鹽間頁(yè)巖油韻律層地震響應(yīng)模擬及頁(yè)巖薄儲(chǔ)層厚度預(yù)測(cè)

仉 濤，郭智奇，劉 財(cái)，劉喜武，劉宇巍

1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026 2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3.中國(guó)石化頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 4.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

江漢盆地中部的潛江凹陷發(fā)育巨厚的鹽韻律夾砂泥巖的鹽系地層，其中目標(biāo)儲(chǔ)層為上、下鹽巖之間夾持的一套泥巖、云質(zhì)頁(yè)巖以及鈣芒硝巖地層[1-3]。該套地層單位巖石含油量、可動(dòng)性好，是陸相頁(yè)巖油領(lǐng)域最有可能實(shí)現(xiàn)突破的方向之一。目前的研究表明潛江凹陷的鹽間頁(yè)巖油具有可觀的儲(chǔ)量[1-3]，然而鹽間頁(yè)巖油韻律層的地震識(shí)別與描述仍面臨挑戰(zhàn)。現(xiàn)有地震分辨率和反演技術(shù)難以精確識(shí)別和描述韻律背景中頁(yè)巖薄層厚度的空間展布，成為限制鹽間頁(yè)巖油儲(chǔ)層有效開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)瓶頸。

在薄互層地震響應(yīng)特征的研究方面：Widess[4]通過(guò)研究薄層的調(diào)諧效應(yīng)，將厚度小于入射子波波長(zhǎng)1/4的地層結(jié)構(gòu)定義為薄層。Kallweit[5]詳細(xì)討論了薄層厚度與地震反射振幅的關(guān)系。Bakke等[6-8]研究了薄層地震AVO響應(yīng)特征與調(diào)諧效應(yīng)的關(guān)系。對(duì)于實(shí)際非均勻?qū)訝罱橘|(zhì)，地震反射系數(shù)與入射波頻率有關(guān)，因此Aki等[9-10]提出了傳播矩陣算法，用于計(jì)算層狀介質(zhì)中隨頻率變化的地震反射響應(yīng)。此外，Liu等[11]研究了楔形模型中瞬時(shí)峰值頻率與薄層厚度的關(guān)系。姚建陽(yáng)[12]研究了頻率域估算地層厚度的方法。劉建華等[13]通過(guò)引入地震反射的波峰、波谷和零值點(diǎn)進(jìn)行薄層厚度的估算，提出了基于反射波特征分析估算薄層厚度的方法。蘇盛甫[14]針對(duì)薄砂層與碳酸鹽巖互層地層結(jié)構(gòu)地震反射特征的分析，提出利用波形特征與頻率信息的薄層厚度定量解釋方法。汪恩華等[15-16]通過(guò)地層厚度與其反射系數(shù)和反射波頻譜關(guān)系的研究，提出了一種薄層厚度的計(jì)算方法。Sun等[17]研究了薄層結(jié)構(gòu)地震峰值頻率與薄層厚度的解析關(guān)系，并與利用振幅信息估算薄層厚度的傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，提高了薄層厚度的預(yù)測(cè)精度。李雪英等[18-19]基于波動(dòng)理論正演模擬并分析了復(fù)雜薄互層模型的地震響應(yīng)特征。劉財(cái)?shù)萚20]基于傳播矩陣?yán)碚撻_(kāi)發(fā)了基于波形對(duì)比的砂泥巖薄互層地震反演技術(shù)，由地震反射波形特征反演砂泥巖組合結(jié)構(gòu)及砂體的空間展布。陳思民等[21]通過(guò)合成地震記錄標(biāo)定，使用小尺度小波系數(shù)曲線對(duì)歧口坳陷沉積旋回進(jìn)行了精細(xì)識(shí)別。張軍華等[22]通過(guò)分析井震特征及優(yōu)選地震屬性，使用非線性儲(chǔ)層預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)了東營(yíng)凹陷深部?jī)?chǔ)層厚度。魏敏等[23]利用混合相位子波反褶積技術(shù)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地薄砂體儲(chǔ)層進(jìn)行高分辨率波形指示反演，預(yù)測(cè)了儲(chǔ)層砂體平面展布情況和厚度。

由于目前的地震預(yù)測(cè)方法大部分僅適用于單一層薄層厚度的預(yù)測(cè)，對(duì)于韻律結(jié)構(gòu)中薄層及薄互層預(yù)測(cè)不完全適用。因此，本文針對(duì)江漢盆地潛江凹陷鹽間頁(yè)巖油韻律層，在地質(zhì)地球物理建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)高精度合成地震記錄計(jì)算并分析其地震反射特征，開(kāi)發(fā)基于模型的高分辨率頁(yè)巖薄層厚度地震預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)韻律背景中頁(yè)巖薄層厚度的空間展布，為頁(yè)巖油甜點(diǎn)區(qū)的識(shí)別提供儲(chǔ)層厚度信息。

