基于90°相移的振幅和頻率屬性融合法油氣檢測

鄭江峰,彭 剛,孫佳林,甄宗玉

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

隨著油田勘探開發(fā)不斷深入、難度不斷加大,不僅需要精細刻畫儲層空間展布,還需要準確預測儲層的含流體性質(zhì),從而使油田勘探開發(fā)能規(guī)避風險且進一步挖掘潛力[1]。目前儲層地震流體檢測包括疊前檢測和疊后檢測,疊前流體檢測主要是基于AVO理論利用測井資料和地震道集進行疊前流體參數(shù)反演,此類方法計算量大且耗時長,易受測井資料、道集質(zhì)量、模型和反演方法等因素影響;疊后流體檢測則主要基于“亮點”或吸收衰減理論,利用地震振幅或頻率屬性進行流體檢測,此類方法計算量小且耗時短,更適合油田高效勘探評價[2]。由于地下地質(zhì)條件復雜,儲層地震響應不僅受儲層流體性質(zhì)影響,而且受儲層物性、厚度和干涉等非流體因素影響,因而常規(guī)流體檢測技術(shù)在實際應用中具有強多解性[3]。

90°相移技術(shù)作為地震沉積學的一項關鍵技術(shù),其核心思想是:在零相位地震數(shù)據(jù)中,地層界面對應于地震反射同相軸的波峰或波谷,但不同阻抗的地層與地震同相軸之間缺乏直接對應關系,90°相位旋轉(zhuǎn)可將地層界面對應于地震反射同相軸的零值位置,將地震反射同相軸的波峰(谷)對應于不同阻抗的地層,地震相位也就具有了巖性地層意義。董春梅等[4]認為地震相位角的轉(zhuǎn)換度數(shù)要根據(jù)目的層位地震資料的原始相位角來確定;陳春繼等[5]利用混相位提取法估算地震數(shù)據(jù)相位,對其零相位化處理后再進行90°相移;王軍等[6]將90°相移技術(shù)應用于渤海油田淺層淺水三角洲及河流相儲層刻畫,取得了良好效果;梁全勝[7]將90°相移技術(shù)與地層切片、分頻技術(shù)結(jié)合,有效預測了鄂爾多斯盆地高家河地區(qū)上古生界有利儲層分布;齊桓等[8]利用90°相移技術(shù)進行水下扇體薄儲層識別。準確刻畫儲層是油氣檢測的基礎,與零相位數(shù)據(jù)相比,90°相移數(shù)據(jù)與儲層對應關系好,因此更適用于儲層油氣檢測。

亮點技術(shù)利用儲層含油氣后引起地震振幅增強這一特性進行儲層油氣檢測。學者們詳細地闡述了該技術(shù)原理[9]并介紹了成功案例[10-11],但也對該技術(shù)的不足(假亮點)進行了深入分析[12-13]。目前亮點技術(shù)多應用于氣層檢測,油層檢測成功案例較少。一些學者基于衰減理論利用儲層含流體后地震頻率降低這一特性進行流體檢測研究,如頻譜比、頻率加權(quán)、低頻共振、高頻衰減、地震衰減梯度等方法[14-16],這些方法雖然在儲層流體識別,特別是含氣儲層檢測時取得了一定的效果,但地震頻率影響因素多[17-18]使得油氣檢測多解性強。一些學者則綜合利用地震振幅和頻率信息進行油氣檢測[19-21],如利用反射振幅強度與瞬時頻率的均方根比值尋找具有勘探潛力的砂體,并將其命名為甜點(sweetness),該方法考慮了儲層含油氣后地震振幅增強和頻率降低,一定程度上降低了油氣檢測結(jié)果的多解性。但常規(guī)甜點預測時采用的反射振幅強度類似于地震振幅的絕對值,無論是儲層頂面反射同相軸(波峰)還是底面反射同相軸(波谷),零相位地震資料上都具有較高的反射強度和甜點值,這導致常規(guī)甜點預測方法在砂泥互層條件下進行儲層流體預測時,易受相鄰儲層干涉影響,且流體檢測結(jié)果與儲層對應關系差,有較強多解性。

本文針對常規(guī)甜點預測方法的不足,首先介紹了基于90°相移的振幅和頻率屬性的油氣檢測原理,然后提出了將90°相移的振幅與瞬時頻率屬性融合進行油氣檢測的方法,又基于楔形模型和干涉模型進行試算證明了方法的可靠性,最后將該方法應用于渤海PL油田的實際數(shù)據(jù),驗證了方法的有效性。

1 方法技術(shù)

首先基于實際地層和流體物理參數(shù)統(tǒng)計進行正演模擬,分析油氣檢測的可行性,在此基礎上提取90°相移的振幅和瞬時頻率屬性,再利用已鉆井信息實現(xiàn)兩種屬性的融合,最后進行含油氣儲層預測。

1.1 基于90°相移的振幅屬性的油氣檢測原理

反射波的振幅與界面的反射系數(shù)直接相關,界面的反射系數(shù)又取決于巖石的波阻抗,即速度和密度的乘積,而速度和密度又與巖石骨架和孔隙中的流體密切相關。沉積巖地震波速度通常滿足Wyllie時間平均方程[22-23]:

(1)

式中:vP為沉積巖地震波速度;Φ為巖石孔隙度;So為含油飽和度;vo為孔隙中油的地震波速度;vw為孔隙中水的地震波速度;vm為巖石骨架的波速。

孔隙巖石密度可表示為:

(2)

式中:ρ為巖石的密度;ρo為孔隙中油的密度;ρw為孔隙中水的密度;ρm為巖石骨架的密度。

由于砂巖孔隙度較高,其速度和密度通常比泥巖的速度和密度低,地下原油的密度和速度低于水的密度和速度,因此根據(jù)公式(1)和公式(2)可以看出含油砂巖波阻抗低于含水砂巖波阻抗,與含水砂巖相比,含油砂巖與泥巖界面反射系數(shù)更大,因此地震資料中含油砂巖振幅強于同樣厚度的含水砂巖振幅,這是利用地震振幅(亮點)進行油氣檢測的基礎。

利用道積分可以獲得相對波阻抗為[24]:

(3)

式中:s(t)為地震信號;I(t)為相對波阻抗。依據(jù)褶積模型有:

(4)

式中:w(t)為地震子波;r(t)為反射系數(shù)。在頻率域有:

(5)

式中:S(ω),W(ω)和R(ω)分別為地震信號、地震子波和反射系數(shù)的頻譜。

根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì),道積分的傅里葉變換為:

(6)

將式(6)代入式(5)得:

(7)

1.2 基于地震頻率屬性的油氣檢測原理

實際研究發(fā)現(xiàn)地震波在傳播中顯著衰減(不包括波前擴散),而且高頻信號的衰減大于低頻信號。大地對地震波能量的衰減機理可解釋為介質(zhì)內(nèi)部熱效應,即認為地下介質(zhì)為粘彈性體,由于內(nèi)部摩擦作用導致地震波衰減。

在粘彈性介質(zhì)中,地震波場P滿足的波動方程為[25-26]:

(8)

式中:η為粘滯系數(shù);ρ,v分別為介質(zhì)密度和速度。該方程的解為:

(9)

式中:P0為初始振幅;α為吸收系數(shù);z為傳播距離,t為傳播時間。地震波場隨z的增加呈指數(shù)衰減,與實際觀測結(jié)果一致。當?shù)卣鸩l率較低時:

(10)

式中:ω為地震頻率。公式(10)中α與ω2成正比,即頻率越高,衰減越強烈,從而導致地震波頻率降低。與水相比,油具有高粘、低密和低速的特點,由公式(10)可知油的吸收系數(shù)比水大,油層對地震波衰減作用更強烈,因此可以利用儲層含油引起地震頻率降低這一特性進行油氣檢測。

