張益明 牛 聰 韓 利 葉云飛

(中海油研究總院 北京 100028)

頻散AVO分析技術(shù)及其在南海深水區(qū)的應(yīng)用*

張益明 牛 聰 韓 利 葉云飛

(中海油研究總院 北京 100028)

張益明,牛聰,韓利，等.頻散AVO分析技術(shù)及其在南海深水區(qū)的應(yīng)用[J].中國海上油氣，2016,28(6)：21-27.

Zhang Yiming,Niu Cong,Han Li,et al.A method of frequency dispersion AVO analysis and its application in deep water area of South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):21-27.

深水區(qū)勘探鉆井稀少，由于缺乏測井約束，地震反演等常規(guī)技術(shù)油氣檢測的多解性很強(qiáng)。基于地震波衰減的頻散現(xiàn)象，在地震譜分解基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用頻率依賴的AVO方程計(jì)算地震波的頻散屬性的方法，并設(shè)計(jì)理論模型驗(yàn)證了這種頻散屬性對含氣性識別的高敏感度，進(jìn)而將AVO屬性與頻散屬性相結(jié)合構(gòu)建了一種烴類指示因子(DvP×DG)。應(yīng)用頻散AVO分析技術(shù)對南海深水區(qū)Y21-1構(gòu)造區(qū)目的層系含氣性進(jìn)行了鉆前預(yù)測，結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果吻合較好，證實(shí)了頻散AVO分析技術(shù)可以增強(qiáng)氣層識別的敏感度，降低水層等背景帶來的影響，可以作為烴類檢測指標(biāo)進(jìn)行含氣性識別。

地震波衰減；譜分解；AVO方程；頻散屬性；含氣性識別；南海深水區(qū)

在深水等勘探程度較低的區(qū)域，鉆井資料少，如何直接應(yīng)用地震資料進(jìn)行油氣預(yù)測一直是地球物理學(xué)家探索的方向之一。巖石中流體的存在會導(dǎo)致地震波發(fā)生頻散和衰減，并且頻散和衰減與地震波的頻率有關(guān)，這種現(xiàn)象已被巖石物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)[1-5]。因此，理論上這種由流體的存在而引起的地震波頻散和衰減可以用于地下巖石含流體性預(yù)測。

針對速度頻散與地震反射特征以及AVO之間的關(guān)系，一些學(xué)者開展了研究。Chapman等[5]指出在彈性介質(zhì)與頻散介質(zhì)界面處反射與頻率有關(guān)。Ren等[6]討論了垂直入射時(shí)彈性介質(zhì)與頻散介質(zhì)界面處的反射系數(shù)振幅與相位隨頻率的變化關(guān)系。Johnston[7]、Sun[8]等證實(shí)了速度頻散與地層物性密切相關(guān)，并指出頻散對地層物性的變化比速度更敏感。高剛、吳小羊、張震 等[9-11]開展了速度頻散方面的反演和應(yīng)用研究，探索了利用頻散屬性開展含油氣性分析的條件和可行性。

以上研究表明，地震波在含油氣儲層中的速度頻散和衰減可作為一種流體識別指標(biāo)，如果地層速度隨頻率變化，那么相應(yīng)的反射系數(shù)也會隨頻率變化，這為應(yīng)用AVO方程計(jì)算頻散特性提供了理論依據(jù)。本文基于模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證了頻散AVO分析的有效性，通過計(jì)算地震波的頻散屬性進(jìn)一步分析了氣層響應(yīng)特征與頻率變化的關(guān)系，進(jìn)而將頻散屬性與AVO屬性相結(jié)合構(gòu)建了烴類指示因子(DvP×DG)，并應(yīng)用該技術(shù)對南海深水Y21-1構(gòu)造區(qū)目的層系含氣性進(jìn)行了預(yù)測，指出了含氣區(qū)的分布范圍，得到了實(shí)鉆結(jié)果的證實(shí)。

1 頻散AVO分析原理

按照Shuey、Ostrander、殷八斤 等[12-15]的研究，各向同性介質(zhì)P波反射系數(shù)在入射角小于30°時(shí)，AVO截距梯度近似公式為

