春光探區(qū)強(qiáng)反射背景下的薄儲集層預(yù)測

謝啟，李恒權(quán)，李磊，張新超，郭佳玉，楊星星，賈秀容

（中國石化 河南油田分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450018）

強(qiáng)反射背景下儲集層地震響應(yīng)的恢復(fù)及薄儲集層的有效識別是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1-4]。通常直接應(yīng)用地震屬性來預(yù)測強(qiáng)反射背景下的儲集層，地震反射同相軸的振幅、相位以及頻率信息可反映巖相突變的地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元，但不能準(zhǔn)確反映儲集層的特征。

春光探區(qū)石炭系之上自下而上超覆白堊系、古近系和新近系，前人針對巖性結(jié)構(gòu)簡單、厚度大、埋深小、砂泥巖速度差異大的新近系沙灣組儲集層已做大量研究[5-7]，主要利用儲集層地震響應(yīng)特征明顯的旁瓣振幅屬性，有效識別埋深不超過1 200 m、厚度達(dá)6 m、速度明顯小于泥巖的儲集層，但更深層的超覆在石炭系強(qiáng)反射之上的其他儲集層勘探進(jìn)展緩慢。白堊系儲集層埋藏深度約2 100 m，發(fā)育互層結(jié)構(gòu)的儲集層且單層儲集層厚度小，僅2～4 m，砂巖和泥巖速度相近，儲集層地震識別和預(yù)測難度較大。通過深入分析研究區(qū)地質(zhì)、地震、鉆井、測井等資料，針對白堊系儲集層多期疊置、厚度小、埋藏深、預(yù)測難度大等問題，利用分離儲集層與石炭系強(qiáng)反射界面正演分析，建立了春光探區(qū)石炭系強(qiáng)反射之上薄儲集層地震響應(yīng)模型，薄儲集層的地震響應(yīng)特征完全被石炭系強(qiáng)反射屏蔽時(shí)，確定薄儲集層與強(qiáng)反射界面之間的距離，獲取聲波時(shí)差曲線及自然伽馬曲線的優(yōu)勢頻率，構(gòu)建擬波阻抗曲線。垂向上建立擬波阻抗曲線與井點(diǎn)處地震波形的對應(yīng)關(guān)系，橫向上利用地震波形所反映薄儲集層空間相變特征進(jìn)行外推，運(yùn)用地震波形指示反演，對石炭系強(qiáng)反射背景下的白堊系薄儲集層的平面展布范圍進(jìn)行預(yù)測，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 區(qū)域概況

春光探區(qū)構(gòu)造上隸屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起車排子凸起，其西面和北面鄰近加依爾山，南部緊鄰四棵樹凹陷，東面與紅車斷裂帶相接（圖1）。整體表現(xiàn)為向南東傾伏的單斜構(gòu)造，地層傾角約3°。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置Fig.1.Structural location of the study area

春光探區(qū)石炭系頂部火山巖分布穩(wěn)定，且車排子凸起長期處于隆升狀態(tài)，石炭系風(fēng)化時(shí)間長，風(fēng)化裂縫系統(tǒng)大面積分布，可以作為油氣長距離輸導(dǎo)通道[8-10]。白堊系、古近系和新近系沙灣組存在多個(gè)油藏，均分布在與石炭系頂不整合面垂向距離較近的圈閉中，受不整合面的控制。白堊系緊鄰石炭系不整合面的超覆帶既是地層-巖性圈閉發(fā)育的有利部位，又有良好的輸導(dǎo)條件，控制著油氣的分布，是預(yù)探部署的重點(diǎn)區(qū)帶[11-12]。春光探區(qū)石炭系平均密度為2.45 g/cm3，平均速度為5 500 m/s；白堊系、古近系和新近系沙灣組儲集層平均密度為2.23 g/cm3，平均速度為3 000 m/s。由于石炭系密度和速度與上覆儲集層存在明顯差異，在石炭系頂界面形成強(qiáng)反射，而上覆地層砂巖和泥巖的速度、密度差異小，因而上覆地層地震響應(yīng)受石炭系強(qiáng)反射的屏蔽。此外，白堊系為砂泥巖互層，儲集層厚度小且橫向變化快，常規(guī)方法無法準(zhǔn)確刻畫儲集層展布，繼而無法對該區(qū)鉆探提供有效支撐。

