五维地震油气识别方法∗

印兴耀 张洪学 宗兆云

(1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 青岛 266580)

(2 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室 青岛 266071)

0 引言

基于五维地震数据的地震流体识别源于宽方位地震勘探处理技术的成熟与发展，宽方位地震勘探可以获得海量的高品质宽方位地震数据，基于炮检距向量片(Offset vector tile,OVT)处理技术[1−2]得到TB 级高品质“五维”叠前地震道集，进而可进行五维地震数据解释[3]。宽方位地震勘探是指观测系统中的横向与纵向排列的比值大于0.5 的地震勘探方式，相较于传统的窄方位地震勘探，宽方位地震勘探有很多优势：宽方位勘探可以增加勘探照明度，获得较完整的地震波场；宽方位地震可研究振幅随炮检距和方位角的变化(Amplitude variation with offset and azimuth,AVOAZ)、地层速度随方位角的变化(Velocity variation with angle,VVA)，从而增强了识别地下各向异性和流体分布的能力[4−6]。宽方位地震采集在21 世纪初率先在海上得到广泛应用，之后，在陆上逐渐得到应用[7]。OVT 数据域五维地震资料，是以“片”为单位建立同时包含炮检距和方位角信息的高品质“五维” (即空间三维坐标＋炮检距＋方位角)共反射点地震道集。充分考虑五位地震数据中重要的方位角和炮检距信息，挖掘其中丰富的方位各向异性信息，为五维地震流体识别奠定基础。

随着地质勘探目标复杂性及我国能源需求的不断提高，以很强非均质性和各向异性为特征的复杂裂缝储层成为我国油气勘探的重要目标，也是目前面临的一类最为重要的、最难预测的油气藏，其预测成为公认的难题之一[8−10]，究其原因是目标储层的特殊性、地下埋藏条件的复杂性以及相应地球物理数学特征的多解性[11]。各向异性岩石物理是五维地震流体识别的关键，叠前各向异性反演算法是实现五维地震流体解释的有效途径。五维地震流体识别是在各向异性岩石物理理论指导下建立将与孔隙流体有关的异常特性表征为各向异性因子，并利用五维地震数据实现流体因子反演的过程。

各向异性因子的构建是五维地震流体识别的关键，在五维地震岩石物理模型及储层流体地震响应分析的基础上，将孔隙及裂缝对流体的异常特性表征为各向异性因子，进而实现复杂储层含流体类型的判识。Hudson[12]基于线性和硬币型裂缝假设，提出裂缝流体指示因子。Smith 等[13]率先利用地震波速度相对差异的加权叠加作为储层油气识别的流体因子。Schoenberg 等[14]通过线性滑动理论将裂缝法向柔度与切向柔度之比作为另一种裂缝流体因子，目前应用较为广泛。Goodway等[15]提出的λ-µ-ρ法即利用地下地层的异常拉伸特性识别储层流体类型。Smith 等[16]提出了流体因子角和交叉角度的两种流体因子概念。Quakenbush 等[17]提出了泊松比作为流体因子进行油气识别。Russell 等[18]将参数ρf作为流体因子，随后在2011年利用孔隙弹性岩石物理理论提出了等效流体模量Kf[19]。Xue 等[20]假设裂缝表面光滑，利用来表征流体因子，其中∆N和分别表示代表饱岩石和和干燥岩石的裂缝法向柔度。上述流体是基于不同的假设理论提出，其中只有几种与各向异性有关的流体因子，然而缺乏孔隙流体理论的支撑，由多孔隙流体理论构造的流体因子没有考虑各向异性信息的影响。

叠前地震反演是实现五维地震流体识别的有效途径[21]，其结果直接影响流体因子的可靠性[22]。在叠前地震反演中，各向异性反射系数近似方程是反演框架构建的基础，如：Rüger等[23−26]给出HTI介质反射透射方程，并进行预测；Downton 等[27−28]利用Rüger 的HTI 介质反射系数近似公式，进而预测各向异性参数；印兴耀等[29]利用弹性阻抗反演实现了Gassmann 流体/孔隙项的估算；陈怀震等[30−32]研究HTI 介质各向异性AVO 特征，并进行各向异性参数反演，求取裂缝流体因子；印兴耀等[33]基于包含Russell流体因子的两项弹性阻抗方程实现了Russell 流体因子的直接提取，取得了较好的深层流体识别应用效果；孙瑞莹等[34]结合测井信息利用随机反演算法实现流体因子估算；Pan等[35]基于AVOAZ 反演岩石物理反演裂缝流体因子；Zong 等[36]基于HTI 介质提出了预测各向异性参数的新方法；Pan 等[37]对OA 介质储层进行裂缝参数反演，并预测储层流体分布。由上述分析可知，目前地震各向异性反演常用的方法是弹性阻抗反演方法和基于贝叶斯框架的AVOAZ 反演方法，其中弹性阻抗反演方法由于其稳定性高应用较为广泛。

