基于疊前同時反演的致密砂巖儲層預測及含氣性識別
——以蘇里格S區(qū)塊為例

張德明,劉志剛,臧殿光,廖顯鋒,劉志毅,劉國寶

(東方地球物理有限責任公司 西南物探研究院，四川 成都 610036)

0 引言

鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)是典型的非均質性極強的低滲、低透致密砂巖氣藏，該區(qū)發(fā)育緩坡型三角洲沉積體系[1]，主力儲層是上古生界二疊系石盒子組盒8段和山1段。2020年5月，工區(qū)北部的評價井W1井在盒8下亞段測試無阻流量242.2×104m3/d，測試穩(wěn)定井口壓力22.6 MPa，是目前蘇里格上古生界獲得的首口超過200×104m3/d無阻流量的高產(chǎn)井，創(chuàng)蘇里格氣田上古生界直斜井測試產(chǎn)量新紀錄，顯示了該區(qū)良好的勘探開發(fā)效果，打破了蘇里格地區(qū)低產(chǎn)氣普遍含水的固有看法，因此有必要對該地區(qū)儲層及氣水分布作進一步研究。W1井鉆井資料揭示，盒8縱向上為80～100 m的砂、泥巖不等厚互層。儲層主要為淺灰色細砂和灰白色中砂巖與棕褐色；儲集空間以次生溶蝕孔隙為主，孔隙度8%～20%，滲透率30～210 mD，屬于中低孔、中低滲儲層；盒8段同時還發(fā)育了灰色泥巖、泥質粉砂巖等細粒沉積物，屬于非儲層。

通過蘇里格氣田巖石物理分析可知，砂巖含氣后其縱波阻抗降低，且與泥巖疊置，使得二者無法有效區(qū)分[2]。以往研究區(qū)儲層預測以傳統(tǒng)地震方法和疊后縱波阻抗反演為主，導致砂巖優(yōu)質儲層以及氣水分布預測的失誤，制約了該區(qū)巖性油氣藏的進一步發(fā)現(xiàn)。而橫波阻抗主要反映巖石骨架信息[3-5]，且不隨巖石中流體變化而變化，縱橫波速度比進一步消除了密度的影響，因此，通過縱橫波速度比和縱波阻抗等多種彈性屬性交會可以有效提高復雜巖性預測和含油氣性預測的準確度。要獲取研究區(qū)橫波阻抗信息，需依賴于疊前參數(shù)反演，而疊前參數(shù)反演需要完鉆井的橫波資料作為趨勢約束以及包含了振幅隨偏移距或入射角變化信息的疊前CRP道集數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入。由于研究區(qū)實測橫波資料匱乏，不能為疊前反演提供精細的低頻模型約束；另外研究區(qū)道集存在近道能量弱，遠道能量強，局部地區(qū)信噪比低，道集遠端未拉平，道集AVO[6-9]特征不正確等現(xiàn)象，如不經(jīng)過針對性的優(yōu)化處理，將很難得出符合實際的地質認識。因此，尋找適合于研究區(qū)砂泥巖地層橫波預測模型以及合理的疊前道集優(yōu)化處理是迫切需要解決的問題。本文擬通過模型正演、道集優(yōu)化、橫波預測及巖石物理分析等關鍵技術，詳細研究疊前同時反演技術在該區(qū)儲層預測和含氣性檢測中的作用，期望為下一步圈定有利含氣儲層面積及井位部署提供有力的技術支撐。

1 模型正演

模型正演對地震資料品質分析和地質解釋具有指導作用[10]，為研究河道儲層地震響應特征提供了一種有效的方法。針對研究區(qū)儲層非均質性強、接觸界面反射特征不明顯及局部位置地震響應特征多解性強等問題，在詳細分析三維地震資料的基礎上，結合該區(qū)鉆井、測井及前期地質認識等資料，本文建立了低阻砂的正演模型，以此識別儲層的地震識別模式， 降低儲層預測的風險。圖1為工區(qū)內(nèi)典型低阻砂儲層正演模型，W1井盒8下亞段發(fā)育一套累厚15 m優(yōu)質低速儲層，其最大孔隙度可達20%以上；儲層頂界面與其頂部發(fā)育的一套相對高阻厚層砂質泥巖形成強波谷地震反射響應特征，儲層底界面由于受到山1段發(fā)育的一套低阻砂儲層的影響，綜合反射特征不明顯。

a—儲層正演地質模型;b—儲層正演結果;c—過W1井地震剖面a—reservoir forward modeling geological model;b—reservoir forward modeling result;c—seismic profile of well W1圖1 儲層正演模型Fig.1 Reservoir forward modeling

