三元約束油氣檢測技術在油氣勘探中的應用

張德龍，張志軍，郭軍，譚輝煌

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

0 引言

地震油氣檢測技術對油氣勘探和開發(fā)具有重要意義。 準確的油氣檢測結果可以作為井位部署的重要參考和依據(jù)，進而大幅提高鉆井成功率，降低投入成本。地震油氣檢測技術始于20 世紀70 年代，這種借助強反射振幅特征尋找地下油氣層的“亮點”技術得到了廣泛應用。但在不斷的實踐中，人們發(fā)現(xiàn)“亮點”技術存在較大的局限性和多解性，因而地震振幅（簡稱振幅）隨著偏移距的變化特征得到廣泛關注。 1984 年，Ostrander［1］提出了利用反射系數(shù)隨入射角的變化特征來判識“亮點”型含氣砂巖的技術，拉開了AVO 流體識別技術的序幕。后期又不斷發(fā)展了基于AVO 截距和梯度交會圖的AVO 油氣檢測因子方法等［2-3］。Nuttli 等［4-5］開始利用地震波的衰減信息嘗試研究儲層中流體變化。近年來，印興耀與Boadu 等國內(nèi)外學者［6-16］對地震波的衰減理論進行了深入而系統(tǒng)的研究， 從機理分析和正演模擬等方面對流體引起的能量、 振幅及反射系數(shù)變化進行探討，并將其成果用于檢測油氣［17-19］。 在此基礎上，張德龍等［20-21］利用能量衰減圖版進行流體信息定量分析，多名學者［22-27］分別基于雙相介質(zhì)理論進行了油氣檢測方法的研究， 基于雙相介質(zhì)理論的疊后流體識別方法得到廣泛研究和應用。

雖然“亮點”屬性、高頻能量衰減梯度屬性和雙相介質(zhì)油氣檢測技術在實際生產(chǎn)中得到一定程度的應用，但在渤海灣盆地萊北油田地區(qū)的勘探過程中，運用這些技術普遍存在將中強振幅的水層誤判為油層及將強振幅油層誤判為氣層的現(xiàn)象， 其預測結果存在多解性。 通過定量統(tǒng)計分析萊北油田地震振幅與含油氣性的關系發(fā)現(xiàn)，振幅在［30 000，40 000），含油與含水的概率各約占50%，而振幅在［40 000，60 000］，含油與含氣的概率也各約占50%，這說明“亮點”型儲層會對油氣檢測結果造成干擾。針對這些問題，本文創(chuàng)新研究思路，首次引入能量衰減識別因子、隱性油氣識別因子與構造流體匹配識別因子等3 個定量化油氣評價因子，并將它們有機融合在一起， 形成基于能量衰減的三元約束流體（油氣）檢測新技術，實現(xiàn)了對油氣水層的高效精準識別，大大提高了鉆前流體預測的精度和效率。

1 方法理論

本次研究深入分析含油氣砂體在振幅能量（或簡稱能量）衰減、振幅強弱與構造變化等方面的差異，創(chuàng)新性地提出基于三元約束的流體識別技術。 這一技術旨在突出流體的真實響應， 降低儲層厚度的干擾。 首先，對油氣水層的能量衰減定量分析發(fā)現(xiàn)，地震波穿過油氣水層后能量衰減存在明顯差異；然后，對油氣層的振幅進行分解， 得到可以表征油氣的隱性油氣識別因子；最后，充分考慮構造對流體的控制作用，引入構造流體匹配識別因子。 在此基礎上， 將能量衰減識別因子、 隱性油氣識別因子與構造流體匹配識別因子有機結合，形成基于能量衰減的三元約束流體檢測新技術，從而實現(xiàn)了對油氣水層的高效精準識別。

1.1 能量衰減識別因子

由于巖石儲層由骨架結構、孔隙和流體構成，通常表現(xiàn)為雙相或多相介質(zhì)， 傳統(tǒng)的依據(jù)單相介質(zhì)理論開展油氣檢測的方法往往精度較低， 檢測結果的多解性較強。 基于雙相介質(zhì)的油氣檢測技術是建立在雙相介質(zhì)理論基礎上，Biot 雙相介質(zhì)波動方程較好地詮釋了地震波在雙相介質(zhì)中的傳播機理。近年來，基于雙相介質(zhì)理論的油氣檢測技術主要以“低頻增強、高頻衰減”為核心， 利用累積能量和最大能量的比值進行鉆前油氣檢測。 然而，通過大量正演及文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，油氣地震響應并不一定滿足“低頻增強、高頻衰減”，地震波衰減物理機制不論從宏觀還是從微觀方面分析， 均與介質(zhì)中液體的流動有關；因此，本文轉變思路，在時間域以地震波穿過含油、 含氣及含水砂體后地震波能量的衰減差異不同為基礎，開展新的油氣檢測方法研究。

