,…m,則fR就是U到V的模糊影射。

其中：Kdry與μdry分別為干巖石的體變模量和切變模量；μma為巖石骨架的切變模量；φ為孔隙度；Cp為配位數(shù)；p為差異壓力，即上覆壓力與孔隙壓力之差；α為變形之前接觸區(qū)域的半徑，mm；b為變形之后接觸區(qū)域的半徑，mm；R為顆粒的半徑，mm；v為某種介質(zhì)的泊松比，比如骨架的泊松比，干巖石的泊松比等；K和μ為介質(zhì)的體變模量和切變模量。

在使預(yù)測的縱波速度Vppredicted和實(shí)際縱波速度Vpmeasured誤差最小條件下，獲得最佳配位數(shù)Cp。

然后，將從上試計(jì)算獲得的最佳配位數(shù)CP代入公式（1）（2）和（3），求得對應(yīng)的干巖石的切變模量Kdry、體變模量μdry和飽和巖石的切變模量Ksat。再將這些彈性參數(shù)代入速度公式[19]，則可以得到預(yù)測的橫波速度和縱波速度：

在保持原始壓力和飽和度不變的狀態(tài)下，利用Digby 模型結(jié)合Gassmann 方程計(jì)算出的黃234 井橫波速度與實(shí)測值對比，平均誤差為2.43%；預(yù)測的縱波速度與實(shí)測相比誤差為0.6%（圖1）。說明用Digby公式計(jì)算的體變模量Kdry和切變模量μdry較為準(zhǔn)確，以此計(jì)算出的速度誤差較小。同時(shí)由于上述方法考慮了壓力和流體飽和度共同的影響，我們將之用于模擬CO2注入過程中壓力變化情況下的時(shí)移地震模型建立。

圖1 黃234井實(shí)際速度、預(yù)測的速度及其誤差Fig.1 Actual velocity,predicted velocity and the error of well Huang-234

3 壓力和飽和度變化對巖石速度參數(shù)的影響

在模擬CO2注入致密油藏提高石油采收率與地質(zhì)封存的過程中，隨著CO2的高壓注入，地層壓力也會發(fā)生變化，影響干巖石的剪切模量、體積模量和密度發(fā)生變化，因此不僅需要預(yù)測注入CO2后橫波速度隨壓力的變化，同時(shí)還需要預(yù)測縱波速度隨壓力的變化。

在上一節(jié)縱波速度約束下的配位數(shù)CP計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合測井資料獲得的礦物體變模量Kma、礦物切變模量μma、骨架泊松比v，可以分別計(jì)算出在不同地層壓力和CO2飽和度下對應(yīng)的混合流體密度和混合流體體變模量Kfl，再代入公式（1）—（3）得到干巖石的體變模量和切變模量。結(jié)合Gassmann方程（7）、（8），得到對應(yīng)流體飽和度和壓力狀態(tài)下的縱波速度和橫波速度。

根據(jù)研究區(qū)已有的測井?dāng)?shù)據(jù)資料，以黃234井油層段2 469.0～2 470.9 m，2 510.5～2 519.4 m，2 521.8～2 530.4 m，2 536.0～2 541.3 m 為儲層。我們對儲層原始的縱波速度、橫波速度、密度、孔隙度、含氣飽和度、泥質(zhì)含量等測井巖石物理數(shù)據(jù)進(jìn)行方波化處理，得到表1模型數(shù)據(jù)。

引用表1中的儲層模型數(shù)據(jù)，利用上述速度模型建立方法，對油層進(jìn)行壓力相同、CO2飽和度變化的流體替換和速度預(yù)測。為簡單起見，假定為儲層僅為CO2和油兩相流體，不考慮含水。那么研究區(qū)油井黃234 的原始CO2飽和度為0，故取0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%7種飽和度，研究不同飽和度下彈性參數(shù)的變化趨勢，如圖2。從圖中可以看到，隨著CO2飽和度的增加，縱波速度減少約0.05 km/s，橫波速度增加約0.000 1 km/s，基本保持不變。

