基于AVO屬性體的含氣指數反演在致密砂巖儲層的應用

張紅霖

(中國石化中原油田分公司 物探研究院，濮陽 457001)

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基于AVO屬性體的含氣指數反演在致密砂巖儲層的應用

張紅霖

(中國石化中原油田分公司 物探研究院，濮陽 457001)

川東北須家河組為一套砂泥巖互層的陸相碎屑巖沉積，砂巖極其發育，但物性差，屬于特低孔低滲儲層，此類砂巖儲層含氣后，縱橫波速度、密度等彈性參數沒有明顯變化，地震波形等異常特征微弱，僅利用疊后地震屬性不能有效地進行含氣檢測；此外，通過流體替換試驗以及正演模擬證實了該區地層含氣后所引起的AVO異常較為微弱，對含氣區域的刻畫能力也有限。根據鉆、測井資料分析可知，該區砂巖儲層含氣之后會引起聲波時差測井值一定程度的增大，中子明顯下降，有較為明顯的挖掘效應。因此，這里利用中子-聲波測井曲線交匯重構含氣指數曲線，在AVO屬性體的基礎上進行含氣指數反演，突出AVO屬性異常，增強了AVO屬性對含氣性的預測能力。

AVO反演； 流體替換； 正演模擬； 測井曲線重構； 含氣檢測； 致密砂巖

0 引言

隨著油氣勘探技術的發展，含氣檢測[1,5,7-8]的方法層出不窮，在地震剖面上直接識別出油氣藏是地震勘探多年來一直追求的目標。研究資料表明，儲層含油氣與否會在巖石物理性質(彈性模量、密度、吸收特點等)上有所反映，而巖石物理性質(如彈性模量)在地震波速(縱波和橫波)上有不同的體現特征，這些特殊的地球物理響應就成為利用地震資料進行油氣檢測的主要依據。

根據油氣檢測所利用的地震數據的不同可分為疊前和疊后兩大類屬性。疊后屬性主要是利用振幅和頻率兩種屬性[13]，由于地下地質模型復雜多樣，受制于地震分辨率因素常常出現不同地質模型產生相同的地震指示，屬性數據與真正的地質模型可能不一致，導致利用疊后振幅、頻率等屬性進行含氣檢測存在較強多解性，例如曾經風靡一時的亮點技術[1,8]有過一些成功的案例，也存在很多陷阱。隨著Zoeppritz方程的數學近似式的不斷涌現，AVO技術作為油氣檢測技術已趨于成熟，它保留了振幅隨著偏移距的變化特征，在地震巖性分析和油氣檢測方面扮演相當重要的角色，并迅速得到普及和應用，亮點已經發展成了AVO的一部分。

AVO技術雖然存在自己的優勢，國內、外利用該技術檢測油氣有很多成功的實例(如墨西哥灣)，但也有不少失敗的教訓。地震道集信噪比、孔隙流體飽和度等多重因素將會嚴重影響AVO反演結果的可預測性，此時，采用常規的AVO反演技術識別流體[2,4]的精度會大大降低。

眾所周知，地層含氣后存在“挖掘效應”，天然氣的存在會引起巖石密度的異常，同時也會引起聲波時差測井值的增大，中子測井讀數下降，挖掘效應明顯時會出現負值，這種“挖掘效應”成為測井解釋人員對氣層做出解釋的重要依據。基于此，研究中采用基于AVO屬性體的含氣指數反演，對川東北須家河組致密砂巖儲層的含氣性進行定性預測，在AVO屬性體的基礎上加入測井數據等地質規律的控制，對含氣性進行一個很好地預測。隨后的鉆探結果以及試氣等數據顯示，該預測結果與實鉆井高度吻合，證實該方法具有較好的應用前景。

1 致密砂巖儲層特征

川東北須家河組主要為三角洲前緣及三角洲平原相沉積，先后經歷了印支期、燕山期與喜山期的改造，多期構造運動造成研究區內河道改道頻繁，多期河道疊置，主要發育“砂包泥”的地層結構，砂巖極其發育，厚度巨大且橫向分布較為穩定，砂地比最低為0.37，最高達0.72，平均為0.5左右。相對于海相地層，須家河組含氣性相對較差，呈現出“滿盆含氣、局部富集”的特征[10]，呈土豆狀分布。

研究區目的層須家河組須四段埋深一般在3 500 m～4 500 m，主要有巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑(或巖屑長石) 石英砂巖、鈣屑砂巖和礫巖等。鉆井、測井、錄井以及試氣結果顯示含氣豐度低，因此，烴類檢測有著舉足輕重的作用。

