利用擴(kuò)展彈性阻抗識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層

張勇剛, 范國(guó)章, 王紅平, 王朝鋒,楊 柳, 左國(guó)平,劉艷紅

(中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

0 引言

近二十年來(lái)，疊前地震反演技術(shù)得到迅速發(fā)展，已十分廣泛地應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域。Connolly[1]首先提出了彈性波阻抗(EI)的概念，該方法依據(jù)Zoeppritz[2]提出的兩項(xiàng)或三項(xiàng)線性方程式進(jìn)行推導(dǎo)得出彈性波阻抗方程，使得AVO反演有效應(yīng)用到石油物探； Whitcombe[3]對(duì)Connolly公式進(jìn)行了修改研究，引入了三個(gè)參數(shù)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(wèn)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(duì)彈性波阻抗反演的結(jié)果穩(wěn)定性影響，再次進(jìn)行修正了歸一化的彈性波阻抗矩陣方程，提出了擴(kuò)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(wèn)題，而且將反射系數(shù)限制在[-1.0,1.0]之內(nèi)，與實(shí)際地震記錄相吻合，可直接用于流體和巖性檢測(cè)。

在國(guó)內(nèi)，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(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)硬件和工業(yè)化地震技術(shù)軟件的不斷創(chuàng)新發(fā)展，彈性波阻抗理論有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，彈性波阻抗與其他屬性的結(jié)合已成為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的有效手段。

1 方法原理

1.1 彈性波阻抗

為了解決儲(chǔ)層描述問(wèn)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(shù)據(jù)以及入射角或偏移距為變量的波阻抗函數(shù)(式(1))，通過(guò)彈性阻抗和入射角的相關(guān)聯(lián)性，避免了反射波同相軸不均勻的問(wèn)題，提高流體的識(shí)別能力和儲(chǔ)層物性參數(shù)的預(yù)測(cè)精度。但是由于受到AVO效應(yīng)的影響，常規(guī)意義上的彈性波阻抗值會(huì)隨著不同入射角的增大而急劇增加或降低，這樣在進(jìn)行近、遠(yuǎn)炮檢距彈性波阻抗值分析時(shí)，可能會(huì)屏蔽掉流體或巖性變化引起的差異的相關(guān)信息[5]，不利于研究人員從地層中對(duì)流體或巖性的信息提取，并且彈性波阻抗值量綱和數(shù)值會(huì)隨著入射角的變化而變化，使得不同入射角計(jì)算所得到的彈性波阻抗值與疊后常規(guī)反演計(jì)算所得到的聲波阻抗值無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比,只能進(jìn)行定性分析，給實(shí)際工作造成不便。

(1)

1.2 擴(kuò)展彈性波阻抗

Whitcombe[6]用正切函數(shù)代替正弦函數(shù)，修正歸一化彈性波阻抗，避免了在入射角變化估算中產(chǎn)生的誤差結(jié)果，影響到彈性波阻抗反演的穩(wěn)定性，從而提出了擴(kuò)展彈性波阻抗(式(2))，苑春方等[7]也提出了擴(kuò)展彈性波阻抗公式的改進(jìn)方法，既解決了阻抗值隨入射角變化較快的問(wèn)題，又將反射系數(shù)限制在[-1.0,1.0]之間，與實(shí)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(wěn)定性，可用于流體和巖性檢測(cè)。Whitcombe公式指出，當(dāng)角度取0°時(shí)，EEI(0°)對(duì)應(yīng)的就是常規(guī)反演的聲波阻抗，當(dāng)角度取90°時(shí)，EEI(90°)相當(dāng)于梯度阻抗，即對(duì)應(yīng)地球物理上的參數(shù)GI，也就是說(shuō)某個(gè)特定角度對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展彈性波阻抗可以代表某個(gè)巖石物理彈性參數(shù)的響應(yīng)。因此在進(jìn)行巖性預(yù)測(cè)與流體識(shí)別之前，關(guān)鍵是尋找某個(gè)敏感巖石物理參數(shù)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)理論入射角，進(jìn)而求取出特定角度的擴(kuò)展彈性波阻抗方程函數(shù)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(kuò)展彈性波阻抗反演與常規(guī)波阻抗反演類似，只是所需參與反演的地震數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)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(biāo)定和子波提取，充分應(yīng)用地質(zhì)體的彈性參數(shù)信息和疊前道集振幅隨偏移變化的響應(yīng)特征，能對(duì)截距、梯度屬性數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度挖掘[8]。實(shí)踐表明，巖石彈性參數(shù)或儲(chǔ)層參數(shù)總能找到相關(guān)性匹配較好的某個(gè)理論入射角的EEI(χ)[9-10]，這為油藏研究和評(píng)價(jià)提供了一種新的途徑。

