地震多屬性孔隙因子參數(shù)反演及其在伊拉克M油田碳酸鹽巖儲層預(yù)測中的應(yīng)用

張顯文,曹樹春,聶 妍,趙衛(wèi)平,段曉夢,楊喜彥

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028;2.中海石油伊拉克有限公司,北京100028;3.中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調(diào)控中心,北京100027)

目前世界剩余油氣資源的60%以上位于碳酸鹽巖儲層中,巨大的勘探開發(fā)潛力使其備受關(guān)注。多年來國內(nèi)外地球物理學(xué)家在碳酸鹽巖儲層預(yù)測方面做了諸多探索,形成了多項(xiàng)碳酸鹽巖儲層預(yù)測技術(shù),如AVO分析、波形分類技術(shù)、地球物理反演技術(shù)、頻率差異分析(FDA)技術(shù)、三維相干體技術(shù)等[1-4]。碳酸鹽巖儲層除受原始沉積環(huán)境與地震相控制外,還受后期成巖作用控制,多元成因使其內(nèi)部儲層物性結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單一屬性或儲層預(yù)測方法存在局限性[5],因此,地震多屬性預(yù)測技術(shù)在碳酸鹽巖儲層研究中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。楊子川[8]通過模型正演建立了碳酸鹽巖儲層地震識別模式,提出了適用于塔河油田縫洞型儲層預(yù)測的方法。劉殊等[9]以普光氣田飛仙關(guān)組臺地邊緣鮞灘為研究對象,分別從地震相、地震屬性及地震正反演等方面對臺地邊緣鮞灘儲層的預(yù)測技術(shù)進(jìn)行了探討。楊曉利等[10]提出了相控地震多屬性預(yù)測技術(shù),結(jié)合古地貌確定儲層有利分布相帶,綜合多屬性預(yù)測了裂縫型碳酸鹽巖的儲層發(fā)育區(qū)。不同碳酸鹽巖地區(qū)由于沉積與成巖作用差異,其有利儲層發(fā)育的主控因素不同,儲層預(yù)測需針對其地質(zhì)特點(diǎn)制定相關(guān)技術(shù)對策。

位于伊拉克南部的M油田,構(gòu)造上隸屬扎格羅斯山脈隆起帶和N-S向的阿拉伯構(gòu)造帶東部邊緣的過渡帶,其主要生產(chǎn)層為白堊系Mishrif組碳酸鹽巖儲層,發(fā)育緩坡碳酸鹽巖臺地相,取心井巖心及鏡下薄片分析結(jié)果表明,儲層段以顆粒灰?guī)r為主,其次為泥晶灰?guī)r[11]。儲層孔隙類型多樣,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因而具有相同孔隙度的儲層其滲透率存在明顯差異,而這些差異在傳統(tǒng)的聲波、密度以及中子測井資料上無明顯變化,因此,采用傳統(tǒng)的儲層預(yù)測技術(shù)刻畫該油田有利儲層的分布面臨技術(shù)瓶頸,有必要分析儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感彈性參數(shù),開展地震多屬性反演預(yù)測有利儲層的空間展布規(guī)律。

本次研究首先基于簡化的巖石孔隙結(jié)構(gòu)模型分析了孔隙結(jié)構(gòu)對滲透率的影響,進(jìn)一步通過研究區(qū)的核磁共振測井與巖心、薄片等資料的巖石物理分析,確定對儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感的孔隙因子參數(shù),提出“三步法”地震多屬性孔隙因子參數(shù)反演方法,最后對伊拉克M油田進(jìn)行有利儲層預(yù)測與應(yīng)用效果分析。

1 儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)分析

與碎屑巖儲層相比,碳酸鹽巖儲層受構(gòu)造、沉積、成巖等多元因素的影響,孔隙類型多樣,存在粒內(nèi)孔、粒間孔、溶蝕孔和鑄?？椎?儲層沉積環(huán)境與成巖作用強(qiáng)度的差異,嚴(yán)重影響巖石中孔隙和喉道的幾何形態(tài)、分布特征和連通情況等,使孔隙結(jié)構(gòu)存在較大的差異。對于孔隙度相似的儲層,由于孔隙結(jié)構(gòu)不同,使得滲透率和飽和度等儲層參數(shù)可能存在較大差異[12]。

