高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層預(yù)測技術(shù)組合研究與應(yīng)用

劉志斌 解吉高 薛 冬 肖 曦 王 迪 牛 聰 焦振華 劉 方

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1 北海DG油田儲層預(yù)測面臨的挑戰(zhàn)

北海盆地為克拉通內(nèi)裂谷盆地，毗鄰挪威海，西北以設(shè)得蘭群島為界，南至倫敦布班特隆起，東面以波羅的地盾為界，而中北海隆起和林克-賓芬隆起又將整個北海區(qū)域劃分為南北海盆地和北北海盆地。北海盆地油氣資源分布最大的特點是“北油南氣”，超過90%以上石油分布在北北海盆地，而北北海盆地主要含油氣構(gòu)造單元包括維京地塹、中央地塹、霍達臺地和莫里-福斯地塹等[1-2]。DG油田位于北海盆地北部的莫里-福斯灣地塹區(qū)，該地塹區(qū)已發(fā)現(xiàn)的油氣藏以巖性、構(gòu)造以及復(fù)合圈閉為主，其中上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)的淺海相陸坡砂巖為質(zhì)量最好的儲層[3]。

DG油田區(qū)從下往上發(fā)育三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和新近系。其中，侏羅系底界面稱作BUJ界面，白堊系與侏羅系之間的不整合界面稱作BCU界面，白堊系與古近系的分界面，即高速灰?guī)r底界面稱為Plenus界面，而高速灰?guī)r頂界面稱為Ekofisk界面。DG油田的主力儲層位于BCU界面以上的Punt組和BCU界面以下的Burns組中(圖1)。但主力儲層單層厚度薄、非均質(zhì)性強，儲層與圍巖地震響應(yīng)特征差異小，砂體空間展布規(guī)律不清，這是該油田區(qū)鉆井成功率不高，勘探開發(fā)成效低下的首要地質(zhì)原因[4]。

圖1 過DG油田的地震疊合速度剖面Fig .1 Full stack seismic profile overlying by velocity through DG oilfield

同時，DG油田由于在淺層古近系廣泛發(fā)育近千米厚的高速灰?guī)r層(圖1)，使地震波不能以臨界角入射到高速灰?guī)r層以下的地層，形成了地震勘探中的屏蔽效應(yīng)[5]，導(dǎo)致高速灰?guī)r屏蔽層下伏地層只能在近偏移距接收到弱反射地震信號，中遠偏移距采集的是折射、多次和轉(zhuǎn)換波復(fù)合波(圖2)。該油田區(qū)巖石物理特征分析表明，僅疊前地震屬性才能有效識別儲層[6]，反演地層疊前屬性需要疊前地震道集高質(zhì)量的中遠角度反射波信號，而實際道集中遠角度反射波信號卻被干擾和屏蔽。近年來，該油田區(qū)開展了多輪攻關(guān)研究與實踐，但效果最好的疊前共反射點道集上最大反射角度也僅為25°(圖2)，在此條件下開展儲層預(yù)測道集可用角度過小，基礎(chǔ)資料條件難以滿足疊前反演條件[7-8]，導(dǎo)致儲層預(yù)測可靠程度不高，鉆了大批失利井。同時，當前資料條件下預(yù)測的主力儲層有利區(qū)域已完全上鉆，該油田面臨后備資源接替嚴重不足，資源枯竭問題日漸明顯的困境[9-10]。

針對北海DG油田高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層預(yù)測面臨的主要難點與挑戰(zhàn)[11]，筆者在大量試驗和實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一套利用波動方程正演分析技術(shù)判別高速灰?guī)r頂界面地震反射波臨界角大小、利用地震多次波壓制技術(shù)提高共反射點道集的中遠角度道集質(zhì)量、利用疊前反演泊松阻抗屬性技術(shù)預(yù)測高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層空間展布的處理解釋一體化技術(shù)組合。這套技術(shù)組合在北海DG油田高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層預(yù)測中取得了良好的勘探效果，新發(fā)現(xiàn)了后備資源接替區(qū)。

