CO2驅油地震監測技術的研究現狀與進展

關鍵詞：CO2驅油，時移地震，可行性分析，一致性處理，正演模擬，深度學習，波及范圍預測

0 引言

CO2驅油是通過注氣井注入CO2、利用CO2溶解和驅替能力進行的三次采油技術，是提高油田采收率的一種重要手段，該技術已在全球范圍內得到廣泛應用。CO2驅油與其他驅油技術相比，具有適用范圍廣、驅油成本低、提高采收率顯著等優點，同時還具有變廢為寶、節能降排與碳封存功效。由于CO2的封存潛力巨大，全球可實現數萬億噸的封存，現今二氧化碳捕集、利用和封存（CarbonCapture，UtilizationandStorage，CCUS）正日益受到各國重視。

國內外CO2驅油已有不少成功應用的范例。根據美國能源信息署數據，目前美國共有136個CO2驅油項目，可實現1500萬噸原油的增產，其中混相驅占82.48%；據報道，加拿大米戴爾―韋本油田項目預計采出2.2億桶以上的原油，可將油藏壽命延長20～25年。中國探索CO2驅技術始于20世紀60年代，大慶油田于1965年開始碳酸水注入井組試驗[1]。國內自1967年開始開展CO2提高采收率的機理試驗，并在勝利、華東、江蘇、中原等多個油田得到應用[2]。2007年，勝利油田在高89井區啟動了CO2驅油規?；瘧?，2021年7月首個百萬噸級CCUS項目——齊魯石化—勝利油田CCUS項目啟動建設，可實現增油227萬噸。

時移地震監測技術是一種追蹤和監測油氣藏中流體動態變化的技術，對于評估CO2驅油效果和優化油藏管理至關重要。國內外CO2驅油項目很多，但采用油藏地震動態監測（時移地震）的還不多，重復采集、處理和解釋的技術體系尚不完備。陸上重復勘探成本過高，基礎地震與監測地震資料一致性難以保障，CO2驅油的波及范圍預測精度需要提高，這些問題都有待更好的解決方法。為此，本文通過文獻調研與勝利油田高89井區的實際應用，對國內外CO2驅油地震監測技術研究現狀進行了總結，并展望了該項技術的發展方向，相關認識與結論可為該項技術的大規模推廣應用提供技術參考。

1 時移地震可行性分析

時移地震可行性分析一般從適用性和經濟性兩方面進行考慮。適用性是考慮研究區塊是否適合進行時移地震監測，也就是油藏性質變化所產生的差異是否能被現有的地震觀測系統所觀測；經濟性則是考慮時移地震監測技術所產生的收益是否高于其應用，一般從油藏地質條件、巖石物理條件和地震條件三方面進行分析[3]。

1.1 油藏地質條件

油藏地質條件分析是油氣田開發的基礎工作，涉及到油藏的諸多特性，對油藏的開發策略和技術措施有著決定性的影響。油藏地質條件可以分為幾個方面：①油藏類型及特征，首先要對油藏的類型進行識別，如砂巖油藏、碳酸鹽巖油藏等；②油藏構造，研究油藏的構造形態、斷層分布、裂縫發育情況等，這直接關系到油氣的運移和聚集以及油藏的開發；③油藏物性，包括孔隙度、滲透率等，是評價油藏儲量的重要參數，也是決定油藏采收率的關鍵因素；④油藏壓力和溫度，油藏的壓力和溫度影響油氣的流動性和開采方式，是決定采用何種采油方法的重要依據；⑤油藏飽和度變化，通過地球物理勘探和生產數據分析油藏的飽和度變化，這對于確定油藏的可采儲量和制定合理的開發方案至關重要。

1.2 巖石物理條件

巖石物理實驗和CO2驅模型正演可以評估地下儲層的孔隙結構、滲透性等參數，為碳封存選址和監測提供技術支持。低骨架彈性特征（孔隙度大、速度低、密度低）的巖石骨架條件和明顯差異的孔隙流體壓縮系數是時移地震巖石物理可行性分析的兩個重要條件[3‐4]。

