邊 婧

(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶 163000)

地震巖石物理分析在致密砂巖儲層預(yù)測中的應(yīng)用

邊 婧

(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶 163000)

松遼盆地北部發(fā)育典型非常規(guī)致密砂巖油,基于“甜點(diǎn)“儲層地震預(yù)測實(shí)際需求,采用面向儲層預(yù)測的測井?dāng)?shù)據(jù)評價(jià)、巖石物理擾動模擬和地震數(shù)據(jù)刻度技術(shù),分析該地區(qū)致密砂巖儲層地震巖石物理規(guī)律.結(jié)果表明:研究區(qū)致密孔隙介質(zhì)的彈性特征變化主要受巖性和物性控制,巖性控制作用更大,孔隙流體影響小;利用縱波阻抗和縱橫波速度比(或泊松比)雙元彈性參數(shù)交會可識別“甜點(diǎn)“儲層;基于巖石物理刻度的疊前AVO反演是實(shí)現(xiàn)“甜點(diǎn)“儲層地震預(yù)測的有效途徑.研究區(qū)水平井鉆探實(shí)例證明,地震巖石物理分析在基礎(chǔ)資料認(rèn)識、優(yōu)化,以及“甜點(diǎn)“儲層地震預(yù)測中具有重要作用.

地震巖石物理分析;致密砂巖;“甜點(diǎn)“儲層地震預(yù)測;水平井鉆探;松遼盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.007

0　引言

地震巖石物理為利用地震信息預(yù)測地下介質(zhì)巖性、物性及含流體性奠定物理基礎(chǔ).近年來,隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的逐步深入,以非常規(guī)儲層巖石物理分析為基礎(chǔ)的地震預(yù)測技術(shù),在“甜點(diǎn)“儲層分布預(yù)測和水平井目標(biāo)設(shè)計(jì)中發(fā)揮日益重要的作用,成為研究的熱點(diǎn).

地震巖石物理學(xué)把巖石物理理論應(yīng)用到地震勘探技術(shù)中,其核心內(nèi)容為巖石物理建模,通過分析巖石微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀響應(yīng)特征的影響,建立儲層性質(zhì)(巖性、物性和孔隙流體性質(zhì)等)與巖石彈性參數(shù)關(guān)系,為從地震數(shù)據(jù)中提取巖石及其飽和流體性質(zhì)奠定物理基礎(chǔ).目前,地震巖石物理模型眾多,對不同的巖石微觀結(jié)構(gòu)和沉積成巖環(huán)境有不同的適用性模型,可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1-3]和理論模型[4-10].理論模型考慮巖石微觀結(jié)構(gòu),在一定假設(shè)條件下通過內(nèi)在的物理學(xué)原理建立通用關(guān)系,比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透哂型茝V性.地震巖石物理分析是地震巖石物理學(xué)的實(shí)際應(yīng)用,基于合適的巖石物理模型,通過分析巖心和測井?dāng)?shù)據(jù),研究地震響應(yīng)特征與儲層參數(shù)之間的規(guī)律,指導(dǎo)地震技術(shù)優(yōu)選,達(dá)到預(yù)測儲層信息的目的.

在地球物理領(lǐng)域,地震巖石物理分析促進(jìn)地震定量解釋的進(jìn)步[11].Acevedo H等[12]利用縱橫波速度比(Vp/Vs)與巖性關(guān)系緊密的特征預(yù)測有利儲層分布.Singleton S等分析巖石物理表明,研究區(qū)儲層彈性參數(shù)異常是由泥質(zhì)含量變化引起的,證明將巖石物理融合到儲層描述中的必要性[13].Jenkinson T等[14]分析PP和PS反射特征差異、優(yōu)選敏感參數(shù)等,為聯(lián)合PP-PS疊前反演提供必要基礎(chǔ).對于非常規(guī)頁巖氣、致密砂巖油等儲層,低孔低滲儲層的巖性、物性、流體、TOC及裂縫等因素變化導(dǎo)致巖石物理規(guī)律更加復(fù)雜,必須針對特定的地質(zhì)條件和實(shí)際數(shù)據(jù)開展研究,指導(dǎo)非常規(guī)“甜點(diǎn)“地震預(yù)測,為水平井部署實(shí)施提供支撐.Close D等[15]基于巖石物理分析解釋地震疊前振幅數(shù)據(jù)的巖石力學(xué)信息,并將解釋成果用于水平井軌跡設(shè)計(jì)和水力壓裂施工方案規(guī)劃.

