基于流度屬性的礁灘儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

郭旭升, 凡 睿, 文曉濤

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

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基于流度屬性的礁灘儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

郭旭升1, 凡 睿1, 文曉濤2

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

流體的流度與儲(chǔ)層的滲透率及流體的黏滯系數(shù)有關(guān)，基于流度屬性可對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)。流度屬性與反射波的振幅隨頻率的變化率成正比關(guān)系，因此可以基于地震資料提取流度屬性，并進(jìn)一步分析儲(chǔ)層的滲透率和流體的黏滯性。根據(jù)對(duì)流度屬性的理論研究，提出了利用地震資料提取流度屬性的流程，討論了影響流度屬性的關(guān)鍵因素——地層厚度及優(yōu)勢(shì)頻率，并給出了準(zhǔn)確反演地層厚度及獲得優(yōu)勢(shì)頻率的方法。正演模擬和在元壩地區(qū)的實(shí)例應(yīng)用證實(shí)了該方法對(duì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)是有效的。

礁灘儲(chǔ)層；流度屬性；黏滯系數(shù)；滲透率；低頻

礁灘相儲(chǔ)層是重要的油氣儲(chǔ)集空間，這一類儲(chǔ)層具有儲(chǔ)量大、產(chǎn)量高的特點(diǎn)。近年來(lái)，中國(guó)石化先后在四川盆地的普光、元壩等地上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組有大發(fā)現(xiàn)[1-5]。其中按天然氣探明儲(chǔ)量，普光氣田是中國(guó)最大的氣田之一。雖然近年來(lái)中國(guó)在礁灘儲(chǔ)層有大發(fā)現(xiàn)，但遇到的問(wèn)題仍然很多。其中主要難題之一是在川東北地區(qū)該類油氣藏埋藏深度大、地震波主頻低，因此利用地震資料進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度大。以元壩為例，長(zhǎng)興組礁灘氣藏埋深>6.53 km[6]，礁灘儲(chǔ)層的地震波主頻為30 Hz左右。因此在這些地區(qū)發(fā)展基于低頻信息的流體識(shí)別方法尤為重要。

近年來(lái)，地震低頻信息一直是地球物理學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)，并出現(xiàn)了涉及儲(chǔ)層特征(巖石滲透性、流體黏滯性)描述的定量化地震屬性技術(shù)，如流度屬性[7-13]。Silin等[9]以濾波理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)了飽和流體彈性介質(zhì)的波動(dòng)方程，證明了該方程與試井分析常用的Frenkel-Gassmann-Biot多孔彈性模型、壓力擴(kuò)散模型相關(guān)，最終得到了飽和流體儲(chǔ)層低頻域反射系數(shù)漸近表達(dá)式，即低頻反射系數(shù)正比于流體流度(fluid mobility，又稱遷移率)、巖石體積密度、地震信號(hào)頻率三者乘積的平方根。Goloshubin等[10]利用雙孔介質(zhì)模型，研究低頻地震波在裂縫儲(chǔ)層可滲透層邊界的地震反射特征，得到裂縫儲(chǔ)層地震反射響應(yīng)是一個(gè)小的無(wú)量綱冪級(jí)數(shù)形式，它是流體流度、流體密度、地震信號(hào)三者乘積的平方根，其表達(dá)式中的系數(shù)是儲(chǔ)層中巖石和流體機(jī)理屬性的復(fù)函數(shù)。陳學(xué)華等[13]應(yīng)用基于實(shí)際地震資料的流度屬性進(jìn)行流體識(shí)別，在砂巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中取得了較好的效果。

本文討論影響流度屬性的關(guān)鍵參數(shù)，并給出了獲取這些參數(shù)的方法，在此基礎(chǔ)上，給出了利用流度屬性進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的流程。將此流程用于元壩地區(qū)長(zhǎng)興組的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，取得了較好的效果，為碳酸鹽巖礁灘的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。

1 方法

1.1 流度屬性的物理含義及提取方法

根據(jù)Silin等推導(dǎo)的飽和流體介質(zhì)在低頻域地震響應(yīng)的線性漸近表達(dá)式[7-9]，當(dāng)流體和巖石的性質(zhì)在一個(gè)合理范圍時(shí)，無(wú)量綱參數(shù)ε=(kρb/η)ω在低頻段很小。在干巖與飽含流體彈性介質(zhì)的界面上，某個(gè)角頻率ω的平面縱波的反射系數(shù)R有以下形式

