基于高分辨率波形指示反演方法在“甜點”預測中的應用：以四川盆地焦石壩地區(qū)頁巖儲層為例

郭 鵬，苑益軍，劉喜武，張遠銀，吳學敏,6，李 鴻,7

(1.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司 物探測試中心，北京 100024；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國石化 頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 100083；5.國家能源頁巖油研發(fā)中心，北京 100083；6.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075；7.天津市市政工程設計研究總院，天津 300392)

0 引 言

四川盆地具有構造穩(wěn)定、含氣量大、探明儲量多、產氣量高的特點[1-2],但是由于四川盆地經歷了長期的構造演化過程，形成了復雜的構造條件[3-4]。近年來，國內學者在四川盆地頁巖氣研究方面已做了大量的工作，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)成藏機理及其地質條件[5-7]、頁巖氣儲層特征和富集類型的研究[8-9]；(2)對富含頁巖氣地層龍馬溪組地球化學和沉積環(huán)境特征的研究[10-12]；(3)以單井為例從地層特征、有機化學特征和物性特征等方面研究頁巖氣高產富集有利條件[13]；(4)對頁巖氣儲集層的地球物理特征及識別方法的研究[14-15]；(5)對焦石壩地區(qū)頁巖儲層進行常規(guī)稀疏脈沖反演的研究[16-18]。地震反演是充分利用測井、鉆井、地質和地震資料反演得到精確的地下儲層信息，從而為鉆井開發(fā)提供依據(jù)，減少總成本投入[19-20]。在以往研究頁巖儲層反演研究中，是利用常規(guī)疊后稀疏脈沖反演方法進行頁巖儲層反演，但是常規(guī)疊后稀疏脈沖反演方法，由于沒有充分利用高頻成分參與反演計算，所以只能刻畫大段儲層，因此對于像焦石壩龍馬溪組非常薄的優(yōu)質含氣頁巖儲層則很難清晰刻畫。雖然傳統(tǒng)的疊后地質統(tǒng)計學反演方法分辨率高，但是傳統(tǒng)的地質統(tǒng)計學反演方法井間采用變差函數(shù)進行差值計算，對實際的地質想象描述不夠準確；而高分辨率波形指示反演是利用地震波形優(yōu)選地震樣本，指導地質統(tǒng)計學反演，使反演結果在縱向上具有高分辨率的特點，且橫向上符合沉積規(guī)律。因此，開展針對頁巖氣薄層高精度的地震波形指示反演研究具有實際意義。

本文應用基于高分辨率波形指示反演方法刻畫了焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖薄儲層段波阻抗剖面展布及其優(yōu)質頁巖儲層段時間域厚度平面展布情況；進一步應用高分辨率波形指示反演方法模擬了焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖薄儲層段TOC剖面展布，為后期頁巖儲層的精細評價奠定基礎。

1 研究區(qū)域地質特征

焦石壩區(qū)塊位于四川盆地，屬山地-丘陵地貌，地形起伏劇烈，高山溝壑縱橫，地面海拔介于300～1 000 m之間，構造位置處于川東隔擋式褶皺帶內，處于石柱復向斜、方斗山復背斜和萬向復向斜等多個構造單元的結合部位。西側以華鎣山深大斷裂為界與川中構造區(qū)相接，東側以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，北側與秦嶺褶皺帶相接[21]，區(qū)域構造特征非常復雜(圖1)。

圖1 研究區(qū)構造劃分圖Fig.1 Structural unit division of the study area

研究區(qū)發(fā)育上三疊統(tǒng)嘉陵江組—上奧陶統(tǒng)五峰組，區(qū)域上缺失泥盆系，局部地區(qū)缺失石炭系。五峰組—龍馬溪組地層三分性特征明顯，下部為暗色碳質、硅質泥頁巖段(主力含氣層段)，中部為濁積砂巖段，上部為含粉砂質泥巖段。

