基于地震波形指示反演的砂礫巖儲層預(yù)測
——以中拐—瑪南地區(qū)上烏爾禾組為例

李亞哲，王力寶，郭華軍，單 祥，鄒志文，竇 洋

（中國石油杭州地質(zhì)研究院，杭州310023）

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷中拐—瑪南地區(qū)二疊系上烏爾禾組為近源粗碎屑砂礫巖沉積［1］，油氣顯示活躍。勘探初期由于資料不足和地質(zhì)認(rèn)識不清，以構(gòu)造圈閉的思路來部署勘探井位，鉆探成功率不高，難以發(fā)現(xiàn)規(guī)模油氣藏，致使上烏爾禾組的勘探工作停滯不前。近年來，隨著油氣勘探理論和技術(shù)的發(fā)展，上烏爾禾組油氣勘探逐漸進(jìn)入巖性油氣藏勘探階段，并取得了一系列大的突破，特別是瑪湖8、瑪湖013等井的高產(chǎn)，預(yù)示上烏爾禾組具備大面積成藏的可能，百里油區(qū)已逐漸成型［2-3］。

瑪湖凹陷中拐—瑪南地區(qū)上烏爾禾組儲層為扇三角洲前緣亞相砂礫巖。陸源沉積物供給充足，沉積環(huán)境較穩(wěn)定，扇三角洲前緣亞相分布面積大［4］。湖相泥巖和致密砂礫巖為側(cè)向、頂?shù)装逭趽鯇?，巖性圈閉的形成條件優(yōu)越［5-6］。如何利用地震資料識別巖性圈閉和定量預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層分布是砂礫巖儲層研究的難點，不少學(xué)者利用地震屬性、地震反演等方法做過深入的研究，但是這些預(yù)測方法有各自的優(yōu)缺點和適用條件，而砂礫巖沉積橫向變化快，地震屬性難以確定分析時窗導(dǎo)致提取的屬性發(fā)生穿時現(xiàn)象，由于存在平均效應(yīng)的影響，地震噪聲會造成較多的假象，導(dǎo)致屬性分析的結(jié)果與實際地質(zhì)情況不符［7-9］。

地震反演是目前主要的儲層預(yù)測方法，主流為褶積模型反演和基于波動理論的波動方程反演，這2種反演方法都是利用測井資料插值獲得低頻信息或者通過地震疊加速度譜轉(zhuǎn)換獲得低頻趨勢，結(jié)合地震資料的中頻信息和井插值的高頻信息聯(lián)合反演，雖然理論基礎(chǔ)不同，但是井間插值在其中都顯得尤為重要［10］。常用的井間插值方法有2種，一種是確定性插值模型，采用反距離加權(quán)、自然鄰域、徑向基函數(shù)和克里金等方法，其井間插值結(jié)果是確定的，但僅適用于沉積環(huán)境穩(wěn)定的儲層，難以建立復(fù)雜的地質(zhì)模型；另一種是統(tǒng)計學(xué)隨機(jī)模擬，根據(jù)統(tǒng)計變差函數(shù)空間變異程度，來優(yōu)選相關(guān)樣本對井間儲層變量進(jìn)行估計，并給出概率統(tǒng)計結(jié)果［11-13］，該方法垂向分辨率高，橫向分辨率較低，而且隨機(jī)性較強(qiáng)，對井點分布均勻性要求較高。上述2種井間插值方法存在的主要問題是估計高頻成分單純依賴測井，沒有充分利用地震信息。

地震波形指示反演是新興的地震儲層預(yù)測方法，該方法井間插值時對井點是否均勻分布不作要求，并且充分結(jié)合地震波形的橫向變化開展高頻成分估計，建立的插值模型更符合地質(zhì)沉積特征。杜偉維等［14］利用地震波形指示反演方法在薄砂巖儲層預(yù)測中取得了很好的應(yīng)用效果，但是在砂礫巖儲層的預(yù)測中還沒有應(yīng)用實例［15-17］。利用測井曲線建立砂礫巖的泥質(zhì)含量曲線，通過地震波形指示反演來預(yù)測砂礫巖含泥和富泥的分布，以期預(yù)測上烏爾禾組砂礫巖優(yōu)質(zhì)儲層的分布范圍，并為井位部署和儲量提交提供依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造及沉積特征

