時移地震采集時機可行性分析及研究
——以南海L氣田為例

劉 巍,鄧海東,張 亮,黃旭日,李法律,陳小春

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海南海口570100;2.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都610500)

時移地震是油氣藏開發(fā)中應用效益較好的地震技術之一[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展,此項技術在國外已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化,并且成功應用于一些海上深水區(qū)油田[2-3],成為了一種重要的油藏管理手段[4-5]。國內于20世紀80年代開始進行有關時移地震的方法技術及應用研究[6],90年代以來得到快速發(fā)展,初步形成了配套技術并進行了試驗應用[7]。進入21世紀,海上油田時移地震技術的成功應用極大地推動了海上時移地震技術的進步與發(fā)展,并取得了顯著成果和寶貴經(jīng)驗[8-12]。

然而,時移地震對油藏條件和地震條件有一定的要求,并非所有的油氣藏及所有的開發(fā)階段都適合用時移地震技術進行監(jiān)測。廖儀等[11]總結了限制時移地震應用與推廣的3個主要因素:①經(jīng)濟成本因素,不同批次三維地震資料采集與處理所需費用較高,特別是在需要保持采集重復性的情況下[13];②地震資料因素,要求不同批次的地震資料能有效反映儲層油氣藏動態(tài)且能最大程度地保持非油氣藏變化的一致性,地震資料因素是時移地震技術成敗的關鍵,也是時移地震研究所面臨的主要困難之一;③不確定性因素,即高成本投入不一定會產(chǎn)生可靠的時移地震成果資料和商業(yè)經(jīng)濟效益。因此,在實施時移地震監(jiān)測采集前,須對時移地震的可行性進行系統(tǒng)分析和評價。

可行性研究主要包括時移地震監(jiān)測的適用性和經(jīng)濟有效性兩方面[14-15]。適用性研究是確定所研究的區(qū)塊是否適合利用時移地震技術進行監(jiān)測,即油氣藏性質變化是否足以產(chǎn)生現(xiàn)有地震觀測系統(tǒng)可以觀測到的顯著差異[16]。影響時移地震可行性的因素有油藏地質條件、巖石物理條件以及地震資料的采集和處理等多個方面,我們需要利用地質、油藏、地震、測井和巖石物理等資料進行綜合分析和類比評價[10,17]。地震資料的可重復性是時移地震監(jiān)測中的關鍵,然而實際情況中,很難保證不同批次采集的地震資料具有一致性或可重復性。因此我們還須從采集和處理兩方面出發(fā),最大程度上使得兩次地震資料間的差異僅源自油氣藏的流體變化[4,13]。時移地震可行性研究中經(jīng)濟有效性是從經(jīng)濟效益方面對時移地震采集成本與油氣藏開采收益進行衡量,即時移地震監(jiān)測技術的應用所產(chǎn)生的收益是否高于其成本。

用時移地震監(jiān)測油氣藏變化對油氣田開發(fā)具有很好的指導意義,但采集時機的選擇決定了時移地震采集的意義以及油氣田開發(fā)效益是否可以達到最大。因為過早的時移地震采集無法監(jiān)測到足夠的油氣運移變化及相應的時移地震差異,從而影響油氣運移規(guī)律分析。而過晚的時移地震采集則由于油氣開發(fā)程度太高而失去監(jiān)測的意義。因此,在對L氣田實施監(jiān)測采集前,須對其采集時機的可行性進行系統(tǒng)分析和評價。本文從含氣飽和度和孔隙壓力遞減趨勢分析、時移地震響應變化規(guī)律分析以及信噪比影響分析3個方面來綜合分析并確定L氣田的最佳時移地震采集時機。

1 氣田概況

L氣田位于南海西部海域,沉積環(huán)境為濱淺海沉積。其構造為被一系列放射狀斷層分割成多個斷塊的穹隆背斜,每個斷塊多呈扇形,且斷層發(fā)育也有差異。背斜南緩北陡,上下構造形態(tài)具有一致性,明顯表現(xiàn)出受相同構造因素的控制(圖1)。L氣田中部發(fā)育的一系列放射狀斷層將氣田分成多個互不連通的斷塊。不同氣組、不同斷塊都是獨立的氣藏。氣水分布較復雜,其分布特征如下:①氣水分布平面上分塊、縱向上分層,不同斷塊不同氣組具有各自的氣水界面;②不同氣組、不同斷塊天然氣組分差別較大,可能與斷層生成、發(fā)展、開啟、封閉以及氣體運移、聚集的不同階段有關。L氣田復雜的氣水分布特征對氣藏進行剩余氣預測以及調整挖潛帶來了困難,因此有必要通過時移地震技術對該氣藏進行動態(tài)監(jiān)測,從而指導開發(fā),調整挖潛。

