利用扩展弹性阻抗识别碳酸盐岩储层

张勇刚, 范国章, 王红平, 王朝锋,杨 柳, 左国平,刘艳红

(中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023)

0 引言

近二十年来，叠前地震反演技术得到迅速发展，已十分广泛地应用于油气勘探领域。Connolly[1]首先提出了弹性波阻抗(EI)的概念，该方法依据Zoeppritz[2]提出的两项或三项线性方程式进行推导得出弹性波阻抗方程，使得AVO反演有效应用到石油物探； Whitcombe[3]对Connolly公式进行了修改研究，引入了三个参数修改原公式的维度，使所有角度的阻抗值能归一化，消除了阻抗值随入射角增大而急剧减小的问题，使弹性波阻抗值具有与叠后阻抗值相同的值域范围，便于两者之间的比较；Whitcombe[4]考虑到入射角的估算误差对弹性波阻抗反演的结果稳定性影响，再次进行修正了归一化的弹性波阻抗矩阵方程，提出了扩展弹性波阻抗反演(EEI)的概念，不仅解决了波阻抗值随入射角变化剧烈的问题，而且将反射系数限制在[-1.0,1.0]之内，与实际地震记录相吻合，可直接用于流体和岩性检测。

在国内，张奎[5]、唐湘蓉[6]等多位专家在弹性波阻抗的研究上也开展了大量的工作，并取得了丰富的研究成果。随着弹性波阻抗反演在油气勘探中的深入研究应用，以及计算机硬件和工业化地震技术软件的不断创新发展，弹性波阻抗理论有了长足的进步，弹性波阻抗与其他属性的结合已成为储层预测的有效手段。

1 方法原理

1.1 弹性波阻抗

为了解决储层描述问题，Connolly[1]在非零入射角的地震资料中引入了波阻抗的概念，称之为弹性阻抗。弹性波阻抗是声波阻抗(Acoustic Impedance)的概念延伸和推广，是以不同入射角纵波传播速度、横波速度、密度数据以及入射角或偏移距为变量的波阻抗函数(式(1))，通过弹性阻抗和入射角的相关联性，避免了反射波同相轴不均匀的问题，提高流体的识别能力和储层物性参数的预测精度。但是由于受到AVO效应的影响，常规意义上的弹性波阻抗值会随着不同入射角的增大而急剧增加或降低，这样在进行近、远炮检距弹性波阻抗值分析时，可能会屏蔽掉流体或岩性变化引起的差异的相关信息[5]，不利于研究人员从地层中对流体或岩性的信息提取，并且弹性波阻抗值量纲和数值会随着入射角的变化而变化，使得不同入射角计算所得到的弹性波阻抗值与叠后常规反演计算所得到的声波阻抗值无法进行直接对比,只能进行定性分析，给实际工作造成不便。

(1)

1.2 扩展弹性波阻抗

Whitcombe[6]用正切函数代替正弦函数，修正归一化弹性波阻抗，避免了在入射角变化估算中产生的误差结果，影响到弹性波阻抗反演的稳定性，从而提出了扩展弹性波阻抗(式(2))，苑春方等[7]也提出了扩展弹性波阻抗公式的改进方法，既解决了阻抗值随入射角变化较快的问题，又将反射系数限制在[-1.0,1.0]之间，与实际地震记录相符，这些方法地改善提高了弹性波阻抗反演的稳定性，可用于流体和岩性检测。Whitcombe公式指出，当角度取0°时，EEI(0°)对应的就是常规反演的声波阻抗，当角度取90°时，EEI(90°)相当于梯度阻抗，即对应地球物理上的参数GI，也就是说某个特定角度对应的扩展弹性波阻抗可以代表某个岩石物理弹性参数的响应。因此在进行岩性预测与流体识别之前，关键是寻找某个敏感岩石物理参数所对应的最优理论入射角，进而求取出特定角度的扩展弹性波阻抗方程函数即可。

EEI(χ)=VP0ρ0[(VP/VP0)(cos χ +sin χ)·

(VS/VS0)(-8k sin χ)(ρ/ρ0)(cos χ-4k sin χ)]

(2)

其中：χ为理论入射角；VP为纵波速度；Vp0为纵波速度平均值；VS为横波速度；VS0为横波速度平均值；ρ为密度；ρ0为密度平均值。

扩展弹性波阻抗反演与常规波阻抗反演类似，只是所需参与反演的地震数据是经过一定处理的叠前入射角道集，由井上理论入射角生成的波阻抗参与层位标定和子波提取，充分应用地质体的弹性参数信息和叠前道集振幅随偏移变化的响应特征，能对截距、梯度属性数据信息进行深度挖掘[8]。实践表明，岩石弹性参数或储层参数总能找到相关性匹配较好的某个理论入射角的EEI(χ)[9-10]，这为油藏研究和评价提供了一种新的途径。

