擴展的彈性阻抗及其在儲層預(yù)測中的應(yīng)用

摘 要

摘　要：擴展的彈性阻抗(EEI)是對常規(guī)AVO梯度和截距分析的一種深化，是在常規(guī)波阻抗和梯度阻抗空間中進行角度旋轉(zhuǎn)，從而擬合巖石的彈性參數(shù)(如縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比

摘　要：擴展的彈性阻抗(EEI)是對常規(guī)AVO梯度和截距分析的一種深化，是在常規(guī)波阻抗和梯度阻抗空間中進行角度旋轉(zhuǎn)，從而擬合巖石的彈性參數(shù)(如縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、拉梅常熟、剪切模量、泊松比等)和儲層物性參數(shù)(如孔隙度、泥質(zhì)含量、飽和度等)，對電阻率、伽馬等值也有很好地預(yù)測效果，可將儲層與非儲層之間的差異更加顯性化。為此，介紹了該方法的基本原理，強調(diào)在用EEI進行儲層預(yù)測時需要注意的是：AVO分析前盡量在不改變道集各偏移距上的振幅大小的同時，將不同偏移距或角度的頻譜整形為一致的頻寬，以對動校拉伸和地層吸收效應(yīng)進行補償；顏色反演中用到的地震數(shù)據(jù)必須進行零相位化；不同的地層、巖性可能存在不一樣的最佳旋轉(zhuǎn)角度，進行儲層預(yù)測時都需要重新分析來確定最佳的旋轉(zhuǎn)角度。在Y氣田的應(yīng)用研究取得了儲層的物性參數(shù)，其反演的儲層分布符合現(xiàn)有的地質(zhì)認識，對A9井區(qū)的分析認為其勘探潛力巨大，這為該區(qū)的調(diào)整挖潛提供了有力地支持。

關(guān)鍵詞：AVO分析  擴展的彈性阻抗  梯度阻抗  彈性參數(shù)  儲集層  物性  預(yù)測

An extended elastic impedance(EEI)method and its application to reservoir mapping

Abstract：An extended elastic impedanee(EEI)method is also an advanced form of AVO analysis and is to perform the angle rotation in the conventional acoustic impedance space and gradient impedance space，so as to obtain elastic parameters such as P-and S-wave impedance，P-to S-wave velocity ratio，Lame constant，shear modulus，Poisson’s ratio，etc．and reservoir physical properties such as Dorositv，shale content and saturation．In addition，it can also effectively predict common petrophysical properties such as resistivity and gamma ray．Therefore，the differences between reservoir and non-reservoir can be more clearly highlighted．This paper introduces its basic principles and highlights some key points to which much attention should be paid when reservoir prediction is made with the EEI method．Spectrum at different offsets or angles should be shaped into consistent bandwidth without changing the amplitude at each offset of gathers before AVO analysis，so as to compensate the extending effect of dynamic correction and the adsorption effect of strata．The seismic data to be used in color inversion must be zero-phased．For different strata with different lithologies，the optimum rotation angle may be different，so it must be calculated through reanalysis when reservoir prediction is made．Its application in the Y gas field reveals that the physical properties obtained are rational and the reservoir distribution mapped through inversion is consistent with the existing geologic understanding．It is believed that the exploration potential of A9 wellblock is huge and this provides a solid basis for the development adjustment in this study area．

Key words：AVO analysis，extended elastic impedance，gradient impedance，elastic parameter，reservoir，physical property，prediction