依據(jù)黏彈性理論， 地震波在黏彈性介質(zhì)中的傳播波函數(shù)可表達為

根據(jù)黏彈性波動方程可得：

式中：A為傳播h距離時的振幅能量，m；A0為初始振幅能量，m；α 為吸收系數(shù)；h為傳播距離，m；i為虛數(shù)；ω 為瞬時頻率，Hz；t為傳播時間，s；K為波數(shù)；η 為黏滯系數(shù)；ρ 為密度，g/cm3；v為速度，m/s。

油層相比于水層具有高黏度、 低密度與低速度的特點。 由式（2）可知，油層對地震波具有更大的吸收系數(shù)和更強的衰減作用。 含不同流體的地層具有不同的能量衰減量，可用品質(zhì)因子Q表征：

定義能量衰減率為θ，則：

當h=25 m，ω=40 Hz，v=2 400 m/s 時：若含氣，Q≈20，θ=12.3%；若含水，Q≈150，θ=1.7%。由此可知，含油氣砂體引起的能量衰減率要遠大于水層。

能量衰減率與品質(zhì)因子的關系見圖1： 品質(zhì)因子越小，能量衰減率越大；反之，能量衰減率越小。 因此，依據(jù)不同流體引起的能量衰減差異，可進行油氣識別。

圖1 能量衰減率與品質(zhì)因子的關系Fig.1 Relationship between energy attenuation rate and Q factor

在此基礎上， 為了深入探討砂體厚度對不同流體能量衰減的影響， 設計一系列厚度不同且流體不同的正演模型（見圖2）。

圖2 砂體厚度對不同流體能量衰減量的影響Fig.2 Effects of sand thickness on attenuation energy of different fluids

由圖2 可知：隨砂體厚度逐漸增加，含油氣砂體的能量衰減量也逐漸增大， 而水層的能量衰減量則基本保持不變。 被研究的地層厚度等于或小于1/4 波長時稱為地層的調(diào)諧厚度， 它一直以來被用作薄層地震預測的重要指標。分析發(fā)現(xiàn)：氣層能量衰減量不受調(diào)諧作用的影響，均呈線性增大；而油層的能量衰減量則受調(diào)諧作用影響較為明顯，即當油層厚度小于調(diào)諧厚度（約20 m）時，能量衰減量呈線性增加，而油層厚度大于調(diào)諧厚度時，能量衰減量則先減小、再增大?？偟膩碚f，隨著砂體厚度不斷增大， 油氣層的能量衰減量比水層要大得多。 ——這就是本文利用能量衰減進行油氣識別的重要理論基礎。

為衡量流體變化引起的能量衰減量，本文在計算地震波穿過砂體前后能量的衰減量時，引入加權平均統(tǒng)計的思想，以有效降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計的隨機誤差，保證結果的穩(wěn)定性。 能量衰減識別因子a可通過式（5）計算得到：

式中：abs 表示取絕對值；N為樣點數(shù)，個。

能量衰減識別因子是三元約束流體檢測技術的第一元。 它的優(yōu)勢是，在可分辨厚度（1/4 波長）以下且接近單一地層結構時， 油氣水層的能量衰減識別因子具有明顯的差異（見圖2）。 因此，借助該因子可有效解決常規(guī)的吸收衰減方法受厚度影響的難題， 提高對不同流體的區(qū)分度。

1.2 隱性油氣識別因子

地震振幅信息被廣泛應用于構造解釋、 儲層反演和儲層預測等，在油氣勘探和開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。特別是在海上鉆井少的稀疏井網(wǎng)條件下， 充分挖掘地震資料中的信息具有更加重要的意義。 目前利用地震振幅信息進行鉆前油氣檢測， 在渤海油田淺層巖性勘探中取得了良好成效。然而，影響振幅反射強度的因素主要有砂體厚度、流體性質(zhì)、砂層結構以及物性等多個方面（見圖3）。

圖3 正演砂體厚度與流體變化對調(diào)諧振幅的影響Fig.3 Effects of forward sand thickness and fluid changes on tuning amplitude