1.2.1 巖石物理條件分析

Gassmann方程可以估算低頻情況下飽和巖石的彈性模量，進而分析流體替換等對地震響應的影響，該理論被廣泛應用于地震巖石物理建模。雷蕾[5]應用Gassmann流體替換研究了高89井區CO2驅時的地震響應，認為薄互砂巖儲層驅替后呈現第Ⅰ類AVO響應；Gutierrez等[6]應用Biot‐Gassmann流體替換理論模擬含有不同超臨界CO2和鹽水混合物的砂巖P波速度變化。Gassmann方程為

式中：Ksat為飽和巖石的體積模量；Kdry為巖石骨架的體積模量；Kma為基質礦物的體積模量；Kfl為孔隙流體的體積模量；?為孔隙度。

1.2.2 正演模擬

Furre等[7]用楔形模型研究了注氣層厚度對地震響應時差、振幅的影響；李琳[8]針對砂泥薄互層的特點，建立了不同注入壓力和不同混合流體飽和度的兩層介質AVO模型，較好地解決了不同儲層特征的混合流體飽和度（CO2、油和鹽水）替換問題；Mur等[9]利用巖石物理實驗研究CO2驅壓強與彈性參數之間的關系，建立了概率密度函數，成功預測了剩余油死油區和高壓可采區；Zhang等[10]提出了一種基于變臨界孔隙度的砂巖儲層巖石物理建模方法并進行時移地震分析，認為根據測井資料反演基質礦物的臨界孔隙度、彈性模量等參數，可以提高巖石物理模型的準確性。

建立準確的正演模型是開展CO2驅地震正演模擬的關鍵，是分析CO2驅替前、后地震響應特征及其差異性的基礎。圖1為Mur等[9]做的疊前角度域標定和正演實例，可以看到，該工區注氣層為低速、低密度的砂巖儲層，在疊前角度域道集上，該砂巖儲層呈現第Ⅰ類AVO特征。正演結果表明：隨著孔隙壓力的增加和二氧化碳的驅替，阻抗下降；孔隙壓力增加，縱橫波速度比增大；二氧化碳飽和度增加，縱橫波速度比減小。

1.3 地震條件

地震響應模擬是時移地震可行性分析的常用手段。油藏開發過程中，當氣驅或地層壓力升高時，會導致波阻抗減小，當水驅或地層壓力下降時，則會導致波阻抗增加。有較多研究表明，CO2注入后，注氣層速度降低、振幅增大。Wang等[11]研究得州西部麥克羅伊油田CO2驅時，發現注氣井縱波速度有6%的降低；趙海英等[12]發現飽和度增加，注氣層速度下降、振幅增大；李曉晨[13]以高89區塊為例，討論了CO2驅地震響應特征：①注氣后速度下降5%～10%；②CO2驅油后高頻信息（30～45Hz）衰減變大；③隨著CO2的注入，蓋層反射軸逐漸變弱，砂巖內部反射軸逐漸增強。

基于數值模型的油藏地震分析在時移地震中的應用較為廣泛，該技術在節省成本的同時，也可更好地對時移地震可行性進行評價。朱振宇等[3]對西江24‐1油田引入了基于油藏數模的三維時移地震模擬，得到了開發前、后的地震記錄，如圖2a和圖2b所示，為后續的油藏分析提供了良好基礎，并且計算了目的層沿層波阻抗差異，如圖2c所示，其差異達到了6%以上，滿足時移地震監測條件；劉巍等[14]基于數值模擬結果并結合地震正演模擬，為指導L氣田的時移地震采集時機提供了重要依據；趙巍等[15]以四維地震信息為基礎，對PU油田深海濁積巖進行了數值建模，根據生產過程中的四維地震監測信息不斷更新模型，使得油藏模型更逼近實際。雖然數值模型僅針對某一研究工區，具有局限性，但其研究成果對同類型油藏有較高的參考價值。

2 時移地震資料一致性處理技術

資料一致性是做好CO2驅地震監測的關鍵。通過一致性處理可以消除因采集環境、技術設備、觀測系統造成的差異。非重復性時移地震處理包括數據匹配性處理、共約束一致性處理和互均化處理等[16]。

