基于疊前反演的流體敏感屬性實驗研究及應用

周水生，宜 偉，郝召兵，黃為清，伍向陽

1中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

2中國科學院研究生院，北京 100049

3中國石油吐哈油田公司勘探公司，哈密 839009

基于疊前反演的流體敏感屬性實驗研究及應用

周水生1，2，宜 偉3，郝召兵1，黃為清1，伍向陽1

1中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

2中國科學院研究生院，北京 100049

3中國石油吐哈油田公司勘探公司，哈密 839009

提取疊前地震振幅信息的疊前反演技術已成為儲層預測的重要手段，其能獲得各種巖石彈性參數，豐富儲層預測方法.因目標儲層的差異性，優選并建立有利的流體敏感參數對儲層流體檢測尤為重要.本文基于巖石物理實驗，測量并分析了巖石彈性參數隨流體飽和度的變化特征，進一步根據巖石物理理論建立組合流體敏感參數，達到對油氣檢測的最佳敏感效果.定義了流體敏感量，定量分析巖石彈性參數的流體敏感性.最后本文在X區塊進行了疊前地震反演的應用，結果表明通過巖石物理實驗分析并建立獲得的流體敏感參數能明顯的提高儲層的識別能力.

巖石物理，彈性參數，流體敏感屬性，疊前反演

1 引 言

地震數據攜帶大量儲層信息，針對難度越來越大的儲層勘探目標，盡可能最大程度的提取更多信息進行儲層描述是近幾年業界的重要研究方向.基于Zopplize方程[1]，利用疊前反演技術可從疊前道集振幅中提取各疊前地震參數[2]，其具有各自的地質意義，可針對性的進行儲層流體的解釋.

前人提出了不同的流體敏感屬性，Fatti等[3]定義的與縱橫波反射系數有關的流體因子ΔF，Castagna等[4]提出的AVO流體指示因子Rp－Rs，以及Smith等[5]對其改進后的指示因子Rp－0.63Rs，Goodway等[6]提 出 的 λ－μ－ρ 拉 梅 常 數 流 體 因 子，Russell等[7]提出的ρf流體識別因子等，相對于常規巖石彈性屬性，對巖石孔隙流體的識別在其各自特定條件下往往具有更好的敏感性.但不同特性的儲層巖石，地震彈性參數對巖石孔隙流體常具有不同的敏感特征.因此，對特定儲層進行流體識別時，如何選擇最合適的流體敏感參數進行儲層流體檢測無疑是非常關鍵的[8－12].

本文基于巖石物理實驗測量，分析了主要巖石彈性參數隨流體及其飽和度的變化特征，并根據巖石物理理論建立組合流體敏感參數，期望優選最為敏感的流體屬性.進一步利用統計學原理，給出流體敏感量定義，用以定量分析地震彈性參數的敏感性.從而為疊前彈性參數反演流體描述提供巖石物理基礎及指導.并在X區塊進行了疊前反演的應用分析.

2 巖石物理實驗測量及分析

2.1 實驗測量方法

實驗裝置采用中國科學院地質與地球物理研究所巖石物性實驗室的巖石原位物性測量系統[13－16]，系統具有溫度、圍壓、孔隙壓、流體飽和度獨立控制功能，聲波測量頻率主頻為570kHz.系統可測量在儲層溫度、壓力下流體飽和度變化時的縱波速度、橫波速度、密度等基本參數，并通過巖石物理關系計算獲得波阻抗、泊松比、拉梅常數等其它彈性參數.

壓力控制包括圍壓控制和孔隙壓力控制，分辨率為0.1MPa，溫度加熱采用高壓容器內電熱絲加熱，精度為1℃.

