四川盆地元壩地區(qū)茅口組臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層物理模型

秦貞超，繆志偉，魏建新，狄?guī)妥?/p>

[1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 中國石油天然氣集團(tuán)公司 物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石化 勘探分公司，四川 成都 610041]

四川盆地元壩地區(qū)茅口組為海相碳酸鹽巖沉積地層，前期研究認(rèn)為其構(gòu)造穩(wěn)定，為開闊臺(tái)地或碳酸鹽巖緩坡沉積[1-2]，儲(chǔ)層類型以構(gòu)造裂縫型或不整合巖溶縫洞型儲(chǔ)層為主[3-5]。而近期元壩7井鉆遇茅口組臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層，并獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，實(shí)現(xiàn)了四川盆地茅口組深層-超深層臺(tái)緣高能相帶油氣勘探的重大突破[6-7]。茅口組發(fā)育上下2套碳酸鹽巖臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層，橫向分布主要受臺(tái)緣相帶展布控制，儲(chǔ)層類型主要為上儲(chǔ)層灰色灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，下儲(chǔ)層泥晶含云灰?guī)r和泥晶生屑灰?guī)r。與元壩及普光生物礁儲(chǔ)層相比，儲(chǔ)層致密、非均質(zhì)強(qiáng)且厚度薄，地震響應(yīng)類型復(fù)雜多樣，這些因素給儲(chǔ)層識(shí)別帶來了很大困難[8-9]。

近年來，針對(duì)礁灘儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征開展了許多正演模擬研究。凡睿和敬朋貴等[10-11]采用褶積的方法，在川東北礁灘相儲(chǔ)集體地震解釋中應(yīng)用正演模擬結(jié)果，確定儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征，結(jié)合地質(zhì)和測井資料，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)集體預(yù)測與描述；龔洪林[12]設(shè)計(jì)了4個(gè)礁灘體儲(chǔ)層模型，研究了塔里木盆地上奧陶統(tǒng)臺(tái)地-陸棚邊緣礁灘復(fù)合儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征，有效減少了礁灘儲(chǔ)層的預(yù)測多解性；劉軍迎等[13]針對(duì)礁體等碳酸鹽儲(chǔ)層地震解釋多解性問題，使用標(biāo)量波動(dòng)方程，研究了不同類型碳酸鹽儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征及存在的解釋誤區(qū)，給出了正確的解釋方法和依據(jù)；李三福和李香華等[14-15]采用有限差分彈性波動(dòng)方程對(duì)深水礁灘儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征，如振幅、頻率和相位等進(jìn)行了模擬和分析；但志偉等[16]針對(duì)礁灘儲(chǔ)集體非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，使用粘彈性波動(dòng)方程模擬了其地震響應(yīng)特征，對(duì)比分析了時(shí)間域與深度域剖面地震響應(yīng)特征的差別；熊曉軍和黃繼偉等[17-20]采用頻率-波數(shù)域波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法，借助波動(dòng)方程延拓，在二維模擬的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了三維礁灘儲(chǔ)層的數(shù)值模擬，為正確認(rèn)識(shí)生物礁結(jié)構(gòu)等的影響提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)室地震物理模型正演相對(duì)于數(shù)值模擬，在三維正演模擬時(shí)具有時(shí)效高、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[21]。對(duì)于碳酸鹽儲(chǔ)層物理模擬，主要集中在斷裂、裂縫與溶蝕孔洞的物理模擬與地震響應(yīng)特征分析[22-25]。相對(duì)地，有關(guān)礁灘儲(chǔ)集體的地震物理模擬較少。

本文依據(jù)四川盆地元壩地區(qū)茅口組臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層地質(zhì)地震資料，構(gòu)建了一個(gè)與研究區(qū)實(shí)際地層參數(shù)相近的三維臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層物理模型，按照野外三維地震資料采集與處理參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的物理模型進(jìn)行采集與處理，在物理模擬疊前偏移數(shù)據(jù)上對(duì)儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征及其識(shí)別方法進(jìn)行了分析。