松遼盆地北部齊家地區(qū)高臺子油層致密砂巖油是非常規(guī)油氣勘探的重要領(lǐng)域,隨著近些年水平井鉆探和大規(guī)模體積壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用,使該地區(qū)致密砂巖油資源的經(jīng)濟(jì)有效動用成為現(xiàn)實(shí).該地區(qū)缺乏致密砂巖儲層地震巖石物理分析,制約“甜點(diǎn)“儲層地震預(yù)測方法優(yōu)選及有利區(qū)預(yù)測.筆者首先采用面向儲層預(yù)測的測井?dāng)?shù)據(jù)評價(jià)、巖石物理擾動模擬和地震數(shù)據(jù)刻度技術(shù),分析區(qū)域致密儲層巖石物理規(guī)律;其次確定“甜點(diǎn)“儲層預(yù)測方法;最后給出地震巖石物理分析與疊前彈性參數(shù)反演相結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用效果.

1　地質(zhì)概況

研究區(qū)位于松遼盆地北部中央坳陷區(qū)齊家凹陷,高臺子油層位于青山口組主力烴源巖范圍,該地區(qū)砂巖儲層普遍含油,是致密砂巖油發(fā)育的有利層位;受北部物源體系影響,為大面積三角洲前緣亞相沉積,主要發(fā)育分流河道、河口壩、席狀砂等砂體,砂地比在40%～70%之間,單砂層厚度一般在0.3～2.0 m之間,孔隙度主要分布在6%～12%之間,滲透率主要分布在(0.1～1.0)×10-3μm2之間,平均為0.5× 10-3μm2,屬于低孔特低滲儲層.該地區(qū)已開發(fā)工業(yè)油井顯示,砂體發(fā)育、物性相對較好的儲層是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵,也是地震勘探的“甜點(diǎn)“儲層.

2　儲層預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1面向儲層預(yù)測的測井?dāng)?shù)據(jù)評價(jià)

地震技術(shù)人員通常將測井?dāng)?shù)據(jù)作為硬數(shù)據(jù)直接使用,但是測井是間接測量巖石屬性,測井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量易受井眼垮塌、泥漿侵入,以及不同年代/不同測量儀器系統(tǒng)誤差等因素影響.因此,必須對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,校正后的測井?dāng)?shù)據(jù)才可用于巖石物理規(guī)律分析、正演模擬和儲層預(yù)測.數(shù)據(jù)評價(jià)主要包括測井資料預(yù)處理、單井環(huán)境校正和多井一致性校正.

單井環(huán)境校正主要處理井眼垮塌等非地層因素引起的密度和聲波曲線異常,多井一致性校正主要處理不同年代/不同測量儀器的系統(tǒng)誤差.文中采用多元線性擬合方法實(shí)現(xiàn)單井環(huán)境校正,利用受井眼環(huán)境影響小的電阻率、自然伽馬等曲線,擬合井眼垮塌處的密度和聲波曲線;采用直方圖概率統(tǒng)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)多井一致性校正,消除同一地層不同井響應(yīng)差異大的現(xiàn)象,并在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)考慮構(gòu)造壓實(shí)趨勢的影響.速度和密度測井曲線經(jīng)單井環(huán)境校正后的巖石物理模型診斷見圖1,其中理論線通過硬砂巖模型計(jì)算得出.該硬砂巖模型與未膠結(jié)砂巖模型[6]類似,不同的是前者在求取不同孔隙度有效模量時(shí)采用Hashin-Strikman上邊界,使構(gòu)建的孔隙介質(zhì)骨架剛性更強(qiáng),適合于研究區(qū)致密的碎屑砂巖.由圖1可見,單井環(huán)境校正后數(shù)據(jù)點(diǎn)變化趨勢符合巖石物理模型規(guī)律,表明單井校正具有合理性.

圖1　單井環(huán)境校正數(shù)據(jù)的巖石物理模型診斷Fig.1 Rock physics model diagnosis of logging data from single well log conditioning

多井彈性參數(shù)交會分析見圖2,其中根據(jù)區(qū)域巖石物理規(guī)律評價(jià)測井曲線綜合校正效果.由圖2可見,校正后區(qū)域巖石物理規(guī)律特征明顯,各種地震巖相在雙彈性參數(shù)空間域中分布合理、更加集中,有利于認(rèn)識儲層彈性參數(shù)規(guī)律.