R(θ)≈P+Gsin2θ

(1)

式(1)中：θ為入射角；P為縱波法線入射的反射系數(shù)，稱為AVO截距；G為AVO梯度。

重新整理式(1)截距項(xiàng)P，得到新的近似表達(dá)式

(2)

式(2)中：vP、ρ分別為界面兩側(cè)介質(zhì)的縱波速度和密度平均值；ΔvP、Δρ分別為vP、ρ的差異。

考慮地震波速度隨頻率變化，可將式(2)反射系數(shù)擴(kuò)展成入射角和頻率的函數(shù),即

(3)

對上述方程的頻率做一階泰勒展開，可以得到

(4)

(5)

RP(θ,f)=RP(θ,f0)+DvPΔf+DGΔfsin2θ

(6)

式(6)中：DvP和DG作為烴類指示參數(shù)(即反演的頻散屬性)，其中DvP表征縱波速度頻散程度，DG相當(dāng)于AVO梯度，表征縱波頻散程度隨炮檢距的變化梯度。

2 頻散屬性模擬分析

為了驗(yàn)證頻散屬性進(jìn)行油氣檢測的可行性，基于Chapman、Wilson、Smith等[5,16-17]的研究設(shè)計(jì)一個(gè)理想模型進(jìn)行測試。該模型假設(shè)巖石介質(zhì)處于某種孔隙流體(通常為水)的飽和狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生另一種流體(通常為氣)的替換時(shí)可以得到新的具有頻率依賴性質(zhì)的參數(shù)，當(dāng)介質(zhì)孔隙壓力均衡時(shí)具有彈性屬性，且在低頻端(即地震頻帶內(nèi))不發(fā)生頻散。

如圖1、表1所示，該模型上層為不含流體的泥巖，近似于完全彈性，下層為砂巖，左側(cè)為水飽和，右側(cè)為氣飽和，使得模型砂巖具有頻散屬性。假設(shè)該模型中水體積模量為2 000 MPa，氣體積模量為200 MPa。圖2為該理論模型的地震正演響應(yīng)特征，對比圖2a、b可以看到，氣飽和頻散介質(zhì)中反射波振幅隨偏移距增加而增大。

圖1 理論模型

表1 理論模型參數(shù)

對該模型的合成地震記錄進(jìn)行分頻AVO研究，頻率范圍10～90 Hz，間隔10 Hz。圖3給出了該模型彈性介質(zhì)和頻散介質(zhì)中零偏移距道分頻反演得到的縱波速度變化率(ΔvP/vP)隨頻率的變化情況，對振幅譜進(jìn)行歸一化處理后可以看出，與彈性介質(zhì)相比，頻散介質(zhì)縱波速度變化率隨頻率變化的特征明顯。由此可見，速度相對變化量隨頻率變化的屬性可用于表征儲層的頻散程度，進(jìn)而進(jìn)行烴類檢測。

對該模型水飽和砂巖與氣飽和砂巖分別計(jì)算頻散屬性，結(jié)果表明無論是DvP還是DG，氣飽和頻散屬性都明顯大于水飽和頻散屬性(圖4)，這說明這種頻散屬性對含氣性的識別具有更高的敏感度，可作為含氣性的檢測指標(biāo)。

圖2 理論模型正演地震響應(yīng)

圖3 理論模型零偏移距彈性介質(zhì)和頻散介質(zhì)的速度變化率分析

圖4 理論模型不同條件下的頻散屬性

3 在南海深水區(qū)的應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

研究目標(biāo)位于南海深水區(qū)Y21-1構(gòu)造區(qū)。前期地質(zhì)研究認(rèn)為，該構(gòu)造是在基底隆起上發(fā)育的披覆構(gòu)造，主要目的層為珠海組上段深水扇砂體，次要目的層為珠江組上段濁積砂體，構(gòu)造面積由深到淺逐漸變大，幅度逐漸減小。

