充分的科学证据表明，矿物燃料(主要是煤和石油)燃烧释放的温室气体，主要是二氧化碳(CO₂)显著地导致了全球气候的变暖(孙枢，2006;Pachauri and Reisinger，2007；Chu，2009).为了保护环境，必须进行二氧化碳含量的控制，一方面需要减少二氧化碳的排放，另一方面进行二氧化碳地质封存和应用也是有效途径.

由于直接将二氧化碳捕捉后注入地下并进行地质封存的成本昂贵，将二氧化碳注入进入开发后期的老油田内是世界各国广泛采用且行之有效的办法(马劲风和张小莉，2010).将二氧化碳注入油层中不仅可以封存二氧化碳而且可以提高采油率，被称为二氧化碳驱油技术.由于二氧化碳是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可使原油体积膨胀、黏度下降，还可降低油水间的界面张力.与其他驱油技术相比，二氧化碳驱油具有适用范围大、驱油成本低、采油率提高显著等优点(舟丹，2012).

从世界范围来看，注CO₂方法从1990年到现在一直处于增加的态势，近年来增加速度更快，基本上每年都有油田新开展注CO₂的项目(Ghaderi and Landr，2009).

胜利油田正理庄油田G89块位于BX洼陷南坡，该带为多含油层系、多油气藏类型的复式油气聚集带.G89块沙四段含油系发现于1995年.为了提高采收率，胜利油田于2007年在G89块的G89-1井区进行CO₂混相驱先导试验，并且建成了国内燃煤电厂烟气CO₂地质封存(CCUS)全流程示范工程.并分别于1994年和2011年对G89块进行了三维地震资料的采集.两期地震资料可以用来监测CO₂注入封存的安全性以及油气采收率.

目前二氧化碳驱油虽然效果显著，但是相关配套技术尚不完备.常规的注采及油气水性质检测方法，仅能简单的监测二氧化碳驱油的效果和二氧化碳采出情况，驱油过程的精细监测成为薄弱环节，制约着二氧化碳驱油的进一步发展.地震法作为一种相对成熟的地球物理勘查方法，具有实现二氧化碳气驱波及范围描述的技术可行性.

本文参考国内外研究成果(Terrell et al.，2002；Sakai，2006； Xue，2006；Ghaderi and LandrØ，2009；Vanorio et al.，2010；Wang et al.，2012；郝艳军和杨顶辉，2012；田宝卿等，2014)，应用G89二氧化碳驱先导试验区的实际数据，研究二氧化碳驱油的岩石物理特征.通过流体替换建立了二氧化碳驱油的岩石物理模型，分析了二氧化碳驱油的叠前叠后地震响应特点，并与驱油前后采集的两套地震资料进行了比对分析，取得了二氧化碳驱油地震响应特征的阶段性认识，对二氧化碳驱油的地震监测相关研究工作具有一定的借鉴意义.

正常大气条件下，二氧化碳是一种稳定的、密度大于大气的温室气体(密度是1.872 kg/m³).在温度大于31.1 ℃(Ts)、压力大于7.38 MPa时(临界点)，二氧化碳达到超临界状态(Bachu，2010).在这种温度和压力条件下，二氧化碳主要表现为气体的性质，同时依据压力和温度，又具有流体的密度(Bachu，2010)(图 2).

图 1

Fig. 1

图 1 沉积盆地二氧化碳不同条件下的相变特征(据Stefan Bachu，2010) Fig. 1 Phase change characteristics of carbon dioxide under the condition of different sedimentary basins(according Stefan Bachu，2010)

图 2

Fig. 2

图 2 世界范围内的沉积盆地不同地表温度和地温梯度确定的密度范围(据Bachu，2010) Fig. 2 Density range determined by the earth’s surface temperature and ground temperature gradient in different sedimentary basins around the world(according Bachu，2010)

本文研究工区目的层系地层温度约为121~129 ℃，压力约为40~45 MPa.在本研究工区的温度和压力条件下，二氧化碳达到超临界状态.参考图 2，密度约为600 kg/m³ .

同时参考Batzle和Wang(1992)给出的二氧化碳弹性特征计算公式，对应的纵波速度约为500 m/s.根据岩石物理参数手册，油的密度约为800 kg/m³，纵波速度约为1200 m/s；水的密度约为1000 kg/m³，纵波速度约为1600 m/s.

本文通过流体替换方法分别对理论模型和实际井资料进行二氧化碳驱油过程岩石物理参数变化分析及地震响应特征变化分析.由于目前对于研究区驱油过程中实际的二氧化碳相态变化没有模拟及实测资料，本文从理论分析入手，二氧化碳气驱替岩石孔隙中液态油，驱替后二氧化碳气以超临界状态填充于岩石孔隙中.

