四維多波地震在油藏動態(tài)監(jiān)測中的應用

王 波 聶其海 陳進娥 王春燕 郭靜茹 劉 淵

(東方地球物理公司研究院，河北涿州 072751)

0 引言

隨著地球物理服務業(yè)務逐漸由勘探地球物理向油藏地球物理轉變，四維地震作為最重要的油藏開發(fā)地震技術之一，已成為油藏監(jiān)測、剩余油氣預測及提高采收率等的重要手段。四維地震通過求取兩期地震數(shù)據的差異獲得油藏動態(tài)變化信息[1-2]。多波地震通過縱、橫波震源激發(fā)、多分量檢波器接收，較常規(guī)地震可獲得更豐富的地質信息，在氣云區(qū)構造成像、裂縫檢測及巖相、流體識別等方面具有常規(guī)縱波無可比擬的優(yōu)勢[3-4]。

研究區(qū)位于加拿大阿薩巴斯卡油砂區(qū)，分別于開發(fā)前(2016年)和開發(fā)后(2018年)采集了兩期三維三分量(3D3C)地震資料。目的層為白堊系上MCMR組油砂段，埋深約為200m。儲層物性極好，但是流體物性極差，具有高密度和高黏度的特點，按照國際稠油分類標準，屬于超稠油范疇(API重度小于10)。常規(guī)開采技術難以直接挖潛，因此采用高效、環(huán)保的雙水平井(上部水平井注蒸汽，下部水平井生產)蒸汽輔助重力泄油技術(Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)進行開發(fā)。在SAGD開發(fā)過程中，隨著蒸汽的持續(xù)注入，蒸汽腔會隨之變化。根據該區(qū)開發(fā)數(shù)據估算，蒸汽腔內部采收率可高達80%，蒸汽腔的變化直接揭示產量的變化[5]。因此，如何有效監(jiān)控蒸汽腔是SAGD開發(fā)中的關鍵問題。該區(qū)四維地震面臨以下問題：①目的層埋深極小，地表條件復雜，四維地震一致性處理難度大；②油藏開發(fā)僅歷時1年，兩期地震數(shù)據差異小，因此提取可靠的油藏變化信息難度大；③四維地震反演需要開發(fā)前、后兩次測井數(shù)據建模和約束反演，然而往往難以直接獲得二次測井數(shù)據，限制了四維地震反演方法的推廣、應用[6]。

針對上述問題及四維地震本身的技術瓶頸，本文提出了一種基于低頻模型驅動的四維多波聯(lián)合反演方法，在反演模型中考慮了兩期轉換波的差異信息，在反演過程中加入轉換波數(shù)據，利用四維三分量(4D3C)地震資料，充分融合“四維”和“多波”兩項前沿地震勘探技術，實現(xiàn)了油藏精細描述及動態(tài)監(jiān)測，從而為油藏監(jiān)測奠定數(shù)據基礎。

1 關鍵技術及原理

1.1 四維多波地震數(shù)據體匹配

研究區(qū)于2017年初投產，在2016年基礎地震數(shù)據采集時，在地下9m處埋置了永久三分量檢波器，并在2018年采集了監(jiān)測地震數(shù)據。同時，兩次采集參數(shù)保持一致，除環(huán)境及地表變化外，保證兩次采集的一致性?？v波資料頻帶較寬(10～260Hz)，信噪比高。轉換波資料頻率較低，頻帶為10～120Hz。在應用四維多波地震監(jiān)測油藏變化前，必須進行四維多波地震數(shù)據體匹配，主要包括四維地震一致性匹配和縱波、轉換波數(shù)據體匹配。四維地震一致性匹配主要通過互均衡處理，實現(xiàn)兩期地震資料時間、振幅、相位和頻率的一致性?？v波、轉換波數(shù)據體匹配主要通過準確的縱橫波速度比，實現(xiàn)縱波與轉換波數(shù)據在時間上的匹配。

