塔河油田缝洞储集体油水识别的谐频特征分析技术应用研究

李宗杰,刘 群,李海英,唐文榜,姚 姚

(1.北京大学,北京100871;2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐830011;3.北京软岛科技有限公司,北京100083;4.中国地质大学(武汉),湖北武汉430074)

塔河油田下奥陶统碳酸盐岩储层的主要储集空间为岩溶溶蚀洞、孔、缝、隙,其中溶洞型储集体是油藏的主体。油藏驱动能量主要以弹性驱及弹性水压驱动为主。多年的油田开发实践发现,以串珠状地震反射为表征的充填流体的溶洞,既钻出不少高产油井,也钻遇不少水井。这些井的油水关系非常复杂,油气分布规律尚不明朗,钻遇水井的几率升高。因此,正确识别缝洞型油藏中的油和水已经成为塔河油田碳酸盐岩油藏开发的重要基础工作,研究探索适合于碳酸盐岩缝洞型储集体中油水识别的新的地震属性及其相应的实用技术方法,对塔河油田开发部署是十分有意义的工作。

区分油藏中的油、气、水是一个高难度的前沿课题,长期以来吸引了众多地球物理工作者的关注,投入了大量的试验研究工作。普遍认为,利用地震波信息估算地层弹性参数有利于确定地下介质的岩石物理性质,由此可辨识孔隙介质所含流体的性质,进而发现定向分布的裂隙,因此受到国内外专家的重视。多年来,从弹性波基础理论到各种地震反演方法,以及多波多分量数据的采集、处理和解释,开展了多方面的研究与探讨,包括利用反射波振幅随偏移距变化的AVO分析、叠前弹性反演等,以及开展3D3C地震勘探、转换波勘探等[1-11]。通过AVO分析、叠前弹性反演从现有地震反射波数据中提取截距(P)、梯度(G)、相对泊松比(Δσ),以及纵横波速度比(vP/vS)、弹性模量(λ,μ,ρ)及其组合。3D3C地震勘探、转换波勘探则希望直接观测到纵波和横波,用以检测储层岩性和含流体性。这些研究试验工作多集中在砂岩储层中的油、气、水识别。

在碳酸盐岩缝洞型储集体中,油藏的主体是规模较大的流体充填溶洞。由于大型洞穴中的流体不传播横波,无法提取像砂岩储层中辨识油、气、水的有效弹性参数,如纵、横波速度和弹性模量等。因此,叠前弹性反演技术的应用受到限制。为此,专家学者们开展了地震数据频率域的油水识别研究工作。自20世纪90年代以来,经过多年的努力,逐步总结出一套碳酸盐岩中溶洞储集体的识别技术,大大提高了钻井命中率[12]。通过进一步的应用试验,形成了以地震资料频谱特征差异为基础的瞬时谐频特征(HFC)分析技术[13-15],并首先在塔河油田下奥陶统碳酸盐岩缝洞型储集体油水识别的实际应用中取得了成功。

瞬时谐频特征分析技术不同于已有的频谱分解(时频分析)技术,不是利用单个时频域属性,而是利用反射波频谱特征差异来辨识薄储层(体)含油气性。为了实现这一目标,以地震可检测性分辨率[2,5-6]为理论基础,以随机介质模型和交错网格有限差分弹性波动方程正演为手段,研究小尺度非规则的溶洞型储集体反射波的频谱特征差异,并用已知井中缝洞储集体井旁道的频谱与之比对,总结频谱特征差异与含油、水的相关关系,建立油水识别模式。由于频谱特征及其差异难以直接用来在对缝洞储集体的油、水平面展布作出预测,因此,采用不同频率谐波的振幅(能量和能量比)、相位,以及高频振幅随频率的变化率等多个敏感HFC属性,描述频谱的这些差异。最后,通过这些敏感属性的交会分析来实现储层(体)含油气性的识别。

我们重点介绍缝洞型储集体HFC技术油水识别的正演模拟实验基础,并展示了HFC技术在塔河油田下奥陶统碳酸盐岩缝洞型储集体油水识别中应用的实际效果。

1 缝洞型储集体HFC油水识别的实验基础

实现溶洞型储集体中HFC技术油水识别的应用研究,首先需要了解溶洞中充填油和水时的频谱特征差异。为此,制作了不同充填物的溶洞模型,本次实验中，由于溶洞间距过大，无法按实际比例同时显示，故仅给出单个溶洞模型示意，如图1

图1 溶洞模型示意

所示。模型中溶洞高度10m,宽度50m(相当于碳酸盐岩储层中的波长1/4);骨架围岩纵波速度为6000m/s,密度为2.7g/cm3;在溶洞形态、尺度保持不变的条件下,洞中分别充填12种固态和液态物质,其性质和弹性参数列于表1。溶洞壁的界面反射系数,对于固态充填物为0.07～0.38,对于流体充填物为0.82～0.89。

图2是表1中给出的12个不同充填物溶洞(M1至M12)模型的正演模拟自激自收地震记录偏移剖面,可以看出,洞壁界面反射系数大于0.8时,出现强的绕射波;洞壁界面反射系数为0.3～0.4时,出现中等-弱绕射波。

表1 溶洞模型中充填物的性质和弹性参数

图2 12个不同充填物溶洞模型正演模拟地震记录偏移剖面

图3a是12个不同充填物溶洞模型正演模拟地震响应短反射的振幅谱(图中红色曲线是含油溶洞的谱线,蓝色曲线是含水溶洞的谱线);图3b是其中M8(充水)、M9和M10(充油)溶洞振幅谱的单独显示,用以说明充油溶洞和充水溶洞的振幅谱差异。

由图3可以看出:①12个溶洞模拟地震响应的振幅谱的谐振频率(主频)均为20Hz,与正演所用雷克子波的谐振频率一致;②充填固态物质的M1至M7溶洞,振幅极值是充填流体溶洞的1/3,甚或更小;振幅谱基本没有出现次级极值,整体的振幅变化率较小(斜率小);③充填油和水的M8至M12溶洞,振幅谱出现了次级极值,高边频带的振幅变化率(斜率)大;④充填液态油的M9和M10溶洞的振幅谱在高频部分振幅变大,大于充填水的M8溶洞的振幅谱(图3b)。

图3 12个不同充填物溶洞模型(a)及其中3个充填油和水溶洞模型(b)正演短反射的振幅谱

2 含油与含水缝洞型储集体的频谱特征

不同充填物溶洞模型的正演模拟结果表明,利用高频段振幅谱差异可以区分充油溶洞和充水溶洞,实际地震数据和井中资料分析是否能得到相同或相似的结果呢？对塔河油田十区的30口井井旁地震道对应产层的频谱差异特征(图4)与油水关系进行分析。

分析图4可以看出:①溶洞型储集体油井和水井井旁地震道振幅谱的优势频带(主频段)为强振幅;优势频带弱振幅与坍塌洞穴型和非溶洞型储集体的相对应;②高于优势频率的高频段相对强振幅指示与溶洞型有关的油井;③谐振频带中、低振幅指示非溶洞或坍塌(充填)洞穴储集体,其中相对强振幅指示含油储集体,相对弱振幅则指示干井。

井旁地震道反射波振幅谱的这些特征与正演模拟的振幅谱有很好的相似性,即优势频带的强振幅、高于优势频率频段的相对强振幅与油井关系有很好的对应,说明振幅谱的这些特征可以用来识别碳酸盐岩缝洞型储集体的含油性。

图4 塔河油田十区不同类型储集体的油、水井井旁地震道振幅谱特征(红色谱线为油井(即油水井);蓝色谱线为水井;黑色谱线为干井)

实际地震数据和井中资料的分析结果表明,优势频率(主频)段振幅是区分充填流体洞穴与坍塌-充填洞穴的主要依据;溶洞型储集体含油、含水的高频段频谱特征差异大,30Hz以上的高频段振幅的差异是区分含油和含水的主要标志。也许因为在地震处理过程中低频成分被滤掉,而凸显了高频特征差异,即高频成分的振幅、高频段振幅变化率,以及由此产生的频带宽度变化非常明显,可以更好地表征频谱特征的差异,因而在识别油和水方面,高频特征较之于低频特征更为有效。因此,优势频率(主频)振幅、优势频宽(主频段)、高频段振幅梯度、频带宽度等可以作为缝洞型储集体识别油和水的敏感属性。根据振幅谱的这些特征即形成了如图4右侧所示的缝洞型储集体油水识别模式。

