擴(kuò)展彈性阻抗反演在東海T氣田儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

胡 偉，孫永壯，張 巖，尹文筍，劉慶文

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335）

地震反演通常分為疊后和疊前反演兩大類(lèi)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，疊后地震反演在油氣勘探的不同階段都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。疊后反演方法基于的是疊后地震數(shù)據(jù)，共反射點(diǎn)道集的疊加壓制了能夠反映巖性和流體的AVO信息，應(yīng)用疊后反演方法很難獲得孔隙度、流體、巖性等關(guān)鍵參數(shù)，難以滿(mǎn)足儲(chǔ)層定量描述的要求[1]。隨著勘探開(kāi)發(fā)需求的提高，疊前反演技術(shù)得到了快速發(fā)展。1999年Connolly[2]首次提出了彈性波阻抗(Elastic Impedance)的概念，該方法利用的是部分角度疊加數(shù)據(jù)，保留了地震振幅隨偏移距的變化信息，比聲阻抗包含了更多的巖性及流體特征。但是彈性阻抗的數(shù)值和量綱存在隨著入射角增大而劇烈變化的問(wèn)題，使得該方法不能完全滿(mǎn)足儲(chǔ)層識(shí)別及流體檢測(cè)的需求。2002年Whitcombe[3]對(duì)彈性阻抗公式進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)歸一化處理后，解決了量綱的問(wèn)題。之后，Whitcombe[4]再次改進(jìn)了歸一化的彈性阻抗公式，提出了擴(kuò)展彈性阻抗（EEI）的概念，限制反射系數(shù)在[-1,1]之間，使地震記錄與實(shí)際情況一致，使之更適用于巖性、物性和流體的預(yù)測(cè)。擴(kuò)展彈性阻抗反演技術(shù)很好地融合了疊后反演和AVO反演的優(yōu)點(diǎn)，很大程度上提高了利用反演技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和儲(chǔ)層描述的能力，是地震反演技術(shù)的主要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)擴(kuò)展彈性阻抗也進(jìn)行了大量的研究，孫月成等[5]、李國(guó)平等[6]、牛聰?shù)萚7]應(yīng)用擴(kuò)展彈性阻抗進(jìn)行了巖性的識(shí)別，張秉銘等[8]、謝清惠等[9]、時(shí)磊等[10]應(yīng)用其進(jìn)行了儲(chǔ)層含油氣性的研究，唐湘蓉等[11]、苑春方等[12]對(duì)反演的方法進(jìn)行了優(yōu)化或者改進(jìn)，提高了擴(kuò)展彈性阻抗的計(jì)算精度。

經(jīng)過(guò)多年的勘探，東海T氣田已經(jīng)由常規(guī)構(gòu)造勘探轉(zhuǎn)向巖性油氣藏勘探，對(duì)于巖性的精準(zhǔn)刻畫(huà)尤為重要，而在主要目的層HG組，常規(guī)的聲波阻抗和縱橫波速度比參數(shù)（圖1），都不能很好地識(shí)別巖性。因此本文從擴(kuò)展彈性阻抗理論入手，詳細(xì)介紹擴(kuò)展彈性阻抗反演關(guān)鍵步驟，重點(diǎn)分析最優(yōu)巖性角與地震資料的結(jié)合過(guò)程，最終反演結(jié)果對(duì)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

圖1 聲波阻抗與縱橫波速度比交匯分析Fig.1 Intersection analysis of acoustic impedance and velocity ratio of compressional wave to shear wave

1 擴(kuò)展彈性阻抗反演理論

彈性阻抗的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程，其概念是建立在A(yíng)ki-Richards[13]簡(jiǎn)化方程基礎(chǔ)之上，當(dāng)入射角在臨界角范圍內(nèi)，則有：

其中：R為反射系數(shù)，θ為入射角，A為截距，B為梯度，VP為縱波速度，VS為橫波速度，ρ為密度；VˉP、VˉS和ρˉ分別代表相鄰地層的縱波速度、橫波速度和密度的平均值。ΔP、ΔVS和Δρ分別代表相鄰地層的縱波速度、橫波速度和密度的差值。

根據(jù)公式（1），Connolly構(gòu)建了一個(gè)與聲阻抗類(lèi)似的方程：

式中，EI為彈性阻抗。

結(jié)合式（1）和式（2），通過(guò)計(jì)算就可以得到彈性阻抗表達(dá)式：

式中：θ為入射角，。

由式可以看到隨著入射角的增大求取的彈性阻抗值發(fā)生劇烈變化，使得不同偏移距彈性阻抗值進(jìn)行對(duì)比分析的時(shí)候，會(huì)掩蓋巖性、物性或者流體引起的彈性阻抗變化差異的信息。為了解決彈性阻抗不穩(wěn)定性這個(gè)問(wèn)題，Whitcombe對(duì)式（3）進(jìn)行歸一化處理，得到新的彈性阻抗表達(dá)式如下：