圖2 DG油田疊前深度偏移共反射點道集疊合角度顯示Fig .2 CRP gather after pre-stack depth migration overlying by incidence angle in DG oilfield

2 高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層預(yù)測技術(shù)組合

2.1 利用波動方程正演分析技術(shù)判別反射波臨界角

致力于解決DG油田高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層成像與預(yù)測的難題，必須要回答高速灰?guī)r頂面地震反射波臨界角到底多大這個關(guān)鍵問題。首先用測井速度對地震層速度進行標定和校正，得到校正后的層速度[12-13]；然后在全油田區(qū)搜索灰?guī)r頂面即Ekofisk界面上、下地層層速度比的最小值在A處(圖3)，為0.555(在A點處，Ekofisk界面以上層速度為2 500 m/s，界面以下層速度為4 500 m/s，海平面到灰?guī)r頂面垂直距離為1 250 m)。根據(jù)斯奈爾定律，可理論計算出區(qū)內(nèi)最小臨界角約為34°，其對應(yīng)的最小偏移距為1 700 m。

以上僅為根據(jù)斯奈爾定律理論計算的臨界角及臨界角所對應(yīng)的偏移距。為了驗證理論計算結(jié)果的可靠性，還需精確模擬地震波傳播特性，對地質(zhì)模型進行波場正演，模擬地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律[14-15]，以明確地震波在向下傳播過程中遇到高速屏蔽層時的整個地震波場特征。本文中具體采用彈性波波動方程有限差分法對地質(zhì)模型進行正演模擬，以反映地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和地震波場特征[16-17]；結(jié)果顯示原共反射點道集上最大反射角度僅為25°，即認為高速灰?guī)r頂面地震反射波臨界角最大為25°。再綜合水深條件、海底地形和利用多井測井校正地震層速度，并用測井校正后的地震層速度作為地質(zhì)模型，用彈性波動方程正演模擬地震記錄(圖4)，從正演模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)灰?guī)r頂面臨界角最小為34°；若基于真實測井井速度地質(zhì)模型，用彈性波波動方程正演模擬地震記錄(圖5)，其正演模擬灰?guī)r頂面臨界角為35°。由于DG油田區(qū)灰?guī)r頂面構(gòu)造相對平緩，界面兩側(cè)速度比值變化不大，因此取臨界角的最小值，即最保守的34°作為該油田區(qū)灰?guī)r頂面臨界角。

圖3 DG油田校正后的過井地震層速度剖面Fig .3 Seismic interval velocity profile across well after correction in DG oilfield

圖4 地震層速度模型波動方程正演模擬記錄Fig .4 Wave equation forward modeling profile using seismic interval velocity

圖5 井速度模型波動方程正演模擬記錄Fig .5 Wave equation forward modeling profile using velocity model from well log data

2.2 利用多次波壓制技術(shù)提高中遠角度道集質(zhì)量

原處理效果最好的疊前共反射點道集的最大反射角度僅為25°，本文稱其為窄反射角度道集(圖2)。窄反射角道集可用角度過小以至于難以滿足疊前反演基本條件，導(dǎo)致儲層預(yù)測可靠程度低。而通過波動方程正演重新認識到DG油田區(qū)內(nèi)灰?guī)r頂面地震反射波臨界角最小可達34°，表明共反射點角度道集在25°～34°存在地震一次反射波，只要將當前窄反射角道集中的傾斜多次干擾波進行壓制，中遠角度尤其是25°～34°的一次反射波就能得到一定程度的恢復(fù)。

2.2.1Radon變換壓制中遠角度道集噪音

首先采取濾波類的多次波衰減方法對窄角度共反射點道集中遠角度的傾斜多次干擾波進行有效壓制，其中高精度Radon變換是濾波類壓制多次波的主要方法。Radon變換壓制多次波的原理是先將含有多次波干擾的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)變換到τ-q域，實現(xiàn)一次波與多次波的分離；再對τ-q域數(shù)據(jù)進行濾波后反變換到x-t域，從而實現(xiàn)對多次波的衰減。