1.1.1 一致性匹配

四維地震數(shù)據是在同一地區(qū)經間隔性采集和處理得到的。為保證四維地震采集的可重復性，必須使采集和處理參數(shù)盡可能保持一致。然而受環(huán)境噪聲及近地表因素的影響，兩期地震數(shù)據非油藏信息難免會出現(xiàn)差異。一致性處理原則是在保留生產因素導致的油藏信息差異基礎上，盡可能消除非油藏信息的差異[7]。研究區(qū)由于目的層埋深極小，地表條件復雜，一致性處理難度極大。因此在四維地震一致性處理過程(地表一致性振幅補償、一致性反褶積、面元匹配、全局時差校正、基于標志層互均衡處理)中，增加處理、解釋互動結合點，通過四維地震一致性定性或定量評價方法逐步質控，盡可能確保油藏上覆地層(標志層)地震數(shù)據的一致性，同時保護油藏生產引起的地震數(shù)據差異，從而反映油藏變化規(guī)律。

由一致性處理后的縱波和轉換波差異剖面(垂直于水平井走向)(圖1)可以看出：非油藏部分剩余反射能量幾乎為“零”或很小，實現(xiàn)了兩期數(shù)據的一致性；油藏部分的差異主要集中在油藏中、下部位，并且振幅變化主要集中于水平井井筒周圍，反映了油藏變化規(guī)律。

圖1 縱波(左)和轉換波(右)地震差異剖面

1.1.2 多波地震數(shù)據體匹配

多波多分量地震資料較純縱波資料能提供更豐富的地質信息，可以有效降低構造解釋、儲層流體識別及油藏監(jiān)測的多解性。由于縱、橫波速度的差異，同一地層反射在縱波和轉換波時間域地震剖面中出現(xiàn)的時刻不同，具有不同的動力學特征[8-9]。因此，要聯(lián)合使用縱波和轉換橫波的信息，并將兩者精確匹配，確保同一時刻地震信息來自同一地層界面。數(shù)據匹配是多波地震數(shù)據解釋與聯(lián)合反演的關鍵環(huán)節(jié)，匹配精度直接決定多波技術應用效果。

縱波與轉換波數(shù)據匹配的關鍵是求取準確的縱橫波速度比γ(γ=VP/VS)。本文通過三步實現(xiàn)縱波與轉換波數(shù)據體的精細匹配：①通過縱橫波聯(lián)合標定確定縱波與轉換波的相位差異，完成相位匹配；②利用純縱波疊前同時反演得到的γ實現(xiàn)縱波與轉換波的域轉換；③通過目的層位對齊精細匹配縱波與轉換波。匹配效果(圖2)表明，縱波(圖2a)與轉換波(圖2b)反射特征對應關系良好，為引入轉換波信息奠定了基礎。采用相同方法匹配監(jiān)測縱波與轉換波數(shù)據。

圖2 縱波與轉換波數(shù)據匹配效果(a)縱波地震剖面； (b)轉換波地震剖面(匹配到縱波時間域)； (c)匹配立體圖(縱波時間域)

1.2 巖石物理分析

巖石物理是將地球物理數(shù)據轉化為儲層流體乃至油氣藏地質參數(shù)的重要橋梁。常規(guī)靜態(tài)巖石物理分析從測井數(shù)據出發(fā)，通過直方統(tǒng)計或交會分析尋找彈性參數(shù)與儲層流體的關系。通過巖石物理分析，可以明確對巖性、物性以及流體敏感的彈性參數(shù)組合，從而建立精細、可信的巖石物理解釋模板，為地震反演提供參數(shù)指導。巖石物理動態(tài)分析是針對四維地震提出的，核心問題是了解油藏參數(shù)變化引起地震彈性參數(shù)、地震響應變化的機理，進而優(yōu)選油藏變化敏感參數(shù)[10-12]。