(1)

其中：i為虛數(shù)單位；R0和R1是實(shí)系數(shù)，它們是巖石和流體特性的函數(shù)，包括孔隙度、密度和彈性系數(shù)；k是儲(chǔ)層滲透率;η是流體黏滯系數(shù);ρb是含流體儲(chǔ)層的密度。

定義成像屬性

(2)

它與反射系數(shù)在某個(gè)低頻(固定的)的反射振幅a(ωlow)對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)成正比，即利用(1)式對(duì)頻率求導(dǎo)

(3)

A(x,y)≈C(k/η)1/2=C m1/2

(4)

式中流體流度m(定義為儲(chǔ)層滲透率與流體黏滯系數(shù)之比)與譜振幅a(ω)的函數(shù)成正比，即

(5)

其中:系數(shù)C是孔隙流體和巖石骨架力學(xué)性質(zhì)以及頻率的復(fù)函數(shù);k/η即為流體流度;ω是地震信號(hào)角頻率。

滲透率從鉆井資料獲取，黏滯系數(shù)根據(jù)其與溫度、壓力的關(guān)系獲得[15]。獲得井中目的層的滲透率和黏滯系數(shù)后，可參照文獻(xiàn)[14]的方法獲得系數(shù)C。根據(jù)地震資料進(jìn)行時(shí)頻分析獲得振幅對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)，最終可獲得流體流度m。

1.2 優(yōu)勢(shì)頻率的獲得

Silin和Goloshubin推導(dǎo)了縱波反射系數(shù)ψ(|ε|)與頻率f之間的關(guān)系[9]，即

(6)

(7)

式中:M=K+(4/3)μ;μ為剪切模量。

對(duì)應(yīng)的峰值頻率是

(8)

從(8)式可以看出，影響峰值頻率的因素很多，其中最重要的一個(gè)影響因素是層厚。圖1給出了M=104Pa，γβ+γK2≈5，k=5×10-3μm2，η=10-3Pa·s時(shí)，峰值頻率與層厚的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)貙雍穸仍黾訒r(shí)，峰值頻率呈二次項(xiàng)衰減。因此在使用流度屬性時(shí)要針對(duì)目的層的厚度選用合適的峰值頻率。同時(shí)我們也可以看出，對(duì)于較厚的地層所需峰值頻率很低，如厚度為10 m的地層只需要不到30 Hz的峰值頻率，這是目前地震資料可以滿足的條件。據(jù)文獻(xiàn)[16]，匹配追蹤(MP)算法具有較高分辨率，可較準(zhǔn)確獲得儲(chǔ)層厚度。對(duì)于層厚，通過(guò)井震儲(chǔ)層標(biāo)定對(duì)匹配追蹤反演獲得的反射系數(shù)剖面進(jìn)行儲(chǔ)層反射界面追蹤，對(duì)追蹤結(jié)果結(jié)合儲(chǔ)層速度進(jìn)行厚度估算。在求取峰值頻率時(shí)，還需要用到孔隙度、骨架體積模量、彈性模量Esg和Efg，剪切模量μ。其中孔隙度和剪切模量可通過(guò)疊后物性反演和疊前彈性參數(shù)反演獲得，其余參數(shù)通過(guò)巖石物理測(cè)試獲取。

圖1 峰值頻率與地層厚度的關(guān)系Fig.1 Relationship between peak frequency and stratum thickness

1.3 匹配追蹤反演

利用雙極子分解理論建立過(guò)完備奇、偶原子庫(kù)，然后通過(guò)匹配追蹤算法對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行稀疏分解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的薄層反射位置及反射強(qiáng)度反演[14]。

圖2為針對(duì)理論模型的算法檢驗(yàn)。比較圖2-A與圖2-C可以看出，該反演有較高的縱向分辨率。一些反射系數(shù)較小的層，如圖中的第3、第4層在反演剖面上也能較清楚地反映出來(lái)。該算法目前稍顯不足的是在尖滅點(diǎn)附近反演結(jié)果仍然不太穩(wěn)定。換句話說(shuō)，該算法仍然受地震縱向分辨率的限制。該問(wèn)題在文獻(xiàn)[15]進(jìn)行了詳細(xì)討論，此處不再贅述。