對于流體飽和度變化測量，首先利用抽真空法使巖石完全飽含流體，并測量所飽含流體質量.實驗中巖樣需密封處理，兩端置有封閉塊，內含聲波傳感器和孔道，從樣品一端注入流體，驅替巖石孔隙中流體，在巖石另一端控制并測量趨替出的流體量，完成流體驅替實驗的不同流體飽和度點的測量.飽含流體質量及驅替出的流體量采用電子天平測量，精度為0.001g，對于飽含10g流體的樣品其飽和度測量理論誤差小于0.01%（沒有考慮系統誤差）.

巖石樣品的縱波速度、橫波速度測量分別通過縱波傳感器和橫波傳感器各自測量.縱波和橫波的走時分別通過辨認接收到的波形中縱波和橫波的到達時間來確定.其誤差主要受樣品長度測量、到時波形讀取、系統基時測量三方面影響.其中樣品長度采用游標卡尺測定，精度為0.01mm，對于長度為50mm的樣品，其長度引起的相對誤差小于0.02%；聲波到時是通過辨認采集波形中縱波和橫波的到達波形確定，其誤差在1～2數據點（一個數據點為0.02μs），50mm長度的巖樣聲波通過時間至少為20μs，則走時引起的誤差小于0.2%；測量系統選用金屬鋁作為標準材料多次標定（見表1），速度測量系統誤差小于1.12%.因此縱、橫波速度理論測量誤差小于1.34%.

表1 系統標定數據Table 1 Calibration data of experimental system

巖石密度測量，采用游標卡尺圓柱形樣品的直徑和高度，精度為0.01mm，采用電子天平測定樣品的質量，精度為0.001g，進而計算樣品密度.對于一個重量為20g，長度50mm，直徑25mm的樣品，其密度測量誤差小于0.1%.

2.2 實驗測量分析

本文共采集了研究區18塊巖心樣品，加工成圓柱狀（D＝25mm），基本信息見表2.

表2 樣品基本信息Table 2 The information of samples

下面分析了其中的典型樣品X－1在不同流體飽和度下（水，氣兩相）主要彈性參數的響應特征.

密度（ρ）變化特征（見圖1），隨著含水飽和度增加，巖石密度呈近線性增加，變化幅度較小，主因巖石含水飽和度的增加而導致巖石密度的增加.

圖1 密度（ρ）隨含水飽和度變化特征Fig.1 Density variation characteristics with water saturation

縱波速度（Vp），縱波阻抗（Zp）及體積模量（K）變化特征（見圖2（a—c））：隨著含水飽和度增加，巖石的縱波速度增加，在接近飽和氣段，縱波速度的變化比較緩慢，在接近飽和水段，縱波速度的變化較快，對巖石樣品X－1由完全飽和氣到完全飽和水其變化達110m/s.巖石縱波阻抗變化特征基本相似，縱波阻抗同時體現了縱波速度與密度的變化特征，略有差異.此外，體積模量同樣隨含水飽和度增加呈非線性增加，類似縱波速度及縱波阻抗，變化幅度較大.

圖2 縱波速度（Vp）（a）、縱波阻抗（Zp）（b）、體積模量（K）（c）隨含水飽和度變化的特征Fig.2 P－wave variation characteristics（a），P－wave impedance variation characteristics（b）and bulk modulus variation characteristics（c）with water saturation

橫波速度（Vs）、橫波阻抗（Zs）及剪切模量（μ）變化特征（見圖3（a—c））：隨著含水飽和度增加，巖石的橫波速度相反減小，但變化幅度很小，樣品X－1完全飽和氣到完全飽和水其變化僅為20m/s，即橫波速度對含水飽和度變化極其不敏感.同樣橫波阻抗的變化也較小，隨含水飽和度增加略有增加.此外，剪切模量測量值隨含水飽和度增加略有增加，理論上流體不具備剪切能力，巖石剪切模量僅反映巖石骨架性質，隨含水飽和度變化巖石剪切模量是不變的，這也反映了實驗測量（密度和橫波速度的測量）與理論結果存在少量的誤差.此三參數實驗測量結果反映了巖石剪切模量對流體不敏感，由于密度的影響而使橫波速度及橫波阻抗隨流體飽和度變化略有波動.

