四维多波地震在油藏动态监测中的应用

王 波 聂其海 陈进娥 王春燕 郭静茹 刘 渊

(东方地球物理公司研究院，河北涿州 072751)

0 引言

随着地球物理服务业务逐渐由勘探地球物理向油藏地球物理转变，四维地震作为最重要的油藏开发地震技术之一，已成为油藏监测、剩余油气预测及提高采收率等的重要手段。四维地震通过求取两期地震数据的差异获得油藏动态变化信息[1-2]。多波地震通过纵、横波震源激发、多分量检波器接收，较常规地震可获得更丰富的地质信息，在气云区构造成像、裂缝检测及岩相、流体识别等方面具有常规纵波无可比拟的优势[3-4]。

研究区位于加拿大阿萨巴斯卡油砂区，分别于开发前(2016年)和开发后(2018年)采集了两期三维三分量(3D3C)地震资料。目的层为白垩系上MCMR组油砂段，埋深约为200m。储层物性极好，但是流体物性极差，具有高密度和高黏度的特点，按照国际稠油分类标准，属于超稠油范畴(API重度小于10)。常规开采技术难以直接挖潜，因此采用高效、环保的双水平井(上部水平井注蒸汽，下部水平井生产)蒸汽辅助重力泄油技术(Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)进行开发。在SAGD开发过程中，随着蒸汽的持续注入，蒸汽腔会随之变化。根据该区开发数据估算，蒸汽腔内部采收率可高达80%，蒸汽腔的变化直接揭示产量的变化[5]。因此，如何有效监控蒸汽腔是SAGD开发中的关键问题。该区四维地震面临以下问题：①目的层埋深极小，地表条件复杂，四维地震一致性处理难度大；②油藏开发仅历时1年，两期地震数据差异小，因此提取可靠的油藏变化信息难度大；③四维地震反演需要开发前、后两次测井数据建模和约束反演，然而往往难以直接获得二次测井数据，限制了四维地震反演方法的推广、应用[6]。

针对上述问题及四维地震本身的技术瓶颈，本文提出了一种基于低频模型驱动的四维多波联合反演方法，在反演模型中考虑了两期转换波的差异信息，在反演过程中加入转换波数据，利用四维三分量(4D3C)地震资料，充分融合“四维”和“多波”两项前沿地震勘探技术，实现了油藏精细描述及动态监测，从而为油藏监测奠定数据基础。

1 关键技术及原理

1.1 四维多波地震数据体匹配

研究区于2017年初投产，在2016年基础地震数据采集时，在地下9m处埋置了永久三分量检波器，并在2018年采集了监测地震数据。同时，两次采集参数保持一致，除环境及地表变化外，保证两次采集的一致性。纵波资料频带较宽(10～260Hz)，信噪比高。转换波资料频率较低，频带为10～120Hz。在应用四维多波地震监测油藏变化前，必须进行四维多波地震数据体匹配，主要包括四维地震一致性匹配和纵波、转换波数据体匹配。四维地震一致性匹配主要通过互均衡处理，实现两期地震资料时间、振幅、相位和频率的一致性。纵波、转换波数据体匹配主要通过准确的纵横波速度比，实现纵波与转换波数据在时间上的匹配。

1.1.1 一致性匹配

四维地震数据是在同一地区经间隔性采集和处理得到的。为保证四维地震采集的可重复性，必须使采集和处理参数尽可能保持一致。然而受环境噪声及近地表因素的影响，两期地震数据非油藏信息难免会出现差异。一致性处理原则是在保留生产因素导致的油藏信息差异基础上，尽可能消除非油藏信息的差异[7]。研究区由于目的层埋深极小，地表条件复杂，一致性处理难度极大。因此在四维地震一致性处理过程(地表一致性振幅补偿、一致性反褶积、面元匹配、全局时差校正、基于标志层互均衡处理)中，增加处理、解释互动结合点，通过四维地震一致性定性或定量评价方法逐步质控，尽可能确保油藏上覆地层(标志层)地震数据的一致性，同时保护油藏生产引起的地震数据差异，从而反映油藏变化规律。

由一致性处理后的纵波和转换波差异剖面(垂直于水平井走向)(图1)可以看出：非油藏部分剩余反射能量几乎为“零”或很小，实现了两期数据的一致性；油藏部分的差异主要集中在油藏中、下部位，并且振幅变化主要集中于水平井井筒周围，反映了油藏变化规律。

图1 纵波(左)和转换波(右)地震差异剖面

1.1.2 多波地震数据体匹配

多波多分量地震资料较纯纵波资料能提供更丰富的地质信息，可以有效降低构造解释、储层流体识别及油藏监测的多解性。由于纵、横波速度的差异，同一地层反射在纵波和转换波时间域地震剖面中出现的时刻不同，具有不同的动力学特征[8-9]。因此，要联合使用纵波和转换横波的信息，并将两者精确匹配，确保同一时刻地震信息来自同一地层界面。数据匹配是多波地震数据解释与联合反演的关键环节，匹配精度直接决定多波技术应用效果。

纵波与转换波数据匹配的关键是求取准确的纵横波速度比γ(γ=VP/VS)。本文通过三步实现纵波与转换波数据体的精细匹配：①通过纵横波联合标定确定纵波与转换波的相位差异，完成相位匹配；②利用纯纵波叠前同时反演得到的γ实现纵波与转换波的域转换；③通过目的层位对齐精细匹配纵波与转换波。匹配效果(图2)表明，纵波(图2a)与转换波(图2b)反射特征对应关系良好，为引入转换波信息奠定了基础。采用相同方法匹配监测纵波与转换波数据。

图2 纵波与转换波数据匹配效果(a)纵波地震剖面； (b)转换波地震剖面(匹配到纵波时间域)； (c)匹配立体图(纵波时间域)

1.2 岩石物理分析

岩石物理是将地球物理数据转化为储层流体乃至油气藏地质参数的重要桥梁。常规静态岩石物理分析从测井数据出发，通过直方统计或交会分析寻找弹性参数与储层流体的关系。通过岩石物理分析，可以明确对岩性、物性以及流体敏感的弹性参数组合，从而建立精细、可信的岩石物理解释模板，为地震反演提供参数指导。岩石物理动态分析是针对四维地震提出的，核心问题是了解油藏参数变化引起地震弹性参数、地震响应变化的机理，进而优选油藏变化敏感参数[10-12]。

岩石物理模型基本参数包括环境参数、骨架参数及流体参数。研究区储层岩石骨架主要为弱胶结的石英和黏土，孔隙度大于30%，原油API重度约为8，水矿化度为7000mg/L。根据研究区储层流体性质及生产数据，模拟了弹性参数随油藏参数的变化。模拟结果(图3)表明：①随着含油饱和度从70%降到0，纵波速度略有下降，横波速度和密度基本不变，油藏底界未出现明显时移现象；②随着压力从0.4MPa增加到2.4MPa，纵波速度下降，横波速度对压力更敏感，下降幅度较大，密度基本不变，油藏底界时移量约为1ms；③随着温度从6℃增加到226℃，纵波速度明显降低，横波速度变化较小，密度明显降低，油藏底界时移量明显，最大时移量可达5ms。因此，温度是弹性参数变化的主控因素。

图3 纵(左)、横(中)波速度及密度(右)随含油饱和度(a)、压力(b)、温度(c)的变化开发前，地层温度为6℃、压力为0.4MPa、原始含油饱和度为70%；开发后，最大地层温度达226℃、压力约为2.4MPa、含油饱和度为0(理想情况)

由纵波阻抗、纵横波速度比与温度交会图(图4)可见：随着温度T升高，纵波阻抗一直下降，纵横波速度比呈先急剧升高、后降低的趋势。因此，纵横波速度比是油藏变化的最敏感参数。根据纵横波速度比的变化Δγ，结合实际温度信息，可将整个油藏划分为三个区域：①未受影响区域，Δγ=0，T=6℃，油藏未受注入蒸汽影响，保持原始油藏状态；②蒸汽腔外围，Δγ>0，T>30℃，油藏受蒸汽影响，油砂处于半固态到液态的相变阶段，可动油饱和度较高，揭示未来产量；③蒸汽腔内部，Δγ<0，T>180℃，位于蒸汽腔内部，含气饱和度高，可动油饱和度低，揭示过去产量。