1 臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層物理模型構(gòu)建

物理模型的構(gòu)建包括2個(gè)方面：①儲(chǔ)層物理模型的幾何形態(tài)與物性參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合地震物理模型技術(shù)方法，設(shè)計(jì)模型的大小(比例因子)，模擬地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和層數(shù)，以及模擬層的地震參數(shù)；②模擬區(qū)物理模型制作，包括模型材料的選擇、模具加工、模型制作和形態(tài)測量等。物理模型設(shè)計(jì)中模型形態(tài)、物性參數(shù)以及比例因子的確定，主要是依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)情況、地震特征與實(shí)驗(yàn)研究目的等因素。四川盆地元壩地區(qū)茅口組三段二期臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層是本文的主要研究對(duì)象，通過元壩7井測井分析，茅三段二期臺(tái)緣淺灘相儲(chǔ)層厚20 m左右，埋深超過7 000 m，巖性為泥晶含云灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r，可以發(fā)現(xiàn)其特點(diǎn)是埋深大、儲(chǔ)層薄。通過元壩淺灘儲(chǔ)層沉積相劃分(圖1a)與地震響應(yīng)特征分析(圖1b)可知，在茅三段上部儲(chǔ)層發(fā)育段，地震響應(yīng)復(fù)雜多變，儲(chǔ)層預(yù)測難度大，地震相的解釋結(jié)果需要模型正演來指導(dǎo)與驗(yàn)證。

圖1 四川盆地元壩地區(qū)臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層地震資料Fig.1 Seismic data of the shoal reservoirs at the platform margins in Yuanba area,Sichuan Basina.沉積相平面；b.地震剖面

綜合分析地質(zhì)地震解釋成果，可以發(fā)現(xiàn)元壩臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層物理模型設(shè)計(jì)需要關(guān)注其兩大特點(diǎn)：一是儲(chǔ)層厚度薄、埋藏深及圍巖速度大。因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)室物理模型地震技術(shù)[26]，為了模擬更高速度的圍巖，其速度比例因子確定為1 ∶2；空間比例因子選取主要考慮儲(chǔ)層的厚度與埋深，為了精確模擬更薄的儲(chǔ)層，空間比例因子不能太小，而為了模擬儲(chǔ)層的埋藏深度，空間比例因子不能太大。綜合考慮儲(chǔ)層埋深和厚度等因素，空間比例因子確定為1 ∶10 000，即物理模型尺寸為1 mm，轉(zhuǎn)化為野外實(shí)際尺寸為10 m，可以滿足實(shí)驗(yàn)室模擬儲(chǔ)層厚度與埋深的要求。二是儲(chǔ)層段地震響應(yīng)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)多種不同類型儲(chǔ)層發(fā)育模式。對(duì)于不同地震響應(yīng)特征，通過改變?cè)獕?井二期灘儲(chǔ)層發(fā)育程度，共建立了10種不同參數(shù)儲(chǔ)層發(fā)育樣式。

