陸相頁巖油烴源巖總有機碳含量疊前地震反演預(yù)測方法與應(yīng)用

于景強,于正軍,毛振強,高 剛,駱 坤,雷 霆,宗兆云

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257000;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司純梁采油廠,山東東營257000;3.中國石油大學(華東),山東青島266580)

頁巖油是一種非常規(guī)油氣資源,主要賦存于頁巖這種復(fù)雜的各向異性介質(zhì)中。頁巖油在孔縫中一般以游離態(tài)存在。在顆粒表面,比如干酪根,以吸附狀態(tài)存在。頁巖油相對密度較小,油質(zhì)輕且黏度低,多分布在頁巖油儲層層理面或者微裂縫中[1]。頁巖油與頁巖氣形成的機理一致,只是在不同溫壓條件下生成的兩種類型的油氣資源,頁巖氣的主要成分為甲烷氣,而頁巖油的主要成分為液態(tài)烴。目前全球僅有4個國家能夠大規(guī)模生產(chǎn)頁巖油,即美國、中國、加拿大、阿根廷。2015年,美國以頁巖油為代表的致密油產(chǎn)量首次超過常規(guī)石油,達到2.4×108t,2017年為2.2×108t,預(yù)計未來產(chǎn)量將穩(wěn)定增長,年產(chǎn)量將在2030年達到峰值3.1×108t。中國具有開采價值的大面積陸相頁巖油藏,多富集于盆地中心地帶,但相較于北美,我國頁巖油藏復(fù)雜且連續(xù)性和穩(wěn)定性相對較差,開采難度大。自2011年以來,在中國多個盆地發(fā)現(xiàn)大面積的頁巖油藏,在中西部地區(qū)主要是四川盆地、新疆準噶爾盆地、三塘盆地,在內(nèi)蒙古地區(qū)主要是鄂爾多斯盆地,在東部地區(qū)主要是松遼盆地、渤海灣和蘇北盆地,以及河南兩湖一帶的江漢盆地、南襄盆地都發(fā)現(xiàn)了大面積頁巖油藏[2]。

頁巖油儲層的有機質(zhì)豐度通常利用總有機碳含量(TOC)進行評價,它能夠很好地反映區(qū)域頁巖油氣地質(zhì)甜點的分布情況,為勘探開發(fā)提供指導意見,具有工業(yè)開采價值的頁巖油儲層TOC一般在2.0%以上。地震勘探是識別與評價頁巖油氣藏的核心技術(shù)之一[3-5],其有助于頁巖儲層甜點檢測,實現(xiàn)儲層精細描述。一些學者通過分析TOC的敏感彈性參數(shù),然后用地震反演方法估計該彈性參數(shù)從而實現(xiàn)TOC的預(yù)測[6-7]。實踐表明,TOC與密度存在較好的關(guān)系,理論上可以通過反演密度再計算得到TOC[8-9],但是密度反演往往不準確。先反演彈性參數(shù),然后計算TOC的方法存在誤差累積的問題,密度反演對地震資料品質(zhì)要求較高,且簡單地構(gòu)建密度與TOC間的近似線性關(guān)系無法真正實現(xiàn)頁巖儲層含油氣性評價。王保麗等[10]提出了彈性阻抗反演流程并從彈性阻抗數(shù)據(jù)體中獲取了有關(guān)巖性和流體的敏感屬性參數(shù),避免了誤差的累積。

基于貝葉斯理論的疊前地震反演方法用TOC的先驗知識約束反演,并量化了反演結(jié)果的不確定性,能夠更加合理地預(yù)測TOC。LARSEN等[11]利用貝葉斯和馬爾科夫鏈預(yù)測巖性和流體,并且證實了垂直耦合的先驗馬爾科夫模型對儲層物性預(yù)測的影響;BULAND等[12]提出了一種能夠應(yīng)用于貝葉斯反演預(yù)測巖性和流體參數(shù)方法的高斯模型;BOSCH等[13]介紹了基于統(tǒng)計巖石物理和地質(zhì)統(tǒng)計學的地震屬性反演技術(shù);GRANA等[14]提出了一種基于巖石物理模型和貝葉斯理論的儲層物性反演方法;宗兆云等[15]推導并改進了基于貝葉斯理論的彈性阻抗反演方法,有效改善了反演結(jié)果的稀疏性;胡華峰等[16]建立了彈性參數(shù)和物性參數(shù)的后驗概率分布,預(yù)測了物性參數(shù);印興耀等[17]建立了彈性阻抗和物性參數(shù)的后驗概率分布,避免了誤差累積;GRANA[18]討論了采用分段線性的原則對非線性巖石物理模型進行線性化處理,使得反演結(jié)果的穩(wěn)定性得到改善和提高。