勘探結果及巖心取樣表明，焦石壩地區(qū)下部五峰組—龍馬溪組一段為主力含氣層段，且一期試采成功，因此針對該地區(qū)進行高精度儲層預測，對研究五峰組—龍馬溪組一段超薄優(yōu)質頁巖具有實際意義。

2 基于高分辨率波形指示反演原理

高分辨率波形指示反演方法是基于地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機模擬算法[22]，基本步驟如下：

(1)參照空間分布距離和地震波形相似性兩個因素對所有井按關聯(lián)度排序，從三維地震數(shù)據(jù)體中的所有預測點優(yōu)選關聯(lián)度高的井，把井點的值作為預測點的初始值，建立初始模型，并統(tǒng)計井的縱波阻抗作為先驗信息。

(2)將初始模型與地震頻帶阻抗進行匹配濾波，計算得到似然函數(shù)。在貝葉斯框架下聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗分布得到后驗概率分布，然后構造一個與所求后驗分布相同的馬爾科夫鏈，并將其作為目標函數(shù)，不斷擾動模型參數(shù)，將馬爾科夫鏈平穩(wěn)時的解作為三維地震數(shù)據(jù)體預測點波阻抗的有效樣本隨機序列，基于波形優(yōu)選波阻抗的樣本序列為{θ0，θ1，…,θn}。

(3)通過用蒙特卡洛模擬的方法，對優(yōu)選的波阻抗樣本目標函數(shù)f(θ) 數(shù)學期望進行無偏最優(yōu)估計，如下式[22]：

(1)

(a)標準化前；(b)標準化后圖3 目標層層段DT測井曲線直方分布圖Fig.3 DT well logging curves of target layers

三維地震數(shù)據(jù)體是分布密集的空間結構化數(shù)據(jù)，能反映沉積環(huán)境和巖性組合的空間變化，經過上述三個步驟的計算，保證反演結果在空間上體現(xiàn)地震相的約束，平面上符合沉積規(guī)律。

圖2 高分辨率地震波形指示反演流程圖Fig.2 Flowchart of the inversion method based on high-resolution waveform

地震波形指示反演流程如圖2所示。

3 關鍵技術

在應用高分辨率波形指示反演方法進行儲層預測過程中，測井曲線標準化、子波選取以及波形指示反演參數(shù)的選取是做好地震波形指示反演的關鍵技術，具體描述如下。

3.1 測井曲線標準化

油田勘探開發(fā)過程中，難以保證所有獲得的測井數(shù)據(jù)都采用相同的儀器和統(tǒng)一的刻度標準，因而不同井的相同測井曲線取值范圍不一致。為了正確反映地層信息，必須對測井資料進行標準化處理[23]。

標準化過程的關鍵是標準井的選取，研究區(qū)域井資料顯示，目標層段主要為暗色碳質、硅質泥頁巖和粉砂質泥巖。井的目標層沉積穩(wěn)定，成層分明，其中JY4井曲線在目標層內數(shù)值集中，所以選擇JY4井為標準井，圖3為標準化前后目標層段DT測井曲線直方圖。

圖4 雷克子波(紅線)和振幅譜估計地震子波(綠線)及相應的振幅相位譜Fig.4 Ricker wavelet (red line) and amplitude spectrum estimating wavelet(green line) (a),and the corresponding amplitude spectrum (b)and phase spectrum(c)

圖5 JY1井合成地震記錄標定Fig.5 Calibrating synthetic seismograms of well JY1

由圖3可以看出標準化前井的數(shù)值分布差異大，而標準化后數(shù)值分布更加接近，一致性更強，從而避免由于不同井的相同井曲線的刻度不一致而影響最終反演結果。

3.2 地震子波選取

子波提取是影響高分辨率波形指示反演結果好壞的重要因素之一，在合成記錄標定過程中，對井旁道目的層段地震記錄進行頻譜分析，采用振幅譜法對地震子波進行估計，使地震子波的振幅譜和相位譜盡可能地接近井旁道地震記錄的振幅譜和相位譜。圖4為雷克子波與振幅譜估計地震子波；圖5為JY1井雷克子波和振幅譜估計地震子波合成的地震記錄。

對比圖5(a)和圖5(b)兩張地震記錄可以發(fā)現(xiàn)，應用振幅譜估計地震子波合成地震記錄的波形、振幅和相位更接近井旁道實際地震記錄波形、振幅和相位。

3.3 地震波形指示反演參數(shù)確定

在地震波形指示反演中，最重要的兩個參數(shù)是(1)式中馬爾科夫鏈平穩(wěn)時的有效樣本數(shù)m和高頻截止頻率f。通過統(tǒng)計分析“樣本數(shù)”和“地震波形相關性”，得出地震波形相關性隨著樣本數(shù)的增加逐漸增大，達到一定程度后地震波形相關性不再隨著樣本數(shù)的增加而增加，表明繼續(xù)增加樣本數(shù)，地震數(shù)據(jù)體預測點的精度不再提高，地震波形相關性最大時的樣本數(shù)就是最佳樣本參數(shù)。圖6(a)示出了研究區(qū)井點地震波形相關性和樣本數(shù)統(tǒng)計結果。由圖6可知，在樣本數(shù)為4時，地震波形相關性達到平穩(wěn)且最大，

由此可知，樣本數(shù)為4時可使馬爾科夫鏈趨于平穩(wěn)。圖6(b)為地震波形相關指數(shù)和高頻截止頻率統(tǒng)計圖，由圖可見隨著高頻截止頻率增高，地震波形相關指數(shù)減小，頻率越高反演結果不確定性增大。經過多次測試統(tǒng)計計算，對不參與反演計算井的實測波阻抗曲線與反演計算的波阻抗曲線的一致性進行對比分析得出，當高頻截止頻率為180 Hz時，反演效果最好。

4 反演結果分析

測井資料統(tǒng)計結果表明，在研究區(qū)主力含氣層段五峰組—龍馬溪組一段平均密度、平均速度較低，上覆地層龍馬溪組二段為含碳質粉砂質泥巖，與主力含氣層段相比具有較高的平均波阻抗，其下伏地層為澗草溝組灰?guī)r，與主力含氣層相比，也具有較高的波阻抗，因此主力含氣層與其上覆和下伏地層都具有波阻抗差異。井資料顯示主力含氣層厚度均在40 m左右,由于研究區(qū)域具有儲層薄的特點，因此對該區(qū)采用高分辨率波形指示反演方法進行儲層預測研究。由圖7(b)所示的JY4-JY2-JY1波形指示反演波阻抗連井剖面可以看出，龍馬溪組一段和二段波阻抗高低分明，在進行波阻抗反演時，JY2井不參與反演，但用于檢驗反演結果的正確性，分析連井剖面JY2井點反演的波阻抗與井點實測波阻抗曲線誤差在10%以內(如表1)。對比圖7(a)常規(guī)稀疏脈沖反演波阻抗連井剖面和圖7(b)波形指示反演波阻抗連井剖面可以看出，波形指示反演結果的精度高于常規(guī)稀疏脈沖反演結果，因此波形指示反演方法能更精細地刻畫薄目的層。

圖8為龍馬溪組優(yōu)質頁巖儲層段時間域厚度平面展布圖。對比圖8(a)和圖8(b)可知，常規(guī)稀疏脈沖反演方法，將焦石壩箱狀構造JY4井區(qū)優(yōu)質頁巖刻畫為基本等厚，而波形指示反演方法則能清晰而精細地刻畫焦石壩箱狀構造JY4井區(qū)優(yōu)質頁巖的厚度。