常用的流体替代方法包含Gassmann方程法、Xu-white模型法等.常用的二维正演方法包含射线追踪法和波动方程法.

Gassmann方程由波动方程推导而来，用已知的固体基质、骨架和孔隙流体体积模量，来计算饱和流体孔隙介质的体积模量(Hilterman，2006; 晏信飞，2009).Gassmann方程分为两个分量：干岩和流体.干岩体积模量是岩石骨架的函数，与孔隙流体的特征无关.无论岩石孔隙中含有油气或是完全水饱和，计算纵波速度V_p时K_dry和μ_dry保持不变.干岩模量和孔隙度有关系，所以如果孔隙度变了，则要求重新计算K_dry和μ_dry.公式为

Xu-White模型考虑了泥质砂岩饱含孔隙流体的情况，并假定岩石孔隙主要由泥岩和砂岩孔隙构成.Xu-White首先利用Kuster-Toksz模型求取岩石骨架弹性模量，然后基于Gassmann方程，计算了饱含孔隙流体岩石的等效体变模量和剪切模量，并进一步计算纵波和横波速度(张杨，2005).

假设岩石骨架泊松比不随孔隙度变化，基于DEM理论的Kuster-Toksz方程求解可以转化为求解一线性常微分方程组问题，可以得到岩石骨架弹性模量的简单解析表达式为

通过求取岩石骨架弹性模量，再结合Gassmann方程估算纵波和横波速度.

波动方程正演模拟方法通过对地震波动方程的求解来获得走时和振幅信息，模拟的地震波场不单保持了地震波传播运动学特征还说明了地震波传播的动力学特征，包含了地震波传播的所有信息，为研究地震波的传播机理和复杂地层的解释提供了更多的佐证(张永刚，2003；裴正林和牟永光，2004).本文对二维模型的正演模拟采取波动方程法.

建立一个砂岩透镜体的二维模型(图 3)来分析二氧化碳驱油前后地震响应特征的变化.参考高慧梅等(2009)的文章，驱油前含油饱和度为60%，含水饱和度为40%.根据CO₂驱油实验结果表明，混相驱油可以将驱油效率提高到90%以上.本文模拟旨在分析CO₂驱油前后地震响应特征变化，假设极端状况，驱油效率达到100%，即驱油后含气饱和度为60%，含水饱和度为40%.驱替过程中油气水三相共存.采用Gassmann方程法进行流体替换.

图 3

Fig. 3

图 3 2011年8月13日2000LST探空层结图 Fig. 3 Sounding stratification at 2000LST,13th,Aug,2011

通过模型验证，驱油前后的地震响应特征在形态上没有明显的变化(图 4).提取振幅特征进行比较，发现随着CO₂气驱的进行，振幅能量不断减弱(图 5).根据Gassmann流体替换公式和Domenico的表，K_油>K_气，含气态后，波速降低，砂岩与围岩速度差变小，振幅能量减弱.理论分析与模型验证结果一致.

图 4

Fig. 4

图 4 驱油过程流体相态模型及地震响应特征 Fig. 4 Fluid phase model and Seismic characteristics in progress of CO2 flooding

图 5

Fig. 5

图 5 CO2驱油过程能量振幅变化图 Fig. 5 Energy amplitude changes in progress of CO2 flooding

从模型的角道集中观察，驱油前后的AVO响应均为一类特征(图 6).

图 6

Fig. 6

图 6 CO2驱油过程角道集变化图 Fig. 6 Angle gather changes in progress of CO2 flooding

建立一个二维砂泥岩互层模型并对其进行正演模拟分析二氧化碳驱油前后地震响应特征的变化(图 7).假设砂岩中开始含油并逐步被二氧化碳气体所驱替，模型岩性组合特征及弹性物性特征通过结合实验室测试结果、钻测井与录井资料来赋予.

图 7

Fig. 7

图 7 砂泥岩互层模型 Fig. 7 Sand shale interbed Model

从正演结果上看，如图 8所示，由于受到上覆及下伏泥岩强能量反射轴的影响，砂泥岩薄互层发育带整体表现为一个反射轴.在驱油过程中，由于流体相态的改变导致砂岩速度的变化，但是模型的反射特征并没有明显的变化.

图 8

Fig. 8

图 8 CO2驱油过程速度模型及地震响应特征 Fig. 8 Velocity model and Seismic characteristics in progress of CO2 flooding

提取目的反射层的振幅及频率属性，层位如图 9中虚线所示.发现随着驱油过程的不断进行，振幅属性不断减小，频率属性变化规律相对不明显(图 9).