式中：VP0、VS0、ρ0為常數(shù)，分別為縱波速度、橫波速度以及密度的平均值。這一改進(jìn)消除了彈性阻抗隨入射角劇烈變化的問(wèn)題，但是依然不夠完善，由式（4）計(jì)算得到的反射系數(shù)值可能大于1，這需要彈性阻抗值為負(fù)數(shù)，顯然與實(shí)際地震記錄不符。為此，Whitcombe再次修改了歸一化方程，令tanx=sin2θ,并把原反射系數(shù)乘以一個(gè)因子cosx，得到：

最終求得擴(kuò)展彈性阻抗(EEI)的表達(dá)式為：

式（6）不但解決了彈性阻抗值不穩(wěn)定的問(wèn)題，而且比例化的反射系數(shù)RS=Rcosx數(shù)值控制在[-1,1]之間，與實(shí)際地震記錄相符，可以直接用來(lái)進(jìn)行巖性、物性和流體的預(yù)測(cè)。當(dāng)x=0°時(shí)，EEI(0°)=AI為聲波阻抗，當(dāng)x=90°時(shí)，EEI(90°)值對(duì)應(yīng)反射系數(shù)域中的梯度B，把EEI(90°)叫做梯度阻抗GI。擴(kuò)展彈性阻抗可以表示為：

擴(kuò)展彈性阻抗反演就是把聲波阻抗和梯度阻抗按最優(yōu)化角度進(jìn)行結(jié)合，來(lái)進(jìn)行巖性、物性和流體的預(yù)測(cè)（圖2）。

圖2 巖性角 流體角分析示意Fig.2 Schematic diagram of lithology angle and fluid angle analysis

2 具體實(shí)施步驟

根據(jù)反演理論結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的探索和應(yīng)用，制定了應(yīng)用擴(kuò)展彈性阻抗反演進(jìn)行巖性預(yù)測(cè)的流程（圖3），具體實(shí)施步驟如下：

圖3 擴(kuò)展彈性阻抗反演流程Fig.3 Extended elastic impedance inversion process

2.1 地震資料和測(cè)井曲線(xiàn)的優(yōu)化處理

儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果的精確度取決于基礎(chǔ)資料的質(zhì)量，首先對(duì)疊前偏移道集進(jìn)行去噪以及保真、保幅的處理。擴(kuò)展彈性阻抗反演要求的地震資料必須具有AVA特征，所以在道集優(yōu)化處理后，結(jié)合速度資料，將偏移距數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)化為角道集。井曲線(xiàn)的優(yōu)化也非常重要，質(zhì)量不好的井曲線(xiàn)會(huì)降低擴(kuò)展彈性阻抗曲線(xiàn)與目標(biāo)曲線(xiàn)的相關(guān)性，會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)角度求取不準(zhǔn)，需對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行井壁垮塌等優(yōu)化處理，再進(jìn)行多井一致性的標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而提高單井求取最優(yōu)角度的準(zhǔn)確性以及多井求取最優(yōu)角度的穩(wěn)定性。

2.2 AVO反演求取截距和梯度

由步驟1計(jì)算得到的地震角道集，結(jié)合公式（1）進(jìn)行AVO反演求取截距和梯度的三維地震數(shù)據(jù)體。反演過(guò)程中，注意選取合適的地震道集角度范圍，規(guī)避可能存在剩余多次波的近道以及動(dòng)校不平的遠(yuǎn)道，盡量保證截距和梯度結(jié)果的準(zhǔn)確性。截距和梯度反演體分別為下一步計(jì)算聲波阻抗（AI）和梯度阻抗(GI)的地震反射系數(shù)體。

2.3 反演聲波阻抗和梯度阻抗

梯度阻抗的反演跟聲波阻抗一樣，都是采取的常規(guī)疊后反演流程。應(yīng)用步驟二求取的截距和梯度分別當(dāng)做疊后地震數(shù)據(jù)，結(jié)合井上求取的AI、GI曲線(xiàn)，進(jìn)行井震標(biāo)定、子波提取、低頻建模等一系列流程，最后反演得到聲波阻抗（AI）和梯度阻抗（GI）的地震三維數(shù)據(jù)體。