2 強(qiáng)反射背景下薄儲集層解釋的問題

春光探區(qū)白堊系為辮狀河三角洲沉積，儲集層較薄，為2～4 m，垂向上緊鄰石炭系，地震反射波受石炭系強(qiáng)反射影響較大。C136 井鉆遇的白堊系油層所在薄儲集層距離石炭系強(qiáng)反射相對較遠(yuǎn)，標(biāo)定在石炭系上方一個(gè)波谷內(nèi)（圖2a），為中強(qiáng)反射；C132 井鉆遇的白堊系油層所在薄儲集層距離石炭系強(qiáng)反射相對較近，標(biāo)定在石炭系頂?shù)膹?qiáng)波谷內(nèi)（圖2b），呈強(qiáng)反射。利用振幅屬性刻畫C136 井油層邊界，部署的C136-1 井獲得了高產(chǎn)油氣流（圖2c）；利用振幅屬性刻畫C132 井油層邊界，部署的C304 井和C304C 井相繼失利，均未鉆遇白堊系C132 井油層對應(yīng)的薄儲集層（圖2d）。

圖2 研究區(qū)過典型井地震剖面和振幅平面分布Fig.2.Seismic section and amplitude distribution through typical wells in the study area

統(tǒng)計(jì)以上各井白堊系薄儲集層底與石炭系頂?shù)木嚯x可知，C136 井薄儲集層底與石炭系頂距離最大，為26 m，地震振幅能夠反映C136井油層所在薄儲集層的平面展布；C132 井薄儲集層底與石炭系頂距離最小，為4 m，C304井和C304C井薄儲集層底與石炭系頂距離均在10 m左右，儲集層的地震振幅受石炭系頂影響，因此，需通過地震正演進(jìn)一步研究石炭系頂?shù)狡渖蟽瘜拥椎木嚯x對儲集層的地震響應(yīng)特征的影響。

3 強(qiáng)反射背景下儲集層預(yù)測

3.1 地球物理機(jī)制分析

為研究石炭系強(qiáng)反射對上覆薄儲集層的影響，建立薄儲集層底到石炭系頂不同距離的地震響應(yīng)模型。首先，分離薄儲集層與石炭系強(qiáng)反射界面，分別建立石炭系、薄儲集層、薄儲集層—石炭系地震響應(yīng)的波阻抗模型。其次，將模型分別與C132 井井旁道子波進(jìn)行褶積運(yùn)算，得到石炭系、薄儲集層、薄儲集層—石炭系的正演剖面（圖3）?？梢钥闯觯褐挥斜瘜拥椎绞肯淀斁嚯x達(dá)22 m 時(shí)，上部薄儲集層的地震響應(yīng)特征才不會受石炭系強(qiáng)反射的影響；距離小于12 m時(shí)，薄儲集層的地震響應(yīng)特征完全被石炭系的強(qiáng)反射所屏蔽，因此12 m即為調(diào)諧厚度[13]。

圖3 研究區(qū)薄儲集層到石炭系頂不同距離的正演剖面Fig.3.Forward modeling sections of thin reservoirs at different distances to the Carboniferous top in the study area

C132 井、C304 井和C304C 井石炭系之上白堊系薄儲集層底到石炭系強(qiáng)反射界面距離均小于12 m，因此，地震振幅無法刻畫C132井白堊系互層結(jié)構(gòu)內(nèi)2套薄儲集層的平面最大邊界，更無法準(zhǔn)確預(yù)測單層儲集層的展布范圍。為解決石炭系強(qiáng)反射背景下薄儲集層預(yù)測難題，利用調(diào)諧厚度對應(yīng)的頻率，采用小波變換分頻構(gòu)建擬波阻抗曲線，減弱石炭系強(qiáng)反射對薄儲集層地震響應(yīng)特征的影響，突出薄儲集層地震響應(yīng)特征，從而提高地震反演的分辨率。

3.2 擬波阻抗曲線構(gòu)建

3.2.1 理論基礎(chǔ)

常規(guī)波阻抗反演都用聲波時(shí)差曲線進(jìn)行約束，前提是聲波時(shí)差不受圍巖影響，能較好地反映儲集層巖性變化。當(dāng)儲集層之下存在高速基巖時(shí)，聲波時(shí)差曲線出現(xiàn)明顯的臺階，且與砂巖和泥巖不能較好地對應(yīng)。分析測井曲線中薄儲集層的特征，優(yōu)選對薄儲集層敏感的測井曲線，利用正演分析得到優(yōu)勢頻率，采用測井曲線分頻擬合[14-15]，運(yùn)用小波變換，在頻率域分解優(yōu)選的敏感測井曲線和聲波時(shí)差曲線，構(gòu)建擬波阻抗曲線。利用敏感測井曲線中的高頻信息反映薄儲集層，利用聲波時(shí)差曲線的低頻信息消弱聲波時(shí)差曲線強(qiáng)反射界面的波阻抗臺階。