中拐—瑪南地區(qū)構(gòu)造位置處于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，其東北部為克百斷裂帶，南部為中拐凸起，東部為瑪湖凹陷、盆1井西凹陷和達(dá)巴松凸起（圖1）?；颈憩F(xiàn)為南東傾的單斜，局部發(fā)育寬緩平臺和鼻狀構(gòu)造，斷裂較少［18-20］。研究區(qū)內(nèi)自下而上鉆遇石炭系，二疊系佳木河組、風(fēng)城組、夏子街組、下烏爾禾組和上烏爾禾組，三疊系百口泉組、克拉瑪依組和白堿灘組，侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組和白堊系。各層系之間為不整合接觸。目的層二疊系上烏爾禾組以近物源粗碎屑扇三角洲砂礫巖沉積為主，平面上可劃分為扇三角洲平原、扇三角洲前緣和濱淺湖3個亞相。自下而上可細(xì)分為 3 段，烏一段（P3w1）、烏二段（P3w2）和烏三段（P3w3），烏一段厚約 80～120 m，烏二段厚約 60～100 m，烏三段厚約30～80 m，由西北向東南沉積厚度逐漸增大。區(qū)域沉積研究表明，中拐—瑪南地區(qū)上烏爾禾組為湖進(jìn)沉積體系域，砂體為退積疊置式發(fā)育樣式［21-23］，主要儲層為扇三角洲前緣亞相水下分流河道灰色、灰綠色砂礫巖（圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置和上烏爾禾組地層綜合柱狀圖Fig.1 Structural location of the study area and comprehensive stratigraphic column of Upper Urho Formation

2 泥質(zhì)含量是砂礫巖儲集性能的主要影響因素

將準(zhǔn)噶爾盆地中拐—瑪南地區(qū)23口井、44個樣品點的泥質(zhì)含量與孔隙度、滲透率分別交會擬合（圖2），參考提交儲量數(shù)據(jù)，將泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于7%定義為含泥砂礫巖，大于7% 定義為富泥砂礫巖，當(dāng)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)從7%降到3%，滲透率從0.55 mD升到9 mD，孔隙度從6% 升到8.7%，由此可知，上烏爾禾組儲層滲透率對泥質(zhì)含量的變化更為敏感，當(dāng)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)大于7% 時，滲透率小于0.55 mD，高泥質(zhì)含量使喉道分割成微細(xì)喉道，平均孔喉半徑減小，束縛水增多，滲流能力明顯降低，從而阻滯油氣滲流，儲層產(chǎn)能很低，基本屬于低效或者無效儲層。當(dāng)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于7% 時，滲透率大于0.55 mD，孔隙結(jié)構(gòu)好，儲層產(chǎn)能高，為優(yōu)質(zhì)高效儲層。因此，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)7%可以作為區(qū)分有效儲層與非有效儲層的界限。

圖2 中拐—瑪南地區(qū)P3w孔隙度及滲透率與泥質(zhì)含量相關(guān)圖Fig.2 Relationships of argillaceous content with porosity and permeability of P3w in Zhongguai-Manan area

3 泥質(zhì)含量評價因子的確定及計算

通過對準(zhǔn)噶爾盆地中拐—瑪南地區(qū)砂礫巖儲層不同測井曲線的響應(yīng)特征分析，并與巖心泥質(zhì)含量分析數(shù)據(jù)和鏡下薄片鑒定泥質(zhì)含量對比，發(fā)現(xiàn)砂礫巖儲層泥質(zhì)含量與歸一化后的中子測井曲線和聲波時差測井曲線的幅度差相關(guān)性較強(qiáng)：幅度差大，泥質(zhì)含量高；幅度差小，泥質(zhì)含量低。分析認(rèn)為中子測井曲線反映的是巖石的含氫指數(shù)，泥質(zhì)孔隙中飽含束縛水，黏土礦物也含有結(jié)晶水，泥質(zhì)含量高，含氫指數(shù)就高，中子測井響應(yīng)明顯［24］；聲波時差測井曲線與巖石礦物和流體組分有關(guān)，遇孔隙衰減明顯［25］。對2條曲線進(jìn)行去量綱歸一化處理，然后計算出泥質(zhì)含量評價因子。

中子曲線歸一化計算公式為：

聲波曲線歸一化計算公式為：

泥質(zhì)含量評價因子計算公式為：

式中：CNL為儲層補(bǔ)償中子孔隙度測井值，%；AC為聲波時差測井值，μs/m；CNLn與ACn分別表示去量綱歸一化后的中子孔隙度值與聲波時差測井值；Nsh為泥質(zhì)含量評價因子。

圖3 上烏爾禾組泥質(zhì)含量與泥質(zhì)含量參數(shù)交會圖Fig.3 Cross plot of argillaceous content and argillaceous content parameters of Upper Urho Formation

圖4 K82井泥質(zhì)含量計算曲線圖Fig.4 Curves of argillaceous content of well K82

在式（3）的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)巖心泥質(zhì)含量實驗數(shù)據(jù)和薄片觀察泥質(zhì)含量數(shù)據(jù)，擬合出泥質(zhì)含量與泥質(zhì)含量評價因子之間的關(guān)系，進(jìn)而確定泥質(zhì)含量的計算模型（圖3），圖中縱坐標(biāo)為薄片觀察得出的泥質(zhì)含量，橫坐標(biāo)為該薄片取樣深度的泥質(zhì)含量評價因子。最終得出泥質(zhì)含量計算公式為

利用式（4），計算出研究區(qū)內(nèi)26口探井及評價井的泥質(zhì)含量曲線，通過校驗井K82井泥質(zhì)含量曲線與薄片鑒定數(shù)據(jù)對比來看（圖4）井深，井深3 284 m處樣品處薄片鑒定泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為6%，泥質(zhì)含量計算曲線數(shù)值為5.67%；井深3 335 m處樣品薄片鑒定泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為3%，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)計算曲線數(shù)值為3.17%，相對誤差控制在5.5%以內(nèi)，因此計算出的泥質(zhì)含量曲線可以用于后期地震波形指示反演。

4 地震波形指示反演

4.1 原理及可行性分析

地震波形指示反演是在經(jīng)典的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演基礎(chǔ)上發(fā)展起來的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)地震反演方法。其基本原理為：地震波形的橫向變化反映了巖性組合結(jié)構(gòu)的變化，而巖性組合結(jié)構(gòu)的變化指示了沉積環(huán)境的變化，因此可以充分利用地震波形的橫向變化開展地層高頻層序估計，用地震波形的變化來取代變差函數(shù)模型。

前人對本區(qū)砂礫巖儲層預(yù)測多以波阻抗反演為主，這種方法只能區(qū)分砂礫巖和泥巖，但并不是所有的砂礫巖都是優(yōu)質(zhì)儲層。綜合前面的儲層研究，認(rèn)為可以利用泥質(zhì)含量這一參數(shù)來區(qū)分出砂礫巖中的優(yōu)質(zhì)儲層。要讓泥質(zhì)含量與地震結(jié)合起來，主要是通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演，而傳統(tǒng)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演方法是利用空間域變差函數(shù)來模擬地層空間域變化，對地層空間域變化程度的模擬有限，無法體現(xiàn)沉積相的變化特征，而且對井點分布均勻程度要求比較嚴(yán)苛，限制了該方法的應(yīng)用領(lǐng)域。

地震波形指示反演基于沉積學(xué)原理，利用地震波形的橫向連續(xù)變化來反映地層的橫向變化特征，進(jìn)而分析地層垂向巖性組合結(jié)構(gòu)特征，而泥質(zhì)含量與相帶巖性組合密切相關(guān)，因此可以利用地震波形的變化來間接地反映泥質(zhì)含量的變化。在反演過程中，讓測井地質(zhì)信息與地震波形信息匹配，利用地震信息的橫向約束，減少了反演的不確定性和多解性，是一種井震結(jié)合的地震反演方法。該方法使反演結(jié)果從完全隨機(jī)到逐步確定，同時對井位分布的均勻性沒有嚴(yán)格要求，大大提高了儲層反演結(jié)果的精確度和應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2 實現(xiàn)流程

地震波形指示反演的實現(xiàn)主要分為以下3個關(guān)鍵步驟：

（1）依照地震波形對已有井分析，優(yōu)選與井旁道波形關(guān)聯(lián)度高的井創(chuàng)建初始模型，統(tǒng)計其波阻抗信息作為先驗信息。

（2）利用初始模型與地震頻帶阻抗匹配濾波，計算得到似然函數(shù)。井旁地震道相似的井其沉積環(huán)境基本上也是相似的，雖然高頻成分由于沉積微相的不同而產(chǎn)生差異，但其低頻成分是具有共性的，這樣可以拓展反演結(jié)果的低頻截止頻率，并且限制了高頻的截止范圍，可提高反演的確定性。

（3）在貝葉斯理論下聯(lián)合似然函數(shù)和先驗概率分布得到后驗概率分布函數(shù)，將其作為目標(biāo)函數(shù)，然后不斷改變模型參數(shù)使后驗概率分布函數(shù)最大時的解作為可行的隨機(jī)期望，最后取多次有效期望的平均值作為期望值輸出（圖5）。

圖5 地震波形指示反演基本流程Fig.5 Flow chart of seismic waveform indicative inversion

4.3 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

（1）計算泥質(zhì)含量曲線

利用上烏爾禾組有薄片泥質(zhì)含量鑒定的井，結(jié)合中子測井和聲波時差測井計算出泥質(zhì)含量曲線，沒有薄片泥質(zhì)含量鑒定的井，通過有薄片鑒定的井計算出擬合參數(shù)，生成泥質(zhì)含量曲線。

（2）地震波形特征分析

根據(jù)反演井所處的沉積特征，分析不同沉積相帶巖性組合的波形特征：①扇三角洲平原亞相以厚層狀砂礫巖為主，夾薄層狀泥巖，地震波形反射特征為頂界面中強(qiáng)振幅、高頻特征，底界面為中低頻、中弱振幅，中間為低頻弱反射；②扇三角洲前緣亞相多以互層狀砂礫巖、泥巖為主，地震反射波形特征為頂界強(qiáng)反射，底界中強(qiáng)反射，反射界面之間為中低頻弱反射；③扇間為薄互層狀泥巖、砂巖、含礫砂巖，地震波形反射特征為中強(qiáng)振幅，中低頻，復(fù)波特征（圖 6）。

圖6 中拐—瑪南地區(qū)上烏爾禾組沉積特征及地震波形特征Fig.6 Sedimentary characteristics and seismic wave characteristics of Upper Urho Formation in Zhongguai-Manan area

（3）頻率參數(shù)設(shè)置

頻率參數(shù)是地震波形反演的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響反演結(jié)果的分辨率。地震資料有效頻率主要集中在中頻部分，測井曲線為寬頻信息，能夠提供全頻帶信息。在地震波形指示反演中，中頻信息來自地震資料，低頻成分從測井資料中得出，而高頻成分是在地震波形指示反演中隨機(jī)模擬的結(jié)果，最終合并形成地震波形指示反演體。

4.4 結(jié)果分析

利用泥質(zhì)含量曲線經(jīng)過地震波形指示反演得到泥質(zhì)含量反演數(shù)據(jù)體，圖7為過K304井的泥質(zhì)含量反演剖面，含泥砂礫巖位于上烏爾禾組中下部，上部主要為富含泥質(zhì)的砂礫巖及泥巖，橫向上泥質(zhì)含量變化自然，通過與鏡下薄片鑒定數(shù)據(jù)對比，井深3 600 m處樣品鏡下鑒定泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為7%，反演結(jié)果為7.2%；井深3 668 m處樣品鏡下鑒定泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為4%，反演結(jié)果為4.15%。從對比結(jié)果來看，泥質(zhì)含量反演數(shù)據(jù)真實可靠。

圖7 過K304井泥質(zhì)含量反演剖面Fig.7 Inversion section of argillaceous content across well K304

從泥質(zhì)含量地震反演連井剖面可以看出井與井之間對比關(guān)系好（圖8），通過驗證井K009井泥質(zhì)含量曲線與反演的泥質(zhì)含量剖面對比，結(jié)果吻合率高。砂礫巖泥質(zhì)含量邊界清晰，井間泥質(zhì)含量變化自然，上烏爾禾組一段和二段泥質(zhì)含量較低，上烏爾禾組三段泥質(zhì)含量較高，符合研究區(qū)的地質(zhì)特點，地震反演泥質(zhì)含量分辨率也較高。利用地震波形指示反演泥質(zhì)含量提高了地震識別優(yōu)質(zhì)儲層的精度和可靠性。

圖8 泥質(zhì)含量反演連井剖面圖Fig.8 Well-tie inversion section of argillaceous content

圖9 中拐—瑪南地區(qū)上烏爾禾組儲層預(yù)測平面圖A.80.9 km2；B.55.8 km2；C.68.9 km2；D.96.3 km2；E.41.9 km2；F.106.2 km2Fig.9 Reservoir prediction of Upper Urho Formation in Zhongguai-Manan area

綜合以上認(rèn)識，利用砂礫巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)7%的門檻值對平面泥質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得出上烏爾禾組有利儲層的分布范圍（圖9）。通過位于扇三角洲前緣水下分流間灣的驗證井（MH8井）與扇三角洲前緣水下分流河道的驗證井（MH5井）泥質(zhì)含量與平面泥質(zhì)含量預(yù)測結(jié)果對比，反演結(jié)果與沉積認(rèn)識以及已鉆井泥質(zhì)含量一致性高，反演結(jié)果吻合率達(dá)85%以上，最終確定上烏爾禾組有利勘探區(qū)6個，總面積為450 km2，為后期井位部署和儲量提交提供了有力支撐。

5 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷中拐—瑪南地區(qū)砂礫巖儲層的泥質(zhì)含量變化對滲透率有很大的影響，上烏爾禾組砂礫巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)從7% 降到3%，滲透率從0.55 mD升到9 mD，泥質(zhì)含量與滲透率之間呈指數(shù)關(guān)系，而滲透率是儲層的重要評價因素，可以利用泥質(zhì)含量來間接反映砂礫巖儲層的優(yōu)劣。

（2）單一測井曲線難以有效地評價砂礫巖有效儲層泥質(zhì)含量的多寡，由于中子測井和聲波時差測井受儲層非均質(zhì)性的影響較小，并且中子測井和聲波時差測井的幅度差與泥質(zhì)含量有很好的對應(yīng)關(guān)系，利用中子和聲波時差測井曲線歸一化后的幅度差建立泥質(zhì)含量曲線，可以準(zhǔn)確地表征砂礫巖儲層的泥質(zhì)含量。

（3）地震波形指示反演在沉積學(xué)基本原理的指導(dǎo)下，利用地震波形的橫向變化來反映儲層空間的相變特征，更好地體現(xiàn)了相控的思想，是一種井震結(jié)合的地震反演方法。利用地震波形指示反演預(yù)測上烏爾禾組有利勘探區(qū)6個，總面積為450 km2，有力地支撐了評價井（MH048井）的部署和瑪南地區(qū)上烏爾禾組億噸級三級儲量的提交。