考慮到研究區(qū)有效壓力（上覆壓力—地層壓力）為24 MPa，注入壓力一般應(yīng)該小于蓋層破裂壓力。所以我們針對不同情況模擬原始地層壓力增加（注入時(shí)）或減小（抽采時(shí)）5 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行變化。每變化1 MPa分別進(jìn)行流體替換，計(jì)算對應(yīng)的橫波速度和縱波速度。從圖3可以看出隨地層壓力增加，縱波速度減少約0.23 km/s，橫波速度減少約0.15 km/s，速度隨地層壓力的改變變化顯著。隨著CO2的注入，必然伴隨壓力的改變，進(jìn)而影響橫、縱波速度明顯變化，因此對壓力影響的研究在時(shí)移地震監(jiān)測中尤為重要。

圖2 同一壓力狀態(tài)下隨著飽和度變化縱波速度和橫波速度的變化趨勢Fig.2 Variation trend of p-wave velocity and s-wave velocity varied with saturation under the same pressure

在實(shí)際時(shí)移地震監(jiān)測過程中，不同的壓力可以對應(yīng)抽采和注CO2過程中地下不同的狀態(tài)。如果儲層孔隙壓力低于原始壓力，巖石速度模型可以反映抽采階段地下壓力降低。當(dāng)進(jìn)行CO2地質(zhì)封存的過程，即地下地層壓力一般是由于抽采造成低于原始壓力。隨著CO2注入量增加，地層壓力升高至原始地層壓力，再至高于原始地層壓力（圖3）。也可根據(jù)速度模型，模擬不同地層壓力和CO2飽和度時(shí)的地下狀態(tài)。

對比CO2飽和度和壓力變化對致密砂巖儲層速度的影響可得（圖2、圖3），壓力是注入階段引起橫波速度變化的主要原因，其主要是通過干巖石的切變模量影響速度變化。因此，在本地區(qū)致密儲層CO2驅(qū)替過程中的時(shí)移地震監(jiān)測中，時(shí)移地震屬性差異的變化應(yīng)該主要來自壓力變化的影響。

表1 黃234井模型參數(shù)Table 1 Parameters of velocity model of well Huang-234

圖3 同一飽和度下隨著地層壓力變化縱波速度和橫波速度的變化趨勢Fig.3 Variation trend of p-wave velocity and s-wave velocity varied with formation pressure under the same pressure

4 兩層介質(zhì)模型時(shí)移AVO分析

由于研究區(qū)儲層較薄，橫向變化大，且為砂泥巖薄層，多層模型AVO受巖層結(jié)構(gòu)影響比較大，不能較好反映單純儲層注入CO2后的巖石物理性質(zhì)變化。因此我們在這里開展兩層介質(zhì)模型，儲層注入CO2過程中時(shí)移AVO[20]變化曲線。我們以黃234井含油儲層和蓋層為基礎(chǔ)建立兩層介質(zhì)模型。對黃234 井油層上5 m 厚度蓋層數(shù)據(jù)進(jìn)行方波化處理，并假定注入CO2壓力條件下蓋層彈性參數(shù)不變，得到表2。儲層數(shù)據(jù)為根據(jù)表1為基礎(chǔ)的儲層速度模型計(jì)算出的不同地層壓力、CO2飽和度狀態(tài)下的縱波、橫波速度和密度。

首先，在原始地層壓力下，取CO2飽和度分別為0%，10%，20%，30%時(shí)，含油與含CO2兩相流體，進(jìn)行AVO 分析（圖4）。整體上反射系數(shù)隨著入射角的增大，反射系數(shù)呈降低的趨勢。其中黑色實(shí)線為未注入CO2原始狀態(tài)，其他線為流體替換后不同飽和度下的AVO曲線?？梢钥吹?，隨著CO2飽和度的增加，反射系數(shù)逐漸減小，并且飽和度越大變化越不明顯。即反射系數(shù)對微小的CO2飽和度很敏感，但是隨CO2飽和度增加，不同飽和度之間反射系數(shù)差異不明顯。這與致密含氣儲層AVO特征極為相似。