本文在上述研究基礎(chǔ)上,針對濟陽坳陷部分頁巖油有利區(qū)域,發(fā)展了一種基于貝葉斯和彈性阻抗的疊前地震反演TOC方法,定量預(yù)測了濟陽坳陷沙三段和沙四段的TOC含量,實現(xiàn)了對頁巖油地質(zhì)甜點的刻畫和預(yù)測。首先對工區(qū)測井數(shù)據(jù)進行了巖石物理分析,研究了對TOC敏感的彈性參數(shù),以此為基礎(chǔ)明確反演思路。以縱、橫波速度和密度作為橋梁,根據(jù)縱、橫波速度和密度的標準化彈性阻抗方程[19-20],建立起TOC和彈性阻抗間的關(guān)系,即確定性巖石物理模型,并將誤差項加入這種關(guān)系中,從而獲取統(tǒng)計性巖石物理模型。假設(shè)TOC先驗分布服從混合高斯分布,并假設(shè)噪聲是高斯的,則TOC的后驗概率密度是混合高斯分布。用最大期望化(EM)算法[21]計算混合高斯和高斯分布的參數(shù),并用蒙特卡洛模擬技術(shù)擴大樣本空間,最后解析地計算出TOC的后驗概率分布,取最大后驗估計(MAP)為最終反演結(jié)果。該方法避免了用彈性參數(shù)間接計算TOC的誤差累積問題,并通過統(tǒng)計性巖石物理模型聯(lián)系彈性阻抗和TOC,在反演結(jié)果中量化了不確定性。

1 方法原理

貝葉斯公式如下:

(1)

式中:B是待反演參數(shù);A是觀測數(shù)據(jù),A=[IE1,IE2,IE3]T,IE1,IE2,IE3分別代表小角度、中角度和大角度的彈性阻抗值。

(2)

(3)

(4)

(5)

P(TTOC|IE3)]

(6)

式中:TTOC為總有機碳含量。公式(6)中的P(TTOC|IE1),P(TTOC|IE2),P(TTOC|IE3)可以用公式(2)至公式(5)計算。

采用EM算法[27]獲取TOC先驗分布和P(TTOC|IE1)等聯(lián)合分布的參數(shù),包括均值、協(xié)方差、權(quán)重。EM算法是一種存在隱變量時,預(yù)測未知參數(shù)的迭代技術(shù)。EM算法有兩個步驟:①計算期望值;②求取使期望值最大的參數(shù)。將求取的參數(shù)用于下一次迭代,直到前、后兩次求得的參數(shù)差的絕對值充分小時,完成計算,從而求出目標參數(shù)值。

測井數(shù)據(jù)被用來估計先驗分布參數(shù),但測井數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量小,不能充分代表橫向延拓的地層介質(zhì)信息。因此,需要用到蒙特卡洛模擬技術(shù)對樣本進行擴大。蒙特卡洛模擬技術(shù)依據(jù)大數(shù)定理,通過分析待求解問題的特征,建立與之具有相同特征的概率模型,并對其進行反復(fù)試驗(即隨機抽樣),然后通過統(tǒng)計理論求取試驗結(jié)果的統(tǒng)計特征參數(shù),核心是隨機抽樣。通過蒙特卡洛模擬技術(shù),可以得到擴大的TOC的樣本空間。濟陽坳陷有利頁巖油工區(qū)預(yù)測TOC的具體反演流程如圖1所示。