1 鹽間頁(yè)巖油儲(chǔ)層地質(zhì)地球物理概況

本文針對(duì)江漢盆地鹽間頁(yè)巖油韻律層進(jìn)行地震響應(yīng)特征及儲(chǔ)層厚度預(yù)測(cè)研究。圖1為研究區(qū)域目標(biāo)層雙程反射時(shí)間等值線圖，以及研究區(qū)11口井位置。其中，典型井2號(hào)井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)如圖2所示，圖中給出目標(biāo)韻律中頁(yè)巖層位置。

表1給出了圖1中11口井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包括目標(biāo)韻律層中薄層頁(yè)巖的縱波速度(vP)、密度(ρ)、縱波阻抗(IP)、厚度(H),以及計(jì)算得到的鹽巖/頁(yè)巖界面的地震反射系數(shù)(RPP)。

表1 目標(biāo)韻律層11口井中參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 鹽間頁(yè)巖油目標(biāo)層頂界面雙程反射時(shí)間等值線圖

通過(guò)對(duì)11口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)中頁(yè)巖縱波速度具有較大的變化范圍(3.7～4.5 km/s)，而密度變化范圍不大(2.4～2.6 g/cm3)，因此，相應(yīng)的縱波阻抗具有較大的變化范圍(8.9～11.9(km/s)·(g/cm3))。由于韻律層中鹽巖的縱波速度和密度變化較小、縱波阻抗較穩(wěn)定(9.2(km/s)·(g/cm3))，因此鹽巖/頁(yè)巖界面的地震反射系數(shù)主要取決于頁(yè)巖波阻抗的變化。研究區(qū)鹽巖/頁(yè)巖界面的地震反射系數(shù)的數(shù)值范圍變化較大。

從目標(biāo)韻律層地震均方根反射振幅(圖3)中可以看出，地震反射能量在不同的構(gòu)造區(qū)域都呈現(xiàn)顯著的變化。對(duì)比地震反演得到的目標(biāo)韻律層中頁(yè)巖的縱、橫波速度(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖速度與地震反射振幅不存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)合上述測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的分析，目標(biāo)層地震反射特征的變化與韻律層中頁(yè)巖縱波速度、厚度的變化密切相關(guān)。

圖3 目標(biāo)韻律層地震均方根振幅

圖4 目標(biāo)韻律層地震反演縱波(a)、橫波(b)速度

2 鹽間頁(yè)巖油韻律層地震響應(yīng)模擬及分析

2.1 傳播矩陣?yán)碚?/h3>

在傳播矩陣?yán)碚摲椒ㄖ?，由如下公式?jì)算反射系數(shù)(RPP、RPS)和透射系數(shù)(TPP、TPS)[24]：

r=[RPP,RPS,TPP,TPS]T=

(1)

其中：

iP=iω[βP1,γP1,-ZP1,-WP1]T；

(2)

(3)

A2=iω·

(4)

式中：iP為P波入射向量；A1、A2分別為上、下層傳播矩陣，與上下層介質(zhì)的物性有關(guān)；Bα(α=1,2,…,N)為N層結(jié)構(gòu)中薄層的傳播矩陣；s為慢度；h為薄互層總厚度；ω為入射波頻率；γ、β、W、Z均為與物性參數(shù)有關(guān)的變量，其下標(biāo)P、S分別對(duì)應(yīng)準(zhǔn)縱波、準(zhǔn)橫波，1、2分別對(duì)應(yīng)上、下層介質(zhì)。

2.2 高精度合成地震記錄及井震標(biāo)定

根據(jù)傳播矩陣?yán)碚?，?jì)算鹽間韻律層的高精度合成地震記錄，分析目標(biāo)層地震響應(yīng)特征。計(jì)算合成地震記錄使用了主頻為45 Hz的Ricker子波(圖5)。對(duì)研究區(qū)2號(hào)井進(jìn)行井震標(biāo)定(圖6)，建立實(shí)際地震數(shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的聯(lián)系?；诠?5)分別計(jì)算褶積合成記錄、傳播矩陣合成記錄(圖6d、e)與實(shí)際地震數(shù)據(jù)(圖6f)在目標(biāo)層段的Pearson相關(guān)系數(shù)：

圖5 Ricker子波(a)及其頻譜(b)

a.縱波速度；b.密度；c.縱波阻抗；d.褶積合成記錄；e.傳播矩陣合成記錄；f.過(guò)井地震道數(shù)據(jù)。

(5)