圖3 橫波速度（Vs）（a）、橫波阻抗（Zs）（b）、剪切模量（μ）（c）隨含水飽和度變化特征Fig.3 S－wave variation characteristics（a），S－wave impedance variation characteristics（b），shear modulus variation characteristics（c）with water saturation

泊松比（ν）變化特征（見圖4a）：由于橫波對流體不敏感，因此，泊松比參數的行為主要由縱波速度來支配，即泊松比參數的行為和縱波速度的行為有所類似：隨著含水飽和度增加，巖石的泊松比參數增加，在接近飽和氣段，速度的變化比較緩慢，在接近飽和水段，泊松比參數變化較快.

拉梅系數（λ）變化特征（見圖4b）：隨著含水飽和度增加，巖石的拉梅系數增加，且在接近飽和水段，拉梅參數的變化很快，可見其對流體較為敏感.

根據前述的實驗數據分析結果可定性的得出，不同類型的參數對氣體飽和度變化的響應不一樣，Vp、Zp、K、ν、λ等對流體有明顯的非線性響應，隨流體飽和度變化較為敏感，而Vs、Zs、μ隨流體飽和度變化較小，對流體響應不明顯.

圖4 泊松比（ν）（a）和拉梅系數（λ）（b）隨含水飽和度變化特征Fig.48Poisson′s ratio（a）and the lame coefficient（b）variation characteristics with water saturation

3 巖石彈性參數分類

通過疊前地震反演可獲得各巖石彈性參數，各具其物理意義.為了了解巖石彈性參數對流體的響應特征，我們基于巖石物理實驗測量觀察及巖石物理理論的總結，從巖石彈性參數的流體敏感屬性角度提出了3類巖石彈性參數的分類.

第一類是P型參數，如縱波速度Vp、縱波阻抗Zp、體積模量K、縱橫波速度比Vp/Vs、ν等，其反映了固體介質及其結構、流體的耦合.從形變的角度，這類參數對巖石的壓縮性及含流體性都比較敏感.

第二類參數稱為S型參數，如橫波速度Vs、橫波阻抗Zs、剪切模量μ等，從形變的角度看，這些參數主要響應于巖石的剪切特征.由于流體不傳遞剪應力，因此S型參數對孔隙中流體不敏感，對巖石孔隙中流體的存在與否以及含量變化都不敏感.不同巖石的剪切模量是不同的，因此，S型參數有助于區分巖性，但對巖石中所含流體不敏感.

第三類稱為組合參數，是根據儲層預測目的由不同彈性參數組合構造出的參數.組合參數是多種多樣的，這里我們指由P型參數與S型參數構造而成的對流體敏感的組合參數（針對儲層流體預測），如為常數.試圖通過巖石物理實驗選取適合研究區的常數c，以達到最大限度的體現流體的性質，從而相比單參數有更高的流體識別能力.

4 構建組合型流體敏感參數

在獲得各巖石彈性參數的情況下，我們有條件可根據巖石物理理論來建立組合巖石彈性參數，期望獲得對孔隙流體更為敏感的巖石彈性參數，提高流體識別能力.

描述孔隙巖石彈性性質的 Gassmann公式[17－18]：

其中，Ksat，Kdry，K0，Kfl分別為巖石體積模量，干巖石體積模量，巖石礦物體積模量及孔隙流體體積模量；μsat，μdry分別為巖石剪切模量及干巖石剪切模量；φ為巖石孔隙度.

Boit系數定義為：

并定義

則Gassmann公式可寫成：

從（4）式可知，Kdry反映巖石礦物組成及其結構，而巖石孔隙流體只能體現在β2A項.

縱、橫波波阻抗與巖石模量關系有：

其中，Zp，Zs分別為巖石縱波阻抗及橫波阻抗；Vp，Vs分別為巖石縱波速度及橫波速度；ρ為巖石密度.

選擇最佳c1值，使表達式最大化地減少巖石礦物及結構的影響，同時最大程度地反映流體的貢獻，如下式：

其中c1應滿足：

巖石彈性參數間有如下關系：

其中，Vpdry，Vsdry，Mdry分別為干巖石縱波速度，干巖石橫波速度及干巖石縱波模量，則c1滿足：

組合λ－c2μ 參數.

其 中，λsat（λ），λdry分別為巖石拉梅系數及干巖石拉梅系數.

C2滿足：

c1，c2值可由巖石物理實驗測量確定.取干巖石樣品進行高溫高壓巖石物理實驗，實驗條件恢復到巖石所處地層溫度和壓力，實驗巖石樣品基本信息及測得巖石縱、橫波速度見表3.

表3 部分干巖石樣品速度測量結果Table 3 The velocity of samples

進一步作Vp－Vp/Vs交匯分析（見圖5）：

圖5 干巖石Vp/Vs與Vp交匯特征Fig.5 Vp/Vsand Vpintersection for dry rocks

從實驗統計結果可取Vp/Vs（干巖石）為1.466.

進而由公式（9），（13）可分別計算c1＝2.15，c2＝0.15.

圖6 組合參數（－2.15）（a）與組合參數（λ－0.15μ）（b）隨含水飽和度變化特征Fig.6 Combined parameter（－2.15）（a）and combined parameter（λ－0.15μ）（b）variation characteristics with water saturation

5 巖石彈性參數流體敏感性定量分析

在定性分析巖石各彈性參數隨流體飽和度變化特征基礎上，為了定量描述巖石物理參數對流體的敏感性，以含水的樣品為基準定義流體敏感量參數（FS）：

式中，A為某巖石物理參數，下標w表示飽和水，下標i表示某種流體狀態.

FS值在0～1之間，顯然FS越大，則表明參數A對流體就越敏感.

使用上述流體敏感性概念，對實驗樣品的不同巖石物理參數的流體敏感量進行了統計分析.為了便于比較，首先考慮完全飽和氣和完全飽和水的兩個極端的情況.即上述定義公式中i代表完全飽和氣的情況.通過統計分析獲得如下的結果：

圖7 不同巖石物理參數流體敏感量比較Fig.7 Fluid sensitivity comparation of different rock physical parameters

從圖7看出，主要巖石彈性參數對流體的敏感量從大到小大致排列如下：

考慮各巖石物理參數的流體敏感性隨流體飽和度變化特征（圖8）.仍然用樣品A的數據為例，選擇部分巖石物理參數，計算其在不同含水飽和度下的敏感量參數，獲得如下的結果：

圖8 巖石物理參數流體敏感量隨含水飽和度變化特征Fig.8 Fluid sensitivity characteristics of rock physical parameters with water saturation

從圖8的數據曲線可觀察各巖石彈性參數敏感量隨含水飽和度的變化情況 ，其敏感量從大到小仍然基本上按Zs，μ這一順序.巖石彈性參數流體敏感量分析給出的建議是，如果在實際數據中能獲取到合適的巖石彈性參數，就有可能最大程度的識別流體，甚至進一步給出含流體飽和度.

6 應用效果分析

在對流體敏感屬性巖石物理研究的基礎上，應用X區塊疊前地震反演屬性進行儲層預測.該區塊主要鉆井有X1、X2、X3，目的層為辮狀河沉積，儲層巖性為細砂巖，泥質粉砂巖，為典型巖性含氣儲層.試氣結果為井X1的A段為主力產氣層，但測井解釋X2、X3井缺失A段含氣儲層，研究目標是X1井區含氣性描述.