2 儲層預測原理

基于AVO屬性的含氣指數反演主要步驟：構建合理的巖石物理模型，通過流體替換試驗以及道集正演模擬分析儲層含氣敏感屬性，分析含氣層測井曲線特征，根據含氣地層的“中子挖掘效應”[12]，利用中子—聲波重構含氣指數曲線，在AVO敏感屬性體的基礎上，以含氣指數曲線作為約束進行反演，獲得含氣檢測結果。

2.1 流體替換

流體替換[6]是以巖石物理分析為基礎開展的一項研究，其目的是將原狀地層中所含的實際流體(由試油試氣、測井解釋、錄井資料等成果聯合提供)替換成其他流體，儲層本身的骨架參數保持不變[3,11]，通過Gassmann方程[9]計算不同流體飽和度情況下的彈性參數，包括縱橫波速度、密度等，然后利用不同流體飽和度替換結果合成AVO道集模型，并與實際井旁道集進行分析，優選出實際區域內流體敏感因子。

Gassmann方程：

(1)

(2)

式中： Vs為S波速度；Vp為P波速度；ρ為密度；φ為孔隙度；Kdry為干巖體積模量；μdry為干巖剪切模量；Kma為基質物質(顆粒)的體積模量；Kfl為孔隙流體的體積模量。

2.2 含氣指數曲線重構原理及步驟

在含氣地層中，中子測井的孔隙度響應比地層真實含氣指數小的現象稱為挖掘效應。將中子和聲波測井曲線按孔隙度刻度重疊在一起，氣層幅度差明顯，中子和聲波曲線在氣層處會呈明顯“鏡像”特征。因此，利用中子與聲波曲線在氣層處的“鏡像”特征來進行含氣指數曲線重構，同時進一步為了消除巖性的影響，采用自然伽馬曲與孔隙度曲線進行約束，剔除泥巖與非儲層[14-15]。具體步驟為：

1)中子和聲波曲線按孔隙度刻度進行重疊，使非含氣砂巖段重合，則含氣砂巖段種子和聲波曲線呈現明顯鏡像特征。

2)將所顯示的中子、聲波曲線進行標準化到同一刻度范圍(如0～100)。

3)用標準化后的聲波測井曲線減去中子測井曲線。

4)用自然伽馬(如GR<70)以及孔隙度(如por>2.5)曲線作為約束，去掉泥巖以及非儲層段的影響。

通過上述步驟，我們就得到了含氣指數曲線，在含氣砂巖段含氣指數曲線的值大于0，含氣豐度越大，挖掘效應越明顯，含氣指數越大，地層含氣的可能性越大。

3 應用效果分析

根據上述儲層預測的研究思路，針對須家河組須四段致密砂巖儲層進行AVO屬性的含氣指數反演，形成相關的儲層預測技術流程。

3.1 流體替換及正演模擬分析

已知研究區內有f1、sm1、sm101、sm102、tb1、lb1等六口探井以及兩口評價井A、B，其中f1井含氣性相對較好，在須四I砂組試氣產量為1 330 m3/d，sm101在該砂組測井解釋為26.0 m/4含氣層，sm1井為干層、水層，sm102井位12.3 m/2氣層。

對工區須家河組進行AVO屬性反演，首先進行流體替換試驗，圖1為三個不同巖性組合的地質模型的AVO特征分析圖。

根據巖石物理分析，三個模型的參數設置如下：

1)模型1(泥巖與干砂巖界面AVO特征分析)：

上覆地層為泥巖，其參數為Vp=4 876 m/s，Vs=2 719 m/s，Rho=2.593 g/cm3。

下伏地層為干砂巖，其參數為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

2)模型2(干砂巖與孔隙度為10%的含氣砂巖界面AVO特征分析)：

上覆地層為干砂巖，其參數為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地層為孔隙度=2.5%的氣層，Vp=5 102 m/s，Vs=3 154 m/s，Rho=2.622 g/cm3。

3)模型3(干砂巖干砂巖與孔隙度為25 %的含氣砂巖界面AVO特征分析)：

圖1 不同地質模型AVO特征分析Fig.1 The AVO analysis of different models(a)模型1; (b)模型2;(c)模型3;(d)、(e)三個模型界面的AVO特征分析圖

上覆地層為干砂巖，其參數為Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地層為孔隙度=4%的氣層，Vp=5 032 m/s，Vs=3 106 m/s，Rho=2.613 g/cm3。

圖1(d)為三個不同模型界面的AVO響應特征曲線圖，縱軸為反射系數，橫軸為地震波入射角，圖1(e)為AVO特征的另一種顯示方式，橫軸為截距，縱軸為梯度。

從圖1中可知，該區從泥巖到砂巖的界面有II類AVO響應存在，入射角從10°以后變化的斜率較大，異常較為明顯，因此利用AVO屬性能夠對巖性進行很好的識別。砂巖中含氣后，從干砂巖到氣層的界面有IV類AVO響應存在，但是變化的斜率都非常小，特別是入射角在15°之前，在孔隙度2.5%、4%的地層中，反射波的能量幾乎沒有變化，因此僅僅利用AVO屬性很難對含氣性進行有效的預測。

在此基礎上，對f1井須四I砂組頂部試氣層段(2 524.5 m～2 553 m)進行流體替換及道集正演分析(圖2)。圖2中從左到右依次為縱波速度曲線道、橫波速度曲線道、密度曲線道、原始道集地震道、100%含水正演道集地震道、100%含氣正演道集地震道，替換結果顯示含氣飽和度的變化并沒有引起縱橫波速度的明顯變化，相對而言，密度的異常更為明顯，飽含氣之后密度有減小的趨勢，飽含水地層密度呈現出增大的趨勢，但異常幅度仍然很小，飽含氣與飽含水兩種情況密度相差0.03 g/cm3左右，很難根據彈性參數對地層流體性質進行預測。

利用原始、飽含水以及飽含氣曲線進行道集正演，對比三個道集(圖2)可知，地層流體飽和度的變化并不能引起明顯的地震響應異常。提取該砂組頂、底部振幅特征曲線(圖2右下角)，三種不同流體飽和度道集振幅曲線并沒有明顯差異，因此，也很難通過振幅異常來預測地層流體性質。

為了進一步分析地層流體敏感性，我們提取原始(藍色)、飽含水(綠色)、飽含氣(暗紅色)三個正演道集的AVO屬性(圖3)，結論顯示在眾多AVO屬性中梯度與截距的乘積以及流體因子相對較為敏感(圖3中紅色方框內)，說明本區利用AVO屬性進行含氣檢測具有一定的可行性，但從圖中可知異常幅度較小，檢測能力有限，多解性較強。

流體替換與道集正演分析的最終目的是優選含氣敏感參數，為下一步的工作提供支撐，具有較強的指導意義。圖3中AVO屬性曲線顯示P*G屬性體相對較為敏感，但異常幅度較為微弱，圖4為對AVO屬性敏感性的定量分析，結果同樣顯示P*G屬性對地層含氣最為敏感，但異常僅為0.353，同樣說明利用AVO屬性檢測地層含氣性的能力有限。

藍色為原始曲線 綠色為100% 含水曲線 棕紅色為100% 含氣曲線圖2 f1井須四段流體替換及道集正演分析Fig.2 The fluid replacement and forward analysis based on the well f1 of Xu-4

圖3 f1井須四段正演道集AVO屬性曲線對比Fig.3 The comparison of AVO attributes from forward gathers

圖4 AVO屬性敏感程度對比分析Fig.4 The analysis of AVO attributes sensitivity of well f1

淺藍色為氣水同層 藍色為水層 亮黃色為氣層 棕色為干層圖5 須四段P*G屬性連井剖面與地震剖面對比Fig.5 The comparison between P*G and original seismic data

3.2 AVO屬性反演檢測含氣性

由流體替換與道集正演分析可知，P*G屬性對地層流體最為敏感，因此，利用AVO屬性反演中的P*G屬性對須四段流體進行預測。

圖5(a)為P*G屬性連井剖面與原始地震剖面對比，插入曲線為測井解釋結果，從P*G剖面可以看出井點處P*G異常與測井解釋結果吻合較差。

由圖5(b)可以看出，反演結果受到地震振幅強軸影響較大，橫向分布與形態與地震強軸極其相似，如圖5中A、B、C三個橢圓處，反演結果與地震剖面強軸的分布高度相似，預測結果受地震強軸影響較為嚴重，而本區地震振幅的變化可能受到地層巖性及其組合、流體性質等多重因素的影響，因此，利用該結果進行流體檢測能力有限，多解性較強。

圖5中A、B、C三個藍色橢圓處，P*G屬性與原始地震剖面形態、分布范圍等極其相似，AVO屬性反演結果受到地震強軸嚴重影響

3.3 含氣指數反演檢測含氣性

在此基礎上，根據含氣地層存在“挖掘效應”，利用中子―聲波進行含氣指數曲線重構。圖6中，AC與CNL曲線重疊在一起顯示，在含氣層有明顯的“鏡像特征”，加入自然伽馬曲線與孔隙度曲線的約束得到最終的含氣指數曲線，在非儲層段以及干層段，曲線值為“0”，含氣層段曲線值大于“0”，含氣指數曲線與測井解釋結果高度吻合。以此曲線作為約束，在P*G屬性體的基礎上，進行測井約束稀疏脈沖反演，該方法不是一種基于模型的反演，測井曲線只提供低頻補償，反演結果更加尊重地震數據，因此，橫向預測性更強。

