基于AVO属性体的含气指数反演在致密砂岩储层的应用

张红霖

(中国石化中原油田分公司 物探研究院，濮阳 457001)



基于AVO属性体的含气指数反演在致密砂岩储层的应用

张红霖

(中国石化中原油田分公司 物探研究院，濮阳 457001)

川东北须家河组为一套砂泥岩互层的陆相碎屑岩沉积，砂岩极其发育，但物性差，属于特低孔低渗储层，此类砂岩储层含气后，纵横波速度、密度等弹性参数没有明显变化，地震波形等异常特征微弱，仅利用叠后地震属性不能有效地进行含气检测；此外，通过流体替换试验以及正演模拟证实了该区地层含气后所引起的AVO异常较为微弱，对含气区域的刻画能力也有限。根据钻、测井资料分析可知，该区砂岩储层含气之后会引起声波时差测井值一定程度的增大，中子明显下降，有较为明显的挖掘效应。因此，这里利用中子-声波测井曲线交汇重构含气指数曲线，在AVO属性体的基础上进行含气指数反演，突出AVO属性异常，增强了AVO属性对含气性的预测能力。

AVO反演； 流体替换； 正演模拟； 测井曲线重构； 含气检测； 致密砂岩

0 引言

随着油气勘探技术的发展，含气检测[1,5,7-8]的方法层出不穷，在地震剖面上直接识别出油气藏是地震勘探多年来一直追求的目标。研究资料表明，储层含油气与否会在岩石物理性质(弹性模量、密度、吸收特点等)上有所反映，而岩石物理性质(如弹性模量)在地震波速(纵波和横波)上有不同的体现特征，这些特殊的地球物理响应就成为利用地震资料进行油气检测的主要依据。

根据油气检测所利用的地震数据的不同可分为叠前和叠后两大类属性。叠后属性主要是利用振幅和频率两种属性[13]，由于地下地质模型复杂多样，受制于地震分辨率因素常常出现不同地质模型产生相同的地震指示，属性数据与真正的地质模型可能不一致，导致利用叠后振幅、频率等属性进行含气检测存在较强多解性，例如曾经风靡一时的亮点技术[1,8]有过一些成功的案例，也存在很多陷阱。随着Zoeppritz方程的数学近似式的不断涌现，AVO技术作为油气检测技术已趋于成熟，它保留了振幅随着偏移距的变化特征，在地震岩性分析和油气检测方面扮演相当重要的角色，并迅速得到普及和应用，亮点已经发展成了AVO的一部分。

AVO技术虽然存在自己的优势，国内、外利用该技术检测油气有很多成功的实例(如墨西哥湾)，但也有不少失败的教训。地震道集信噪比、孔隙流体饱和度等多重因素将会严重影响AVO反演结果的可预测性，此时，采用常规的AVO反演技术识别流体[2,4]的精度会大大降低。

众所周知，地层含气后存在“挖掘效应”，天然气的存在会引起岩石密度的异常，同时也会引起声波时差测井值的增大，中子测井读数下降，挖掘效应明显时会出现负值，这种“挖掘效应”成为测井解释人员对气层做出解释的重要依据。基于此，研究中采用基于AVO属性体的含气指数反演，对川东北须家河组致密砂岩储层的含气性进行定性预测，在AVO属性体的基础上加入测井数据等地质规律的控制，对含气性进行一个很好地预测。随后的钻探结果以及试气等数据显示，该预测结果与实钻井高度吻合，证实该方法具有较好的应用前景。

1 致密砂岩储层特征

川东北须家河组主要为三角洲前缘及三角洲平原相沉积，先后经历了印支期、燕山期与喜山期的改造，多期构造运动造成研究区内河道改道频繁，多期河道叠置，主要发育“砂包泥”的地层结构，砂岩极其发育，厚度巨大且横向分布较为稳定，砂地比最低为0.37，最高达0.72，平均为0.5左右。相对于海相地层，须家河组含气性相对较差，呈现出“满盆含气、局部富集”的特征[10]，呈土豆状分布。

研究区目的层须家河组须四段埋深一般在3 500 m～4 500 m，主要有岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑(或岩屑长石) 石英砂岩、钙屑砂岩和砾岩等。钻井、测井、录井以及试气结果显示含气丰度低，因此，烃类检测有着举足轻重的作用。

2 储层预测原理

基于AVO属性的含气指数反演主要步骤：构建合理的岩石物理模型，通过流体替换试验以及道集正演模拟分析储层含气敏感属性，分析含气层测井曲线特征，根据含气地层的“中子挖掘效应”[12]，利用中子—声波重构含气指数曲线，在AVO敏感属性体的基础上，以含气指数曲线作为约束进行反演，获得含气检测结果。

2.1 流体替换

流体替换[6]是以岩石物理分析为基础开展的一项研究，其目的是将原状地层中所含的实际流体(由试油试气、测井解释、录井资料等成果联合提供)替换成其他流体，储层本身的骨架参数保持不变[3,11]，通过Gassmann方程[9]计算不同流体饱和度情况下的弹性参数，包括纵横波速度、密度等，然后利用不同流体饱和度替换结果合成AVO道集模型，并与实际井旁道集进行分析，优选出实际区域内流体敏感因子。

Gassmann方程：

(1)

(2)

式中： Vs为S波速度；Vp为P波速度；ρ为密度；φ为孔隙度；Kdry为干岩体积模量；μdry为干岩剪切模量；Kma为基质物质(颗粒)的体积模量；Kfl为孔隙流体的体积模量。

2.2 含气指数曲线重构原理及步骤

在含气地层中，中子测井的孔隙度响应比地层真实含气指数小的现象称为挖掘效应。将中子和声波测井曲线按孔隙度刻度重叠在一起，气层幅度差明显，中子和声波曲线在气层处会呈明显“镜像”特征。因此，利用中子与声波曲线在气层处的“镜像”特征来进行含气指数曲线重构，同时进一步为了消除岩性的影响，采用自然伽马曲与孔隙度曲线进行约束，剔除泥岩与非储层[14-15]。具体步骤为：

1)中子和声波曲线按孔隙度刻度进行重叠，使非含气砂岩段重合，则含气砂岩段种子和声波曲线呈现明显镜像特征。

2)将所显示的中子、声波曲线进行标准化到同一刻度范围(如0～100)。

3)用标准化后的声波测井曲线减去中子测井曲线。

4)用自然伽马(如GR<70)以及孔隙度(如por>2.5)曲线作为约束，去掉泥岩以及非储层段的影响。

通过上述步骤，我们就得到了含气指数曲线，在含气砂岩段含气指数曲线的值大于0，含气丰度越大，挖掘效应越明显，含气指数越大，地层含气的可能性越大。

3 应用效果分析

根据上述储层预测的研究思路，针对须家河组须四段致密砂岩储层进行AVO属性的含气指数反演，形成相关的储层预测技术流程。

3.1 流体替换及正演模拟分析

已知研究区内有f1、sm1、sm101、sm102、tb1、lb1等六口探井以及两口评价井A、B，其中f1井含气性相对较好，在须四I砂组试气产量为1 330 m3/d，sm101在该砂组测井解释为26.0 m/4含气层，sm1井为干层、水层，sm102井位12.3 m/2气层。

对工区须家河组进行AVO属性反演，首先进行流体替换试验，图1为三个不同岩性组合的地质模型的AVO特征分析图。

根据岩石物理分析，三个模型的参数设置如下：

1)模型1(泥岩与干砂岩界面AVO特征分析)：

上覆地层为泥岩，其参数为Vp=4 876 m/s，Vs=2 719 m/s，Rho=2.593 g/cm3。

下伏地层为干砂岩，其参数为Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

2)模型2(干砂岩与孔隙度为10%的含气砂岩界面AVO特征分析)：

上覆地层为干砂岩，其参数为Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地层为孔隙度=2.5%的气层，Vp=5 102 m/s，Vs=3 154 m/s，Rho=2.622 g/cm3。

3)模型3(干砂岩干砂岩与孔隙度为25 %的含气砂岩界面AVO特征分析)：

图1 不同地质模型AVO特征分析Fig.1 The AVO analysis of different models(a)模型1; (b)模型2;(c)模型3;(d)、(e)三个模型界面的AVO特征分析图

上覆地层为干砂岩，其参数为Vp=5 157 m/s，Vs=3 262 m/s，Rho=2.63 g/cm3。

下伏地层为孔隙度=4%的气层，Vp=5 032 m/s，Vs=3 106 m/s，Rho=2.613 g/cm3。

图1(d)为三个不同模型界面的AVO响应特征曲线图，纵轴为反射系数，横轴为地震波入射角，图1(e)为AVO特征的另一种显示方式，横轴为截距，纵轴为梯度。

从图1中可知，该区从泥岩到砂岩的界面有II类AVO响应存在，入射角从10°以后变化的斜率较大，异常较为明显，因此利用AVO属性能够对岩性进行很好的识别。砂岩中含气后，从干砂岩到气层的界面有IV类AVO响应存在，但是变化的斜率都非常小，特别是入射角在15°之前，在孔隙度2.5%、4%的地层中，反射波的能量几乎没有变化，因此仅仅利用AVO属性很难对含气性进行有效的预测。

在此基础上，对f1井须四I砂组顶部试气层段(2 524.5 m～2 553 m)进行流体替换及道集正演分析(图2)。图2中从左到右依次为纵波速度曲线道、横波速度曲线道、密度曲线道、原始道集地震道、100%含水正演道集地震道、100%含气正演道集地震道，替换结果显示含气饱和度的变化并没有引起纵横波速度的明显变化，相对而言，密度的异常更为明显，饱含气之后密度有减小的趋势，饱含水地层密度呈现出增大的趋势，但异常幅度仍然很小，饱含气与饱含水两种情况密度相差0.03 g/cm3左右，很难根据弹性参数对地层流体性质进行预测。

利用原始、饱含水以及饱含气曲线进行道集正演，对比三个道集(图2)可知，地层流体饱和度的变化并不能引起明显的地震响应异常。提取该砂组顶、底部振幅特征曲线(图2右下角)，三种不同流体饱和度道集振幅曲线并没有明显差异，因此，也很难通过振幅异常来预测地层流体性质。

为了进一步分析地层流体敏感性，我们提取原始(蓝色)、饱含水(绿色)、饱含气(暗红色)三个正演道集的AVO属性(图3)，结论显示在众多AVO属性中梯度与截距的乘积以及流体因子相对较为敏感(图3中红色方框内)，说明本区利用AVO属性进行含气检测具有一定的可行性，但从图中可知异常幅度较小，检测能力有限，多解性较强。

流体替换与道集正演分析的最终目的是优选含气敏感参数，为下一步的工作提供支撑，具有较强的指导意义。图3中AVO属性曲线显示P*G属性体相对较为敏感，但异常幅度较为微弱，图4为对AVO属性敏感性的定量分析，结果同样显示P*G属性对地层含气最为敏感，但异常仅为0.353，同样说明利用AVO属性检测地层含气性的能力有限。

蓝色为原始曲线 绿色为100% 含水曲线 棕红色为100% 含气曲线图2 f1井须四段流体替换及道集正演分析Fig.2 The fluid replacement and forward analysis based on the well f1 of Xu-4

图3 f1井须四段正演道集AVO属性曲线对比Fig.3 The comparison of AVO attributes from forward gathers

图4 AVO属性敏感程度对比分析Fig.4 The analysis of AVO attributes sensitivity of well f1

浅蓝色为气水同层 蓝色为水层 亮黄色为气层 棕色为干层图5 须四段P*G属性连井剖面与地震剖面对比Fig.5 The comparison between P*G and original seismic data

3.2 AVO属性反演检测含气性

由流体替换与道集正演分析可知，P*G属性对地层流体最为敏感，因此，利用AVO属性反演中的P*G属性对须四段流体进行预测。

图5(a)为P*G属性连井剖面与原始地震剖面对比，插入曲线为测井解释结果，从P*G剖面可以看出井点处P*G异常与测井解释结果吻合较差。

由图5(b)可以看出，反演结果受到地震振幅强轴影响较大，横向分布与形态与地震强轴极其相似，如图5中A、B、C三个椭圆处，反演结果与地震剖面强轴的分布高度相似，预测结果受地震强轴影响较为严重，而本区地震振幅的变化可能受到地层岩性及其组合、流体性质等多重因素的影响，因此，利用该结果进行流体检测能力有限，多解性较强。

图5中A、B、C三个蓝色椭圆处，P*G属性与原始地震剖面形态、分布范围等极其相似，AVO属性反演结果受到地震强轴严重影响

3.3 含气指数反演检测含气性

在此基础上，根据含气地层存在“挖掘效应”，利用中子―声波进行含气指数曲线重构。图6中，AC与CNL曲线重叠在一起显示，在含气层有明显的“镜像特征”，加入自然伽马曲线与孔隙度曲线的约束得到最终的含气指数曲线，在非储层段以及干层段，曲线值为“0”，含气层段曲线值大于“0”，含气指数曲线与测井解释结果高度吻合。以此曲线作为约束，在P*G属性体的基础上，进行测井约束稀疏脉冲反演，该方法不是一种基于模型的反演，测井曲线只提供低频补偿，反演结果更加尊重地震数据，因此，横向预测性更强。

