基于双相介质的油气检测技术 在辽河牛居地区的应用

徐琛琛

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210093； 2.中国石油辽河油田公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010）

如何快速高效地寻找油气资源，一直是勘探工作者最为关心的课题之一。近年来，随着理论和方法的不断完善，油气检测技术在储层预测中的应用日趋广泛。前人在油气检测领域做了大量工作，提出了多种油气检测方法，例如，基于广义S 变换衰减系数估算的油气检测方法[1]、基于时频域谱模拟的油气检测方法[2]、基于匹配追踪视频分析的油气检测方法[3]、基于速度频散的油气检测方法[4]和基于频谱特征的油气检测方法[5]等。

本文采用基于Biot 提出的双相介质理论的油气 检测技术，在综合分析叠后地震资料、测录井资料、钻井资料和试油数据的基础上，在辽河牛居地区开展油气检测工作，确定优势储层在平面上的展布范围，从而为井位部署提供重要的技术支撑。

1 方法原理

1956 年，Biot 提出双相介质理论[6–8]，并阐述了地震波在双相介质中的传播特性。所谓的双相介质是指油气储层由孔隙骨架（固相）和孔隙骨架中充填的流体（流相）组成，孔隙彼此连通，孔隙中流体可相对于骨架流动。

基于Biot 双相介质理论，当地震波经过双相介质时，固相和流相之间发生相对位移，并产生第二纵波。第二纵波极性与第一纵波相反，且速度远低于第一纵波，此时，地震记录是第一纵波与第二纵波的叠加。因此，地震波经过双相介质时的动力学特征与经过单相介质时的特征具有明显差异，这为利用地震资料直接进行油气检测提供了理论基础[9–13]。

根据Biot 经典波动方程，当考虑流体与固体的相对运动产生能量消耗时，得到双相各向同性介质中有耗散时地震波传播的弹性波方程，其向量表达式为[14–15]：

式中：u 和U 分别为固相和流相位移，m；b 为耗散因子；θ 和ε 分别为固相和流相的体积应变量；A、N 、Q、R 为Biot 弹性系数；11ρ 、12ρ 、22ρ分别为固相、流相质量系数及固相和流相质量耦合系数，kg/m3；t 为时间，ms。

双相介质属于黏弹性介质，当地震波在黏弹性介质中传播时，会产生能量衰减和速度频散[7]，由于流相介质的黏滞性和摩擦性，频谱中高频成分迅速衰减，频谱主频向低频方向移动，造成“低频共震、高频衰减”的现象。其本质是相同地质条件下，地震波通过流相比通过固相经历了更多的吸收衰减。Biot 的双相介质理论已经在实验室条件下被证实，地震波通过含气、含水和含油砂岩储层时，地震波振幅衰减与流体饱和度相关，即在相同流体饱和度情况下，地震波经过气相时衰减最大，油相衰减次之，水相衰减最小。基于双相介质的油气检测技术正是利用地震波振幅通过不同相的差异衰减特性来预测有利含油气区。

2 正演数值模拟

基于Biot 经典波动方程理论公式，地震波经过双相介质时，其振幅衰减可以表示为：

式中：M 为振幅，m；α 为流体黏滞系数，Pa·s；φ 为介质孔隙度，%；K 为介质渗透率，10–3μm2。 设计如图1 所示的地层模型进行波动方程正演数值模拟实验，子波为主频50 Hz 的雷克子波，图中介质5 为双相介质，其孔隙度为25%，渗透率为100×10–3μm2，黏滞系数为0.002 Pa·s，流体密度为1.0 g/cm3，骨架密度为3.0 g/cm3；介质4 为单相介质，密度为1.2 g/cm3；其余介质均代表围岩。

图2 为波动方程正演地震响应特征，地震波经过双相介质时发生严重的能量衰减和速度频散，导致其主频降低，波形发生畸变。

图1 正演模型

图2 正演地震响应特征

基于正演数值模拟结果，在190～220 ms 时窗范围内，双相介质和单相介质单道频谱响应特征对比（图3）表明，双相介质单道频谱主频约为10 Hz，“低频共振、高频衰减”特性明显，单相介质单道频谱主频约为20 Hz，与双相介质相比，其频带范围更宽，但振幅衰减远小于双相介质。

图3 不同介质单道频谱响应特征

3 实例分析

牛居地区构造上位于辽河东部凹陷北部，受茨东和营口–佟二堡两条主干断裂夹持，油气藏类型主要为构造–岩性油气藏[8]。目前，自上而下共发现了东营组、沙河街组一段（沙一段）、沙河街组二段（沙二段）和沙河街组三段（沙三段）四套含油层系，本次研究的主要目的层段为沙一段。牛居地区处于东西两侧物源交汇区，相带变化快，储层预测难度大，常规储层预测技术难以刻画有利油气聚集区，本次研究采用基于双相介质理论的油气检测技术在N87 井区开展含油气储层预测，其技术流程如下：首先通过精细井震标定确定检测时窗，然后利用多井频谱对比分析，优选低频敏感段和高频敏感段范围，最后进行有利含油气区预测。

3.1 精细井震标定

本次研究所采用的是“两宽一高”的高品质地震资料，工区内N87 井在沙一段存在一个高产油层，储层厚度为8.5 m，目前已经累计生产原油1.5×104t，开发效果较好。如图4 所示，产油层井段为2 935～ 3 045 m，通过精细井震标定，确定检测时窗为2 140～2 195 ms，窗长为55 ms，主要产油层段在地震上的响应为一套波峰。

图4 N87 井合成记录标定分析

3.2 多井频谱对比分析

通过多井频谱对比分析，N87 井在检测时窗范围内“低频共振、高频衰减”现象明显，而其他非产油井在该时窗范围内则没有这种特征。通过产油井和非产油井的频谱对比（图5），确定低频敏感段为1～7 Hz，高频敏感段为28～35 Hz。

3.3 有利含油气区预测

在确定优势时窗和敏感频段后，对时窗内的数据体开展频谱分析，对振幅频谱分别进行能量累加计算，获得时窗范围内全区的低频能量值和高频能量值，再计算低频能量与高频能量之比，将其作为定性表征储层油气富集程度的结果。图6 为过N18井—N26 井—N87 井的油气检测连井剖面，其中黄色代表低频能量，蓝色代表高频能量，红色代表低频能量与高频能量之比。如果目的层段含有油气，则会导致高频能量衰减较快，低频能量相对增强，低频能量与高频能量之比变大，所以红色区域的值越大，说明含油气的可能性越大。N87 井处于低频能量与高频能量之比的高值区（红色高值区），试油结论为油层；而N18 井和N26 井处于低频能量与高频能量之比的低值区（红色低值区），试油结论均为水层，其检测结果与钻井实际情况吻合较好。

图5 多井频谱对比分析

图6 过N18 井—N26 井—N87 井的油气检测连井剖面

图7 为利用基于双相介质的油气检测技术开展 的N87 井区沙一段油气检测平面分布示意图，其中红色代表油气富集程度较高的地区，黄色和蓝色分别代表油气富集程度较低区和油气不富集区。经综合分析，有利含油气区大都处于构造较高部位，且位于断裂带附近，总体上北部油气比南部富集。在牛居北部断背斜侧翼的圈闭内，烃类检测存在异常高值区，综合评价认为该圈闭是下步勘探的有利目标区。将检测结果与工区内10 口井综合解释结果对比，有8 口井与检测结果相符，油气检测结果与钻井吻合率达80%。在此基础上，针对性地部署了N100 井，该井在沙一段获高产工业油流，试油日产油达100 t，进一步证实了基于双相介质的油气检测技术对牛居地区油气勘探部署具有较好的指导作用。

4 结论

（1）地震波通过双相介质时会发生严重的能量衰减和速度频散，基于双相介质的油气检测技术正是利用地震波振幅通过不同相的差异衰减特性来预测有利含油气区。

图7 牛居地区N87 井区沙一段油气检测平面分布示意图

（2）基于双相介质理论进行油气检测时，最好采用“两宽一高”的高品质地震资料，首先通过精细井震标定，确定含油气时窗范围，然后利用多井频谱对比分析确定敏感频段，最后进行有利含油气区预测。

（3）在综合分析地震、测录井、钻井、试油等数据的基础上，针对辽河牛居地区沙一段储层，采用基于双相介质理论的油气检测方法开展有利含油气区预测，预测结果与钻井吻合率达80%，可为下步油气勘探部署提供重要的技术支撑。