圖7(a)為P*G剖面，圖7(b)為含氣指數剖面，通過與井點處測井解釋結論的對比，可以得出以下結論：含氣指數在含氣層呈正異常(圖7中f1井須四I砂組，sm101須四段以及sm102須四段)，在水層段異常消失(圖7中sm1井須四段)。

圖7顯示含氣指數反演結果使P*G異常更加突出，降低了多解性，尤其是紅色矩形區域中lb1井附近，在P*G剖面上雜亂無章，整個地層都呈現出較強的反射，沒有明顯異常規律可循，在含氣指數剖面上該區域異常突出。整個連井剖面顯示，含氣指數正異常與測井解釋結論吻合度較高，因此，通過含氣指數反演，突出了AVO異常，降低了多解性。含氣指數平面分布圖也顯示出含氣層呈現出含氣指數較大值，水層有一定的異常，但很微弱，干層不會出現異常，與已鉆井測井解釋結果吻合率較高，對地層流體進行檢測具有較強的可靠性與可預測性。

為了對須家河組產能進行評價，設計了一口評價井A井，該井是以須四III砂組為目的層的一口水平井，其鉆后顯示與試氣結果等與含氣指數預測結果高度吻合。

圖8中顯示，在P*G剖面上，異常不突出，整個地層都呈現出強軸反射，很難根據P*G屬性對地層流體性質進行預測；而在含氣指數剖面上，該井水平段正好鉆遇一層較強的正異常頂部，根據該預測結果，經與工程單位結合，合理設計壓裂方案，最終該井獲得29 000 m3/d ～33 000 m3/d的氣流，在該區塊須家河組取得新的突破，進一步說明該方法具有較好的應用前景。

4 結論

基于流體替換以及道集正演分析了川東北須家河組AVO含氣檢測的敏感屬性-P*G屬性(梯度與截距的乘積)，并通過對相關參數異常幅度定量化分析以及AVO屬性反演結果與井對比認為利用AVO屬性對該區須家河組進行流體檢測具有一定可行性，但檢測能力有限，多解性較強。

此外，根據測井曲線分析中該區須家河組含氣地層對中子存在一定程度的“挖掘效應”現象，利用中子―聲波重構含氣指數曲線，對P*G屬性進行測井約束反演，對比常規AVO屬性反演發現基于AVO屬性體的含氣指數約束反演能夠突出異常，消除巖性等的影響，對區域內的含氣性進行更加可靠地預測。研究區內的鉆后試氣等情況也進一步證明該結果預測性精度較高，具有較好的應用前景。

圖6 f1井含氣指數曲線重構Fig.6 The gas-bearing index curve reconstruction of well f1

圖7 須四段P*G與含氣指數連井剖面對比以及含氣指數平面分布圖Fig.7 The comparison between P*G 、 gas index and the plan(a)P*G剖面;(b)含氣指數剖面；(c)含氣指數平面分布圖

圖8 過A井須四段P*G剖面與含氣指數剖面Fig.8 The comparison between P*Gand gas index near the well A(a)P*G剖面；(b)含氣指數剖面

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Inversion of gas-bearing index based on AVO attribute and its application in compact sandstone reservoir

ZHANG Hong-lin

(Geophysical Research Institute of Zhongyuan Oil Field,Puyang 457001,China)

Xujiahe Formation in northeast Sichuan is a set of sand shale interbedded clastic deposition of terrestrial facies, which has developed sandstones with poor physical properties, belongs to reservoir of low porosity and low permeability. In gas-bearing sandstone reservoir, there are no obvious changes in rock elastic parameters such as density, velocity of P- and S-waves, and the anomaly characteristics of the seismic waveforms is weak as well, so it cannot do gas detection effectively only by using post-stack seismic attributes. Meanwhile, fluid substitution test and forward simulation confirmed that the AVO anomaly caused by gas is relatively faint, this also result in the limited ability of depicting gas-bearing area. According to drilling and logging data, the acoustic time logging value has a certain degree of increase caused by the gas in sandstone reservoir, whilst neutron declines obviously, as well as obvious excavation effect. Therefore reconstructing gas-bearing index curve by using the neutron-acoustic logging curve intersection, together with inversion of gas-bearing index based on AVO attributes, can enhance AVO attribute anomaly and its prediction ability of gas-bearing.

AVO inversion； fluid substitution； forward simulation； logging curve reconstruction； gas-bearing detection； compacted sandstone

2015-06-16 改回日期：2015-07-22

張紅霖(1985-)，女，工程師， 主要從事地震地質綜合研究方面的工作，E-mail：15939354800@qq.com。

1001-1749(2016)05-0647-09

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.12