2016, Vol. 31
2. 东北大学秦皇岛分校, 秦皇岛 066004
2. Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China
地震资料携带有大量地层信息，近年来地震解释主要工作方向就是通过对地震响应的定量识别，实现对储层岩性、物性和流体的定量解释.地震反演是储层预测和刻画的重要手段之一，在油田勘探开发中得到越来越广泛的应用(Xu et al.，2015).地震反演是利用地表观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程，广义的地震反演包含了地震处理解释的整个内容.通过地震反演的弹性数据如何有效地预测和刻画储层是地震储层刻画的关键所在.这就需要建立地震数据所能提供的弹性参数(纵波速度、横波速度、密度等)与储层的岩性、物性、流体性质之间的对应关系，岩石物理正是这种关系建立的桥梁.岩石物理是一门用孔隙性，坚硬性，压缩性等影响地震波在岩石中传播的物理性质去描述储藏岩石的学科.它是连接油藏性质和地震响应的桥梁和纽带，是地震资料解释的基础.岩石物理起源于通过实验室测量手段，最初是为了建立岩石的声学特征与岩石颗粒、孔隙模型之间的关系，侧重于岩石本身的物理性质.随着地震勘探技术的进步，横波测井、烃类检测等技术的兴起，大大推动了岩石物理的发展.
除了实验室测试结果的进步，岩石物理的理论模型也获得了进一步完善，常见的岩石结构模型有颗粒支撑模型、基质支撑岩石模型、包含型岩石模型、接触型岩石模型、层状粘土型岩石模型、分散粘土型岩石模型、分散-层状粘土型岩石模型和临界孔隙度模型等.这些理论模型根据需求和目的不同，有不同的假设条件，也存在一定的局限性和适用性，如何选择合理、适用研究区块的模型是岩石物理工作的一大考验；其次，基于实验室测量的资料，由于测量频率和尺度与实际的地震资料之间存在较大的差异，不同尺度之间资料的校正也是岩石物理面临的问题之一；波在传播过程中的衰减和频散研究目前还停留在理论、实验阶段，也在很大程度上限制了岩石物理手段在地震解释方面的精确运用.
尽管存在着一定的误差和问题，岩石物理指导地震资料的定量解释还是获得了巨大的成就.通过岩石物理建立叠前反演参数对储层物性(蒋炼等，2011；印兴耀，2014；陈怀震等，2014)、流体类型的识别(李维新，2009;周永生等，2012;吕其彪，2012)，通过岩石物理完成对横波曲线的重构(白俊雨等，2012;谢月芳和张纪，2012)，以及通过岩石物理完成对复杂岩性的识别(陈树民等，2010;田玉昆，2013;张广智等，2015)等都获得了实际的生产效果，目前是国内各大油田开展油藏描述的重要技术手段.
1 北黄海地区储层预测存在的问题 1.1 实测的弹性参数不能反映储层岩性特征北黄海盆地是发育在华北地台隆起背景下的中新生代断陷盆地(蔡峰，1996；何将启等，2007；李文勇，2007)，主要勘探目的层为上侏罗统和下白垩统的致密砂岩储层.前期研究表明，目的层主要沉积相带为三角洲平原、冲积扇、近岸水下扇等，具有储层埋藏深(3000 m以下)、物性差(孔隙度8%~10%，渗透率0.01~7 mD)、纵横向变化快、非均质性强等特点(张莉等，2009).研究区目的层储层岩性复杂，同时发育有砂岩、火成岩、砾岩、灰岩等(张莉等，2009).由于岩性复杂储层致密，目前勘探的重点是通过地震数据提高储层预测的精度.
目前北黄海盆地处于勘探初期阶段，钻井数量有限，储层预测主要以叠前地震反演为主(刘金萍等，2013，2015)，通过岩石的弹性参数(纵波、横波、密度)来识别储层的岩性和物性(曹孟起等，2006；苑书金，2007；Chen et al.，2009)，但是预测效果不理想.通过对已有3口实际钻井的弹性测井资料分析研究表明：(1)应用测量的纵波阻抗单参数不能有效地识别研究区目的层段的砂岩和泥岩(如图 1)；(2)应用测量的纵波阻抗和纵横波速度比双参数也不能有效地识别研究区目的层段的砂岩和泥岩(如图 2).图 1是研究区目的层段纵波阻抗在砂岩和泥岩的统计分布图，图中红线代表砂岩的纵波阻抗分布，蓝线代表泥岩的纵波阻抗分布.图 2是研究区目的层段纵波阻抗和纵横波速度比交会图，图中红色点是砂岩在交会图上的分布，蓝色点是泥岩在交会图上的分布.图 1和图 2都表明了应用井中实际测量的弹性测井曲线不能建立地震反演储层预测和刻画的有效解释框架和依据.
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图 1 砂岩和泥岩纵波阻抗的概率分布图 Figure 1 Probability distribution of the P impedance in sandstone(red)and shale(blue) |
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图 2 纵波阻抗和纵横波速比交会图上 砂岩和泥岩的分布 Figure 2 P impedance vs. Vp/Vs crossplot of sandstone(red)and shale(blue) |
测井曲线在测量过程中，受井眼条件的影响，会引起测井曲线的局部异常(黄坚等，2005；苏明军，2005).尤其密度曲线是贴井壁测量，井径垮塌、扩径或者井眼不规则对密度曲线的影响是非常大的，扩径处会导致密度曲线出现异常低值.补偿声波虽然径向探测深度较大，但是当扩径较大时，仍然会出现较高的曲线值(楼一珊，1998).本研究三口井的横波测井曲线是由XMAC仪器测量并经过STC处理得到的.横波测井曲线由于仪器本身和处理方法的局限性在软地层的测量结果存在着较大的误差.经过两次的校正和重新处理后的横波测井曲线仍然不能正确地反应砂泥岩地层弹性特征的分布，不能满足储层预测和刻画的要求.
图 3为工区内2口井的实际测井曲线，从图中可以看出在泥岩段井径(第1道)扩径明显，并且扩径处所对应的密度、纵波时差和横波时差曲线也都有明显异常，例如well1井1969 m、1974.8 m处，well2井2550 m、2575 m处，都表现为明显的密度曲线异常低值和声波曲线的高值.扩径对曲线测量结果的影响，会导致井点统计时不同岩性弹性曲线特征存在一定的误差.
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图 3 实际钻井资料中扩径对密度、声波时差曲线的影响 Figure 3 Presentation of the effects of the borehole washout to density and sonic logs |
横波只在岩石骨架中传播在孔隙流体中不传播，通过这个特点通常采用纵横波速度比参数来判断岩性和流体.由于砂岩孔隙空间大，且孔隙中充填有流体，故在纵波速度-横波速度交会图中，砂岩趋势线的斜率略低于泥岩的(李庆忠，1992；马中高和解吉高，2005)，图 4给出了3口井实际测量的数据点以及理论砂泥岩趋势线，显示了砂泥岩有相似的变化趋势，尤其是泥岩，偏离了理论该有的趋势.由于横波曲线在采集和后期的资料处理中，较易产生误差(徐佳等，2010)，推测研究区的横波、纵波曲线存在一定的质量问题，导致井点统计的弹性参数无法很好区分岩性以及储层流体性质？需要通过岩石物理模拟的手段来完成岩性、流体性质与弹性曲线之间的认识.
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图 4 实测纵-横波时差曲线交会图(泥质含量做色标) Figure 4 The measured P sonic and shear sonic cross-plot colored by shale content |
(1) 致密砂岩储层岩石物理模型的建立
岩石物理模拟的基本原理是利用孔隙介质弹性理论和实验模型去模拟实际地层条件下(岩性、孔隙度、孔隙结构、含水饱和度、温度、压力和流体类型等)地层的等效弹性特征.但是由于岩石的弹性特征受到多种因素的影响，难以建立一个稳定的经验关系.岩石物理模拟是根据不同的岩石结构模型及相应的弹性介质理论算法来构建适合的岩石物理模型，模拟分析储层条件下的弹性测井曲线(密度、纵波速度和横波速度).结合常见的岩石结构模型，常用的理论和算法主要有Gassmann(1951)、Kuster和Toksöz(1974)、Berryman (1995)、Xu和White(1995)、Digby(1981)和Dvorkin和Nur(1996)等.岩石物理模拟需要考虑一些主要影响因素例如岩石类型、粘土含量、孔隙度、流体类型等(王元君等，2006；石宁宁，2014).基质支撑型的Xu&White算法模型是应用比较广泛的模型，该模型主要考虑泥质砂岩中基质性质、泥质含量、孔隙度大小和孔隙形状以及孔隙含流体饱和度对岩石速度的影响.本次研究是以Xu&White模型为基础结合岩心实验数据进行致密砂岩储层岩石物理模型的建立.