2 儲(chǔ)層識(shí)別方法

2.1 技術(shù)流程

研究區(qū)位于某深水盆地東部隆起帶，區(qū)塊內(nèi)發(fā)育厚鹽層，鄰區(qū)鉆井揭示區(qū)塊內(nèi)及周邊主要發(fā)育裂谷期的介殼灰?guī)r和坳陷期的微生物灰?guī)r，是盆地內(nèi)有利的油氣聚集區(qū)。鑒于深海油氣勘探高投入風(fēng)險(xiǎn)、碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)、局部火成巖發(fā)育，需要進(jìn)一步深化該地區(qū)的儲(chǔ)層厚度分布和流體類型識(shí)別等研究工作，指導(dǎo)后續(xù)的勘探?jīng)Q策。

面對(duì)鹽下含火成巖的碳酸鹽巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需求，利用擴(kuò)展彈性波阻抗反演技術(shù)進(jìn)行研究，主要實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1。以測(cè)井資料(密度、聲波、縱橫波比等)為基礎(chǔ)，通過(guò)與疊前道集計(jì)算的井點(diǎn)處不同角度彈性波阻抗擬合對(duì)比，優(yōu)選出擬合性最優(yōu)的主要敏感參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的理論入射角參數(shù)值，對(duì)特定角度數(shù)據(jù)進(jìn)行反演并按擬合函數(shù)轉(zhuǎn)算相應(yīng)測(cè)井參數(shù)數(shù)據(jù)體，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和交會(huì)分析，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層和流體檢測(cè)。

2.2 關(guān)鍵步驟

2.2.1 理論入射角度求取參數(shù)

區(qū)塊內(nèi)有兩口鉆井，通過(guò)測(cè)井解釋，可以獲得測(cè)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(zhì)含量、縱橫波速度比和含水飽和度，這里以AA井進(jìn)行參數(shù)掃描分析，而BB井不參與分析，可以作為驗(yàn)證可靠性的盲井，以便對(duì)反演效果進(jìn)行質(zhì)控。通過(guò)式(3)計(jì)算得到的井上[-90o,90o]之間的擴(kuò)展彈性波阻抗曲線與測(cè)井成果曲線進(jìn)行相關(guān)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(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)較高，即在疊前道集上對(duì)應(yīng)該角度的彈性波阻抗與其特定對(duì)應(yīng)曲線具有最好的相關(guān)性，可作為后續(xù)檢測(cè)的目標(biāo)曲線，因此在后續(xù)擴(kuò)展彈性波阻抗反演中，需分別求取這三個(gè)對(duì)應(yīng)理論入射角的擴(kuò)展彈性波阻抗體。

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

圖2 測(cè)井巖石物理參數(shù)曲線隨EEI角度相關(guān)系數(shù)圖Fig.2 Correlation coefficient map of well logging curves and EEI angles

表1 巖石物理曲線對(duì)應(yīng)最大相關(guān)系數(shù)和EEI角度統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 理論入射角反射系數(shù)體計(jì)算

