摘要
針對鄂爾多斯盆地致密儲層CO?驅(qū)替過程中時移地震監(jiān)測可行性問題，以蘇里格地區(qū)的致密含油砂巖儲層為基礎，首先利用考慮壓力變化的Digby模型來進行干巖石體變模量和切變模量的計算。其次，利用 Digby模型結(jié)合 Gassmann方程進行橫波速度和縱波速度預測，及注入CO?后隨壓力變化縱、橫波速度的計算。然后以黃234井的含油儲層測井數(shù)據(jù)為基礎建立兩層介質(zhì)模型。最后，計算注入CO?情況下隨地層壓力和CO?飽和度變化情況下的AVO梯度截距。研究發(fā)現(xiàn)隨著地層注入壓力增大，梯度減小，截距增大；隨著CO?飽和度增加，梯度減小，截距也減小；CO?注入前后的反射系數(shù)差異明顯，致密砂巖油層注入CO?后，其 AVO特性呈現(xiàn)第二類含氣砂巖的特征，可以被二次監(jiān)測地震有效地監(jiān)測出來。
關(guān)鍵詞：CO?驅(qū)油與封存；兩層模型；時移AVO；壓力變化；橫波速度
時移地震監(jiān)測是CO?驅(qū)油和地質(zhì)封存中監(jiān)測CO?分布范圍、確定CO?驅(qū)油波及效率，進而確定地質(zhì)封存安全性的關(guān)鍵技術(shù)。在國際上影響力大的CO?驅(qū)油和封存項目中，加拿大Weyburn-Midale項目（IEA GHG Weyburn-Midale CO? Monitoring and Storage Project）在Phase 1A區(qū)域開展了5次四維三分量地震監(jiān)測，3次四維VSP在Phase1B區(qū)域開展了四維九分量地震監(jiān)測。CO?-EOR中的四維地震監(jiān)測在國際上已經(jīng)有數(shù)十年歷史，是近十年提高采收率較為有效的方法，近期監(jiān)測項目包括美國Denbury公司BellCreek油田的CO?-EOR，沙特阿拉伯的Uthmaniyah CO?-EOR。而對于咸水層CO?地質(zhì)封存項目，如BP石油公司在阿爾及利亞的In Salah、挪威國家石油公司的Sleipner 項目、Snovit項目、加拿大薩省電廠與PTRC 的Aquistore項目、歐盟在德國的Ketzin項目、澳大利亞CO?CRC的Owtay項目、日本CCS公司的苫小牧項目等，全部開展了地面四維地震監(jiān)測。這其中，部分項目還輔助開展了四維VSP監(jiān)測。
雖然時移地震監(jiān)測在國內(nèi)外的很多CO?地質(zhì)封存項目中獲得了成功，但是在低孔低滲油藏的鄂爾多斯盆地，特別是陜西延長石油集團靖邊、吳起區(qū)塊與長慶油田黃3區(qū)塊正在開展CO?驅(qū)油與封存，能否獲得較好的時移地震監(jiān)測效果以及時移地震監(jiān)測差異的物理意義，一直未能深入的進行研究和理解。包括陜西延長石油集團在吳起油田注入CO?過程中開展的三維地震監(jiān)測也未能進行很好的解釋，造成對這一區(qū)域內(nèi)時移地震監(jiān)測部署的質(zhì)疑，和其他地質(zhì)資料無法對CO?注入后的波及范圍、封存效果的證實。
建立低孔低滲油藏科學的時移地震正演模型，是時移地震解釋和反演的基礎。而建立地震正演模型的關(guān)鍵，是準確確定注入CO?前后的彈性參數(shù)，特別是縱、橫波速度是建立時移地震正演模型不可缺少的參數(shù)。而在CO?注入過程中，儲層的溫度、壓力以及流體飽和度都發(fā)生了變化，對橫、縱波速度造成影響，特別是CO?注入過程中和注入后難以實施二次測井而無法獲得儲層參數(shù)信息。因此需要科學地預測不同溫度、壓力和飽和度下低孔低滲儲層的縱、橫波速度，才能建立隨注入時間變化的縱、橫波速度巖石物理模型。
一般來說，在注入CO?前后如果沒有進行過壓裂等儲層改造，兩次地震監(jiān)測中的振幅和旅行時差異主要來自流體飽和度和壓力的雙重影響。這種影響是儲層彈性參數(shù)受流體飽和度與壓力變化所致，如何預測彈性參數(shù)隨CO?飽和度與地層壓力變化，是時移正演模擬的關(guān)鍵。