Roach等[17]在評估Aquistore實驗室的CO2驅項目時，總結了疊前、疊后數據一致性處理的方法與流程；海上雙方位地震資料的處理成像是一大難題[18‐19]，李熙盛[19]提出了海上雙方位非重復性時移地震處理流程（圖3），雖然海上處理步驟和陸上二氧化碳驅時移地震監測技術的一致性處理方法有所不同，但是有借鑒之處。在一致性流程中，匹配濾波占據較重要位置，國內外有不少學者開展過相關研究。李志娜等[20]提出偽多道匹配的互均化方法，該方法比傳統的最小二乘匹配算法具有更高的匹配精度，可以更好地消除非油氣藏的靜態差異、反映地下油氣藏的動態變化；芮擁軍等[21]提出了“疊前+約束”的新思路，將互均化從疊后推到疊前，建立了基于井控的偽多道疊前互均化技術。Wang等[22]提出了時移反射率差異計算方法，介紹了基礎地震與監測地震如何做好時間和振幅的匹配處理，可以表示為

式中：umoni為監測地震記錄；ucmoni為一致性處理后的監測地震記錄；ftime為時移校正濾波器；fspec為頻譜校正濾波器；famp為時間域振幅校正濾波器；“*”表示褶積運算。

通過使用一組重疊的漢寧窗口進行時變線性濾波，對每個監測地震數據進行時移波形校正。每個時間窗口包含一個平坦的部分和兩個持續時間相等的余弦形斜坡，這樣所有窗口的總和在任何時候都等于1，能夠有效避免由時間拉伸引起的偽反射幅度縮放。該方法在加拿大韋本油田取得了很好的應用效果。

3 時移地震綜合解釋

時移地震綜合解釋是以時移地震資料為基礎，結合測井、地質等方面資料綜合分析油藏時移變化，從而獲取可以幫助預測CO2波及范圍的可靠信息。準確預測CO2波及范圍是提高驅油效率和確保CO2有效封存的關鍵。對于陸相沉積，層間、層內非均質性較強，CO2會發生氣竄現象，其波及范圍預測有一定的難度。

3.1 疊前CO2驅波及范圍預測方法

巖石物理實驗表明，注入CO2后，CO2的飽和度和地層壓力都會變化，會引起AVO響應特征的變化。李丹鷺等[23]研究了地層壓力和CO2飽和度變化對AVO響應的影響，發現：隨著地層注入壓力增大，AVO梯度減小、截距增大；隨著CO2飽和度增加，AVO梯度減小、截距減小。張偉忠等[24]利用疊前道集研究了注氣后注（產）氣層段的AVO特征，結果表明，注氣層段均具有明顯的Ⅰ類AVO響應特征，而非注氣層段無論是含油儲層或蓋層，均未出現明顯的Ⅰ類AVO特征。為了更精確地預測CO2驅油波及范圍，建立了實際工區的梯度屬性G與注氣量的定量關系，開展了基于梯度屬性沿注氣層段的CO2驅油波及范圍預測（圖4），其預測結果與注氣史的3個注氣高峰具有良好的對應關系，驗證了預測結果的可靠性。

3.2 疊后常規CO2驅波及范圍預測方法

時移地震基本解釋主要包括地層變化分析、定性解釋和定量解釋[3]。Zhang等[25]研究了CO2注氣前后速度頻散因子的變化規律；趙海英等[12]建立了時移VSP監測CO2地質封存技術，通過分析注氣前、后時移VSP資料T0（雙程反射時間）差異，預測了CO2地下運移范圍；Anthony等[26]研究北海Sleipner工區CO2驅時，發現注氣層下方有低頻伴影（Low‐FrequencyShadows，LFS）現象，并通過相速度與擴散率和黏度的關系在理論上求證了這一現象。從圖5可以看出，CO2注入后，在原始分頻切片和頻率差切片上可以清楚地觀察到低頻伴影現象。這證明了發生在注氣層下方的低頻伴影現象既不是人為的，也不是與阻抗相關的振幅異常，是二氧化碳注入后引起了地震波的高頻衰減，而低頻地震波能量被保留，所以產生了低頻伴影現象。