圖1 L氣田氣藏剖面

2 時移地震采集時機可行性研究

理想的時移地震要求后期的監(jiān)測采集應在盡可能與基礎采集相同的條件下開展。采集時機很大程度上取決于地下流體變化差異的大小,并反映在流體置換前后地震響應的變化中[18]。發(fā)生置換的流體速度和密度等彈性參數(shù)反差越大,可監(jiān)測性越強。此外,時移地震響應差異的檢測還受地震數(shù)據(jù)信噪比的影響。因此,確定時移地震監(jiān)測采集的時機需要進行多方面的論證,其中包括含氣飽和度和孔隙壓力遞減趨勢分析、時移地震響應變化規(guī)律分析以及信噪比影響分析。

含氣飽和度和孔隙壓力遞減趨勢分析是通過生產(chǎn)動態(tài)預測流體替換的趨勢,可以為判斷是否有必要進行時移地震采集提供依據(jù);時移地震響應變化規(guī)律分析是從時移地震振幅差異變化趨勢規(guī)律及其空間分布特征兩方面來判斷時移地震數(shù)據(jù)采集的時機,當時移地震振幅差異變化平穩(wěn)且在空間上有一定的分布時方可開展二次采集;信噪比影響分析則可以確定噪聲對時移地震差異影響的大小,從而確定其是否影響對時移地震差異結果的解釋[19]。這些工作的最終目的是要判定儲層流體的變化是否能在新采集地震資料上反映出來。如果流體變化本身可以被量化采集,還需要進一步分析可重復的有效信號與不可重復的噪聲之間的差異是否能被有效地檢測出來。當?shù)卣饠?shù)據(jù)信噪比過低時就很難檢測到儲層的流體變化。根據(jù)以上3個方面的論證工作形成了如圖2所示的時移地震采集時機可行性研究流程。

圖2 時移地震采集時機可行性研究流程

2.1 氣藏內孔隙壓力和含氣飽和度遞減趨勢規(guī)律分析

各個區(qū)塊因為開發(fā)井數(shù)量及開發(fā)方案不同,其動態(tài)數(shù)據(jù)的變化趨勢也不一致。我們需要對各井的孔隙壓力和含氣飽和度隨時間變化的規(guī)律進行總結,從而分析氣藏動態(tài)數(shù)據(jù)變化的主體。圖3為通過油藏數(shù)值模擬得到的L氣田2020年與2010年的孔隙壓力差異與含氣飽和度差異空間分布圖。從圖3可以看出,各個斷塊的孔隙壓力變化及含氣飽和度變化程度與該井區(qū)的開發(fā)程度有關。由于斷層的封堵,各斷塊之間相對獨立。其中A1到A5井周圍區(qū)域開發(fā)程度高,孔隙壓力下降較大,約4MPa。當斷塊開發(fā)程度低,甚至未開發(fā)時,壓力基本沒有變化,如圖3a中A7和A9井周圍區(qū)域,壓力下降不足1MPa。從氣水替換的分布來看,由于構造的特點,在開發(fā)斷塊的氣水替換分布整體呈環(huán)形(圖3b),且在低部位氣水替換程度較高。

根據(jù)L氣田的構造及氣藏分布特點,該氣田的開發(fā)井基本在構造高部位,而低部位區(qū)域沒有開發(fā)井。為了分析低部位區(qū)域的含氣飽和度及孔隙壓力的變化規(guī)律,需要在構造低部位區(qū)域增加虛擬井。在低部位共選定了18口虛擬井,如圖4中紅色“低井”所示。圖5為L氣田各井(實際井和虛擬井)的孔隙壓力隨時間變化的關系圖。由于邊水能量較強,高部位和低部位的孔隙壓力均有下降,但是下降的趨勢相對平緩。L氣田邊水是沿著構造傾角方向由低部位向高部位推進,邊水推進到的位置含水飽和度會迅速上升。實際井均在構造高部位,邊水基本都未推進到實際井位置,含氣飽和度變化差異較小(圖6a)。而在構造低部位氣水替換比較完全,氣水替換的速度較快,替換后達到平穩(wěn)狀態(tài)(圖6b)。

