基于雙相介質的油氣檢測技術 在遼河牛居地區的應用

徐琛琛

（1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210093； 2.中國石油遼河油田公司勘探開發研究院，遼寧盤錦 124010）

如何快速高效地尋找油氣資源，一直是勘探工作者最為關心的課題之一。近年來，隨著理論和方法的不斷完善，油氣檢測技術在儲層預測中的應用日趨廣泛。前人在油氣檢測領域做了大量工作，提出了多種油氣檢測方法，例如，基于廣義S 變換衰減系數估算的油氣檢測方法[1]、基于時頻域譜模擬的油氣檢測方法[2]、基于匹配追蹤視頻分析的油氣檢測方法[3]、基于速度頻散的油氣檢測方法[4]和基于頻譜特征的油氣檢測方法[5]等。

本文采用基于Biot 提出的雙相介質理論的油氣 檢測技術，在綜合分析疊后地震資料、測錄井資料、鉆井資料和試油數據的基礎上，在遼河牛居地區開展油氣檢測工作，確定優勢儲層在平面上的展布范圍，從而為井位部署提供重要的技術支撐。

1 方法原理

1956 年，Biot 提出雙相介質理論[6–8]，并闡述了地震波在雙相介質中的傳播特性。所謂的雙相介質是指油氣儲層由孔隙骨架（固相）和孔隙骨架中充填的流體（流相）組成，孔隙彼此連通，孔隙中流體可相對于骨架流動。

基于Biot 雙相介質理論，當地震波經過雙相介質時，固相和流相之間發生相對位移，并產生第二縱波。第二縱波極性與第一縱波相反，且速度遠低于第一縱波，此時，地震記錄是第一縱波與第二縱波的疊加。因此，地震波經過雙相介質時的動力學特征與經過單相介質時的特征具有明顯差異，這為利用地震資料直接進行油氣檢測提供了理論基礎[9–13]。

根據Biot 經典波動方程，當考慮流體與固體的相對運動產生能量消耗時，得到雙相各向同性介質中有耗散時地震波傳播的彈性波方程，其向量表達式為[14–15]：

式中：u 和U 分別為固相和流相位移，m；b 為耗散因子；θ 和ε 分別為固相和流相的體積應變量；A、N 、Q、R 為Biot 彈性系數；11ρ 、12ρ 、22ρ分別為固相、流相質量系數及固相和流相質量耦合系數，kg/m3；t 為時間，ms。

雙相介質屬于黏彈性介質，當地震波在黏彈性介質中傳播時，會產生能量衰減和速度頻散[7]，由于流相介質的黏滯性和摩擦性，頻譜中高頻成分迅速衰減，頻譜主頻向低頻方向移動，造成“低頻共震、高頻衰減”的現象。其本質是相同地質條件下，地震波通過流相比通過固相經歷了更多的吸收衰減。Biot 的雙相介質理論已經在實驗室條件下被證實，地震波通過含氣、含水和含油砂巖儲層時，地震波振幅衰減與流體飽和度相關，即在相同流體飽和度情況下，地震波經過氣相時衰減最大，油相衰減次之，水相衰減最小。基于雙相介質的油氣檢測技術正是利用地震波振幅通過不同相的差異衰減特性來預測有利含油氣區。

2 正演數值模擬

基于Biot 經典波動方程理論公式，地震波經過雙相介質時，其振幅衰減可以表示為：

式中：M 為振幅，m；α 為流體黏滯系數，Pa·s；φ 為介質孔隙度，%；K 為介質滲透率，10–3μm2。 設計如圖1 所示的地層模型進行波動方程正演數值模擬實驗，子波為主頻50 Hz 的雷克子波，圖中介質5 為雙相介質，其孔隙度為25%，滲透率為100×10–3μm2，黏滯系數為0.002 Pa·s，流體密度為1.0 g/cm3，骨架密度為3.0 g/cm3；介質4 為單相介質，密度為1.2 g/cm3；其余介質均代表圍巖。

圖2 為波動方程正演地震響應特征，地震波經過雙相介質時發生嚴重的能量衰減和速度頻散，導致其主頻降低，波形發生畸變。

圖1 正演模型

圖2 正演地震響應特征

基于正演數值模擬結果，在190～220 ms 時窗范圍內，雙相介質和單相介質單道頻譜響應特征對比（圖3）表明，雙相介質單道頻譜主頻約為10 Hz，“低頻共振、高頻衰減”特性明顯，單相介質單道頻譜主頻約為20 Hz，與雙相介質相比，其頻帶范圍更寬，但振幅衰減遠小于雙相介質。

圖3 不同介質單道頻譜響應特征

3 實例分析

牛居地區構造上位于遼河東部凹陷北部，受茨東和營口–佟二堡兩條主干斷裂夾持，油氣藏類型主要為構造–巖性油氣藏[8]。目前，自上而下共發現了東營組、沙河街組一段（沙一段）、沙河街組二段（沙二段）和沙河街組三段（沙三段）四套含油層系，本次研究的主要目的層段為沙一段。牛居地區處于東西兩側物源交匯區，相帶變化快，儲層預測難度大，常規儲層預測技術難以刻畫有利油氣聚集區，本次研究采用基于雙相介質理論的油氣檢測技術在N87 井區開展含油氣儲層預測，其技術流程如下：首先通過精細井震標定確定檢測時窗，然后利用多井頻譜對比分析，優選低頻敏感段和高頻敏感段范圍，最后進行有利含油氣區預測。

3.1 精細井震標定

本次研究所采用的是“兩寬一高”的高品質地震資料，工區內N87 井在沙一段存在一個高產油層，儲層厚度為8.5 m，目前已經累計生產原油1.5×104t，開發效果較好。如圖4 所示，產油層井段為2 935～ 3 045 m，通過精細井震標定，確定檢測時窗為2 140～2 195 ms，窗長為55 ms，主要產油層段在地震上的響應為一套波峰。

圖4 N87 井合成記錄標定分析

3.2 多井頻譜對比分析

通過多井頻譜對比分析，N87 井在檢測時窗范圍內“低頻共振、高頻衰減”現象明顯，而其他非產油井在該時窗范圍內則沒有這種特征。通過產油井和非產油井的頻譜對比（圖5），確定低頻敏感段為1～7 Hz，高頻敏感段為28～35 Hz。

3.3 有利含油氣區預測

在確定優勢時窗和敏感頻段后，對時窗內的數據體開展頻譜分析，對振幅頻譜分別進行能量累加計算，獲得時窗范圍內全區的低頻能量值和高頻能量值，再計算低頻能量與高頻能量之比，將其作為定性表征儲層油氣富集程度的結果。圖6 為過N18井—N26 井—N87 井的油氣檢測連井剖面，其中黃色代表低頻能量，藍色代表高頻能量，紅色代表低頻能量與高頻能量之比。如果目的層段含有油氣，則會導致高頻能量衰減較快，低頻能量相對增強，低頻能量與高頻能量之比變大，所以紅色區域的值越大，說明含油氣的可能性越大。N87 井處于低頻能量與高頻能量之比的高值區（紅色高值區），試油結論為油層；而N18 井和N26 井處于低頻能量與高頻能量之比的低值區（紅色低值區），試油結論均為水層，其檢測結果與鉆井實際情況吻合較好。

圖5 多井頻譜對比分析

圖6 過N18 井—N26 井—N87 井的油氣檢測連井剖面

圖7 為利用基于雙相介質的油氣檢測技術開展 的N87 井區沙一段油氣檢測平面分布示意圖，其中紅色代表油氣富集程度較高的地區，黃色和藍色分別代表油氣富集程度較低區和油氣不富集區。經綜合分析，有利含油氣區大都處于構造較高部位，且位于斷裂帶附近，總體上北部油氣比南部富集。在牛居北部斷背斜側翼的圈閉內，烴類檢測存在異常高值區，綜合評價認為該圈閉是下步勘探的有利目標區。將檢測結果與工區內10 口井綜合解釋結果對比，有8 口井與檢測結果相符，油氣檢測結果與鉆井吻合率達80%。在此基礎上，針對性地部署了N100 井，該井在沙一段獲高產工業油流，試油日產油達100 t，進一步證實了基于雙相介質的油氣檢測技術對牛居地區油氣勘探部署具有較好的指導作用。

4 結論

（1）地震波通過雙相介質時會發生嚴重的能量衰減和速度頻散，基于雙相介質的油氣檢測技術正是利用地震波振幅通過不同相的差異衰減特性來預測有利含油氣區。

圖7 牛居地區N87 井區沙一段油氣檢測平面分布示意圖

（2）基于雙相介質理論進行油氣檢測時，最好采用“兩寬一高”的高品質地震資料，首先通過精細井震標定，確定含油氣時窗范圍，然后利用多井頻譜對比分析確定敏感頻段，最后進行有利含油氣區預測。

（3）在綜合分析地震、測錄井、鉆井、試油等數據的基礎上，針對遼河牛居地區沙一段儲層，采用基于雙相介質理論的油氣檢測方法開展有利含油氣區預測，預測結果與鉆井吻合率達80%，可為下步油氣勘探部署提供重要的技術支撐。