3.3 基于深度學習的CO2驅波及范圍預測方法

深度學習是一種強大的機器學習技術，其通過構建多層的神經網絡，能夠自動學習和提取數據中的復雜特征，近年來在地震勘探領域應用廣泛，如數據處理、構造解釋、儲層物性預測等[27]。Aldakheel等[28]以9組不同的地震屬性作為網絡輸入，利用人工神經網絡預測CO2的波及范圍；李冬[29]基于深度學習理論，提出了基于全卷積神經網絡的CO2運移監測方法。Sheng等[30]訓練了一個三維深度U形卷積神經網絡，基于時移地震檢測Sleipner工區CO2波及范圍，結果如圖6所示。

圖6a為來自驗證集的四個地震數據子體，圖6b為預測結果，圖6c為CO2標簽特征，可以看到預測結果與CO2標簽特征一致。深度學習方法具有學習能力強、預測速度快等特點，但是對于CO2波及范圍預測，還存在訓練數據量不足、標簽制作困難、網絡泛化能力不足、計算成本高等問題，還需進一步改進、完善。

4 高89區塊應用效果

4.1 油藏概況

高89區塊處于東營凹陷博興洼陷西部，西鄰青城凸起，構造整體上自北向南呈現從洼陷帶向斜坡帶過渡的趨勢，南淺北深，表層結構相對較穩定。注氣層位于沙四上純下亞段，為灘壩砂薄互層沉積。

勝利油田自2007年起開展CO2混相驅先導試驗，已建成國內首個燃煤電廠煙氣CCUS全流程示范工程。高89先導試驗取得良好效果，至2021年已累計注氣23.9萬噸，累計CO2封存22萬噸，累計增油3.5萬噸，采收率提高了6.8%，表明CO2具有良好的注入能力且增油效果顯著。巖石物理參數分析及實際井G89‐4流體替換驗證發現，在CO2驅替過程中，隨著氣態CO2逐步驅替巖石孔隙中液態的油，砂巖整體縱波速度下降，砂體反射振幅能量增強，但橫波速度基本不變，符合可行性分析的條件（圖7）。

4.2 一致性處理關鍵技術

由于陸上采集環境的復雜性，比如不一致的地表環境和激發、接收條件，隨機性的環境噪聲等，會導致時移地震資料在能量、頻率、信噪比等方面存在差異。需要對兩期資料進行一致性處理，流程如圖8所示，其中主要的關鍵技術有：近地表校正技術、多域去噪技術、穩健地表一致性反褶積技術、VSP資料層約束反Q技術、OVT（OffsetVectorTile）域疊前時間偏移處理技術、處理解釋一體化建模技術。

工區地勢平坦，表層結構相對較穩定，激發條件較好。但也存在低降速帶厚度、速度、高程、激發井深等變化，工區存在一定的長波長校正量，需采用近地表校正技術進行處理。

對于噪聲，采用聚類多域去噪技術。為滿足一致性處理的要求，依據特征屬性分析，分時間、空間處理。比如針對特殊雨雪噪聲，根據共炮域的頻率、環境噪聲屬性分析，分時段變參數處理；針對城鎮噪聲，根據共檢波點域的環境噪聲屬性分析，分類處理。

穩健地表一致性反褶積技術，組合了地表一致性反褶積、地表一致性振幅校正和噪聲壓制的相對保幅反褶積，解決了常規地表一致性反褶積后低頻面波噪聲和高頻隨機噪聲放大的難題。在噪聲較嚴重的情況下，相較常規處理方法，迭代算法更穩健，并且可以自動壓制非地表一致性強振幅噪聲。

VSP資料層約束反Q技術利用地震資料中的不同層位信息，以井點處Q值為基礎，進行層位約束，然后沿層延拓，形成Q體，如圖9所示。通過將整個地下結構劃分為多個小層，分別估計每個小層的Q值，然后采用層約束反Q技術，從而得到更精細的地下結構圖像。將該技術應用于實際數據，如圖10所示，對比了一個連井剖面的應用效果，從黃框中可以明顯看出地震資料的分辨率有所提高。

