肖鵬飛,楊 林,李 弘,馬靈偉,胡華鋒
(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011)
我國(guó)深層海相碳酸鹽巖地層蘊(yùn)藏豐富的油氣資源,受演化歷史長(zhǎng)、埋深大等因素影響,儲(chǔ)層油氣特征評(píng)價(jià)困難[1-2]。在塔里木盆地,隨著勘探不斷向塔河外圍、深層領(lǐng)域拓展,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與地震特征的多樣化,使地震勘探仍面臨著深層碳酸鹽巖沉積構(gòu)造及儲(chǔ)層成像、深層多成因類型儲(chǔ)集體預(yù)測(cè)、儲(chǔ)層流體檢測(cè)等一系列的問(wèn)題與技術(shù)瓶頸。塔河油田外圍順托、托普臺(tái)等地區(qū)深層碳酸鹽巖巖溶縫洞型儲(chǔ)集體發(fā)育,油氣類型以高過(guò)成熟油、凝析油氣為主,展示該區(qū)具有良好的勘探開發(fā)前景[3-4]。在本區(qū)域深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與油氣識(shí)別中,面臨著埋深大(大于6500m)、油氣響應(yīng)模式復(fù)雜、強(qiáng)地震反射界面屏蔽特征明顯等難題,給目標(biāo)儲(chǔ)層油氣富集規(guī)律認(rèn)識(shí)及儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)帶來(lái)諸多困難。有必要厘清該區(qū)域深層碳酸鹽巖含油氣儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征,為該地區(qū)深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體識(shí)別提供參考依據(jù)。
利用AVO技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體檢測(cè)能充分利用地震疊前信息,提高油氣檢測(cè)的準(zhǔn)確性[5-7],該技術(shù)依托于地震巖石物理特征[8-9]。針對(duì)碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層礦物組成、孔隙系統(tǒng)復(fù)雜等特征,前人進(jìn)行了大量的巖石物理相關(guān)研究。唐金良等[1]在巖石骨架中以方解石-白云石及粘土等成分替代砂泥巖中的石英及粘土等,利用Kuster-Toksoz理論和微分等效介質(zhì)模型計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了縫洞型碳酸鹽巖巖石物理建模。蔡涵鵬等[10]將Eshelby-Walsh巖石骨架參數(shù)模型引入到Gassmann方程中,分析了孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸鹽巖體積模量的影響。張廣智等[11]采用Patchy Saturation模型[12]計(jì)算飽含孔隙流體巖石的縱橫波速度,構(gòu)建碳酸鹽巖巖石物理模型。對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層,AVO特征復(fù)雜。陳軍等[2]分析了不同成因儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征,確定了“串珠”和“片狀強(qiáng)反射”儲(chǔ)層的AVO敏感屬性為P×G。曹俊興等[13]在總結(jié)深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層亮點(diǎn)分析、AVO分析、低頻陰影分析含氣性檢測(cè)的特征與難點(diǎn)后,提出了基于地震紋理分析的烴類檢測(cè)技術(shù)。徐超等[14]通過(guò)一個(gè)充填不同流體(氣、油和水)的溶洞物理模型,分析研究了碳酸鹽巖溶洞儲(chǔ)層流體AVO特征,認(rèn)為P-G交會(huì)對(duì)流體識(shí)別效果較好。
深層縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層的波阻抗差異較小,總體呈現(xiàn)弱-中度反射特征,儲(chǔ)層反射往往受強(qiáng)地震反射界面干擾嚴(yán)重。對(duì)于該問(wèn)題,基于匹配追蹤識(shí)別方法[15]和基于多子波分解的波形分解[16]強(qiáng)地震反射壓制方法具有較好的應(yīng)用效果。馬靈偉等[17]利用多子波分解的波形分解技術(shù),開展了去除強(qiáng)反射界面影響研究,突顯了強(qiáng)界面下的縫洞反射特征。