稠油油藏AVO影響因素分析

謝 祥 吳 奎 張金輝 高京華 樊建華(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

1 引言

自O(shè)strander[1]提出利用縱波反射系數(shù)隨入射角的變化規(guī)律識(shí)別含氣砂巖以來，AVO技術(shù)在油氣勘探和開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和流體識(shí)別的一項(xiàng)有力工具。Aki等[2]、Shuey[3]、Fatti等[4]及鄭曉東[5]分別基于不同的假設(shè)條件對(duì)AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)——Zoeppritz方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到各種形式的反射系數(shù)近似方程，為AVO屬性分析和疊前反演奠定了理論基礎(chǔ)。Rutherford等[6]根據(jù)界面處零炮檢距反射系數(shù)的大小，將含氣砂巖的AVO異常類型分為三類，Castagna等[7]研究不同的彈性參數(shù)模型后進(jìn)一步將其擴(kuò)展為四類，從而建立了地層含油氣性和AVO異常之間的聯(lián)系，促使AVO技術(shù)直接用于油氣勘探、開發(fā)。Russell等[8]、左國平等[9]、趙萬金等[10]及張衛(wèi)衛(wèi)等[11]應(yīng)用AVO技術(shù)識(shí)別含氣砂巖。Carcuz[12]、孫鵬遠(yuǎn)等[13]聯(lián)合PP波和PS轉(zhuǎn)換波地震資料進(jìn)行AVO分析。潘仁芳等[14]通過改變孔隙度、含氣飽和度及儲(chǔ)蓋參數(shù)，開展含氣砂巖AVO響應(yīng)半定量分析。雍學(xué)善等[15]、張璐等[16]研究了雙相孔隙流體條件模型的AVO響應(yīng)特征。陳軍等[17]分析了碳酸鹽巖儲(chǔ)層的AVO響應(yīng)特征。Xie等[18]定量分析了薄層的AVO調(diào)諧效應(yīng)并將其用于井、震AVO響應(yīng)不一致的氣層識(shí)別。軒義華等[19]、程冰潔等[20]及鐘晗等[21]研究了頻變AVO技術(shù)及其在油氣識(shí)別中的應(yīng)用。李建華等[22]利用疊前AVO反演檢測(cè)流體。

然而，盡管AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)及其衍生出的一系列技術(shù)體系相對(duì)較成熟，但是只適用于識(shí)別氣層或者輕質(zhì)油層。對(duì)于稠油油藏，由于特殊的溫壓環(huán)境和形成機(jī)制，其密度(國際上定義地面脫氣密度大于0.943g/cm3，油層溫度下脫氣粘度小于10000mPa·s的原油為稠油)與水非常接近[23，24]，導(dǎo)致含稠油地層與含水地層的地震響應(yīng)特征十分相似，因此理論上AVO技術(shù)難以較好地區(qū)分兩者，致使應(yīng)用AVO技術(shù)識(shí)別稠油的效果并不理想，鮮有利用AVO技術(shù)識(shí)別稠油油藏的研究。

為此，本文從AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)——Zoeppritz方程出發(fā)，通過巖石物理參數(shù)分析，認(rèn)為儲(chǔ)層物性(孔隙度)和含油氣性(含油飽和度)是影響反射系數(shù)隨入射角度變化的主要因素，進(jìn)而構(gòu)建了一個(gè)含稠油模型?；诹黧w替換和孔隙度替換的AVO正演模擬，分析了孔隙度、含油飽和度對(duì)稠油油藏AVO特征的影響。研究表明，孔隙度是影響AVO響應(yīng)特征的敏感因素，含油飽和度的影響可忽略不計(jì)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用AVO技術(shù)預(yù)測(cè)稠油油藏儲(chǔ)層物性的新方法。對(duì)渤海灣盆地錦州A油田的物性預(yù)測(cè)結(jié)果表明，研究結(jié)果與鉆井?dāng)?shù)據(jù)吻合，證實(shí)了文中方法的有效性。

2 稠油油藏AVO特征敏感因素

2.1 巖石物理參數(shù)分析

AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)是精確的Zoeppritz方程?；趩我环瓷浣缑嫔稀⑾陆橘|(zhì)所受應(yīng)力和位移的連續(xù)性條件，該方程表征了界面處縱、橫波反射系數(shù)、透射系數(shù)與入射角度之間的函數(shù)關(guān)系

(1)

式中：VP1、VS1、ρ1與VP2、VS2、ρ2分別為界面上、下兩種介質(zhì)的縱、橫波速度及密度；θ1和θ2分別為縱波入射角和透射角；φ1和φ2分別為橫波反射角和透射角。

