臨興地區(qū)致密砂巖儲層地震正演模型響應(yīng)研究

崔 哲， 邢文軍， 張 昊， 張軍林， 逄建東， 石雪峰， 郭颯颯

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

隨著全球?qū)τ蜌赓Y源的需求大幅度提升，致密砂巖油氣藏作為一種非常規(guī)油氣資源，其勘探開發(fā)一直是進(jìn)行商業(yè)開采的難點(diǎn)[1-4]。致密砂巖油氣藏指在低滲-特低滲致密砂巖儲層中賦存的一種非常規(guī)油氣資源[5-8]。中國擁有儲量豐富的致密砂巖油氣藏資源，且分布范圍廣泛，在鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、松遼盆地及渤海灣盆地均有分布[9-13]。本次研究針對鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)上古生界地層，沉積環(huán)境主要為陸相辮狀河-三角洲沉積體系，致密砂巖儲層橫向變化大且不穩(wěn)定，垂向上，砂泥巖組合復(fù)雜，且多為厚層泥巖及砂泥巖薄互層[14-17]。由于受地震資料分辨率影響，在進(jìn)行地震解釋及反演工作中存在一定困難。

為了解決地震反演結(jié)果解釋的多解性問題，提高地震資料的使用價值，地震正演模擬技術(shù)就顯得十分重要。正演模擬通過直觀地建立以實(shí)際地層發(fā)育特征為基礎(chǔ)的地質(zhì)模型，模擬地震正演響應(yīng)特征，指導(dǎo)地震資料解釋與反演結(jié)果解釋，提高儲層預(yù)測符合率及含油氣儲層的鉆遇率。

20世紀(jì)90年代始，地震正演技術(shù)迅速發(fā)展，并被中外學(xué)者廣泛用來分析油氣儲層特征。地震正演技術(shù)通過將實(shí)際地層發(fā)育特征模型化，并對其模擬得到相應(yīng)的地震響應(yīng)特征，胡修權(quán)等[18]針對白云巖建立了正演模型分析其地震響應(yīng)特征，并成功劃分了勘探有利區(qū)；馬乃拜等[19]針對塔里木盆地斷熔體設(shè)計(jì)正演模型，結(jié)果與實(shí)際地震資料吻合，成功指導(dǎo)了地震剖面斷熔體的識別；雍凡等[20]通過正演模擬的方法分析了隨機(jī)介質(zhì)的地震響應(yīng)特點(diǎn)，總結(jié)了從反射地震數(shù)據(jù)估算隨機(jī)介質(zhì)參數(shù)的方法及存在的問題；趙虎等[21]利用正演模擬，詳細(xì)分析石炭系地層反射的變化特征；李江[22]對巖漿侵入模型進(jìn)行正演模擬，分析了巖漿對煤層的影響；杜勁松等[23]通過對巖溶體上覆地層進(jìn)行正演模擬分析，提高了巖溶體儲層的預(yù)測精度。

地震正演模擬方法主要包括物理模擬方法和數(shù)值模擬方法。受實(shí)際條件限制，本次研究采用數(shù)值模擬的方法，結(jié)合實(shí)際地層砂泥巖組合特征建立虛化的地質(zhì)模型，并調(diào)整參數(shù)進(jìn)而研究參數(shù)的變化對地震響應(yīng)特征的影響，為研究儲層預(yù)測的準(zhǔn)確性提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣臨興中區(qū)(圖1)，屬于山西省西部臨縣與興縣境內(nèi)，面積約為746 km2，橫跨伊陜斜坡和晉西撓褶帶，而研究主體康寧東區(qū)塊構(gòu)造呈平緩狀態(tài)，西部為低幅構(gòu)造，南部為紫金山背斜區(qū)，在印支期為主強(qiáng)烈逆沖推覆與紫金山巖體共同作用下，研究區(qū)以發(fā)育逆斷層為主，發(fā)育有兩期，使得構(gòu)造層分為上下兩層[24-26]。南部受紫金山巖體影響，斷層由淺至深斷開層位較多；斷層呈放射狀，北部淺層發(fā)育規(guī)模小，以層間斷裂發(fā)育為主；斷層走向以北西向?yàn)橹?。紫金山隆起地區(qū)，斷裂發(fā)育，對氣藏后期保存十分不利。

