寬頻地震數(shù)據(jù)碳酸鹽巖疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)
——以濱里海盆地東緣B區(qū)塊為例

楊 峰,聶 輝,陳洪濤,岳躍龍,曾凡平,申林麗

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院大港分院,天津300280)

濱里海盆地B區(qū)塊位于哈薩克斯坦共和國(guó)阿克糾賓州讓納若爾油田東南地區(qū),石炭系KT-Ⅱ段碳酸鹽巖為區(qū)內(nèi)主要目的層段之一[1-2]。鉆井證實(shí),該層段碳酸鹽巖地層埋藏深度較大、速度高,儲(chǔ)層橫向變化快,油層厚度薄、連續(xù)性差,油水關(guān)系復(fù)雜,物性控制因素明顯,需要利用地震反演進(jìn)行儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測(cè)。常規(guī)地震資料受限于頻帶寬度,地震反演過(guò)程中需要借助于測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行低頻補(bǔ)償和高頻拓展。常規(guī)地震采集頻帶寬度一般為8～68Hz,反演時(shí),在頻帶拓寬過(guò)程中,測(cè)井曲線(xiàn)的過(guò)多參與使得碳酸鹽巖地震反演多解性問(wèn)題難以有效解決,同時(shí)無(wú)井區(qū)薄儲(chǔ)層的橫向變化也難以得到有效反映,從而造成儲(chǔ)層邊界識(shí)別不清,側(cè)向封堵條件落實(shí)困難,極大地影響了工區(qū)內(nèi)鉆井成功率。近年來(lái)寬頻地震數(shù)據(jù)疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅猛[3],在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中取得了良好的效果。2013年,在B區(qū)塊部署采集了全球陸上首塊使用1.5Hz低頻可控震源的二次三維地震資料,該資料信號(hào)采集頻寬達(dá)1.5～96.0Hz,為后期開(kāi)展精細(xì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。本次研究利用上述三維地震資料,應(yīng)用疊前彈性參數(shù)反演及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法,開(kāi)展了區(qū)內(nèi)目的層儲(chǔ)層的精細(xì)預(yù)測(cè)工作。

1 地震資料采集與能量補(bǔ)償

寬頻地震勘探技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度地震勘探的重要方法之一。陸上寬頻地震采集的一般工作流程中,關(guān)鍵技術(shù)集中在觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括加密激發(fā)源與檢波器以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目臻g采樣率,然后在數(shù)據(jù)處理階段,再恢復(fù)寬頻數(shù)據(jù)。B區(qū)塊寬頻地震采集中首次采用低頻可控震源,其各項(xiàng)采集參數(shù)見(jiàn)表1。從表1中可知利用低頻震源采集各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)三維地震資料采集,尤其是其掃描頻率、面元及覆蓋次數(shù)等參數(shù)的大幅提升有效地保證了所采集的寬頻地震資料的質(zhì)量(圖1)。

圖1 寬頻地震資料頻帶分布

表1 B區(qū)塊寬頻地震各項(xiàng)采集參數(shù)

由于檢波器等因素的影響,采集中輸出的低頻及高頻能量在接收過(guò)程中會(huì)有不同程度的損失,損失的能量需要進(jìn)行合理的補(bǔ)償處理。在處理過(guò)程中,采用基于震源信號(hào)的寬頻補(bǔ)償技術(shù),以低頻震源掃描信號(hào)的子波在低頻端及高頻端的振幅特性為約束條件,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理補(bǔ)償,提高地震數(shù)據(jù)在相應(yīng)頻段的能量(圖2)。

圖2 寬頻震源頻帶補(bǔ)償前后的地震資料頻帶分布

2 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)

針對(duì)研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層變化特點(diǎn),制定了一套寬頻疊前反演儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)流程(圖3)。首先進(jìn)行巖石物理分析,確定巖性及物性的敏感參數(shù),進(jìn)而在寬頻地震資料的基礎(chǔ)上應(yīng)用疊前彈性參數(shù)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等多種方法預(yù)測(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層橫向變化[4-6]。寬頻地震反演是在常規(guī)地震反演的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮寬頻帶地震資料的優(yōu)勢(shì),利用寬頻帶地震數(shù)據(jù)本身所具有的高頻與低頻信息參與地震反演,在高頻信息提高分辨率的同時(shí),低頻信息可有效降低地震反演的多解性[7]。

圖3 寬頻地震疊前反演儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)流程

3 巖石物理分析

巖石的自身結(jié)構(gòu)(顆粒性質(zhì)、孔隙特征、孔隙流體等)與彈性參數(shù)關(guān)系是巖石地球物理分析的基礎(chǔ),巖石的孔隙大小與結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定了地下油氣儲(chǔ)層的工業(yè)價(jià)值,應(yīng)用測(cè)井曲線(xiàn)交會(huì)分析巖石儲(chǔ)層參數(shù)與地球物理參數(shù)的關(guān)系,從而優(yōu)選出儲(chǔ)層敏感參數(shù),指導(dǎo)儲(chǔ)層巖性及物性預(yù)測(cè)方法的實(shí)施(圖4)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)KT-Ⅱ油組縱波時(shí)差、橫波時(shí)差、密度、自然伽馬、深淺側(cè)向電阻率、補(bǔ)償中子等曲線(xiàn)以及彈性參數(shù)縱橫波速度比,分析其與儲(chǔ)層巖性變化的關(guān)系,認(rèn)為該區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層地球物理特征為低縱波時(shí)差、低橫波時(shí)差、低密度、低縱橫波速度比、高補(bǔ)償中子,而自然伽馬等曲線(xiàn)表現(xiàn)則不太敏感。由此確定利用地震數(shù)據(jù)體計(jì)算出速度、密度及彈性參數(shù),就可以表征儲(chǔ)層空間變化。

圖4 儲(chǔ)層敏感參數(shù)優(yōu)選交會(huì)

4 地震頻率信息處理

4.1 地震頻率構(gòu)成分析

常規(guī)地震采集的頻帶范圍一般為8～70Hz,由于缺乏低頻信息,通常要應(yīng)用測(cè)井等其它信息進(jìn)行低頻補(bǔ)償和高頻拓展,而本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為寬頻采集地震資料,采用低頻震源,其頻帶寬度為1.5～96.0Hz[8],地震資料頻帶得以有效拓寬(圖1)。為了研究頻率特征,分別將測(cè)井和地震的聲波阻抗進(jìn)行分頻處理,特別對(duì)低頻段加密細(xì)分(主要分為0～1.5Hz、1.5～6.0Hz、6～12Hz、12～96Hz等),然后對(duì)每一頻段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)之間的差異進(jìn)行對(duì)比,精細(xì)研究其與儲(chǔ)層之間的關(guān)系:地震數(shù)據(jù)缺失0～1.5Hz頻段;1.5～6.0Hz地震數(shù)據(jù)能量偏弱;6～12Hz與12～96Hz地震數(shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相差不大。

4.2 低頻模型調(diào)整

細(xì)分頻段分析結(jié)果表明,低頻段的部分地震信息不完整,要準(zhǔn)確計(jì)算的絕對(duì)波阻抗就必須對(duì)地震能量偏弱的頻段進(jìn)行合理補(bǔ)償,最終與測(cè)井模型合成一個(gè)較為完善的低頻模型。

針對(duì)以上頻率分段信息進(jìn)行分析,主要方案如下:

1) 0～1.5Hz缺地震信息,只能依靠測(cè)井模型得到;

2) 1.5～6.0Hz是地震能量偏弱頻段,需要將地震數(shù)據(jù)與測(cè)井信息進(jìn)行融合計(jì)算,最大限度補(bǔ)償?shù)卣鹦畔?

3) 6～12Hz是地震與測(cè)井信息較為相似段,地震數(shù)據(jù)具有很好的橫向分辨能力,可以完全應(yīng)用地震信息。

其中,方案2)部分的融合計(jì)算是目前常規(guī)反演未涉及到的步驟,是本次研究的創(chuàng)新之處。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)工作,確定合成頻率為:測(cè)井模型的0～1.5Hz部分、測(cè)井模型與地震波阻抗融合的1.5～6.0Hz部分、地震波阻抗的6～12Hz部分,最終得到較為合理的復(fù)合低頻模型數(shù)據(jù)(圖5)。該模型與常規(guī)的低頻模型相比,既有地震低頻信息也有測(cè)井低頻信息,在確保測(cè)井吻合率的基礎(chǔ)上,橫向分辨率得到了很大改善,降低了測(cè)井之間的多解性。同時(shí),與常規(guī)采集處理的窄頻帶地震資料波阻抗反演相比(圖6a),寬頻帶地震資料反演絕對(duì)波阻抗剖面中可以非常清楚地分辨出巖性的橫向變化(圖6b),更真實(shí)地反映了地下地質(zhì)特征。

