刘 峰 周家雄 裴健翔 高 华 潘光超

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

莺歌海盆地乐东区中层薄气层AVO特征分析*

刘 峰 周家雄 裴健翔 高 华 潘光超

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

为了进一步弄清莺歌海盆地乐东底辟区中层超压气层的AVO类型及主控因素,探索适合本地区中层相应地质条件下的储层预测及烃类检测方法,进而提高中层勘探成效,从岩石物理统计特征出发,针对底辟区浅、中层2种典型气层在储层成因、物性与温压等方面的差异,以横波速度预测技术为基础,采用流体替代、变孔隙度模拟等手段对该区中层薄气层AVO特征进行了分析。与浅层常压气层的Ⅲ类AVO异常不同,该区中层超压气层主要为Ⅱ类AVO异常,储层孔隙度的变化是影响中层气层波阻抗变化及AVO特征的主控因素。由于该区中层储层物性差,超压薄气层顶界所产生的强振幅异常主要是由于该气层AVO效应和薄气层调谐效应所产生,此类振幅陷阱应在中深层勘探中予以足够重视。

莺歌海盆地;乐东区;中层薄气层;AVO响应;横波速度预测;正演模拟;调谐效应

经过20多年的勘探,莺歌海盆地乐东区浅层已经成为南海西部海域主要的天然气生产区之一[1-4]。随着浅层常温常压领域勘探程度日益增高,该地区中深层天然气勘探潜力越来越引起重视[5]。近几年,尽管针对乐东区中深层加大了钻探力度,但效果并不理想,失利原因主要表现在2个方面[6]:一是储层问题,中深层一般发育浅海环境下大套泥岩背景的沉积体系,由于远离物源输送端,沉积物普遍偏细,储层物性差;二是受高温超压影响,对中深层目标地震反射特征及含气性规律认识不清。探井资料揭示,莺歌海盆地中深层具有典型的快速充填、高温超压特征[7],快速充填致使泥岩成岩过程中排水不畅,易形成欠压实;同时,高温超压又促使泥岩大量脱水、软化,从而降低泥岩内摩擦力,增强塑性流动[8-9],导致中深层岩石物理性质发生一定的改变,进而对中深层储层的地球物理响应特征产生较大的影响,特别是当储层物性较差时,这种影响更为明显。

鉴于莺歌海盆地乐东区中深层地质条件的复杂性,常规的浅层气层“亮点”识别技术已不能满足中深层勘探的需要,为提高中深层勘探成效,笔者针对浅层与中深层在储层成因、物性与温压条件等方面的差异,开展了气层AVO特征分析及模型正演研究,旨在弄清中深层超压气层的AVO类型及主控因素,为探索适合本区中深层相应地质条件下的储层预测及烃类检测参数与方法提供借鉴和指导。

1 乐东区中深层气层岩石物理特征

莺歌海盆地乐东区中深层储层物性差、高压面浅,高温超压作用改变了中深层的岩石物理性质,导致中深层气层与浅层气层的岩石物理特征存在明显的差异。

乐东区已钻井气层的岩石物理统计分析表明,地层岩石纵波速度随埋深的增加具有先增大后减小的特征,地层进入超压带后,速度开始发生明显的反转。在浅层常压带,储层与泥岩速度差异不大,储层含气后速度相对于泥岩明显减小,流体性质(含气性)的变化是影响浅层波阻抗变化的主控因素;在中深层超压带,储层速度比泥岩略大,储层含气后虽然速度有所减小,但由于储层物性的差异,中深层出现了2种类型的气层。一类为常规低波阻抗气层,这类气层往往物性好,以浊积水道砂沉积为主,分布非常局限;另一类为高波阻抗气层,这类气层物性较差,以浊积席状砂沉积为主,分布广,目前乐东区底辟带中深层钻井揭示的多为此类储层(图1)。

针对乐东区中深层气层岩石物理特征,为分析中深层高波阻抗气层的AVO特征,掌握影响中深层此类储层波阻抗变化的主控因素,笔者从沉积环境、成因类型、曲线形态、温压条件、波阻抗特征等5个方面进行了分析,优选L5井浅层T23常压低阻抗气层和L6井中层T25超压高阻抗气层2个典型案例(表1及图2、3),以横波速度预测为基础,分别对各气层段进行流体替代和变孔隙度模拟,分析含气饱和度和孔隙度变化对气层的纵横波速度、密度及泊松比的影响;进而利用Zoeppritz方程计算各种条件下不同入射角时气层顶面的P-P波反射系数,进行AVO正演模拟响应分析。

图1 莺歌海盆地乐东区浅层(常压带)、中层(超压带)储层纵波速度分析

表1 莺歌海盆地乐东区L5、L6井气层岩石物理参数及沉积特征对比表

图2 莺歌海盆地乐东区过L5井波阻抗反演剖面及L5井综合柱状图

图3 莺歌海盆地乐东区过L6井波阻抗反演剖面及L6井综合柱状图

图4 莺歌海盆地乐东区邻区D3井砂泥岩地层横波速度预测结果

2 横波速度预测方法优选

本次研究的2口井因缺乏实测的横波速度资料,故在进行气层AVO分析之前,首先要开展横波速度预测研究。

目前,横波速度预测方法主要分为两大类。一类为经验公式法[10-13],其中最经典的是J.P.Castagna等[14-15]给出的饱含水砂、泥岩纵波速度-横波速度经验公式(即著名的泥岩基线),其核心思想认为岩石骨架参数的变化是影响岩石横波变化的主要因素。经验公式预测法缺乏明确的物理意义,但该方法计算简单且通常能得到比较稳定的预测结果。另一类为岩石物理理论模型预测法,其中最常用的是基于Gassmann方程的横波速度预测法[16]和Xu-White模型横波速度预测法[17-18]。岩石物理理论模型预测法充分考虑了储层孔隙形状、温压及孔隙内流体及其矿化度对纵、横波速度的影响,具有较好的物理基础和较高的精度,但该方法理论模型参数比较复杂,难以把握,且计算量较大。

为了得到较为准确的横波速度,为后续的气层AVO特征分析奠定基础,对各种模型的参数进行了精细研究,并优选了经典的Castagna经验公式法和Gassmann理论方程法分别进行横波速度预测。

利用上述2种方法,分别对L5、L6井进行了横波速度预测。为了分析预测的横波速度的准确性,选取邻区具有实测横波速度资料的D3井为验证井。图4为D3井采用以上2种方法预测的横波速度与实测的横波速度的对比图,可以看出:在泥岩段,2种方法预测的横波速度均与实测值基本重合;在气层段,2种方法预测的横波速度比实测值略小,其中基于Gassmann方程的横波速度预测法充分考虑了储层孔隙形状、流体特征及温压对纵、横波速度的影响,预测精度更高。因此,选择基于Gassmann方程的横波速度预测结果进行流体替代与AVO正演模拟分析。

3 流体替代与AVO正演模拟分析

基于L5、L6两口井的Gassmann方程横波速度预测结果,以流体替代和变孔隙度模拟为手段,开展了气层的AVO正演模型研究,其中用流体替代来模拟和定量分析孔隙流体对含流体岩石弹性参数的影响,用变孔隙度模型来模拟和定量分析骨架变化对岩石弹性参数的影响。

3.1 L5井浅层常压气层流体替代与AVO正演模拟

对L5井T23气层进行原状地层(含气饱和度约40%)条件下的AVO模型正演结果(图5)表明,在原状地层条件下,该浅层气层具有典型的AVO特征,反射振幅随入射角增大而明显增大。对该气层进行流体替换及变孔隙度模拟,并生成不同含气饱和度、不同孔隙度条件下的振幅随入射角变化的正演合成记录,然后拾取各种正演模拟结果的气层顶界反射系数,得到了不同含气饱和度和不同孔隙度条件下反射系数随入射角的变化曲线(图6)。

图5 莺歌海盆地乐东区L5井浅层常压气层原状地层条件下气层顶面AVO响应(孔隙度18.5%)

图6 莺歌海盆地乐东区L5井T23气层顶界面反射系数随入射角的变化曲线

图6a展示了不同含气饱和度(0、20%、40%、60%、80%、100%)条件下反射系数随入射角的变化情况,可以看出:浅层T23气层属于典型的III类AVO异常,反射系数(绝对值)随入射角的增大而增大;饱含水层(S g=0)与气层(S g=100%)反射系数差异明显,纯水层波阻抗略高于上覆泥岩;随含气饱和度的增大,地层波阻抗降低,反射系数的差异越来越小,含气水层与气层差异不大,但这种差异具有随着入射角的增大而增大的趋势。图6b为不同孔隙度条件下反射系数随入射角的变化曲线图,可以看出:随着孔隙度增大,反射系数降低;孔隙度从6.5%变化到30.5%时,近道(0°)反射系数由0.1下降到-0.2,且随着气层孔隙度变化,气层顶界的反射系数差异总体上随着入射角的增加而减小;当孔隙度较小(＜12%)时,T23气层波阻抗大于上覆泥岩,表现为高波阻抗气层,道集剖面上会出现极性反转;当孔隙度＞12%时,表现为低波阻抗气层,道集上不会出现极性反转。