由于式(1)在形式上為復(fù)雜的非線性方程，難以直接求出解析解，無法直觀地了解反射系數(shù)隨入射角的變化規(guī)律。為此，人們從不同的角度對(duì)Zoeppritz方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化[2-5]，得到各種形式的近似表達(dá)式，其中應(yīng)用最廣泛的是Aki-Richards近似方程[2]

(2)

式(2)為AVO技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用提供了直接的理論依據(jù)。由式(1)和式(2)可見，反射系數(shù)隨入射角的變化受反射界面上、下介質(zhì)的縱、橫波速度和密度(VP1、VS1、ρ1與VP2、VS2、ρ2)的影響。Rutherford等[6]認(rèn)為，零炮檢距反射系數(shù)和反射界面上、下介質(zhì)的泊松比之差是影響地層AVO特征的兩個(gè)主要參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)均能表示為縱、橫波速度和密度的函數(shù)。此外，在上覆介質(zhì)參數(shù)固定不變的假設(shè)條件下，反射系數(shù)隨入射角的變化只受目的層參數(shù)的影響。

由體積平均方程可精確計(jì)算飽和流體巖石密度

ρsat=ρm(1-φ)+ρwSwφ+ρo(1-Sw)φ

(3)

式中：ρm、ρw和ρo分別為巖石骨架、地層水以及原油的密度；φ為孔隙度；Sw為含水飽和度。

類似地，可由Wyllie時(shí)間平均方程計(jì)算縱、橫波速度。然而Domenico[25]認(rèn)為，利用該方程求取含氣砂巖的縱、橫波速度均存在較大誤差。Biot[26]研究了砂巖含流體之后體積模量和剪切模量的變化規(guī)律，得到了砂巖縱、橫波速度的精確表達(dá)式

(4)

(5)

式中Ksat和μsat分別為飽和流體巖石的體積模量和剪切模量，根據(jù)Biot-Gassmann方程，可分別表示為

(6)

μsat=μdry

(7)

式中：Kdry、Km、Kfl分別為干巖石、骨架以及孔隙流體的體積模量；μdry為干巖石的剪切模量。

由式(5)和式(7)可見，砂巖橫波速度受孔隙流體變化的影響較小。首先利用鉆井取心測(cè)得的縱、橫波速度和密度由式(4)、式(5)計(jì)算Ksat，然后由式(6)、式(7)求取Kdry和μdry。根據(jù)鉆井取心測(cè)得的縱、橫波速度和密度計(jì)算砂巖骨架的體積模量Km，其經(jīng)驗(yàn)值可由文獻(xiàn)得到。含油、水兩相介質(zhì)的孔隙流體的體積模量Kfl由Wood方程得到

(8)

式中Kw和Ko分別為地層水和原油的體積模量, Batzle等[27]通過大量的統(tǒng)計(jì)工作和實(shí)驗(yàn)研究得到了兩者的經(jīng)驗(yàn)值。

基于上述分析，將式(3)、式(6)、式(7)、式(8)代入式(4)和式(5)，得到飽和流體雙相介質(zhì)的縱、橫波速度

VP=

(9)

(10)

上述分析表明，對(duì)于特定的巖石類型和流體性質(zhì)，在式(3)、式(9)、式(10)中除φ和Sw之外，其他參數(shù)均為已知或可間接求出。由此可見，儲(chǔ)層物性和含油氣性是縱、橫波速度和密度的主要影響因素，進(jìn)而也是影響AVO響應(yīng)特征的主要因素。

2.2 模型研究

為進(jìn)一步分析影響稠油油藏AVO特征的敏感因素，根據(jù)實(shí)際地層參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的含稠油水平層狀初始模型。表1為初始模型各層的縱、橫波速度和密度參數(shù)。

表1 初始模型各層的縱、橫波速度和密度參數(shù)

根據(jù)初始條件下模型的縱、橫波速度和密度參數(shù)，可由式(4)和式(5)計(jì)算對(duì)應(yīng)的Ksat和μsat，然后將其代入式(6)，便可求出干巖石的體積模量Kdry。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Biot-Gassmann雙相介質(zhì)理論對(duì)目的層依次進(jìn)行流體替換和孔隙度替換，利用式(3)、式(9)、式(10)分別計(jì)算不同含油飽和度和孔隙度的含稠油砂巖的密度和縱、橫波速度，由此分析儲(chǔ)層含油氣性和物性變化對(duì)巖石物理參數(shù)的影響。圖1為不同含油飽和度和孔隙度的縱、橫波速度和(a)初始孔隙度不變，密度隨含油飽和度的變化曲線；(b)初始孔隙度不變，縱、橫波速度隨含油飽和度的變化曲線； (c)初始含油飽和度不變，密度隨孔隙度的變化曲線；(d)初始含油飽和度不變，縱、橫波速度隨孔隙度的變化曲線模型共三層，其中頂層和底層為參數(shù)完全相同的泥巖，中間夾層為含稠油砂巖，砂層厚50m(大于四分之一波長(zhǎng)，本文不考慮儲(chǔ)層厚度因素的影響)。初始條件下砂巖孔隙度為20%，含油飽和度為60%，稠油和地層水的密度分別為0.97g/cm3與1.05g/cm3。

圖1 不同含油飽和度和孔隙度的縱、橫波速度和密度參數(shù)

密度參數(shù)。由圖可見：①保持初始孔隙度不變，儲(chǔ)層含油飽和度由0遞增至100%時(shí)，密度幾乎未發(fā)生變化(圖1a)，縱波速度略微降低(圖1b中紅線)，橫波速度也幾乎未發(fā)生變化(圖1b中藍(lán)線)；②保持初始含油飽和度不變，儲(chǔ)層孔隙度由0遞增至35%時(shí)，巖石密度明顯呈線性遞減(圖1c)，縱波速度(圖1d中紅線)發(fā)生明顯變化(在孔隙度為0～20%時(shí)迅速降低，在孔隙度大于20%后逐漸趨于穩(wěn)定)，橫波速度略微增大(圖1d中藍(lán)線)。以上分析表明，孔隙度變化對(duì)含稠油地層巖石物理參數(shù)的影響相對(duì)于含油飽和度更為顯著。

為了進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)層含油氣性和物性參數(shù)對(duì)稠油油藏AVO響應(yīng)特征的影響，分別利用流體替換和孔隙度替換得到的縱、橫波速度和密度參數(shù)，基于Zoeppritz方程計(jì)算含稠油儲(chǔ)層頂面對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)隨入射角度的變化，從而得到不同含油飽和度及孔隙度的含稠油模型的AVO曲線(圖2)。由此可見： ①保持砂體孔隙度φ不變，當(dāng)含油飽和度So由0遞增至100%時(shí)，反射系數(shù)變化非常小(圖2a)。尤其是當(dāng)入射角為0～40°時(shí)(一般地震資料的有效入射角范圍)，不同So的反射系數(shù)曲線幾乎重疊在一起，無法區(qū)分； ②保持砂體So不變，當(dāng)φ由5%遞增至35%時(shí)(一般儲(chǔ)層的孔隙度范圍)，儲(chǔ)層頂面的反射系數(shù)發(fā)生了明顯變化(圖2b)。因此，儲(chǔ)層孔隙度是影響稠油油藏AVO響應(yīng)特征的敏感因素，含油飽和度對(duì)AVO響應(yīng)特征的影響可忽略不計(jì)。因此，在理論上可以根據(jù)稠油油藏AVO響應(yīng)特征的變化分析和預(yù)測(cè)儲(chǔ)層物性。

圖2 不同含油飽和度(a)和孔隙度(b)的含稠油模型的AVO曲線

3 方法應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

錦州A油田位于渤海灣盆地遼東灣坳陷北部的遼東凸起，研究區(qū)的主要含油層系為新近系館陶組中下部Ⅴ油組，埋深較小。測(cè)井取樣分析表明，原油密度為0.972g/cm3(20℃環(huán)境下)，粘度為349.4mPa·s(50℃環(huán)境下)，屬于典型的重質(zhì)稠油。由于渤海地區(qū)館陶組底部地層普遍含礫，儲(chǔ)層物性條件成為制約油氣成藏規(guī)模的關(guān)鍵因素。鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，含油豐度較高井段的儲(chǔ)層孔隙度相對(duì)較大。因此，尋找物性較好的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層對(duì)認(rèn)識(shí)油氣富集規(guī)律以及油田后期開發(fā)和外圍區(qū)的滾動(dòng)勘探具有重要意義。沉積和構(gòu)造分析表明，研究區(qū)館陶組發(fā)育辮狀河沉積，整體地形較為平緩，起伏較小。目的層埋深約為1000m，且地層厚度較為穩(wěn)定，鉆井?dāng)?shù)據(jù)揭示目的層巖性橫向變化較小。因此，研究中不考慮地層埋深、厚度以及巖性等因素的橫向變化對(duì)AVO特征的影響。

3.2 AVO技術(shù)在稠油儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

通過分析研究區(qū)基礎(chǔ)資料(測(cè)井曲線和地震道集)的品質(zhì)可知，各井的井徑曲線質(zhì)量較好，且縱、橫波速度及密度交會(huì)曲線未見明顯的異常值，說明測(cè)井曲線較為可靠。利用Zoeppritz方程對(duì)實(shí)際測(cè)井曲線進(jìn)行正演模擬，并對(duì)比了正演結(jié)果與實(shí)際地震道集，表明兩者在剖面上的整體波組特征及能量較為一致，對(duì)應(yīng)關(guān)系較好(圖3)。

