基于EEI反演的流体检测技术在西湖凹陷平北区的应用*

李 键 胡 伟 黄 鋆

(中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335)

经过几十年的发展，地震反演技术已经实现由叠后地震反演到叠前地震反演的跨越。叠后地震反演技术如今已经相当成熟，并且取得了较好的应用效果，能在一定程度上预测地层岩性、物性的变化规律，但由于缺乏叠前地震数据所包含的能够反映岩性、含油气的AVO信息，应用叠后反演方法很难获得对流体敏感的泊松比、横波速度等关键参数，也难以满足储层定量描述的要求[1]。1999年之后，叠前反演技术得到迅速发展，其中以弹性阻抗反演和归一化的扩展弹性阻抗(EEI)反演[2-3]最具代表性。通过与Zoeppritz近似式的比较，Connolly[2]率先提出了弹性波阻抗(EI)的概念，并且推导出了弹性阻抗公式，该公式利用不同入射角的地震叠加数据，保留了地震资料的AVO信息，使得AVO反演可行有效，弹性阻抗理论得到了广泛的应用和发展[4-7]。2002年，Whitcombe[3]对弹性阻抗公式进行了归一化处理，解决了Connolly弹性阻抗数值和量纲随入射角度改变而剧烈变化的情况，使得弹性阻抗值与叠后波阻抗在一个数量级上，便于两者之间的比较。针对弹性阻抗对应的地震反射系数可能大于1的情况，Whitcombe[8]等用正切函数替换正弦函数的方法，控制反射系数在[-1,1]之间，使得地震记录更符合实际情况，并推导出了扩展弹性阻抗方程，直接用于岩性、物性和流体的预测。与此同时，国内许多专家在弹性阻抗方面也进行了大量研究，在勘探和开发中取得了一定成效[9-14]。

西湖凹陷平北区常规构造油气藏已勘探殆尽，需向构造-岩性复合油气藏勘探转变。该区主力油气层平湖组埋藏深，具有低孔低渗特征。图1为平北区实际地层弹性参数正演模拟得到的截距、梯度与孔隙度交会图，可以看出砂岩孔隙度约为14%，分布在弱振幅区，表现为Ⅱ类AVO响应。由于砂泥岩正好处在速度转换带，波阻抗差异小，而含气饱和度增大会进一步弱化这种差异(图2)，这也导致储层物性、流体变化所指示的地震响应规律复杂，应用常规的AVO技术、纵横波速度比、泊松比方法都不能很好地识别流体。因此，本文提出在西湖凹陷平北区利用扩展弹性阻抗反演进行流体检测，预测结果与实钻结果吻合较好。

图1 平北区地层弹性参数正演得到的截距、梯度和孔隙度交会Fig .1 Crossplot of intercept,gradient and porosity in Pingbei area

图2 平北区典型砂岩正演地震响应Fig .2 Seismic modeling of typical sandstone in Pingbei area

1 基于EEI反演的流体检测技术原理

弹性阻抗反演的理论基础是Zoeppritz方程简化式。假设入射角在临界范围内，Aki-Richards[15]简化式为

(1)

当入射角为零时，反射系数为

(2)

针对入射角不为零时的反射系数，Connolly构建了一个与声阻抗类似的方程

(3)

式(3)中：θ为入射角；EI为弹性阻抗。

联立式(1)和式(3)，即可得到弹性阻抗公式

(4)

式(4)中,K为相邻层的横纵波速度比的平方，其表达式为

(5)

弹性阻抗是纵、横波速度、密度和入射角度的函数。由式(4)可以看到,随着入射角的增大,求取的EI(θ)值存在急剧降低的问题，使得弹性阻抗和声波阻抗不能对比分析，掩盖了流体或岩性引起的弹性阻抗变化差异，不利于地层中流体或岩性的信息提取。为了解决这个问题，Whitcombe[3]对式(4)进行了修改，使得所有角度的阻抗值都得到归一化。归一化后的弹性阻抗公式为

EI(θ)=

(6)

式(6)中：VP0、VS0、ρ0为常数因子，分别为地层纵波速度、横波速度和密度的平均值。

由式(6)计算得到的弹性阻抗与声波阻抗为同一个数量级，但对应的反射系数可能大于1，这与实际地震记录不符。Whitcombe[8]再次对方程进行了修改，令tanχ代替sin2θ,并把反射系数乘以一个因子cosχ,得到扩展弹性阻抗的表达式为