综合分析图6可以认为,孔隙度的变化对AVO的影响要大于流体性质对AVO的影响,即孔隙度是影响气层波阻抗变化的主控因素。当孔隙度由10%变为30%时,反射系数变化范围为0.05～-0.2;而当含气饱和度由0逐渐增大到100%时,反射系数变化范围为0～-0.1。当孔隙度＞20%时,孔隙度对AVO的影响已占主导地位,储层无论充满何种流体,均表现为低波阻抗特征,道集上不会出现极性反转。当孔隙度＜20%时,储层的波阻抗特征与其含气饱和度密切相关,含气饱和度较高时储层表现为明显的低波阻抗特征,且储层波阻抗随着含气饱和度的降低而增大。

3.2 L6井中层超压薄气层流体替代与AVO正演模拟

对L6井T25气层进行流体替代,假定其气层含气饱和度分别为0、20%、60%等3种情况,通过理论计算得到了不同含气饱和度时气层顶面的AVO正演响应(图7)。从图7可以看出,当含气饱和度低于50%时,地层波阻抗接近上覆泥岩,顶面反射微弱。利用Zoeppritz方程对L6井T25储层AVO正演模拟结果进行计算得到了不同含气饱和度和不同孔隙度情况下,不同入射角时储层顶面P-P波反射系数的变化情况(图8)。结果表明,L6井T25气层属于II类AVO异常,同样是孔隙度的变化对AVO的影响要大于流体性质对AVO的影响。当孔隙度由12%逐渐增大到24%时,反射系数变化范围为0.02～-0.1;而当含气饱和度由0逐渐增大到100%,反射系数变化范围为0～-0.05。对于L6井T25储层,AVO临界孔隙度约为18.2%。当孔隙度＞18.2%时,储层无论充满何种流体,均表现为低波阻抗特征,道集上不会出现极性反转;当孔隙度＜18.2%时,储层的波阻抗特征与其含气饱和度密切相关,含气饱和度较高时表现为一定的低波阻抗特征,且储层波阻抗随着含气饱和度降低而增大。

图7 莺歌海盆地乐东区L6井T25超压薄气层不同含气饱和度时气层顶面AVO响应(孔隙度16.2%)

图8 莺歌海盆地乐东区L6井T25气层顶界面反射系数随入射角度的变化曲线

4 中层薄气层AVO响应地震正演与调谐效应分析

通过井点AVO特征分析,弄清了中层超压薄气层的AVO类型及主控因素,但L6井中层T25薄气层存在地震反射振幅与合成记录不一致的问题。如图9所示,L6井T25气层为一套高波阻抗砂岩中储层物性相对较好的层段,厚度为4.3 m,气层与上下围岩的密度、速度、波阻抗差异并不明显,合成地震记录上表现为一暗点,而地震剖面上显示为明显的强振幅异常。为了剖析这一假象的本质,设计了2个模型,从薄气层AVO响应正演模拟和调谐效应分析这2个角度对这一地震异常进行解析。

图9 莺歌海盆地乐东区L6井中层T25薄气层合成记录

4.1 L6井中层薄气层AVO响应地震正演

L6井T25整套砂岩储层厚度为36.5 m,由三部分组成,顶部为一套物性较差的高速砂岩(厚度7.5m),中间为薄气层(厚度4.3m),其下也是一套高速砂岩(厚度24.7m)。根据L6井T25薄气层及上、下储层与围岩的实钻地层参数建立了层状模型,并采用变偏移距的方法对薄气层顶面进行了地震正演模拟,结果表明:随着偏移距增大(自左至右分别为0、300、600、900、1200、1500、1800m),气层振幅(绝对值)逐渐增大,但偏移距超过1200m时,气层振幅(绝对值)增大幅度已变得较弱(图10)。根据弹性纵波在介质分界上的反射和透射原理[2],接收到的地震信号实际是反射P波与反射SV波的叠加,合成记录标定所用的声波时差相当于反射P波,气层AVO响应会使合成记录与地震道之间产生一定的差异。因此,正演结果说明L6井T25薄气层存在AVO响应,从而促使地震反射产生强振幅陷阱。

图10 莺歌海盆地乐东区L6井T25薄气层变偏移距地震正演模型参数及结果(自左至右偏移距分别为0、300、600、900、1200、1500、1800m)

