五維地震油氣識別方法?

印興耀 張洪學(xué) 宗兆云

(1 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 青島 266580)

(2 海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

0 引言

基于五維地震數(shù)據(jù)的地震流體識別源于寬方位地震勘探處理技術(shù)的成熟與發(fā)展，寬方位地震勘探可以獲得海量的高品質(zhì)寬方位地震數(shù)據(jù)，基于炮檢距向量片(Offset vector tile,OVT)處理技術(shù)[1?2]得到TB 級高品質(zhì)“五維”疊前地震道集，進(jìn)而可進(jìn)行五維地震數(shù)據(jù)解釋[3]。寬方位地震勘探是指觀測系統(tǒng)中的橫向與縱向排列的比值大于0.5 的地震勘探方式，相較于傳統(tǒng)的窄方位地震勘探，寬方位地震勘探有很多優(yōu)勢：寬方位勘探可以增加勘探照明度，獲得較完整的地震波場；寬方位地震可研究振幅隨炮檢距和方位角的變化(Amplitude variation with offset and azimuth,AVOAZ)、地層速度隨方位角的變化(Velocity variation with angle,VVA)，從而增強(qiáng)了識別地下各向異性和流體分布的能力[4?6]。寬方位地震采集在21 世紀(jì)初率先在海上得到廣泛應(yīng)用，之后，在陸上逐漸得到應(yīng)用[7]。OVT 數(shù)據(jù)域五維地震資料，是以“片”為單位建立同時(shí)包含炮檢距和方位角信息的高品質(zhì)“五維” (即空間三維坐標(biāo)＋炮檢距＋方位角)共反射點(diǎn)地震道集。充分考慮五位地震數(shù)據(jù)中重要的方位角和炮檢距信息，挖掘其中豐富的方位各向異性信息，為五維地震流體識別奠定基礎(chǔ)。

隨著地質(zhì)勘探目標(biāo)復(fù)雜性及我國能源需求的不斷提高，以很強(qiáng)非均質(zhì)性和各向異性為特征的復(fù)雜裂縫儲(chǔ)層成為我國油氣勘探的重要目標(biāo)，也是目前面臨的一類最為重要的、最難預(yù)測的油氣藏，其預(yù)測成為公認(rèn)的難題之一[8?10]，究其原因是目標(biāo)儲(chǔ)層的特殊性、地下埋藏條件的復(fù)雜性以及相應(yīng)地球物理數(shù)學(xué)特征的多解性[11]。各向異性巖石物理是五維地震流體識別的關(guān)鍵，疊前各向異性反演算法是實(shí)現(xiàn)五維地震流體解釋的有效途徑。五維地震流體識別是在各向異性巖石物理理論指導(dǎo)下建立將與孔隙流體有關(guān)的異常特性表征為各向異性因子，并利用五維地震數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)流體因子反演的過程。

各向異性因子的構(gòu)建是五維地震流體識別的關(guān)鍵，在五維地震巖石物理模型及儲(chǔ)層流體地震響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，將孔隙及裂縫對流體的異常特性表征為各向異性因子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜儲(chǔ)層含流體類型的判識。Hudson[12]基于線性和硬幣型裂縫假設(shè)，提出裂縫流體指示因子。Smith 等[13]率先利用地震波速度相對差異的加權(quán)疊加作為儲(chǔ)層油氣識別的流體因子。Schoenberg 等[14]通過線性滑動(dòng)理論將裂縫法向柔度與切向柔度之比作為另一種裂縫流體因子，目前應(yīng)用較為廣泛。Goodway等[15]提出的λ-μ-ρ法即利用地下地層的異常拉伸特性識別儲(chǔ)層流體類型。Smith 等[16]提出了流體因子角和交叉角度的兩種流體因子概念。Quakenbush 等[17]提出了泊松比作為流體因子進(jìn)行油氣識別。Russell 等[18]將參數(shù)ρf作為流體因子，隨后在2011年利用孔隙彈性巖石物理理論提出了等效流體模量Kf[19]。Xue 等[20]假設(shè)裂縫表面光滑，利用來表征流體因子，其中?N和分別表示代表飽巖石和和干燥巖石的裂縫法向柔度。上述流體是基于不同的假設(shè)理論提出，其中只有幾種與各向異性有關(guān)的流體因子，然而缺乏孔隙流體理論的支撐，由多孔隙流體理論構(gòu)造的流體因子沒有考慮各向異性信息的影響。