隨著油氣勘探領(lǐng)域不斷從構(gòu)造圈閉向地層巖性圈閉傾斜，儲層描述就顯得更為重要。l999年，Connoly將波阻抗的概念引人到非零入射角的地震數(shù)據(jù)上，稱為彈性阻抗飛（Elastic Impedance)[1-2]，并取得了廣泛的應(yīng)用[3-6]。2002年Whitcombe引入了常數(shù)，給出了歸一化后的彈性波阻抗，修改后的彈性波阻抗與波阻抗有相同的量綱[7]，便于兩者之間的比較。并且針對在入射角估計中產(chǎn)生的誤差影響彈性波阻抗反演的穩(wěn)定性，可能出現(xiàn)與實際不符等問題，Whitcombe等用正切函數(shù)替換正弦函數(shù)的方法修改了歸一化彈性波阻抗，稱為擴展彈性波阻抗[8]，并直接用于巖性、物性和流體的預(yù)測。

在國內(nèi)2008年唐湘蓉等人針對擴展彈性阻抗的理論入射角與地震資料的實際入射角之間的內(nèi)在關(guān)系進行分析，并尋找到一種解決兩種角度換算的方法[9-11]。苑春方等人2009年以Aki-Richards(1980)的Zeoppritz三項簡化式為基礎(chǔ)，改進了Whitcombe等的擴展彈性波阻抗的計算公式[12]，提高了預(yù)測精度。

以前的研究主要是針對擴展彈性阻抗的理論不斷完善，鮮見實際應(yīng)用的例子。筆者理論與實踐相結(jié)合，介紹了應(yīng)用擴展彈性阻抗進行儲層預(yù)測、流體識別的基本原理，通過一個實例展示了該方法的實現(xiàn)流程和幾項關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用此方法預(yù)測了南海Y氣田Ⅳ類AVO異常氣層的儲層分布，預(yù)測結(jié)果與該區(qū)的地質(zhì)認識和生產(chǎn)動態(tài)吻合好。同時還總結(jié)了應(yīng)用擴展的彈性阻抗EEl(Extended elastic impedance；Whitcombe，2002)進行儲層預(yù)測時需要注意的幾個問題。

1　方法原理

擴展彈性阻抗儲層預(yù)測方法是在彈性波阻抗理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其理論基礎(chǔ)是振幅隨偏移距變化的AVO理論。經(jīng)典的擴展彈性阻抗理論是從Zeoppritz方程的簡化式人手，當(dāng)入射角小于30°時，反射系數(shù)可以表示為Aki-Richards簡化公式：

R(q)=A+Bsim2q                 (1)

當(dāng)入射角為零時，反射系數(shù)即為：

R(0)=A=(AI2-AU1)/(AI2+AI1)        (2)

針對入射角不為零時的反射系數(shù)，Connolly引入了彈性阻抗(EI)概念，構(gòu)建了一個與聲阻抗類似的方程：

 

由此可得彈性阻抗公式：

 

其中k=(us/up)2

去掉量綱的影響，可將El公式標(biāo)準(zhǔn)化為：

 

在此，up0、us0、r0，分別是up、us、r的平均值。

類似地，針對兩項反射系數(shù)公式中的B值可以構(gòu)建一個方程，即

 

定義GI為梯度阻抗，將反射系數(shù)的Aki-Richards簡化公式取對數(shù)可以得到彈性阻抗、聲阻抗與梯度阻抗的關(guān)系式：

 

由此根據(jù)彈性阻抗公式和聲阻抗的定義可得：

 

將式(8)進行標(biāo)準(zhǔn)化后可得：

 

在AI×GI空間中通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)可得到擴展的彈性阻抗(EEI)，可以表示為：

 

在此式中a為旋轉(zhuǎn)的角度。

研究表明角度a與地震實際入射角q之間有相互對應(yīng)的等效關(guān)系[12-13]，即tana＝sin2q。實踐表明，并且總可以找到一個角度a對應(yīng)的EEI(a)能夠與巖石彈性參數(shù)(如縱橫波速度比、體積模量、剪切模量、泊松比等)或儲層參數(shù)(如泥質(zhì)含量、孔隙度、飽和度等)很好的擬合，這就為儲層參數(shù)的計算提供了一種新的方法，而且對常用的石油物理量(如電阻率值、伽馬值等)[14]也有很好的預(yù)測效果。