EEI(χ)=

式(7)解决了弹性阻抗值随入射角急剧变化的问题，并且得到比例化的反射系数表达式为RS=Rcosχ=Acosχ+Bsinχ,其数值控制在[-1,1]之间，符合实际地震记录的情况，可以用来进行岩性和流体的预测。当χ=0°时，EEI(0°)为声波阻抗;当χ=90°时，EEI(90°)为梯度阻抗。研究表明，随着角度χ的变化，弹性阻抗与特定的弹性参数具有很好的相关性。因此，扩展弹性阻抗反演的关键就是求取最优流体角，从而按角度把波阻抗和梯度阻抗进行结合来进行岩性和流体的预测(图3)。

图3 岩性角、流体角旋转示意图Fig .3 Schematic diagram of lithologic angle and fluid angle rotation

利用扩展弹性阻抗反演来进行岩性或流体预测的过程与常规波阻抗反演类似，不同的是扩展弹性阻抗反演所需要的地震数据是经过一定处理得到的叠前入射角道集，参与层位标定和子波估算的曲线为最优岩性或流体角生成的EEI曲线。利用扩展弹性阻抗反演进行岩性或流体检测的具体流程见图4。

图4 扩展弹性阻抗反演流程图Fig .4 Flow chart of extended elastic impedance inversion

2 在西湖凹陷平北区的应用

研究区位于西湖凹陷平湖斜坡带平北区中低带，含油气层系主要分布在始新统平湖组，自下而上发育辫状河三角洲前缘、受潮汐影响的三角洲前缘及三角洲平原沉积相，古水体往复震荡导致纵向上砂泥岩频繁交互，储盖组合条件优越。平湖组储层埋藏较深，孔隙度集中分布在11.0%～16.9%，中值14.7%，平均值14.1%；渗透率集中分布在0.6～47.1 mD，中值14.9 mD，平均值18.2 mD，为低孔中渗储层。平北区各探井和邻区气田开发井实践表明，平湖组砂地比25%～40%，单砂体厚度10～30 m，最厚达50 m，砂体空间变化快，分布不稳定，利于岩性圈闭发育，油气藏呈现“薄、散、弱”特征。平北区平湖组储层含气后与围岩的弹性差异较小，流体变化所指示的地震响应规律复杂，应用常规方法进行流体检测及气水识别十分困难。为此，在平北区利用扩展弹性阻抗反演技术进行了流体预测，取得了较好的应用效果。

2.1 具体步骤

2.1.1资料处理

对叠前地震道集进行优化处理：地震道集不保幅会导致截距和梯度求取不准，而随机噪声会引起最优角度的旋转，从而影响流体的预测精度。为了提高预测的准确性，对地震资料进行了多次波去除、真振幅恢复、地表一致性反褶积、去随机噪音等处理。

对井资料的处理：测井曲线质量直接影响测井资料处理与综合解释结果的可靠性，从而影响最优流体角度的求取，以及降低扩展弹性阻抗与目标曲线的相关性，所以对工区的三口井(A井、B井、C井)进行了标准化处理，使得井曲线最大限度地体现地层真正岩石物理响应，显示出岩石物理规律。

2.1.2最优流体角的求取

首先要确定流体检测的目标曲线，本文选择含水饱和度曲线作为目标曲线进行EEI计算。西门度、印度尼西亚含水饱和度计算公式具有泥质导电影响校正，适合本地区地层特点。经过对比研究，本区选用西门度公式计算了含水饱和度曲线。应用式(7)计算了-90°～90°范围内不同角度对应的EEI曲线，并且分别与含水饱和度曲线进行了相关性分析。图5为A井EEI(χ)曲线与含水饱和度曲线的相关系数，当χ等于25°时，相关系数达到最大值0.93，为最优流体角度。利用同样的方法求取了工区另外2口井最优流体角度为24°和27°，这3口井的最优流体角度变化范围小，为EEI反演进行区域性研究提供了可能。综合井曲线的质量情况以及各井相关性的大小，选取25°作为整个工区平湖组的最优流体角，基于此角度的各井相关系数均达到0.85以上，符合预测需求，此时求取各井的最优流体角度χ等于25°的EEI曲线。图6为A井EEI(25°)曲线与含水饱和度曲线对比图，可以看到，曲线大体相似，意味着通过反演得到的EEI体进行流体检测是可行的。通过该井岩石物理交汇(图7)也可以看到，EEI(25°)曲线对流体具有很好的识别效果，EEI值越小，含气性越好。

图5 平北区A井EEI(χ)曲线与含水饱和度曲线的相关系数Fig .5 Correlation coefficient of EEI(χ)curve and water saturation curve in Well A of Pingbei area

图6 平北区A井EEI(25°)曲线与含水饱和度曲线对比Fig .6 Comparision of EEI(25 °)curve and water saturation curve in Well A of Pingbei area

图7 平北区A井EEI(25°)曲线与纵横波速度比交会图Fig .7 Crossplot of EEI(25°)curve and VP/VS curve in Well A of Pingbei area