1.4 流度屬性計(jì)算流程

在流度屬性計(jì)算過(guò)程中，有許多參數(shù)需要計(jì)算，其中滲透率、黏滯系數(shù)、孔隙度骨架體積模量及其他彈性模量可根據(jù)巖石物理測(cè)試、測(cè)井解釋、疊合物性反演、疊前彈性參數(shù)反演等方法求取。層厚通過(guò)匹配追蹤反演獲得，優(yōu)勢(shì)頻率通過(guò)(8)式求得，最后利用(5)式在相帶約束下求取優(yōu)勢(shì)頻率附近的流度屬性。具體流程見(jiàn)圖3。

2 模型試算

本節(jié)采用的數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖4，其相應(yīng)參數(shù)(黏滯系數(shù)、彌散系數(shù)選取參考了Korneev的文獻(xiàn)[17]，其他參數(shù)結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際資料給出。研究區(qū)實(shí)鉆井儲(chǔ)層以含氣為主，因此模型中儲(chǔ)層設(shè)計(jì)了含氣層)見(jiàn)表1[16]。對(duì)模型采用二維黏滯-彌散波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬[17]后，再采用廣義S變換對(duì)其分頻并求得振幅隨頻率變化率(因已知模型的層厚，故在此處不需要層厚的求取)。圖5-A為合成地震記錄，圖5-B為針對(duì)該記錄求取的流度屬性。從圖中可以看出，儲(chǔ)層頂部出現(xiàn)明顯的流度屬性異常。

圖2 雙極子MP算法檢驗(yàn)Fig.2 Verification of double polar MP algorithm(A)模型反射系數(shù)剖面; (B)合成地震記錄; (C)反演反射系數(shù)剖面

圖3 流度屬性提取流程Fig.3 Flow chart showing the extraction of mobility attributes

圖4 原始模型Fig.4 Original model

表1 對(duì)應(yīng)圖4模型的參數(shù)

Table 1 Parameters corresponding to the model in Fig.4

層號(hào)vP/m·s-1ρ/g·cm-3ζ/Hzη/m2·s-1①63002．7200②58002．682030③60002．7000

表中vP、ρ、ζ、η分別為縱波速度、密度、彌散系數(shù)、黏滯系數(shù)。為方便計(jì)算，此處黏滯系數(shù)按靜態(tài)黏滯系數(shù)給出，等于動(dòng)力。

3 實(shí)例分析

川東北元壩地區(qū)長(zhǎng)興組發(fā)育多期生物礁灘，縱向上早期成灘、晚期成礁，平面上具有前礁、后灘的分布特征[18-21]。根據(jù)巖性、電性特征，元壩地區(qū)長(zhǎng)興組被劃分為長(zhǎng)一段和長(zhǎng)二段，長(zhǎng)一段主要發(fā)育臺(tái)地邊緣淺灘相儲(chǔ)層(圖6)。以下主要針對(duì)臺(tái)地邊緣淺灘相儲(chǔ)層進(jìn)行分析。

如前所述，在求取流度屬性過(guò)程中，部分參數(shù)(如孔隙度、剪切模量等)需通過(guò)疊前彈性參數(shù)反演獲得。圖7、圖8為利用疊前反演獲得的過(guò)YB12井Inline方向孔隙度、剪切模量剖面,圖中T1f1和P2chb分別為飛仙關(guān)組和長(zhǎng)興組底。與井曲線對(duì)比驗(yàn)證了反演結(jié)果與井中相關(guān)參數(shù)吻合較好，為下一步進(jìn)行流度屬性計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

圖9為YB12井Inline方向的流度屬性剖面(流度屬性值為歸一化后結(jié)果)。據(jù)鉆井資料，YB12井在長(zhǎng)興組下部?jī)?chǔ)層發(fā)育。從圖可知，YB12井靠近長(zhǎng)興組底部流度屬性值較大，原因在于YB12井長(zhǎng)興組下部孔隙度較大，具有較好的滲透性，圖9顯示流度屬性檢測(cè)結(jié)果與該井實(shí)鉆吻合度很好。

圖5 圖4模型的正演模擬Fig.5 The forward simulation result of the model showed in Fig.4(A)正演記錄(偏移后); (B)流度剖面

圖6 元壩地區(qū)長(zhǎng)興組第一段沉積相平面分布圖Fig.6 Distribution of sedimentary facies for the Member 1 of Changxing Formation in Yuanba area