1.3 井控雙屬性融合

為了降低單一屬性對油氣識別的多解性,綜合考慮砂巖含油引起的地震振幅增強和頻率衰減,借鑒甜點屬性計算公式[27]:

(11)

式中:SN(t)為甜點,RS(t)為反射強度,IF(t)為瞬時頻率。

本文將90°相移數(shù)據(jù)與其瞬時頻率融合進行油氣檢測,融合屬性計算公式如下:

(12)

式中:NS(t)為融合屬性;PS(t)為90°相移地震數(shù)據(jù);β為指數(shù)常數(shù)。與常規(guī)甜點預測方法的主要區(qū)別是該方法采用90°相移地震數(shù)據(jù)代替反射強度,壓制儲層厚度和干涉效應的影響。

本文利用已鉆遇油氣水層的實際地震振幅、頻率信息求取β,從而實現(xiàn)雙屬性融合。即假設工區(qū)內(nèi)有M個油氣層、N個水層,利用最小二乘法進行如下最優(yōu)化問題求解:

(13)

式中:ε為油氣層與水層分界門檻值。利用公式(13)求得β和ε后,即可利用公式(12)預測未鉆儲層含流體性質(zhì)。

1.4 技術(shù)流程

利用本文方法進行油氣檢測主要包括以下3個技術(shù)步驟。

1) 地質(zhì)模型建立:利用地質(zhì)、測井等資料統(tǒng)計研究區(qū)的地層和流體巖石物理參數(shù)特征,建立地質(zhì)模型。

2) 可行性分析:根據(jù)建立的地質(zhì)模型,進行儲層地震響應分析,明確本文方法在研究區(qū)的可行性及適用條件。

3) 流體檢測:如本文方法在研究區(qū)具有可行性,提取90°相移地震數(shù)據(jù)與瞬時頻率,統(tǒng)計已鉆井儲層地震振幅和頻率信息優(yōu)化雙屬性融合參數(shù),預測儲層含流體性質(zhì)。

2 模型試算

渤海PL油田明化鎮(zhèn)組已鉆井地層巖石物理參數(shù)如表1所示。該區(qū)主力儲層厚度為8～25m;孔隙度為28%～34%,平均孔隙度為31%;油層含油飽和度40%～70%,其平均含油飽和度為55%;水層含油飽和度0～40%,其平均含油飽和度為20%。在此基礎上可以利用方程(1)和方程(2)分別計算油層和水層的速度、密度以及波阻抗,進而獲得砂巖與泥巖界面反射系數(shù)。目的層段地震資料主頻約為40Hz,平均地震速度約為2600m/s,地震分辨率約為16m(根據(jù)1/4波長計算)。

表1 渤海PL油田明化鎮(zhèn)組地層巖石物理參數(shù)

2.1 楔形模型

首先建立楔形模型(圖1),然后根據(jù)實際地震資料頻譜選擇主頻為40Hz的Ricker子波與模型反射系數(shù)褶積制作合成記錄,再分別計算儲層厚度對常規(guī)甜點預測方法和本文方法得到的烴檢值的影響,最后得到如圖2所示的分別采用兩種方法得到的烴檢值隨儲層厚度變化的曲線(為了方便對比,根據(jù)兩種方法將烴檢結(jié)果最大值進行歸一化處理)。在儲層厚度為0～16m(1/4波長調(diào)諧厚度)時,采用常規(guī)甜點預測方法與本文方法得到的烴檢值均隨儲層厚度增加逐漸增大;當儲層厚度為16～25m(約3/8波長)時,采用常規(guī)甜點預測方法得到的烴檢值隨儲層厚度增加逐漸減小,而采用本文方法得到的烴檢值隨厚度增加緩慢增加;對厚度為8～25m的主力砂體而言,采用本文方法得到的烴檢值受儲層厚度變化影響較小,因此本文方法更適用于流體檢測。采用本文方法基于圖1中的楔形模型分別計算了油層和水層的烴檢值隨儲層厚度變化的曲線(圖3),可以看出厚度相同時油層的烴檢值高于水層,實際計算結(jié)果表明兩者比值范圍約為1.43～1.62,即油層的烴檢值比水層的高43%～62%,因此只有當其它非油氣因素引起的烴檢值變化低于這一范圍時,方可使用該方法。