正演模擬（見圖3）研究表明：當砂體含氣時，地震產(chǎn)生的最大調(diào)諧振幅是水層的2 倍之多； 當砂體含油時，地震產(chǎn)生的最大調(diào)諧振幅是水層的1.3 倍左右。 因此，對于某一振幅，地震響應可能是厚水層產(chǎn)生的，也可能是中等厚度油層產(chǎn)生的，還可能是薄氣層產(chǎn)生的。分析發(fā)現(xiàn)，當砂體厚度一定時，油氣層振幅可表征為水層振幅與油氣因子的乘積， 因此可通過提取該因子實現(xiàn)鉆前對油氣水層的預測。

依據(jù)振幅與流體和厚度的關系， 隱性油氣識別因子可表示為

式中：Aog為含油氣地層的振幅；Aw為標準水層的振幅；b為隱性油氣識別因子；k為常數(shù)校正因子。

要求取b，關鍵問題是如何準確求取Aw。 為此，正演數(shù)值模擬了含水砂體的振幅與時間厚度和（瞬時）頻率的關系（見圖4）。

圖4 含水砂層厚度調(diào)諧曲線數(shù)值模擬分析Fig.4 Numerical simulation analysis of the thickness tuning curve of water-bearing sand

振幅與時間厚度呈正相關， 與頻率呈負相關。 那么，水層的振幅可根據(jù)指數(shù)化的擬合公式得到：

式中：β 為時間厚度校正因子；p，q為可通過最小二乘法擬求解的2 個常數(shù)校正因子；H為時間厚度，ms。

將式（7）代入式（6），即可求解得到隱性油氣識別因子b：

通過最小二乘法迭代求解， 可得到隱性油氣識別因子，實現(xiàn)對油氣水層的預測。 進一步分析發(fā)現(xiàn)，當砂體結構是互層時，地震反射受干擾作用影響大，振幅與瞬時頻率變得不穩(wěn)定，因此，求取的隱性油氣識別因子就會存在多解性。為了解決這一問題，引入對互層結構相對穩(wěn)定的峰值頻率W來代替瞬時頻率ω。

圖5 為單砂體和砂泥互層結構的正演模擬。 隨著CDP（地震采集中的共深度點道集。砂體厚度隨CDP增加而增加）的增加，單砂體和砂泥互層結構重復出現(xiàn)。當單砂體厚度小于調(diào)諧厚度，即CDP＜600 時，其振幅隨砂體厚度的增加近乎線性增加，頻率近乎線性降低。當砂泥互層時，振幅出現(xiàn)較大偏差（綠色點線），而峰值頻率卻有較高的穩(wěn)定性（紫色點線）。因此，將峰值頻率引入隱性油氣識別因子的求取過程中， 即得到改進后的隱性油氣識別因子：

對于單層或互層結構，均可根據(jù)式（9）求取精度較高的隱性油氣識別因子。統(tǒng)計萊北地區(qū)已鉆井的24 個樣本點， 擬合得到萊北地區(qū)明下段砂體隱性油氣識別因子各參數(shù)值：β=0.81，p=0.72，q=0.41，k=0.88。 圖6 為提取的萊北油田隱性油氣識別因子（為了方便對比，已作歸一化處理）與實鉆井測井（含油）飽和度的相關性，可以看出，當測井飽和度大于50%時，隱性油氣識別因子和測井飽和度具有較高吻合度。因此，可以通過隱性油氣識別因子對砂體含油氣性進行預測。

圖6 隱性油氣識別因子與測井飽和度的關系Fig.6 Relationship between recessive oil and gas identification factors and logging saturation

隱性油氣識別因子是三元約束流體檢測技術的第二元。該因子的優(yōu)勢是在互層結構下，引入穩(wěn)定性較高的峰值頻率， 較好地克服了互層干擾等非流體因素的影響，進而有效放大了流體信息的差異性，具有較高的實際應用價值。