對DG油田區(qū)窄角度共反射點道集運用高精度Radon變換壓制多次波前后效果見圖6，處理后的道集中未校平的多次干擾波得到了有效壓制，從而使共反射點道集中遠角度有效反射波信息得到了大幅提升。在高精度Radon變換壓制多次波處理基礎(chǔ)上，再對道集進行精細速度分析、道集同相軸校平等地震組合處理壓制共反射點道集剩余噪音，并將偏移距域道集轉(zhuǎn)換為角度域道集，且最終只保留臨界角34°范圍以內(nèi)的反射波信息，如圖7所示。從圖7可以看出，地震組合處理技術(shù)有效恢復(fù)了共反射點道集中遠角度尤其25°～34°的地震反射波有效信息，使得共反射點道集有效反射波角度從25°至少拓展到了34°，改進后的寬反射角共反射點道集為疊前地震反演和儲層描述提供了更寬角度的道集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.2AVO正演確保重處理道集的保真度

利用AVO正演模型與實際地震資料對比，可評價和判斷地震資料處理過程的相對保幅性。首先根據(jù)測井曲線數(shù)據(jù)換算出的地層速度及目的層埋深和炮檢距計算出射角、入射角，再根據(jù)Zoeppritz方程計算反射系數(shù)，與地震子波褶積得到井點處的AVO或AVA道集，將此合成道集與處理后地震道集中各反射波振幅變化關(guān)系進行比較，即可評價和驗證處理方法對疊前道集的保幅性。

圖6 DG油田Radon變換壓制多次波前后共反射點道集對比Fig .6 Comparison between CRP gathers before and after Radon de-multiples in DG oilfield

圖7 DG油田原窄反射角道集和重處理后寬反射角疊前道集對比Fig .7 Comparison between gathers before and after data processing in DG oilfield

對DG油田區(qū)地震資料進行重處理獲得了更寬反射角度的共反射點道集，進一步根據(jù)測井數(shù)據(jù)提供的井筒中的巖石物理參數(shù)計算井位置處的各反射層的AVA曲線，并以此作為標準來判別DG油田區(qū)地震資料重處理寬角度數(shù)據(jù)的可靠性。為了對DG油田整個探區(qū)的保幅處理結(jié)果有一個比較客觀的判斷，同時對比了多口井主要目的層的正演AVA曲線與井點處實際地震寬反射角度道集AVA曲線。圖8為原窄反射角道集、重處理寬反射角道集、正演模擬AVO道集地震響應(yīng)特征對比，圖9為提取井中儲層頂面振幅隨入射角角度變化的AVA曲線。由圖9可知，正演AVO模擬數(shù)據(jù)振幅與改進后實際數(shù)據(jù)振幅隨角度在臨界角范圍內(nèi)的趨勢一致，因此認為改進后的道集質(zhì)量可靠，具有良好的保真性，可用于后續(xù)疊前地震反演。

圖8 DG油田過井道集地震響應(yīng)特征對比Fig .8 Seismic response characteristics comparison of gathers crossing the well in DG oilfield

圖9 DG油田提取井中儲層頂面地震振幅隨 反射波入射角度變化Fig .9 Amplitude variation versus incidence angle of reflection wave at the top of reservoir extracted from well in DG oilfield

2.3 利用泊松阻抗屬性技術(shù)預(yù)測高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層空間展布