圖1 楔形模型示意

圖2 采用常規(guī)甜點預測方法與本文方法得到的歸一化烴檢值隨儲層厚度變化的情況

圖3 油層、水層烴檢值隨儲層厚度變化情況(采用本文方法)

2.2 干涉模型

為研究相鄰儲層干涉效應對上述兩種方法的影響,建立干涉模型(圖4),目標儲層厚度為8m,上覆儲層底部距目標儲層頂部距離為16m,采用主頻40Hz的Ricker子波與模型反射系數(shù)褶積制作合成記錄。圖5為分別采用兩種方法得到的有、無干涉效應的烴檢屬性比值隨干涉層厚度變化曲線,可以看出,采用常規(guī)甜點預測方法得到的烴檢屬性比值隨干涉層厚度增加而快速增加,最大增幅可達41%,而采用本文方法得到的烴檢屬性比值隨干涉層厚度增加而緩慢上升,增幅不超過9%,遠小于儲層含油引起的屬性值變化幅度。因而采用本文方法能夠有效壓制相鄰儲層干涉效應,降低流體檢測的多解性。

圖4 儲層干涉模型示意

圖5 有、無干涉效應的烴檢屬性比值隨干涉層厚度變化情況

3 實際數(shù)據(jù)應用

將本文方法應用于渤海PL油田的實際數(shù)據(jù),該油田明化鎮(zhèn)組目的層為淺水三角洲沉積,砂巖占比達35%,主力儲層厚度為8～25m,儲層上、下泥巖發(fā)育較為穩(wěn)定且阻抗變化小,90°相移的振幅與頻率屬性與儲層對應關系良好,儲層為互層結(jié)構(gòu),存在干涉效應。實鉆表明該區(qū)油藏受構(gòu)造和巖性雙重控制,油氣分布空間差異大、成藏環(huán)境復雜,因此準確的油氣層分布預測對于該油田的井位部署具有重要意義。

圖6為油田A,B井連井地質(zhì)剖面,兩口井共鉆遇5套厚度大于8m的砂體,其中A井鉆遇S2～S5砂體厚度分別為15.8,17.6,13.0,24.3m,B井鉆遇S1～S5砂體厚度分別為22.3,14.9,15.2,8.5,20.6m,且只有A井鉆遇的S2和S5砂體為油層,其余均為水層。

圖6 A,B井連井地質(zhì)剖面

圖7為A,B井連井90°相移剖面,可以看到5套主力砂體均有較好的對應關系,但是B井S1水層厚度為15.8m,接近調(diào)諧厚度,導致其砂體振幅(19658)與A井厚度為24.3m的S5油層砂體振幅(20221)基本相當,因此直接利用90°相移地震資料難以進行油氣檢測。圖8為A,B連井瞬時頻率剖面,可以看到它與儲層對應關系差,難以直接進行油氣檢測,但是其反映了儲層含油氣引起的頻率降低,如B井S1水層瞬時頻率為36Hz,而A井S5油層瞬時頻率僅為21Hz。

圖7 A,B井連井90°相移剖面

圖8 A,B井連井瞬時頻率剖面

圖9為A,B井連井反射強度剖面。反射強度即為瞬時振幅,是地震振幅的包絡,均為正值。由于反射強度取值類似于對儲層頂、底面振幅取絕對值,造成剖面分辨率降低。與儲層對應關系變差,如A井的S2,S3砂體不能區(qū)分,反射強度更易受儲層干涉效應影響,B井S2水層距離S3水層約10.5m,受干涉效應影響其反射強度(22692)與A井S5油層反射強度(23994)非常接近,而在圖7中,其振幅(12864)遠小于A井S5油層振幅(20221),這也表明90°相移能較好地壓制相鄰儲層干涉效應。