巖石物理模型基本參數(shù)包括環(huán)境參數(shù)、骨架參數(shù)及流體參數(shù)。研究區(qū)儲層巖石骨架主要為弱膠結的石英和黏土，孔隙度大于30%，原油API重度約為8，水礦化度為7000mg/L。根據研究區(qū)儲層流體性質及生產數(shù)據，模擬了彈性參數(shù)隨油藏參數(shù)的變化。模擬結果(圖3)表明：①隨著含油飽和度從70%降到0，縱波速度略有下降，橫波速度和密度基本不變，油藏底界未出現(xiàn)明顯時移現(xiàn)象；②隨著壓力從0.4MPa增加到2.4MPa，縱波速度下降，橫波速度對壓力更敏感，下降幅度較大，密度基本不變，油藏底界時移量約為1ms；③隨著溫度從6℃增加到226℃，縱波速度明顯降低，橫波速度變化較小，密度明顯降低，油藏底界時移量明顯，最大時移量可達5ms。因此，溫度是彈性參數(shù)變化的主控因素。

圖3 縱(左)、橫(中)波速度及密度(右)隨含油飽和度(a)、壓力(b)、溫度(c)的變化開發(fā)前，地層溫度為6℃、壓力為0.4MPa、原始含油飽和度為70%；開發(fā)后，最大地層溫度達226℃、壓力約為2.4MPa、含油飽和度為0(理想情況)

由縱波阻抗、縱橫波速度比與溫度交會圖(圖4)可見：隨著溫度T升高，縱波阻抗一直下降，縱橫波速度比呈先急劇升高、后降低的趨勢。因此，縱橫波速度比是油藏變化的最敏感參數(shù)。根據縱橫波速度比的變化Δγ，結合實際溫度信息，可將整個油藏劃分為三個區(qū)域：①未受影響區(qū)域，Δγ=0，T=6℃，油藏未受注入蒸汽影響，保持原始油藏狀態(tài)；②蒸汽腔外圍，Δγ>0，T>30℃，油藏受蒸汽影響，油砂處于半固態(tài)到液態(tài)的相變階段，可動油飽和度較高，揭示未來產量；③蒸汽腔內部，Δγ<0，T>180℃，位于蒸汽腔內部，含氣飽和度高，可動油飽和度低，揭示過去產量。

圖4 縱波阻抗、縱橫波速度比與溫度交會圖

1.3 四維多波聯(lián)合反演

目前四維地震反演主要分為先反演再求差異、先求差異再反演[13]兩種方式。本文采用第一種方式，即分別在基礎數(shù)據和監(jiān)測數(shù)據上進行反演，然后求取反演屬性差異。

1.3.1 基礎數(shù)據縱橫波聯(lián)合反演

通過數(shù)據體匹配技術將基礎縱波與轉換波數(shù)據體聯(lián)合，通過縱橫波聯(lián)合反演方法獲得對儲層或流體敏感的彈性參數(shù)，實現(xiàn)油藏精細描述。

本文采用縱橫波聯(lián)合疊前同時反演方法，與常規(guī)疊前同時反演方法原理及過程類似，唯一區(qū)別是本文方法在反演數(shù)據體中增加了轉換波信息，因此更利于求解Knott-Zoeppritz方程中的橫波模量，從而得到更穩(wěn)定的橫波阻抗、密度反演結果。另外，轉換波數(shù)據包含更大的入射角信息，也更利于提高反演精度[14-16]。