2.4 最優(yōu)巖性角的求取

首先要確定能夠反映巖性的目標(biāo)曲線(xiàn)，如實(shí)測(cè)的GR曲線(xiàn)或者測(cè)井解釋得到的泥質(zhì)含量曲線(xiàn)等，應(yīng)用公式（6）求取[-90°, 90°]范圍內(nèi)不同角度對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展彈性阻抗曲線(xiàn)，并且分別與目標(biāo)曲線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性最高的擴(kuò)展彈性阻抗曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的角度即為最優(yōu)巖性角。運(yùn)用擴(kuò)展彈性阻抗反演進(jìn)行物性和流體預(yù)測(cè)時(shí)，最優(yōu)物性角、最優(yōu)流體角的求取方法類(lèi)同。對(duì)于同一構(gòu)造以及同一目的層，多井求取的最優(yōu)巖性角應(yīng)該較穩(wěn)定，變化范圍小，若存在較大偏差，需要檢查測(cè)井曲線(xiàn)的質(zhì)量，以及多井一致性處理的情況。

2.5 EEI數(shù)據(jù)體的求取

EEI的求取有兩種途徑，一種是結(jié)合步驟1~4求取的聲波阻抗和梯度阻抗通過(guò)最優(yōu)巖性角旋轉(zhuǎn)得到，即EEI(x)=AIcosx+GIsinx；另外一種是結(jié)合步驟2求取的截距和梯度，步驟4求取的最優(yōu)巖性角x，由公式（5）求取擴(kuò)展彈性阻抗反射系數(shù)體，再結(jié)合井上EEI(x)曲線(xiàn)，按照常規(guī)的疊后聲波阻抗反演流程得到，這是現(xiàn)有擴(kuò)展彈性阻抗反演常用的途徑。本次研究采取了第一種途徑，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，測(cè)井曲線(xiàn)求取的最優(yōu)角度，不一定是地震的最優(yōu)角度。地震缺少低頻，并且還包含噪聲，導(dǎo)致最優(yōu)角度與測(cè)井不一致[14]。而在反演聲波阻抗和梯度阻抗的過(guò)程中，達(dá)到了去噪以及補(bǔ)充低頻的效果，從而能適用井上求取的最優(yōu)巖性角，此途徑計(jì)算得到的擴(kuò)展彈性阻抗結(jié)果才是合理的。

3 應(yīng)用實(shí)例

T氣田位于東海主要含油氣凹陷，臨近良好生烴條件的SX36洼，油氣勘探潛力大，現(xiàn)有鉆探顯示，油氣在HG組H4層至PH組P12層均有分布，埋深2800~3600m。本次研究的目的層HG組為陸相湖泊三角洲沉積體系，以油藏為主，H4層和H6層為氣田區(qū)的主要產(chǎn)油層；其中H6層屬于低位辮狀水道發(fā)育期，沉積了多期厚層砂體，H4層發(fā)生了一次規(guī)模中等的湖泛期，沉積了湖侵和高位域的薄層砂體；H6層測(cè)井解釋平均孔隙度20.5%，滲透率141.7mD，H4層測(cè)井解釋平均孔隙度20.9%，滲透率491mD，均屬于中孔中滲儲(chǔ)層。隨著氣田探明地質(zhì)儲(chǔ)量已基本動(dòng)用，剩余未動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量較少，儲(chǔ)量接替不足，并且對(duì)于油氣藏的勘探也由構(gòu)造轉(zhuǎn)向巖性，因此，對(duì)于H4、H6兩個(gè)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)T氣田的滾動(dòng)勘探與開(kāi)發(fā)開(kāi)采意義重大。

研究區(qū)為海上地震資料，多次波較發(fā)育，對(duì)地震道集進(jìn)行了多次波的去除以及保真、保幅處理，再結(jié)合地層速度，把地震道集轉(zhuǎn)化為角度道集，通過(guò)AVO反演求取了截距和梯度。利用截距和梯度結(jié)合井上求取的AI、GI曲線(xiàn)，通過(guò)井震標(biāo)定、子波提取、低頻建模等一系列流程，最后反演得到聲波阻抗（AI）和梯度阻抗（GI）的地震三維數(shù)據(jù)體?？梢钥吹?，聲波阻抗與梯度阻抗與井上計(jì)算得到的曲線(xiàn)吻合較好（圖4），為后面EEI的計(jì)算提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 聲波阻抗和梯度阻抗反演剖面Fig.4 Inversion profile of acoustic impedance and gradient impedance