CO?注入過程中流體替換的計算，采用 Gassmann方程是有效的方法。但是對于縱、橫波速度隨壓力的變化關(guān)系預測，首先需要預測儲層的橫波速度曲線。這是因為在油田的大多數(shù)區(qū)域橫波速度測井資料缺乏，需要首先預測出CO?注入前，或者測井時沒有測的橫波速度測井曲線。然后再考慮如何預測出注入CO?后，儲層孔隙壓力變化情況下的橫波速度曲線。
而彈性參數(shù)隨壓力變化關(guān)系，可以采用巖心測試的統(tǒng)計結(jié)果，但是這種統(tǒng)計結(jié)果受到巖心測試數(shù)量和取心位置的限制，往往不反應儲層的非均質(zhì)性及不同孔隙度巖心隨壓力的變化關(guān)系，缺乏巖石物理理論的支持，不具有普遍性。因此，需要建立更合理的以巖石物理理論為基礎，彈性參數(shù)隨壓力變化的預測方法。
本研究利用考慮壓力變化的Digby模型結(jié)合Gassmann流體替換方程進行CO?注入前后的縱、橫波速度預測，然后以此為基礎建立注入CO?前后的兩層介質(zhì)模型，制作時移AVO梯度截距圖。進而分析注入CO?過程中地層壓力和流體飽和度變化對時移AVO解釋的影響，為時移地震解釋與監(jiān)測提供依據(jù)。
一、研究區(qū)地質(zhì)概況
為模擬CO?注入致密砂巖油藏中地震響應的變化，我們選擇位于鄂爾多斯盆地的蘇里格地區(qū)包含有黃234、黃47、黃220、鹽208四口油井的工區(qū)開展研究。其中，僅有黃47、黃234兩口井有偶極橫波測井資料，且黃234井資料較為完整，其主要含油層段為三疊系上統(tǒng)延長組的長8-1、長8-2段。砂體厚度約為25 m，地層壓力為29.77MPa，上覆壓力為53.77MPa。延長組厚度約110m，主要為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖與灰色細砂巖、泥質(zhì)砂巖不等厚互層，局部夾煤線。
長慶油田在蘇里格地區(qū)進行致密油層勘探開發(fā)中，采集了較為完整的測井資料，包括橫波速度曲線，是進行模擬CO?注入前后儲層參數(shù)變化及地震AVO響應變化的基礎資料。這一地區(qū)也開展了二維地震采集及油氣藏的儲層預測研究，重點是針對致密氣藏的研究，對于致密油儲層的研究和開發(fā)階段的包括CO?驅(qū)油地震監(jiān)測相關(guān)研究還沒有開展。
蘇里格地區(qū)前期的儲層預測研究中，對于常規(guī)橫波速度預測，已有用Xu-White方法建立的橫波速度擬合模型，是用V-R-H法計算礦物的有效體積模量，Wood模型結(jié)合Gassmann方程進行流體替換，計算出新的橫波速度。但是這些橫波速度預測方法，并不考慮儲層開發(fā)過程中壓力變化對速度的影響，即不是針對油田開發(fā)過程中儲層壓力等彈性參數(shù)變化條件下預測。因此這些方法不能用于注入CO?后，儲層橫波速度隨壓力變化的預測，也不能用于進行時移地震正演模型的建立。
二、隨壓力變化速度曲線預測
為預測注入CO?前初始橫波速度并檢驗速度預測的精度，我們采用黃234井的含油層段進行預測，并與實測縱波速度和實測橫波速度進行對比。
Li等給出了以Digby方法為基礎的，考慮壓力變化的干巖石的體變模量、切變模量以及飽和巖石的切變模量計算方法，用于砂巖儲層縱、橫波速度隨壓力變化的預測。這其中將Digby公式中配位數(shù)Cp為常數(shù)的方法，改進為利用改進的縱波約束方法求取配位數(shù)Cp，以便適應不同地區(qū)和不同類型的儲層。
Digby公式表示干巖石的體變模量Kdry和切變模量μdry以及飽和巖石的切變模量Ksat的表達式如下：
其中：Kdry與μdry分別為干巖石的體變模量和切變模量；μma為巖石骨架的切變模量；φ為孔隙度；Cp為配位數(shù)；p為差異壓力，即上覆壓力與孔隙壓力之差；α為變形之前接觸區(qū)域的半徑，mm；b為變形之后接觸區(qū)域的半徑，mm；R為顆粒的半徑，mm；v為某種介質(zhì)的泊松比，比如骨架的泊松比，干巖石的泊松比等；K和μ為介質(zhì)的體變模量和切變模量。
在使預測的縱波速度Vppredicted和實際縱波速度Vpmeasured誤差最小條件下，獲得最佳配位數(shù)Cp。