2 疊前同時反演關鍵環(huán)節(jié)

疊前同時反演保持了多種彈性參數(shù)反演的一致性，增強了反演結果的穩(wěn)定性和可靠性，能夠實現(xiàn)對地下地質體的最佳預測，其基本流程見圖2。①運用Xu-white模型對泥巖骨架和砂巖骨架混合，運用Biot-gassmann方程對礦物及流體混合，再考慮到孔隙長寬比獲得橫波預測模型，將此模型運用到其他缺失橫波資料的井進行橫波預測；②通過儲層參數(shù)及儲層測井響應特征進行巖石物理交匯建立巖石物理模板；③針對原始道集，采用濾波去噪、線性去噪、剩余振幅補償、奇異值去噪等手段進行道集優(yōu)化，經(jīng)過實鉆井AVO道集正演驗證優(yōu)化處理流程，然后將優(yōu)化后的道集通過疊加得到近、中、遠炮檢距疊加數(shù)據(jù)體，利用地質模型正演確定儲層地震響應特征；④通過井震標定，分別提取近、中、遠炮檢距疊加數(shù)據(jù)體的綜合子波，利用層位約束把測井資料沿層進行插值，建立合理的低頻模型；⑤運用Knott-Zoeppritz方程進行疊前同時反演，獲得縱波阻抗及縱橫波比等彈性參數(shù)，選取樣點統(tǒng)計法依次提取儲層厚度及含氣性預測圖。本文詳細描述了橫波預測、巖石物理分析、道集優(yōu)化等關鍵環(huán)節(jié)，由于篇幅有限，對子波提取、低頻模型建立及精細標定不再贅述。

2.1 橫波預測

由于S區(qū)塊僅有W1井具有橫波測井資料，且盒8段主要是砂泥巖沉積背景，本文選取了Xu-White[11-12]模型進行橫波預測。首先，針對已知井的泥質含量、孔隙度及含水飽和度曲線做測井綜合分析，結合巖心實驗資料，通過建立模型的方法求取巖石骨架的體積模量、剪切模量及密度，結果見表1；然后通過地層溫度及壓力分別計算出流體置換之后的氣和水的體積模量，運用式(1)進行流體混合求取孔隙混合流體的體積模量；最后將巖石骨架和孔隙流體進行混合，輔助以砂泥巖孔隙長寬比α，利用Gassmann[13-14]方程計算巖石含流體之后的彈性模量，并利用彈性模量與密度和速度的關系求得縱、橫波速度。

表1中，Kp,sand為砂巖體積模量，mμs，sand為砂巖剪切模量，ρsand為砂巖密度，αsand為砂巖孔隙的長寬比；Kp,sh為泥巖體積模量，mμs，sh為泥巖剪切模量，ρsh為泥巖密度，αsh為泥巖孔隙的長寬比。

圖2 疊前同時反演技術流程Fig.2 Technical process of simultaneous pre-stack inversion

(1)

表1 巖石物理建模輸入?yún)?shù)

圖3為W1井實測曲線與通過Xu-White模型預測的曲線對比。由圖可見，由通過Xu-White模型建立的縱、橫波速度曲線與實測縱、橫波曲線吻合度很高，尤其是在低伽馬砂巖段兩者近乎重合，這也為后文的疊前反演奠定了可靠的資料基礎，且進一步說明了Xu-White模型在本區(qū)砂泥巖背景下的普適性。

2.2 巖石物理模板的建立

由測井資料可知，石盒子組和山西組儲層具有低縱橫波比、相對低阻抗、高孔隙度、低伽馬的測井響應特征，見圖4。本文通過先劃分砂巖，再區(qū)分儲層，后識別含氣性的思路建立了本工區(qū)的巖石物理模板。第一步劃分巖性，由圖5a可見，縱波阻抗難以區(qū)分砂巖與泥巖，而縱橫波比小于1.68可以有效區(qū)分砂泥巖；第二步區(qū)分儲層，在劃分巖性的基礎上，由圖5b和5c可見，縱波阻抗小于12 200 g·cm-3·m·s-1可區(qū)分儲層(孔隙度>5%)和致密砂巖，且對于儲層而言，縱波阻抗與孔隙度存在良好的線性關系，相關系數(shù)達到0.94；第三步識別含氣性，剔除非儲層之后，由圖5d、5e和5f可見，氣層與水層、氣水同層的楊氏模量值存在嚴重的重疊區(qū)間，泊松比的區(qū)分程度遜于縱橫波比，縱橫波比小于1.57可以較好地圈定氣層。彈性參數(shù)門檻值的確定對后文的疊前同時反演至關重要。