图7(a)为P*G剖面，图7(b)为含气指数剖面，通过与井点处测井解释结论的对比，可以得出以下结论：含气指数在含气层呈正异常(图7中f1井须四I砂组，sm101须四段以及sm102须四段)，在水层段异常消失(图7中sm1井须四段)。

图7显示含气指数反演结果使P*G异常更加突出，降低了多解性，尤其是红色矩形区域中lb1井附近，在P*G剖面上杂乱无章，整个地层都呈现出较强的反射，没有明显异常规律可循，在含气指数剖面上该区域异常突出。整个连井剖面显示，含气指数正异常与测井解释结论吻合度较高，因此，通过含气指数反演，突出了AVO异常，降低了多解性。含气指数平面分布图也显示出含气层呈现出含气指数较大值，水层有一定的异常，但很微弱，干层不会出现异常，与已钻井测井解释结果吻合率较高，对地层流体进行检测具有较强的可靠性与可预测性。

为了对须家河组产能进行评价，设计了一口评价井A井，该井是以须四III砂组为目的层的一口水平井，其钻后显示与试气结果等与含气指数预测结果高度吻合。

图8中显示，在P*G剖面上，异常不突出，整个地层都呈现出强轴反射，很难根据P*G属性对地层流体性质进行预测；而在含气指数剖面上，该井水平段正好钻遇一层较强的正异常顶部，根据该预测结果，经与工程单位结合，合理设计压裂方案，最终该井获得29 000 m3/d ～33 000 m3/d的气流，在该区块须家河组取得新的突破，进一步说明该方法具有较好的应用前景。

4 结论

基于流体替换以及道集正演分析了川东北须家河组AVO含气检测的敏感属性-P*G属性(梯度与截距的乘积)，并通过对相关参数异常幅度定量化分析以及AVO属性反演结果与井对比认为利用AVO属性对该区须家河组进行流体检测具有一定可行性，但检测能力有限，多解性较强。

此外，根据测井曲线分析中该区须家河组含气地层对中子存在一定程度的“挖掘效应”现象，利用中子―声波重构含气指数曲线，对P*G属性进行测井约束反演，对比常规AVO属性反演发现基于AVO属性体的含气指数约束反演能够突出异常，消除岩性等的影响，对区域内的含气性进行更加可靠地预测。研究区内的钻后试气等情况也进一步证明该结果预测性精度较高，具有较好的应用前景。

图6 f1井含气指数曲线重构Fig.6 The gas-bearing index curve reconstruction of well f1

图7 须四段P*G与含气指数连井剖面对比以及含气指数平面分布图Fig.7 The comparison between P*G 、 gas index and the plan(a)P*G剖面;(b)含气指数剖面；(c)含气指数平面分布图

图8 过A井须四段P*G剖面与含气指数剖面Fig.8 The comparison between P*Gand gas index near the well A(a)P*G剖面；(b)含气指数剖面

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Inversion of gas-bearing index based on AVO attribute and its application in compact sandstone reservoir

ZHANG Hong-lin

(Geophysical Research Institute of Zhongyuan Oil Field,Puyang 457001,China)

Xujiahe Formation in northeast Sichuan is a set of sand shale interbedded clastic deposition of terrestrial facies, which has developed sandstones with poor physical properties, belongs to reservoir of low porosity and low permeability. In gas-bearing sandstone reservoir, there are no obvious changes in rock elastic parameters such as density, velocity of P- and S-waves, and the anomaly characteristics of the seismic waveforms is weak as well, so it cannot do gas detection effectively only by using post-stack seismic attributes. Meanwhile, fluid substitution test and forward simulation confirmed that the AVO anomaly caused by gas is relatively faint, this also result in the limited ability of depicting gas-bearing area. According to drilling and logging data, the acoustic time logging value has a certain degree of increase caused by the gas in sandstone reservoir, whilst neutron declines obviously, as well as obvious excavation effect. Therefore reconstructing gas-bearing index curve by using the neutron-acoustic logging curve intersection, together with inversion of gas-bearing index based on AVO attributes, can enhance AVO attribute anomaly and its prediction ability of gas-bearing.

AVO inversion； fluid substitution； forward simulation； logging curve reconstruction； gas-bearing detection； compacted sandstone

2015-06-16 改回日期：2015-07-22

张红霖(1985-)，女，工程师， 主要从事地震地质综合研究方面的工作，E-mail：15939354800@qq.com。

1001-1749(2016)05-0647-09

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A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.12