4.2 L6井中层薄气层调谐效应分析

L6井T25薄气层上覆高速砂岩的存在强化了薄气层与围岩的波阻抗差异,为了分析不同厚度薄层调谐作用对地震振幅的影响,以该薄气层顶界为反射界面,选取气层段储层参数建立了楔状地质模型,并进行了正演模拟(图11),结果表明:在井点所对应的气层厚度处,气层顶、底面的反射呈干涉相消,气顶反射振幅微弱;储层厚度18 m(约1/4波长)时,储层顶、底面的反射相互加强,此时反射振幅达到最大;随着储层厚度的继续增大,储层顶、底面基本可以分开,反射振幅也逐渐稳定不再受厚度的影响。由于L6井T25薄气层与上覆的高速砂岩存在较大的波阻抗差,且薄气层下部的高速砂岩厚度超过调谐厚度,因此在下部高速砂岩内部调谐厚度处产生了强反射。由此可见,薄层厚度的变化对地震振幅的影响很大,不仅零偏移距振幅遵循薄层调谐原理,AVO异常幅度同样遵循薄层调谐原理[19-21],在调谐厚度处,顶底界面振幅明显变强。所以,薄层调谐作用加剧了L6井T25薄气层识别中的强振幅陷阱。

图11 莺歌海盆地乐东区L6井T25薄气层楔状地质模型及其正演结果

5 结论

1)针对莺歌海盆地乐东底辟区浅层与中深层气层在储层成因、物性及温压条件等方面的差异,从该区岩石物理统计特征出发,以横波速度预测技术为基础,采用流体替代、变孔隙度模拟等手段对该区中层薄气层AVO特征进行了分析,结果表明:与浅层常压气层的Ⅲ类AVO异常不同,该区中层超压气层主要为Ⅱ类AVO异常。孔隙度是影响该区中层气层波阻抗变化及AVO特征的主控因素。当孔隙度比较大(＞20%)时,孔隙度对该区中层气层AVO特征的影响占据主导地位,此时无论储层充满何种流体,均表现为低波阻抗特征,道集上不会出现极性反转。

2)从薄气层AVO响应正演模拟和调谐效应分析的角度揭示了该区L6井中层超压薄气层强振幅陷阱的形成机理,即其顶界所产生的强振幅异常主要是由于该气层AVO效应和薄气层调谐效应产生的,其AVO响应幅度不仅受泊松比差异的影响,同时也受薄层厚度的影响,遵循调谐规律,在调谐厚度处AVO响应振幅达到最大。鉴于该区中层储层物性差,此类振幅陷阱应在中深层勘探中予以足够的重视。

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(编辑:周雯雯)

An analysis of AVO characteristics in thin gas reservoirs with a middle depth in Ledong area,Yinggehai basin

Liu Feng Zhou Jiaxiong Pei Jianxiang Gao Hua Pan Guangchao

(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057)

In order to further examine the AVO types and their main controls in overpressured gas reservoirs with a middle depth in Ledong diapir area, Yinggehai basin,explore the methods of reservoir prediction and hydrocarbon detection suitable for the middle-deep intervals there,and finally improve the success rate of exploration in these intervals,the approaches such as fluid substitution and variable porosity simulation were used to analyze the AVO characteristics in thin gas reservoirs with a middle depth in this area,by starting from the statistical petrophysical characteristics,considering the differences in reservoir origin,petrophysics,temperature and pressure for two typical gas reservoirs with a shallow and middle depth respectively in the diapir area,and basing on the technique to predict shearwave velocity.In contrast to the AVO anomaly of TypeⅢin shallow gas reservoirs with normal pressure,the overpressure gas reservoirs with a middle depth are predominated by the AVO anomaly of TypeⅡ,and the porosity change is the main control over impedance and AVO characteristics in these gas reservoirs.Owing to poor petrophysical properties of the reservoir rocks with a middle depth,the strong amplitude anomalies on the top of these overpressured thin gas reservoirs are primarily caused by their AVO effect and tuning.Such pitfall of amplitude should be given enough attention in gas exploration in these middle-deep intervals.

Yinggehai basin;Ledong area;thin gas reservoirs with a middle depth;AVO response; shear-wave velocity prediction;forward modeling; tuning effect

2013-06-25改回日期:2013-10-26

*“十二五”国家科技重大专项“莺琼盆地高温高压天然气成藏主控因素及勘探方向(编号:2011ZX05023-004)”部分研究成果。

刘峰,男,工程师,2005年毕业于长江大学地球物理与石油资源学院,获硕士学位,现主要从事莺歌海盆地油气勘探研究工作。地址:广东省湛江市坡头区中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院广发楼603室(邮编:524057)。电话:0759-3912460。E-mail:liufeng2@cnooc.com.cn。