双相介质的频谱分析技术在流体识别中的应用——以中东某油田裂缝型碳酸盐岩稠油油藏为例

汲生珍 (中国地质大学 (北京)能源学院;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083)

邬兴威,王萍,夏东领 (中国石化石油勘探开发研究院,北京100083)

双相介质的频谱分析技术在流体识别中的应用
——以中东某油田裂缝型碳酸盐岩稠油油藏为例

汲生珍 (中国地质大学 (北京)能源学院;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083)

邬兴威,王萍,夏东领 (中国石化石油勘探开发研究院,北京100083)

双相介质理论认为地下岩石是由具有孔隙的固体骨架和孔隙中所充填的流体所组成。地震波在含流体的多孔介质中传播时,会使流体在孔隙空间流动,从而引起低频共振与高频衰减。对三维地震资料及井旁道典型单井的频谱分析,以确定不同流体性质的频谱特征。应用面积差值法求取高、低频能量的差异,实践证实,油气层往往表现为明显的高频衰减与低频共振特征,而水层与干层则表现不明显。该方法在中东某油田碳酸盐岩裂缝储层发育区流体预测符合度可达80%,为区内的增储上产提供了有力的技术支撑。

双相介质;频谱分析;低频共振;高频衰减

储层流体识别的方法较多,近年来利用频率域属性进行流体识别逐渐成为储层描述与流体识别的热点。1979年Tanger等[1～3]利用“低频阴影”技术识别储层流体,1997年BP-Amoco公司的Lopez等人[4]提出适于三维地震解释和储层预测的地震频谱分级技术,随之被广泛应用于储层含油气检测。近几年,基于品质因子 (Q)等吸收属性识别流体的方法也发展迅速,并在许多地区取得了较好的应用[5]。

目前,油气预测的技术多以单相介质的波动理论为基础,无法准确描述地震波的传播规律。油气层是一种多项介质 (即固相的多孔岩石骨架与流相的油、气、水等)的组合体,对此,应用双相介质理论对地震资料进行频谱分析,确定不同流体性质的频谱特征,应用 “低频共振”及 “高频衰减”法进行流体识别。当储层中含有流体时,往往会引起地震波能量和频率的变化,尤其储层中含有油气时,往往导致主频降低及高、低频反射异常,同时地层吸收的不一致性致使地震频谱表现为低频共振及高频衰减[6～8]。该现象在国内外油田现场的实钻结果与实验室模型正演、数值模拟结果中均已得到证实。在国内,张应波[9]最先将Biot理论用于地震勘探的研究。针对地震频谱与储层流体性质的关系,杨顶辉等[10]通过建立BISQ模型证实,含流体多孔介质中喷射流是造成地震波强衰减的主要原因。李勇等[11]通过双介质正演,探索了含油气储层对地震波的吸收衰减作用。尹陈等[12]基于一维弥散-黏滞型波动方程正演方法模拟出地震波衰减延迟现象,认为含流体性地层的黏滞性和弥散性是地震波在传播中能量衰减的一个重要原因。

1 理论依据-双相介质理论

双相介质理论于1956年由Biot首先提出,并建立了双相介质条件下的波动方程。双相介质理论认为地下岩石是由具有孔隙的固体骨架 (即固相)和孔隙中所充填的流体 (即流相)所组成。若多孔介质的孔隙单元相互连通,则地震波在含流体的多孔介质中传播时,由于流体和固体的振动相互作用、耦合,会使孔隙中的流体在空间中流动,从而引起流体和固体颗粒的相对运动,导致波的振幅衰减[13～15]。在有限带宽内,地震波从低频向高频方向移动时,存在低频衰减最小值和高频衰减最大值,即 “低频共振”与 “高频衰减”,这是双相介质和单相介质的最大区别。由于石油和天然气黏滞系数远比水大,因而含油气储层的地震波振幅衰减将会相当明显。利用储层中油气的地震振幅衰减大于水,可以间接识别含油饱和度较高的储层流体。振幅衰减Å计算公式如下:

式中:ϕ为介质孔隙度,%;K为介质渗透率,mD;η为流体黏滞系数,m Pa·m;μ为介质固体位移, m;U为介质液体位移,m;t为时间,s[16]。

从式(1)中可以看出:在多相介质中,地震波的振幅衰减与介质的衰减系数及流体与固体的相对运动速度成正比。且当流体和固体颗粒相对运动速度较小时,地震波衰减最小而振幅最强,该现象即为“共振”,它仅存在于地震波的某一低频率上。

流体和固体颗粒之间的相对运动速度随着频率的增加而增大,在某一频率处,地震波衰减最大而振幅最小,从而形成高频衰减。“高频衰减”现象已为人们所熟悉,但“低频共振”却为一个有意义的新发现。正是该发现奠定了油气检测的基础。从图1中可清晰地反映出地震波在地下传播时,在一定带宽内,存在着低频衰减的最小值和高频衰减的最大值。在a～b低频段,双相介质的振幅衰减低于单相介质的振幅衰减;而在c～d高频段,双向介质的振幅衰减远高于单相介质的振幅衰减。

