利用擴展彈性阻抗識別碳酸鹽巖儲層

張勇剛, 范國章, 王紅平, 王朝鋒,楊 柳, 左國平,劉艷紅

(中國石油 杭州地質研究院，杭州 310023)

0 引言

近二十年來，疊前地震反演技術得到迅速發展，已十分廣泛地應用于油氣勘探領域。Connolly[1]首先提出了彈性波阻抗(EI)的概念，該方法依據Zoeppritz[2]提出的兩項或三項線性方程式進行推導得出彈性波阻抗方程，使得AVO反演有效應用到石油物探； Whitcombe[3]對Connolly公式進行了修改研究，引入了三個參數修改原公式的維度，使所有角度的阻抗值能歸一化，消除了阻抗值隨入射角增大而急劇減小的問題，使彈性波阻抗值具有與疊后阻抗值相同的值域范圍，便于兩者之間的比較；Whitcombe[4]考慮到入射角的估算誤差對彈性波阻抗反演的結果穩定性影響，再次進行修正了歸一化的彈性波阻抗矩陣方程，提出了擴展彈性波阻抗反演(EEI)的概念，不僅解決了波阻抗值隨入射角變化劇烈的問題，而且將反射系數限制在[-1.0,1.0]之內，與實際地震記錄相吻合，可直接用于流體和巖性檢測。

在國內，張奎[5]、唐湘蓉[6]等多位專家在彈性波阻抗的研究上也開展了大量的工作，并取得了豐富的研究成果。隨著彈性波阻抗反演在油氣勘探中的深入研究應用，以及計算機硬件和工業化地震技術軟件的不斷創新發展，彈性波阻抗理論有了長足的進步，彈性波阻抗與其他屬性的結合已成為儲層預測的有效手段。

1 方法原理

1.1 彈性波阻抗

為了解決儲層描述問題，Connolly[1]在非零入射角的地震資料中引入了波阻抗的概念，稱之為彈性阻抗。彈性波阻抗是聲波阻抗(Acoustic Impedance)的概念延伸和推廣，是以不同入射角縱波傳播速度、橫波速度、密度數據以及入射角或偏移距為變量的波阻抗函數(式(1))，通過彈性阻抗和入射角的相關聯性，避免了反射波同相軸不均勻的問題，提高流體的識別能力和儲層物性參數的預測精度。但是由于受到AVO效應的影響，常規意義上的彈性波阻抗值會隨著不同入射角的增大而急劇增加或降低，這樣在進行近、遠炮檢距彈性波阻抗值分析時，可能會屏蔽掉流體或巖性變化引起的差異的相關信息[5]，不利于研究人員從地層中對流體或巖性的信息提取，并且彈性波阻抗值量綱和數值會隨著入射角的變化而變化，使得不同入射角計算所得到的彈性波阻抗值與疊后常規反演計算所得到的聲波阻抗值無法進行直接對比,只能進行定性分析，給實際工作造成不便。

(1)

1.2 擴展彈性波阻抗

Whitcombe[6]用正切函數代替正弦函數，修正歸一化彈性波阻抗，避免了在入射角變化估算中產生的誤差結果，影響到彈性波阻抗反演的穩定性，從而提出了擴展彈性波阻抗(式(2))，苑春方等[7]也提出了擴展彈性波阻抗公式的改進方法，既解決了阻抗值隨入射角變化較快的問題，又將反射系數限制在[-1.0,1.0]之間，與實際地震記錄相符，這些方法地改善提高了彈性波阻抗反演的穩定性，可用于流體和巖性檢測。Whitcombe公式指出，當角度取0°時，EEI(0°)對應的就是常規反演的聲波阻抗，當角度取90°時，EEI(90°)相當于梯度阻抗，即對應地球物理上的參數GI，也就是說某個特定角度對應的擴展彈性波阻抗可以代表某個巖石物理彈性參數的響應。因此在進行巖性預測與流體識別之前，關鍵是尋找某個敏感巖石物理參數所對應的最優理論入射角，進而求取出特定角度的擴展彈性波阻抗方程函數即可。

EEI(χ)=VP0ρ0[(VP/VP0)(cos χ +sin χ)·

(VS/VS0)(-8k sin χ)(ρ/ρ0)(cos χ-4k sin χ)]

(2)

其中：χ為理論入射角；VP為縱波速度；Vp0為縱波速度平均值；VS為橫波速度；VS0為橫波速度平均值；ρ為密度；ρ0為密度平均值。

擴展彈性波阻抗反演與常規波阻抗反演類似，只是所需參與反演的地震數據是經過一定處理的疊前入射角道集，由井上理論入射角生成的波阻抗參與層位標定和子波提取，充分應用地質體的彈性參數信息和疊前道集振幅隨偏移變化的響應特征，能對截距、梯度屬性數據信息進行深度挖掘[8]。實踐表明，巖石彈性參數或儲層參數總能找到相關性匹配較好的某個理論入射角的EEI(χ)[9-10]，這為油藏研究和評價提供了一種新的途徑。