圖7 過(guò)YB12井Inline方向剪切模量剖面Fig.7 Inline shear modulus section across Well YB12

圖8 過(guò)YB12井Inline方向孔隙度剖面Fig.8 Inline porosity section across Well YB12

圖10為長(zhǎng)一段流度屬性切片，從圖中可以看出：(1)流度屬性高的區(qū)域主要集中在Yb11-YB12-YB16井區(qū)(圖中黑色虛線所示位置)，實(shí)鉆證實(shí)，該區(qū)域在長(zhǎng)一段屬于臺(tái)地邊緣淺灘(圖6)，有良好的孔隙度和滲透率，流體有較好的流通性，故流度屬性較大。而開(kāi)闊臺(tái)地相(YB22井區(qū)、YB10井區(qū))儲(chǔ)層物性差，流度屬性低。(2)圖中的YB10井、YB122井表現(xiàn)為低的流度屬性值。測(cè)井解釋結(jié)果顯示，YB10井儲(chǔ)層為Ⅲ類氣層,物性較差，多數(shù)滲透率<0.01×10-3μm2，因此流度屬性較低。YB122井GR較高，泥質(zhì)較重，物性也很差，因此流度屬性同樣很低。綜上所述，流度屬性檢測(cè)結(jié)果與沉積相帶分布和測(cè)井解釋結(jié)果有很好的相關(guān)性，對(duì)鉆井有重要的參考價(jià)值。

圖9 過(guò)YB12井Inline方向流度屬性剖面Fig.9 Inline mobility section across Well YB12

圖10 元壩地區(qū)南部長(zhǎng)興組第一段流度屬性切片F(xiàn)ig.10 Slice of mobility attribute for the Member 1 of the Changxing Formation in southern Yuanba

4 結(jié) 論

a.流度屬性的計(jì)算主要受優(yōu)勢(shì)頻率和地層厚度的影響，目前針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題我們都找到了合適的解決方法，為流度屬性的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文提出的通過(guò)巖石物理和疊前、疊后反演獲得流度屬性的流程也是切實(shí)可行的。

b.流度屬性可充分利用優(yōu)勢(shì)頻率段進(jìn)行儲(chǔ)層檢測(cè)。針對(duì)礁灘儲(chǔ)層尤其超深層礁灘儲(chǔ)層主頻較低的現(xiàn)狀，該方法是一種較實(shí)用的方法。

c.從流度屬性的表達(dá)式中看，流度屬性是滲透率和黏滯系數(shù)的綜合響應(yīng)。目前利用地震資料單獨(dú)獲得滲透率或黏滯系數(shù)是很難的，因此我們目前尚無(wú)法利用流度屬性定量分析儲(chǔ)層的連通性以及流體性質(zhì)，這也是我們今后努力的方向。

d.在求取流度屬性過(guò)程中，個(gè)別參數(shù)通過(guò)巖石物理測(cè)試獲取，無(wú)法體現(xiàn)這些參數(shù)的橫向變化。如何利用地震資料提取這些參數(shù)需進(jìn)一步研究。

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Prediction of reef and bank reservoir based on mobility attribute

GUO Xu-sheng1, FAN Rui1, WEN Xiao-tao2

1.SINOPECExplorationCompany,Chengdu610041,China； 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Fluid mobility is proved to be related to permeability of reservoir and viscosity of fluid, and the mobility attribute can be used to predict oil and gas reservoir. Mobility attribute is proportional to the ratio of amplitude with the variation of frequency. It can be obtained on the basis of seismic data and used to further analyze permeability of reservoir and viscosity of fluid. The flow path of how to extract mobility attribute is proposed according to theoretic research on mobility attribute and the key factors of stratum thickness and preferred frequency which affect the mobility attribute is discussed. Meanwhile, methods of how to invert thickness of stratum and how to obtain dominant frequency are presented in the paper. Prediction of reservoir by numerical simulation and practical field application in the Yuanba area prove the validity of this method.

reef and bank reservoir; mobility attribute; viscosity; permeability; low frequency

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.01

1671-9727(2016)06-0641-07

2015-07-03。 [基金項(xiàng)目] 國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05005-003)。 [第一作者] 郭旭升(1965-)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事石油地質(zhì)綜合研究與勘探管理, E-mail:guoxs.ktnf@sinopec.com。

TE122.24; P631.443

A