疊前地震反演是實(shí)現(xiàn)五維地震流體識別的有效途徑[21]，其結(jié)果直接影響流體因子的可靠性[22]。在疊前地震反演中，各向異性反射系數(shù)近似方程是反演框架構(gòu)建的基礎(chǔ)，如：Rüger等[23?26]給出HTI介質(zhì)反射透射方程，并進(jìn)行預(yù)測；Downton 等[27?28]利用Rüger 的HTI 介質(zhì)反射系數(shù)近似公式，進(jìn)而預(yù)測各向異性參數(shù)；印興耀等[29]利用彈性阻抗反演實(shí)現(xiàn)了Gassmann 流體/孔隙項(xiàng)的估算；陳懷震等[30?32]研究HTI 介質(zhì)各向異性AVO 特征，并進(jìn)行各向異性參數(shù)反演，求取裂縫流體因子；印興耀等[33]基于包含Russell流體因子的兩項(xiàng)彈性阻抗方程實(shí)現(xiàn)了Russell 流體因子的直接提取，取得了較好的深層流體識別應(yīng)用效果；孫瑞瑩等[34]結(jié)合測井信息利用隨機(jī)反演算法實(shí)現(xiàn)流體因子估算；Pan等[35]基于AVOAZ 反演巖石物理反演裂縫流體因子；Zong 等[36]基于HTI 介質(zhì)提出了預(yù)測各向異性參數(shù)的新方法；Pan 等[37]對OA 介質(zhì)儲(chǔ)層進(jìn)行裂縫參數(shù)反演，并預(yù)測儲(chǔ)層流體分布。由上述分析可知，目前地震各向異性反演常用的方法是彈性阻抗反演方法和基于貝葉斯框架的AVOAZ 反演方法，其中彈性阻抗反演方法由于其穩(wěn)定性高應(yīng)用較為廣泛。

該文結(jié)合Gassmann孔隙流體各向異性介質(zhì)理論、線性滑動(dòng)理論以及Thomsen 各向異性參數(shù)，提出一種新的流體因子類型，即各向異性因子(fani)，經(jīng)驗(yàn)證該流體因子在各向同性的情況下，可退化為Gassmann流體項(xiàng)，驗(yàn)證該流體因子的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，建立各向異性因子與地下介質(zhì)彈性參數(shù)的關(guān)系，并利用五維地震數(shù)據(jù)反演進(jìn)行流體識別，本方法從巖石物理機(jī)制上綜合考慮儲(chǔ)層的各向異性特性以及含流體特性儲(chǔ)層流體的影響，通過實(shí)際應(yīng)用以及流體判識敏感性定量分析發(fā)現(xiàn)，各向異性因子(fani)有較高的流體指示敏感性，利用該方法進(jìn)行五維地震流體識別可取得良好效果。

1 各向異性因子構(gòu)建

地下巖石是由基質(zhì)、裂縫和孔隙流體組成的各向異性多孔雙相介質(zhì)。孔隙流體以及裂縫的存在必然會(huì)影響巖石的力學(xué)特征，從而使介質(zhì)巖石表現(xiàn)出一定的彈性異常，以此從各向異性雙相介質(zhì)理論出發(fā)可以更好地研究孔隙流體以及裂縫對介質(zhì)巖石彈性參數(shù)的影響，為敏感流體因子的構(gòu)建提供更好的指導(dǎo)。關(guān)于雙相各向異性介質(zhì)理論的研究，1951年，Gassmann[38]在一系列假設(shè)前提下，推導(dǎo)出表征雙相各向異性介質(zhì)彈性模量參數(shù)的Gassmann方程，該方程表示為

在裂縫參數(shù)較小、流體體積模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體顆粒的假設(shè)下，方程(3)可以簡化為

基于長波長假設(shè)條件，單組裂縫充填于各項(xiàng)同性介質(zhì)背景，可被視為有效的HTI 介質(zhì)。在裂縫法線平行于x軸的情況下，使用線性滑動(dòng)理論，干燥HTI介質(zhì)剛度矩陣由方程(5)給出：

其中，λ、μ是圍巖的拉梅常數(shù)，裂縫參數(shù)為切向柔度?T與法向柔度?N。

將方程(5)代入方程(2)，可以求出

根據(jù)方程(6)，分析裂縫以及孔隙流體的影響，按照Russell 對流體因子構(gòu)建流程[18]，構(gòu)建各向異性因子為

Bakulin 等[40]基于線性滑動(dòng)理論研究了多種裂縫組合形態(tài)的等效彈性矩陣，并在弱各向異性假設(shè)下給出了裂縫參數(shù)與Thomsen 各向異性參數(shù)的關(guān)系：

將方程(6)代入縱橫波速度公式，并結(jié)合方程(8)，將方程(7)各向異性因子改寫為如下形式：

為了驗(yàn)證所建立各向異性因子的準(zhǔn)確性，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不含裂縫時(shí)，裂縫柔度?N和?T等于0，即將方程(5)退化為各向同性介質(zhì)剛度矩陣，代入方程(7)，本文構(gòu)建的各向異性因子退化為

經(jīng)驗(yàn)證，方程(10)與Gassmann流體項(xiàng)相等，驗(yàn)證了本文構(gòu)建的各向異性因子的準(zhǔn)確性。

為了進(jìn)一步說明本文構(gòu)建的各向異性因子在工區(qū)流體識別中的優(yōu)越性，將幾種常用的流體因子(主要是μρ、IP、λρ、Gassmnanf、λ ?μ)對流體區(qū)分的指示系數(shù)[11]與各向異性因子進(jìn)行比較，圖1顯示了不同流體因子的指示系數(shù)，從其中可以看出各向異性因子fani對流體的區(qū)分能力最強(qiáng)。

圖1 流體因子指示系數(shù)比較圖Fig.1 Comparison of sensitivity of different fluid factors

2 方位各向異性彈性阻抗反演算法

疊前方位地震反演方法中的方位各向異性彈性阻抗方法具有較好的抗噪性和穩(wěn)定性，且能夠充分利用方位地震數(shù)據(jù)的方位各向異性信息，因而在裂縫型儲(chǔ)層預(yù)測方面具有廣泛的應(yīng)用。Rüger[23]推導(dǎo)了HTI 介質(zhì)的方位反射系數(shù)近似方程，使針對裂縫型儲(chǔ)層的疊前方位地震反演成為可能，該反射系數(shù)近似公式的另一種以縱橫波模量、密度以及各向異性參數(shù)表征的形式為

其中，θ為入射角，φ為方位角，?δ(V)、?ε(V)和?γ(V)為上下介質(zhì)各向異性參數(shù)的差值。

基于方程(11)，根據(jù)Connolly[41]推導(dǎo)彈性阻抗的思路，將方位反射系數(shù)表示為

不同彈性參數(shù)的相對反射系數(shù)?M/M、?μ/μ以及?ρ/ρ可以用對數(shù)形式來等效：

將方程(12)和方程(13)代入方程(11)可以得到HTI介質(zhì)方位各向異性彈性阻抗方程。由于方位各向異性彈性阻抗方程的量綱會(huì)隨著入射角和方位角的變化出現(xiàn)劇烈變化的不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此為了得到可靠預(yù)測地應(yīng)力的彈性參數(shù)和各向異性參數(shù)，需要對方位各向異性彈性阻抗做標(biāo)準(zhǔn)化處理[42]，最終整理得到標(biāo)準(zhǔn)化的方位彈性阻抗方程為

其中，

為了能夠從彈性阻抗數(shù)據(jù)體中反演出穩(wěn)定的彈性參數(shù)和各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)體，需要對方程(14)進(jìn)行線性化處理，即：

利用已知的測井?dāng)?shù)據(jù)以及井旁道方位彈性阻抗值計(jì)算公式(16)中各參數(shù)對應(yīng)的常系數(shù)。在儲(chǔ)層彈性性質(zhì)橫向變化較小的情況下，可將常系數(shù)看作是恒定不變的值。將疊前方位彈性阻抗反演得到的6個(gè)不同方位、不同入射角的彈性阻抗代入公式(16)中，結(jié)合各參數(shù)對應(yīng)的常系數(shù)，通過求解可得到各采樣點(diǎn)處的彈性參ρ和各向異性參數(shù)。由于該方法在進(jìn)行反演時(shí)使用了測井資料進(jìn)行約束，并結(jié)合地震資料的先驗(yàn)信息，因此得到的彈性參數(shù)和各向異性參數(shù)較為準(zhǔn)確可靠。