3 塔河油田缝洞型储集体HFC油水识别

在塔河油田托普台地区和十区进行缝洞型储集体HFC油水识别试验。分别利用21口和19口已知井作为样本井,对各200km2三维地震数据进行HFC技术的应用研究。选用了高频梯度(高频段振幅变化率)、梯度截距、谐振能量、频谱积分能量,以及20,25,32,40Hz谐波振幅等8种HFC属性,进行交会分析。

图5是托普台地区19口样本井的高频梯度直方图。高频梯度(人们常将其称之为“衰减梯度”)通常被认为是识别油水的重要属性,但由图5可以看出,根据高频梯度单一属性并不能正确区分油和水。因此,需要用多种HFC属性进行综合分析才可以更好地识别碳酸盐岩缝洞型储集体中的油和水。图6为托普台地区8种HFC属性交会分析方法,图中同时给出了每种属性的数值范围(门槛值)。

图5 塔河油田托普台地区19口样本井的高频梯度直方图显示

图6 托普台地区8种HFC属性交会分析方法

多种HFC属性的交会分析得到表征油水展布的HFC异常值。图7给出了托普台一条连井测线的地震剖面和油水识别的HFC异常剖面,剖面上标注了已知样本井的含油水性。由图7可见,在地震剖面上与油井对应的是许多强的串珠,但也有与水井相对应的。在油水识别的HFC剖面上,与油井对应的串珠以强HFC异常出现;而与水井对应的串珠,则是较弱的HFC异常。图8 是托普台T74面下32ms油水识别的HFC异常平面切片，可以看到HFC异常的平面展布呈网络状特征,与下古生界的断裂体系(图中粉色线)有较好的一致性(图中北西向是加里东期断裂,北东向是海西期断裂,近东西向是喜山期断裂)。

对塔河油田托普台地区和十区HFC识别的结果用验证井(盲井)进行验证,其中托普台16口验证井,十区27口验证井。在这两个研究区合计43口验证井中,实钻油井22口,占51.2%。HFC油水识别分析的结果,在43口井中共识别出油井28口,油水井1口,水井和干井14口。识别出的29口油井中,实际钻遇油井22口,识别符合率达到75.9%;识别出的14口水(干)井实钻为13口,识别符合率达到92.8%以上;油井和水(干)井总的识别符合率达到81.4%。

图7 塔河油田托普台地区一条过井测线的地震剖面(a)和油水识别的HFC异常剖面(b)

图8 塔河油田托普台地区T74面下32ms油水识别HFC平面切片及下古生界断裂系统(粉色线)

这些应用结果证明瞬时谐频特征(HFC)分析技术在塔河油田进行碳酸盐岩缝洞型储集体油水识别效果良好,取得了较高的油层和水(干)层识别率,有利于提高开发井的成功率,降低碳酸盐岩缝洞型油藏的开发成本。

4 结论

1) 瞬时谐频特征(HFC)油水识别技术以频谱特征的差异辨识薄储层(体)的含油气性。以已知井的含油气性与产层段井旁地震道反射波频谱特征差异的相关性建立油水识别模式,据此选择出多个敏感HFC属性,用来表征频谱特征差异;确定敏感属性的数值范围(门槛值)并进行交会分析,得到指示油水分布的HFC异常。

2) 正演模拟研究与实钻井井旁地震道的HFC分析结果表明,缝洞型储集体在含油和含水时,其频谱特征具有较大的差异,即优势频带振幅、高于优势频带的高频段的振幅、优势频带宽度以及高频段振幅变化率(高频梯度)存在明显差异。通过多个敏感HFC属性的综合分析可以辨识缝洞型储集体中的油和水。

3) 对塔河油田托普台地区和十区两个研究区的碳酸盐岩缝洞型储集体进行HFC油水识别,对其结果用43口井(盲井)验证,符合35口井,识别符合率达到81.4%。

本文应用研究的结果表明,HFC技术是塔河油田碳酸盐岩缝洞型储集体油水识别的一种有效的新方法技术。

参 考 文 献

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