1.3 構造流體匹配識別因子

對于復雜的地層結構， 影響地震反射特征的因素更多，這些因素會造成油氣信息被非流體信息所湮沒。因此， 為了能得到更加真實且符合地質(zhì)認識的油氣檢測結果， 最直接的做法就是將預測的油氣平面分布與構造進行匹配，并引入匹配因子r進行初步篩選。當預測的含油氣性結果與構造等值線匹配度較低、r小于0.7（兩者重合率小于70%）時，預測結果的可靠性較低；當預測的油氣檢測結果與構造等值線匹配度較高、r等于大于0.7（兩者重合率等于大于70%）時，預測結果的可靠性較高（見圖7）。 圖7 為油氣檢測結果與構造匹配關系示意圖，亮黃色代表含油氣概率高。從圖中可以看出， 亮黃色范圍與1 800 m 構造等值線匹配度高，說明油氣檢測結果可靠性高。當r大于某一經(jīng)驗閾值時，其結果的可靠性相對較高，但大于閾值并不代表預測結果一定準確， 而是對油氣檢測結果進行初步判斷的有效方法之一。

圖7 油氣檢測結果與構造匹配關系示意Fig.7 Matching relationship between hydrocarbon detection and structure

為進一步提高油氣檢測的可靠性， 綜合考慮地質(zhì)成藏要素， 引入衡量油氣充注能力指標——斷砂接觸面積。 斷砂接觸面積是指儲層中的砂體與斷面的對接面積， 該參數(shù)能夠很好地反映砂體與有效運移斷層面的接觸情況，斷層和砂體接觸面積越大，表明油氣充注能力越強。 圖8 為萊北地區(qū)統(tǒng)計得到的斷砂接觸面積與烴柱高度（儲層中砂體的含油氣幅度）的關系，對比分析發(fā)現(xiàn)， 兩者具有良好的指數(shù)關系， 其相關性高達84.6%。

圖8 烴柱高度與斷砂接觸面積的關系Fig.8 Relationship between the contact area of faults and sand and the height of hydrocarbon columns

那么，在充分考慮地層構造的影響下，將理論上擬合得到的烴柱高度與預測點的構造含油氣幅度相除，即可得到構造流體匹配識別因子c:

式中：X為計算得到的斷砂接觸面積，m·km；Hw為設計井處的海拔，m；Htop為砂體高點處的海拔，m。

當c≥1 時，代表設計井點距構造高點的含油氣幅度比理論擬合得到的烴柱高度小，c值越大，含烴概率越大，該區(qū)為潛力區(qū)域；當c＜1 時，代表設計井點距構造高點的含油氣幅度比理論擬合得到的烴柱高度大，c值越小，含烴概率越小，該區(qū)為風險區(qū)域：因此，在復雜地層情況下，可依據(jù)構造流體匹配識別因子值的大小，對能量衰減識別因子與隱性油氣識別因子的油氣檢測結果的準確性作進一步的判斷。

1.4 三元約束流體識別定量化模板

眾所周知， 含油氣砂體在地震剖面上往往表現(xiàn)為“亮點”特征。 然而，基于“低頻增強、高頻衰減”原理的流體檢測方法，振幅越強，高頻衰減也越大，而振幅與厚度又有較好的相關性；因此，出現(xiàn)“低頻增強、高頻衰減”現(xiàn)象不一定是油氣的響應。對于包含流體信息的振幅反射，在中強振幅段是無法直接判斷其流體性質(zhì)的。本文充分考慮不同的地層結構，分別針對單層、互層及復雜地層情況，創(chuàng)新性地提出將能量衰減識別因子、隱性油氣識別因子與構造流體匹配識別因子用于鉆前流體檢測。 需要注意的是， 本文提出的3 個流體評價因子， 是將三者融合而建立的基于能量衰減的三元約束流體檢測技術。 圖9 為基于三元約束方法建立的定量化快速油氣檢測模板。能量衰減識別因子為第一元（坐標縱軸），隱性油氣匹配因子為第二元（坐標橫軸），構造流體匹配識別因子為第三元（用氣泡大小表示，氣泡越大，表示構造與流體的匹配程度越好，含油氣概率也越大；反之，含油氣概率越小）。

圖9 萊北油田三元約束定量化快速油氣檢測模板Fig.9 Quick hydrocarbon detection template with ternary constraint quantification in Laibei Oilfield

僅從橫軸（隱性油氣識別因子）方向看：在中強振幅段，即［0.30，0.58），砂體可能含油或含水；在強振幅段，即［0.58，0.85］，砂體可能含油或含氣。僅從縱軸（能量衰減識別因子）方向看，油層、水層與氣層區(qū)分度得到提升， 依據(jù)能量衰減識別因子的門檻值可區(qū)分大部分流體，但仍有疊置區(qū)域無法有效區(qū)分。

表1 為萊北油田三元約束流體檢測因子的經(jīng)驗統(tǒng)計值域。綜合考慮3 個流體檢測因子的值域，三者均指向為某一流體時，砂體含該流體的可能性較大。 因此，根據(jù)三元約束流體檢測模板，可有效降低“亮點”型油氣檢測的多解性，提高了油水層、油氣層振幅能量混疊的區(qū)分度，高效準確地預測潛力砂體的含油氣性。

表1 萊北油田三元約束流體檢測因子經(jīng)驗統(tǒng)計值域Table 1 Empirical statistics scale of ternary constrained fluid detection factors in Laibei Oilfield

2 實際應用及效果分析

萊北油田位于渤海南部， 是近年來新近系勘探的熱點地區(qū)之一，該區(qū)廣泛發(fā)育河流相沉積，油水關系復雜。 地震反射強弱是儲層與流體的綜合響應，然而，常規(guī)基于“低頻增強、高頻衰減”原理的疊后油氣檢測方法，其預測結果常與振幅的強弱有較強相關性，存在明顯的強振幅水層誤判為油層以及強振幅油層誤判為氣層的現(xiàn)象；因此，基于振幅及其頻譜分析原理的油氣檢測方法往往難以取得較好的實際效果。

本文利用三元約束流體檢測技術對萊北地區(qū)潛力砂體復查， 發(fā)現(xiàn)一批先前采用常規(guī)油氣檢測方法認為無潛力的砂體卻仍存在較大潛力。

以K-C 井為例。 采用業(yè)界常規(guī)的疊后油氣檢測方法對其進行鉆前油氣性預測。 從疊后油氣檢測剖面和平面上看，該井都沒有明顯的油氣異常（見圖10a），依據(jù)該預測結果，K-C 井沒有鉆探價值。 然而，采用本文新方法對該井的油氣性進行復查時， 發(fā)現(xiàn)1 號砂體3個流體評價因子明顯偏高——砂體的a 值為17 000，b值為0.62，c 值為2.1。 通過將這三個流體評價因子與表1 值域對照，發(fā)現(xiàn)1 號砂體處于油層范圍；進一步將砂體的流體評價因子投影到萊北油田的模板中，1 號砂體顯然也處于含油區(qū)域。

圖10 K-C 井1 號砂體油氣檢測平面對比Fig.10 Plain comparison for oil and gas detection of No.1 sand in Well K-C

本文新方法預測結果表明，K-C 井仍具有較大的潛力。該井鉆探后，1 號砂體獲得14 m 厚油層。這一結果證明，1 號砂體的含油氣性與本文新方法預測結果完全一致。實鉆結果也增強了對該區(qū)的勘探信心。與此同時，對該井實施了向低部位側鉆，也獲得了15 m 的厚油層，最終2 口井均獲得了可觀的探明儲量。

采用本文新方法在萊北地區(qū)歷時半年完成7 口純巖性（沒有構造背景）井的部署，均獲得良好的勘探成效。 經(jīng)統(tǒng)計，油氣檢測吻合率從常規(guī)方法的44%提升到了84%，鉆前油氣性預測取得了良好的應用效果（見表2），為油田的快速勘探評價提供了重要的技術支持。同時，本文新方法精準高效，尤其在油田的快速評價階段，可快速對潛力砂體進行客觀而準確的評估，值得在渤海油田等其他相似地質(zhì)條件的區(qū)塊推廣應用。

3 結論

1）基于三元約束的流體檢測新技術，充分考慮了不同地層結構的影響，引入了能量衰減識別因子、隱性油氣識別因子與構造流體匹配識別因子等3 個定量化評價因子，并將三者有機融合，建立了基于能量衰減的三元約束流體檢測新技術。

2）本文新方法相比常規(guī)的疊后油氣檢測方法，考慮了油氣引起的能量衰減、 有效降低厚度等非流體因素的干擾，有效解決了油氣水層的振幅能量混疊問題，尤其對中強振幅的水層與油層以及強振幅的油層與氣層具有較高的區(qū)分度。

3）基于能量衰減的三元約束流體檢測技術具有快速、準確、高效的優(yōu)點，已經(jīng)在萊北油田推廣應用，有力指導了多個含油氣潛力目標的發(fā)現(xiàn)， 提升了鉆井成功率，獲得了良好的勘探成效。

4）該技術在萊北油田河流相地質(zhì)環(huán)境中應用效果較好，而在其他區(qū)塊應用時，應結合實際地質(zhì)與地震資料重新評估，進而推廣應用。