摘要
針對鄂爾多斯盆地致密儲層CO?驅替過程中時移地震監測可行性問題，以蘇里格地區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據為基礎建立兩層介質模型。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。研究發現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差異明顯，致密砂巖油層注入CO?后，其 AVO特性呈現第二類含氣砂巖的特征，可以被二次監測地震有效地監測出來。
關鍵詞：CO?驅油與封存；兩層模型；時移AVO；壓力變化；橫波速度
時移地震監測是CO?驅油和地質封存中監測CO?分布范圍、確定CO?驅油波及效率，進而確定地質封存安全性的關鍵技術。在國際上影響力大的CO?驅油和封存項目中，加拿大Weyburn-Midale項目（IEA GHG Weyburn-Midale CO? Monitoring and Storage Project）在Phase 1A區域開展了5次四維三分量地震監測，3次四維VSP在Phase1B區域開展了四維九分量地震監測。CO?-EOR中的四維地震監測在國際上已經有數十年歷史，是近十年提高采收率較為有效的方法，近期監測項目包括美國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測。這其中，部分項目還輔助開展了四維VSP監測。
雖然時移地震監測在國內外的很多CO?地質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、吳起區塊與長慶油田黃3區塊正在開展CO?驅油與封存，能否獲得較好的時移地震監測效果以及時移地震監測差異的物理意義，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測也未能進行很好的解釋，造成對這一區域內時移地震監測部署的質疑，和其他地質資料無法對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鍵，是準確確定注入CO?前后的彈性參數，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。而在CO?注入過程中，儲層的溫度、壓力以及流體飽和度都發生了變化，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受流體飽和度與壓力變化所致，如何預測彈性參數隨CO?飽和度與地層壓力變化，是時移正演模擬的關鍵。
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區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。
而彈性參數隨壓力變化關系，可以采用巖心測試的統計結果，但是這種統計結果受到巖心測試數量和取心位置的限制，往往不反應儲層的非均質性及不同孔隙度巖心隨壓力的變化關系，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測提供依據。
一、研究區地質概況
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包含有黃234、黃47、黃220、鹽208四口油井的工區開展研究。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、砂質泥巖、碳質泥巖與灰色細砂巖、泥質砂巖不等厚互層，局部夾煤線。
長慶油田在蘇里格地區進行致密油層勘探開發中，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?注入前后儲層參數變化及地震AVO響應變化的基礎資料。這一地區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階段的包括CO?驅油地震監測相關研究還沒有開展。
蘇里格地區前期的儲層預測研究中，對于常規橫波速度預測，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，并不考慮儲層開發過程中壓力變化對速度的影響，即不是針對油田開發過程中儲層壓力等彈性參數變化條件下預測。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Cp為常數的方法，改進為利用改進的縱波約束方法求取配位數Cp，以便適應不同地區和不同類型的儲層。
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；p為差異壓力，即上覆壓力與孔隙壓力之差；α為變形之前接觸區域的半徑，mm；b為變形之后接觸區域的半徑，mm；R為顆粒的半徑，mm；v為某種介質的泊松比，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Cp。
然后，將從上試計算獲得的最佳配位數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下，利用Digby模型結合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的影響
在模擬CO?注入致密油藏提高石油采收率與地質封存的過程中，隨著CO?的高壓注入，地層壓力也會發生變化，影響干巖石的剪切模量、體積模量和密度發生變化，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。
在上一節縱波速度約束下的配位數Cp計算的基礎上，結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。結合Gassmann方程（7）、（8），得到對應流體飽和度和壓力狀態下的縱波速度和橫波速度。
根據研究區已有的測井數據資料，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、泥質含量等測井巖石物理數據進行方波化處理，得到表1模型數據。
引用表1中的儲層模型數據，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）或減小（抽采時）5MPa范圍內進行變化。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測中尤為重要。
在實際時移地震監測過程中，不同的壓力可以對應抽采和注CO?過程中地下不同的狀態。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）。也可根據速度模型，模擬不同地層壓力和CO?飽和度時的地下狀態。
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，在本地區致密儲層CO?驅替過程中的時移地震監測中，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、兩層介質模型時移AVO分析
由于研究區儲層較薄，橫向變化大，且為砂泥巖薄層，多層模型 AVO受巖層結構影響比較大，不能較好反映單純儲層注入CO?后的巖石物理性質變化。因此我們在這里開展兩層介質模型，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模型。對黃234井油層上5m厚度蓋層數據進行方波化處理，并假定注入CO?壓力條件下蓋層彈性參數不變，得到表2。儲層數據為根據表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）。整體上反射系數隨著入射角的增大，反射系數呈降低的趨勢。其中黑色實線為未注入CO?原始狀態，其他線為流體替換后不同飽和度下的AVO曲線。可以看到，隨著CO?飽和度的增加，反射系數逐漸減小，并且飽和度越大變化越不明顯。即反射系數對微小的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地震技術檢測到的含氣儲層。
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時的梯度和截距。可以看出，隨壓力變化時的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，采用時移地震技術可以很好地監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、結論
1）建立致密砂巖儲層巖石物理模型是時移地震監測的基礎。時移地震巖石物理模型的建立，關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系。
3）以黃234井含油儲層及蓋層為基礎建立的兩層介質模型，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。兩層介質模型的方法也可以應用于多層介質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測。
文章來源：
李丹鷺，李琳，馬勁風，等.CO?驅油與封存中時移地震監測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，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?地質封存。E-mail：jfma@nwu.edu.cn。
電話：18191851990