圖5 寬頻帶低頻模型建立效果顯示

圖6 窄頻帶與寬頻帶絕對(duì)波阻抗剖面對(duì)比a 窄頻帶(常規(guī)地震資料)波阻抗反演剖面; b 寬頻帶波阻抗反演剖面

5 地震反演與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

通過(guò)巖石物理分析得到了儲(chǔ)層敏感參數(shù),再通過(guò)復(fù)合低頻模型的建立降低地震的多解性,為下一步反演工作奠定了基礎(chǔ)。為了更加真實(shí)地表征儲(chǔ)層,應(yīng)用了疊前彈性參數(shù)反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演兩項(xiàng)技術(shù),其中疊前彈性參數(shù)反演主要是利用地震資料低頻信息計(jì)算疊前彈性參數(shù),預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層空間分布;地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演主要是將預(yù)測(cè)結(jié)果向高頻拓展,解決薄儲(chǔ)層識(shí)別問(wèn)題。

5.1 疊前彈性參數(shù)反演

疊前彈性參數(shù)反演是目前地震反演中一項(xiàng)重要的技術(shù),是疊前AVO技術(shù)的延伸,其基本原理是:給定若干組角度道集和對(duì)應(yīng)每個(gè)角度道集的地震子波;利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)最優(yōu)擬合出的K和M值,設(shè)定初始值;利用Zoeppritz近似表達(dá)式求解方程組,與低頻模型合成得到巖石的縱波速度vP、橫波速度vS、密度ρ三個(gè)數(shù)據(jù)體,進(jìn)而利用彈性公式計(jì)算巖石的縱橫波速度比vP/vS、泊松比σ、拉梅系數(shù)λ、剪切模量μ等彈性參數(shù)。疊前彈性參數(shù)反演過(guò)程中建立了縱波阻抗、橫波阻抗和密度之間符合地質(zhì)規(guī)律的相互約束關(guān)系[9-10],可以有效降低單純縱波阻抗反演儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的多解性,增強(qiáng)反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)比較,并參考前人研究成果,證實(shí)疊前彈性參數(shù)反演與常規(guī)疊后反演相比具有以下優(yōu)勢(shì)[11-12]:

1) 彈性阻抗的計(jì)算公式更符合地下巖石的彈性特征;

2) 疊前道集更真實(shí)地反映了野外實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果和地下實(shí)際振幅的變化;

3) 疊前彈性參數(shù)反演所使用的測(cè)井資料更豐富,巖性和含油性的判斷依據(jù)更加充分,精度明顯提高;

4) 彈性參數(shù)對(duì)油氣響應(yīng)較聲波阻抗更為敏感。

B區(qū)塊主要目的層KT-Ⅱ段為碳酸鹽巖沉積,其儲(chǔ)層橫向變化快,非均質(zhì)性強(qiáng),油水關(guān)系復(fù)雜。針對(duì)這些特征采用疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)解決儲(chǔ)層的橫向預(yù)測(cè)問(wèn)題。首先將地震道集數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,得到近、中、遠(yuǎn)三個(gè)角度疊加數(shù)據(jù),在A(yíng)VA域?qū)⒚恳粋€(gè)角度疊加地震數(shù)據(jù)分別與測(cè)井曲線(xiàn)做標(biāo)定估算其子波,然后結(jié)合低頻模型計(jì)算出縱波速度vP、橫波速度vS、密度ρ三個(gè)數(shù)據(jù)體,利用彈性公式進(jìn)一步計(jì)算出彈性參數(shù)縱橫波速度比vP/vS,最后結(jié)合前期巖石物理分析結(jié)果對(duì)儲(chǔ)層開(kāi)展精確的巖性物性預(yù)測(cè)。

對(duì)比分析縱波速度vP、橫波速度vS和縱橫波速度比vP/vS剖面(圖7),已知區(qū)內(nèi)鉆井C為水井,D為產(chǎn)油井,縱波速度剖面均顯示為儲(chǔ)層發(fā)育區(qū),油水界面不清楚,橫波速度剖面只能識(shí)別出部分儲(chǔ)層的油水界面,而縱橫波速度比剖面可以清晰地將儲(chǔ)層油水邊界分辨出來(lái)。圖8對(duì)比分析了常規(guī)地震資料疊前彈性參數(shù)反演與寬頻地震資料疊前彈性參數(shù)反演結(jié)果,由圖8可見(jiàn),寬頻地震疊前彈性參數(shù)反演能更清晰地刻畫(huà)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層發(fā)育特征,識(shí)別有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū),從而提高鉆井成功率。