应用时,应首先分析含不同流体性质的储层频谱特征,确立不同流体性质的储层频率值域范围,然后求取低、高频段振幅能量。一般在含油气区,主频较低,且低频段存在明显的低频能量的增强,而在高频段则存在能量的降低。而无油气区通常主频较高,没有 “低频共振,高频衰减”的现象 (图2)。故利用面积差值法(LFR&HFA)来进行流体识别。

图1 单相介质与多相介质中地震波振幅衰减与频率关系图

图2 面积差值法原理图

2 应用分析

中东某油田属于复杂的裂缝型碳酸盐岩稠油油藏。该油田已勘探开发40余年,从2009～2014年,研究区产量递减加快,综合含水量明显上升,新钻井含水率偏高,且不同油藏单元的油水界面和储层流体性质存在较大差异。结合地质认识、动态资料分析,需要寻找能识别储层流体性质、刻画油水分布特征的方法技术,以预测有利含油区范围和油气富集区,提高钻井成功率,为开发方案部署提供可靠依据。针对该区复杂的地质条件,在调研类似储层油气预测技术的基础上,经过反复探索与试验认为,利用双相介质理论分析其低频与高频信息对预测该区流体分布意义重大。

2.1 储层流体的单井频谱分析

研究区地震资料主频25Hz左右,利用不同频率响应对应不同岩性、物性和含油性特点,结合钻井和测试资料,统计和分析油层、油水层、水层和干层的频谱特征。首先确定含油气层段与水层或干层的主频分界线,进一步分析其频谱特征,确认两者差异,建立储层流体识别的频谱模板标准。该区含油层系,储层岩性变化不大,均为泥晶灰岩,为储层流体的频谱界限识别提供了有利条件。

运用该方法对120口井的井旁道生产层段进行频谱分析,得到目的层段的有效调谐频率范围,油层段的频率一般小于25 Hz,水层或干层的频率大于25 Hz。Well1井为油井,Well2井为无产能井,两者的单井频谱分布存在明显差异,油层段频谱向低频段迁移,而无产能段频谱向高频方向迁移 (图3)。

图3 油井Well1井(a)和无产能井Well2井(b)的过井地震道频谱对比图

对单井附近多道频谱分解,以确定储层段流体频谱界限。在地震剖面上对单井储层段附近区域 (时间域)统计频谱特征,120口井的统计结果与单井频谱分析结果相一致性。通过分析频谱形态特征与油层、油水层、水层或干层的关系,得到以下认识:①油层段单峰优势明显,低频段 (＜25 Hz)具有优势,高频段 (＞25Hz)峰值不明显;②油水层段表现为低频段和高频段并存的双峰特征,若低频段优势,高频段存在第二峰值台阶,台阶峰值的大小反映该井含水率高低,高含水层段 (含水率Sw＞80%)高频段峰值高于低频段峰值,低含水层段(Sw=20%～80%)低频段峰值明显高于高频段峰值;③水层或干层为高频段单峰(图4)。

2.2 基于双相介质的地震频谱属性分析

基于双相介质的频谱分解主要针对储层流体性质,分析不同流体的频谱特征。由于地下介质含油、气、水等流体时表现为双相特性,且介质含水时的地震波能量衰减很微弱。依据含流体储层具有高频衰减、低频共振特征,运用频谱属性凸显油层、水层不同频率的频谱响应特征,优选对流体性质敏感的频谱属性,最终结合试油、生产动态和测井解释验证其可靠性。由于该区主要为碳酸盐岩储层,储层性质相对均一,运用基于双相介质的频谱分析技术,能够较好地反映储层中的流体性质。

从图5、6可以看出,油井在目的层段表现为明显的低频共振及高频衰减,而无产能井在目的层段低频能量较弱,无高频衰减特征,据此可以定性判断储层中的流体性质。图5中的Well3井为一口钻遇微裂缝储层的油井,有效储层厚度为20～30m,在目的层段试采自喷,地震剖面中目的层段仅显示为较弱反射,在低频共振剖面中,目的层段具有较强的异常,相应的高频衰减剖面中亦显示出较为明显特征。图6中的Well4井为水井,虽然在钻探过程中存在放空漏失,但是在低频共振及相应的高频衰减剖面中均未发现任何异常。该区内原油主要为稠油,密度较大,实践证实,低频共振属性相对于高频衰减属性,能更好地反映储层中的流体性质。对该区120口井的预测结果与实际结果比较来看,符合率达到80%,表明该方法在复杂的碳酸盐岩裂缝发育区预测流体分布较为有效。

图4 不同流体性质的频率曲线对比图

图5 典型油井Well3井低频共振(a)及高频衰减(b)剖面

3 结论

基于双相介质理论,从频率域角度探讨碳酸盐岩储层流体预测是一种行之有效的方法。对于黏滞系数较高的重质原油,低频属性能够较为准确地预测储层流体性质,减少钻探风险,为提高钻探成功率打下了良好的基础,同时也为油田的增储上产提供了有力的技术支撑。但单一地震属性在反映某一方面的地震信息时,一般存在多解性,故在具体应用时,应结合实际地质情况综合研究。

图6 典型水井Well4井低频共振(a)及高频衰减(b)剖面

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[编辑] 邓磊

P631.44

A

1000-9752(2014)09-0049-05

2013-12-26

国家科技重大专项(2011ZX05031)。

汲生珍(1976-),女,2004年石油大学 (北京)毕业,高级工程师,博士生,现主要从事储层预测与流体检测工作。