AVO梯度属性90°相移技术及在东海盆地含煤地层储层预测中的应用

2022-03-30俞伟哲刘庆文

上海国土资源 2022年1期

胡伟，俞伟哲，张岩，刘庆文，黄鋆

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335）

地震振幅解释主要分为两个阶段，亮点技术的应用为地震振幅解释的第一个阶段。1984年，Ostrander通过研究认为，储层含气后，叠前振幅会随炮检距发生变化，并且这种振幅变化与储层含气引起的泊松比变化有关[1]，AVO技术由此诞生，地震振幅解释进入了第二个阶段，即振幅随炮检距变化（AVO）的分析。AVO分析的理论基础源于佐普里兹（Zoeppritz）方程的Aki-Richards近似式[2]，Shuey在Aki-Richards近似公式的基础上，进一步研究了泊松比对反射系数的影响[3]，得到的近似式将反射系数与岩石特性联系了起来。国内外许多学者也提出了不同的表达式，如郑晓东提出了以级数形式表示的近似公式[4]，Kelly给出了用密度和横波速度表示的近似方程[5]，Donati等利用二项式展开方法给出了仅利用P-P波入射角和反射角表示的近似公式[6]，邱益福等给出了适用于小角度范围内的近似公式[7]。这些近似式均具有明确的物理意义，能够指导通过地震振幅或者反演来进行地层岩性的研究。对这些佐普里兹方程的近似表达式进行计算，能得到不同的AVO属性，均可用于地震振幅对地层的解释。近年来，地震采集、处理技术在不断进步和完善,基于AVO分析的地震振幅解释在储层预测中也得到了广泛的应用。

随着东海盆地西湖凹陷勘探的不断深入，简单构造油气藏的勘探已接近尾声，对岩性油气藏的研究越来越多，该油气藏的储层往往具有岩性组合复杂，砂体薄，岩相变化快，横向变化大等特点。西湖凹陷西斜坡地质条件更加复杂，平湖组广泛发育煤层，薄而多的煤层夹杂在砂、泥岩之中，极大地干扰了对于储层地震响应的认识，常规的叠后地震及波阻抗反演均不能满足储层预测的要求[8]。本文通过对煤、砂、泥的典型组合样式进行叠前正演模拟，从叠前属性上分析总结了储层的地震振幅规律，发现AVO梯度属性能够较好的表征储层，再结合90°相移技术来对储层进行更直观的刻画，预测结果与实钻井吻合较好，为含煤地层的储层预测提供一种新的思路，以支持西湖凹陷岩性油气藏的勘探。

1 原理与方法

1.1 AVO技术原理

AVO技术的理论基础是Zoeppritz方程，其全面考虑了平面纵波和横波入射在水平界面两侧产生的纵横波反射和透射能量之间的关系，并解析地表述了平面波反射系数与入射角的关系，但方程过于复杂，难于直接分析介质参数对反射系数的影响。Aki对Zoeppritz方程进行了简化，当相邻的两层介质的弹性参数变化很小，并且入射角在临界角范围内，则有Aki-Richards简化方程[2]：

其中：R为反射系数，θ为入射角，VP为纵波速度，VS为横波速度，ρ为密度；V¯P、V¯S和ρ¯分别代表相邻地层的纵波速度、横波速度和密度的平均值。ΔVP、ΔVS和Δρ分别代表相邻地层的纵波速度、横波速度和密度的差值。

Aki-Richards简化方程强调的是岩性参数变化量ΔVP/V¯P、ΔVS/V¯S、Δρ/对反射系数的影响，常用于定性岩性分析。

Shuey在Aki-Richards近似公式的基础上，进一步研究了泊松比对反射系数的影响，证明了相对反射系数随入射角(或炮检距)的变化梯度主要由泊松比的变化来决定，并给出了用不同角度项表示的反射系数近似公式，即Shuey 公式[3]：

其中：

式中：σ为地层的泊松比，Δσ为界面两侧泊松比的差。

公式中把反射系数视为小角度项（第一项）、中等角度项（第二项）和大角度项（第三项）之和，在实际应用中经常忽略大角度项，即当入射角较小时，且ΔVP/V¯P也比较小时，第三项C可以忽略，反射系数与sin2θ呈线性关系，方程可以退化成两项截距和梯度方程：