圖10和圖11分別為采用常規(guī)甜點預測方法和本文方法檢測得到的A,B井連井烴檢剖面,藍色代表泥巖,黃色代表含水儲層,紅色代表含油氣儲層。

圖9 A,B井連井反射強度剖面

圖10 采用常規(guī)甜點預測方法檢測的A,B井連井烴檢剖面

圖11 采用本文方法檢測的A,B井連井烴檢剖面

由于兩種方法烴檢結(jié)果值域不同,為了方便對比,以A井S5油層烴檢異常范圍為基準將兩者調(diào)整一致。采用常規(guī)甜點預測方法得到的烴檢異常與實鉆油層具有一定的對應關系,但由于它是基于分辨率較低的反射強度屬性計算得到的,因而導致烴檢異常分布超出儲層展布范圍,與儲層對應關系差。本文方法烴檢結(jié)果分辨率高,與儲層對應好,對于常規(guī)甜點預測方法不能有效區(qū)分的A井S2油層和S3水層,采用本文的方法可檢測出具有明顯烴檢異常A井S2油層以及無烴檢異常的S3水層。常規(guī)甜點預測結(jié)果易受相鄰儲層干涉影響,造成烴檢結(jié)果與實鉆不符合,如B井S1,S2水層也存在一定烴檢異常,而采用本文方法的烴檢結(jié)果上兩套水層均無烴檢異常。本文方法對5套砂體的烴檢結(jié)果與實鉆結(jié)果基本一致,證明該方法具有良好的含油氣儲層識別效果。

圖12和圖13分別為采用本文方法得到的A井S2和S5兩套砂體的烴檢最大振幅平面屬性(藍色代表泥巖,黃色代表含水儲層,紅色代表含油氣儲層),可以看出砂體高部位A井鉆遇的油層具有明顯的烴檢異常,而砂體低部位B井鉆遇的水層無烴檢異常,且烴檢異常主要集中于砂體高部位(藍色虛線范圍),邊界與砂體頂面雙程旅行時等值線(黑色實線)基本一致,與油氣地質(zhì)成藏規(guī)律相符。

圖12 A井S2砂體烴檢最大振幅平面屬性(采用本文方法)

圖13 A井S5砂體烴檢最大振幅平面屬性(采用本文方法)

4 結(jié)論

綜合考慮儲層含油氣后引起的地震振幅增強和頻率衰減現(xiàn)象,并基于90°相移原理,借鑒甜點預測方法,提出了基于90°相移的振幅和頻率屬性融合的油氣檢測方法,降低了油氣檢測結(jié)果的多解性。該方法利用了地震數(shù)據(jù)提取90°相移的振幅和瞬時頻率屬性,并利用已鉆遇不同流體性質(zhì)儲層的地震屬性信息控制兩種屬性融合,從而獲得油氣檢測結(jié)果。

模擬結(jié)果表明,與常規(guī)甜點預測方法得到的屬性相比,本文方法受儲層厚度以及干涉影響小,更適合油氣檢測。渤海PL油田的實際應用結(jié)果表明,該方法能夠有效識別油層和水層,且烴檢異常分布符合油氣成藏規(guī)律。

基于90°相移的振幅和頻率屬性融合的油氣檢測方法要求地震資料為零相位數(shù)據(jù),對于非零相位地震資料則需進行零相位化處理,并且要求儲層波阻抗低于圍巖波阻抗,即滿足亮點型儲層條件,方可取得良好的油氣檢測效果。深入研究儲層含油氣引起的地震頻率變化及其機理,探索并優(yōu)選出對油氣敏感的頻率類屬性,可進一步降低油氣檢測的多解性。