然后，將從上試計算獲得的最佳配位數(shù)Cp代入公式（1）、（2）和（3），求得對應的干巖石的切變模量Kdry、體變模量μdry和飽和巖石的切變模量Ksat。再將這些彈性參數(shù)代入速度公式，則可以得到預測的橫波速度和縱波速度：
在保持原始壓力和飽和度不變的狀態(tài)下，利用Digby模型結(jié)合Gassmann方程計算出的黃234井橫波速度與實測值對比，平均誤差為2.43%；預測的縱波速度與實測相比誤差為0.6%（圖1）。說明用Digby公式計算的體變模量Kdry和切變模量μdry較為準確，以此計算出的速度誤差較小。同時由于上述方法考慮了壓力和流體飽和度共同的影響，我們將之用于模擬CO?注入過程中壓力變化情況下的時移地震模型建立。
三、壓力和飽和度變化對巖石速度參數(shù)的影響
在模擬CO?注入致密油藏提高石油采收率與地質(zhì)封存的過程中，隨著CO?的高壓注入，地層壓力也會發(fā)生變化，影響干巖石的剪切模量、體積模量和密度發(fā)生變化，因此不僅需要預測注入CO?后橫波速度隨壓力的變化，同時還需要預測縱波速度隨壓力的變化。
在上一節(jié)縱波速度約束下的配位數(shù)Cp計算的基礎上，結(jié)合測井資料獲得的礦物體變模量Kma、礦物切變模量μma、骨架泊松比v，可以分別計算出在不同地層壓力和CO?飽和度下對應的混合流體密度和混合流體體變模量Kfl，再代入公式（1）—（3）得到干巖石的體變模量和切變模量。結(jié)合Gassmann方程（7）、（8），得到對應流體飽和度和壓力狀態(tài)下的縱波速度和橫波速度。
根據(jù)研究區(qū)已有的測井數(shù)據(jù)資料，以黃234井油層段2469.0～2470.9m，2510.5～2 519.4m，2521.8～2530.4m，2536.0～2541.3m為儲層。我們對儲層原始的縱波速度、橫波速度、密度、孔隙度、含氣飽和度、泥質(zhì)含量等測井巖石物理數(shù)據(jù)進行方波化處理，得到表1模型數(shù)據(jù)。
引用表1中的儲層模型數(shù)據(jù)，利用上述速度模型建立方法，對油層進行壓力相同、CO?飽和度變化的流體替換和速度預測。為簡單起見，假定為儲層僅為CO?和油兩相流體，不考慮含水。那么研究區(qū)油井黃234的原始CO?飽和度為0，故取0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%7種飽和度，研究不同飽和度下彈性參數(shù)的變化趨勢，如圖2。從圖中可以看到，隨著CO?飽和度的增加，縱波速度減少約0.05km/s，橫波速度增加約0.0001km/s，基本保持不變。
考慮到研究區(qū)有效壓力（上覆壓力—地層壓力）為24MPa，注入壓力一般應該小于蓋層破裂壓力。所以我們針對不同情況模擬原始地層壓力增加（注入時）或減?。ǔ椴蓵r）5MPa范圍內(nèi)進行變化。每變1MPa分別進行流體替換，計算對應的橫波速度和縱波速度。從圖3可以看出隨地層壓力增加，縱波速度減少約0.23km/s，橫波速度減少約0.15km/s，速度隨地層壓力的改變變化顯著。隨著CO?的注入，必然伴隨壓力的改變，進而影響橫、縱波速度明顯變化，因此對壓力影響的研究在時移地震監(jiān)測中尤為重要。
在實際時移地震監(jiān)測過程中，不同的壓力可以對應抽采和注CO?過程中地下不同的狀態(tài)。如果儲層孔隙壓力低于原始壓力，巖石速度模型可以反映抽采階段地下壓力降低。當進行CO?地質(zhì)封存的過程，即地下地層壓力一般是由于抽采造成低于原始壓力。隨著CO?注入量增加，地層壓力升高至原始地層壓力，再至高于原始地層壓力（圖3）。也可根據(jù)速度模型，模擬不同地層壓力和CO?飽和度時的地下狀態(tài)。
對比CO?飽和度和壓力變化對致密砂巖儲層速度的影響可得（圖2、圖3），壓力是注入階段引起橫波速度變化的主要原因，其主要是通過干巖石的切變模量影響速度變化。因此，在本地區(qū)致密儲層CO?驅(qū)替過程中的時移地震監(jiān)測中，時移地震屬性差異的變化應該主要來自壓力變化的影響。
四、兩層介質(zhì)模型時移AVO分析