2021年博興南工區進行了寬方位地震采集，能夠提供全方位、高密度的地震數據，對于提高地震資料的質量和精度具有重要意義。相較于常規的CIP（共成像點）道集，OVG（OffsetVectorGathers）道集包含方位各向異性信息，更加優質。為解決變觀造成OVT內數據缺失、不規則以及低信噪比等問題，采用了五維數據重構技術，另外采用非剛性拉直技術、高精度相干校正技術，對OVG道集進行優化處理（圖11），以進一步提高資料品質，為疊前反演提供有力支撐。OVT域疊前時間偏移處理技術解決了覆蓋次數造成的近、中、遠炮檢距能量差異大的問題；增加了覆蓋次數，豐富了疊前信息；保留了方位角信息，有利于提高疊前反演的精度。

4.3 基于兩次地震數據差異的CO2驅波及范圍預測

高89區塊在2011年（高94工區）和2021年（博興南工區）分別進行了兩次地震采集。博興南工區由于采用高密度勘探，線、道更密。為了進行差值計算，必須使兩個數據體大小完全一致，所以先對監測地震數據進行抽稀處理。經過對兩期資料的層位解釋發現（圖12），兩期資料注氣層的頂（T7）、底（T7x）位置不一致，地層厚度也有差別，所以不能數據直接相減得到差值體。由于頂面注氣干擾較小，所以用頂面振幅做匹配處理，頂面一致后計算兩期等時體的差值，這樣就得到了突出注氣層變化的差異數據體。經過上述處理后，在過G89‐24—G89‐4—G89‐S1—G89‐5連井剖面的變密度差值剖面上可以見到CO2波及范圍（圖13）。然后將差值數據體內嵌回原數據體后，提取注氣層波形平均面積屬性，可以較清晰地識別出優勢注采通道（圖14箭頭所示）。該預測結果與二氧化碳主流線方向結果一致。

5 結束語

CO2驅油是一項應用前景十分廣闊的三次采油技術，國內許多油田已將CCUS示范工程納入綠色低碳戰略發展體系。利用地震動態監測（時移地震）可以進一步優化注采方案、提高采收率。本文從時移地震可行性分析、一致性處理技術和綜合解釋三個方面分析總結了國內外CO2驅油地震監測技術的研究現狀和進展，并以高89區塊為例進行了討論。

目前，時移地震監測技術面臨的主要考驗如下。

（1）數據獲取的挑戰。高質量、高分辨率的地震數據是時移地震監測的基礎，然而地震監測測網的密度、數據記錄的完整性以及數據處理的準確性等都可能影響監測結果的可靠性。

（2）解釋和預測的難度。時移地震監測依賴于對地震波傳播的解釋，并將其轉換為地下結構的圖像。這一過程涉及復雜的地質條件和多種地震波傳播理論，給地震解釋帶來了不確定性。

（3）技術更新換代的壓力。隨著地震監測技術的快速發展，例如采用更加先進的傳感器和數據處理技術，時移地震監測也需要不斷更新，以適應這些變化。

盡管面臨上述考驗，時移地震監測技術在未來仍具有巨大的發展潛力。隨著人工智能和機器學習技術的進步，可以預見地震數據的處理和解釋將變得更加高效和準確，從而提升時移地震監測的精度。持續的科技進步將帶來新型的地震監測設備，比如更小型、更靈敏的傳感器，使得在更多地區進行時移地震監測成為可能。時移地震監測技術在油氣勘探、地震預測、城市地下結構監測等領域的應用前景廣闊，隨著技術的成熟，其商業價值和經濟效益將進一步凸顯。對于油氣高產區，特別是海上，今后擬多開展固定檢波器的重復時移地震；陸上勘探成熟區，擬利用滾動勘探，完善非重復采集的資料一致性處理技術，提高基礎地震與監測地震資料的匹配精度。今后還應開發新型監測方法，如微重力、微電磁、聲波等其他監測手段。在地震預警和減災方面，時移地震監測技術的發展有望提升對地震活動的理解，從而為地震預警提供更多的科學依據，有助于減輕地震災害的影響。