周家雄,李 芳,马光克,刘 巍,张合斌

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院,广东湛江524057)

可靠的储层预测和油气检测结果可降低勘探风险与投入成本,对于加速油气勘探进程具有重要意义[1-2],同时也为开发方案的制定提供了依据。对于常规气藏的地震识别和预测,业界已经取得大量研究成果,且总结了多项有效技术,然而这些技术对高温高压气藏的预测精度大幅降低。对于高温高压含油气区,有效储层的可靠预测一直是地球物理研究工作的难题。

莺歌海盆地是一个快速沉降的新生代沉积盆地,该盆地中深层发育高温高压气藏,钻井揭示该类气藏具有高地温梯度(地温梯度高达5.37℃/100m)和高压力系数(压力系数高达1.8,部分高于2.0)的特征,气藏温度一般大于140℃,压力大于50MPa[3-6]。由于高温高压成藏的特殊性,在本区已钻探揭示的高温高压气藏中,出现了大量的气层和非气层(气水同层、含气水层、水层和含气干层)伴生发育的情况。研究显示莺歌海盆地中深层高温高压环境下的岩石物理特征相对常温常压下存在很大的不同,高温高压对地层矿物岩石和孔隙中的流体都会造成一定的影响[7-10],利用常温常压下的岩石物理分析方法和常规的烃类检测方法往往不能有效地区分高温高压条件下的气层和非气层。

针对莺歌海盆地东方区中深层高温高压气藏的地震预测问题,我们在常规含气性检测方法应用试验的基础上,研究并提出了利用计算密度和测井实测密度之间的差值识别和预测气层的新方法。研究区实际应用效果表明,通过密度差值反演能够有效识别和预测出高温高压含气储层中的有效气层,在一定程度上解决了研究区高温高压地层流体检测的难题。

1 常规含气性检测方法应用试验

1.1 高温高压储层岩石物理分析

基于Gassmann方程[7-8],根据Batzle等[9-10]以及Xu等[11-13]的研究成果,建立了高温高压条件下地震波速度与岩石骨架模量、孔隙度、流体等参数的关系。孔隙中混合流体有效体积模量及密度的主要影响因素包括:温度、压力、地层水矿化度、气比重、含水饱和度等[9-10]。因此,在高温高压状态下,孔隙中的流体性质较常温常压状态下有一定的区别。表1为东方区3口井的高温高压气藏参数,其中1井和2井为高烃气藏,3井为高CO2气藏。

表1 东方区高温高压气藏参数统计

将表1中的气藏参数带入Batzle等[9]的方程,计算得到1井的气体体积模量约为0.15GPa,气体的密度约为275.0kg/m3；3井气体体积模量约为2.4GPa,气体密度约为382.7kg/m3。另外,计算得到地层水体积模量约为2.5GPa,地层水的密度约为1100kg/m3。得到高温高压条件下的流体岩石物理参数后,在东方区高温高压区带选取井况良好的1井进行地震波速度与岩石物性和流体关系的研究。

首先,在测试气层段,只改变储层孔隙度大小,保持含水饱和度和温度、压力等其它因素不变进行分析。如图1所示,随着砂岩孔隙度的逐渐减小,气层段(图中红色段)的密度和速度明显增大。通过统计东方区多口井纵波阻抗与孔隙度之间的关系(图2),得到纵波阻抗随着孔隙度的增大而减小的结论。

图1 不同孔隙度下的速度和密度曲线

其次,利用Brie公式计算混合流体的体积模量[14]。只改变含水饱和度(0～1)的数值,保持孔隙度大小、温度、压力等其它条件不变,进行流体替换分析。当含水饱和度低于0.7时,纵波速度对含水饱和度并不敏感；当含水饱和度大于0.7时,纵波速度随着含水饱和度的增加而逐渐增大(图3中蓝色曲线,Brie系数为4)。与Wood公式[15]计算的结果(图3中红色曲线)相比较,两者体现的含水饱和度与纵波速度之间的关系基本一致,但是受高温高压特殊地质情况的影响,研究区含水饱和度拐点为0.7左右,而利用Wood公式得到的含水饱和度拐点在0.9左右。

除了流体替换研究之外,还进行了实验分析。岩石物理实验室超声测试分析的结果表明(图4),含水饱和度低于0.6时纵波速度对含水饱和度并不敏感。实验分析结果与流体替换的研究成果基本一致:当高温高压储层含气后,速度会急剧降低,造成地震剖面上的强反射；但当含水饱和度在0～0.7的范围内变化时,地震反射强度不会有太大变化；对于纯水层,一般不会形成地震剖面上的强反射特征。

图2 纵波阻抗与孔隙度拟合关系

图3 流体替换分析的纵波速度与含水饱和度关系

图4 实验室测试分析的纵波速度与含水饱和度关系

1.2 其它常规含气性检测方法应用试验

常规岩石物理分析结果表明,由于气层和纯水层的纵波速度存在较大差异,利用纵波阻抗可以识别出气层和纯水层。然而东方区高温高压储层实际钻探结果却表明,即便气层与水层孔隙度大小变化不大,纯水层也可能会同气层一样表现为强反射特征。图5为东方区高温高压储层4井测井曲线和过4井的地震剖面。4井在Ⅰ气组钻遇了一套气层,该气层在地震剖面上显示为强亮点反射特征；而该井在Ⅲ气组钻遇了一套纯水层,该套水层在地震剖面上也显示为强亮点的特征。对比Ⅰ气组和Ⅲ气组的物性可知(图5),两个气组的孔隙度大小基本一致；Ⅰ气组含水饱和度为0.5,Ⅲ气组含水饱和度接近1.0,按照上述流体替换研究结果以及实验分析结果可知,Ⅲ气组的地震反射振幅理论上应该较弱,而实际上并非如此。由此可见,利用常规岩石物理分析方法不能有效区分4井的气层和非气层。

图5 东方区4井测井曲线和过4井地震剖面

针对常规高温高压条件下岩石物理分析方法失效的问题,本文尝试利用其它常规含气性检测方法来识别东方区4井的气层和水层。首先,对4井进行AVO分析,如图6所示,Ⅲ气组水层与Ⅰ气组气层AVO特征相似,可见简单的AVO分析无法识别气层和水层。另外,在过4井的地震剖面、叠后纵波波阻抗剖面(图7)以及叠前纵波波阻抗剖面和叠前纵横波速度比(vP/vS)剖面(图8)上,Ⅲ气组水层与Ⅰ气组气层都表现为强亮点。可见利用AVO分析和常规叠前、叠后反演等方法都不能有效地区分4井Ⅰ气组的气层和Ⅲ气组的水层。

图6 东方区4井AVO特征分析a Ⅰ气组气层; b Ⅲ气组水层

图7 过4井地震剖面(a)与叠后波阻抗反演剖面(b)

图8 过4井叠前vP/vS剖面(a)与纵波阻抗反演剖面(b)

进一步尝试对东方区高温高压区带所有井的纵波阻抗、密度与纵横波速度比(vP/vS)进行交会分析(图9)。由图9可见,在纵波阻抗与vP/vS交会图和密度与vP/vS交会图上都不能区分出该区高温高压储层中的气层和非气层(干层、气水同层、含气水层、水层)。

图9 东方区高温高压地带所有井的纵波阻抗(a)、密度(b)与vP/vS交会分析

以上分析表明,常规的岩石物理分析、AVO分析以及叠前、叠后波阻抗反演和弹性参数交会等含气性预测方法均无法区分高温高压条件下的气层和非气层。研究区高温高压储层的有效气层检测需要另辟蹊径。

2 密度差值气层识别方法

既然弹性参数的交会分析不能有效识别高温高压气层,我们就重新选择从物性参数入手,开展对孔隙度的研究。谭廷栋等[16-18]、毛志强等[19]研究表明:对于岩性稳定、泥质含量低的纯水层,密度孔隙度和中子孔隙度可以表征介质孔隙度；相对地层总孔隙度,天然气的存在会导致密度孔隙度增大、中子孔隙度减小,若不考虑泥质的影响,在气层段,密度孔隙度和中子孔隙度呈负相关,天然气对中子测井的挖掘效应则加强了这种负相关性。为了中和这种效应,我们研究利用密度测井和中子测井资料求取总孔隙度，计算公式如下[19]:

式中:φtDEN为密度总孔隙度；φtCNC为中子总孔隙度；ρma代表骨架密度；ρmf代表流体密度；ρ是实际测井得到的密度；Nma代表骨架中子值,Nmf代表流体中子值,N是实际测井得到的中子值。

选取东方区高温高压区带井况良好的一口井对计算的中子总孔隙度和密度总孔隙度作对比分析(图10,图中右侧黑色曲线为中子总孔隙度,蓝色曲线为密度总孔隙度)。由对应的岩性柱状图可见,当密度总孔隙度大于中子总孔隙度时对应为气层；密度总孔隙度小于中子总孔隙度时对应为非气层或者是泥岩。也就是说,利用中子总孔隙度和密度总孔隙度的差值可以敏感地识别出高温高压条件下的气层。

图10 中子总孔隙度与密度总孔隙度曲线对比分析

中子测井信息和密度测井信息并非是相互孤立的,中子和密度测井分别是测量地层含氢指数和地层体积密度,它们的测量值之间具有如下关系[19]:

(3)

式中:N和ρ分别代表中子测井的数值和密度测井的数值；σh代表氢原子密度指数,近似表示氢原子量占化合物克分子量的比值。公式(3)表明,地层矿物的含氢指数(中子测井数值)取决于该矿物中氢核个数和矿物的真密度。也就是说,中子测井的数值可以转化为密度。

基于上述理论基础,首先将公式(1)和公式(2)计算出的密度总孔隙度和中子总孔隙度进行平均,得到最终的总孔隙度φt:

(4)

然后利用总孔隙度与密度之间的相关性,由总孔隙度反推得到一个新的密度,在这里称为计算密度ρc:

(5)

代入东方区固体骨架的经验值(ρma=2.65g/cm3,ρmf=1.11g/cm3,Nma=-0.02,Nmf=1),(5)式转化为

(6)

这里的ρc是地层含烃校正后的计算密度。

得到计算密度后,将计算密度和测井实测密度进行对比分析,如图11所示(图中粉红色曲线为计算密度,蓝色曲线为实测密度)。图11中气层和非气层对应的密度曲线存在明显的差异:在气层段,计算密度大于实测密度；在非气层段或泥岩段,计算密度小于或接近于实测密度。说明根据计算密度与实测密度的正差值和负差值可以识别研究区高温高压气层和非气层。

图11 计算密度与实测密度曲线对比

图12 高温高压所有井密度差值与声波时差交会分析

我们把计算密度ρc与实测密度ρ的差值称为“密度差值”(气层检测因子),用σ表示,其表达式为

(7)

密度差值σ与东方区高温高压储层的密度测井和中子测井信息有关。

对东方区高温高压区带所有井的储层段进行密度差值交会分析,如图12所示,可见气层密度差值为正值,非气层密度差值为负值,利用密度差值可以有效区分气层和非气层。

3 密度差值反演实例分析

研究表明,针对莺歌海盆地东方区的高温高压含气储层,利用计算密度与实测密度的正差值可以有效地识别出气层。因此,在得到计算密度曲线后,可以通过叠前反演得到计算密度与实测密度的正差值反演剖面,达到预测有效气层的目的。

图13是东方区高温高压区带过4井地震剖面与密度差值反演剖面,对比可见,利用密度差值反演结果可以有效识别和预测I气组的气层,克服了常规叠前、叠后反演方法无法区分该井I气组气层和Ⅲ气组水层(图7和图8)的难题。图14为东方区高温高压区连井地震剖面与密度差值反演剖面对比图,可见密度差值剖面的预测结果与井上气层段吻合良好,证实了密度差值法用于识别和预测研究区高温高压气藏的有效性和实用性。

密度差值气层识别方法在一定程度上解决了东方区高温高压储层中有效气层识别和预测的难题,为该区下一步的勘探井部署和开发方案设计提供了有效的技术支持。

图13 过4井地震剖面(a)与密度差值反演剖面(b)

图14 东方区连井地震剖面(a)与密度差值剖面(b)

4 结束语

莺歌海盆地东方区高温高压含气储层的地震反射“亮点”可能对应气层,也可能对应非气层,而传统的岩石物理分析和叠前、叠后反演等常规含气性检测方法无法识别出该区非气层的“假亮点”。为此,研究并提出了密度差值气层识别方法,通过计算密度与实测密度的差值反演来识别气层和非气层。实际应用效果证实,密度差值气层识别方法能够有效识别研究区高温高压储层中的有效气层,剔除“假亮点”,在一定程度上解决了高温高压地层流体检测的难题。

需要指出的是,密度差值反演方法对地震道集质量依赖程度高,道集质量越高,可用角度越大,差值密度反演的结果越精确。

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