針對(duì)塔河油田外圍順托、托普臺(tái)等地區(qū)深層碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與油氣識(shí)別難度大、強(qiáng)地震反射界面屏蔽特征明顯的問(wèn)題,本文通過(guò)碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石物理建模、非均勻介質(zhì)正演模擬、井旁道地震數(shù)據(jù)分析、AVO屬性與實(shí)際井產(chǎn)量交互分析等,研究AVO分析在以高過(guò)成熟油和凝析油氣為主地區(qū)的深層碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層流體識(shí)別的有效性,為后續(xù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與含油氣性識(shí)別奠定基礎(chǔ)。
地震巖石物理是聯(lián)系儲(chǔ)層特征與地震特性的橋梁[9]。綜合目標(biāo)區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)與測(cè)井信息,構(gòu)建適合研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征的地震巖石物理模型[11,18]。首先依據(jù)測(cè)井解釋得到的礦物成分及含量,利用Voigt-Reuss-Hill平均公式計(jì)算基質(zhì)等效模量。本區(qū)碳酸鹽巖礦物主要包括方解石、白云石等,奧陶系一間房組上部為藻粘結(jié)巖及泥晶砂屑灰?guī)r。然后采用微分等效介質(zhì)模型(DEM)和KT模型計(jì)算干巖石等效彈性模量,其中孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)已知測(cè)井資料估算;結(jié)構(gòu)組分包含顆粒、泥晶基質(zhì)、亮晶膠結(jié)物、晶粒和生物格架等;微觀儲(chǔ)集空間類型主要是晶內(nèi)溶蝕孔、微裂縫的溶蝕和縫合線的溶蝕,晶間孔比較發(fā)育微孔隙,微裂縫內(nèi)充填的方解石被局部溶蝕。之后利用Wood混合孔隙流體,計(jì)算流體等效體積模量。最后利用Gassmann模型求取流體飽和巖石的等效模量,算出最終等效介質(zhì)的縱、橫波速度[11,19]。目標(biāo)區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層巖石物理建模流程如圖1所示。計(jì)算所用礦物及流體參數(shù)由實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到,其中凝析油氣密度為0.79g/cm3,氣油比為400∶1,見(jiàn)表1。
圖1 目標(biāo)區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石物理建模流程
表1 計(jì)算地層波速所用的礦物組分參數(shù)
圖2顯示了利用研究區(qū)典型井S5井估算得到的深層碳酸鹽巖目的層縱波速度、橫波速度及其實(shí)測(cè)值。由圖2可看出,模型預(yù)測(cè)縱波速度或橫波速度與井上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度高,縱波速度、橫波速度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差分別是1.69%,3.05%,預(yù)測(cè)精度滿足生產(chǎn)需求,模型適用于研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層,證明了上述建模的有效性。
圖2 S5井的縱、橫波速度預(yù)測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值a 實(shí)際縱波速度曲線(藍(lán)色)和預(yù)測(cè)的縱波速度曲線(紅色)對(duì)比; b 實(shí)際橫波速度曲線(藍(lán)色)和預(yù)測(cè)橫波速度曲線(紅色)對(duì)比
縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間大小及含油氣性決定其產(chǎn)能的大小[20]。前人[21-22]針對(duì)此類儲(chǔ)層的反射特征已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。本文采用基于隨機(jī)介質(zhì)理論[23-25]建立符合本區(qū)深層縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的隨機(jī)介質(zhì)模型,并利用非均勻介質(zhì)條件下的波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值模擬。在隨機(jī)介質(zhì)建立過(guò)程中,將實(shí)際地下介質(zhì)分為兩部分:一是地質(zhì)背景趨勢(shì),二是空間擾動(dòng),并把隨機(jī)介質(zhì)中的每一個(gè)局部最大值點(diǎn)作為一個(gè)縫洞分布的中心點(diǎn),以構(gòu)造具有不同統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)縫洞介質(zhì)模型。通過(guò)數(shù)值模擬討論實(shí)際目標(biāo)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與油氣識(shí)別中面臨的兩種影響因素主要波場(chǎng)特征:不同尺度縫洞體的AVO波場(chǎng)特征和強(qiáng)界面對(duì)下伏縫洞型儲(chǔ)層波場(chǎng)特征影響。
AVO技術(shù)是一種可區(qū)分與氣有關(guān)的振幅異常與其它異常的有效工具,該技術(shù)基于水平層狀假設(shè)??p洞體與層狀介質(zhì)的波場(chǎng)特征存在明顯的差異,縫洞體以繞射波為主,尺度越小繞射現(xiàn)象越明顯;而層狀介質(zhì)波場(chǎng)主要為反射波。不同尺度縫洞體的AVO特征是利用該技術(shù)開展深層縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。為了分析不同尺度縫洞體AVO特征,基于前期巖石物理分析結(jié)果及研究區(qū)實(shí)際縫洞體形態(tài)變化特征,分析了4種模型:①單一界面;②薄層(厚度15m);③不同寬度縫洞體(以目標(biāo)區(qū)縫洞體平均厚度15m為模型厚度,寬度分別10,15,30,60,120,200m);④厚縫洞體。4種模型如圖3a所示。背景與目標(biāo)層的縱波速度分別為6200m/s,2090m/s,橫波速度分別為3320m/s,836m/s,密度分別為2.76g/cm3,2.05g/cm3。在全含氣的極限情況下,研究深層非均質(zhì)碳酸鹽巖縫洞油氣儲(chǔ)層AVO特征,分析其適用性。單一界面的理論AVO曲線如圖3b所示,類型呈現(xiàn)第一類AVO特征,并且上、下層縱波速度比大于1。
圖3 4種模型示意(a)以及單一界面理論AVO曲線(b)
利用非均勻介質(zhì)波動(dòng)方程進(jìn)行正演模擬,并采用與研究區(qū)實(shí)際接近的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù):炮間距為50m,道間距為50m;CDP間距為25m。研究區(qū)碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層埋藏深,地震波衰減嚴(yán)重,采用與研究區(qū)目標(biāo)儲(chǔ)層實(shí)際地震主頻一致的22Hz雷克子波進(jìn)行正演模擬。將正演模擬得到的炮集記錄經(jīng)過(guò)疊前時(shí)間偏移成像,得到4種模型的CRP道集,再將偏移距道集轉(zhuǎn)換為入射角道集,如圖4所示。在巖石物理參數(shù)一致情況下,4種模型的振幅隨入射角的增大而減小,與理論AVO曲線變化特征一致。4種模型的振幅隨角度變化趨勢(shì)相同,但能量大小存在明顯差異。
圖5為單一界面、薄層、不同寬度縫洞的振幅隨入射角變化(AVO)特征。由圖可見(jiàn),所有曲線類型都呈現(xiàn)第一類AVO特征。由于調(diào)諧效應(yīng)的影響(波長(zhǎng)為282m),薄層模型的AVO截距(P)最大、梯度(G)絕對(duì)值最大。隨著縫洞寬度的增大AVO截距逐漸增大,并逐漸趨于單一界面截距值。隨著縫洞寬度增大梯度絕對(duì)值逐漸變大,并逐漸趨于單一界面梯度值。以上結(jié)論表明采用AVO特征研究縫洞儲(chǔ)層特征是可行的。
圖4 4種模型CRP道集特征a 單一界面CRP道集; b 薄層CRP道集; c 寬度為10m薄洞CRP道集; d 寬度為10m厚洞CRP道集; e 寬度為30m薄洞CRP道集; f 寬度為30m厚洞CRP道集; g 寬度為60m薄洞CRP道集; h 寬度為60m厚洞CRP道集; i 寬度為120m薄洞CRP道集; j 寬度為120m厚洞CRP道集
圖5 不同情況下CRP道集AVO特征
研究區(qū)奧陶系一間房組灰?guī)r與上覆地層碎屑巖之間存在較大的波阻抗差異,在地震剖面上呈現(xiàn)為較強(qiáng)的“兩谷夾一峰”的T74反射界面(奧陶系一間房組頂界面),見(jiàn)圖6。T74反射界面對(duì)下伏地層尤其儲(chǔ)層的波場(chǎng)特征產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致縫洞儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與流體識(shí)別可靠性欠佳。為研究T74反射界面對(duì)下伏縫洞型儲(chǔ)層波場(chǎng)特征的影響,設(shè)計(jì)一組不同充填特征、距一間房組頂部不同距離的縫洞型儲(chǔ)層模型。包括9個(gè)縫洞體模型,每3個(gè)一組:第一組含氣、第二組含油、第三組含水,如圖7所示??p洞體發(fā)育規(guī)模為20m×200m,縫洞體距離一間房組頂部的距離分別為30,80,150m?;谏鲜鲞m用于研究工區(qū)構(gòu)建的巖石物理模型,利用流體替換方式構(gòu)建出縫洞型儲(chǔ)層含不同流體情況下的巖石物理彈性參數(shù),如表2所示。
圖6 目標(biāo)區(qū)距一間房組頂部不同距離縫洞型儲(chǔ)層實(shí)際剖面(由左到右距離逐漸增大)
圖7 不同充填特征、距一間房組頂部不同距離縫洞型儲(chǔ)層模型
表2 含不同流體情況下的巖石物理參數(shù)
正演模擬方法以及觀測(cè)系統(tǒng)與2.1節(jié)一致。將正演模擬得到的炮集記錄經(jīng)過(guò)疊前偏移成像處理,得到相同發(fā)育規(guī)模含不同流體特征縫洞體的成像剖面。圖8a為正演模擬剖面,圖8b為縫洞反射中心位置均方根振幅曲線??梢钥闯?相同充填、不同位置,受T74反射界面影響不同,能量大小表現(xiàn)一定差異;距離T74界面30m時(shí),界面反射波峰與縫洞體反射波調(diào)諧,其均方根振幅最大;距離T74界面80m時(shí),由于界面反射波谷與縫洞體反射波調(diào)諧,其均方根振幅最小;距離T74界面150m時(shí),兩者距離較大,界面反射對(duì)縫洞體反射波不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。
抽取縫洞體中心點(diǎn)CRP道集,如圖9所示。圖中道集上粉色直線為T74位置、藍(lán)色直線為AVO分析位置。從圖9可以看到,距離T74界面150m時(shí),強(qiáng)界面反射不對(duì)縫洞體AVO特征產(chǎn)生影響,可作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)(如圖9o);距離T74界面30m時(shí),由于強(qiáng)界面反射波的影響,AVO截距增大、梯度絕對(duì)值增大(如圖9m);距離T74界面80m時(shí),由于強(qiáng)界面反射波的影響,AVO梯度絕對(duì)值增大(負(fù)值),但截距基本不變。含氣儲(chǔ)層呈現(xiàn)正高截距,負(fù)高梯度特點(diǎn)。強(qiáng)界面對(duì)AVO的影響與不同縫洞儲(chǔ)層對(duì)AVO的影響值基本處在一個(gè)數(shù)量級(jí),所以在深層碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層AVO分析時(shí),需壓制強(qiáng)界面反射波影響。
圖8 不同充填特征、距一間房組頂部不同距離縫洞型儲(chǔ)層模型正演模擬結(jié)果a 正演模擬剖面; b 縫洞中心位置均方根振幅曲線
圖9 不同充填特征、距一間房組頂部不同距離縫洞型儲(chǔ)層AVO特征分析a 距離T74界面30m(含氣); b 距離T74界面80m(含氣); c 距離T74界面150m(含氣); d 含氣情況不同界面距離AVO特征; e 距離T74界面30m(含油); f 距離T74界面80m(含油); g 距離T74界面150m(含油); h 含油情況不同界面距離AVO特征; i 距離T74界面30m(含水); j 距離T74界面80m(含水); k 距離T74界面150m(含水); l 含水情況不同界面距離AVO特征; m 距離T74界面30m不同充填A(yù)VO特征; n 距離T74界面80m不同充填A(yù)VO特征; o 距離T74界面150m不同充填A(yù)VO特征
以上基于實(shí)際儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)模擬得到了研究區(qū)深層碳酸鹽巖縫洞含油氣儲(chǔ)層AVO特征的認(rèn)識(shí),該認(rèn)識(shí)需要利用實(shí)際井合成記錄分析與井旁地震數(shù)據(jù)分析加以驗(yàn)證。為此,通過(guò)研究區(qū)典型井S1井的巖石物理流體替換結(jié)果進(jìn)行疊前合成記錄分析,對(duì)道集振幅絕對(duì)值進(jìn)行AVO特征統(tǒng)計(jì)及截距歸一化處理(圖10)。結(jié)果表明,含氣性儲(chǔ)層具備高截距、負(fù)高梯度特征,與正演模擬結(jié)果(圖9)相一致。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)梯度和截距屬性對(duì)縫洞體含氣特征進(jìn)行判識(shí)。
圖10 S1井不同充填特征的疊前合成地震記錄及AVO特征分析a S1井油氣結(jié)果; b 模擬道集; c 歸一化后AVO曲線
深部碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層特征模型的AVO梯度/截距屬性能夠較好地識(shí)別油氣儲(chǔ)層特征,但在一定程度上受T74強(qiáng)界面干擾。本文利用波形分解技術(shù)對(duì)強(qiáng)界面干擾進(jìn)行壓制,該方法基于相同或相似的地下結(jié)構(gòu)對(duì)子波改造的作用一致理論,提取不同子波的特征,實(shí)現(xiàn)多子波分解[19]。多子波分解技術(shù)以一種數(shù)學(xué)方法將每一地震道分解成多個(gè)不同形狀、不同頻率的地震子波。而波形分解是基于多子波分解數(shù)據(jù)體的線性相似地震波形統(tǒng)計(jì),通過(guò)把某一時(shí)窗內(nèi)地震數(shù)據(jù)體中的所有子波根據(jù)波形進(jìn)行分類,依據(jù)總能量大小排序,形成第1,2,…,n分量,每一分量反映相似的地層結(jié)構(gòu)。其中第1分量是時(shí)窗內(nèi)具有最大共性、能量最強(qiáng)的波形,一般對(duì)應(yīng)的是最大一級(jí)的界面反射;通常第5分量之后一般為噪聲數(shù)據(jù)。本文對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行波形分解,第1分量反映的是地層結(jié)構(gòu)(包含斷裂特征),將第2、第3、第4分量相加獲得縫洞儲(chǔ)層特征(以下簡(jiǎn)稱縫洞儲(chǔ)層特征剖面)(圖11)。圖11d為原始剖面與第1~第5分量之和的差值剖面,該剖面整體能量弱、主要為背景噪聲響應(yīng)特征,整體能量是原始剖面能量的5%。表明本文波形分解方法的正確性與合理性。
采用波形分解技術(shù)對(duì)研究區(qū)部分疊加剖面分別進(jìn)行處理,獲得部分疊加的縫洞儲(chǔ)層特征剖面,然后提取縫洞儲(chǔ)層特征的截距(P)與梯度(G)剖面,最后得到縫洞儲(chǔ)層特征P×G剖面。圖12a和圖12b分別為波形分解處理前、后的P×G剖面。結(jié)果顯示T74界面強(qiáng)反射特征得到了壓制,反映縫洞特征的能量得到了有效保留,并且其形態(tài)特征不變??傊ㄐ畏纸膺_(dá)到了有效壓制強(qiáng)反射、聚焦優(yōu)勢(shì)能量、提高分辨率、保持縫洞儲(chǔ)層波形特征的作用。
圖11 研究區(qū)波形分解結(jié)果a 原始地震剖面; b 波形分解第1分量; c 波形分解第2、第3、第4分量相加剖面(縫洞儲(chǔ)層特征剖面); d 原始剖面與第1~第5分量之和的差值剖面
圖12 采用波形分解處理前(a)、后(b)的P×G剖面
CASTAGNA[26]認(rèn)為含氣砂巖通常比含水砂巖具有更小的截距與梯度,因此其趨勢(shì)線偏離過(guò)原點(diǎn)的背景趨勢(shì)線向下偏移。利用信息重構(gòu)后的數(shù)據(jù),提取井底坐標(biāo)井旁地震道AVO截距與梯度,結(jié)果如圖13所示。由圖13可見(jiàn),油氣井位置截距與梯度值普遍分布于第四象限,P>0、G<0,與圖5、圖9模型分析結(jié)果具有很好的一致性。結(jié)合生產(chǎn)信息(初期產(chǎn)量)進(jìn)一步綜合分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)整體上高產(chǎn)油井具備明顯的高截距,負(fù)高梯度特征,該項(xiàng)規(guī)律與前期的正演模擬認(rèn)識(shí)相一致,只有S2井不吻合。從圖13還可以觀察到,存在明顯的4個(gè)區(qū)域,藍(lán)色虛線以上為低產(chǎn)井,藍(lán)色虛線與綠色虛線之間產(chǎn)量較高,綠色虛線與紅色虛線之間,由于存在放空漏失或高氣油比P×G值相對(duì)較小,紅色虛線以下為高產(chǎn)井區(qū),驗(yàn)證了AVO屬性在深層碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的可行性。
圖13 井底井旁道AVO特征規(guī)律性分析
基于研究區(qū)地質(zhì)、測(cè)井、模型與實(shí)際地震數(shù)據(jù)綜合分析,得出結(jié)論:①研究區(qū)以高過(guò)成熟油、凝析油氣為主的油氣類型條件下,深層縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層與單一界面具有類似的AVO特征,可以采用AVO分析進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究;②P×G屬性與單井初期產(chǎn)量具有較好的對(duì)應(yīng)性,整體上高產(chǎn)油井具備明顯的高截距,負(fù)高梯度特征。
深層碳酸鹽巖縫洞油氣儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、地震響應(yīng)模式多樣、背景干擾強(qiáng)等特征,油氣預(yù)測(cè)難度大,在研究過(guò)程中需要針對(duì)特定區(qū)域開展針對(duì)性研究,以提高預(yù)測(cè)可靠性。