2 储层识别方法

2.1 技术流程

研究区位于某深水盆地东部隆起带，区块内发育厚盐层，邻区钻井揭示区块内及周边主要发育裂谷期的介壳灰岩和坳陷期的微生物灰岩，是盆地内有利的油气聚集区。鉴于深海油气勘探高投入风险、碳酸盐岩储层非均质、局部火成岩发育，需要进一步深化该地区的储层厚度分布和流体类型识别等研究工作，指导后续的勘探决策。

面对盐下含火成岩的碳酸盐岩储层评价需求，利用扩展弹性波阻抗反演技术进行研究，主要实现流程见图1。以测井资料(密度、声波、纵横波比等)为基础，通过与叠前道集计算的井点处不同角度弹性波阻抗拟合对比，优选出拟合性最优的主要敏感参数及其对应的理论入射角参数值，对特定角度数据进行反演并按拟合函数转算相应测井参数数据体，通过数据统计和交会分析，实现储层和流体检测。

2.2 关键步骤

2.2.1 理论入射角度求取参数

区块内有两口钻井，通过测井解释，可以获得测井解释成果，包括：密度、伽玛、纵横波速度、泊松比、孔隙度、电阻率、泥质含量、纵横波速度比和含水饱和度，这里以AA井进行参数扫描分析，而BB井不参与分析，可以作为验证可靠性的盲井，以便对反演效果进行质控。通过式(3)计算得到的井上[-90o,90o]之间的扩展弹性波阻抗曲线与测井成果曲线进行相关性分析(图2)，由表1可以知道，密度、纵波速度和纵横波速度比曲线对应相关系数较高，即在叠前道集上对应该角度的弹性波阻抗与其特定对应曲线具有最好的相关性，可作为后续检测的目标曲线，因此在后续扩展弹性波阻抗反演中，需分别求取这三个对应理论入射角的扩展弹性波阻抗体。

图1 扩展弹性波阻抗反演基本流程图Fig.1 EEI inversion workflow diagram

图2 测井岩石物理参数曲线随EEI角度相关系数图Fig.2 Correlation coefficient map of well logging curves and EEI angles

表1 岩石物理曲线对应最大相关系数和EEI角度统计表

2.2.2 理论入射角反射系数体计算

参考依据上步分析，可知密度、纵波速度和纵横波速度比分别对应的最优扩展弹性波阻抗理论入射角，做扩展弹性波阻抗反演之前，需要得到各个角度分别对应的反射系数曲线和数据体。采用式(2)和式(3)，可以求得井上不同角度对应的扩展弹性波阻抗曲线和反射系数曲线。利用叠前角道集或偏移角道集数据体，通过AVO属性计算公式分别求得AVO截距(A)和梯度体(B)，参考式(4)分别求出上述三个理论入射角对应的反射系数体。由于扩展弹性波阻抗反射率体可以认为是截距和梯度按照一定比例的融合，岩性的地震响应被压制，流体的响应特征被突出，这也是能进行流体预测的重要依据[9]。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波阻抗体的计算。

REEI(χ)=0.5Δln(EEI(χ))

(3)

REEI(χ)=R(χ) cosχ=Acosχ+Bsinχ

(4)

其中：χ为理论入射角。

2.2.3 扩展弹性波阻抗反演

利用声波曲线和密度曲线可以进行井震标定，确定时深关系，与常规叠后波阻抗反演不同，扩展弹性波阻抗反演利用扩展弹性波阻抗曲线和扩展弹性波阻抗反射率体进行井震标定和子波的提取，在精确的井震标定基础上，利用计算产生的理论入射角对应的扩展弹性波阻抗曲线进行子波提取，得到每口井的最优子波，而不是利用声波曲线进行子波提取[11]。

图3 测井岩石物理参数与井上对应角度计算EEI曲线拟合关系图Fig.3 Fitting diagram between logging rock physical parameters and the corresponding angle EEI curves

图4 反演岩石物理参数联井剖面图Fig.4 Well correlation profile of inversion rock physical parameters(a)密度剖面图;(b)纵波剖面图;(c)纵横波比剖面

表2 岩石物理参数与井上对应角度计算EEI曲线拟合关系式统计表

图5 常规AVO反演岩石物理参数交会图Fig.5 AVO inversion rock physical parameters crossplot diagram

建立低频模型。利用上步计算生成的最优扩展弹性波阻抗曲线和反射系数数据体，以解释的地震层位作为控制面，在地质模型约束下，采用反距离加权法进行外推，建立相应的低频模型。

按与敏感测井参数曲线相关性最佳的理论入射角分别依次进行波阻抗反演。与常规反演流程相似，对上述三个角度分别进行波阻抗反演，分别得到相应角度下的三个弹性波阻抗数据体。