由于研究區(qū)儲層較薄，橫向變化大，且為砂泥巖薄層，多層模型 AVO受巖層結(jié)構(gòu)影響比較大，不能較好反映單純儲層注入CO?后的巖石物理性質(zhì)變化。因此我們在這里開展兩層介質(zhì)模型，儲層注入CO?過程中時移AVO變化曲線。我們以黃234井含油儲層和蓋層為基礎建立兩層介質(zhì)模型。對黃234井油層上5m厚度蓋層數(shù)據(jù)進行方波化處理，并假定注入CO?壓力條件下蓋層彈性參數(shù)不變，得到表2。儲層數(shù)據(jù)為根據(jù)表1為基礎的儲層速度模型計算出的不同地層壓力、CO?飽和度狀態(tài)下的縱波、橫波速度和密度。
首先，在原始地層壓力下，取CO?飽和度分別為0%，10%，20%，30%時，含油與含CO?兩相流體，進行AVO分析（圖4）。整體上反射系數(shù)隨著入射角的增大，反射系數(shù)呈降低的趨勢。其中黑色實線為未注入CO?原始狀態(tài)，其他線為流體替換后不同飽和度下的AVO曲線?？梢钥吹剑S著CO?飽和度的增加，反射系數(shù)逐漸減小，并且飽和度越大變化越不明顯。即反射系數(shù)對微小的CO?飽和度很敏感，但是隨CO?飽和度增加，不同飽和度之間反射系數(shù)差異不明顯。這與致密含氣儲層AVO特征極為相似。
其次，控制CO?飽和度為0不變，每隔2MPa改變地層壓力±6MPa，繪制AVO曲線（圖5）。對比飽和度變化和地層壓力變化的AVO曲線，可以看到反射系數(shù)對地層壓力變化更為敏感。
同時，利用Shuey公式計算AVO梯度和截距，建立梯度和截距交繪圖。我們分別取上述4個飽和度和地層壓力±6MPa的縱波速度、橫波速度和密度進行計算，得到的梯度和截距均為負值，符合第Ⅲ類含氣砂巖的類別。這同時也說明了注入地下儲層的超臨界CO?，其地震響應與天然氣特征類似，而第二類含氣砂巖是鄂爾多斯盆地最容易被常規(guī)地震技術(shù)檢測到的含氣儲層。
圖6和圖7是CO?飽和度和壓力分別變化的梯度截距圖，星形是原始儲層狀態(tài)時的梯度和截距?？梢钥闯觯S壓力變化時的AVO梯度和截距變化非常明顯。這說明了致密含油層注入CO?后，與注入前的地震振幅差異隨注入壓力增加而顯著增加，采用時移地震技術(shù)可以很好地監(jiān)測到注入后地震振幅的差異。而振幅的差異變化對于CO?飽和度的依賴不高，主要是地層壓力變化的反映。
五、結(jié)論
1）建立致密砂巖儲層巖石物理模型是時移地震監(jiān)測的基礎。時移地震巖石物理模型的建立，關(guān)鍵在用橫波速度的預測，以及CO?注入后儲層縱、橫波速度隨壓力變化的預測。
2）利用Digby模型結(jié)合Gassmann方程進行橫波速度和縱波速度曲線預測，在以蘇里格地區(qū)黃234油井進行檢驗，驗證了計算體變模量和切變模量方法的高精度。同時，本文方法可以模擬縱、橫波速度曲線隨注入壓力變化的關(guān)系。
3）以黃234井含油儲層及蓋層為基礎建立的兩層介質(zhì)模型，模擬不同地層壓力以及流體飽和度下的縱波和橫波速度變化。揭示了隨CO?注入過程中地層壓力增大或CO?飽和度增大，縱波速度和橫波速度均降低，壓力對地震特征的影響遠大于CO?飽和度的影響。兩層介質(zhì)模型的方法也可以應用于多層介質(zhì)模型及井模型的時移AVO模擬。
4）模擬不同注入壓力與飽和度變化的AVO梯度截距圖，清晰地反映了隨CO?飽和度增加，縱波速度略減小，橫波速度略微增加；隨注入壓力增加，橫、縱波速度均明顯減小，注入CO?后儲層的AVO特性呈現(xiàn)第二類含氣砂巖特征。證明了CO?注入致密儲層后的不同階段，都可以采用時移地震進行有效監(jiān)測。
文章來源：
李丹鷺，李琳，馬勁風，等.CO?驅(qū)油與封存中時移地震監(jiān)測AVO模型研究——以鄂爾多斯盆地低孔低滲儲層為例[J].油氣藏評價與開發(fā)，2019，9（3）:82-88.
第一作者簡介：李丹鷺（1996—），女，在讀碩士研究生，CO?地質(zhì)封存、時移地震、巖石物理模型和 AVO等。E-mail：mslidanlu@163.com。
通訊作者簡介：馬勁風（1965—），男，教授，地球物理勘探與CO?地質(zhì)封存。E-mail：jfma@nwu.edu.cn。
電話：18191851990