在岩石物理模型的构建过程中，由于研究区发育火山岩、碳酸盐等，故采用Voigt-Reuss-Hill算法构建多矿物岩石颗粒的弹性组合；Wyllie 时间平均算法用于砂岩和泥岩的弹性组合；Kuster和Toksöz(1974)算法用于构建岩石骨架的弹性模量；Gassmann(1951)算法被用来确定饱和流体岩石的弹性模量.任何岩石物理模型的构建都会存在一定的误差，需经过岩心分析数据刻度后，才能用于模拟计算实际井中的纵波速度、横波速度和密度曲线(图 5).
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图 5 岩石物理正演技术流程示意图 Figure 5 Diagram of rock physics modeling |
(2) 弹性测井曲线模拟
开展岩石物理模拟，获得模拟的纵波速度、横波速度等弹性参数，在地震反演储层预测中发挥十分关键的作用.在本研究中模拟的弹性测井曲线第一可以替换畸变失真的曲线，实现测井曲线的质量控制；第二可以明确真实情况下储层与非储层弹性参数特征，论证是否可以通过弹性参数来实现储层的刻画；第三通过改变模型孔隙中的流体饱和度参数，获得不同类型流体充填情况下储层弹性参数的变化趋势，实现对储层含油气性的检测.
测井分析和岩石物理评价获得了井眼周围的泥质含量、岩石矿物组分含量、孔隙度、饱和度等参数，研究区实际的分析化验数据及理论标准数据(表 1)提供了Xu&White模型建立中的基本参数.在此基础上完成了研究区3口井的岩石物理模拟，获得了井眼周围真实客观的弹性测井曲线.
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表 1 北黄海盆地岩石物理模型关键参数表 Table 1 The key parameter for rock physics modeling |
图 6 是在well2井中岩石物理模拟的弹性测井曲线和实际测量的弹性测井曲线在部分井段的对比图.图中红色曲线是岩石物理正演模拟的弹性测井曲线，黑色曲线是实测的弹性测井曲线.可以看到2270~2300 m砂岩段：①密度曲线在模拟前后没有明显的变化；②纵波速度曲线模拟后存在局部的细微修正，如2288~2290 m处密度曲线和泥质含量的特征是匹配的，但是纵波速度与这两条曲线在深度上存在不匹配，重新修正后的纵波速度曲线与其他曲线间有了很好的一致性；③横波速度曲线有明显变化，模拟后的横波曲线总体比原始曲线偏大，但是曲线变化趋势与原始曲线相似；④纵横波速度比曲线可以看出模拟前后变化较大，而模拟前砂岩与泥岩特征相似，模拟后砂岩表现为明显的低值特征.
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图 6 well3井岩石物理模拟曲线(红)与实测(黑)曲线对比 Figure 6 Comparison of the modeled(red)and measured(black)elastic log curves in the well 3 |
岩石物理模拟后所计算的曲线是否合理，需要通过岩心测试结果标定.北黄海盆地中生代储层不同构造部位埋藏深度差异大(蔡峰，1996；何将启等，2007)，岩石弹性特征随着埋深、孔隙度等的变化差异明显.本文在研究过程中，根据岩心的实际情况，测试了2口井不同岩石类型的弹性参数，见表 2所示.这些测试结果与岩石物理模拟结果进行对比，用以评估岩石物理模拟的参数精度以及误差范围，图 7中红色的杆状线代表岩心实测结果，曲线代表岩石物理弹性曲线的模拟结果，二者对比显示岩石物理模拟的曲线结果理想，一是值域范围相似，二是变化趋势相似.