表2 黃234井兩層介質(zhì)模型蓋層參數(shù)Table 2 Cover layer parameters of two-layer model of well Huang-234

圖4 隨CO2飽和度變化的AVO曲線（地層壓力為29.77 MPa）Fig.4 AVO curve varied with CO2 saturation（when the formation pressure is 29.77 MPa）

其次，控制CO2飽和度為0不變，每隔2 MPa改變地層壓力±6 MPa，繪制AVO 曲線（圖5）。對比飽和度變化和地層壓力變化的AVO 曲線，可以看到反射系數(shù)對地層壓力變化更為敏感。

圖5 隨壓力變化的AVO曲線（CO2飽和度為0）Fig.5 AVO curve varied with pressure（when the CO2 saturation is 0）

同時(shí)，利用Shuey[20]公式計(jì)算AVO 梯度和截距，建立梯度和截距交繪圖。我們分別取上述4 個(gè)飽和度和地層壓力±6 MPa 的縱波速度、橫波速度和密度進(jìn)行計(jì)算，得到的梯度和截距均為負(fù)值，符合第Ⅲ類含氣砂巖的類別[21，22]。這同時(shí)也說明了注入地下儲層的超臨界CO2，其地震響應(yīng)與天然氣特征類似，而第二類含氣砂巖是鄂爾多斯盆地最容易被常規(guī)地震技術(shù)檢測到的含氣儲層。

圖6和圖7是CO2飽和度和壓力分別變化的梯度截距圖，星形是原始儲層狀態(tài)時(shí)的梯度和截距?？梢钥闯觯S壓力變化時(shí)的AVO 梯度和截距變化非常明顯。這說明了致密含油層注入CO2后，與注入前的地震振幅差異隨注入壓力增加而顯著增加，采用時(shí)移地震技術(shù)可以很好地監(jiān)測到注入后地震振幅的差異。而振幅的差異變化對于CO2飽和度的依賴不高，主要是地層壓力變化的反映。

圖6 隨壓力變化的梯度—截距（CO2飽和度為0）Fig.6 Gradient and intercept varied with pressure（when the CO2 saturation is 0）

圖7 隨CO2飽和度變化的梯度—截距（地層壓力為29.77 MPa）Fig.7 Gradient and intercept varied with CO2 saturation（when the formation pressure is 29.77 MPa）

5 結(jié)論

1）建立致密砂巖儲層巖石物理模型是時(shí)移地震監(jiān)測的基礎(chǔ)。時(shí)移地震巖石物理模型的建立，關(guān)鍵在用橫波速度的預(yù)測，以及CO2注入后儲層縱、橫波速度隨壓力變化的預(yù)測。

2）利用Digby 模型結(jié)合Gassmann 方程進(jìn)行橫波速度和縱波速度曲線預(yù)測，在以蘇里格地區(qū)黃234油井進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算體變模量和切變模量方法的高精度。同時(shí)，本文方法可以模擬縱、橫波速度曲線隨注入壓力變化的關(guān)系。

3）以黃234井含油儲層及蓋層為基礎(chǔ)建立的兩層介質(zhì)模型，模擬不同地層壓力以及流體飽和度下的縱波和橫波速度變化。揭示了隨CO2注入過程中地層壓力增大或CO2飽和度增大，縱波速度和橫波速度均降低，壓力對地震特征的影響遠(yuǎn)大于CO2飽和度的影響。兩層介質(zhì)模型的方法也可以應(yīng)用于多層介質(zhì)模型及井模型的時(shí)移AVO模擬。

4）模擬不同注入壓力與飽和度變化的AVO 梯度截距圖，清晰地反映了隨CO2飽和度增加，縱波速度略減小，橫波速度略微增加；隨注入壓力增加，橫、縱波速度均明顯減小，注入CO2后儲層的AVO 特性呈現(xiàn)第二類含氣砂巖特征。證明了CO2注入致密儲層后的不同階段，都可以采用時(shí)移地震進(jìn)行有效監(jiān)測。