盡管DG油田目前已經(jīng)實施開發(fā)，但鉆井成功率一直不高，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)鉆前儲層預(yù)測成功率不高是開發(fā)成效低下的主要原因。該油田區(qū)巖石物理統(tǒng)計分析表明，縱波阻抗等疊后屬性完全不能識別儲層，需要縱波阻抗和橫波阻抗或者其他疊前屬性聯(lián)合才能有效識別儲層，若直接應(yīng)用疊前地震反演屬性還會出現(xiàn)這些屬性隨著地層埋深的增加而存在明顯的壓實背景趨勢，因此利用這些屬性識別不同深度段儲層的門檻值會隨地層埋深變化而改變。而泊松阻抗同時蘊含了疊前反演的密度和泊松比這兩種重要的屬性信息，它可以消除和避免直接應(yīng)用疊前地震反演屬性的不足，實現(xiàn)將儲層從圍巖中更有效地分離，達到更有效地識別儲層的目的[18]。

2.3.1泊松阻抗概念

Quakenbush等[19]于2006年率先提出了泊松阻抗的概念，指出通過對縱、橫波阻抗交會圖選擇一個旋轉(zhuǎn)軸，可以達到最佳區(qū)分任意兩種流體類型的目的。他們將旋轉(zhuǎn)后的參數(shù)定義為泊松阻抗，其表達式為

PI=AI-CSI

(1)

式(1)中：PI為泊松阻抗，g·cm-3·m·s-1；AI為縱波阻抗，g·cm-3·m·s-1；SI為橫波阻抗，g·cm-3·m·s-1；C為旋轉(zhuǎn)達到最優(yōu)的控制參數(shù)。

2.3.2泊松阻抗求取

對DG油田已鉆15口探井的測井縱、橫波阻抗進行交會分析(圖10)，發(fā)現(xiàn)砂巖儲層與圍巖的縱波阻抗和橫波阻抗都重疊，即用單一縱波阻抗或橫波阻抗均不能從圍巖中識別儲層。如果沿著圖10中的泥巖趨勢背景擬合一條泥巖趨勢線(該泥巖趨勢線的斜率是1.39)，再沿這條泥巖趨勢線進行適當角度的坐標旋轉(zhuǎn)，直到儲層與圍巖在新的坐標系中能完全分開為止，旋轉(zhuǎn)后的坐標軸即為泊松阻抗。DG油田區(qū)泊松阻抗低于1 800 g·cm-3·m·s-1這一門檻值的為砂巖儲層，其余則為圍巖(圖11)；而且不同層段的儲層門檻值不再隨地層埋深增加而變化，泊松阻抗曲線與泥質(zhì)含量曲線相似(圖12)。

圖10坐標系中的泥巖趨勢線的斜率1.39就是使旋轉(zhuǎn)達到最優(yōu)的控制參數(shù)，即式(1)中的C=1.39，由此推測出DG油田區(qū)的泊松阻抗解析式為

圖10 DG油田巖石縱波阻抗與橫波阻抗交會Fig .10 Crossplot of P impedance and S impedance in DG oilfield

圖12 DG油田M1井縱波阻抗、縱橫波速度比、泊松阻抗、泥質(zhì)含量、含水飽和度Fig .12 P impedance,Vp/Vs,Poisson impedance,shale volume and water saturation in Well M1，DG oifield

PI=AI-1.39SI

(2)

最后將疊前彈性參數(shù)反演得到的縱波阻抗和橫波阻抗代入式(2)，從而求取整個工區(qū)范圍地層泊松阻抗體屬性。

3 實際應(yīng)用效果

3.1 寬、窄反射角資料儲層預(yù)測對比

分別對原窄反射角地震資料和重處理的寬反射角地震資料進行疊前泊松阻抗屬性反演，連井剖面對比表明，寬反射角地震資料疊前反演泊松阻抗在空間連續(xù)性、巖性預(yù)測及與已鉆儲層厚度匹配程度上都更高(圖13)；同時，部分過井原窄反射角資料疊前反演泊松阻抗漏判了重要儲層信息，而寬反射角地震資料疊前反演泊松阻抗異常與已鉆儲層一致(圖14)。

3.2 潛力新區(qū)發(fā)現(xiàn)