應(yīng)用頻散AVO分析方法對Y21-1構(gòu)造區(qū)珠江組和珠海組儲層分布及儲層含流體性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，以期降低勘探風(fēng)險(xiǎn)，為勘探?jīng)Q策提供依據(jù)。目前該構(gòu)造區(qū)勘探程度較低，區(qū)內(nèi)無鉆井資料，無法基于地震反演開展相應(yīng)的油氣識別研究，但是研究區(qū)內(nèi)具有2011年采集的3D地震資料，地震品質(zhì)較高(過目標(biāo)體實(shí)際地震疊加剖面如圖5所示，其中強(qiáng)振幅異常處即為珠江組—珠海組深海重力流沉積體)，這為利用疊前地震數(shù)據(jù)開展頻散AVO分析工作提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5 Y21-1構(gòu)造區(qū)地震剖面

3.2 實(shí)現(xiàn)流程

針對Y21-1構(gòu)造區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)與資料條件，結(jié)合現(xiàn)有的頻散屬性提取方法的研究成果[18-25]，本文采用如下提取流程：

1) 對疊前地震記錄進(jìn)行球面擴(kuò)散補(bǔ)償、速度分析、構(gòu)建速度模型、動校正等預(yù)處理；

2) 用廣義S變換對預(yù)處理得到的地震記錄進(jìn)行頻譜分解，獲得一系列不同頻率的等頻剖面[24-25]；

3) 提取子波，以子波主頻為參考頻率，求取譜振幅均衡系數(shù)，并對其余等頻率剖面進(jìn)行譜均衡處理(這是因?yàn)樽V分解以后的數(shù)據(jù)中有子波的影響，需要進(jìn)行譜均衡來消除“子波疊印”對地層反射系數(shù)的影響)；

4) 選取地震子波主頻為參考，進(jìn)行分頻AVO反演，得到頻散屬性。

3.3 含氣性預(yù)測效果

應(yīng)用頻率依賴的AVO方程計(jì)算地震波的頻散屬性，并與P×G屬性結(jié)合，開展了Y21-1構(gòu)造區(qū)目標(biāo)儲層的含氣性鉆前預(yù)測研究。由于剪切模量對填充流體性質(zhì)的變化不敏感，因此只考慮P波頻散。

圖6為該構(gòu)造區(qū)常規(guī)AVO的P和G交會分析得到的含氣異常剖面，可以看出，該構(gòu)造頂部目標(biāo)一氣層異常明顯，而下部目標(biāo)二氣層只出現(xiàn)在構(gòu)造邊緣部位，主要原因是上覆厚氣層的屏蔽作用引起下部氣層的地震反射系數(shù)隨角度變化而發(fā)生了變化。分析表明，該構(gòu)造目標(biāo)一氣層表現(xiàn)為III類AVO異常，目標(biāo)二氣層表現(xiàn)為弱IV類AVO異常(圖7)，所以常規(guī)AVO屬性分析技術(shù)基本無法應(yīng)用。

圖6 Y21-1構(gòu)造區(qū)P和G交會剖面

圖7 Y21-1構(gòu)造區(qū)地震道集和AVO曲線

圖8是通過頻散AVO流體識別技術(shù)流程得到的該構(gòu)造區(qū)頻散屬性剖面，可以看出，在目標(biāo)一和目標(biāo)二處有2套較強(qiáng)的頻散屬性異常，分別對應(yīng)珠江組和珠海組目的層。由式(1)和式(6)可知，頻散介質(zhì)的AVO屬性包括P、G、DvP和DG，因此可以通過將P×G與DvP×DG交會來開展研究，圖9為只考慮氣層頂面情況下P×G與DvP×DG的交會結(jié)果，其中紅色區(qū)域表示P×G值較大，頻散程度DvP×DG值也較大，相當(dāng)于常規(guī)AVO的III類異常；黃色區(qū)域表示P×G值較小，但頻散程度DvP×DG較大，相當(dāng)于常規(guī)AVO的非III類異常；藍(lán)色區(qū)域表示背景，其中左上部藍(lán)色區(qū)域表示氣層底界面的響應(yīng)，下半部藍(lán)色區(qū)域表示泥巖和含水砂巖的響應(yīng)。 將圖9中的3個(gè)區(qū)域反投影到剖面，結(jié)果表明：對于目標(biāo)一氣層，常規(guī)P×G就能夠識別；而對于目標(biāo)二氣層，只有頻散屬性才能很好地識別，而且與圖6相比，構(gòu)造頂部目標(biāo)二氣層特征更為完整(圖10)。由此可見，AVO屬性與頻散屬性的結(jié)合應(yīng)用可以增強(qiáng)氣層識別的敏感度，降低水層等背景帶來的干擾。

