地震岩石物理分析在致密砂岩储层预测中的应用

边 婧

(大庆油田有限责任公司第六采油厂,黑龙江大庆 163000)

地震岩石物理分析在致密砂岩储层预测中的应用

边 婧

(大庆油田有限责任公司第六采油厂,黑龙江大庆 163000)

松辽盆地北部发育典型非常规致密砂岩油,基于“甜点“储层地震预测实际需求,采用面向储层预测的测井数据评价、岩石物理扰动模拟和地震数据刻度技术,分析该地区致密砂岩储层地震岩石物理规律.结果表明:研究区致密孔隙介质的弹性特征变化主要受岩性和物性控制,岩性控制作用更大,孔隙流体影响小;利用纵波阻抗和纵横波速度比(或泊松比)双元弹性参数交会可识别“甜点“储层;基于岩石物理刻度的叠前AVO反演是实现“甜点“储层地震预测的有效途径.研究区水平井钻探实例证明,地震岩石物理分析在基础资料认识、优化,以及“甜点“储层地震预测中具有重要作用.

地震岩石物理分析;致密砂岩;“甜点“储层地震预测;水平井钻探;松辽盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.007

0　引言

地震岩石物理为利用地震信息预测地下介质岩性、物性及含流体性奠定物理基础.近年来,随着非常规油气资源勘探开发的逐步深入,以非常规储层岩石物理分析为基础的地震预测技术,在“甜点“储层分布预测和水平井目标设计中发挥日益重要的作用,成为研究的热点.

地震岩石物理学把岩石物理理论应用到地震勘探技术中,其核心内容为岩石物理建模,通过分析岩石微观结构对其宏观响应特征的影响,建立储层性质(岩性、物性和孔隙流体性质等)与岩石弹性参数关系,为从地震数据中提取岩石及其饱和流体性质奠定物理基础.目前,地震岩石物理模型众多,对不同的岩石微观结构和沉积成岩环境有不同的适用性模型,可分为经验模型[1-3]和理论模型[4-10].理论模型考虑岩石微观结构,在一定假设条件下通过内在的物理学原理建立通用关系,比经验模型更具有推广性.地震岩石物理分析是地震岩石物理学的实际应用,基于合适的岩石物理模型,通过分析岩心和测井数据,研究地震响应特征与储层参数之间的规律,指导地震技术优选,达到预测储层信息的目的.

在地球物理领域,地震岩石物理分析促进地震定量解释的进步[11].Acevedo H等[12]利用纵横波速度比(Vp/Vs)与岩性关系紧密的特征预测有利储层分布.Singleton S等分析岩石物理表明,研究区储层弹性参数异常是由泥质含量变化引起的,证明将岩石物理融合到储层描述中的必要性[13].Jenkinson T等[14]分析PP和PS反射特征差异、优选敏感参数等,为联合PP-PS叠前反演提供必要基础.对于非常规页岩气、致密砂岩油等储层,低孔低渗储层的岩性、物性、流体、TOC及裂缝等因素变化导致岩石物理规律更加复杂,必须针对特定的地质条件和实际数据开展研究,指导非常规“甜点“地震预测,为水平井部署实施提供支撑.Close D等[15]基于岩石物理分析解释地震叠前振幅数据的岩石力学信息,并将解释成果用于水平井轨迹设计和水力压裂施工方案规划.

松辽盆地北部齐家地区高台子油层致密砂岩油是非常规油气勘探的重要领域,随着近些年水平井钻探和大规模体积压裂技术的推广应用,使该地区致密砂岩油资源的经济有效动用成为现实.该地区缺乏致密砂岩储层地震岩石物理分析,制约“甜点“储层地震预测方法优选及有利区预测.笔者首先采用面向储层预测的测井数据评价、岩石物理扰动模拟和地震数据刻度技术,分析区域致密储层岩石物理规律;其次确定“甜点“储层预测方法;最后给出地震岩石物理分析与叠前弹性参数反演相结合的实际应用效果.

1　地质概况

研究区位于松辽盆地北部中央坳陷区齐家凹陷,高台子油层位于青山口组主力烃源岩范围,该地区砂岩储层普遍含油,是致密砂岩油发育的有利层位;受北部物源体系影响,为大面积三角洲前缘亚相沉积,主要发育分流河道、河口坝、席状砂等砂体,砂地比在40%～70%之间,单砂层厚度一般在0.3～2.0 m之间,孔隙度主要分布在6%～12%之间,渗透率主要分布在(0.1～1.0)×10-3μm2之间,平均为0.5× 10-3μm2,属于低孔特低渗储层.该地区已开发工业油井显示,砂体发育、物性相对较好的储层是获得高产的关键,也是地震勘探的“甜点“储层.