2.2.4 生成岩石物理参数数据体

对反演的弹性波阻抗体和测井计算参数进行关系拟合，通过公式运算后能获得相应的岩石物理参数数据体。由图3可见，井上不同角度的弹性波阻抗曲线与特定测井岩石物理曲线具有较好的相似性，曲线拟合分析可见(表2)，拟合相关性很高。

图4为根据表2中拟合的关系式，对对应角度的波阻抗体进行转换，分别得到的密度体、纵波速度体和纵横波速度比体连井剖面图。

3 应用效果

3.1 岩石物理特征

研究区内构造主高点和构造西翼分别钻井1口，揭示储层和油气分布情况差异较大，储层物性、流体变化所导致的地震响应规律较复杂，常规AVO反演技术所获得的岩石物理参数交汇图上对岩性和流体指示不敏感(图5)，难以进行储层区分和流体判识。

通过实测钻、录井资料可知，目的层的岩性及其对应的弹性参数特征见表3：藻灰岩和球粒灰岩平均密度为2.46 g/cc ～2.48 g/cc，平均纵波速度为4 600 m/s～4 800 m/s；介壳灰岩平均密度为2.46 g/cc，平均纵波速度为4 500 m/s；泥晶灰岩和泥灰岩平均密度为2.6 g/cc，平均纵波速度在5 250 m/s～5 900 m/s之间；辉绿岩平均密度为2.92 g/cc，平均纵波速度为6 200 m/s；玄武岩平均密度为2.75 g/cc，平均纵波速度为5 300 m/s。AA井测井解释指示，上段为藻灰岩、球粒灰岩，对应的密度整体上在2.48 g/cc左右，纵波速度在4 800 m/s左右，对应的纵横波速度比小于1.7，应为含烃类储层(见图4中黑色多边形)；下段为玄武岩，对应的密度整体上在2.8 g/cc左右，纵波速度在5 300 m/s左右，对应的纵横波速度比近2.0左右，应为非储层。

3.2 效果分析

进行扩展弹性波阻抗反演和岩石物理参数转换后，为验证结果是否可靠，BB井作为盲井未参与计算，从图6上通过井上实测与反演结果对比知具有较好的相似性。通过图4联井剖面分析，可知BB井区整体上为中高密度、高纵波速度、高纵横波速度比，地层岩性为泥晶灰岩或泥灰岩，储层相对不发育，与测井解释吻合，说明其反演结果较为可靠。

对构造范围内上段地层进行层间属性提取，可以看到,在主构造高部和构造的东北冀具有低密度、低纵波速度和低纵横波速度比特征(图4、图7)。

表3 钻井岩性对应密度和纵波范围统计表

图6 BB井测井和反演结果对比图Fig.6 BB well logging and inversion curves diagram

图7 构造范围内层间最小振幅属性平面图Fig.7 The minimum amplitude attributes map(a)盐底构造图;(b)密度;(c)纵波速度;(d)纵横波比

图8 过西部-中部-东北部拉平地震剖面Fig.8 Flatten seismic profile across western-central-northeast

图9 构造沉积演化模式图Fig.9 Sedimentary evolution pattern diagram

研究区西部-中部-东北部的任意地震剖面揭示(图8)，构造东北翼地层厚度及振幅能量均小于构造西部，推测构造东北翼沉积古地貌高于构造西部，可能受早期两条断裂和火成岩控制具有“东高西低”的古地貌格局，东北翼为继承性古隆起，有利于储层发育，中部为火山岛隆起，储层局限发育；后期因差异性沉降，导致发生构造反转，形成现今中部高、两侧翼部相对较低的构造形态(图9)。预测的有利储层分布特征及范围区内的构造、沉积演化过程吻合，预测成果可靠，可为下步的勘探部署提供有益支撑。

4 结束语

受巨厚盐层覆盖、多期火成岩侵入等影响，盐下碳酸盐岩储层地震响应规律复杂，常规AVO分析对储层和流体识别难度大。笔者通过扩展弹性阻抗反演预测了目的层有利目标分布，预测结果与实钻井吻合度高，实用效果表明该方法具有良好的实用性和有效性。扩展弹性阻抗反演为储层和流体识别研究提供了一种新思路，在应用过程中得到如下启示。

1)扩展弹性波阻抗储层预测方法是对常规AVO分析对储层识别局限性的补充和拓展，为弹性参数或储层参数的反演和应用提供了新的途径。

2)在扩展弹性波阻抗反演中，测井资料与弹性波阻抗拟合分析，确定最优理论入射角是研究的关键，直接影响反演结果的精度，因此在选取时需特别谨慎。

3)扩展弹性波阻抗反演以叠前地震资料和井数据为基础，井震资料的质量直接影响反演结果的精度。

4) 研究区地震响应规律出现复杂情况时，扩展弹性波阻抗反演结果能有效突出储层和流体异常，有助于提高储层预测精度和可信度。