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表 2 纵横波速度岩心样品测试结果 Table 2 Elastic parameters from core analysis |
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图 7 well4井岩石物理模拟计算弹性曲线与岩心测试结果对比 Figure 7 Comparison of the modeled(red)elastic log curves and core analysis(red bar)in the well 4 |
建立模拟后曲线的纵波阻抗-纵横波速度比交会图(图 8)，可以看出模拟后砂岩、泥岩的弹性曲线有清晰的分布范围，砂岩纵波阻抗分布在9~1.5×107 kg/m3·m/s之间，纵横波速度比小于1.7，与图 2原始纵波阻抗-纵横波速度比交会图比较，不同岩性的弹性特征变化明显.岩性趋势的出现，是由于岩石物理模拟修正了扩径段的密度值、局部曲线特征与岩性特征不匹配的地方，以及重新合成了横波曲线，最终使得纵波阻抗和纵横波速度比参数恢复了对岩性的识别能力，从而就可以建立基于弹性曲线特征的储层预测刻画解释框架，为叠前地震反演的储层预测提供重要基础和关键的解释依据.
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图 8 岩石物理模拟后不同岩性纵波阻抗与纵横波速度比交会图 Figure 8 The measured P impedance and the modeled Vp/Vs crossplot(colored by lithology)in the 3 wells |
(3) 流体替代分析
在岩石物理模拟的理论模型中，通过改变储层中流体饱和度以达到改变流体类型的目的，并分别模拟出不同饱和度下储层的弹性参数.通过流体替代岩石物理模拟，可以获得下列4种情况的弹性测井曲线，1)地层孔隙含原状流体情况；2)地层孔隙完全含水情况；3)地层孔隙完全含油情况；4)地层孔隙完全含气情况.根据上述4种情况弹性测井曲线可以对比分析本地区目的层段流体对弹性参数的影响，寻找最适合研究区饱和度的弹性参数值域范围，并通过该值域刻画地震反演结果，寻找有利油气的分布区.
由于主要考虑孔隙、流体对弹性参数的影响，流体替换模拟只选取储层段进行.另弹性参数受孔隙度大小和流体类型的双重影响，本文在研究过程中选取了研究区优势孔隙度区间开展岩石物理模拟流体替代.图 9为well2井目的层段储层流体替换模拟弹性测井曲线剖面图，在图中第一道显示的测井分析的岩性(泥质含量)和孔隙度；第二道是流体替换时的饱和度；其他3、4、5、6和7道显示含水(蓝)、含油(红)和含气(绿)情况下的密度、纵波速度、横波速度、纵横波速比和纵波阻抗共5条弹性测井曲线，其中蓝色的曲线代表储层孔隙中100%含水；红色线代表 80%含油20%含水；绿色线代表 80%含气20%含水；流体替换模拟参数采用表 1中参数.通过图 9可以观察到，当孔隙流体按水-油-气的类型变化时，首先是储层密度稍有降低，纵波速度降低，横波速度几乎不变，纵横波速度比有比较明显的降低趋势，纵波阻抗也有幅度较小的降低.这也符合样品测试以及理论规律(周永生，2012).
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图 9 well2井储层流体替换模拟弹性测井剖面 Figure 9 The modeled elastic logs from fluid substitution in the well 2 (blue-wet case，red-oil case，green-gas case) |
以孔隙度为色标做纵波阻抗-纵横波速度比交会图，就可以看到不同孔隙度、不同流体类型储层弹性参数的变化情况，如图 10所示(左图右上角给出了开展流体替代模拟储层段孔隙度的主要分布范围，在2%~11%之间)，左图以流体类型为色标，蓝、红、黄分布代表 100%含水，80%含油和80%含气，在相同条件下储层内流体从含水—含油—含气的变化导致纵横波速度比的持续降低(由1.7降至1.58)，但是纵波阻抗变化不明显(维持在30000~48000 kg/m3·ft/s之间)；图 10右以孔隙度为色标进行显示，可以看出同一种储层流体类型下，孔隙度越大纵波阻抗越小，但是纵横波速度比变化较小；图 10右进一步显示了，当孔隙度较小(＜6%)时，储层中流体类型的改变并不会带来弹性参数的明显变化，只有当孔隙度相对较大时，流体类型才会比较明显的影响纵横波速度比参数.
