雙相介質(zhì)BISQ地震油氣預(yù)測(cè)技術(shù)

摘 要

摘要：?jiǎn)蜗嘟橘|(zhì)理論針對(duì)固體而忽視流體，預(yù)測(cè)油氣則先天不足。雙相介質(zhì)理論指出流體尤其是油氣的存在和運(yùn)動(dòng)是彈性波頻散和衰減的主要原因，因而可以通過計(jì)算頻散譜和衰減譜來預(yù)測(cè)
摘要：單相介質(zhì)理論針對(duì)固體而忽視流體，預(yù)測(cè)油氣則先天不足。雙相介質(zhì)理論指出流體尤其是油氣的存在和運(yùn)動(dòng)是彈性波頻散和衰減的主要原因，因而可以通過計(jì)算頻散譜和衰減譜來預(yù)測(cè)油氣。譜的計(jì)算要求有瞬時(shí)特性，才能避免時(shí)窗效應(yīng)。為此采用分頻的辦法對(duì)地震道進(jìn)行分頻，形成分頻道集后再作“三瞬”處理，這樣在指定時(shí)刻一個(gè)采樣點(diǎn)可集合成瞬時(shí)振幅譜、瞬時(shí)頻率譜、瞬時(shí)相位譜；用瞬時(shí)振幅譜和瞬時(shí)頻率譜計(jì)算出瞬時(shí)衰減譜，而瞬時(shí)頻散譜則可用瞬時(shí)相位譜去近似代表。通過已知井建立預(yù)測(cè)模型，再對(duì)6個(gè)待鉆井位目標(biāo)用該方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，完井試油預(yù)測(cè)成功率達(dá)83.33%。
關(guān)鍵詞：介質(zhì)；數(shù)學(xué)模型；瞬時(shí)頻率；頻譜；振幅；天然氣；地震勘探；預(yù)測(cè)
1 問題的提出
    20世紀(jì)70年代國外出現(xiàn)了“亮點(diǎn)”技術(shù)之后，地震反演、地震屬性、AVO、多波技術(shù)等應(yīng)用到儲(chǔ)層和油氣預(yù)測(cè)，基本上以單相介質(zhì)為主，速度和衰減與流體(油氣)參數(shù)無直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際上，地層是既有固體成分又含有流體成分的雙相介質(zhì)，顯然用雙相介質(zhì)理論預(yù)測(cè)油氣更接近實(shí)際。Dvorkin和Nur于1993年將BIOT流動(dòng)機(jī)制和噴射流動(dòng)機(jī)制組合起來建立了比奧-噴射模型(BISQ)，揭示了彈性波的頻散和衰減與儲(chǔ)層參數(shù)、流體、彈性參數(shù)和頻率參數(shù)之間的關(guān)系，流體的存在和運(yùn)動(dòng)是彈性波頻散和衰減的主要原因，也是來至油氣體的直接的、獨(dú)特的信息[1～3]。
2 雙相介質(zhì)BISQ理論
2.1 BISQ模型
BISQ模型綜合了儲(chǔ)層流體兩種流動(dòng)的力學(xué)機(jī)制，BIOT流動(dòng)是彈性波傳播時(shí)流體與固體之間的黏滯摩擦作用和慣性耦合作用使流體受迫參與運(yùn)動(dòng)，是沿縱向宏觀的運(yùn)動(dòng)；噴射流動(dòng)是彈性波傳播時(shí)小孔隙受擠壓使小孔隙流體向空隙擠出形成噴射流動(dòng)，是沿橫向的微觀流動(dòng)，兩種流動(dòng)機(jī)制同時(shí)存在，共同對(duì)波的頻散和衰減產(chǎn)生影響。在地震波頻率圍內(nèi)BISQ模型表達(dá)式如下：
 