3.2.2 構(gòu)建步驟

分析聲波時(shí)差、密度、中子、自然伽馬、電阻率等測井曲線，優(yōu)選出能識別薄儲集層的敏感測井曲線。

通過薄儲集層到石炭系強(qiáng)反射界面不同距離的正演分析，在薄儲集層地震響應(yīng)特征完全被石炭系強(qiáng)反射屏蔽時(shí)，此時(shí)薄儲集層底到石炭系強(qiáng)反射界面的距離即為調(diào)諧厚度，利用調(diào)諧厚度得出分辨薄儲集層對應(yīng)的頻率：

對聲波時(shí)差曲線進(jìn)行小波變換，得到聲波時(shí)差曲線頻率譜，低通濾波器公式為

用（2）式濾波，得到聲波時(shí)差曲線低頻部分：

對優(yōu)選的敏感測井曲線進(jìn)行小波變換，得到敏感測井曲線頻率譜，高通濾波器公式為

用（4）式濾波，得到敏感測井曲線高頻部分：

將得到的聲波時(shí)差曲線低頻部分和敏感測井曲線高頻部分進(jìn)行融合，生成頻譜曲線。針對頻譜曲線開展反小波變換，構(gòu)建新的聲波時(shí)差曲線。

利用密度曲線與構(gòu)建的聲波時(shí)差曲線，得到擬波阻抗曲線：

擬波阻抗曲線在頻率域融合聲波時(shí)差曲線低頻信息和儲集層敏感測井曲線高頻信息，能夠保證低頻波阻抗不變的同時(shí)反映高頻薄儲集層巖性特征。

3.3 儲集層預(yù)測

地震反演是儲集層地震預(yù)測技術(shù)的核心，能夠結(jié)合測井資料的縱向分辨率高和地震資料橫向空間延展性好的優(yōu)勢，更準(zhǔn)確地反映儲集層特征。然而地震的有效頻帶較窄，無法直接得到高頻部分。但地震波的橫向變化能夠表征沉積環(huán)境的變化，相似的沉積環(huán)境又具有能夠類比的巖性組合，因此，可以利用地震波形的橫向變化來表征不同的巖性，從而提高識別薄儲集層能力。以上述理論和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，在保證樣本波形特征相似的基礎(chǔ)上，按照空間距離對所有井進(jìn)行排序，優(yōu)選與預(yù)測點(diǎn)高度關(guān)聯(lián)的井作為初始模型，對高頻部分進(jìn)行最優(yōu)估算，確保最終反演的地震波形與原始地震波形一致，平面上符合沉積規(guī)律且空間上體現(xiàn)地震相的約束。

選用擬波阻抗曲線進(jìn)行地震反演，低頻波阻抗信息建立時(shí)間域的地震與深度域的測井曲線之間的聯(lián)系，高頻巖性信息與地震波形建立內(nèi)在聯(lián)系?；诘卣鸩ㄐ沃甘局旭R爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬算法[16-17]進(jìn)行反演過程中的薄儲集層橫向最優(yōu)估算，將初始模型與地震頻帶波阻抗進(jìn)行匹配濾波，計(jì)算得到似然函數(shù)。在貝葉斯框架下，通過聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗(yàn)分布得到后驗(yàn)概率分布，構(gòu)造與所求后驗(yàn)分布相同的馬爾科夫鏈，并將其作為目標(biāo)函數(shù)，不斷擾動(dòng)模型參數(shù)，將馬爾科夫鏈平穩(wěn)時(shí)的解作為三維地震數(shù)據(jù)體預(yù)測點(diǎn)擬波阻抗的樣本輸出，基于波形優(yōu)選波阻抗的樣本序列為{Z1，Z2，Zi，…，Zn}。通過用蒙特卡洛模擬的方法，對優(yōu)選的波阻抗樣本目標(biāo)函數(shù)期望進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)：