5.2 井震聯(lián)合協(xié)同模擬

由于研究區(qū)的碳酸鹽巖速度在5500～6000m/s范圍內(nèi),而目的層的油氣儲(chǔ)層厚度極薄,大多在0.5～10.0m范圍內(nèi),只依據(jù)現(xiàn)有地震資料很難識(shí)別薄儲(chǔ)層,因此必須拓展地震高頻部分以滿(mǎn)足精細(xì)研究薄儲(chǔ)層物性分布特征的要求[13-14]。經(jīng)過(guò)方法優(yōu)選,應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演中的馬爾科夫鏈—蒙特卡羅算法來(lái)拓展高頻,其可以根據(jù)實(shí)際的概率分布得到統(tǒng)計(jì)意義上正確的隨機(jī)樣點(diǎn)分布,計(jì)算過(guò)程是通過(guò)與優(yōu)化算法(如變化梯度法)類(lèi)似的增量調(diào)整方式實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化[15]。由于序貫高斯模擬過(guò)程是當(dāng)網(wǎng)格被全部填充后即得到近似的結(jié)果,所以,任何應(yīng)用序貫指示模擬技術(shù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上都不是嚴(yán)格正確的。馬爾科夫鏈—蒙特卡洛算法克服了這個(gè)缺點(diǎn),比序貫指示模擬類(lèi)型的算法更加適用于巖性模擬或者后續(xù)的協(xié)同模擬,因?yàn)樵摲椒ㄍ瑫r(shí)考慮了地震和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)信息,并且計(jì)算過(guò)程更加嚴(yán)格,能避免局部最優(yōu),并有效地解決了全局優(yōu)化的問(wèn)題,具備快速收斂能力[16]。

圖7 B區(qū)塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層疊前彈性參數(shù)反演剖面

本次研究在疊前彈性參數(shù)反演基礎(chǔ)上,通過(guò)統(tǒng)計(jì)工區(qū)內(nèi)測(cè)井孔隙度曲線(xiàn)的概率分布函數(shù),與彈性參數(shù)建立相關(guān)函數(shù),由井震聯(lián)合協(xié)同模擬計(jì)算出儲(chǔ)層物性參數(shù)孔隙度數(shù)據(jù)體,其剖面在保留原來(lái)巖性特征的基礎(chǔ)上,縱向分辨率比前期地震反演的結(jié)果要提高1～2倍(圖9)。經(jīng)過(guò)與工區(qū)內(nèi)測(cè)井信息孔隙度對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算出的孔隙度數(shù)據(jù)體具有較高的鉆井吻合率,以此數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ),開(kāi)展了儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)工作,得到了預(yù)測(cè)平面圖,為勘探井位部署提供了重要的支持。

5.3 應(yīng)用效果

通過(guò)寬頻地震數(shù)據(jù)的碳酸鹽巖疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了B區(qū)塊KT-Ⅱ段油組的儲(chǔ)層定量化描述,疊合構(gòu)造成圖結(jié)果,在工區(qū)內(nèi)部署了6口探井,目前完鉆3口。鉆井揭示巖性組合特征以及儲(chǔ)層發(fā)育情況與預(yù)測(cè)結(jié)果非常吻合,儲(chǔ)層厚度及孔隙度預(yù)測(cè)誤差在8%以?xún)?nèi)。錄井見(jiàn)多套油氣顯示,測(cè)井解釋多套油氣層,完成試油的X-1井獲得油氣流(圖10),新增石油地質(zhì)儲(chǔ)量6500×104t,勘探效益顯著。

圖8 B區(qū)塊A油層組疊前彈性參數(shù)反演結(jié)果對(duì)比a 常規(guī)地震資料; b 寬頻地震資料

圖9 B區(qū)塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層井震聯(lián)合協(xié)同模擬剖面

圖10 B區(qū)塊A油層組綜合評(píng)價(jià)

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濱里海盆地B區(qū)塊碳酸鹽巖寬頻地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究,獲得以下認(rèn)識(shí):

1) 寬頻地震資料各項(xiàng)采集參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)三維地震資料采集參數(shù),尤其是其掃描頻率、面元、覆蓋次數(shù)等參數(shù)的優(yōu)化與合理的補(bǔ)償處理方法,有效保證了寬頻地震資料的質(zhì)量。

2) 基于寬頻地震數(shù)據(jù)的疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)極大地提高了儲(chǔ)層識(shí)別精度,特別是低頻地震信息的應(yīng)用改善了儲(chǔ)層橫向識(shí)別能力,降低了地球物理數(shù)據(jù)識(shí)別地質(zhì)儲(chǔ)層的多解性。

3) 與常規(guī)地震疊前彈性參數(shù)反演相比,寬頻地震疊前彈性參數(shù)反演能夠更為清晰地反映研究區(qū)地質(zhì)特征,刻畫(huà)有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)帶,提高區(qū)內(nèi)鉆井成功率。