研究區(qū)受到多期構(gòu)造運(yùn)動影響，地層在不斷隆升剝蝕和下沉作用下，缺失志留系和泥盆系地層，主力產(chǎn)氣層位自下而上劃分為石炭系本溪組及二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組。自西向東，本溪組地層厚度呈逐漸增大的趨勢，下石盒子組地層厚度呈逐漸減小的趨勢，太原組、山西組、上石盒子組、石千峰組地層厚度變化幅度較小[27-31]。

圖1 研究區(qū)地理位置

地層主要沉積環(huán)境為陸相湖泊-三角洲沉積體系，但不同地層，沉積環(huán)境差異較大，導(dǎo)致地層發(fā)育特征及巖性組合變化較大。主力產(chǎn)氣層段太2段為砂坪、潮汐水道和砂壩沉積，砂體發(fā)育厚度大且連續(xù)性好。而其余層段如盒2段、盒4段為分流河道沉積，砂體厚度小，橫向連通性差，且?guī)r性組合復(fù)雜[32-36]。

2 正演模型的建立及實(shí)現(xiàn)

正演模型可以看作是實(shí)際地層組合特征的一種簡化模型。為了研究致密砂巖儲層厚度、子波主頻及含氣性對地震響應(yīng)特征的影響，從而指導(dǎo)地震解釋及儲層預(yù)測工作[37-42]。本次研究選取臨興康寧東區(qū)某井位地層典型砂泥巖組合特征為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對其進(jìn)行正演模擬，分析其地震響應(yīng)特征。

數(shù)值模擬方法的主要原理是：假設(shè)已知地層組合特征及各物性參數(shù)，利用軟件模擬地震波在地下不同介質(zhì)間的傳播規(guī)律，以確定地下介質(zhì)的地震響應(yīng)特征。本次研究的主要步驟為：①利用實(shí)際測井資料統(tǒng)計(jì)分析，確定砂泥巖發(fā)育組合特征及巖石物理參數(shù)；②以實(shí)際砂泥巖組合特征及巖石物理參數(shù)，建立模型；③通過波動方程模擬計(jì)算地震響應(yīng)特征；④調(diào)整參數(shù)，分析參數(shù)的變化對地震響應(yīng)特征的影響[39]。

2.1 巖石物理參數(shù)分析

根據(jù)實(shí)際測井資料統(tǒng)計(jì)分析，以LX-23井為例(圖2)，該井石盒子組砂體厚度變化較大，最常見的砂泥巖組合為“泥包砂”和“砂泥巖薄互層”組合。其中，高產(chǎn)氣層縱波速度為3 908 m/s，密度為2.41 g/cm3，縱波阻抗為9 417 m/s·g/cm3；低產(chǎn)氣層縱波速度為4 175 m/s，密度為2.49 g/cm3，縱波阻抗為10 396 m/s·g/cm3；干砂巖層縱波速度為4 689 m/s，密度為2.59 g/cm3，縱波阻抗為12 145 m/s·g/cm3；泥巖層縱波速度為3 908 m/s，密度為2.62 g/cm3，縱波阻抗為10 238 m/s·g/cm3；從縱波阻抗上看，可以區(qū)分不同巖性反射界面。模型設(shè)計(jì)時，以研究區(qū)實(shí)際井位鉆井資料砂泥巖厚度及組合類型為準(zhǔn)。

2.2 正演模型設(shè)計(jì)

本次研究擬建立正演模型并實(shí)現(xiàn)實(shí)際地層模型波形模擬，子波類型為Richer子波，子波長度為100 ms，初始主頻為35 Hz，與目前絕大多數(shù)地震資料主頻一致，模型所處橫向網(wǎng)格為5 m，縱向網(wǎng)格1 m，道間距為25 m，采樣間隔為1 ms，不加入噪聲。本次模型設(shè)計(jì)以水平層狀模型為主，旨在研究不同砂泥巖組合特征對地震響應(yīng)的影響，指導(dǎo)后續(xù)反演解釋工作。