輸出的預(yù)測點(diǎn)擬波阻抗值能夠有效提高儲集層預(yù)測的精度，適用于橫向變化快的薄儲集層預(yù)測。

4 實(shí)例應(yīng)用

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)5口井的測井資料可知：聲波時(shí)差曲線平直微齒化，石炭系頂界面存在明顯臺階，且對石炭系上方的薄儲集層巖性變化不敏感；自然電位曲線較光滑，不受石炭系強(qiáng)反射界面影響，但僅能分辨較厚的砂巖層，對石炭系上方薄儲集層的巖性變化不敏感；自然伽馬曲線呈齒化指狀，不受石炭系強(qiáng)反射界面影響，對石炭系上方薄儲集層的巖性變化較敏感（圖4）。從白堊系薄儲集層的聲波時(shí)差與自然伽馬交會圖版可以看出，聲波時(shí)差無法區(qū)分白堊系砂巖與泥巖，自然伽馬能較好地區(qū)分砂巖與泥巖，因此優(yōu)選出研究區(qū)薄儲集層的巖性敏感測井曲線為自然伽馬曲線（圖5）。利用地震正演分析，得到聲波時(shí)差曲線及自然伽馬曲線的優(yōu)勢頻率，構(gòu)建的擬聲波時(shí)差曲線能有效反映白堊系厚度在2 m 以上的薄儲集層，且在不改變波阻抗前提下消弱聲波時(shí)差曲線的明顯臺階，運(yùn)用擬聲波時(shí)差曲線進(jìn)行薄儲集層反演，能對石炭系強(qiáng)反射背景下的薄儲集層進(jìn)行有效預(yù)測。

圖4 研究區(qū)C132井薄儲集層測井曲線及擬聲波時(shí)差曲線Fig.4.Logging curves of thin reservoirs and constructed AC curve in Well C132 in the study area

圖5 研究區(qū)儲集層測井參數(shù)敏感性分析Fig.5.Reservoir sensitivity analysis on the well logging curves in the study area

對春光探區(qū)C132 井區(qū)石炭系強(qiáng)反射背景下白堊系薄儲集層開展基于地震波形的波阻抗反演，與原始地震剖面及常規(guī)波阻抗剖面進(jìn)行對比，低波阻抗代表砂巖，高波阻抗代表泥巖，常規(guī)波阻抗反演和擬波阻抗反演的結(jié)果整體趨勢相同。C141 井原始地震剖面目的層標(biāo)定在石炭系強(qiáng)波谷內(nèi)（圖6a），而石炭系強(qiáng)反射影響薄儲集層的響應(yīng)，常規(guī)波阻抗反演的分辨率與地震剖面基本一致（圖6b），分辨率較低，無法精細(xì)刻畫石炭系強(qiáng)反射背景下的薄儲集層及其橫向變化。利用擬波阻抗曲線，開展地震波形指示反演，地震剖面上的石炭系強(qiáng)波谷在反演剖面對應(yīng)位置分為2 個(gè)同相軸（圖6c），與C141 井的薄儲集層對應(yīng)關(guān)系好，分辨率高，波阻抗尖滅點(diǎn)可代表砂巖尖滅點(diǎn)，砂巖尖滅自然，同時(shí)可以體現(xiàn)出砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和沉積演化規(guī)律。該反演方法在提高分辨率的同時(shí)，充分利用了地震波形的橫向變化來反映薄儲集層的空間相變特征。反演的垂向分辨率和橫向分辨率明顯提高，且符合地質(zhì)規(guī)律，反演效果好。基于此研究，C141 井在1 912—1 915 m 井段鉆遇厚度為3 m 的灰色熒光含礫細(xì)砂巖，獲工業(yè)油流，實(shí)鉆結(jié)果與鉆前預(yù)測一致，C141 井油層所在薄儲集層深度預(yù)測準(zhǔn)確，且能夠預(yù)測在石炭系強(qiáng)反射背景下其上方厚度為2～4 m 的薄儲集層。

圖6 過C141井地震剖面和反演剖面對比Fig.6.Seismic section and inversion sections through Well C141

通過與已鉆井對比，驗(yàn)證井C136 井、C304 井、C304C 井等在白堊系未發(fā)育C132 井鉆遇的薄油層，反演結(jié)果與已鉆井吻合，統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證井的符合率超過90%。進(jìn)一步說明地震波形指示反演可以降低石炭系強(qiáng)反射對薄儲集層地震響應(yīng)特征的影響，能夠有效提高薄儲集層預(yù)測精度。