式中：P为垂直入射零偏移距纵波的反射系数，称为AVO的截距。截距值与介质上下波阻抗有密切的关系，上下介质波阻抗差越大，截距值就越大；而当上下介质波阻抗相等时，截距值为零；在截距剖面上波峰表示由低阻抗到高阻抗的正反射界面，波谷则表示由高阻抗到低阻抗的负反射界面，截距剖面是严格意义上的零偏移距的地震剖面。G代表岩性横波速度、纵波速度和密度变化的综合响应，也是振幅随入射角(或炮检距)的变化率，称为AVO的梯度。梯度主要由泊松比的变化决定，在上、下两层介质的波阻抗一定时，泊松比差对梯度影响很大，下伏介质的泊松比越大或上覆介质的泊松比越小，梯度值就越大，而上下介质的泊松比差值不变时，泊松比越大，梯度值就越大。

在叠前CRP道集上，对每个样点作振幅和sin2θ的线性拟合，即可获得截距和梯度剖面。图1显示了反射系数和sin2θ之间的线性关系，当截距为正值时，正梯度代表反射波振幅随着入射角增大而增大，负梯度代表反射波振幅随着入射角增大而减小；当截距为负值时，正梯度代表反射波振幅随着入射角增大而减小，负梯度代表反射波振幅随着入射角增大而增大。

图1 截距和梯度示意图Fig.1 Schematic diagram of intercept and gradient

1.2 90°相移技术

在常规的0°相位地震剖面上，地震反射同相轴一般对应地层的顶、底界面，虽然可以通过同相轴的追踪来进行地层的解释，但其表征的是地层的界面信息，不够直观。曾洪流等于2005年提出90°相移技术[9]，通过将地震相位旋转90°，使得转换后的地震反射同相轴的峰或者谷对应于薄地层（厚度小于1/4波长）的中心，而不是对应于地层的顶、底界面，这使得地震反射同相轴与地质岩层相对应，地震相位也就具有了岩性地层意义[10]。

如图2，运用不同相位的子波对具有调谐厚度的地层进行正演模拟。可以看到，0°相位子波反射波形相对于地层中心是反对称的，30°和60°相位子波反射波形均不对称，而90°相位子波反射波形是对称的，波谷对应于地层中心，可以较直观地来进行储层的表征。

图2 不同相位子波反射波形Fig.2 Reflected waveforms of different phase wavelets

如图3a，为楔状地层对应的基于0°相位子波的合成记录，地层顶、底对应于波谷和波峰，厚度小于1/4波长的薄地层对应的地震反射同相轴相对于楔状地层中心是反对称的，与0°相位子波波形相似，通过90°相移后得到图3b的地震同相轴，可以看到厚度小于1/4波长的薄地层中心与波谷对应，能够很直观地应用波形来指示地层。

图3 楔状地层地震振幅分析Fig.3 Seismic amplitude analysis of wedge-shaped strata

90°相移技术无需井参与计算，因此适合西湖凹陷这种海上少井地区，最大程度以原始地震资料为依据，计算速度快，结果真实客观，人为影响因素小[11]。本文通过梯度属性结合90°相移技术对含煤地层的储层进行预测，取得了较好的应用效果。

2 应用实例

2.1 工区概况

西湖凹陷为东海陆架盆地主要的含油气凹陷，西斜坡是西湖凹陷岩性油气藏勘探的主要区域[12]。目的层平湖组地层埋深3500~4700 m，主要发育三角洲及潮坪相（图4），沉积环境复杂[13-15]。平湖组长期受河流、潮汐等多种水动力的影响，储层以河道砂、潮道砂、砂坪等为主，砂岩厚度薄、岩相变化快、横向变化大，并且整个层段都发育煤层，尤其是平湖组中下段潮坪相煤层富集，与砂泥岩频繁互层，煤层厚度较薄，平均约为1m，具有层数多、范围广的特点[16]。相比于砂、泥岩，煤层具有低速、低密度的特征，阻抗大大的低于砂、泥岩，在地震上产生的强振幅会严重干扰砂、泥间的地震响应特征。并且煤与砂、泥组合样式复杂，更导致了储层的地震响应规律认识不清，因此开展含煤地层的储层振幅研究很有必要。通过对西湖凹陷西斜坡平湖组地层地震资料分析，地震主频约为25 Hz，井上统计平湖组的砂岩速度约为4000 m/s，计算得到1/4波长砂岩厚度约为31.2 m。从实钻井统计平湖组地层砂岩厚度主要分布在2~30 m之间，均小于31.2 m，属于调谐厚度以内的薄层，满足90°相移技术应用的要求。