研究區(qū)含有四口測(cè)井曲線(xiàn)齊全的探井，對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行了井壁垮塌校正以及一致性處理，以滿(mǎn)足儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的需求。實(shí)測(cè)的GR曲線(xiàn)能夠較好的識(shí)別砂、泥巖，選取GR作為目標(biāo)曲線(xiàn)與不同角度的EEI曲線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，來(lái)求取最優(yōu)巖性角，從圖5可以看到，不同顏色曲線(xiàn)代表不同井的分析結(jié)果，單井最優(yōu)巖性角分布在24°~28°之間，分布范圍較小，保證了反演結(jié)果的穩(wěn)定性；綜合4口探井的測(cè)井曲線(xiàn)質(zhì)量、相關(guān)性的高低以及單井最優(yōu)巖性角的分布范圍，選取了26°作為研究區(qū)的最優(yōu)巖性角，基于此角度的各井相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上。圖6為T(mén)2井EEI(26°)曲線(xiàn)與GR曲線(xiàn)對(duì)比圖，可以看到，曲線(xiàn)具有很高的相似性，這意味著本區(qū)應(yīng)用擴(kuò)展彈性阻抗反演來(lái)進(jìn)行巖性預(yù)測(cè)是可行的。通過(guò)巖石物理交匯也可以看到（圖7），EEI(26°)曲線(xiàn)對(duì)巖性具有很好的識(shí)別效果，阻抗值小于9300 (g/cm3)*(m/s)為砂巖，否則為泥巖。

圖5 EEI與GR的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficient between EEI and GR

圖6 GR與EEI曲線(xiàn)對(duì)比Fig.6 Comparison of GR and EEI

圖7 巖石物理交匯分析Fig.7 Petrophysical intersection analysis

利用聲波阻抗和梯度阻抗，結(jié)合最優(yōu)巖性角度，求取了EEI（26°）反演體。圖8為反演連井剖面，剖面上紅色表示為EEI值小于9300(g/cm3)*(m/s)的砂巖，青色代表泥巖，其值大于9300(g/cm3)*(m/s)。井上為GR曲線(xiàn)，向左為低GR值，代表砂巖；可以看到反演結(jié)果與實(shí)鉆井吻合率較高，對(duì)包含H6層在內(nèi)的厚儲(chǔ)層均能有效預(yù)測(cè)，并且對(duì)于薄砂、薄泥巖隔層預(yù)測(cè)效果也較好，T1井的H4層對(duì)應(yīng)的7米油層也準(zhǔn)確表征，說(shuō)明擴(kuò)展彈性阻抗反演對(duì)于巖性的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠，能夠滿(mǎn)足T氣田對(duì)于巖性油氣藏研究的需求。根據(jù)反演結(jié)果，對(duì)H4、H6層的砂體平面展布進(jìn)行了預(yù)測(cè)。圖9和圖10中紅色代表預(yù)測(cè)的砂巖，青色為泥巖，圖9顯示H4層砂體分布范圍較小，指示了典型的“泥包砂”特征，并且砂體呈條帶狀孤立分布，符合H4層的沿岸砂壩沉積認(rèn)識(shí)[15]；圖10顯示H6層砂體分布范圍廣，且三期河道砂體疊置擺動(dòng)，符合低位辮狀水道的沉積認(rèn)識(shí)。

圖10 H6層砂體預(yù)測(cè)平面展布Fig.10 The predicted plane distribution of the sand body in the H6 layer

4 結(jié)論與建議

（1）在東海T氣田，常規(guī)彈性參數(shù)都不能很好地識(shí)別巖性，應(yīng)用擴(kuò)展彈性阻抗公式，求取了巖性敏感的擴(kuò)展彈性阻抗參數(shù)，并且進(jìn)行了反演，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆井吻合較好，為東海巖性油氣藏勘探的研究提供了新的方法和思路。

（2）地震記錄是巖性、物性及流體等一系列因素的綜合響應(yīng)，而通過(guò)地震資料進(jìn)行單一因素的預(yù)測(cè)，擴(kuò)展彈性阻抗反演不失為一種好方法。對(duì)于巖性的預(yù)測(cè)，通過(guò)最優(yōu)巖性角的旋轉(zhuǎn)，壓制了其他因素的地震響應(yīng)，突出巖性的響應(yīng)；同樣，擴(kuò)展彈性阻抗反演還可以以物性、流體敏感的參數(shù)為目標(biāo)曲線(xiàn)，進(jìn)行物性和流體的預(yù)測(cè)，在儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)及流體識(shí)別方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）井震資料的質(zhì)量影響截距、梯度及最優(yōu)角度的計(jì)算精度，從而會(huì)影響反演的準(zhǔn)確性，所以擴(kuò)展彈性阻抗反演適用于井震資料品質(zhì)較好的地區(qū)。對(duì)于不同地層、不同工區(qū)，最優(yōu)角度可能都不同，為了保證預(yù)測(cè)的精度，每次研究前都需要根據(jù)目標(biāo)曲線(xiàn)重新計(jì)算最優(yōu)角度。針對(duì)井震資料差異造成最優(yōu)角度不同的問(wèn)題，可以通過(guò)先反演聲波阻抗、梯度阻抗，再結(jié)合井上最優(yōu)角度的旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展彈性阻抗反演。