2 儲層識別方法

2.1 技術流程

研究區位于某深水盆地東部隆起帶，區塊內發育厚鹽層，鄰區鉆井揭示區塊內及周邊主要發育裂谷期的介殼灰巖和坳陷期的微生物灰巖，是盆地內有利的油氣聚集區。鑒于深海油氣勘探高投入風險、碳酸鹽巖儲層非均質、局部火成巖發育，需要進一步深化該地區的儲層厚度分布和流體類型識別等研究工作，指導后續的勘探決策。

面對鹽下含火成巖的碳酸鹽巖儲層評價需求，利用擴展彈性波阻抗反演技術進行研究，主要實現流程見圖1。以測井資料(密度、聲波、縱橫波比等)為基礎，通過與疊前道集計算的井點處不同角度彈性波阻抗擬合對比，優選出擬合性最優的主要敏感參數及其對應的理論入射角參數值，對特定角度數據進行反演并按擬合函數轉算相應測井參數數據體，通過數據統計和交會分析，實現儲層和流體檢測。

2.2 關鍵步驟

2.2.1 理論入射角度求取參數

區塊內有兩口鉆井，通過測井解釋，可以獲得測井解釋成果，包括：密度、伽瑪、縱橫波速度、泊松比、孔隙度、電阻率、泥質含量、縱橫波速度比和含水飽和度，這里以AA井進行參數掃描分析，而BB井不參與分析，可以作為驗證可靠性的盲井，以便對反演效果進行質控。通過式(3)計算得到的井上[-90o,90o]之間的擴展彈性波阻抗曲線與測井成果曲線進行相關性分析(圖2)，由表1可以知道，密度、縱波速度和縱橫波速度比曲線對應相關系數較高，即在疊前道集上對應該角度的彈性波阻抗與其特定對應曲線具有最好的相關性，可作為后續檢測的目標曲線，因此在后續擴展彈性波阻抗反演中，需分別求取這三個對應理論入射角的擴展彈性波阻抗體。

圖1 擴展彈性波阻抗反演基本流程圖Fig.1 EEI inversion workflow diagram

圖2 測井巖石物理參數曲線隨EEI角度相關系數圖Fig.2 Correlation coefficient map of well logging curves and EEI angles

表1 巖石物理曲線對應最大相關系數和EEI角度統計表

2.2.2 理論入射角反射系數體計算

參考依據上步分析，可知密度、縱波速度和縱橫波速度比分別對應的最優擴展彈性波阻抗理論入射角，做擴展彈性波阻抗反演之前，需要得到各個角度分別對應的反射系數曲線和數據體。采用式(2)和式(3)，可以求得井上不同角度對應的擴展彈性波阻抗曲線和反射系數曲線。利用疊前角道集或偏移角道集數據體，通過AVO屬性計算公式分別求得AVO截距(A)和梯度體(B)，參考式(4)分別求出上述三個理論入射角對應的反射系數體。由于擴展彈性波阻抗反射率體可以認為是截距和梯度按照一定比例的融合，巖性的地震響應被壓制，流體的響應特征被突出，這也是能進行流體預測的重要依據[9]。反射率體等同于波阻抗反演中使用的疊后地震數據，用來進行層位標定、子波估算和最后的擴展彈性波阻抗體的計算。

REEI(χ)=0.5Δln(EEI(χ))

(3)

REEI(χ)=R(χ) cosχ=Acosχ+Bsinχ

(4)

其中：χ為理論入射角。

2.2.3 擴展彈性波阻抗反演

利用聲波曲線和密度曲線可以進行井震標定，確定時深關系，與常規疊后波阻抗反演不同，擴展彈性波阻抗反演利用擴展彈性波阻抗曲線和擴展彈性波阻抗反射率體進行井震標定和子波的提取，在精確的井震標定基礎上，利用計算產生的理論入射角對應的擴展彈性波阻抗曲線進行子波提取，得到每口井的最優子波，而不是利用聲波曲線進行子波提取[11]。

圖3 測井巖石物理參數與井上對應角度計算EEI曲線擬合關系圖Fig.3 Fitting diagram between logging rock physical parameters and the corresponding angle EEI curves

圖4 反演巖石物理參數聯井剖面圖Fig.4 Well correlation profile of inversion rock physical parameters(a)密度剖面圖;(b)縱波剖面圖;(c)縱橫波比剖面

表2 巖石物理參數與井上對應角度計算EEI曲線擬合關系式統計表

圖5 常規AVO反演巖石物理參數交會圖Fig.5 AVO inversion rock physical parameters crossplot diagram

建立低頻模型。利用上步計算生成的最優擴展彈性波阻抗曲線和反射系數數據體，以解釋的地震層位作為控制面，在地質模型約束下，采用反距離加權法進行外推，建立相應的低頻模型。

按與敏感測井參數曲線相關性最佳的理論入射角分別依次進行波阻抗反演。與常規反演流程相似，對上述三個角度分別進行波阻抗反演，分別得到相應角度下的三個彈性波阻抗數據體。