圖2a為茅三段二期灘儲(chǔ)層發(fā)育平面設(shè)計(jì)圖，其中除了儲(chǔ)層平面分布外，還顯示了茅三段厚度圖；圖2b為物理模型垂向剖面設(shè)計(jì)圖，其中包含模擬的各個(gè)地層及其接觸關(guān)系。茅三段儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)為臺(tái)緣淺灘相沉積，沉積明顯加厚，模型設(shè)計(jì)要求突出臺(tái)緣區(qū)厚度變化，因此為了便于模擬茅三段厚度變化，降低模型制作難度，模型將茅三段底界面作為平層處理，茅三段頂界面起伏為其厚度變化。茅三段頂部及上部發(fā)育4套薄層，即長興組、吳家坪、茅三段三期灘以及茅三段灘間泥，影響茅三段二期灘儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征，因此模型設(shè)計(jì)考慮了這4套薄層的影響，由于其沉積厚度薄，且橫向變化小，因此作為等厚層，地層起伏與茅三段頂界面起伏相同。模型設(shè)計(jì)共有8層(圖2b)，表1為實(shí)際地層的密度和速度參數(shù)。圖2b草綠色儲(chǔ)層為茅三段三期灘發(fā)育的一套較差儲(chǔ)層，其分布范圍與茅三段二期灘儲(chǔ)層一致，速度為5 900 m/s。圖2a中不同顏色代表茅三段二期灘儲(chǔ)層的速度不同，紫色代表差儲(chǔ)層，速度5 500 m/s；紅色代表較差儲(chǔ)層，速度5 100 m/s；藍(lán)色代表好儲(chǔ)層，速度4 350 m/s。相同顏色不同標(biāo)號(hào)代表儲(chǔ)層厚度不同，標(biāo)號(hào)1-1到1-4和2-1到2-4代表其中心厚度由10 m增加到40 m；標(biāo)號(hào)3-1厚度30 m，標(biāo)號(hào)3-2厚度40 m。物理模型模擬的區(qū)域范圍為10 km×8 km，臺(tái)緣區(qū)位于模型的中心區(qū)，滿足三維滿覆蓋的要求，儲(chǔ)層位于7 100 m附近，與實(shí)際野外儲(chǔ)層埋深一致。

模型制作在室溫下進(jìn)行，材料主要為環(huán)氧樹脂和硅橡膠混合物。采用逐層澆筑的方式，主要是依據(jù)地層起伏制作模具并逐層進(jìn)行澆筑，然后對(duì)模型各層進(jìn)行形態(tài)測量，用于物理模型數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。由于儲(chǔ)層空間上為不連續(xù)分布，因此不同厚度與速度的儲(chǔ)層需要單獨(dú)制作，然后放置到茅三段二期灘內(nèi)。為了便于放置儲(chǔ)層，其澆筑流程分為兩部分。首先與地層沉積次序相反，反向澆筑茅三段二期灘及其下部地層，在澆筑茅三段二期灘頂部時(shí)將事先制作完成的儲(chǔ)層放入地層中。然后正向澆筑茅三段二期灘上部地層，由于上部地層厚度很薄，采用涂抹方式澆注而不是模具澆筑，用角磨機(jī)進(jìn)行表面加工，再用砂紙精磨，保證澆筑精度。

2 物理模型地震數(shù)據(jù)采集與處理

物理模型三維數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)與野外實(shí)際三維數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)保持一致，具體參數(shù)為：12線、48排炮和240道，測線距400 m，排炮距50 m，道距50 m，最小非縱距25 m，最大非縱距3 375 m，工區(qū)總測線共30條，工區(qū)總炮線共17條，炮線間距500 m，縱向滾動(dòng)每次滾動(dòng)1炮線，滾動(dòng)距500 m，橫向滾動(dòng)每次滾動(dòng)6測線，滾動(dòng)距2 400 m，面元大小為縱向25 m×橫向25 m，覆蓋次數(shù)為12(縱向)×6(橫向)，縱橫比為0.428 9，依據(jù)實(shí)際地震資料，物理模型震源主頻為35 Hz，采樣率為1 ms(圖3)。

實(shí)驗(yàn)室物理模型數(shù)據(jù)采集使用超聲脈沖反射法(圖4)。模型放置到水箱中，依據(jù)儲(chǔ)層反射到達(dá)時(shí)與水層速度，通過調(diào)節(jié)模型下部墊塊的高度，來模擬儲(chǔ)層的不同埋深。根據(jù)模型儲(chǔ)層設(shè)計(jì)深度，其水層高度為420 mm。地震波的激發(fā)與接收采用單發(fā)單收方式，即一個(gè)換能器激發(fā)，一個(gè)換能器接收。通過保持激發(fā)換能器位置，移動(dòng)接收換能器，來模擬單炮多道采集。這種方式效率較低，但可以盡可能保持能量激發(fā)與接收的一致性。換能器移動(dòng)與激發(fā)通過電腦程序控制，在程序中載入設(shè)計(jì)好的三維觀測系統(tǒng)，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。