该文结合Gassmann孔隙流体各向异性介质理论、线性滑动理论以及Thomsen 各向异性参数，提出一种新的流体因子类型，即各向异性因子(fani)，经验证该流体因子在各向同性的情况下，可退化为Gassmann流体项，验证该流体因子的准确性。在此基础上，建立各向异性因子与地下介质弹性参数的关系，并利用五维地震数据反演进行流体识别，本方法从岩石物理机制上综合考虑储层的各向异性特性以及含流体特性储层流体的影响，通过实际应用以及流体判识敏感性定量分析发现，各向异性因子(fani)有较高的流体指示敏感性，利用该方法进行五维地震流体识别可取得良好效果。

1 各向异性因子构建

地下岩石是由基质、裂缝和孔隙流体组成的各向异性多孔双相介质。孔隙流体以及裂缝的存在必然会影响岩石的力学特征，从而使介质岩石表现出一定的弹性异常，以此从各向异性双相介质理论出发可以更好地研究孔隙流体以及裂缝对介质岩石弹性参数的影响，为敏感流体因子的构建提供更好的指导。关于双相各向异性介质理论的研究，1951年，Gassmann[38]在一系列假设前提下，推导出表征双相各向异性介质弹性模量参数的Gassmann方程，该方程表示为

在裂缝参数较小、流体体积模量远远小于固体颗粒的假设下，方程(3)可以简化为

基于长波长假设条件，单组裂缝充填于各项同性介质背景，可被视为有效的HTI 介质。在裂缝法线平行于x轴的情况下，使用线性滑动理论，干燥HTI介质刚度矩阵由方程(5)给出：

其中，λ、µ是围岩的拉梅常数，裂缝参数为切向柔度∆T与法向柔度∆N。

将方程(5)代入方程(2)，可以求出

根据方程(6)，分析裂缝以及孔隙流体的影响，按照Russell 对流体因子构建流程[18]，构建各向异性因子为

Bakulin 等[40]基于线性滑动理论研究了多种裂缝组合形态的等效弹性矩阵，并在弱各向异性假设下给出了裂缝参数与Thomsen 各向异性参数的关系：

将方程(6)代入纵横波速度公式，并结合方程(8)，将方程(7)各向异性因子改写为如下形式：

为了验证所建立各向异性因子的准确性，当地下介质不含裂缝时，裂缝柔度∆N和∆T等于0，即将方程(5)退化为各向同性介质刚度矩阵，代入方程(7)，本文构建的各向异性因子退化为

经验证，方程(10)与Gassmann流体项相等，验证了本文构建的各向异性因子的准确性。

为了进一步说明本文构建的各向异性因子在工区流体识别中的优越性，将几种常用的流体因子(主要是µρ、IP、λρ、Gassmnanf、λ −µ)对流体区分的指示系数[11]与各向异性因子进行比较，图1显示了不同流体因子的指示系数，从其中可以看出各向异性因子fani对流体的区分能力最强。

图1 流体因子指示系数比较图Fig.1 Comparison of sensitivity of different fluid factors

2 方位各向异性弹性阻抗反演算法

叠前方位地震反演方法中的方位各向异性弹性阻抗方法具有较好的抗噪性和稳定性，且能够充分利用方位地震数据的方位各向异性信息，因而在裂缝型储层预测方面具有广泛的应用。Rüger[23]推导了HTI 介质的方位反射系数近似方程，使针对裂缝型储层的叠前方位地震反演成为可能，该反射系数近似公式的另一种以纵横波模量、密度以及各向异性参数表征的形式为