式中：S為飽和度；J0為零階貝塞爾函數(shù)；J1為一階貝塞爾函數(shù)；ρs為固體密度；φ為孔隙度；ρf為流體密度；M為干噪骨架的單軸應(yīng)變模量；Fsq為固-流耦合系統(tǒng)的綜合壓縮性；α為有效應(yīng)力孔隙彈性系數(shù)；R為特征噴射流動(dòng)長度；ω為圓頻率；η為流體黏滯度；k為滲透率；F為固-流耦合系統(tǒng)的壓縮性；κ為干噪骨架體積模量。
    雙相介質(zhì)的BISQ理論研究和物理實(shí)驗(yàn)表明：流體和巖石骨架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是頻散和衰減的主要原因。頻散和衰減隨流體黏度的變化而劇烈變化，頻散隨流動(dòng)性減小、滲透率減小、黏滯系數(shù)增大而增大。滲透率控制流體的擴(kuò)散和流動(dòng)的速率，流體的黏度增大，衰減的峰值向低頻方向移動(dòng)，流體的黏度減小，衰減峰值向高頻方向移動(dòng)。波的頻散和衰減受頻率影響大，不同頻段頻散和衰減規(guī)律不一樣。因此需要進(jìn)行頻譜分析，用地震信息計(jì)算出頻散譜和衰減譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣的預(yù)測(cè)[3～4]。
2.2 瞬時(shí)頻散譜和瞬時(shí)衰減譜
    地震波頻散和衰減隨頻率的變化可揭示流體的存在和運(yùn)動(dòng)，是油氣預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)，頻散譜和衰減譜的計(jì)算是實(shí)現(xiàn)油氣的預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。
在頻率家族中付氏頻率和瞬時(shí)頻率的區(qū)別是：付氏頻率反映的是一個(gè)時(shí)窗內(nèi)各個(gè)頻率成分平均效應(yīng)的變化，不能提供瞬時(shí)狀態(tài)的變化，時(shí)窗小則誤差就大，時(shí)窗大平均效應(yīng)也大；瞬時(shí)頻率是定義在采樣點(diǎn)上指定時(shí)刻全部頻率成分疊加的結(jié)果，一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)瞬時(shí)值，信息量小，不能提供各個(gè)頻率成分的變化。理想的情況是：在指定時(shí)刻一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)瞬時(shí)譜，能提供各個(gè)頻率成分的變化，既擴(kuò)大信息量，又避免大時(shí)窗的平均效應(yīng)和小時(shí)窗的誤差反映，用分頻的辦法可實(shí)現(xiàn)理情況。分頻道的頻寬設(shè)計(jì)為2Hz，地震波的有效頻帶為0～50Hz，一個(gè)地震道分成25個(gè)分頻道，用復(fù)數(shù)道分析技術(shù)的Hilbert變換對(duì)各分頻道作“三瞬”處理并集合成道集。在指定時(shí)刻一個(gè)采樣點(diǎn)由“三瞬”道集集合成3個(gè)譜：瞬時(shí)振幅譜A(f)、瞬時(shí)頻率譜ω(f)、瞬時(shí)相位譜θ(f)。用瞬時(shí)振幅譜為因變量，瞬時(shí)頻率譜為自變量用點(diǎn)斜式可計(jì)算出瞬時(shí)衰減譜α(f)。當(dāng)速度是頻率的函數(shù)C(f)，它與相位函數(shù)θ(f)的關(guān)系是：C(f)=ω/θ(f)，因此用瞬時(shí)相位譜去近似代表瞬時(shí)頻散譜，相位函數(shù)的低值對(duì)應(yīng)頻散的高值[5～6]。計(jì)算“三瞬”公式如下：
 