圖2 LX-23井上段及下段巖性發(fā)育特征

圖3 單層砂巖及雙層砂巖模型正演響應(yīng)特征

3 正演模型響應(yīng)特征分析

首先建立簡單的單層泥包砂組合模型(圖3)。分析發(fā)現(xiàn)，對于這種組合模型，在主頻頻率為30 Hz時，地震波形的波峰位置出現(xiàn)在泥-砂分界面，而波谷的位置出現(xiàn)在砂-泥分界面，且未發(fā)生偏移。而對于兩套砂巖中夾大段泥巖的模型中，波峰和波谷的位置已經(jīng)偏離了原始的分界面，且下部砂體未出現(xiàn)波峰響應(yīng)，說明最終地震資料呈現(xiàn)的地震波形是不同反射界面數(shù)據(jù)的疊加?；诖死碚摶A(chǔ)，展開以下研究分析。

3.1 原始模型正演響應(yīng)分析

原始水平層狀模型的建立基于實(shí)際井位的地層發(fā)育特征。根據(jù)地層發(fā)育特征，建立“砂包泥”模型，根據(jù)鉆井資料統(tǒng)計(jì)，各砂泥巖層厚度見表1。

表1 “砂包泥”模型各層厚度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)正演響應(yīng)特征結(jié)果分析(圖4)，當(dāng)主頻頻率Fm為25 Hz時，地震分辨率為39～45 m，多套砂泥巖反射界面的反射波相互疊加，只能反映包絡(luò)信息，為波峰強(qiáng)振幅。而在主頻頻率達(dá)到100 Hz時，多個砂巖層的反射相互獨(dú)立，但由于層厚度較薄，不能分開頂?shù)酌妗?/p>

當(dāng)砂巖發(fā)育以泥巖背景塊狀砂為主時(LX-23井上段)，建立砂泥巖地層模型，各層厚度如圖2(a)所示，正演響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

在泥巖背景上的砂巖頂界面整體反應(yīng)較好，在30 Hz時，中間兩個砂體有兩套波組，第4套砂組上的泥巖略薄，導(dǎo)致與第3套相互干涉形成一套波峰組合特征。由于反射界面之間的相互干涉，導(dǎo)致模型阻抗界面不一定對應(yīng)波峰或者波谷；避免習(xí)慣性地認(rèn)為高速標(biāo)志層(尤其較薄的砂泥巖界面)就是波峰的誤導(dǎo)，這對后期地震標(biāo)定有指導(dǎo)意義。而當(dāng)出現(xiàn)砂泥巖薄互層時，如上述模型上部第1套砂體組，各層砂巖厚度較小，且夾有薄層泥巖，在主頻頻率達(dá)到50 Hz時，也僅出現(xiàn)一套波峰響應(yīng)，且直到頻率達(dá)到200 Hz時，地震響應(yīng)也只出現(xiàn)一個波峰，并不能完全分開兩套砂體。

圖4 正演響應(yīng)結(jié)果分析

圖5 LX-23井上段砂泥巖模型正演響應(yīng)特征

而當(dāng)砂巖厚度較薄，遠(yuǎn)小于泥巖圍巖的厚度時，可以發(fā)現(xiàn)(圖6)，當(dāng)主頻頻率較高，達(dá)到60 Hz時，上面薄層雖然很薄，但是圍巖厚度較大，波峰反射特征比較明顯；第3套砂巖雖然比第1套砂巖厚，但是與第2套砂巖較近，泥巖夾層較薄，由于干涉作用，第3套砂巖沒能出現(xiàn)波峰反射特征。

圖6 薄層砂巖模型正演響應(yīng)特征

3.2 等效砂巖模型正演響應(yīng)分析

等效砂巖模型的建立，即是將所建模型中的薄泥巖夾層，替換為砂巖，將砂泥巖薄互層轉(zhuǎn)換為大塊砂體模型，而不改變原始模型的其余部分的巖石物理參數(shù)。將其與原始模型進(jìn)行對比，分析地震響應(yīng)特征的變化。