式中：X和Y表示計(jì)算相關(guān)時(shí)用到的兩組地震數(shù)據(jù)；n為地震數(shù)據(jù)的時(shí)窗長(zhǎng)度；i表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。計(jì)算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.760 4和0.900 8。因此，傳播矩陣方法計(jì)算得到的合成地震記錄與波形特征吻合更好，具有更高的模擬精度。同時(shí)，受限于韻律層中薄層厚度和地震分辨率，韻律層結(jié)構(gòu)與地震波形不存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 目標(biāo)韻律層地震反射特征分析

過(guò)研究區(qū)2號(hào)井的地震剖面如圖7所示。圖中標(biāo)出了韻律層地震反射層位及目標(biāo)韻律中頁(yè)巖層位置。從圖中可以觀察到，過(guò)井剖面中目標(biāo)韻律層地震反射波形的振幅和相位存在明顯的橫向變化。根據(jù)前文分析，目標(biāo)層地震反射動(dòng)力學(xué)特征的變化主要受頁(yè)巖薄層縱波速度、厚度的影響。

圖7 過(guò)研究區(qū)2號(hào)井的地震剖面

3 基于模型的頁(yè)巖油薄層厚度地震預(yù)測(cè)

3.1 目標(biāo)層地質(zhì)地球物理模型

根據(jù)研究區(qū)11口井?dāng)?shù)據(jù)分析，以2號(hào)井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立地質(zhì)地球物理模型。模型中，假設(shè)目標(biāo)韻律中非均勻頁(yè)巖層的縱波速度相對(duì)于原始井中測(cè)量值的變化分別為-10%、-8%、-6%、-4%、-2%、0%、2%、4%、6%、8%和10%等11種情況，并且在每種情況下非均勻頁(yè)巖薄層的厚度相對(duì)于原始井中測(cè)量值的變化分別為-60%、-40%、-20%、0%、20%、40%、60%、80%和100%等9種情況。因此，模型空間考慮了頁(yè)巖薄層縱波速度和厚度共99種組合變化的模型。之后，應(yīng)用傳播矩陣方法計(jì)算上述模型對(duì)應(yīng)的高精度合成地震記錄，作為頁(yè)巖薄儲(chǔ)層厚度預(yù)測(cè)的模型空間。

本文展示了2號(hào)井目標(biāo)韻律中頁(yè)巖薄層的縱波速度相對(duì)于原始井中測(cè)量值-10%、0%、10%三種變化情況(圖8)，頁(yè)巖薄層厚度相對(duì)于原始測(cè)量值的變化范圍為-60%～100%時(shí)的模型(圖8a、c、e)和相應(yīng)的合成地震記錄(圖8b、d、f)，圖中頁(yè)巖薄層厚度隨道號(hào)的增大而增大?？梢杂^察到，地震反射波形的振幅和相位隨非均勻頁(yè)巖薄層的縱波速度和厚度的變化存在明顯的變化，這些變化是本文頁(yè)巖薄層厚度預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

通過(guò)計(jì)算圖8中3組模型第一道與其余道地震記錄之間的Pearson相關(guān)系數(shù)(圖9a)可以觀察到，對(duì)于不同縱波速度變化情況，隨著厚度增大，計(jì)算得到的合成地震記錄的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，即波形的相關(guān)性減小。由此可知，Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)3組模型地震記錄中波形的變化較為敏感。

為了分析波形相近的地震記錄對(duì)Pearson相關(guān)系數(shù)的敏感性，本文計(jì)算了圖8中兩組模型之間對(duì)應(yīng)道號(hào)的地震記錄的Pearson相關(guān)系數(shù)(圖9b)。其中，黑色實(shí)線和紅色實(shí)線分別為模型1和模型2之間、模型2和模型3之間的相關(guān)系數(shù)，其頁(yè)巖層縱波速度差異10%，地震記錄的能量差異較?。凰{(lán)色實(shí)線為模型1和模型3之間的相關(guān)系數(shù)，其中頁(yè)巖層縱波速度差異20%，地震記錄的能量差異較大?？梢杂^察到，兩組模型之間的Pearson相關(guān)系數(shù)較大(> 0.75)，但是，隨著頁(yè)巖層縱波速度差異增大，Pearson相關(guān)系數(shù)減小。因此，通過(guò)分析可知，對(duì)于波形相近的地震記錄，Pearson相關(guān)系數(shù)較不敏感，但是隨著能量差異增大，Pearson相關(guān)系數(shù)的敏感性增強(qiáng)。

a.第1組模型：vP變化-10%，H變化范圍為-60%～100%；b.第1組模型的地震響應(yīng)；c.第2組模型：vP不變，H變化范圍為-60%～100%；d.第2組模型的地震響應(yīng)；e.第3組模型：vP變化10%，H變化范圍為-60%～100%；f.第3組模型的地震響應(yīng)。

圖9 三組模型中地震記錄的Pearson相關(guān)系數(shù)(a)及兩組模型對(duì)應(yīng)道號(hào)的地震記錄的Pearson相關(guān)系數(shù)(b)

3.2 鹽間頁(yè)巖油薄層厚度地震預(yù)測(cè)方法

目標(biāo)韻律層中非均勻頁(yè)巖層的縱波速度、厚度變化時(shí)，地震波形存在明顯的變化(圖8)。因此，可以利用地震反射波形特征的變化進(jìn)行頁(yè)巖薄層厚度預(yù)測(cè)。通過(guò)求取目標(biāo)層實(shí)際地震反射波形與上述構(gòu)建的模型空間中地震波形的最佳匹配，預(yù)測(cè)頁(yè)巖薄層的縱波速度和厚度：

F(y)=C(So,Sm(y))→max。

(6)

式中：So為實(shí)際地震數(shù)據(jù)；Sm(y)為模型空間中地震數(shù)據(jù)；目標(biāo)函數(shù)中y=[vP,H]為待求參數(shù)。由于頁(yè)巖薄層縱波速度可由地震反演方法得到(圖4a)，因此，目標(biāo)函數(shù)中待反演參數(shù)為頁(yè)巖薄層厚度。

將該預(yù)測(cè)方法應(yīng)用到潛江凹陷研究區(qū)實(shí)際地震數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了目標(biāo)韻律中頁(yè)巖薄層厚度的空間分布(圖10)，厚度變化范圍為5～20 m，并且由西南向東北呈增加趨勢(shì)。研究區(qū)11口井位置處地震預(yù)測(cè)的頁(yè)巖層厚度與井中實(shí)測(cè)厚度對(duì)比如圖11所示，井位順序按頁(yè)巖層實(shí)測(cè)厚度大小排列。從圖中可以觀察到，除3號(hào)井和9號(hào)井外，預(yù)測(cè)的頁(yè)巖薄層厚度與測(cè)井解釋結(jié)果具有較高的一致性，驗(yàn)證了本文基于波形的非均勻頁(yè)巖薄層厚度預(yù)測(cè)方法的有效性及適用性。

圖10 目標(biāo)韻律中頁(yè)巖薄層厚度地震預(yù)測(cè)結(jié)果

圖11 目標(biāo)韻律中頁(yè)巖薄層厚度地震預(yù)測(cè)結(jié)果的測(cè)井驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文研究了鹽間頁(yè)巖油韻律層地震響應(yīng)模擬及頁(yè)巖薄儲(chǔ)層厚度預(yù)測(cè)方法，研究結(jié)論如下：

1)針對(duì)研究區(qū)鹽間頁(yè)巖油的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)韻律中頁(yè)巖薄層的縱波速度、厚度隨空間位置變化明顯，使得地震反射系數(shù)呈現(xiàn)較大范圍的變化。同時(shí)，過(guò)井地震剖面顯示目標(biāo)韻律中頁(yè)巖層地震反射波形的振幅和相位存在明顯的橫向變化，與頁(yè)巖薄層的縱波速度、厚度的變化密切相關(guān)。

2)基于傳播矩陣方法計(jì)算高精度合成地震記錄及井震標(biāo)定，與實(shí)際過(guò)井地震道的對(duì)比表明波形吻合程度高，驗(yàn)證了傳播矩陣方法的有效性，為韻律層地震響應(yīng)特征模擬分析，以及本文反演方法中模型空間的建立提供了高精度正演方法。

3)開(kāi)發(fā)了基于波形的非均勻頁(yè)巖薄層厚度地震預(yù)測(cè)方法。基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，在模型空間中設(shè)計(jì)非均勻頁(yè)巖薄層縱波速度和厚度組合變化模型，并由傳播矩陣方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的波形響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算實(shí)際地震數(shù)據(jù)與模型空間中地震波形的最佳匹配，預(yù)測(cè)頁(yè)巖薄層厚度的空間分布。預(yù)測(cè)得到的頁(yè)巖薄層厚度變化范圍為5～20 m，并且由西南向東北呈增加趨勢(shì)。預(yù)測(cè)厚度與井中實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比具有較高的一致性，驗(yàn)證了本文方法的有效性，可以為鹽間頁(yè)巖油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供儲(chǔ)層厚度信息。