基于X區塊三維疊前地震資料及井X1進行了井控的疊前同步反演.圖9（a—e）分別為過井X1的反演屬性縱波阻抗（Zp）、泊松比（ν），拉梅系數（λ）及組合屬性和λ－0.15μ.結果表明，僅用縱波阻抗（見圖9a）不能描述主要含氣砂體A段（ATOP到A－BOT段）的尖滅邊界，整個A段含氣砂體與右邊砂體幾乎連為一體（黃色指示有利含氣砂體），而疊前屬性ν、λ能很好地區分出含氣儲層及A段東向的尖滅點邊界（分別見圖9b、9c），組合屬性及λ－0.15μ同樣能非常清晰的刻畫含氣儲層尖滅點（分別見圖9d、9e）.圖9f為過X2－X1－X3連井疊前λ屬性剖面，可清晰見X1井A段含氣砂體向X2及X3兩方向的尖滅點，在僅用X1井約束反演的前提下，能得到與X2、X3井吻合的結果，無疑用λ等疊前流體敏感屬性預測的X1井區含氣分布將對勘探生產具有重要的指導意義.

圖9 縱波阻抗、泊松比、拉梅系數（a—c）；組合參數－2.15（d）；組合參數λ－0.15μ（e）；過連井X2－X1－X3拉梅系數（f）.插入曲線為GR.Fig.9 P－impedance，Poisson′ratio，Lame coefficient（λ）（a—c）；Combined parameter（－2.15）（d），combined parameter（λ－0.15μ）（e），Lame coefficient（λ）profile through X2－X1－X3wells（f）.And inserted cures are GR.

7 結 論

（1）根據巖石物理參數對流體的不同響應特征，將疊前地震屬性進行了分類，有助于對疊前地震屬性物理意義的理解，及其適用性分析.

（2）依據巖石物理理論建立的組合敏感參數，盡可能的排除了流體因素之外的巖石骨架的影響，對孔隙流體更為敏感.

（3）根據統計學原則，定量給出各彈性參數流體敏感量，進行彈性參數流體敏感性的定量分析，以評價巖石對流體的敏感量及巖石隨含水飽和度變化時流體敏感量的變化特征.

（4）巖石物理研究為疊前彈性參數反演的油氣解釋提供了物理依據及指導.

致 謝 感謝中國科學院地質與地球物理研究所巖石物性實驗室提供的實驗條件，同時感謝楊偉、張永工程師在巖石物理實驗過程中提供的幫助.

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Experiment research and application of fluid sensitive attributes based on the pre－stack inversion

ZHOU Shui－Sheng1，2，YI Wei3，HAO Zhao－Bing1，HUANG Wei－Qing1，WU Xiang－Yang1
1 Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
3 Exploration Company，Tuha Oilfield Company，Petro China，Hami 839009，China

The pre－stack inversion has become an important means of reservoir prediction，and it can get all kinds of rock elastic parameters，which enriched the reservoir prediction methods.Because of the difference of the target reservoirs，to select and establish good reservoirs sensitive parameters for reservoir prediction is particularly important.This paper，based on the rock physics experiment，measures and analyzes rock elastic parameters characteristics with the change of fluid saturation，farther more，according to rock physics theory，to establish combined fluid sensitive parameters，for getting the best effect of oil and gas detection.And it defines a fluid sensitive factor to quantitatively analyze fluid sensitivity of rock elastic parameters.At last，this paper makes pre－stack seismic inversion in an actual area，and the result shows that the fluid sensitive parameters obtained by the rock physics experiment analysis can obviously improve reservoir identification ability.

Rock physics，Elastic parameter，Fluid sensitive attributes，Pre－stack inversion

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.020

P313

2011－09－15，2012－05－10收修定稿

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2009CB219503），國家高技術研究發展計劃（863計劃）專題（2006AA09A102－06）聯合資助.

周水生，男，1984年生，博士，從事巖石物理及AVO方向的研究.E－mail：zshuisheng＠163.com

周水生，宜偉，郝召兵等.基于疊前反演的流體敏感屬性實驗研究及應用.地球物理學報，2012，55（6）：1985－1992，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.020.

Zhou S S，Yi W，Hao Z B，et al.Experiment research and application of fluid sensitive attributes based on the pre－stack inversion.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：1985－1992，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.020.

（本文編輯 汪海英）