图 9

Fig. 9

图 9 不同层位正演模型属性提取 Fig. 9 Attribute extraction along different layers in the forward modeling

对实测单井进行流体替换来分析二氧化碳驱油前后对地震波速度、密度等的影响，进而分析地震响应特征变化.

由于研究工区内井都没有横波实测数据，所以首先进行横波估算.然后利用Gassmann方程对驱油前的实测井曲线进行CO₂替换，假设岩石孔隙中油全部被驱替，即含油饱和度转换为含气饱和度.通过计算得到，驱油后纵波速度、密度均有所下降(图 10).

图 10

Fig. 10

图 10 Gassmann方程法计算得到的CO2驱油前后横纵波速度、密度及角道集变化图(红色测井曲线为驱油后，黑色测井曲线为驱油前) Fig. 10 P-and S-wave velocities , density and angle gather changes between before and after CO2 flooding calculated by Gassmann method

通过对单井CO₂驱油前后进行AVO分析，发现驱油前后都呈现一类AVO响应.驱油前后的中小角度道集变化不太明显，大角度道集呈现一定的变化(图 10).

利用岩石基质、泥质含量、孔隙度大小及流体性质，拟合出二氧化碳驱油前后的纵横波速度及密度曲线.

通过计算得到，CO₂驱油前的纵横波速度与实测数据吻合度较好，尤其是在砂岩发育段，整体趋势较为吻合，但是计算得到的速度变化幅度相对Gassmann方程法得到的更大.驱油后纵波速度、密度整体均有所下降(图 11).

图 11

Fig. 11

图 11 Xu-white模型法计算得到的CO2驱油前后纵横波速度及密度图 Fig. 11 P- and S-wave velocities and density change between before and after CO2 flooding calculated by Xu-white method

通过对单井驱油前后进行AVO分析，发现CO₂驱油前后主要都呈现一类AVO响应，驱油后有四类AVO现象出现.驱油前后的中小角度道集变化不明显，大角度道集呈现一定的变化(图 12).

图 12

Fig. 12

图 12 Xu-white模型法计算得到的CO2驱油前后角道集变化图 Fig. 12 Angle gather changes between before and after CO2 flooding calculated by Xu-white method

选取16井、s1井、s3井及9井四口井建立连井二维模型进行正演模拟.

首先对这四口井利用Gassmann方程法进行流体替换，得到驱油后的井曲线.并利用Xu-white模型法分别计算驱油前和驱油后井曲线.

然后分别利用二氧化碳驱油前实测井资料、Gassmann方程法计算的流体替换后的井曲线和Xu-white模型法计算的驱油前及驱油后井曲线建立四种不同情况下的连井模型，并进行波动方程正演模拟.

从正演模拟结果看，Gassmann方程法及Xu-white模型法建立的连井模型正演结果与实际地震资料均有较好的相似性和可对比性(图 13).从地震响应结果中可以看出，目的层上覆地层反射轴及目的层反射轴都出现了振幅减小的现象.

图 13

Fig. 13

图 13 各类连井正演结果及实际地震资料 Fig. 13 Well-tie forward modeling results and actual seismic data

进一步对连井正演结果及实际地震资料沿目的反射层提取振幅属性.从结果来看，无论是Gassmann方程法还是xu-white模型法流体替换后的振幅属性均整体呈现减小趋势，与理论模型的结果及实际地震资料提取结果吻合.比较之下，Gassmann方程法得到的结果与实际资料更吻合(图 14).

图 14

Fig. 14

图 14 CO2驱油前后连井正演结果及实际地震资料的振幅属性变化 Fig. 14 Amplitude changes extracted from well-tie forward modeling results and actual seismic data between before and after CO2 flooding

本文综合利用钻井、测井、录井、地震和驱油生产数据，分析二氧化碳驱油引起的储层岩石物理参数变化，建立二氧化碳驱油的正演模型，在正演模拟的基础上结合实际工区内二氧化碳驱油前后地震反射特征的改变，研究了二氧化碳驱油的地震响应特征，得到以下几点结论：

(1)通过岩石物理参数分析及流体替换验证，二氧化碳驱油过程中，随着气态二氧化碳逐步驱替岩石孔隙中液态的油.砂岩整体有效速度不断下降，导致砂体反射振幅能量减小.

(2)本研究区驱油层段主要为砂岩薄互层.受地震分辨率及上覆层能量较强的影响，该区砂岩多表现为一套反射轴或空白反射.通过模型验证，驱油过程对砂岩反射轴及上覆层能量均有所影响.

(3)从叠前道集上来看，二氧化碳驱油前后砂体基本都呈现一类AVO响应.

(4)利用实际井流体替换前后曲线建立二维模型进行正演，与实际地震资料具有较好的可对比性，且属性变化趋势一致.