2.1.3计算EEI反射率体

用均方根速度把偏移距地震道集转换成角度道集，角度范围是3°～42°。应用叠前角度道集结合AVO反演求取工区的截距A和梯度B，并且应用公式REEI=Acosχ+Bsinχ计算EEI反射率体，χ为上一个步骤求取的最优流体角。EEI反射率体等同于波阻抗反演中使用的叠后地震数据，用来进行层位标定、子波估算和最后的扩展弹性阻抗体的计算。由于EEI反射率体可以认为是截距和梯度按照一定比例的结合，压制了岩性的地震响应，突出了流体的响应特征，因此可以用来进行流体预测。

2.1.4井震标定和子波提取

井震标定是连接测井与地震信息的桥梁，并且标定结果的准确性以及提取子波的合理性直接决定了反演的准确程度，需要对目的层进行精细标定，追求合成记录与地震信息的最大相关度。对于多井约束的EEI反演，不仅要保持单井地震子波形态稳定，也需要多井子波的一致性。与常规波阻抗反演不同的是，EEI反演是通过EEI曲线、EEI反射率体来进行井震标定和子波提取的。图8为研究区3口井提取的子波对比图，可以看到3个子波波形较为一致，变化稳定，旁瓣小，运用这3个子波求取平均子波来作为EEI反演的子波输入。

2.1.5建模及反演

利用工区3口井计算得到的最优流体角EEI(25°)曲线,在地质模型的约束下采用反距离加权法进行内插外推，建立相应的低频模型。结合EEI反射率体以及平均子波进行EEI(25°)数据体的求取。该数据体与含水饱和度具有很高的相关性，可以看作是定量预测油气的三维数据体。

图8 平北区3口井子波对比Fig .8 Wavelet comparison of three wells in Pingbei area

2.2 效果分析

应用扩展弹性阻抗反演求取了与含水饱和度相关性最好的EEI反演体，其分辨率受地震分辨率的限制。研究区目的层地震资料主频为26 Hz，速度约为3 700 m/s，实际生产认识的反演最佳分辨率窗口为λ/4～2λ/3,气层准确预测厚度约为27～74 m(由于调谐作用，虽然能够识别到小于27 m的薄储层，但预测的厚度会偏大)。图9为工区内垂直构造走向的EEI连井剖面，红色为EEI值小于8 500 (g/cm3)·(m/s)的含气砂岩，蓝色为水层、干层以及泥岩，其值大于8 500 (g/cm3)·(m/s)，这与图7反映的岩石物理特征相一致，说明流体预测结果与测井解释结果吻合较好。如果排除厚度这一因素，仅从气层能够被识别到的角度来看，工区3口井的预测结果与实钻结果的吻合率在80%以上，预测效果较好，能够满足寻找岩性油气藏的需求。图10为X1气层流体与岩性平面分布图，红色为EEI反演预测的气层展布范围，黄色、蓝色分别为EEI反演预测的砂岩及泥岩的展布范围，可以看到预测气层分布在砂岩范围之内，符合地质规律，其中X1层在A井及周边气层较发育，而在B井和C井处无气层响应，符合实钻结果。依据EEI流体反演结果，并结合划分的岩性圈闭,指出A井西部上倾区域为气层发育的有利区域，剖面上此区域平湖组由上至下发育多套EEI流体指示因子异常的油气层。综合构造、沉积、成藏规律，在此区域设计了一口探井D(图9、10)，预测油气层6套，实钻油气层5套，预测符合率为83%，并且在X1层和X2层均获得了高产工业油气流，测试累计日产油当量超千立方米。

图9 平北区EEI(25°)连井剖面 Fig .9 Cross well profile of EEI(25°) in Pingbei area

图10 平北区X1层流体与岩性平面分布图Fig .10 Plane distribution diagram of fluid and lithologic in X1 layer,Pingbei area

3 结论

1) 扩展弹性阻抗反演充分利用了地质体的弹性信息及叠前道集的振幅随偏移距变化响应特征，是一种深化了截距、梯度属性分析的应用，对岩性和流体的预测能力较强，为计算岩石弹性参数和储层物性参数提供了一种新的思路。扩展弹性阻抗反演中的最优流体角与纵横波速度和密度有关，对不同工区或不同深度都需重新计算最优流体角，还要保证所有井选取角度的稳定性，才能得到可靠的预测结果。

2) 西湖凹陷平北区流体变化所指示的地震响应规律复杂，而扩展弹性阻抗反演突出了流体异常，剖面上流体预测与井吻合较好，平面上的油气展布符合地质认识。D井的成功钻探，验证了基于EEI反演的流体检测技术在平北构造-岩性油气藏的勘探开发研究中的适用性。当然，研究中也发现煤层或者超压作用具有的AVO特征会造成烃类检测异常的假象，这是扩展弹性阻抗反演需要注意的地方。