2.2巖石物理擾動模擬

儲層地震預(yù)測中,最關(guān)心巖性、孔隙度及孔隙流體變化引起的彈性參數(shù)和地震響應(yīng)變化.理解巖石性質(zhì)與地震特性的關(guān)系,有助于指導(dǎo)巖性、物性預(yù)測及流體檢測.流體置換是巖石物理學(xué)研究的重要方法[16],提供儲層流體識別及定量化工具.在超薄互層情況下(薄層厚度小于0.5 m),常用的Gassmann流體置換方法得到的流體作用可能被放大[13].對超薄互層砂泥巖沉積條件,考慮到流體僅在砂巖層中發(fā)生改變,基于泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)解釋,調(diào)整Gassmann流體置換結(jié)果[13]:

式中:R為Gassmann流體置換前后彈性參數(shù)變化;Vshale為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù);K為體積模量;ρ為密度;下腳標(biāo)old和new分別表示層狀流體置換前后的彈性參數(shù).采用層狀砂巖流體置換技術(shù),模擬不同流體條件下的彈性參數(shù)變化和地震響應(yīng)變化結(jié)果見圖3.

圖2　多井彈性參數(shù)交會分析Fig.2 Multi-well crossplot analysis to evaluate final correction results

圖3　流體置換分析Fig.3 Fluid substitution

G31和G41界面測井彈性參數(shù)曲線變化結(jié)果見圖3(a),其中第2道至第4道分別為含水飽和度(紅色線)、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)(棕色線)和孔隙度(藍(lán)色線);第5道和第6道分別為縱波阻抗和泊松比,其中黑色和紅色線分別為流體置換前、后彈性參數(shù)曲線,置換后孔隙流體體積分?jǐn)?shù)為20%水和80%油;最后2道分別為置換前原始合成道集和置換后合成道集.由圖3(a)可見,隨著含油飽和度(第1道)的增加,縱波阻抗減小,泊松比減小,但變化幅度很小.G41界面流體置換前后AVO(振幅隨偏移距變化)曲線變化結(jié)果見圖3 (b).由圖3(b)可見,當(dāng)含油飽和度增加時(shí)截距輕微減小,梯度基本不變,置換前后的地震響應(yīng)變化不大.

低滲透油藏或致密砂巖油藏的流體地震檢測較為困難,對于油水情況,巖性及孔隙度的地震響應(yīng)規(guī)律更為重要,可有效指導(dǎo)“差中選優(yōu)“儲層預(yù)測.巖性置換分析結(jié)果見圖4,顯示巖石骨架成分構(gòu)成變化時(shí)彈性參數(shù)曲線及地震響應(yīng)的變化,擾動模擬實(shí)驗(yàn)采用硬砂巖理論模型,通過改變模型中骨架礦物體積分?jǐn)?shù)構(gòu)成實(shí)現(xiàn).圖4(a)中第1道為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù);第2道至第5道分別為密度、縱波速度、橫波速度和泊松比.根據(jù)區(qū)域沉積巖性特點(diǎn),分別考慮鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加15%、砂巖體積分?jǐn)?shù)增加15%和泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加15%的情況.前一種情況為砂巖體積分?jǐn)?shù)保持不變,泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)減小15%,鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加15%;后兩種情況為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和砂巖體積分?jǐn)?shù)相對變化,鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)保持不變.由圖4(a)可見,當(dāng)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加時(shí),密度減小但變化不大,縱波和橫波速度減小,泊松比增大.當(dāng)鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和砂巖體積分?jǐn)?shù)增加時(shí),兩者的彈性曲線變化趨勢相同,即密度增大,縱波和橫波速度增加,泊松比減小,但前者縱波速度和泊松比高于后者,橫波速度低于后者.在AVO曲線上看到G41界面上巖性變化引起AVO響應(yīng)變化明顯(見圖4(b)).在砂巖體積分?jǐn)?shù)增加和鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加所表現(xiàn)的彈性特征與圖2(b)一致(見圖4(c)),說明理論模型和實(shí)際數(shù)據(jù)匹配良好.雖然圖4(c)和圖2(b)的縱坐標(biāo)不同,但是縱橫波速度比和泊松比之間為正相關(guān)關(guān)系,不影響變化趨勢.巖心資料顯示,鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越多,巖石物性越差,表現(xiàn)為越致密,大部分含鈣砂巖的鈣質(zhì)體積分?jǐn)?shù)在10%～30%之間(見圖2(b)).

圖4　巖性置換分析Fig.4 Lithology substitution

G31和G41界面孔隙度置換分析見圖5,其中顯示孔隙度分別減少4%、增加4%和增加8%時(shí)彈性參數(shù)曲線和地震響應(yīng)的變化,實(shí)驗(yàn)基于硬砂巖理論模型實(shí)現(xiàn),通過改變骨架孔隙度實(shí)現(xiàn)擾動模擬.受地質(zhì)沉積條件限制[17],孔隙度與含水飽和度、巖性體積分?jǐn)?shù)之間存在一定關(guān)系,因此在孔隙度置換時(shí),要建立它們之間的關(guān)系(文中采用線性關(guān)系),在改變孔隙度時(shí)巖性及飽和度也有一定程度的變化.由圖5可見,隨著孔隙度增加,速度和密度減小,泊松比增大,AVO響應(yīng)特征變化較為明顯.