圖8 Y21-1構(gòu)造區(qū)頻散屬性剖面

圖9 Y21-1構(gòu)造區(qū)P×G與DvP×DG交會分析

圖10 Y21-1構(gòu)造區(qū)P×G與DvP×DG交會剖面

之后，Y21-1井鉆探揭示的2套目的層均為深水扇砂體沉積體。其中，上部目的層為深水扇遠(yuǎn)端濁積砂體，以粉砂—細(xì)砂為主，泥質(zhì)含量偏高，測井解釋孔隙度在19%～25%之間，在該層段縱向識別出3套高氣測異常段，綜合測井解釋含氣層段累計(jì)厚度60 m；下部目的層為深水扇砂體，以中砂—粗砂為主，部分含礫，分選中等，為高孔隙優(yōu)質(zhì)儲層(平均孔隙度23%)，氣層異常較高，綜合測井解釋氣層累計(jì)厚度40 m。這表明，該井2套異常位置都鉆遇到了儲層物性較好的氣層，證實(shí)了基于頻散屬性分析的AVO含氣性預(yù)測結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 考慮地震波傳播過程的速度頻散因素，提出了應(yīng)用頻散依賴的AVO方程計(jì)算地震波的頻散屬性的方法，并設(shè)計(jì)理論模型進(jìn)行了測試，所得到的縱波速度頻散程度和頻散梯度屬性對氣層識別效果明顯。

2) 南海深水區(qū)Y21-1構(gòu)造區(qū)應(yīng)用表明，常規(guī)AVO屬性分析與頻散屬性的結(jié)合，既考慮了地震振幅隨角度的變化，又考慮了地震振幅的頻散影響，含氣性預(yù)測結(jié)果更為可靠，并且得到了實(shí)鉆結(jié)果的證實(shí)。

3) 考慮到影響速度頻散因素的非唯一性，基于頻散AVO屬性的含氣性預(yù)測結(jié)果可作為定性分析依據(jù)，同時(shí)應(yīng)用中要重視頻散屬性與地質(zhì)、測井和反演等多物探資料的綜合分析，以提高含氣性預(yù)測的可靠性。

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(編輯：馮 娜)

A method of frequency dispersion AVO analysis and its application in deep water area of South China Sea

Zhang Yiming Niu Cong Han Li Ye Yunfei

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Conventional technologies such as seismic inversion can generate multiple solutions for hydrocarbon detection because of few drilled wells in deep water area and lack of logging constrained. According to the seismic wave attenuation and velocity dispersion, the frequency-dependent AVO equation is used to calculate the dispersive properties of seismic wave based on seismic spectrum decomposition. By designing theoretical model, the high sensitivity of dispersion properties to gas detection is verified, and hydrocarbon indicator factor (DvP×DG) is constructed by combining frequency dispersion analysis with AVO attributes. The method is applied to forecast the target formation gas-bearing possibility of Y21-1 structure area in deep water area of China South Sea before drilling, and the predicted results are in good correspondence with actual drilling results, which imply that the frequency-dispersion AVO can increase the sensitivity of the gas reservoir, reduce the effects of water background, and can be used to detect gas as a hydrocarbon detection indicator.

seismic wave attenuation; spectrum decomposition; AVO equation; frequency dispersion attribution; hydrocarbon identification; deep water area of South China Sea

1673-1506(2016)06-0021-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.004

張益明，男，高級工程師，2011年畢業(yè)于中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油儲地球物理專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事地震反演和儲層預(yù)測方面的研究。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院A座(郵編：100028)。E-mail:zhangym1@cnooc.com.cn。

P631.4

A

2016-03-28 改回日期：2016-04-29

*“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“少井或無井條件下小波域儲層流體識別方法研究(編號:2011ZX05025-001-07)”部分研究成果。