利用地震波形指示反演數(shù)據(jù)體，根據(jù)薄儲集層在反演剖面上的特征，追蹤解釋C132 井油層的地震層位，提取了能夠準(zhǔn)確刻畫C132 井油層的擬波阻抗反演屬性，C132 井油層所在儲集層的平面展布情況與已鉆井吻合。采用該方法對春光探區(qū)石炭系強(qiáng)反射背景下的白堊系薄儲集層進(jìn)行了預(yù)測，識別出12 個(gè)巖性圈閉（圖7），圈閉總面積為5.7 km2。根據(jù)地震波形指示反演預(yù)測結(jié)果，對春光探區(qū)石炭系強(qiáng)反射之上的白堊系薄儲集層進(jìn)行鉆探，部署的預(yù)探井C141 井和評價(jià)井C312 井均獲得工業(yè)油氣流，新增控制石油儲量110×104t。以上2口井均位于擬波阻抗反演亮點(diǎn)區(qū)內(nèi)，驗(yàn)證了該方法的可靠性，可為石炭系強(qiáng)反射背景下薄儲集層預(yù)測提供技術(shù)支撐。

圖7 C132井白堊系油層頂面擬波阻抗反演屬性（a）與頂面構(gòu)造（b）Fig.7.(a)Pseudo wave impedance inversion attribute and(b)structure of the top Cretaceous reservoir in Well C132

該方法主要適用于研究區(qū)內(nèi)石炭系強(qiáng)反射背景下的白堊系薄儲集層，在儲集層與石炭系強(qiáng)反射界面距離在調(diào)諧厚度范圍內(nèi)、自然伽馬曲線巖性敏感、斷層發(fā)育較少、地震波形與沉積相變有明顯對應(yīng)關(guān)系的區(qū)域應(yīng)用效果較好。

5 結(jié)論

（1）春光探區(qū)石炭系強(qiáng)反射背景下薄儲集層預(yù)測技術(shù)能消弱石炭系強(qiáng)反射對薄儲集層地震響應(yīng)特征的影響，從而有效識別石炭系強(qiáng)反射背景下的薄儲集層；同時(shí)利用基于地震波形約束的高分辨率地震反演，提高反演的垂向分辨率和橫向分辨率，且符合地質(zhì)規(guī)律，反演效果好。在研究區(qū)內(nèi)多個(gè)井區(qū)應(yīng)用此方法，均獲得了良好的效果，為井位部署提供了技術(shù)支持。

（2）春光探區(qū)石炭系上方薄儲集層厚度小且側(cè)向疊置，當(dāng)薄儲集層底到石炭系頂距離小于12 m 時(shí)，薄儲集層的地震響應(yīng)特征完全被石炭系強(qiáng)反射所屏蔽。

（3）新構(gòu)建的測井曲線將不同曲線的優(yōu)勢進(jìn)行融合，利用聲波時(shí)差曲線的低頻信息，消弱聲波時(shí)差曲線明顯臺階；利用能反映薄儲集層的自然伽馬曲線的高頻信息，彌補(bǔ)聲波時(shí)差曲線對薄儲集層不敏感的缺點(diǎn)。

符號注釋

f──濾波函數(shù)中的頻率，Hz；

fd──調(diào)諧厚度對應(yīng)的頻率，Hz；

h──調(diào)諧厚度下限，m；

m──馬爾科夫鏈達(dá)到平穩(wěn)的波阻抗樣本數(shù)；

M（Zi）──波阻抗樣本目標(biāo)函數(shù)；

ME(Z)──波阻抗樣本目標(biāo)函數(shù)期望；

n──波阻抗樣本總數(shù)；

v──儲集層平均速度，m/s；

W1、W2──分別為低通濾波函數(shù)和高通濾波函數(shù)；

Wa──聲波時(shí)差低頻函數(shù)；

Wah──聲波時(shí)差與敏感曲線頻率融合生成的頻譜函數(shù)；

WAC──聲波時(shí)差頻譜函數(shù)；

Wh──敏感曲線高頻函數(shù)；

WMG──敏感曲線頻譜函數(shù)；

Z──構(gòu)建的擬波阻抗，g/cm3·m/s；

Zi──第i個(gè)樣本的波阻抗，g/cm3·m/s；

Zn──第n個(gè)樣本的波阻抗，g/cm3·m/s；

Δt──構(gòu)建的擬聲波時(shí)差，μs/m；

λi──第i個(gè)已知波阻抗樣本對未知樣本的權(quán)重；

ρ──巖石密度，g/cm3。