2.2.4 生成巖石物理參數數據體

對反演的彈性波阻抗體和測井計算參數進行關系擬合，通過公式運算后能獲得相應的巖石物理參數數據體。由圖3可見，井上不同角度的彈性波阻抗曲線與特定測井巖石物理曲線具有較好的相似性，曲線擬合分析可見(表2)，擬合相關性很高。

圖4為根據表2中擬合的關系式，對對應角度的波阻抗體進行轉換，分別得到的密度體、縱波速度體和縱橫波速度比體連井剖面圖。

3 應用效果

3.1 巖石物理特征

研究區內構造主高點和構造西翼分別鉆井1口，揭示儲層和油氣分布情況差異較大，儲層物性、流體變化所導致的地震響應規律較復雜，常規AVO反演技術所獲得的巖石物理參數交匯圖上對巖性和流體指示不敏感(圖5)，難以進行儲層區分和流體判識。

通過實測鉆、錄井資料可知，目的層的巖性及其對應的彈性參數特征見表3：藻灰巖和球粒灰巖平均密度為2.46 g/cc ～2.48 g/cc，平均縱波速度為4 600 m/s～4 800 m/s；介殼灰巖平均密度為2.46 g/cc，平均縱波速度為4 500 m/s；泥晶灰巖和泥灰巖平均密度為2.6 g/cc，平均縱波速度在5 250 m/s～5 900 m/s之間；輝綠巖平均密度為2.92 g/cc，平均縱波速度為6 200 m/s；玄武巖平均密度為2.75 g/cc，平均縱波速度為5 300 m/s。AA井測井解釋指示，上段為藻灰巖、球粒灰巖，對應的密度整體上在2.48 g/cc左右，縱波速度在4 800 m/s左右，對應的縱橫波速度比小于1.7，應為含烴類儲層(見圖4中黑色多邊形)；下段為玄武巖，對應的密度整體上在2.8 g/cc左右，縱波速度在5 300 m/s左右，對應的縱橫波速度比近2.0左右，應為非儲層。

3.2 效果分析

進行擴展彈性波阻抗反演和巖石物理參數轉換后，為驗證結果是否可靠，BB井作為盲井未參與計算，從圖6上通過井上實測與反演結果對比知具有較好的相似性。通過圖4聯井剖面分析，可知BB井區整體上為中高密度、高縱波速度、高縱橫波速度比，地層巖性為泥晶灰巖或泥灰巖，儲層相對不發育，與測井解釋吻合，說明其反演結果較為可靠。

對構造范圍內上段地層進行層間屬性提取，可以看到,在主構造高部和構造的東北冀具有低密度、低縱波速度和低縱橫波速度比特征(圖4、圖7)。

表3 鉆井巖性對應密度和縱波范圍統計表

圖6 BB井測井和反演結果對比圖Fig.6 BB well logging and inversion curves diagram

圖7 構造范圍內層間最小振幅屬性平面圖Fig.7 The minimum amplitude attributes map(a)鹽底構造圖;(b)密度;(c)縱波速度;(d)縱橫波比

圖8 過西部-中部-東北部拉平地震剖面Fig.8 Flatten seismic profile across western-central-northeast

圖9 構造沉積演化模式圖Fig.9 Sedimentary evolution pattern diagram

研究區西部-中部-東北部的任意地震剖面揭示(圖8)，構造東北翼地層厚度及振幅能量均小于構造西部，推測構造東北翼沉積古地貌高于構造西部，可能受早期兩條斷裂和火成巖控制具有“東高西低”的古地貌格局，東北翼為繼承性古隆起，有利于儲層發育，中部為火山島隆起，儲層局限發育；后期因差異性沉降，導致發生構造反轉，形成現今中部高、兩側翼部相對較低的構造形態(圖9)。預測的有利儲層分布特征及范圍區內的構造、沉積演化過程吻合，預測成果可靠，可為下步的勘探部署提供有益支撐。

4 結束語

受巨厚鹽層覆蓋、多期火成巖侵入等影響，鹽下碳酸鹽巖儲層地震響應規律復雜，常規AVO分析對儲層和流體識別難度大。筆者通過擴展彈性阻抗反演預測了目的層有利目標分布，預測結果與實鉆井吻合度高，實用效果表明該方法具有良好的實用性和有效性。擴展彈性阻抗反演為儲層和流體識別研究提供了一種新思路，在應用過程中得到如下啟示。

1)擴展彈性波阻抗儲層預測方法是對常規AVO分析對儲層識別局限性的補充和拓展，為彈性參數或儲層參數的反演和應用提供了新的途徑。

2)在擴展彈性波阻抗反演中，測井資料與彈性波阻抗擬合分析，確定最優理論入射角是研究的關鍵，直接影響反演結果的精度，因此在選取時需特別謹慎。

3)擴展彈性波阻抗反演以疊前地震資料和井數據為基礎，井震資料的質量直接影響反演結果的精度。

4) 研究區地震響應規律出現復雜情況時，擴展彈性波阻抗反演結果能有效突出儲層和流體異常，有助于提高儲層預測精度和可信度。