圖4 實際井和虛擬井平面分布位置(紅色標記的“低井”為虛擬井)

圖5 L氣田各井的孔隙壓力隨時間變化的關系a 實際井數(shù)據(jù);b 虛擬井數(shù)據(jù)

圖6 L氣田各井的含氣飽和度隨時間變化關系a 實際井數(shù)據(jù);b 虛擬井數(shù)據(jù)

2.2 時移地震響應變化規(guī)律分析

油氣藏儲層內部孔隙壓力的降低或含氣飽和度的降低都會導致地層速度增加,從而引起地震響應振幅的變化[20]。我們基于巖石物理模型將L氣田的油藏動態(tài)數(shù)值模型(含氣飽和度、孔隙壓力等)轉換為地球物理數(shù)值模型(速度、密度),然后利用實際地震主頻的子波進行時移地震正演來合成地震正演響應,進而分析油藏動態(tài)參數(shù)對地震響應的影響。

首先分析單動態(tài)參數(shù)(孔隙壓力或含氣飽和度)變化對時移地震差異的影響。通過統(tǒng)計各井(實際井和虛擬井)孔隙壓力和含氣飽和度的變化范圍,可以得到孔隙壓力變化為8MPa,含氣飽和度變化為30%。在初始模型狀態(tài)下,根據(jù)統(tǒng)計的變化量分別整體降低孔隙壓力或含氣飽和度,并通過地震正演和差異求取來計算時移地震振幅差異平面分布(圖7)。圖7a為僅降低孔隙壓力后的時移地震差異分布圖,圖7b為僅降低含氣飽和度后的時移地震差異分布圖。對比圖7a和圖7b可以看出,含氣變化引起的差異明顯大于壓力變化引起的差異。經(jīng)過量化統(tǒng)計分析,孔隙壓力下降引起的時移地震差異約4%,而含氣飽和度下降引起的時移地震差異約18%。因此初步認為時移地震差異主要來自含氣飽和度的變化。

圖7 單動態(tài)參數(shù)變化引起的時移地震振幅差異a 壓力下降8MP;b 含氣飽和度下降30%

此外,我們還需要分析孔隙壓力和含氣飽和度對地震響應的綜合影響。L氣田僅于2006年進行了第一次三維地震數(shù)據(jù)采集,因此可以以數(shù)值模擬起始時間點(2010年)的正演響應數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù),各個時間點的正演響應作為監(jiān)測數(shù)據(jù),并進行差異計算得到各個時間的理論時移地震響應差異。圖8為L氣田2020年與2010年的合成地震差異空間分布。由圖8可見,差異分布呈環(huán)形。由于斷層的封堵作用,未開發(fā)斷塊區(qū)域的孔隙壓力與含氣飽和度均未發(fā)生較大的變化,所以未觀察到明顯的時移地震差異。開發(fā)程度較低的斷塊,氣水替換的區(qū)域少,其時移地震差異也相應較小。由于水未運移到構造高部位,并且壓力變化也相對較小,因此也觀察不到差異。圖8所示的地震響應差異分布特征與氣水替換的分布特征(圖3b)基本一致。氣水替換位置處的地震響應差異為負,且氣水替換程度較高時時移地震差異絕對值也較大。因此L氣田比較明顯的時移地震響應差異主要受含氣飽和度變化的影響。圖9為L氣田各井的時移地震響應振幅隨時間變化規(guī)律。時移地震響應變化的規(guī)律可以分為兩個階段:快速變化期和平穩(wěn)期。快速變化期對應于含氣飽和度變化較快階段,當達到束縛水飽和度時,進入平穩(wěn)期。其變化規(guī)律與含氣變化規(guī)律(圖6)基本一致。因此,進一步證明了L氣田的時移地震差異主要來自于含氣飽和度的變化。由實際井及虛擬井的時移地震響應變化規(guī)律分析得知,低部位的時移地震差異在2018年前后已經(jīng)進入平穩(wěn)期,大部分高部位區(qū)域在2022至2024年進入平穩(wěn)期。從時移地震差異變化大小看,2022年前后可進行時移地震采集。