2　應(yīng)用實例

Y氣田為中國海域內(nèi)最早發(fā)現(xiàn)的干億立方米級大氣田，現(xiàn)在氣田的開發(fā)已進人中后期階段，為進一步提高該氣田的采收率和滿足下游用戶不斷增長的用氣需求，氣田急需調(diào)整挖潛。為此，采用了擴展彈性阻抗EEI儲層預(yù)測技術(shù)，預(yù)測了該氣田的儲層物性分布，為尋找下一步開發(fā)調(diào)整的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

2．1　巖石物理分析

圖l為Y氣田目的層段的縱波阻抗(AI)和梯度阻抗(GI)交匯圖，其中色標(biāo)為泥質(zhì)含量(Vsh)，可以看出30°的擴展彈性阻抗可以較好地區(qū)分砂巖與泥巖。

 

圖2為相應(yīng)角度的EEI曲線與實測的泥質(zhì)含量曲線(Vsh)、含水飽和度(Sw)曲線的比較圖，從圖2中可以看出，EEI(30°)與泥質(zhì)含量曲線具有很好的一致性，而EEI(25°)與含水飽和度曲線具有很高的相似度，氣田內(nèi)的其他井也具有類似的情況。

 

測井?dāng)?shù)據(jù)分析表明：通過AI、GI坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，可以很好地區(qū)分陵二段和陵三段的砂巖與泥巖；通過EEI(30°)可以很好地判別巖性，但由于擬合泥質(zhì)含量曲線(Vsh)和含水飽和度(Sw)曲線的角度比較接近，判別結(jié)果可能會受到流體的影響。分析表明，該氣田匹配泥質(zhì)含量曲線(Vsh)和含水飽和度(Sw)曲線的旋轉(zhuǎn)角度比較接近，主要是由于該區(qū)缺少不含氣的砂巖。

2．2　AVO分析

為了確定該氣田的AVO類型，首先從理論出發(fā)統(tǒng)計了井上的氣層及上覆地層的屬性參數(shù)，包括縱橫波速度、密度、泊松比等參數(shù)，并通過Shuey’S的簡化Zoeppritz方程計算了反射系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣層頂面的反射系數(shù)大，而泊松比變化較小[15]，滿足產(chǎn)生第Ⅳ類異常的條件；接著選擇代表性的井(Y4井)進行了正演模擬，模擬結(jié)果顯示該井正演道集的氣層頂面均對應(yīng)波谷(負反射系數(shù))，并且隨著偏移距的增加振幅逐漸減弱(圖3左)；隨后對Y4井旁的實際地震道集進行了AVO分析(網(wǎng)3右)，從實際道集中提取的氣層頂面AVO曲線表明：在偏移距200～4500 m的變化范圍內(nèi)，反射系數(shù)均為負值，并且其絕對值隨著偏移距的增大而減小，與正演模擬結(jié)果吻合，證實了該氣藏的IV類AVO特征。

 

2．3　顏色反演

AVO反演得到的截距(P)和梯度(G)均為反射系數(shù)，并非阻抗域的數(shù)據(jù)，在本研究區(qū)，從P(或G)反演得到AI(或GI)是通過顏色反演來實現(xiàn)的。顏色反演是對遞推反演的修改，其反演過程是尋找一個操作算子，與地震道進行褶積運算，直接將其轉(zhuǎn)換為反演結(jié)果。

尋找合適的操作算子是顏色反演的關(guān)鍵，其具體方法是利用工區(qū)內(nèi)一組井的聲阻抗擬合一條“理想”的輸出阻抗譜，利用井旁一組地震道求取平均地震譜。從以上兩個頻譜可以求取操作算子的頻譜，使得地震譜形狀在地震頻帶內(nèi)轉(zhuǎn)換為阻抗譜。