基于研究區(qū)基礎(chǔ)資料,對碳酸鹽巖儲層孔隙度巖石物理交會分析,結(jié)果如圖1所示,可以看出,致密的灰?guī)r基質(zhì)表現(xiàn)為高速度、高密度特征,當(dāng)灰?guī)r孔隙發(fā)育時(shí),儲層的速度與密度減小,表現(xiàn)為低阻抗的地震響應(yīng)特征。因此,利用波阻抗參數(shù)能夠有效識別儲層與基質(zhì)。

圖1 碳酸鹽巖儲層孔隙度巖石物理交會分析a 速度-阻抗-孔隙度交會分析;b 密度-阻抗-孔隙度交會分析

為了進(jìn)行儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)研究,對研究區(qū)B-22井測井進(jìn)行了綜合分析,結(jié)果如圖2所示,可以看出,不同深度聲波、密度、中子曲線值差別較小,而巖心核磁T2均值以及薄片分析指示儲層縱向孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差異,使得巖樣測試的儲層滲透率縱向上存在幾百到上千毫達(dá)西的變化。因此,儲層孔隙結(jié)構(gòu)刻畫是該區(qū)有利儲層預(yù)測的關(guān)鍵。

前人研究表明,深、淺側(cè)向電阻率差異大小與泥漿濾液的侵入程度有關(guān),可間接表征儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[13]。圖3為研究區(qū)B-24井測井綜合分析結(jié)果,可以看出,深、淺側(cè)向電阻率縱向存在差異,與核磁共振測井T2均值刻畫的儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化一致,其差異較大的部位儲層物性較好,該規(guī)律在其它井中也得到證實(shí),因此,構(gòu)建對儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感的孔隙因子Rvar:

(1)

式中:RD與RS分別為深、淺側(cè)向電阻率;φ為有效孔隙度。

圖2 M油田B-22井測井綜合分析結(jié)果(1ft≈0.3048m,1mD ≈0.987×10-3μm2)a 測井解釋曲線、巖心孔隙度(紅點(diǎn)數(shù)據(jù))與滲透率(藍(lán)點(diǎn)數(shù)據(jù));b 巖心核磁T2均值;c 巖心薄片分析結(jié)果

圖3 儲層測井綜合分析(1ft≈0.3048m)a 儲層測井響應(yīng);b 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

2 地震多屬性孔隙因子反演

對于方程(1)中構(gòu)建的儲層孔隙因子,地震多屬性孔隙因子反演算法實(shí)現(xiàn)包括波阻抗反演、敏感地震屬性優(yōu)選和地震多屬性反演3個(gè)步驟,具體如下。

1) 波阻抗反演識別儲層與基質(zhì)。

假設(shè)地層由一系列稀疏的強(qiáng)反射系數(shù)與高斯分布的弱反射系數(shù)疊加組成,約束稀疏脈沖反演是一種基于地震道的反演,算法實(shí)現(xiàn)過程中可以加入井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)信息等約束條件,反演結(jié)果穩(wěn)定且與地震數(shù)據(jù)相關(guān)。

約束稀疏脈沖反演的最小誤差函數(shù)為[14]:

(2)

式中:J為誤差函數(shù);ri為反射系數(shù);i是地震道采樣點(diǎn)序號;λ為數(shù)據(jù)不匹配權(quán)重因子;xi為地震道樣點(diǎn);si為合成道樣點(diǎn);α為趨勢不匹配權(quán)重因子;ti為井波阻抗約束趨勢;zi為聲阻抗數(shù)據(jù);p,q為優(yōu)化因子。

反演過程算法的實(shí)現(xiàn)包括反射系數(shù)序列計(jì)算、帶寬波阻抗求取以及全頻帶絕對波阻抗道合并3個(gè)過程,通過波阻抗反演實(shí)現(xiàn)儲層與基質(zhì)的識別。