2　储层预测关键技术

2.1面向储层预测的测井数据评价

地震技术人员通常将测井数据作为硬数据直接使用,但是测井是间接测量岩石属性,测井数据质量易受井眼垮塌、泥浆侵入,以及不同年代/不同测量仪器系统误差等因素影响.因此,必须对测井数据进行预处理,校正后的测井数据才可用于岩石物理规律分析、正演模拟和储层预测.数据评价主要包括测井资料预处理、单井环境校正和多井一致性校正.

单井环境校正主要处理井眼垮塌等非地层因素引起的密度和声波曲线异常,多井一致性校正主要处理不同年代/不同测量仪器的系统误差.文中采用多元线性拟合方法实现单井环境校正,利用受井眼环境影响小的电阻率、自然伽马等曲线,拟合井眼垮塌处的密度和声波曲线;采用直方图概率统计方法,实现多井一致性校正,消除同一地层不同井响应差异大的现象,并在统计分析时考虑构造压实趋势的影响.速度和密度测井曲线经单井环境校正后的岩石物理模型诊断见图1,其中理论线通过硬砂岩模型计算得出.该硬砂岩模型与未胶结砂岩模型[6]类似,不同的是前者在求取不同孔隙度有效模量时采用Hashin-Strikman上边界,使构建的孔隙介质骨架刚性更强,适合于研究区致密的碎屑砂岩.由图1可见,单井环境校正后数据点变化趋势符合岩石物理模型规律,表明单井校正具有合理性.

图1　单井环境校正数据的岩石物理模型诊断Fig.1 Rock physics model diagnosis of logging data from single well log conditioning

多井弹性参数交会分析见图2,其中根据区域岩石物理规律评价测井曲线综合校正效果.由图2可见,校正后区域岩石物理规律特征明显,各种地震岩相在双弹性参数空间域中分布合理、更加集中,有利于认识储层弹性参数规律.

2.2岩石物理扰动模拟

储层地震预测中,最关心岩性、孔隙度及孔隙流体变化引起的弹性参数和地震响应变化.理解岩石性质与地震特性的关系,有助于指导岩性、物性预测及流体检测.流体置换是岩石物理学研究的重要方法[16],提供储层流体识别及定量化工具.在超薄互层情况下(薄层厚度小于0.5 m),常用的Gassmann流体置换方法得到的流体作用可能被放大[13].对超薄互层砂泥岩沉积条件,考虑到流体仅在砂岩层中发生改变,基于泥质体积分数解释,调整Gassmann流体置换结果[13]:

式中:R为Gassmann流体置换前后弹性参数变化;Vshale为泥质体积分数;K为体积模量;ρ为密度;下脚标old和new分别表示层状流体置换前后的弹性参数.采用层状砂岩流体置换技术,模拟不同流体条件下的弹性参数变化和地震响应变化结果见图3.

图2　多井弹性参数交会分析Fig.2 Multi-well crossplot analysis to evaluate final correction results

图3　流体置换分析Fig.3 Fluid substitution

G31和G41界面测井弹性参数曲线变化结果见图3(a),其中第2道至第4道分别为含水饱和度(红色线)、泥质体积分数(棕色线)和孔隙度(蓝色线);第5道和第6道分别为纵波阻抗和泊松比,其中黑色和红色线分别为流体置换前、后弹性参数曲线,置换后孔隙流体体积分数为20%水和80%油;最后2道分别为置换前原始合成道集和置换后合成道集.由图3(a)可见,随着含油饱和度(第1道)的增加,纵波阻抗减小,泊松比减小,但变化幅度很小.G41界面流体置换前后AVO(振幅随偏移距变化)曲线变化结果见图3 (b).由图3(b)可见,当含油饱和度增加时截距轻微减小,梯度基本不变,置换前后的地震响应变化不大.