原窄反射角地震資料反演預(yù)測DG油田儲層在平面上主要分布在M1井窄長條區(qū)域內(nèi)(圖15a)，但M1井區(qū)已處于開發(fā)期，基本無可上鉆的后備目標，油田面臨資源枯竭危險。采用寬反射角地震資料對整個DG油田區(qū)進行了疊前泊松阻抗反演，重新預(yù)測了油田主力儲層Punt組地層砂體空間展布范圍，儲層主要分布于M1區(qū)、B區(qū)和C區(qū)(圖15b)。寬窄反射角地震資料儲層預(yù)測平面分布差異主要集中在圖15b中的B區(qū)和C區(qū)，且B區(qū)和C區(qū)目前無任何鉆井鉆遇，因此認為B區(qū)和C區(qū)就是該油田勘探潛力新區(qū)。在圖15b中沿M1區(qū)、A區(qū)和B區(qū)提取剖面(圖16)，可以得到M1井在Punt組地層鉆遇35米油砂巖，B潛力區(qū)地震響應(yīng)特征和疊前反演泊松阻抗屬性異常與M1井區(qū)相似。

圖13 DG油田原窄反射角資料與重處理寬反射角資料反演泊松阻抗連井剖面對比Fig .13 Comparison of connecting-well profile of Poisson impedance using original narrow reflection angle gather and new processed wide reflection angle gather in DG oilfield

圖14 DG油田原窄反射角資料與重處理寬反射角資料反演泊松阻抗過井剖面對比Fig .14 Comparison of through-well profile of Poisson impedance using original narrow reflection angle gather and new processed wide reflection angle gather in DG oilfield

提取DG油田過M1井和B潛力區(qū)的重處理寬反射角疊前道集如圖17所示，對比發(fā)現(xiàn)，之所以能發(fā)現(xiàn)B區(qū)為該油田下一步勘探潛力區(qū)，最主要原因是B區(qū)屬于典型的弱二類AVO區(qū)域，而原窄反射角疊前道集最大反射角度只有25°，而且在0～25°內(nèi)疊前道集AVO特征不明顯。當AVO疊前道集有效反射角從最大25°提高到34°后，原先在0～25°范圍內(nèi)AVO特征變化不明顯的儲層在反射角范圍增大到0～34°后被重新識別出。

圖15 DG油田原窄反射角資料與重處理寬反射角資料反演泊松阻抗平面分布對比Fig .15 Comparison of plane distribution of Poisson impedance using original narrow reflection angle gather and new processed wide reflection angle gather in DG oilfield

圖16 DG油田過M1井、A和B潛力區(qū)泊松阻抗特征和地震響應(yīng)特征剖面Fig .16 Poisson impedance and seismic profiles crossing Well M1,A and B potential areas in DG oilfield

圖17 DG油田M1井和B潛力區(qū)寬反射角疊前道集反射特征Fig .17 Seismic reflection characteristics of profiles crossing Well M1 and B potential area in DG oilfield

4 結(jié)論

1) 提出了北海DG油田高速灰?guī)r屏蔽層下伏儲層成像和預(yù)測的處理反演一體化解決方法，即通過井和地震層速度的一維二維波動方程正演模型確定DG油田儲層上覆灰?guī)r頂面的臨界角，并制定原窄反射角中遠角度傾斜干擾波壓制處理方案，大幅度提高原共反射點道集中遠角度反射波成像質(zhì)量；同時統(tǒng)計分析儲層敏感巖石物理參數(shù)，認識到泊松阻抗屬性是DG油田區(qū)最敏感的儲層指示器。

2) 運用新處理寬反射角地震資料和原窄反射角地震資料進行疊前反演泊松阻抗對比，新發(fā)現(xiàn)了原先用窄反射角資料漏判的儲層，指明了北海DG油田區(qū)下一步勘探潛力方向，對其他地區(qū)高速塊體下伏儲層預(yù)測具有一定的參考意義。