圖4為用于轉(zhuǎn)換截距(P)到聲阻抗(AI)的顏色反演算子，該算子試圖拓寬地震的頻帶，即在地震有效頻帶范圍內(nèi)提高地震的低頻和高頻成分的能量，同時進行-90°的相位旋轉(zhuǎn)，從而完成截距(P)的顏色反演。對于梯度(G)的反演過程與其類似。

 

2．4　結(jié)果應(yīng)用

圖2中實測曲線與EEI曲線對比，可以看出與含水飽和度曲線具有很高的相似度，當(dāng)含水飽和度逐漸減小，即含氣飽和度增加時，對應(yīng)相對較低的EEI值；反之，對應(yīng)相對高的EEI值。為了確定含水飽和度下限對應(yīng)的EEI門檻值，用井資料計算得到的EEl曲線與含水和度曲線進行了交匯分析，求得該區(qū)含水飽和度下限值對應(yīng)的EEI(25°)曲線值為-150。

圖5為從反演得到的EEI(25°)屬性沿目的層頂面開l0ms時窗提取的算術(shù)平均值平面圖，圖中綠色到紅色對應(yīng)EEI值小于-l50，并且顏色從綠色到紅色對應(yīng)的EEI值逐漸降低。結(jié)合本區(qū)的鉆井情況和構(gòu)造形態(tài)可知，圖5中紅色異常范圍(即EEI值小于-150的范圍)與該層鉆井證實的含氣范圍吻合好。在EEI屬性平面圖上，鉆遇水層的E9井處EEI屬性表現(xiàn)為水層特征，而其他含氣性好的井則對應(yīng)相對低的EEI值，這說明利用EEI屬性能有效地區(qū)分出氣層和水層。另外，A9井區(qū)物性較好的位置主要集中在構(gòu)造高部位，即A9井的周圍，但是分布的范圍較小，這可能就是A9井生產(chǎn)過程中壓力下降較快的一個原因。

 

3　結(jié)論與建議

擴展彈性阻抗EEl的儲層預(yù)測方法深化了常規(guī)AVO分析(即截距、梯度屬性分析)的應(yīng)用，并且該方法為計算巖石的彈性參數(shù)和儲層的物性參數(shù)提供了一種新的思路，Y氣田的擴展彈性阻抗EEI儲層預(yù)測研究結(jié)果對A9井區(qū)的潛力分析提供了有力的支持，并且對南三塊S3氣藏模式的確定有所啟發(fā)，為氣田進一步挖潛提供了有力的基礎(chǔ)資料。

在用擴展彈性阻抗EEl進行儲層預(yù)測時需要注意的是：在AVO分析前盡量在不改變道集各偏移距上的振幅大小(即AVO特征不變)的同時，將不同偏移距或角度的頻譜整形為一致的頻寬，以對動較拉伸和地層吸收效應(yīng)進行補償，提高AVO分析的穩(wěn)定性；顏色反演中用到的地震數(shù)據(jù)必須進行零相位化以保證反演結(jié)果的有效性；另外，不同的地層、不同巖性可能存在不一樣的最佳旋轉(zhuǎn)角度，因此，在對不同的油氣田采用擴展彈性阻抗EEl進行儲層預(yù)測時，都需要重新分析來確定最佳的旋轉(zhuǎn)角度，以保證預(yù)測結(jié)果的可靠性。

 

符號說明

R為反射系數(shù)，無量綱；q為角度，(°)；up為縱波速度，m／s；us為橫波速度，m／s；r為密度，g／cm3；AI為標(biāo)準(zhǔn)化的縱波波阻抗，無量綱；GI為標(biāo)準(zhǔn)化的梯度阻抗，無量綱；EI為標(biāo)準(zhǔn)化的彈性阻抗，無量綱；EEI為標(biāo)準(zhǔn)化的擴展的彈性阻抗，無量綱；Vsh為泥質(zhì)含量，無量綱；Sw為含水飽和度，無量綱。

 

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本文作者：孫月成  馬光克  隋波  陳燕雄  張國棟  李芳

作者單位：中海石油(中國)有限公司湛江分公司

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