地震振幅屬性通常用于預(yù)測砂體厚度或砂巖發(fā)育程度.G31和G41界面砂巖儲層厚度變化時(shí)的地震響應(yīng)特征見圖6.由圖5和圖6可見,基質(zhì)孔隙度增加與骨架柔性成分(泥質(zhì))增加引起的AVO曲線變化趨勢相似,彈性參數(shù)曲線變化也表現(xiàn)出類似特征.根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H儲層特點(diǎn),平均孔隙度為9%,變化范圍不大于8%;巖性變化的范圍更大一些,如從砂巖一泥質(zhì)砂巖一砂質(zhì)泥巖(巖石成分體積分?jǐn)?shù)變化大于15%),巖性的影響程度高于物性的.由巖石骨架和孔隙流體擾動正演模擬分析可知,巖石的宏觀彈性特征變化主要受巖性控制,其次為物性,流體的作用很小.可利用縱波阻抗、縱橫波速度比(或泊松比)彈性參數(shù)的差異識別相對高孔砂巖,即“甜點(diǎn)“儲層.

圖5　孔隙度置換分析Fig.5 Porosity substitution

2.3地震數(shù)據(jù)刻度

研究區(qū)復(fù)雜的薄互層地質(zhì)條件,采用正演模擬方法,分析地震振幅強(qiáng)弱變化與砂體厚度、砂巖組合之間的關(guān)系(見圖6).該正演通過復(fù)制實(shí)測速度和密度曲線增加或減少砂巖儲層厚度,除修改曲線部分外,其余部分不變.第1道至第3道分別為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、縱波速度和密度;第4道和第5道分別為厚度改變前、后垂直入射合成記錄;第6道和第7道分別為變化前、后合成道集.在圖6(a)和(b)中,A處原始單砂體厚度從3 m變?yōu)? m,B處原始單砂體厚度從2 m變?yōu)? m.A和B處砂體厚度增加,增強(qiáng)地震反射能量.在圖6(c)和(d)中,C和D處分別為1 800～2 000 m砂層組(夾泥巖)曲線向下和向上復(fù)制,顯示調(diào)諧作用的復(fù)雜性使地震反射信號能量難以反映砂巖儲層厚度變化,因?yàn)? 800～2 000 m砂層組保持不變,上下圍巖變化時(shí)地震振幅特征發(fā)生改變.正演實(shí)例表明,雖然地震振幅強(qiáng)弱與砂體發(fā)育有一定關(guān)系,但是利用地震振幅屬性信息進(jìn)行砂體識別有較大風(fēng)險(xiǎn)和不確定性.此外,由圖2可見,含鈣砂巖與滲透砂巖之間、砂巖與泥巖之間可產(chǎn)生阻抗差異,引起振幅變化,進(jìn)一步增加利用地震振幅信息進(jìn)行砂體識別、厚度預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn).降低預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)結(jié)合地震反演技術(shù),一方面反演結(jié)果能夠部分消除子波調(diào)諧作用,另一方面反演得到的地層彈性信息可更直接反映儲層屬性.

巖石物理模擬及正演分析結(jié)果表明,利用疊前反演得到的彈性參數(shù)(縱波阻抗和縱橫波速度比雙參數(shù)交會)可實(shí)現(xiàn)“甜點(diǎn)“儲層的預(yù)測.預(yù)測過程需要根據(jù)巖石物理解釋圖版對地震反演數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度.巖石物理解釋圖版具有明確的地質(zhì)信息和地震信息,以及廣泛的應(yīng)用范圍,可對測井?dāng)?shù)據(jù)和反演結(jié)果做出巖性、物性和孔隙流體解釋[18-19].縱波阻抗為橫坐標(biāo)、縱橫波速度比為縱坐標(biāo)的巖石物理解釋圖版見圖7,該圖版已通過研究區(qū)實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)和置換數(shù)據(jù)(圖2(b)和圖4(c))綜合分析標(biāo)定.流體性質(zhì)采用Batzle-Wang模型,混合流體地震屬性采用均勻等效模型;干骨架地震屬性計(jì)算(巖石物理模型選擇)是建立巖石物理解釋圖版的核心,采用Xu-White砂泥巖模型.由于巖石物理圖版為趨勢控制,所以理論線與實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)不要求完全吻合.

圖6　砂巖儲層厚度變化下的地震響應(yīng)特征分析Fig.6 Seismic response analysis when the variation of sandstone reservoir thickness

3　“甜點(diǎn)“地震預(yù)測應(yīng)用

研究區(qū)地震巖石物理分析在疊前反演“甜點(diǎn)“預(yù)測及水平井實(shí)施中的應(yīng)用效果見圖8.

在巖石物理分析基礎(chǔ)上,由圖7的巖石物理圖版實(shí)現(xiàn)對疊前彈性參數(shù)反演結(jié)果的解釋.根據(jù)實(shí)際井資料和巖石物理模型分析結(jié)果,在巖石物理圖版上確定泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于35%、孔隙度介于9%～20%的多邊形(見圖8(a)左上角),解釋為最有利的高孔隙砂巖彈性屬性變化范圍.基于巖石物理圖版刻度的疊前反演儲層預(yù)測結(jié)果見圖8(a),疊前彈性參數(shù)反演采用疊前AVO同步反演技術(shù).研究區(qū)物源方向?yàn)榻毕?“甜點(diǎn)“儲層主要發(fā)育于地震工區(qū)西北部及東南部,西南部不發(fā)育.結(jié)合探井情況,建議劃分三個有利區(qū)(見圖8(a)):Ⅰ區(qū)“甜點(diǎn)“分布集中,有兩口工業(yè)油井,是設(shè)計(jì)水平井目標(biāo)的最佳位置;Ⅱ區(qū)“甜點(diǎn)“分布呈條帶狀,較為零散,有一口工業(yè)油井和一口低產(chǎn)井,可作為下一步重點(diǎn)井位部署區(qū);Ⅲ區(qū)有兩口井見油氣顯示,由于處于構(gòu)造陡坡,斷層發(fā)育,需要結(jié)合成藏因素綜合分析,確定勘探目標(biāo).

圖7　縱波阻抗與縱橫波速度比交會巖石物理解釋圖版Fig.7 Rock physics template with elastic parameters crossplot of P-wave impedance vs.Vp/Vs

圖8　有利區(qū)預(yù)測及水平井軌跡Fig.8 Predicted favorable domains and horizontal well trajectory

在有利區(qū)Ⅰ設(shè)計(jì)的水平井平面位置見圖8(b).該設(shè)計(jì)被采納且已完鉆,采用縱橫波速度比平面屬性設(shè)計(jì)井軌跡,縱橫波速度比可較好地指示相對高孔砂巖的發(fā)育狀況.該水平井的剖面軌跡見圖8(c),雖然實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡在入靶點(diǎn)有偏差,但水平段穿過儲層.該水平井水平油層鉆遇率為98.4%,壓裂后初期平均油產(chǎn)量達(dá)到30 t/d,遠(yuǎn)高于相鄰直井平均油產(chǎn)量(3 t/d).這說明地震巖石物理分析和疊前彈性參數(shù)反演的綜合應(yīng)用,為該地區(qū)致密砂巖油的動用提供了技術(shù)支持.

4　結(jié)論

(1)在超薄互層條件下,采用層狀砂巖流體置換技術(shù)能合理地體現(xiàn)孔隙流體變化條件下儲層彈性參數(shù)及地震響應(yīng)參數(shù).

(2)致密砂巖儲層孔隙流體變化引起的地震響應(yīng)往往很小,骨架參數(shù)(孔隙度和巖性)置換尤為重要,用于評價(jià)地震疊前振幅數(shù)據(jù)的預(yù)測能力及“甜點(diǎn)“儲層預(yù)測的敏感彈性屬性選取.

(3)振幅屬性、疊后反演波阻抗等常規(guī)地震疊后信息無法滿足致密砂巖“甜點(diǎn)“儲層預(yù)測需要,由地震疊前彈性參數(shù)反演得到的縱橫波速度比對研究區(qū)“甜點(diǎn)“儲層的識別起關(guān)鍵作用.

(4)地震巖石物理綜合分析與疊前彈性參數(shù)反演綜合應(yīng)用,是實(shí)現(xiàn)致密砂巖“甜點(diǎn)“儲層預(yù)測的有效途徑.

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TE132.1,P631

A

2095-4107(2015)05-0063-09

2015-07-08;編輯:張兆虹

中國石油天然氣股份公司重大科技專項(xiàng)(2012E-2603-04)

邊 婧(1979-),女,碩士研究生,工程師,主要從事井震結(jié)合儲層精細(xì)描述方面的研究.