通過分別提取正演道集和實(shí)際道集目的層(950～980ms)頂、底面的AVO曲線(圖4)，可見模型結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的振幅變化趨勢(shì)十分吻合，均表現(xiàn)為Ⅰ類AVO特征，從而證實(shí)了地震道集質(zhì)量的可靠性。

對(duì)文中方法在研究區(qū)內(nèi)的適用性進(jìn)行了分析。目的層實(shí)際縱、橫波速度與孔隙度交會(huì)圖(圖5)表明：隨著孔隙度增大，縱波速度顯著降低(圖5a)，橫波速度基本保持不變(圖5b)，整體變化趨勢(shì)與前文(圖1)一致；不同顏色的點(diǎn)相互疊置，表明含油飽和度的變化對(duì)縱、橫波速度幾乎沒有影響。進(jìn)而基于測(cè)井資料得到初始條件下地層的縱橫波速度、孔隙度及含油飽和度等參數(shù)，并對(duì)目的層段測(cè)井曲線依次進(jìn)行流體替換和孔隙度替換，分別得到含油飽和度為0、20%、40%、60%、80%、100%以及孔隙度為φ0±0.05、φ0±0.01、φ0±0.15(φ0為初始孔隙度)的儲(chǔ)層縱、橫波速度和密度。對(duì)得到的參數(shù)基于Zoeppritz方程進(jìn)行正演模擬，正演中采用主頻為30Hz的零相位雷克子波。圖6為不同含油飽和度、孔隙度模型的AVO曲線。由圖可見：不同含油飽和度的AVO曲線無法區(qū)分，尤其是在中、小炮檢距范圍內(nèi)，各曲線幾乎完全重疊(圖6a)；不同孔隙度的AVO曲線之間的差異則十分明顯，當(dāng)孔隙度較小時(shí)差異尤為顯著(圖6b)。

圖3 測(cè)井曲線正演模擬結(jié)果(左)與實(shí)際地震道集(右)

圖4 正演模擬與實(shí)際地震道集AVO曲線

圖5 目的層實(shí)際縱(a)、橫波速度(b)與孔隙度交會(huì)圖

圖6 不同含油飽和度(a)、孔隙度(b)模型的AVO曲線

圖7為不同含油飽和度、孔隙度的梯度—截距交會(huì)圖。由圖可見：隨著含油飽和度增大，曲線的截距P幾乎不變，梯度G略微減小；隨著孔隙度增大，曲線的P顯著減小，G則顯著增大。由于P為正，G為負(fù)，因此二者的乘積P×G隨著孔隙度增大而增大。由此可見，在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)AVO響應(yīng)特征的變化預(yù)測(cè)儲(chǔ)層物性是可行的。圖8為渤海盆地錦州A油田館陶組Ⅴ油組P×G屬性。由圖可見：A1井和A5井位于紅色區(qū)域中心，指示儲(chǔ)層孔隙度相對(duì)較大；A3井和A4井位于紅色區(qū)域邊緣，表明孔隙度次之； A2井位于綠色區(qū)域，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性較差。這一結(jié)果與鉆井?dāng)?shù)據(jù)較為吻合，從而證實(shí)了該方法的有效性。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，研究區(qū)西南部發(fā)育物性相對(duì)較好的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，將是下一步勘探的重點(diǎn)區(qū)域。

圖7 不同含油飽和度、孔隙度的梯度—截距交會(huì)圖

圖8 渤海盆地錦州A油田館陶組Ⅴ油組P×G屬性

4 結(jié)束語

本文從AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，通過巖石物理參數(shù)分析、模型研究以及實(shí)例應(yīng)用，分析了稠油油藏AVO響應(yīng)特征的敏感因素，進(jìn)而提出了應(yīng)用AVO技術(shù)開展稠油油藏儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)的一種新方法。通過對(duì)含稠油理論模型的流體替換、孔隙度替換以及AVO正演模擬，研究了不同含油飽和度、孔隙度的稠油模型的AVO響應(yīng)特征。結(jié)果表明，孔隙度是影響AVO響應(yīng)特征的敏感因素，含油飽和度的影響可忽略不計(jì)。通過在錦州A油田的應(yīng)用，對(duì)目的層孔隙度橫向變化進(jìn)行了研究，結(jié)果與鉆井?dāng)?shù)據(jù)較為吻合，證實(shí)了文中方法的有效性。

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