图4 地层连井图Fig.4 Linked well diagram of the stratum

2.2 含煤储层地震响应特征

工区内有五口探井，通过分析井上弹性参数曲线，统计出煤、泥、砂（气砂、水砂、干层）三种岩性在目的层的岩石物理参数（表1）。可以看到，在平湖组，泥岩的阻抗为10349 m/s*g/cc，含水砂岩的阻抗为10260 m/s*g/cc，阻抗值相当，砂、泥岩组合在地震上应为近0的弱振幅响应；当砂岩含气后，阻抗值减小为9600 m/s*g/cc，砂、泥岩组合的砂顶在地震上应该为负振幅响应；而当砂岩为干层时，阻抗值增大为11776 m/s*g/cc，砂、泥组合的砂顶在地震上应为正振幅响应。因此储层内流体的变化会导致产生不同的地震响应特征，常规的叠后地震不能进行储层的表征。

表1 典型岩石物理参数Table 1 Typical petrophysical parameters

本文应用典型岩性组合模式，结合岩石物理参数进行叠前正演模拟，分析储层地震响应特征，从叠前地震上寻找能稳定表征储层的属性。通过实际钻、测井资料进行分析，归纳总结了11种典型岩性组合模式（图5），以泥岩为背景，煤层为1m或者2m的薄层，砂岩厚度为30m；主要分析煤泥组合的地震响应、单煤对砂顶或砂底地震振幅的影响、多煤对砂顶或砂底地震振幅的影响、煤砂之间泥岩隔层厚度变化对砂顶或砂底地震振幅的影响。

图5 典型岩性组合模式Fig.5 Model of typical lithologic association

以气砂为例来说明对储层地震响应特征的分析。对模型填充煤、泥、气砂的典型岩石物理参数，结合25Hz雷克子波正演计算得到了叠前道集，对其进行计算，得到叠后地震剖面（图6）、AVO属性截距P剖面（图7）及梯度G剖面（图8）。为了统计方便，定义了4个界面，a为多煤组合的顶，b为多煤组合的底，c为气砂的顶，d为气砂的底。结合图6~图8分析，可以看到，气砂的顶c和底d在叠后地震和截距P属性剖面上，随着岩性组合的变化，振幅值会发生变化，而且极性也会发生变化，较不稳定。而在梯度G属性剖面上，振幅值的大小虽然会随着岩性组合的变化而变化，但是极性不会变化，较稳定，表现为顶负底正，能够指示气砂的响应。煤泥组合在叠后地震和截距P属性剖面上，顶a都表现为稳定的强负相位的特征，底c都表现为稳定的强正相位的特征，应用该规律可以进行煤层的识别；但是在梯度G属性剖面上煤泥组合表现为顶正底负的特征，与气砂的地震响应刚好相反，该特征不会影响气砂的识别。把气砂替换为水砂或者干层，重复以上的正演模拟及分析过程，砂岩在梯度G剖面上顶负底正的规律均固定存在，该规律符合90°相移技术的使用条件。

图6 正演模拟叠后地震响应Fig.6 Post stack seismic response of forward simulation

图7 正演模拟AVO截距属性Fig.7 AVO intercept attribute of forward simulation

图8 正演模拟AVO梯度属性Fig.8 AVO gradient attribute of forward simulation

2.3 储层预测效果分析

通过正演认识到了砂岩在梯度G属性上表现为顶负底正的规律，图9为实际工区的梯度G属性连井剖面，井上曲线为GR，向左为低GR值，代表砂岩，可以看到，砂岩的顶部都对应绿色的负同相轴，砂底都对应黄的正同相轴，与正演认识相符。虽然梯度能够表征储层的响应，但是不够直观，为了更直接的识别储层，对梯度G属性进行了90°相移。从图10可以看出，90°相移后的梯度G属性剖面，红色代表低值，与砂岩相对应，青绿色代表高值，与煤层或者泥岩相对应，地震相位具有了岩性地层意义，预测结果与GR值吻合较好，工区5口实钻井储层预测吻合率达到87%，验证了此方法的可靠性，预测精度满足岩性油气藏对储层刻画的需求。图11为应用90°相移梯度G属性对P5砂体进行的平面预测，清晰的刻画了潮坪沉积背景下自北西向南东方向展布的河道砂体，符合现有地质认识。