低渗透油藏或致密砂岩油藏的流体地震检测较为困难,对于油水情况,岩性及孔隙度的地震响应规律更为重要,可有效指导“差中选优“储层预测.岩性置换分析结果见图4,显示岩石骨架成分构成变化时弹性参数曲线及地震响应的变化,扰动模拟实验采用硬砂岩理论模型,通过改变模型中骨架矿物体积分数构成实现.图4(a)中第1道为泥质体积分数;第2道至第5道分别为密度、纵波速度、横波速度和泊松比.根据区域沉积岩性特点,分别考虑钙质体积分数增加15%、砂岩体积分数增加15%和泥质体积分数增加15%的情况.前一种情况为砂岩体积分数保持不变,泥质体积分数减小15%,钙质体积分数增加15%;后两种情况为泥质体积分数和砂岩体积分数相对变化,钙质体积分数保持不变.由图4(a)可见,当泥质体积分数增加时,密度减小但变化不大,纵波和横波速度减小,泊松比增大.当钙质体积分数和砂岩体积分数增加时,两者的弹性曲线变化趋势相同,即密度增大,纵波和横波速度增加,泊松比减小,但前者纵波速度和泊松比高于后者,横波速度低于后者.在AVO曲线上看到G41界面上岩性变化引起AVO响应变化明显(见图4(b)).在砂岩体积分数增加和钙质体积分数增加所表现的弹性特征与图2(b)一致(见图4(c)),说明理论模型和实际数据匹配良好.虽然图4(c)和图2(b)的纵坐标不同,但是纵横波速度比和泊松比之间为正相关关系,不影响变化趋势.岩心资料显示,钙质体积分数越多,岩石物性越差,表现为越致密,大部分含钙砂岩的钙质体积分数在10%～30%之间(见图2(b)).

图4　岩性置换分析Fig.4 Lithology substitution

G31和G41界面孔隙度置换分析见图5,其中显示孔隙度分别减少4%、增加4%和增加8%时弹性参数曲线和地震响应的变化,实验基于硬砂岩理论模型实现,通过改变骨架孔隙度实现扰动模拟.受地质沉积条件限制[17],孔隙度与含水饱和度、岩性体积分数之间存在一定关系,因此在孔隙度置换时,要建立它们之间的关系(文中采用线性关系),在改变孔隙度时岩性及饱和度也有一定程度的变化.由图5可见,随着孔隙度增加,速度和密度减小,泊松比增大,AVO响应特征变化较为明显.

地震振幅属性通常用于预测砂体厚度或砂岩发育程度.G31和G41界面砂岩储层厚度变化时的地震响应特征见图6.由图5和图6可见,基质孔隙度增加与骨架柔性成分(泥质)增加引起的AVO曲线变化趋势相似,弹性参数曲线变化也表现出类似特征.根据区域实际储层特点,平均孔隙度为9%,变化范围不大于8%;岩性变化的范围更大一些,如从砂岩一泥质砂岩一砂质泥岩(岩石成分体积分数变化大于15%),岩性的影响程度高于物性的.由岩石骨架和孔隙流体扰动正演模拟分析可知,岩石的宏观弹性特征变化主要受岩性控制,其次为物性,流体的作用很小.可利用纵波阻抗、纵横波速度比(或泊松比)弹性参数的差异识别相对高孔砂岩,即“甜点“储层.

图5　孔隙度置换分析Fig.5 Porosity substitution

2.3地震数据刻度

研究区复杂的薄互层地质条件,采用正演模拟方法,分析地震振幅强弱变化与砂体厚度、砂岩组合之间的关系(见图6).该正演通过复制实测速度和密度曲线增加或减少砂岩储层厚度,除修改曲线部分外,其余部分不变.第1道至第3道分别为泥质体积分数、纵波速度和密度;第4道和第5道分别为厚度改变前、后垂直入射合成记录;第6道和第7道分别为变化前、后合成道集.在图6(a)和(b)中,A处原始单砂体厚度从3 m变为6 m,B处原始单砂体厚度从2 m变为4 m.A和B处砂体厚度增加,增强地震反射能量.在图6(c)和(d)中,C和D处分别为1 800～2 000 m砂层组(夹泥岩)曲线向下和向上复制,显示调谐作用的复杂性使地震反射信号能量难以反映砂岩储层厚度变化,因为1 800～2 000 m砂层组保持不变,上下围岩变化时地震振幅特征发生改变.正演实例表明,虽然地震振幅强弱与砂体发育有一定关系,但是利用地震振幅属性信息进行砂体识别有较大风险和不确定性.此外,由图2可见,含钙砂岩与渗透砂岩之间、砂岩与泥岩之间可产生阻抗差异,引起振幅变化,进一步增加利用地震振幅信息进行砂体识别、厚度预测的风险.降低预测风险应结合地震反演技术,一方面反演结果能够部分消除子波调谐作用,另一方面反演得到的地层弹性信息可更直接反映储层属性.

