雙相介質BISQ地震油氣預測技術

摘 要

摘要：單相介質理論針對固體而忽視流體，預測油氣則先天不足。雙相介質理論指出流體尤其是油氣的存在和運動是彈性波頻散和衰減的主要原因，因而可以通過計算頻散譜和衰減譜來預測
摘要：單相介質理論針對固體而忽視流體，預測油氣則先天不足。雙相介質理論指出流體尤其是油氣的存在和運動是彈性波頻散和衰減的主要原因，因而可以通過計算頻散譜和衰減譜來預測油氣。譜的計算要求有瞬時特性，才能避免時窗效應。為此采用分頻的辦法對地震道進行分頻，形成分頻道集后再作“三瞬”處理，這樣在指定時刻一個采樣點可集合成瞬時振幅譜、瞬時頻率譜、瞬時相位譜；用瞬時振幅譜和瞬時頻率譜計算出瞬時衰減譜，而瞬時頻散譜則可用瞬時相位譜去近似代表。通過已知井建立預測模型，再對6個待鉆井位目標用該方法進行預測，完井試油預測成功率達83.33%。
關鍵詞：介質；數學模型；瞬時頻率；頻譜；振幅；天然氣；地震勘探；預測
1 問題的提出
    20世紀70年代國外出現了“亮點”技術之后，地震反演、地震屬性、AVO、多波技術等應用到儲層和油氣預測，基本上以單相介質為主，速度和衰減與流體(油氣)參數無直接對應關系。實際上，地層是既有固體成分又含有流體成分的雙相介質，顯然用雙相介質理論預測油氣更接近實際。Dvorkin和Nur于1993年將BIOT流動機制和噴射流動機制組合起來建立了比奧-噴射模型(BISQ)，揭示了彈性波的頻散和衰減與儲層參數、流體、彈性參數和頻率參數之間的關系，流體的存在和運動是彈性波頻散和衰減的主要原因，也是來至油氣體的直接的、獨特的信息[1～3]。
2 雙相介質BISQ理論
2.1 BISQ模型
BISQ模型綜合了儲層流體兩種流動的力學機制，BIOT流動是彈性波傳播時流體與固體之間的黏滯摩擦作用和慣性耦合作用使流體受迫參與運動，是沿縱向宏觀的運動；噴射流動是彈性波傳播時小孔隙受擠壓使小孔隙流體向空隙擠出形成噴射流動，是沿橫向的微觀流動，兩種流動機制同時存在，共同對波的頻散和衰減產生影響。在地震波頻率圍內BISQ模型表達式如下：
 
式中：S為飽和度；J0為零階貝塞爾函數；J1為一階貝塞爾函數；ρs為固體密度；φ為孔隙度；ρf為流體密度；M為干噪骨架的單軸應變模量；Fsq為固-流耦合系統的綜合壓縮性；α為有效應力孔隙彈性系數；R為特征噴射流動長度；ω為圓頻率；η為流體黏滯度；k為滲透率；F為固-流耦合系統的壓縮性；κ為干噪骨架體積模量。
    雙相介質的BISQ理論研究和物理實驗表明：流體和巖石骨架的相對運動是頻散和衰減的主要原因。頻散和衰減隨流體黏度的變化而劇烈變化，頻散隨流動性減小、滲透率減小、黏滯系數增大而增大。滲透率控制流體的擴散和流動的速率，流體的黏度增大，衰減的峰值向低頻方向移動，流體的黏度減小，衰減峰值向高頻方向移動。波的頻散和衰減受頻率影響大，不同頻段頻散和衰減規律不一樣。因此需要進行頻譜分析，用地震信息計算出頻散譜和衰減譜，實現對油氣的預測[3～4]。
2.2 瞬時頻散譜和瞬時衰減譜
    地震波頻散和衰減隨頻率的變化可揭示流體的存在和運動，是油氣預測的理論基礎，頻散譜和衰減譜的計算是實現油氣的預測的關鍵。
在頻率家族中付氏頻率和瞬時頻率的區別是：付氏頻率反映的是一個時窗內各個頻率成分平均效應的變化，不能提供瞬時狀態的變化，時窗小則誤差就大，時窗大平均效應也大；瞬時頻率是定義在采樣點上指定時刻全部頻率成分疊加的結果，一個采樣點對應一個瞬時值，信息量小，不能提供各個頻率成分的變化。理想的情況是：在指定時刻一個采樣點對應一個瞬時譜，能提供各個頻率成分的變化，既擴大信息量，又避免大時窗的平均效應和小時窗的誤差反映，用分頻的辦法可實現理情況。分頻道的頻寬設計為2Hz，地震波的有效頻帶為0～50Hz，一個地震道分成25個分頻道，用復數道分析技術的Hilbert變換對各分頻道作“三瞬”處理并集合成道集。在指定時刻一個采樣點由“三瞬”道集集合成3個譜：瞬時振幅譜A(f)、瞬時頻率譜ω(f)、瞬時相位譜θ(f)。用瞬時振幅譜為因變量，瞬時頻率譜為自變量用點斜式可計算出瞬時衰減譜α(f)。當速度是頻率的函數C(f)，它與相位函數θ(f)的關系是：C(f)=ω/θ(f)，因此用瞬時相位譜去近似代表瞬時頻散譜，相位函數的低值對應頻散的高值[5～6]。計算“三瞬”公式如下：
 
用地震信息計算出瞬時頻散譜和瞬時衰減譜預測油氣，地震數據應滿足高信噪比、高分辨率、高保真度、高清晰度、高精確度和高可信度。要達到“六高”數據采集是基礎，資料處理是關鍵，因此采用以下處理流程：偏移數據→去反褶積影響→標準化→分頻→去噪→沿層計算瞬時譜→譜歸一化。
    當同相軸呈麻花狀去反褶積影響非常必要，標準化處理是對子波、振幅、頻率、相位的一致性處理，沿層計算瞬時譜是處理策略，我們知道地震數據的核心信息是界面的反射信息，反射波的極值對地震波的動力學特征、分辨率、保真度、信噪比的貢獻和影響最大。按以上流程處理的瞬時譜和傳統的“三瞬”既有聯系又有區別，定義在采樣點上具有瞬時特性，“三瞬”1個采樣點對應1個值，瞬時譜1個采樣點對應1個譜，以50Hz帶寬計算地震道1個采樣點集合成4個譜，其信息擴大超過100倍，“三瞬”雖數學意義明確但物理意義不明確，瞬時譜物理意義明確，它揭示了與儲層參數、流體參數、彈性參數和頻率參數之間的關系。
3 對已知井的檢驗
    雙相介質BISQ理論地震油氣預測的新思路、新方法能否實現最佳應用需要實踐的檢驗，因此對川中、川西南、川南三個地區的7個構造和1個區塊的5個層段(須四段、須二段、嘉四1亞段-嘉三段、嘉二1亞段-嘉一段、下二疊統)的36口(氣井15口，氣水同產井2口，水井4口，干井13口，氣枯竭井2口)已知井進行檢驗。經分析、研究發現瞬時吸收譜和瞬時相速度譜的油氣性有如下特征(圖1)：①正常性的地層或地質因素在瞬時吸收譜和瞬時頻散譜上為大范圍連續成片的背景反映；②低頻段為相對孤立的強吸收異常和高頻散異常，異常呈透鏡狀j眼球狀、并相伴出現，該異常與油氣圈閉有直接的對應關系；③某個頻段為相對孤立的強吸收和高頻散異常，也與含油氣圈閉有直接關系；④干井、水井無上述異常現象，在氣水共存區，也無上述的異常特征。
    通過對36口已知井的瞬時吸收譜和瞬時頻散譜異常的分析、研究，認為油氣異常突出，特征清楚、分辨率高，可靠性好，實現了最佳的應用。
4 對未知目標的預測
    根據對己知井儲層油氣特征的認識，2008年對西南油氣田公司蜀南氣礦6個待鉆井位目標進行了BISQ地震油氣預測，認為5個目標能獲氣、1個目標為干層。而鉆探結果表明，這6個目標完井試油獲得氣井5口，干井1個口，失誤井1口，預測成功率83.33%(見表1、圖2)。
 
表1 2008年井位目標BISQ地震油氣預測效果統計表
井位
層位
預測情況
鉆探結果
吻合情況
S005-1
茅口組
氣層
氣、水同產層
吻合
T012-1
茅口組
氣層
氣層
吻合
B003-2
茅口組
氣層
氣層
吻合
B002-1
茅口組
氣層
氣、水同產層
吻合
Y10
須二段
干層
干層
吻合
T101
須二段
氣層
氣層
基本吻合
5 結論與建議
雙相介質BISQ地震油氣預測技術實現了動態信息(瞬時吸收瞬，瞬時頻散譜)的最佳應用。地震頻帶的瞬時頻散譜、瞬時吸收譜聯合起來用于地震油氣預測在國內尚屬首次(經互聯網搜索)。特點是信息分辨率高、信息量大，有利于減小多解性。雙相介質BISQ地震油氣預測技術能客觀地反映油氣異常特征，適用碎屑巖和碳酸鹽巖地層。
    建議不要做過多的反褶積處理，保留客觀的動力學和頻率特征。
參考文獻
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(本文作者：李煜偉1 李硯2 呂宗剛3 岳宏3 彭海潤3 包吉山1 1.成都理工大學；2.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司；3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦)