灰質(zhì)背景下濁積巖儲層地震響應(yīng)特征及識別方法
——以東營凹陷坨71井區(qū)為例

張建芝，李謀杰，張云銀，魏紅梅，商 偉

（1.中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營 257022；2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室長江大學，湖北武漢 430100；3.長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100）

東營凹陷廣泛發(fā)育的濁積巖油藏是增儲的主要油藏類型之一。隨著勘探程度的提高，易識別的濁積巖大部分已被發(fā)現(xiàn)，而灰質(zhì)背景下濁積巖識別卻面臨很大難題［1-2］，制約了灰質(zhì)濁積巖油藏勘探開發(fā)的進程。針對灰質(zhì)背景濁積巖識別難題，前人提出了不同的研究思路。趙約翰提出基于地質(zhì)模型監(jiān)督的儲層巖相識別方法，引入沉積相帶研究濁積巖儲層優(yōu)選問題［3］；周游等在疊前波阻抗反演過程中引入巖性識別因子區(qū)分不同巖性［4］；于正軍提出通過地震屬性融合的方法識別和劃分灰質(zhì)濁積巖儲層［5］。前人的儲層預(yù)測成果存在多解性，其中，灰質(zhì)背景下泥巖與濁積巖儲層如何區(qū)分是儲層識別的難點所在。為此，筆者研究灰質(zhì)背景下濁積巖地球物理響應(yīng)特征并尋求有效識別方法，以期為濁積巖油藏的勘探和開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 研究難點及思路

1.1 研究難點

東營凹陷坨71 井區(qū)以陡坡深水濁積扇沉積為主，由于地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致儲層地震識別難度大，主要表現(xiàn)在2 個方面［6-7］:①目的層埋藏深，巖性復(fù)雜［8-10］，目的層埋藏深度大于2 900 m，巖性主要包括砂巖、泥巖、灰質(zhì)砂巖、灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及少量白云巖。研究區(qū)21 口井巖石物性分析數(shù)據(jù)顯示，泥巖縱波速度為2 700～3 200 m/s，最高頻數(shù)峰值為2 900 m/s；橫波速度為1 400～1 700 m/s，最高頻數(shù)峰值為1 500 m/s。灰質(zhì)泥巖縱波速度為3 200～3 900 m/s，最高頻數(shù)峰值為3 500 m/s；橫波速度為1 700～2 100 m/s，最高頻數(shù)峰值為1 900 m/s。砂巖縱波速度為3 400～4 100 m/s，最高頻數(shù)峰值為3 800 m/s；橫波速度為1 900～2 350 m/s，最高頻數(shù)峰值為2100 m/s。疊前同時反演的連井縱波阻抗剖面（圖1）顯示，坨724 井的濁積砂巖段（圖1C處）與坨725 井灰質(zhì)泥巖段（圖1D 處）都表現(xiàn)為高阻抗；坨720 井的濁積砂巖段（圖1B 處）與坨723 井濁積砂巖段（圖1A處）則表現(xiàn)為較高阻抗，無法有效區(qū)分濁積砂巖與灰質(zhì)泥巖的主要原因在于砂巖和灰質(zhì)泥巖縱波重疊區(qū)域較大，常規(guī)阻抗反演難以區(qū)分［11］。②測井解釋結(jié)果顯示，研究區(qū)濁積巖儲層以薄層和薄互層為主，單砂體厚度一般為2～13 m，目的層主頻為30 Hz 左右，砂巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層地震反射振幅值均為4 000～8 000，單一振幅很難區(qū)分。

1.2 研究思路

圖1 疊前同時反演彈性參數(shù)連井剖面Fig.1 Crossing well profile of elastic parameters of simultaneous prestack seismic inversion（SPSI）

針對研究區(qū)濁積巖儲層難以識別的問題提出以下研究思路:①基于疊前同時反演，利用多參數(shù)巖性信息融合解釋技術(shù)，提高巖性識別能力，解決灰質(zhì)泥巖和濁積砂巖識別問題。②在濁積巖識別基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬手段，研究濁積巖厚度與灰質(zhì)泥巖含量的響應(yīng)規(guī)律，解決濁積砂巖薄層與灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層識別難題。為此，從儲層地震響應(yīng)特征、測井約束疊前同時反演、多參數(shù)巖性信息融合以及濁積砂巖薄層與灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層識別4個方面展開。

2 地震響應(yīng)特征

為更好了解儲層厚度和灰質(zhì)泥巖含量對濁積巖儲層識別的影響，開展有針對性的數(shù)值模擬研究是非常必要的。為研究砂巖厚度變化及灰質(zhì)泥巖含量變化引起的地震響應(yīng)特征變化，利用地震波動力學特征，開展疊后彈性波動方程數(shù)值模擬研究［12-14］，分析濁積巖儲層厚度地球物理響應(yīng)規(guī)律，了解灰質(zhì)泥巖含量對濁積巖儲層的影響，明確灰質(zhì)背景下濁積砂巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層響應(yīng)特征，以提高濁積巖儲層預(yù)測效果。

2.1 灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層模型數(shù)值模擬

根據(jù)研究區(qū)巖石物理特征，結(jié)合目的層段附近泥巖、灰質(zhì)泥巖及砂巖縱、橫波速度和密度，確定不同巖性介質(zhì)的彈性參數(shù)（表1）。

表1 灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層模型彈性參數(shù)Table1 Elastic parameters of limy mudstone and sandstone interbedded model

為研究灰質(zhì)泥巖的影響，設(shè)計灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層正演模型，通過調(diào)整灰質(zhì)泥巖厚度來調(diào)整灰質(zhì)泥巖含量。模型最大深度設(shè)計為4 000 m，頂面埋深為3 000 m，薄互層總厚度為80 m，包含灰質(zhì)泥巖和砂巖各2 層，單層厚度均為20 m（圖2）。數(shù)值模擬均采用主頻為25 Hz 的雷克子波，由地面激發(fā)震源。

圖2 灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層正演模型Fig.2 Forward model of thin interbeds between limy mudstone and sandstone

在灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層模型的基礎(chǔ)上，保持薄互層總厚度（80 m）不變，調(diào)整灰質(zhì)泥巖含量分別為75%，50%和25%，得到不同灰質(zhì)泥巖含量下薄互層地震響應(yīng)特征。調(diào)整薄互層總厚度分別為80，60，50，40，30，20，10 和5 m，得到不同薄互層總厚度情況下，不同灰質(zhì)泥巖含量模型的地震反射波形（圖3）。當灰質(zhì)泥巖含量為100%時，模型為純灰質(zhì)泥巖模型；當灰質(zhì)泥巖含量為0時，模型為純砂巖模型。

由圖3 可以看出:①薄互層總厚度大于50 m時，頂、底界面反射可以識別；小于50 m 時，頂、底界面反射無法分辨。②反射波最大正振幅受灰質(zhì)泥巖含量和總厚度影響明顯，關(guān)系復(fù)雜。

圖3 不同灰質(zhì)泥巖含量下不同總厚度薄互層模型地震響應(yīng)Fig.3 Seismic response of thin interbedded models with different total thickness in different limy mudstone content

分析薄互層總厚度與地震反射波最大正振幅關(guān)系（圖4），認為兩者關(guān)系密切:①當總厚度小于1/4 波長時（約30 m），地震反射波最大正振幅隨薄互層總厚度增加而增大。②當薄互層總厚度為1/4—1/2波長時，地震反射波最大正振幅隨薄互層總厚度增加而減小。③當薄互層總厚度大于1/2 波長時，地震反射波最大正振幅又隨薄互層總厚度增加而增大。同時分析不同灰質(zhì)泥巖含量與地震反射波最大正振幅的關(guān)系（圖4），認為灰質(zhì)泥巖含量對地震反射波最大正振幅有顯著的影響:①當薄互層總厚度小于1/2 波長時（約50 m），地震反射波最大正振幅隨灰質(zhì)泥巖含量的增加而減少。②當薄互層總厚度大于1/2 波長時，地震反射波最大正振幅隨厚度增加而增大，薄互層地震反射波最大正振幅增加幅度大于純砂巖振幅增加幅度。

圖4 不同灰質(zhì)泥巖含量下地震反射波最大正振幅與薄互層總厚度的關(guān)系Fig.4 Relationship of max-amplitude in different limy mudstone content with total thickness of thin beds

定義灰質(zhì)泥巖含量最大正振幅關(guān)系曲線的二次極小值為振幅門檻值，當大于該門檻值時為強振幅，小于該門檻值時為弱振幅，其門檻值所對應(yīng)的模型總厚度正好為10 m，該厚度可以作為薄層與厚層分界厚度。

2.2 灰質(zhì)泥巖-濁積巖薄互層模型數(shù)值模擬

設(shè)計灰質(zhì)背景下不同厚度灰質(zhì)泥巖-濁積巖薄互層模型，模型分為2 部分。模型左邊為灰質(zhì)泥巖夾濁積巖，代表灰質(zhì)背景下濁積砂巖，灰質(zhì)泥巖總厚度為30 m，分布3 個獨立濁積巖砂體。各單砂體寬度均為200 m，其頂界面與灰質(zhì)泥巖頂界面距離為5 m，厚度分別為20，10 和5 m，砂體間距為412.5 m；模型右邊為非灰質(zhì)背景下濁積巖，代表正常濁積巖砂體，也分布3個獨立濁積巖砂體，各單砂體寬度均為200 m，厚度分別為20，10 和5 m，砂體間距為412.5 m，最左邊砂體模型與灰質(zhì)泥巖背景下濁積砂體模型距離為412.5 m（圖5）。

圖5 灰質(zhì)背景下不同厚度灰質(zhì)泥巖-濁積巖薄互層模型Fig.5 Model for thin interbeds between limy mudstone and turbidite with different thickness in limestone background

數(shù)值模擬采用炮間距為25 m，總共180 炮。取橫向差分步長為5 m，縱向差分步長為1 m，時間采樣步長為0.179 ms。利用疊后彈性波動方程，建立時間2 階、空間10 階差分方程，模型設(shè)定為無分裂式的完全匹配層吸收邊界條件。

圖6 灰質(zhì)背景下不同厚度灰質(zhì)泥巖-濁積巖薄互層模型地震響應(yīng)Fig.6 Seismic response of thin interbedded model between limy mudstone and turbidite with different thickness in limestone background

由圖6 可以看出，當時間為2.1～2.2 s 時6 個獨立濁積巖砂體的反射波同相軸均呈拋物線形，其頂部對應(yīng)砂體的水平中心。對比灰質(zhì)背景與非灰質(zhì)背景下濁積巖砂體反射波同相軸特征，認為:①反射波振幅隨濁積巖砂體厚度增加而增大。②灰質(zhì)背景下砂體反射波同相軸連續(xù)性較好，非灰質(zhì)背景下同相軸連續(xù)性明顯變差［15］。③灰質(zhì)背景下濁積巖砂體反射波同相軸能量增強。

3 測井約束疊前同時反演

為充分挖掘彈性參數(shù)攜帶的濁積巖儲層信息，開展測井約束疊前同時反演，以獲取豐富而可靠的彈性信息。測井約束疊前同時反演的基本思路是利用測井資料把鉆井信息借助地震資料外推到整個平面上，以實現(xiàn)目標地質(zhì)體空間展布特征研究［16-17］，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括:①精細橫波速度預(yù)測；②精細儲層標定與地震子波提??；③精細三維地質(zhì)建模；④測井約束地震反演。

3.1 精細橫波速度預(yù)測

傳統(tǒng)橫波速度預(yù)測方法是利用Xu-White 模型［17］，將巖石骨架簡化為砂巖和泥巖，利用孔隙度和泥質(zhì)含量估算縱、橫波速度。在灰質(zhì)背景下得到的預(yù)測與實際縱、橫波速度誤差較大，由于灰質(zhì)巖性的影響，很大程度上改變了巖石骨架的成分。為建立適合灰質(zhì)背景下的橫波預(yù)測模型，以Xu-White模型［17］為基礎(chǔ)，其表達式為:

由于灰質(zhì)含量并不高，灰質(zhì)影響主要體現(xiàn)在對骨架結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變，為此引入灰質(zhì)校正系數(shù)（β），以壓制灰質(zhì)對儲層的干擾。各彈性參數(shù)中，骨架物理模量利用Kuster-Toksoz 模型求?。?8］，流體的物理模量利用Batzle-Wang公式計算［19］，其表達式為:

泥質(zhì)含量和孔隙度由測井綜合解釋得到。

為驗證灰質(zhì)對縱、橫波速度預(yù)測的影響，利用實測縱、橫波數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)化方法，計算縱、橫波的最小方差:

由圖7可以看出，預(yù)測與實測縱、橫波速度吻合較好，說明縱、橫波速度預(yù)測模型是可靠的。

3.2 精細儲層標定與地震子波提取

精細儲層標定是儲層反演的前提和基礎(chǔ)。地震子波提取的主要目的在于得到與地震數(shù)據(jù)相匹配的地震子波。為得到疊前同時反演提供的可靠子波信息和準確時深關(guān)系，在疊前角道集分析基礎(chǔ)上，結(jié)合地震道振幅譜和相位譜的特點，通過調(diào)整子波和時窗長度道集，得到與井旁地震道頻譜特征匹配的小、中和大角度地震子波（圖8）。

3.3 精細三維地質(zhì)建模

傳統(tǒng)地質(zhì)建模一般采用插值的方法解決層位問題，忽略了層位與斷層間的相互關(guān)系。研究區(qū)目的層段為沙四段和沙三段下亞段，具有斷層復(fù)雜、層位解釋不統(tǒng)一和層位波動起伏大的特點，甚至局部出現(xiàn)嚴重串層現(xiàn)象。為此，開展精細三維地質(zhì)建模，由圖9 可以看出，沙四段下亞段底部、頂部（T7）和沙三段下亞段底部（T6X）、頂部（T6S）的地震反射層位與斷層接觸關(guān)系清晰，避免了常規(guī)地層建模過程中出現(xiàn)的層位與斷層交叉混搭的現(xiàn)象。模型更好地反映了地層的空間變化規(guī)律，同時與實鉆井的分層信息更加匹配，提高井-震信息的一致性，為高精度地震反演提供了可靠的保障。

3.4 測井約束波阻抗反演

在疊前地震角度道集資料分析和測井資料精細處理基礎(chǔ)上，利用精細三維地質(zhì)建模，通過多屬性巖性信息融合技術(shù)，引入敏感因子開展彈性敏感性定量評價，優(yōu)選對灰質(zhì)泥巖和濁積巖敏感的彈性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展疊前反演參數(shù)測試和疊前同時反演。

4 多參數(shù)巖性信息融合與解釋

4.1 敏感彈性參數(shù)優(yōu)選

疊前同時反演可以得到與巖性信息密切相關(guān)的縱波速度、橫波速度及密度。根據(jù)彈性波動方程縱、橫波速度與彈性參數(shù)之間的關(guān)系，可以進一步得到通過縱、橫波速度和密度表達的其他彈性參數(shù)。體積模量和拉梅阻抗的表達式分別為:

為解決研究區(qū)彈性參數(shù)巖性敏感性問題，新定義巖性敏感因子（R）。R值越大，彈性參數(shù)對巖性越敏感，在儲層預(yù)測過程中，其巖性可識別性越強，R的表達式為:

圖7 縱、橫波速度預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比Fig.7 Comparison of predicted P-S wave velocity with measured values

圖8 不同角度道集地震子波對比Fig.8 Comparison of seismic wavelets from different angle gathers

由研究區(qū)砂巖、泥巖和灰質(zhì)泥巖的13個巖性識別因子分析結(jié)果（表2，表3）可以看出，拉梅阻抗的砂巖-泥巖的巖性敏感因子為0.389，砂巖-灰質(zhì)泥巖的巖性敏感因子為0.28，在所有彈性參數(shù)中最大，說明拉梅阻抗對砂巖和泥巖以及灰質(zhì)泥巖識別能力最強，其次為體積模量和縱波阻抗。

圖9 精細三維地質(zhì)模型Fig.9 Detailed three-dimensional geological model

4.2 多參數(shù)巖性信息融合

傳統(tǒng)儲層預(yù)測方法主要是通過地震屬性特征或者地震反演得到的特定彈性參數(shù)來預(yù)測儲層的空間分布情況。這類方法最大的弊端就是多解性明顯，特別是針對復(fù)雜巖性情況，儲層預(yù)測效果不甚理想。多參數(shù)巖性信息融合利用多種彈性參數(shù)進行巖性信息綜合分析，是降低多解性的重要手段［20］。其基本思路為RGB（R 代表紅色，G 代表綠色，B代表藍色）三原色信息融合原理。

表2 不同巖性的彈性參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table2 Elastic parameters of sandstone，mudstone and limy mudstone

表3 不同巖性的巖性敏感因子分析Table3 Lithological sensitivity factors of different rocks

利用三原色信息融合技術(shù)，將拉梅阻抗、體積模量和縱波阻抗這3 個彈性參數(shù)分別與三原色的R，G和B對應(yīng)，彈性參數(shù)值對應(yīng)三原色的屬性大小。由圖10a—10c 可以看出，與灰質(zhì)泥巖相比，濁積巖砂體表現(xiàn)為高拉梅阻抗、高體積模量和高縱波阻抗。通過多參數(shù)巖性信息融合可以得到巖性信息融合體（圖10d）。

4.3 巖性信息融合解釋

研究發(fā)現(xiàn)，雖然灰質(zhì)泥巖和薄層砂體在波阻抗反演中存在疊置，但拉梅阻抗和體積模量對濁積巖儲層更為敏感，利用拉梅阻抗、體積模量和縱波阻抗3 個彈性參數(shù)的巖性信息，采用RGB 信息融合思路，對濁積巖特征進行綜合評價，可以在一定程度上減弱其多解性。其解釋主要分為3 個步驟:①在巖性敏感因子分析基礎(chǔ)上，選出對濁積巖敏感的彈性參數(shù)。②開展RGB 多彈性參數(shù)信息融合處理，得到巖性信息融合體。③確定濁積巖巖性信息融合特征，選取合適的濁積巖信息種子，開展綜合巖性識別追蹤，得到濁積巖空間分布情況。

圖11 為巖性信息融合體連井剖面。從巖性信息融合體剖面上可以看出，濁積巖和灰質(zhì)泥巖差異明顯:①濁積巖表現(xiàn)為巖性信息融合體高值，呈現(xiàn)為亮色（圖11B、圖11C、圖11D、圖11E和圖11F處）；②灰質(zhì)泥巖表現(xiàn)為巖性信息融合體較高值，表現(xiàn)為較亮色（圖11A）。