參考依據(jù)上步分析，可知密度、縱波速度和縱橫波速度比分別對(duì)應(yīng)的最優(yōu)擴(kuò)展彈性波阻抗理論入射角，做擴(kuò)展彈性波阻抗反演之前，需要得到各個(gè)角度分別對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)曲線和數(shù)據(jù)體。采用式(2)和式(3)，可以求得井上不同角度對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展彈性波阻抗曲線和反射系數(shù)曲線。利用疊前角道集或偏移角道集數(shù)據(jù)體，通過(guò)AVO屬性計(jì)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(gè)理論入射角對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)體。由于擴(kuò)展彈性波阻抗反射率體可以認(rèn)為是截距和梯度按照一定比例的融合，巖性的地震響應(yīng)被壓制，流體的響應(yīng)特征被突出，這也是能進(jìn)行流體預(yù)測(cè)的重要依據(jù)[9]。反射率體等同于波阻抗反演中使用的疊后地震數(shù)據(jù)，用來(lái)進(jìn)行層位標(biāo)定、子波估算和最后的擴(kuò)展彈性波阻抗體的計(jì)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(kuò)展彈性波阻抗反演

利用聲波曲線和密度曲線可以進(jìn)行井震標(biāo)定，確定時(shí)深關(guān)系，與常規(guī)疊后波阻抗反演不同，擴(kuò)展彈性波阻抗反演利用擴(kuò)展彈性波阻抗曲線和擴(kuò)展彈性波阻抗反射率體進(jìn)行井震標(biāo)定和子波的提取，在精確的井震標(biāo)定基礎(chǔ)上，利用計(jì)算產(chǎn)生的理論入射角對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展彈性波阻抗曲線進(jìn)行子波提取，得到每口井的最優(yōu)子波，而不是利用聲波曲線進(jìn)行子波提取[11]。

圖3 測(cè)井巖石物理參數(shù)與井上對(duì)應(yīng)角度計(jì)算EEI曲線擬合關(guān)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(shù)聯(lián)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(shù)與井上對(duì)應(yīng)角度計(jì)算EEI曲線擬合關(guān)系式統(tǒng)計(jì)表

圖5 常規(guī)AVO反演巖石物理參數(shù)交會(huì)圖Fig.5 AVO inversion rock physical parameters crossplot diagram

建立低頻模型。利用上步計(jì)算生成的最優(yōu)擴(kuò)展彈性波阻抗曲線和反射系數(shù)數(shù)據(jù)體，以解釋的地震層位作為控制面，在地質(zhì)模型約束下，采用反距離加權(quán)法進(jìn)行外推，建立相應(yīng)的低頻模型。

按與敏感測(cè)井參數(shù)曲線相關(guān)性最佳的理論入射角分別依次進(jìn)行波阻抗反演。與常規(guī)反演流程相似，對(duì)上述三個(gè)角度分別進(jìn)行波阻抗反演，分別得到相應(yīng)角度下的三個(gè)彈性波阻抗數(shù)據(jù)體。

2.2.4 生成巖石物理參數(shù)數(shù)據(jù)體

對(duì)反演的彈性波阻抗體和測(cè)井計(jì)算參數(shù)進(jìn)行關(guān)系擬合，通過(guò)公式運(yùn)算后能獲得相應(yīng)的巖石物理參數(shù)數(shù)據(jù)體。由圖3可見(jiàn)，井上不同角度的彈性波阻抗曲線與特定測(cè)井巖石物理曲線具有較好的相似性，曲線擬合分析可見(jiàn)(表2)，擬合相關(guān)性很高。

圖4為根據(jù)表2中擬合的關(guān)系式，對(duì)對(duì)應(yīng)角度的波阻抗體進(jìn)行轉(zhuǎn)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(yīng)用效果

3.1 巖石物理特征

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造主高點(diǎn)和構(gòu)造西翼分別鉆井1口，揭示儲(chǔ)層和油氣分布情況差異較大，儲(chǔ)層物性、流體變化所導(dǎo)致的地震響應(yīng)規(guī)律較復(fù)雜，常規(guī)AVO反演技術(shù)所獲得的巖石物理參數(shù)交匯圖上對(duì)巖性和流體指示不敏感(圖5)，難以進(jìn)行儲(chǔ)層區(qū)分和流體判識(shí)。