表1JY2井主力含氣層段實測波阻抗與兩種反演計算波阻抗對比
Table1Contrastofacousticimpedancesbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度樣點值/m實測波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常規(guī)反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常規(guī)反演誤差/%波形反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)波形反演誤差/%2537 9511494174 4813513782 0017 5712485790 008 602541 6511013490 0013814083 0025 4312513278 0013 602545 3311475347 6713126753 0014 3912352851 007 602549 0011428322 0013290409 0016 2912485271 009 202552 7210969722 5212988544 0018 4012460216 009 902556 4610982703 1912358092 0012 5211755519 007 002560 199960443 3411826206 0018 7311009310 0010 502563 949867279 6511254747 0014 0610393384 005 302567 689898929 5510920702 0010 3210123952 002 302571 9110084882 5411201455 0011 079993544 000 902576 3411441558 9712610823 0010 2212017413 005 002580 9614610354 0513142703 0010 0514481682 000 80

頁巖氣的富集需要豐富的烴源物質基礎，要求生烴有機質含量達到一定標準，富含有機碳的黑色泥頁巖通常是頁巖氣成藏的儲層。有機碳含量(TOC)可表征頁巖氣含氣量大小，頁巖氣含量與有機碳含量(TOC)之間存在正相關關系[24]。因此，研究有機碳(TOC)含量的分布對于本區(qū)的“甜點”預測具有明確的意義。

圖9為JY4-JY2-JY1有機碳含量(TOC)連井剖面。其中，在進行有機碳(TOC)計算時，JY2井不參與計算，但用于檢驗反演結果的正確性，由波形指示反演獲得的JY2井點處有機碳含量(TOC)與實際井點處有機碳含量曲線誤差基本在10%以內(表2)。連井剖面顯示，波形指示反演方法不僅清晰地刻畫了大套儲層之間的有機碳含量(TOC),對于主力含氣層的內部薄的分層也能清晰刻畫，整個剖面成層性分明，為后期精確研究主力含氣層內部小薄層的有機碳含量(TOC)提供依據(jù)。

表2JY2井主力含氣層段的實測TOC與反演計算TOC對比
Table2ContrastofTOCbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度樣點值/m實測TOC值/%波形反演TOC值/%誤差/%2537 952 712 875 902541 653 133 191 902545 332 642 837 102549 002 562 406 302552 722 892 812 802556 463 323 495 102560 193 663 630 802563 943 963 911 202567 683 834 2210 202571 913 683 1514 402576 340 310 310 002580 960 660 717 60

(a)常規(guī)稀疏脈沖反演；(b)波形指示反演圖7 JY4-JY2-JY1波阻抗反演連井剖面Fig.7 Acoustic impedance profiles crossing wells of JY4,JY2 and JY1

(a)常規(guī)稀疏脈沖反演；(b) 波形指示反演圖8 焦石壩地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質頁巖儲層段時間域厚度平面展布圖Fig.8 Distribution plane maps of shale thickness of Longmaxi Formation in Jiaoshiba in the time domain

圖9 JY4-JY2-JY1有機碳含量(TOC)連井剖面Fig.9 TOC content profile crossing wells of JY4,JY2 and JY1

5 結 論

(1)在焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖薄儲層研究中，應用高分辨率波形指示反演方法刻畫薄儲層的能力比常規(guī)稀疏脈沖反演方法刻畫薄儲層的能力高；相比傳統(tǒng)的地質統(tǒng)計學反演方法，高分辨率波形指示反演方法通過波形優(yōu)選樣本，保證反演結果在空間上體現(xiàn)地震相的約束，平面上符合沉積規(guī)律。

(2)針對焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖薄儲層段，應用高分辨率波形指示反演方法，計算了主力含氣層的波阻抗以及模擬了主力含氣層的TOC，清晰地刻畫了焦石壩箱狀構造中有利目標區(qū)，為后期進一步“甜點”評價指明方向。

致謝：北京恒利華石油技術研究所提供技術支持，中國石化石油勘探開發(fā)研究院提供研究區(qū)數(shù)據(jù)，謹致謝忱！

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