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图 10 well2井储层流体替换结果纵波阻抗-纵横波速度比交会图 Figure 10 The P impedance vs. Vp/Vs crossplot colored by fluid(left)and by porosity(right)in the well 2 |
图 10所提供的认识结果，对通过地震叠前反演手段预测储层有很好的指示意义：①相同孔隙度条件下，储层含油气性越好，纵横波速度比越小；②相同流体条件下，孔隙度越大，纵波阻抗值和纵横波速度比越低；③当储层孔隙度低于某一个范围(不同地区不同)时，储层流体类型的变化不能通过弹性参数反映出来.
2.2 储层预测刻画弹性解释框架的建立在岩石物理模拟基础之上，明白了北黄海地区中生代储层在岩性、物性、流体性质方面储层弹性参数的变化情况，根据这些结果，可建立北黄海地区地震反演储层刻画的弹性参数范围.一般情况下，为了避免模拟结果的过于“模型化”，采用岩石物理模拟结果的纵横波速度比参数和测井实测的纵波阻抗参数，建立岩性、物性、含油气性的储层刻画范围.图 11中为刻画范围的实际建立结果，横坐标为实测纵波阻抗值，纵坐标为模拟纵横波速度比，数据点为盆地中实际井资料，色标为岩性，黑色范围(纵波阻抗0.96~1.3×107 kg/m3·m/s，纵横波速度比1.62~1.8)为砂岩的刻画范围，红色范围(纵波阻抗0.96~1.25×107 kg/m3·m/s，纵横波速度比1.62~1.76)为高孔含油砂岩刻画范围.
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图 11 北黄海盆地中生代储层刻画参数建立结果 Figure 11 The elastic interpretation framework of the tight sand reservoirin the North Yellow Sea Basin |
根据图 11所建立的储层刻画解释框架，通过叠前地震反演的手段，对北黄海盆地的有利储层进行了预测(图 12)，并将预测结果用于井位部署.图 12为预测结果与已知井的钻井结果对比图，图中剖面为通过图 11参数范围刻画的储层范围，颜色代表孔隙度分布区间，井点处暗红色代表已知钻井的砂岩，对比剖面显示了井点岩性与预测结果有很好的吻合性，说明通过岩石物理模拟所建立的图 11刻画参数是可靠的.
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图 12 地震反演预测储层发育剖面与已知井钻井结果对比图 Figure 12 The characterized reservoir with the 2 drilled wells |
参考储层预测结果进行了新井位的部署，并完成了well5的钻探.图 13为well5井的实钻情况与预测剖面的对比情况，井点岩性很好的验证了预测结果；并且根据预测剖面可以看出，最底部的砂岩最有利，实钻过程中在该套砂岩获得了饱含油、孔隙度8%~10%的实钻结果，与钻井前的预测结果非常吻合.
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图 13 地震反演预测储层发育剖面与后钻井实钻结果对比图 Figure 13 The characterized reservoir proven by a new drilling well |
不论是已知钻井还是新钻井，都说明了叠前反演的解释结果是可靠的，这也就说明岩石物理模拟对解释框架的改进是可靠的.为了消除实测曲线受测量环境和泥浆侵入的影响，恢复储层岩性、物性、含油气性真实的弹性响应特征，提高地震反演解释和预测精度，岩石物理模拟是必不可少的一种手段.小结岩石物理的主要应用方面如下：
(1) 岩石物理模拟可以校正实测曲线中由于测量环境影响导致的弹性曲线异常，恢复岩性、流体、物性等储层特征的弹性响应特征；
(2) 运用岩石物理模拟，建立严谨的储层预测弹性参数范围，为地震反演储层预测提供刻画基础.
(3) 地震反演只有运用合理的参数刻画范围，才能获得较高的预测精度.
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