2) 專家優(yōu)選與自動優(yōu)化組合優(yōu)選孔隙因子敏感地震屬性。

地震屬性優(yōu)選主要包括專家經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)學(xué)理論法,專家經(jīng)驗(yàn)法屬性優(yōu)選地質(zhì)意義明確但存在一定的主觀性,而數(shù)學(xué)理論法相對客觀但優(yōu)選的地震屬性有時(shí)缺少明確的地質(zhì)意義。由于M油田為已開發(fā)多年的老油田,地質(zhì)研究工作較為深入,因此,本次研究采用專家優(yōu)選與自動優(yōu)化組合的方法,實(shí)現(xiàn)孔隙因子敏感地震屬性優(yōu)選。

基于研究區(qū)的地質(zhì)分析與巖石物理研究,儲層的孔隙結(jié)構(gòu)決定了有利儲層的發(fā)育與展布,其變化影響地震反射的能量變化、波形差異及吸收衰減等特征。結(jié)合由模型理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)所建立的基礎(chǔ)儲層特征的地震屬性分類表和屬性貢獻(xiàn)率計(jì)算方法[15],計(jì)算每類地震屬性的孔隙因子貢獻(xiàn)率,計(jì)算公式為:

(3)

i=1,2,…,n

式中:Ai為第i個(gè)屬性對馬氏距離D2的貢獻(xiàn)率。馬氏距離D為:

(4)

式中:c1,c2,…,cn為線性函數(shù)的判別系數(shù);d1,d2,…,dn分別為n個(gè)屬性x1,x2,…,xn對應(yīng)兩類屬性組合的均值差。

基于方程(3)計(jì)算經(jīng)由專家優(yōu)選的地震屬性對孔隙因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。圖4a為振幅類地震屬性貢獻(xiàn)率,可以看出,反演波阻抗、均方根振幅和分頻能量3個(gè)參數(shù)對孔隙因子變化更為敏感。同理對其它類型地震屬性進(jìn)行貢獻(xiàn)率分析,最后確定用于孔隙因子反演的4類共8種屬性。①振幅類:反演波阻抗、均方根振幅、35Hz分頻能量;②相干類:相干、曲率;③波形類:波形聚類;④頻率類:主頻、吸收衰減。針對專家優(yōu)選的部分地震屬性進(jìn)行屬性貢獻(xiàn)率分析,結(jié)果如圖4b所示,可以看出,反演波阻抗和波形聚類屬性對孔隙因子的貢獻(xiàn)率最大,反映波形變化的相干類屬性對孔隙因子的貢獻(xiàn)率相對最小。由于相同類屬性之間存在冗余度及干擾,因此,需要優(yōu)選上述4類屬性進(jìn)行自動優(yōu)化以進(jìn)一步尋優(yōu)。

3) 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地震多屬性孔隙因子反演。

基于專家優(yōu)選的8種屬性,首先構(gòu)建孔隙因子參數(shù)反演的目標(biāo)函數(shù)。由于測井和地震之間存在頻率差異,利用褶積因子將井參數(shù)與地震屬性鄰近采樣點(diǎn)相關(guān),多屬性反演的目標(biāo)函數(shù)為[16]:

圖4 專家優(yōu)選地震屬性孔隙因子貢獻(xiàn)率分析a 振幅類屬性;b 專家優(yōu)選的部分地震屬性

(5)

式中:Rvar(t)為儲層孔隙因子;Ai(t)(i=1,2,…,M)為專家優(yōu)選的M(M=8)個(gè)地震屬性;“*”表示褶積;C0為常數(shù);Ci為權(quán)系數(shù)。通過求解預(yù)測誤差的最小化得到:

(6)

式中:N為進(jìn)行多屬性分析時(shí)窗的樣點(diǎn)數(shù)。

基于上述的步聰算法,最終確定對孔隙因子敏感的6個(gè)地震屬性組成的屬性集合,包括:反演波阻抗、均方根振幅、35Hz分頻能量、相干、波形聚類和吸收衰減。對于方程(5)的孔隙因子反演,利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化訓(xùn)練[17],建立井點(diǎn)處目標(biāo)參數(shù)和屬性組合的數(shù)學(xué)關(guān)系,應(yīng)用于三維地震數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地震多屬性孔隙因子反演。