通過(guò)實(shí)測(cè)鉆、錄井資料可知，目的層的巖性及其對(duì)應(yīng)的彈性參數(shù)特征見(jiàn)表3：藻灰?guī)r和球粒灰?guī)r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?guī)r平均密度為2.46 g/cc，平均縱波速度為4 500 m/s；泥晶灰?guī)r和泥灰?guī)r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(cè)井解釋指示，上段為藻灰?guī)r、球粒灰?guī)r，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的縱橫波速度比小于1.7，應(yīng)為含烴類儲(chǔ)層(見(jiàn)圖4中黑色多邊形)；下段為玄武巖，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的縱橫波速度比近2.0左右，應(yīng)為非儲(chǔ)層。

3.2 效果分析

進(jìn)行擴(kuò)展彈性波阻抗反演和巖石物理參數(shù)轉(zhuǎn)換后，為驗(yàn)證結(jié)果是否可靠，BB井作為盲井未參與計(jì)算，從圖6上通過(guò)井上實(shí)測(cè)與反演結(jié)果對(duì)比知具有較好的相似性。通過(guò)圖4聯(lián)井剖面分析，可知BB井區(qū)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?guī)r或泥灰?guī)r，儲(chǔ)層相對(duì)不發(fā)育，與測(cè)井解釋吻合，說(shuō)明其反演結(jié)果較為可靠。

對(duì)構(gòu)造范圍內(nèi)上段地層進(jìn)行層間屬性提取，可以看到,在主構(gòu)造高部和構(gòu)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(duì)應(yīng)密度和縱波范圍統(tǒng)計(jì)表

圖6 BB井測(cè)井和反演結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 BB well logging and inversion curves diagram

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

圖8 過(guò)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(gòu)造沉積演化模式圖Fig.9 Sedimentary evolution pattern diagram

研究區(qū)西部-中部-東北部的任意地震剖面揭示(圖8)，構(gòu)造東北翼地層厚度及振幅能量均小于構(gòu)造西部，推測(cè)構(gòu)造東北翼沉積古地貌高于構(gòu)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(chǔ)層發(fā)育，中部為火山島隆起，儲(chǔ)層局限發(fā)育；后期因差異性沉降，導(dǎo)致發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，形成現(xiàn)今中部高、兩側(cè)翼部相對(duì)較低的構(gòu)造形態(tài)(圖9)。預(yù)測(cè)的有利儲(chǔ)層分布特征及范圍區(qū)內(nèi)的構(gòu)造、沉積演化過(guò)程吻合，預(yù)測(cè)成果可靠，可為下步的勘探部署提供有益支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

受巨厚鹽層覆蓋、多期火成巖侵入等影響，鹽下碳酸鹽巖儲(chǔ)層地震響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，常規(guī)AVO分析對(duì)儲(chǔ)層和流體識(shí)別難度大。筆者通過(guò)擴(kuò)展彈性阻抗反演預(yù)測(cè)了目的層有利目標(biāo)分布，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆井吻合度高，實(shí)用效果表明該方法具有良好的實(shí)用性和有效性。擴(kuò)展彈性阻抗反演為儲(chǔ)層和流體識(shí)別研究提供了一種新思路，在應(yīng)用過(guò)程中得到如下啟示。

1)擴(kuò)展彈性波阻抗儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法是對(duì)常規(guī)AVO分析對(duì)儲(chǔ)層識(shí)別局限性的補(bǔ)充和拓展，為彈性參數(shù)或儲(chǔ)層參數(shù)的反演和應(yīng)用提供了新的途徑。

2)在擴(kuò)展彈性波阻抗反演中，測(cè)井資料與彈性波阻抗擬合分析，確定最優(yōu)理論入射角是研究的關(guān)鍵，直接影響反演結(jié)果的精度，因此在選取時(shí)需特別謹(jǐn)慎。

3)擴(kuò)展彈性波阻抗反演以疊前地震資料和井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，井震資料的質(zhì)量直接影響反演結(jié)果的精度。

4) 研究區(qū)地震響應(yīng)規(guī)律出現(xiàn)復(fù)雜情況時(shí)，擴(kuò)展彈性波阻抗反演結(jié)果能有效突出儲(chǔ)層和流體異常，有助于提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度和可信度。