圖9 L氣田各井的地震響應振幅隨時間變化規(guī)律a 實際井數(shù)據(jù);b 虛擬井數(shù)據(jù)

2.3 地震數(shù)據(jù)信噪比影響分析

信噪比是衡量地震資料好壞的一個重要參數(shù),地震資料的信噪比越高,地震資料品質越好,處理結果就越可信。因此,信噪比無論是對處理人員還是解釋人員都有一定的參考價值。在油氣田開采開發(fā)過程中,儲層的流體性質及孔隙壓力會發(fā)生一系列的變化,從而造成地震響應的變化。這種地震響應變化能否被監(jiān)測到是是否進行時移地震的前提。在理想的無噪聲情況下,可以很容易識別該地震響應變化,再利用振幅差異的特點來確定油氣水替換的分布狀態(tài)。但實際地震記錄中往往會存在噪聲,無論采用何種處理手段,都只能在一定程度上提高信噪比,而不能完全消除噪聲。噪聲的存在會直接影響油氣藏地震監(jiān)測的效果,因此需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)與基礎數(shù)據(jù)的地震響應差異進行信噪比分析,以評判對時移地震差異影響的門限值。

我們首先對L氣田疊前時間偏移基礎測線數(shù)據(jù)進行了信噪比影響分析。圖10為L氣田三維疊前時間偏移結果中的一條基礎測線剖面,從該剖面看其構造清晰。計算得到實際基礎地震資料的信噪比約為14,換算成噪聲占比約為6.7%,可知該地震資料信噪比較高。

圖10 L氣田基礎測線時間偏移剖面

我們在假定L氣田氣藏中僅存在孔隙流體和孔隙壓力發(fā)生變化的情況下,將2020年合成監(jiān)測數(shù)據(jù)與基礎數(shù)據(jù)進行差異求取生成時移地震響應差異,并在該地震響應差異的基礎上加入噪聲進行時移地震差異信噪比影響分析。圖11為不同噪聲占比的時移地震差異剖面。從圖11中可以看到,無噪聲時,差異主要分布在氣水替換位置,并且比較明顯;當噪聲在時移地震差異中占比低于45%時,可以觀察到明顯的時移地震差異,此時地震差異可以用來反映孔隙流體的動態(tài)變化;當噪聲占比超過45%后,對于弱時移地震差異位置影響較大,使得差異很微弱,此時利用時移地震差異很難揭示儲層內孔隙流體的動態(tài)變化。經(jīng)過上述信噪比分析可知,只有當噪聲在時移地震差異中占比低于45%時,時移地震差異才具有實際意義。

圖11 不同噪聲占比的時移地震差異剖面a 不含噪聲;b 噪聲占比為20%;c 噪聲占比為45%

3 結論

從油藏動態(tài)參數(shù)遞減趨勢規(guī)律分析、時移地震變化規(guī)律分析以及信噪比影響分析等3方面對L氣田時移地震采集時機的可行性進行了綜合研究,得到以下幾點認識及結論。

1)L氣田邊水能量較強,氣藏整體孔隙壓力下降幅度較小且下降平緩。在構造低部位氣水替換比較完全且替換速度較快,替換后達到平穩(wěn)狀態(tài)。在構造高部位氣水替換程度低,含氣飽和度基本沒變化。整體分析認為,孔隙壓力和含氣飽和度下降幅度較小的區(qū)域存在較大的挖潛潛力。

2)由實際井及虛擬井的時移地震響應變化規(guī)律分析可知,低部位的時移地震差異在2018年前后進入平穩(wěn)期,高部位區(qū)域在2022年前后進入平穩(wěn)期。因此,從時移地震差異變化規(guī)律來看,2022年前后為最佳的時移地震采集時期。

3)信噪比分析可知,當噪聲在時移地震差異中占比低于45%時,可以觀察到明顯的時移地震響應差異,此時地震響應差異可以用來反映孔隙流體的動態(tài)變化。通過在時移地震正演過程中疊加隨機噪聲的方式,可以有效模擬出噪聲對時移地震差異檢測的影響,從而指導實際時移地震差異解釋。