等效砂巖模型與原始模型地震響應(yīng)特征對比發(fā)現(xiàn)(圖7)，砂泥巖等效模型與原模型基本一致，去掉泥巖夾層后，地震反射特征變化不明顯。從該模型看，刻畫1 m左右的泥巖夾層完全不可能，有效識別薄層砂泥巖非常困難，導(dǎo)致通過地震數(shù)據(jù)解釋砂泥巖存在較大的多解性。

3.3 流體替換模型正演響應(yīng)分析

將原始模型中的干層砂巖等效替換為高產(chǎn)氣層(圖8)，主頻頻率為30 Hz時，可以看到與原始模型對比，高產(chǎn)氣層模型波形特征形態(tài)類似，只是深度發(fā)生變化。而當(dāng)主頻頻率更高之后，才能觀察到氣層特征與砂泥巖特征區(qū)別較大，氣層為一套波峰反射。而在實(shí)際生產(chǎn)中，地震資料主頻范圍大概在25～35 Hz，所以這在實(shí)際工作中也很難有效判斷是否氣層。

圖7 LX-23井下段砂泥巖薄互層原始模型與等效砂巖模型正演響應(yīng)特征對比(Fm=20 Hz)

圖8 單層砂體原始模型與流體替換模型正演響應(yīng)特征分析(右第1套砂體為高產(chǎn)氣層)(Fm=30 Hz)

當(dāng)發(fā)育多套砂巖時，將某一套干層砂巖替換為高產(chǎn)氣砂巖(圖9)，可以看到與原始模型相比，高產(chǎn)氣層砂巖模型波形發(fā)生較大變化，且最上部一套砂泥巖薄互層的波形相比原始模型發(fā)生了較大變化。高產(chǎn)氣層與最上部砂泥巖薄互層的距離為44.6 m， 超過了高產(chǎn)氣層影響的范圍，所以排除高產(chǎn)氣層對上部砂泥巖波形的影響。經(jīng)分析，其原因?yàn)橄鄬﹃P(guān)系的影響，上部砂泥巖正演波形振幅的范圍為0～1，而下部高產(chǎn)氣層砂巖的振幅，受到下部干層砂巖的影響，地震反射相互疊加，其振幅增強(qiáng)，由原來的兩套波峰特征變?yōu)橐惶撞ǚ宸瓷淝伊考夁_(dá)到10以上，位置發(fā)生了變化所以導(dǎo)致波形對比變化劇烈。

圖9 多套砂巖原始模型與流體替換模型正演響應(yīng)特征分析(右第3套砂體為高產(chǎn)氣層)(Fm=30 Hz)

4 結(jié)論

1)地震資料顯示的地震波形是不同反射界面數(shù)據(jù)的疊加，在較高分辨率時，多套砂巖層的反射相互獨(dú)立；較低分辨率時，多套砂巖層的反射波開始疊加，只能反映包絡(luò)信息。

2)從等效砂巖模型看出，去掉泥巖夾層的等效模型與原始模型地震響應(yīng)基本一致，導(dǎo)致通過地震數(shù)據(jù)解釋砂泥巖存在較大的多解性。

3)高產(chǎn)氣層的存在，僅會導(dǎo)致波形的位置發(fā)生變化，從剖面上看只是深度發(fā)生變化，這在實(shí)際工作中也很難有效判斷是否為氣層。

本次研究針對鄂爾多斯盆地致密砂巖儲層厚度變化大難預(yù)測的問題，將實(shí)際地層模型化進(jìn)行正演模擬，分析總結(jié)不同模型地震響應(yīng)特征規(guī)律，在現(xiàn)行地震主頻較低時，無法區(qū)分單層砂體，且與等效砂巖模型地震響應(yīng)一致，導(dǎo)致地震解釋多解性的存在；并且高產(chǎn)氣層砂體的存在，會影響到波形的變化，這些都是在儲層預(yù)測時所需考慮到的問題。