用地震信息計(jì)算出瞬時(shí)頻散譜和瞬時(shí)衰減譜預(yù)測(cè)油氣，地震數(shù)據(jù)應(yīng)滿足高信噪比、高分辨率、高保真度、高清晰度、高精確度和高可信度。要達(dá)到“六高”數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，資料處理是關(guān)鍵，因此采用以下處理流程：偏移數(shù)據(jù)→去反褶積影響→標(biāo)準(zhǔn)化→分頻→去噪→沿層計(jì)算瞬時(shí)譜→譜歸一化。
    當(dāng)同相軸呈麻花狀去反褶積影響非常必要，標(biāo)準(zhǔn)化處理是對(duì)子波、振幅、頻率、相位的一致性處理，沿層計(jì)算瞬時(shí)譜是處理策略，我們知道地震數(shù)據(jù)的核心信息是界面的反射信息，反射波的極值對(duì)地震波的動(dòng)力學(xué)特征、分辨率、保真度、信噪比的貢獻(xiàn)和影響最大。按以上流程處理的瞬時(shí)譜和傳統(tǒng)的“三瞬”既有聯(lián)系又有區(qū)別，定義在采樣點(diǎn)上具有瞬時(shí)特性，“三瞬”1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)值，瞬時(shí)譜1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)譜，以50Hz帶寬計(jì)算地震道1個(gè)采樣點(diǎn)集合成4個(gè)譜，其信息擴(kuò)大超過100倍，“三瞬”雖數(shù)學(xué)意義明確但物理意義不明確，瞬時(shí)譜物理意義明確，它揭示了與儲(chǔ)層參數(shù)、流體參數(shù)、彈性參數(shù)和頻率參數(shù)之間的關(guān)系。
3 對(duì)已知井的檢驗(yàn)
    雙相介質(zhì)BISQ理論地震油氣預(yù)測(cè)的新思路、新方法能否實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用需要實(shí)踐的檢驗(yàn)，因此對(duì)川中、川西南、川南三個(gè)地區(qū)的7個(gè)構(gòu)造和1個(gè)區(qū)塊的5個(gè)層段(須四段、須二段、嘉四1亞段-嘉三段、嘉二1亞段-嘉一段、下二疊統(tǒng))的36口(氣井15口，氣水同產(chǎn)井2口，水井4口，干井13口，氣枯竭井2口)已知井進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)分析、研究發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)吸收譜和瞬時(shí)相速度譜的油氣性有如下特征(圖1)：①正常性的地層或地質(zhì)因素在瞬時(shí)吸收譜和瞬時(shí)頻散譜上為大范圍連續(xù)成片的背景反映；②低頻段為相對(duì)孤立的強(qiáng)吸收異常和高頻散異常，異常呈透鏡狀j眼球狀、并相伴出現(xiàn)，該異常與油氣圈閉有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系；③某個(gè)頻段為相對(duì)孤立的強(qiáng)吸收和高頻散異常，也與含油氣圈閉有直接關(guān)系；④干井、水井無上述異?，F(xiàn)象，在氣水共存區(qū)，也無上述的異常特征。
    通過對(duì)36口已知井的瞬時(shí)吸收譜和瞬時(shí)頻散譜異常的分析、研究，認(rèn)為油氣異常突出，特征清楚、分辨率高，可靠性好，實(shí)現(xiàn)了最佳的應(yīng)用。
4 對(duì)未知目標(biāo)的預(yù)測(cè)
    根據(jù)對(duì)己知井儲(chǔ)層油氣特征的認(rèn)識(shí)，2008年對(duì)西南油氣田公司蜀南氣礦6個(gè)待鉆井位目標(biāo)進(jìn)行了BISQ地震油氣預(yù)測(cè)，認(rèn)為5個(gè)目標(biāo)能獲氣、1個(gè)目標(biāo)為干層。而鉆探結(jié)果表明，這6個(gè)目標(biāo)完井試油獲得氣井5口，干井1個(gè)口，失誤井1口，預(yù)測(cè)成功率83.33%(見表1、圖2)。
 
表1 2008年井位目標(biāo)BISQ地震油氣預(yù)測(cè)效果統(tǒng)計(jì)表
井位
層位
預(yù)測(cè)情況
鉆探結(jié)果
吻合情況
S005-1
茅口組
氣層
氣、水同產(chǎn)層
吻合
T012-1
茅口組
氣層
氣層
吻合
B003-2
茅口組
氣層
氣層
吻合
B002-1
茅口組
氣層
氣、水同產(chǎn)層
吻合
Y10
須二段
干層
干層
吻合
T101
須二段
氣層
氣層
基本吻合
5 結(jié)論與建議
雙相介質(zhì)BISQ地震油氣預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)信息(瞬時(shí)吸收瞬，瞬時(shí)頻散譜)的最佳應(yīng)用。地震頻帶的瞬時(shí)頻散譜、瞬時(shí)吸收譜聯(lián)合起來用于地震油氣預(yù)測(cè)在國內(nèi)尚屬首次(經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)搜索)。特點(diǎn)是信息分辨率高、信息量大，有利于減小多解性。雙相介質(zhì)BISQ地震油氣預(yù)測(cè)技術(shù)能客觀地反映油氣異常特征，適用碎屑巖和碳酸鹽巖地層。
    建議不要做過多的反褶積處理，保留客觀的動(dòng)力學(xué)和頻率特征。
參考文獻(xiàn)
[1] 張靜，張虎權(quán)，李延麗，等.蜀南地區(qū)須家河組致密砂巖含氣性綜合預(yù)測(cè)[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：45-47.
[2] 陸基孟.地震勘探原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1982.
[3] 楊頂輝，陳小宏.含流體多孔介質(zhì)的BISQ模型[J].石油地球物理勘探，2001，36(2)：146-159.
[4] 席道英，張程遠(yuǎn)，劉小燕.儲(chǔ)層砂巖的各向異性[J].石油地球物理勘探，2001，36(2)：187-192.
[5] 巴特M.地球物理學(xué)中頻譜分析[M].鄭冶真，譯.北京：地震出版社，1978.
[6] 董良國，李培明.地震波傳播數(shù)值模擬中的頻散問題[J].天然氣工業(yè)，2004，24(6)：53-56.
 
(本文作者：李煜偉1 李硯2 呂宗剛3 岳宏3 彭海潤3 包吉山1 1.成都理工大學(xué)；2.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司；3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦)