含气地层地震波衰减特征分析

李生杰

(1.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学)， 北京 102249;2.中国石油大学CNPC物探重点实验室,北京 102249)

利用地震波衰减特征进行地下储层流体性质预测已成为近年来研究的热点[1,2].当地震波在含流体地层中传播时,波动能量会发生衰减[3].引起地震波能量衰减的主要因素包括地层界面散射引起的能量衰减和因地层本身(地层岩性、孔隙及其充填流体性质等)性质差异引起的衰减.通常将后者称之为地层本征衰减.因地层界面散射引起的衰减[4],例如:波在地层中的微曲多次、几何扩散等,在一定平面范围内其作用在横向上变化不大.地层本征衰减是我们利用地震记录的衰减特征进行地层孔隙流体性质预测的主要依据.

一般而言,地层中流体性质不同,其对地震波传播能量衰减程度不一样,含气地层吸收地震波能量较其它含流体地层强[5],含油水地层对地震波能量的衰减作用相对较弱.通常采用地层品质因子来度量地层本征衰减大小.含流体地层品质因子的大小主要与地层岩石性质、孔渗条件以及孔隙流体性质密切相关[6].

利用含流体地层地震记录的衰减特征进行地层流体性质预测主要涉及地层品质因子(或吸收系数)提取、进行衰减参数的处理和分析、应用地震衰减参数进行地下岩石中孔隙流体识别等.由地震记录提取品质因子的方法主要包括谱比法、振幅衰减法、解析信号法、信号(子波、相位、频率等)模拟法、脉冲振幅法、上升时间法以及频率移动法等,还可通过对地震记录进行谱分解,比较不同分量记录中能量变化关系,预测地层孔隙流体性质.本文研究了含气地层地震波衰减与频率变化特征,讨论了利用含气地层地震波衰减变化率及频率关系进行含气地层地震识别的途径,给出了含气地层地震识别的有效方法.

1 地震记录的衰减参数分析方法

对于叠后地震记录可将其视为自激自收的一维(双程时间)地震波传播结果,其波动方程可表示为:

其中 U( x,ω)为平面波位移,x为平面波传播距离,ω为角频率,k为波数.

该方程的解析解可表示为:

其中i为虚数单位.

对于双程反射波的传播距离增量Δx,可用地震波的传播速度v( f)和传播时间增量Δt表示为:

对于粘滞性介质,地震波的传播将受到地层吸收作用.大量实验和实际地震数据表明,地层吸收作用呈指数衰减特征,由物理因果原理可知,采用波动方程表征这种地层衰减特征需将波数中引入虚数分量,即:

其中v(ω)为在频率为ω条件下的地震波相速度,Q为介质的品质因子.

为了将传播距离转换为时间变量 t,可定义一个相对参考频率 ω0,该频率对应的速度为v(ω0).将上述复波数代入波动方程中,可得:

其中v(ω0)和v(ω)分别为地震波在参考频率ω0和某一传播频率ω时的传播速度.

上述方程中有两个指数项,第一个指数项的作用是衰减地震波的传播能量,第二个指数项是由于地震波传播速度与频率的关系而引起的相位改变项.

根据Kjartansson常品质因子模型,地震波速度频散关系可表示为:

当地震波速度频散非常小的情况下,有v(ω)= v(ω0).

此时,考虑了地层吸收作用的波动方程的解可表示为:

假设地震波在时间增量Δt1的频率响应为:

地震波在时间增量Δt2的频率响应为:

不同时刻频率响应相除,得:

两边取对数,可得:

通过计算传播时间Δt前后振幅谱,确定不同频率振幅衰减变化率k:

以及传播时间 Δt=t2−t1,其中t1和t2分别是计算窗口(分析目的层顶—底界面)传播时间.

根据上述计算参数可以计算得到分析窗口的品质因子:

滑动计算窗口可以得到不同时间地层的品质因子参数.

2 数值模拟分析

由上述波动方程可知,地震波在含流体地层传播过程中,振幅发生衰减,相位形态随时间变化.地震波波形的变化主要取决于地下岩层的品质因子大小,不同含流体地层的品质因子不同,其对地震波的吸收能力有差异,品质因子越小地层的吸收作用越强,地震波能量的衰减就越严重,地震波形态变化也越大,反之亦然.因此,地震波衰减参数的变化,可以反映地层孔隙流体性质的变化.

由于地层含气后,地层对地震波的传播能量吸收增强(地层品质因子减小)、地震衰减特征显著,这为利用地震波衰减参数预测含气地层及含气范围提供了物理依据.实验表明:地层对地震波的吸收作用主要取决于岩石骨架的弹性性质、岩石的孔隙率及孔隙中含流体性质等[7].当时岩石骨架性质及孔隙率变化较小时,岩石中孔隙流体性质及其分布将成为控制地震波衰减特征的主要因素.

为了分析岩石孔隙中流体性质与地震波衰减参数变化关系,设计并模拟了含不同流体地层的地震记录,如图1所示.

图1 含不同流体地震记录数值模拟结果

地层模型由泥岩—砂岩—泥岩互层构成,砂岩孔隙度为 22%.无衰减地震记录的数值模拟采用弹性波动方程计算得到,实现过程中考虑了地震波在层间的微曲多次、球面扩散、波动模式转换以及各类多次波等作用,计算精度较高.为了模拟地层吸收特征,在波动方程中引入了复波数项,并用地层品质因子表征孔隙介质对地震波能量的吸收作用.含水地层的品质因子取为55(无量纲),含气地层的品质因子取为18.数值模拟结果见图1.图中1770至1810两横线条之间为含流体地层地震响应变化时间段.

数值模拟结果表明,若将地层视作为完全弹性介质,地震波能量与实际衰减介质(含流体地层)相比差异很大,多次波等干扰现象明显.当岩石孔隙中含流体后,地震波能量衰减特征与孔隙流体类型密切相关.含气地层的地震波能量比含水地层小,两者之间反射波能量与波形差异比较显著.

对比含水层地震记录频谱与含气层地震记录频谱(图2)不难发现,含气层地震记录频谱主频向低频方向有一点移动,频带宽度明显变窄.与含水层相比,最明显的特征是含气层频谱的高频分量衰减显著,含气层频谱中高频翼的变化斜率比较陡.

根据含气层地震记录频谱变化特征,笔者认为利用含气层地震记录的频谱特征,特别是高频分量的衰减变化率,可直接进行地下含气地层的地震识别研究.利用地震波衰减特征进行含气层预测时,地震记录的频谱中高频分量衰减速率是最为敏感的含气性地震识别指标参数.

图2 不同状态地层模拟记录的频谱特征

3 实际资料分析

为了验证地震记录频谱中高频分量衰减速率与地层含气性关系,本文采用我国西部地区已知某气田的实际地震记录及钻井信息,进行了地震衰减参数计算及频谱特征分析.

图3为我国西部某已知气田过井地震记录,沿该地震测线已实施三口钻探井,分别为钻探1井、钻探5井以及钻探7井.其中钻探1井在第三系地层获得工业气流(图中标示为气层段部分);钻探5井位于钻探1井以东,相应地层段测试结果为水层;钻探7井位于钻探1井与钻探5井之间,相应地层段测试结果为气-水同层.根据钻井含气性测试结果,可将该气藏剖面划分为高丰度含气区、低丰度含气区以及饱水地层区,分别对应于钻探1井区、钻探7井区以及钻探5井区.该地震数据为分析含不同性质流体地层的地震衰减特征提供了非常好的资料基础.

比较含气层与含水层地震记录波形特征可知,含气层段地震记录表现为反射杂乱、同相轴连续性很差,反射能量比较弱.与此相反,含水层段(图中钻探5井位置附近)地震记录同相轴连续好,反射界面清晰、波组横向相关性非常强,能量较强.

图3 已知某气田过井地震剖面

根据数值模拟结果,地震波在含不同性质流体地层传播过程中,其频谱特征不同.根据实际过井地震数据及钻井测试结果,本文分别在钻探1井的高丰度气藏区、钻探7井的气-水层段以及钻探5井的含水层段进行了频谱计算.计算窗口长度为650ms,不同钻井位置的地震数据及相应频谱如图4所示.

钻探 1井的气层段波形杂乱,能量较低,其对应频谱表现为主要波动能量集中在10～20Hz之间,主频比较低;钻探5井的含水层段地震记录中波形横向连续性比较好,能量均衡,波峰比较窄,对应的频谱表现为频带比较宽,8～55Hz范围都可见有效信号,地震波能量主要在25～45Hz之间,频谱中出现多峰值现象;钻探 7井的气-水层段地震记录中波形横向连续较好,但峰-谷波形比较宽,能量适中,对应频谱表现为有效信号频带相对较宽,8～40Hz范围可见有效信号,频谱中见多峰值现象.

图4 含不同流体地层实际地震记录及其频谱

实际地震记录频谱中出现多峰值现象说明地震记录频谱特征不仅与地下岩石孔隙流体性质相关,还与地震数据采集和处理等非地层因素有关.为了提高地层衰减因子与频率关系分析精度,本文采用指数型非线性拟合方法,分别对不同地层状态地震频谱中高频衰减变化率进行了拟合,结果见图5.

含流体砂岩样品的实验结果表明[7],样品吸收作用与孔隙度、流体饱和度等密切相关.当岩石骨架一定时,孔隙中充入少量液体后,液体将吸附在岩石颗粒表面,使得岩石骨架刚性降低,岩石对地震波衰减作用增大.若岩石孔隙中充满液体后,岩石完全由岩石骨架和液体构成,此时岩石的可压缩性较小,地震波衰减较弱.当岩石孔隙中(部分)充填天然气后,岩石的可压缩性显著增强,地震波衰减剧烈.其中,波长短、频率高的谐波分量衰减迅速,而频率较低的分量衰减相对比较少.因此,含气层地震记录频谱中主频向低频方向移动,频带范围明显减小;而含水层地震记录中主频相对比较高,频带比较宽.含气层与含水层地震记录频谱差异可以用高频衰减的变化率进行表征,如图 5所示.

图5 含不同流体地层实际地震频谱及其衰减变化

对比含气层与非气层衰减变化率特征可知,两者之间最显著的差异是主频与有效频带不同.含气层地层主频约在10Hz左右,频带宽度为6～22Hz左右,此频带以外主要为非气层地震波能量.根据地震波衰减变化率与频率关系,本文提出了利用不同频率分量进行含气层地震识别的方法.

该方法的基本思路如下:根据含气层地震衰减变化率与频率关系,确定含气层优势频率分量和非气层参考频率分量,通过对比两者频率分量的能量关系,确定含气层在地震数据中的位置.在确定含气层优势频率分量与非气层参考频率分量时,注意所确定的分析频率一定要与非气层地震波频率分量有所区别.地震记录是一种非平稳时间序列,传统傅里叶变换不适合于表征某一时间的频率与能量关系.本文采用匹配追踪方法将地震数据进行分频处理,得到不同频率分量与传播时间剖面,如图6所示.

图6 含气层地震衰减预测效果

综合分析含气层与非气层地震波衰减变化率与频率变关系(图 5)及地震数据(图 3)的分频处理结果(图 6).在低频(8Hz)分量地震剖面中,含气层附近存在明显的较强波动能量,非气层段(特别是含水层)地震波的低频能量较弱;而在相对较高频率(25Hz)分量剖面中,含气层段地震波能量非常弱,非气层段横向上地震波能量衰减变化较小.不同频率分量剖面中地震波能量的相对关系与前述研究结果一致,根据地震衰减变化率进行地层流体性质分析的结果与实际钻井结果比较一致.因此,本文所述含气层地震衰减分析方法是一种有效的地震气层识别方法.

4 结论与认识

采用波动方程数值模拟方法,本文研究了含气地层地震波能量衰减变化特征,与非气层相比,含气层地震记录频谱主频向低频方向移动,频带宽度明显变窄,含气层频谱的高频分量衰减显著,高频翼的变化斜率比较陡.因此,高频分量衰减变化率可作为含气性地震识别的敏感指标参数.根据含气层地震记录频谱衰减特征,本文提出了利用地震记录能量-频率关系,特别是高频分量的衰减变化率,直接进行地下含气地层的地震识别和预测研究方法.实际应用结果表明,本文所述含气层地震衰减分析方法是一种有效的地震气层识别方法.

应用地震衰减参数进行含气地层预测时,需要对所研究地层的岩石孔隙特征、含流体性等因素进行基础分析,确定含不同流体地层地震波衰减与频率关系及其敏感性.在此基础上利用地震波衰减变化率与频率关系可有效识别含气地层与非含气层地层.本文所述方法可广泛地应用于天然气藏地震预测研究工作之中.

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