圖4 四川盆地元壩地區(qū)地震物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the seismic physical modeling experiment device for Yuanba area,Sichuan Basin

物理模型數(shù)據(jù)處理與野外實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理相似，圖5是某一單炮記錄，可以發(fā)現(xiàn)模型地震記錄信噪比高，各層反射界面清晰。但是由于模型層數(shù)較多，層厚較薄，模型內(nèi)部界面間多次波較強(qiáng)，因此噪聲壓制的重難點(diǎn)是去除多次波。為了有效去除多次波的干擾，提高信噪比，處理時(shí)采用多種去多次波的方法，包括預(yù)測反褶積、高精度Radon變換濾波及統(tǒng)計(jì)子波反褶積等方法。

圖5 四川盆地元壩地區(qū)物理模型單炮記錄Fig.5 Single shot records of physical model in Yuanba area,Sichuan Basin

3 物理模型地震數(shù)據(jù)分析

地震響應(yīng)特征分析技術(shù)在相控型礁灘儲(chǔ)層和深層白云巖儲(chǔ)層的分布預(yù)測得到廣泛應(yīng)用，包括反射振幅、反射頻率和反射結(jié)構(gòu)等[27-29]。因此針對(duì)臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層物理模型，開展了實(shí)驗(yàn)室地震響應(yīng)特征分析。

地震反射振幅的變化與儲(chǔ)層形態(tài)和物性相關(guān)，實(shí)驗(yàn)室物理模型的優(yōu)勢是可以得到精確的儲(chǔ)層幾何形態(tài)和物性等信息，用于定性和定量的分析振幅與儲(chǔ)層的關(guān)系。因此首先通過模型地震剖面與形態(tài)剖面的對(duì)比來定性分析振幅變化。圖6所示為過模型臺(tái)緣區(qū)不同儲(chǔ)層的橫向(主測線)地震剖面與地層形態(tài)剖面的對(duì)比圖。由圖可見，模型地震剖面與實(shí)際野外地震剖面反射特征具有很好的相似性，同時(shí)地震剖面與地層形態(tài)剖面相符，說明模型設(shè)計(jì)、制作、數(shù)據(jù)采集與處理等流程合理可靠；臺(tái)緣區(qū)茅口組二期灘上覆3個(gè)薄層在地震剖面上不可分辨，其地震響應(yīng)特征為強(qiáng)波峰；茅口組二期灘儲(chǔ)層作為研究目標(biāo)，其響應(yīng)特征為強(qiáng)波峰下10～20 ms處的地震響應(yīng)。圖6a為不同速度茅三段二期灘儲(chǔ)層地震剖面與形態(tài)剖面對(duì)比，同一厚度，儲(chǔ)層速度越小，波峰振幅越強(qiáng)。圖6b為不同厚度茅三段二期灘儲(chǔ)層地震剖面與形態(tài)剖面對(duì)比，同一速度，儲(chǔ)層厚度大，波峰振幅越強(qiáng)。對(duì)比儲(chǔ)層厚度、物性與地震反射特征，可以發(fā)現(xiàn)茅三段二期灘儲(chǔ)層發(fā)育，對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)波峰，當(dāng)儲(chǔ)層厚度增加、物性變好時(shí)，波峰變強(qiáng)。

圖6 四川盆地元壩地區(qū)茅三段二期灘儲(chǔ)層物理模型地震剖面與形態(tài)剖面對(duì)比Fig.6 Comparison of physical model seismic section and morphological section of the Phase II shoal reservoirs of Mao 3 Member in Yuanba area,Sichuan Basina.不同速度；b.不同厚度①.儲(chǔ)層速度4 350 m/s，厚度30 m；②.儲(chǔ)層速度5 100 m/s，厚度30 m；③.儲(chǔ)層速度5 500 m/s，厚度30 m；④.儲(chǔ)層速度5 100m/s， 厚度40 m；⑤.儲(chǔ)層速度5 100 m/s，厚度30 m