3 實(shí)際應(yīng)用

伊拉克M油田現(xiàn)有生產(chǎn)井10余口,后續(xù)井位部署以水平井為主,對有利儲層空間分布規(guī)律的認(rèn)知制約了油田的開發(fā)生產(chǎn)。首先應(yīng)用波阻抗反演識別儲層與基質(zhì)。圖5為MB儲層某地震剖面和波阻抗反演剖面,可以看出,MB儲層分為上、下兩套儲層。由于儲層孔隙發(fā)育,波阻抗反演表現(xiàn)為低波阻抗特征,因此,對圖5所示波阻抗反演的兩套儲層提取最小振幅平面屬性如圖6所示,其中,圖6a為MB上部MBⅠ儲層平面展布,圖6b為下部儲層MBⅡ平面展布。地質(zhì)研究結(jié)果表明,MB儲層為海退的沉積過程,MBⅡ儲層具有可容納空間,儲層連片分布,MBⅠ儲層由于受沉積環(huán)境和可容納空間的限制,儲層局部發(fā)育,存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性,波阻抗反演儲層空間分布特征與地質(zhì)認(rèn)識及沉積背景吻合。

基于前文優(yōu)選的6種敏感地震屬性開展地震多屬性孔隙因子反演,基于B43,B51和B52三口井的反演算法置信度分析如圖7所示,其中圖7a為訓(xùn)練誤差,圖7b為盲井交叉檢驗(yàn)誤差,圖7c為實(shí)測與預(yù)測孔隙因子參數(shù)的交會分析結(jié)果,多井訓(xùn)練誤差相關(guān)系數(shù)為94.2%,盲井檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到90%,實(shí)測與預(yù)測孔隙因子具有較好的相關(guān)性,因此,多屬性反演算法具有較高的可信度。

圖6 MB儲層波阻抗反演最小振幅屬性平面分布a MBⅠ儲層;b MBⅡ儲層

圖7 多屬性孔隙因子反演置信度分析a 訓(xùn)練誤差(相關(guān)系數(shù)為94.2%);b 盲井交叉檢驗(yàn)誤差(相關(guān)系數(shù)為90.0%);c 實(shí)測與預(yù)測孔隙因子Rvar交會分析結(jié)果

MB儲層地震多屬性孔隙因子反演的剖面與平面分布結(jié)果分別如圖8和圖9所示,其中,圖9a與圖9b 分別為MBⅠ與MBⅡ儲層孔隙因子反演的最小振幅屬性平面分布。對比圖6和圖9可以看出,有利儲層主要發(fā)育在MB的上部MBⅠ儲層,以粒間孔為主,局部發(fā)育且具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,MB的下部儲層MBⅡ以粒內(nèi)孔和晶間孔為主,儲層物性較差。儲層預(yù)測結(jié)果與B57和B60兩口新井的鉆后資料一致。

圖8 MB儲層地震多屬性孔隙因子反演剖面

圖9 MB儲層地震多屬性孔隙因子反演最小振幅屬性平面分布a MBⅠ儲層;b MBⅡ儲層

4 結(jié)論

碳酸鹽巖儲層物性受沉積和成巖作用控制,多元成因使其內(nèi)部儲層物性結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同類型碳酸鹽巖儲層特征與預(yù)測方法不盡相同。伊拉克M油田為孔隙型碳酸鹽巖儲層,本文研究明確了儲層孔隙結(jié)構(gòu)是影響研究區(qū)有利儲層發(fā)育的主要因素,基于深、淺側(cè)向電阻率與孔隙度參數(shù)構(gòu)建了反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化的孔隙因子,提出了地震多屬性孔隙因子反演方法,在利用波阻抗反演進(jìn)行儲層與基質(zhì)識別的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了有利儲層分布范圍的預(yù)測。結(jié)果表明優(yōu)質(zhì)灘相儲層發(fā)育在海退的沉積過程中的晚期,以粒間孔為主,局部發(fā)育且具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,儲層預(yù)測結(jié)果符合儲層沉積規(guī)律且得到了兩口新井的鉆后證實(shí)。

由于本文研究區(qū)為孔隙型碳酸鹽巖儲層,裂縫不發(fā)育,如果將該技術(shù)應(yīng)用于孔隙-裂縫型碳酸鹽巖儲層預(yù)測時(shí),還需考慮裂縫的空間展布規(guī)律。