圖1 陸相頁巖油烴源巖預(yù)測TOC疊前地震反演流程

2 實際應(yīng)用

利用濟陽坳陷中東營凹陷西部工區(qū)中的井資料對本文方法進行測試,工區(qū)內(nèi)的鉆井鉆遇頁巖油。首先驗證巖石物理模型,統(tǒng)計性巖石物理模型的建立是通過巖石物理分析建立起TOC與彈性阻抗之間的聯(lián)系。圖2 顯示了用確定性巖石物理模型和井數(shù)據(jù)計算得到的3個角度的彈性阻抗值。由圖2可見,巖石物理模型計算獲取的彈性阻抗曲線與測井數(shù)據(jù)實測值吻合程度較高,趨勢一致,曲線之間的誤差較小,證明了本文建立的巖石物理模型的合理性。

圖2 用確定性巖石物理模型(紅色虛線)和井數(shù)據(jù)(藍色線)計算得到的彈性阻抗值

由于實際井數(shù)據(jù)樣本空間較小,使得構(gòu)建的混合高斯概率分布不能滿足實際的求解需要,從而使得樣本空間獲取的反演參數(shù)不適用于整個工區(qū),導致最終反演的TOC不具有代表性,從而無法準確刻畫濟陽坳陷頁巖油工區(qū)的地質(zhì)甜點。所以首先需要擴大頁巖油工區(qū)測井獲取的參數(shù)樣本空間。擴大后的樣本空間數(shù)據(jù)量明顯增多,便于后續(xù)獲取穩(wěn)定可靠的TOC分布參數(shù)以及其它反演參數(shù)。本文利用蒙特卡洛模擬技術(shù)對工區(qū)內(nèi)測井獲得的TOC、彈性阻抗值等參數(shù)進行樣本抽樣,并將得到的TOC測井數(shù)據(jù)和用蒙特卡洛模擬技術(shù)隨機抽樣后得到的樣本進行對比,結(jié)果如圖3所示。其中,圖3a為原始的真實測井數(shù)據(jù)樣本直方圖;圖3b為采用蒙特卡洛隨機抽樣后的結(jié)果。由圖3可見,采用蒙特卡洛模擬技術(shù)隨機抽樣后,樣本更加豐富。利用蒙特卡洛模擬得到的TOC和彈性阻抗等參數(shù)為獲取穩(wěn)定的反演參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 采用蒙特卡洛模擬技術(shù)隨機抽樣前(a)、后(b)的TOC樣本分布情況

分析實際井資料得到TOC和3個不同角度彈性阻抗的樣本空間的聯(lián)合分布如圖4所示,圖4a為TOC與小角度彈性阻抗IE1的聯(lián)合分布,通過計算該分布參數(shù),我們可以獲取TOC與IE1的聯(lián)合分布概率密度,從而構(gòu)建其概率模型。同樣的,圖4b、圖4c 分別為TOC與中角度和大角度彈性阻抗的聯(lián)合分布。在獲取這些聯(lián)合分布參數(shù)時,由于其混合高斯分量未知,可以考慮其為隱變量,這樣就需要借助EM算法來獲取這些參數(shù)。參數(shù)獲取后,可以依次構(gòu)建TOC與3個角度之間的聯(lián)合分布概率密度模型,從而進一步求取反演目標函數(shù)。

圖4 TOC與彈性阻抗聯(lián)合分布

為驗證該方法的可靠性和穩(wěn)定性,首先對構(gòu)建的統(tǒng)計性巖石物理模型進行反演,并將其反演的頁巖油總有機碳含量TOC和井中實測TOC進行對比(圖5)。由圖5可見,反演結(jié)果與實際測井曲線趨勢保持一致,平均吻合率達80%,進一步證明了在濟陽坳陷實施本文方法的可靠性。

圖5 TOC反演結(jié)果與測井結(jié)果對比

東營凹陷是中國東部陸相斷陷盆地的典型代表之一,是在多期構(gòu)造作用的影響下,形成的南緩北陡的非對稱凹陷[28]。目前在東營凹陷中,大部分探井在頁巖層段中顯示油氣存在,由此可見,東營凹陷泥頁巖油氣勘探具有巨大的潛力。數(shù)年的研究表明,在東營凹陷沙河街組沙四上亞段發(fā)育有范圍較廣的優(yōu)質(zhì)烴源巖,TOC為2%～3%;在沙三段下亞段也分布了一套大范圍的優(yōu)質(zhì)烴源巖,TOC為1.2%～3.6%。這兩套烴源巖中多數(shù)都是典型的I型干酪根,具有較高的生烴潛力,也是東營凹陷西部油氣生成的主力烴源巖。

東營凹陷西部主要是指博興洼陷和利津洼陷北部,該工區(qū)的目的層段主要是沙三段和沙四段上亞段,其中沙三段為一套巨厚的半深湖和深湖相暗色泥質(zhì)巖沉積,洼陷中地層厚度超過千米,巖性有泥巖、油頁巖、夾薄層的白云巖、灰質(zhì)泥巖及砂巖,沙四段上亞段也是烴源巖發(fā)育的主要層段。

圖6a為在東營凹陷西部頁巖油工區(qū)截取的一條過L井和K井的連井小角度地震剖面,經(jīng)反演得到的TOC連井剖面如圖6b所示(圖中T5為沙三段下亞段頂;T6為沙三段底沙四段頂;T7為沙四段底)。由圖6可見,預(yù)測的TOC與L井和K井中解釋的TOC吻合較好,反演的TOC結(jié)果顯示,在沙三段下亞段發(fā)育的一套烴源巖TOC呈現(xiàn)連續(xù)的高值,為頁巖油儲層地質(zhì)甜點區(qū)。從反演的TOC剖面中還能看到在沙四段上部也發(fā)育了一套TOC高值區(qū)域。整體的反演結(jié)果和井的解釋結(jié)果基本吻合,符合實際地質(zhì)情況,說明本文方法能夠較好地預(yù)測頁巖油儲層地質(zhì)甜點。

圖7展示了與圖6 對應(yīng)的沙三下亞段TOC沿層切片,K井解釋結(jié)果在切片與剖面上吻合均較好。圖7 中TOC反演結(jié)果穩(wěn)定,其中紅黃色區(qū)域被認為是TOC較高的區(qū)域,且與實際的頁巖油重點井吻合,可以初步認定為頁巖油地質(zhì)甜點。從反演切片可知,在東營凹陷西部區(qū)域的沙三段下部存在較大范圍TOC較高的頁巖油烴源巖。結(jié)合實際反演結(jié)果進一步說明本文方法能夠較好反演出本工區(qū)的TOC,為刻畫濟陽坳陷部分工區(qū)頁巖油地質(zhì)甜點提供一定的參考。

圖6 實際地震數(shù)據(jù)TOC反演剖面

圖7 TOC反演切片

3 結(jié)論與認識

本文基于貝葉斯理論,發(fā)展了用彈性阻抗預(yù)測TOC的疊前地震反演方法,并應(yīng)用于濟陽坳陷中東營凹陷西部工區(qū)的TOC反演,得到較穩(wěn)定可靠的反演結(jié)果,為濟陽坳陷頁巖油地質(zhì)甜點的刻畫提供了依據(jù)。濟陽坳陷中東營凹陷西部沙三段下部、沙四段上部存在大范圍的有利頁巖油烴源巖,與部分頁巖油重點井吻合較好,但是部分分布情況比較松散?？偟膩碇v實際的反演結(jié)果較穩(wěn)定,能夠利用該方法在濟陽坳陷其它有利頁巖油工區(qū)進行地質(zhì)甜點預(yù)測。

頁巖油的疊前地震反演預(yù)測技術(shù)目前還處于發(fā)展階段,基于隨機反演方法的貝葉斯理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于儲層預(yù)測的各個領(lǐng)域,但是其對頁巖這種復(fù)雜儲層的預(yù)測還存在很多問題,尤其是構(gòu)建TOC與彈性參數(shù)之間的關(guān)系,如何對其賦予物理意義和地質(zhì)意義還需要進一步探討。本文通過巖石物理分析以及巖石物理建模,構(gòu)建起TOC與彈性參數(shù)之間的橋梁,賦予其地質(zhì)與物理意義,這種確定性巖石物理模型的建立比較復(fù)雜,如果建立不合理則會導致反演精度降低。本文建立的針對頁巖油烴源巖TOC的預(yù)測方法對其它頁巖油工區(qū)具有較好的借鑒意義,為了更好地刻畫頁巖油地質(zhì)甜點的空間展布,下一步可以探索利用地震資料開展頁巖油可動性的相關(guān)基礎(chǔ)及方法研究。