為了定量分析振幅變化與儲(chǔ)層物性的關(guān)系，在三維數(shù)據(jù)上統(tǒng)計(jì)了儲(chǔ)層發(fā)育段的振幅強(qiáng)度。由于儲(chǔ)層形態(tài)為透鏡狀，因此每種儲(chǔ)層只統(tǒng)計(jì)了其中心處的厚度與振幅(圖7)。由圖可見，當(dāng)儲(chǔ)層速度小于5 500 m/s，厚度大于等于20 m時(shí)，可以看到明顯的正振幅，且隨著儲(chǔ)層厚度增加、速度減小而增大。當(dāng)儲(chǔ)層速度為5 500 m/s，或者厚度小于20 m時(shí)，其正振幅較小，且隨著儲(chǔ)層厚度減小、速度增加而減小，最終由于調(diào)諧效應(yīng)的影響而成為波谷。

圖7 四川盆地元壩地區(qū)茅三段二期灘儲(chǔ)層發(fā)育程度與振幅交匯圖Fig.7 Crossplot of reservoir thickness and amplitude of the Phase Ⅱ shoal reservoirs of Mao 3 Member in Yuanba area,Sichuan Basin

圖8 四川盆地元壩地區(qū)物理模型地震剖面解釋Fig.8 Seismic section interpretation of the physical model in Yuanba area,Sichuan Basin

圖9 四川盆地元壩地區(qū)茅口組二期灘儲(chǔ)層發(fā)育段不同時(shí)窗均方根振幅屬性Fig.9 RMS amplitude properties of different time windows of the Phase II shoal reservoir of Mao 3 Member in Yuanba area,Sichuan Basina.基于常規(guī)解釋；b.基于物理模型形態(tài)解釋

多屬性分析對(duì)于識(shí)別臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層具有很好的效果，因此在振幅屬性基礎(chǔ)上，對(duì)聚類分析與頻率屬性識(shí)別淺灘儲(chǔ)層的效果進(jìn)行了分析。圖10給出了臺(tái)緣儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)聚類分析(圖10a)和瞬時(shí)頻率(圖10b)屬性，由圖可以看到聚類分析對(duì)于儲(chǔ)層邊界刻畫較差，瞬時(shí)頻率對(duì)于區(qū)分儲(chǔ)層邊界具有很好的效果。分析認(rèn)為由于波形受到儲(chǔ)層與上覆層厚度、相對(duì)位置的影響，聚類分析對(duì)于儲(chǔ)層邊界指示性較差，而瞬時(shí)頻率主要受到儲(chǔ)層發(fā)育影響，對(duì)于區(qū)分儲(chǔ)層邊界的能力更強(qiáng)。

圖10 四川盆地元壩地區(qū)茅口組二期灘儲(chǔ)層發(fā)育段地震屬性分析Fig.10 Seismic attribute analysis of the Phase Ⅱ shoal reservoir of Mao 3 Member in Yuanba area,Sichuan Basina.波形聚類分析；b.瞬時(shí)頻率屬性

4 結(jié)論

1) 當(dāng)臺(tái)緣淺灘儲(chǔ)層沉積厚度大，儲(chǔ)層物性好時(shí)，地震響應(yīng)特征為中強(qiáng)波峰。隨著儲(chǔ)層厚度減小、物性變差，波峰能量減小，最終由于調(diào)諧效應(yīng)的影響而轉(zhuǎn)變?yōu)椴ü龋?/p>

2) 臺(tái)緣淺灘薄儲(chǔ)層基于大時(shí)窗的地震屬性分析技術(shù)不能準(zhǔn)確刻畫沉積微相的變化，依據(jù)地質(zhì)、測井等信息，開展地層精細(xì)解釋，優(yōu)化地震屬性分析窗口，充分發(fā)揮地震資料的分辨能力，能夠更好的刻畫淺灘地震相及儲(chǔ)層的分布；

3) 不同地震屬性分析技術(shù)，需要依據(jù)實(shí)際儲(chǔ)層地質(zhì)、地震特征合理使用。