其中，θ为入射角，φ为方位角，∆δ(V)、∆ε(V)和∆γ(V)为上下介质各向异性参数的差值。

基于方程(11)，根据Connolly[41]推导弹性阻抗的思路，将方位反射系数表示为

不同弹性参数的相对反射系数∆M/M、∆µ/µ以及∆ρ/ρ可以用对数形式来等效：

将方程(12)和方程(13)代入方程(11)可以得到HTI介质方位各向异性弹性阻抗方程。由于方位各向异性弹性阻抗方程的量纲会随着入射角和方位角的变化出现剧烈变化的不稳定现象，因此为了得到可靠预测地应力的弹性参数和各向异性参数，需要对方位各向异性弹性阻抗做标准化处理[42]，最终整理得到标准化的方位弹性阻抗方程为

其中，

为了能够从弹性阻抗数据体中反演出稳定的弹性参数和各向异性参数数据体，需要对方程(14)进行线性化处理，即：

利用已知的测井数据以及井旁道方位弹性阻抗值计算公式(16)中各参数对应的常系数。在储层弹性性质横向变化较小的情况下，可将常系数看作是恒定不变的值。将叠前方位弹性阻抗反演得到的6个不同方位、不同入射角的弹性阻抗代入公式(16)中，结合各参数对应的常系数，通过求解可得到各采样点处的弹性参ρ和各向异性参数。由于该方法在进行反演时使用了测井资料进行约束，并结合地震资料的先验信息，因此得到的弹性参数和各向异性参数较为准确可靠。

3 实际应用

五维地震资料来自中国东部某宽方位地震勘探工区，该区域各向异性特征明显。对五维地震数据首先进行预处理得到6个方位且每个方位包含3个入射角的共18个分方位部分角度叠加道集，然后选取其中6个叠前方位地震数据进行叠前方位弹性阻抗反演，叠前方位地震数据如图2所示。从图2中可以看出由于储层中存在的裂缝对地震资料的反射振幅产生影响，因此在相同入射角的情况下，不同方位的地震数据之间存在明显的差异。

根据图2 五维地震数据，结合该区域井资料以及岩石物理信息作为约束，反演得到不同方位的大中小角度弹性阻抗如图3 所示。通过基于方位弹性阻抗的各向异性参数反演方法从方位弹性阻抗数据体中提取地层的纵波模量、横波模量、密度和HTI介质的各向异性参数，进而求取剖面含流体区域的各向异性因子，如图4 所示，A 井和B 井的有色部分代表流体区，白色部分是干岩区。图4 中的橘色箭头所指部分为测井解释的流体部分，发现该工区储层中，流体分布区域的各向异性因子在反演数值呈现低值特征，而且各向异性因子数值在岩石发育位置展现出高值特征，该特征与岩石物理分析规律相吻合。同时，含流体裂缝性储层各向异性流体的估算剖面与A 井和井B 的流体解释结果具有良好的匹配性。因此，通过各向异性反演各向异性因子可展示储层流体分布特征，为五维地震定量解释创建新的理论方法，该方法为复杂裂缝储层地震流体识别提供了一种新的途径。

图2 实际工区不同方位部分角度叠加道集Fig.2 Stack data of different azimuths for reservoir

图3 实际工区方位各向异性弹性阻抗反演结果Fig.3 Azimuthal anisotropic EI inverted results for reservoir

4 结论

本文结合Gassmann双相各向异性理论和线性滑动理论推导出的含流体HTI 介质的刚度矩阵，构建了一种新的各向异性因子fani，在弱各向异性假设条件下，建立各向异性因子fani与弹性模量和Thomsen参数的关系。多种流体因子的敏感性比较表明，各向异性因子fani在各向异性储层比其他流体因子更敏感。最后，充分利用五维实际地震数据中丰富的方位各向异性信息，通过方位弹性阻抗反演实现各向异性因子的求取，分析可知，反演结果与测井解释资料有很好的吻合，该方法为五维地震流体识别提供一种新的途径。综上，为提高储层流体类型的判识准确度，构建能够精细反映各向异性储层油气分布的流体因子是基础，选用有效的地震反演算法是关键，精度高、稳定性好的各向异性反演算法可以有效避免误差影响，有助于储层流体类型的可靠判识，在实际资料应用中，应尽可能选用全方位五维叠前地震数据提高各向异性反演的可靠性。