結(jié)合測井綜合解釋成果進一步研究發(fā)現(xiàn)，在識別的濁積巖砂體中（表4）:①厚度大于10 m 的濁積砂巖表現(xiàn)為高亮色（圖11E 和圖11C 處）；②濁積巖厚度大于2 m 而小于10 m 表現(xiàn)為亮色（圖11B 和圖11F 處）。由此可見:巖性信息融合體不僅能有效區(qū)分砂巖和灰質(zhì)泥巖，而且對濁積巖厚度也有較明顯的響應(yīng)特征差異，其解釋結(jié)果與測井解釋結(jié)果基本一致（表4）。

巖性信息融合解決了砂巖和灰質(zhì)泥巖識別的問題，但對于灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層的識別，仍然是一個難題:坨725 井D 段為20.0 m 灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層，最大單砂層厚度為1.2 m，累積砂巖厚度為2.7 m；其巖性信息融合特征與坨720 井B 段和坨724 井F段非常相似。

5 濁積巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層識別

為有效區(qū)分濁積巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層，綜合利用彈性波動方程數(shù)值模擬和巖性信息融合解釋結(jié)果，以解決濁積砂巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層識別的問題。

結(jié)合巖性信息融合體濁積巖特征和地震反射波形特征，分析圖12，認為有效儲層識別特征為:①優(yōu)質(zhì)儲層:單砂體厚度較大（大于10 m），巖性信息融合體表現(xiàn)為高值，顯示為高亮色（黃色）（圖11C和E 處），地震反射波同相軸軸為強振幅，不連續(xù)反射（圖12C和E處）。②一般儲層:單砂體厚度較?。?～10 m），巖性信息融合體表現(xiàn)為較高值，顯示亮色（紅色）（圖11B 和F 處），地震反射波同相軸為中振幅，不連續(xù)反射（圖12B 和F 處）。③差儲層:砂巖-灰質(zhì)泥巖薄互層（小于2 m），巖性信息融合體表現(xiàn)為較高值，顯示亮色（紅色），地震反射波同相軸為中振幅，連續(xù)性較好（圖12A和D處）。

圖10 多彈性參數(shù)巖性信息對比Fig.10 Lithology information contrast charts of multi-elastic parameters

圖11 巖性信息融合體連井剖面Fig.11 Lithology fused interpretation of crossing well profile

表4 綜合解釋成果Table4 Comprehensive interpretation results

圖12 巖性信息融合-純波波形特征連井疊合剖面Fig.12 Crossing well profile of lithology information fusion and pure wave characteristics

6 結(jié)論

通過精細地震疊前同時反演和彈性波動方程數(shù)值模擬聯(lián)合研究，利用多參數(shù)信息融合與解釋方法，有效降低灰質(zhì)背景下濁積巖儲層識別的多解性，提高儲層預(yù)測效果。結(jié)合坨71 井區(qū)實際資料，針對灰質(zhì)泥巖和濁積巖異質(zhì)同相的特點，提出了灰質(zhì)背景下濁積巖儲層識別方法:①多參數(shù)巖性信息融合值越大，解釋為濁積巖的準確性越高，對應(yīng)濁積巖砂體越厚；②濁積巖薄層和灰質(zhì)泥巖-砂巖薄互層識別，根據(jù)巖性信息融合特征不能完全解決，結(jié)合彈性波動方程的數(shù)值模擬特征，通過純波數(shù)據(jù)體同相軸連續(xù)性加以區(qū)分。

符號解釋

Vp——縱波速度，m/s；Vs——橫波速度，m/s；ρ——密度，g/cm3；Vsh——泥質(zhì)含量，%；φ——孔隙度，%；αsand，αclay——砂巖和泥巖的結(jié)構(gòu)參數(shù)；paras——骨架物理模量和流體物理模量，骨架物理模量包括砂巖和泥巖的體積模量（K）、剪切模量（Mu）和密度，流體物理模量包括體積模量和密度；β——灰質(zhì)校正系數(shù)；——實測縱波速度，m/s；——預(yù)測縱波速度，m/s；R——巖性敏感因子；X1和X2——巖性1和巖性2的彈性參數(shù)值。