岩石物理模拟及正演分析结果表明,利用叠前反演得到的弹性参数(纵波阻抗和纵横波速度比双参数交会)可实现“甜点“储层的预测.预测过程需要根据岩石物理解释图版对地震反演数据进行刻度.岩石物理解释图版具有明确的地质信息和地震信息,以及广泛的应用范围,可对测井数据和反演结果做出岩性、物性和孔隙流体解释[18-19].纵波阻抗为横坐标、纵横波速度比为纵坐标的岩石物理解释图版见图7,该图版已通过研究区实际测井数据和置换数据(图2(b)和图4(c))综合分析标定.流体性质采用Batzle-Wang模型,混合流体地震属性采用均匀等效模型;干骨架地震属性计算(岩石物理模型选择)是建立岩石物理解释图版的核心,采用Xu-White砂泥岩模型.由于岩石物理图版为趋势控制,所以理论线与实际测井数据不要求完全吻合.

图6　砂岩储层厚度变化下的地震响应特征分析Fig.6 Seismic response analysis when the variation of sandstone reservoir thickness

3　“甜点“地震预测应用

研究区地震岩石物理分析在叠前反演“甜点“预测及水平井实施中的应用效果见图8.

在岩石物理分析基础上,由图7的岩石物理图版实现对叠前弹性参数反演结果的解释.根据实际井资料和岩石物理模型分析结果,在岩石物理图版上确定泥质体积分数小于35%、孔隙度介于9%～20%的多边形(见图8(a)左上角),解释为最有利的高孔隙砂岩弹性属性变化范围.基于岩石物理图版刻度的叠前反演储层预测结果见图8(a),叠前弹性参数反演采用叠前AVO同步反演技术.研究区物源方向为近北向,“甜点“储层主要发育于地震工区西北部及东南部,西南部不发育.结合探井情况,建议划分三个有利区(见图8(a)):Ⅰ区“甜点“分布集中,有两口工业油井,是设计水平井目标的最佳位置;Ⅱ区“甜点“分布呈条带状,较为零散,有一口工业油井和一口低产井,可作为下一步重点井位部署区;Ⅲ区有两口井见油气显示,由于处于构造陡坡,断层发育,需要结合成藏因素综合分析,确定勘探目标.

图7　纵波阻抗与纵横波速度比交会岩石物理解释图版Fig.7 Rock physics template with elastic parameters crossplot of P-wave impedance vs.Vp/Vs

图8　有利区预测及水平井轨迹Fig.8 Predicted favorable domains and horizontal well trajectory

在有利区Ⅰ设计的水平井平面位置见图8(b).该设计被采纳且已完钻,采用纵横波速度比平面属性设计井轨迹,纵横波速度比可较好地指示相对高孔砂岩的发育状况.该水平井的剖面轨迹见图8(c),虽然实钻轨迹与设计轨迹在入靶点有偏差,但水平段穿过储层.该水平井水平油层钻遇率为98.4%,压裂后初期平均油产量达到30 t/d,远高于相邻直井平均油产量(3 t/d).这说明地震岩石物理分析和叠前弹性参数反演的综合应用,为该地区致密砂岩油的动用提供了技术支持.

4　结论

(1)在超薄互层条件下,采用层状砂岩流体置换技术能合理地体现孔隙流体变化条件下储层弹性参数及地震响应参数.

(2)致密砂岩储层孔隙流体变化引起的地震响应往往很小,骨架参数(孔隙度和岩性)置换尤为重要,用于评价地震叠前振幅数据的预测能力及“甜点“储层预测的敏感弹性属性选取.

(3)振幅属性、叠后反演波阻抗等常规地震叠后信息无法满足致密砂岩“甜点“储层预测需要,由地震叠前弹性参数反演得到的纵横波速度比对研究区“甜点“储层的识别起关键作用.

(4)地震岩石物理综合分析与叠前弹性参数反演综合应用,是实现致密砂岩“甜点“储层预测的有效途径.

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TE132.1,P631

A

2095-4107(2015)05-0063-09

2015-07-08;编辑:张兆虹

中国石油天然气股份公司重大科技专项(2012E-2603-04)

边 婧(1979-),女,硕士研究生,工程师,主要从事井震结合储层精细描述方面的研究.