3 實(shí)際應(yīng)用

五維地震資料來自中國東部某寬方位地震勘探工區(qū)，該區(qū)域各向異性特征明顯。對五維地震數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理得到6個(gè)方位且每個(gè)方位包含3個(gè)入射角的共18個(gè)分方位部分角度疊加道集，然后選取其中6個(gè)疊前方位地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前方位彈性阻抗反演，疊前方位地震數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2中可以看出由于儲(chǔ)層中存在的裂縫對地震資料的反射振幅產(chǎn)生影響，因此在相同入射角的情況下，不同方位的地震數(shù)據(jù)之間存在明顯的差異。

根據(jù)圖2 五維地震數(shù)據(jù)，結(jié)合該區(qū)域井資料以及巖石物理信息作為約束，反演得到不同方位的大中小角度彈性阻抗如圖3 所示。通過基于方位彈性阻抗的各向異性參數(shù)反演方法從方位彈性阻抗數(shù)據(jù)體中提取地層的縱波模量、橫波模量、密度和HTI介質(zhì)的各向異性參數(shù)，進(jìn)而求取剖面含流體區(qū)域的各向異性因子，如圖4 所示，A 井和B 井的有色部分代表流體區(qū)，白色部分是干巖區(qū)。圖4 中的橘色箭頭所指部分為測井解釋的流體部分，發(fā)現(xiàn)該工區(qū)儲(chǔ)層中，流體分布區(qū)域的各向異性因子在反演數(shù)值呈現(xiàn)低值特征，而且各向異性因子數(shù)值在巖石發(fā)育位置展現(xiàn)出高值特征，該特征與巖石物理分析規(guī)律相吻合。同時(shí)，含流體裂縫性儲(chǔ)層各向異性流體的估算剖面與A 井和井B 的流體解釋結(jié)果具有良好的匹配性。因此，通過各向異性反演各向異性因子可展示儲(chǔ)層流體分布特征，為五維地震定量解釋創(chuàng)建新的理論方法，該方法為復(fù)雜裂縫儲(chǔ)層地震流體識別提供了一種新的途徑。

圖2 實(shí)際工區(qū)不同方位部分角度疊加道集Fig.2 Stack data of different azimuths for reservoir

圖3 實(shí)際工區(qū)方位各向異性彈性阻抗反演結(jié)果Fig.3 Azimuthal anisotropic EI inverted results for reservoir

4 結(jié)論

本文結(jié)合Gassmann雙相各向異性理論和線性滑動(dòng)理論推導(dǎo)出的含流體HTI 介質(zhì)的剛度矩陣，構(gòu)建了一種新的各向異性因子fani，在弱各向異性假設(shè)條件下，建立各向異性因子fani與彈性模量和Thomsen參數(shù)的關(guān)系。多種流體因子的敏感性比較表明，各向異性因子fani在各向異性儲(chǔ)層比其他流體因子更敏感。最后，充分利用五維實(shí)際地震數(shù)據(jù)中豐富的方位各向異性信息，通過方位彈性阻抗反演實(shí)現(xiàn)各向異性因子的求取，分析可知，反演結(jié)果與測井解釋資料有很好的吻合，該方法為五維地震流體識別提供一種新的途徑。綜上，為提高儲(chǔ)層流體類型的判識準(zhǔn)確度，構(gòu)建能夠精細(xì)反映各向異性儲(chǔ)層油氣分布的流體因子是基礎(chǔ)，選用有效的地震反演算法是關(guān)鍵，精度高、穩(wěn)定性好的各向異性反演算法可以有效避免誤差影響，有助于儲(chǔ)層流體類型的可靠判識，在實(shí)際資料應(yīng)用中，應(yīng)盡可能選用全方位五維疊前地震數(shù)據(jù)提高各向異性反演的可靠性。