图4 纵波阻抗、纵横波速度比与温度交会图

1.3 四维多波联合反演

目前四维地震反演主要分为先反演再求差异、先求差异再反演[13]两种方式。本文采用第一种方式，即分别在基础数据和监测数据上进行反演，然后求取反演属性差异。

1.3.1 基础数据纵横波联合反演

通过数据体匹配技术将基础纵波与转换波数据体联合，通过纵横波联合反演方法获得对储层或流体敏感的弹性参数，实现油藏精细描述。

本文采用纵横波联合叠前同时反演方法，与常规叠前同时反演方法原理及过程类似，唯一区别是本文方法在反演数据体中增加了转换波信息，因此更利于求解Knott-Zoeppritz方程中的横波模量，从而得到更稳定的横波阻抗、密度反演结果。另外，转换波数据包含更大的入射角信息，也更利于提高反演精度[14-16]。

1.3.2 监测数据纵横波联合反演

岩石物理动态分析结果表明：纵横波速度比γ的变化Δγ可以描述油藏动态变化。通过四维纵横波联合反演，可以获得基础数据和监测数据的γ。然而，监测数据纵横波联合反演时，缺少建立低频模型和约束反演的测井数据。另外，蒸汽沿水平井管道注入，油藏变化的非均质性严重，难以建立准确反映油藏变化规律的低频模型[17-19]。因此，本文提出了一种低频模型驱动的监测数据地震反演方法，其基本思想是：①分别在基础和监测的纵波、转换波数据油藏底界精细拾取时间层位，并求取纵波、转换波时移量；②将时移量信息转化为纵波速度和横波速度的变化信息；③将速度变化信息引入监测低频模型，使监测低频模型反映油藏变化的区域和趋势。利用低频模型驱动的监测数据地震反演方法得到监测数据的γ。对基础数据(图5a)与监测数据(图5b)的γ求差得到Δγ(图5c)。可见，Δγ主要沿水平井展布，合理反映了油藏变化。

图5 纵横波速度比反演平面图(a)基础数据γ； (b)监测数据γ； (c)Δγ

2 应用效果

基础数据纵横波联合反演结果表明，油藏上部存在大套优质油砂储层，横向连续性好，但油藏中、下部局部存在薄隔夹层(图6中蓝色)。隔夹层不仅影响蒸汽腔纵向扩展，而且会影响垂向渗透率。在实际的双水平井SAGD开发布井和钻井过程中，须尽量避开隔夹层。分析该区生产水平井单井产能表明，部分井产能较低，蒸汽腔扩展范围较小。研究发现，在局部区域，注汽井和生产井中间存在隔夹层，这将对最终开发产生极其不利的影响，需借助隔夹层预测结果，调整部分低产井开发方案，可尝试利用单井SAGD的方式预热地层[20]。

利用四维纵横波联合反演得到的纵横波速度比差异，并结合实际温度信息，准确刻画了蒸汽腔的展布范围。根据岩石物理动态分析结果，设置不同门槛值，得到不同的油藏变化区域(图7)。由预测蒸汽腔平面、剖面分布可见：①在平面上蒸汽腔主要沿着水平井展布，三个平台蒸汽腔范围差异较大，与实际生产情况吻合(图7a)；②在垂直于水平井走向的蒸汽腔预测剖面上，蒸汽腔范围与实测温度曲线高度吻合，即在纵向上注采水平井井间形成连通，在横向上蒸汽腔扩展能力有限，主要局限在水平井周围(图7b)；③在沿水平井走向的蒸汽腔预测剖面上，部分井段的蒸汽腔扩展能力仍然有限(图7c)。因此，可以综合隔夹层分布与蒸汽腔刻画结果，分井段调整开发方案，以提高油藏动用程度，进而提高最终采收率。

图6 储层预测剖面

图7 预测蒸汽腔平面、剖面分布(a)平面； (b)剖面(垂直水平井走向)； (c)剖面(沿水平井走向)

3 结论

本文提出了一种基于低频模型驱动的四维多波联合反演方法，刻画的油藏动态变化与实际生产情况高度吻合，获得以下认识：

(1)处理与解释实时结合，逐步质控，提高了非油藏信息的一致性，保留并突出了油藏信息真实差异。

(2)岩石物理分析结果表明，纵横波速度比对油藏变化最敏感，可作为油藏动态监测的敏感参数。

(3)充分利用纵波与转换波时移量信息，建立了反映油藏变化趋势的低频模型，规避了缺少二次测井数据的限制，方法简单易行，蒸汽腔预测结果准确、可靠。