1.3.2 監(jiān)測數(shù)據縱橫波聯(lián)合反演

巖石物理動態(tài)分析結果表明：縱橫波速度比γ的變化Δγ可以描述油藏動態(tài)變化。通過四維縱橫波聯(lián)合反演，可以獲得基礎數(shù)據和監(jiān)測數(shù)據的γ。然而，監(jiān)測數(shù)據縱橫波聯(lián)合反演時，缺少建立低頻模型和約束反演的測井數(shù)據。另外，蒸汽沿水平井管道注入，油藏變化的非均質性嚴重，難以建立準確反映油藏變化規(guī)律的低頻模型[17-19]。因此，本文提出了一種低頻模型驅動的監(jiān)測數(shù)據地震反演方法，其基本思想是：①分別在基礎和監(jiān)測的縱波、轉換波數(shù)據油藏底界精細拾取時間層位，并求取縱波、轉換波時移量；②將時移量信息轉化為縱波速度和橫波速度的變化信息；③將速度變化信息引入監(jiān)測低頻模型，使監(jiān)測低頻模型反映油藏變化的區(qū)域和趨勢。利用低頻模型驅動的監(jiān)測數(shù)據地震反演方法得到監(jiān)測數(shù)據的γ。對基礎數(shù)據(圖5a)與監(jiān)測數(shù)據(圖5b)的γ求差得到Δγ(圖5c)?？梢姡う弥饕厮骄共?，合理反映了油藏變化。

圖5 縱橫波速度比反演平面圖(a)基礎數(shù)據γ； (b)監(jiān)測數(shù)據γ； (c)Δγ

2 應用效果

基礎數(shù)據縱橫波聯(lián)合反演結果表明，油藏上部存在大套優(yōu)質油砂儲層，橫向連續(xù)性好，但油藏中、下部局部存在薄隔夾層(圖6中藍色)。隔夾層不僅影響蒸汽腔縱向擴展，而且會影響垂向滲透率。在實際的雙水平井SAGD開發(fā)布井和鉆井過程中，須盡量避開隔夾層。分析該區(qū)生產水平井單井產能表明，部分井產能較低，蒸汽腔擴展范圍較小。研究發(fā)現(xiàn)，在局部區(qū)域，注汽井和生產井中間存在隔夾層，這將對最終開發(fā)產生極其不利的影響，需借助隔夾層預測結果，調整部分低產井開發(fā)方案，可嘗試利用單井SAGD的方式預熱地層[20]。

利用四維縱橫波聯(lián)合反演得到的縱橫波速度比差異，并結合實際溫度信息，準確刻畫了蒸汽腔的展布范圍。根據巖石物理動態(tài)分析結果，設置不同門檻值，得到不同的油藏變化區(qū)域(圖7)。由預測蒸汽腔平面、剖面分布可見：①在平面上蒸汽腔主要沿著水平井展布，三個平臺蒸汽腔范圍差異較大，與實際生產情況吻合(圖7a)；②在垂直于水平井走向的蒸汽腔預測剖面上，蒸汽腔范圍與實測溫度曲線高度吻合，即在縱向上注采水平井井間形成連通，在橫向上蒸汽腔擴展能力有限，主要局限在水平井周圍(圖7b)；③在沿水平井走向的蒸汽腔預測剖面上，部分井段的蒸汽腔擴展能力仍然有限(圖7c)。因此，可以綜合隔夾層分布與蒸汽腔刻畫結果，分井段調整開發(fā)方案，以提高油藏動用程度，進而提高最終采收率。

圖6 儲層預測剖面

圖7 預測蒸汽腔平面、剖面分布(a)平面； (b)剖面(垂直水平井走向)； (c)剖面(沿水平井走向)

3 結論

本文提出了一種基于低頻模型驅動的四維多波聯(lián)合反演方法，刻畫的油藏動態(tài)變化與實際生產情況高度吻合，獲得以下認識：

(1)處理與解釋實時結合，逐步質控，提高了非油藏信息的一致性，保留并突出了油藏信息真實差異。

(2)巖石物理分析結果表明，縱橫波速度比對油藏變化最敏感，可作為油藏動態(tài)監(jiān)測的敏感參數(shù)。

(3)充分利用縱波與轉換波時移量信息，建立了反映油藏變化趨勢的低頻模型，規(guī)避了缺少二次測井數(shù)據的限制，方法簡單易行，蒸汽腔預測結果準確、可靠。