2.3 道集優(yōu)化

疊前同時反演是基于疊前角道集及分角度疊加數(shù)據(jù)體完成的，因此疊前角道集的預處理及其質量改善是影響反演結果的重要環(huán)節(jié)[16-17]。針對道集資料現(xiàn)狀，本次研究對于道集的優(yōu)化處理，采取了濾波去噪、線性去噪、剩余振幅補償、奇異值去噪等優(yōu)化處理方法，主要目的是提高廣角信息的穩(wěn)定性和保真度，同時提高資料的信噪比，為后續(xù)儲層預測和氣水識別提供穩(wěn)定的橫波信息。道集優(yōu)化處理的關鍵在于質控，即保證處理結果的準確性和合理性，因此以實測W1井進行AVO道集正演作為質量控制標準。圖6為優(yōu)化前后角道集剖面及正演道集剖面，可以看到經(jīng)過疊前預處理，近道能量弱的現(xiàn)象改善明顯，角道集的信噪比明顯提高，道集遠端不平現(xiàn)象得到有效改善，道集AVO特征明顯。在盒8段 3 718～3 726 m處經(jīng)試氣，發(fā)育8 m氣層，紅線頂部代表中阻抗泥巖與8 m厚氣層的分界面， 通過提取含氣砂巖頂部提取振幅能量屬性，其界面振幅能量絕對值隨入射角增大而增大，且變化梯度較大，該巖性組合表現(xiàn)為三類AVO特征。優(yōu)化之后的道集比優(yōu)化之前更接近井旁正演道集，由此佐證了處理結果的可靠性。

圖3 W1井預測曲線與實測曲線對比Fig.3 Comparison of predicted curve and measured curve of Well W1

圖4 W2井巖石物理測井響應特征Fig.4 Petrophysical logging response characteristics of Well W2

a—縱波阻抗與縱橫波比交匯區(qū)分巖性;b—縱波阻抗與縱橫波比交匯區(qū)分儲層;c—縱波阻抗與孔隙度交匯圖;d—縱橫波比分布概率直方圖;e—泊松比分布概率直方圖;f—楊氏模量分布概率直方圖a—intersection graphs of P-impedance and vp/vs to distinguish lithology;b—intersection graphs of P-impedance and vp/vs to distinguish reservoir;c—intersection graphs of P-impedance and Porosity;d—histogram of vp/vs distribution probability;e—histogram of Poisson's ratio distribution probability;f—histogram of Young's Modulus distribution probability圖5 盒8段各彈性參數(shù)交會圖及直方圖(樣本點來自W1、W2、W3井)Fig.5 Intersection graphs and histograms of various elastic parameters in H8 section

a—原始道集;b—優(yōu)化后道集;c—正演道集;d—含氣砂巖頂AVO特征a—original gather;b—optimized gather;c—forward gather;d—AVO characteristics of gas-bearing sandstone top圖6 道集優(yōu)化處理Fig.6 Gather optimization processing

3 預測效果

3.1 疊前同時反演效果

前文橫波預測合理，且研究區(qū)的疊前地震數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化處理之后，信噪比提高、目的層AVO特征保持較好，測井資料和地震資料品質均符合疊前同時反演的要求，最后便是圍繞Knott-Zoeppritz方程求解為核心的內(nèi)部流程工作，獲得縱波阻抗體及縱橫波比體等彈性參數(shù)。圖7a是過W1井疊前時間偏移地震剖面，鉆遇砂體表現(xiàn)為頂界強波谷，底界弱波峰的地震響應特征；圖7b是過W1井縱橫波比剖面，鉆遇低伽馬砂體對應低縱橫比；圖7c是過W1井縱波阻抗剖面，鉆遇高滲儲層對應低縱波阻抗；圖7d是過W1井疊前含氣性剖面，鉆遇含氣儲層對應更低的縱橫波比，試氣獲得無阻流量242.2×104m3/d高產(chǎn)氣流。通過剖面對比，縱橫波比剖面聯(lián)合縱波阻抗剖面準確地預測了該套含氣儲層，表明疊前同時反演適用于蘇里格S地區(qū)的儲層預測及含氣性識別。

a—疊前時間偏移地震剖面；b—vp/vs剖面；c—縱波阻抗剖面；d—含氣性剖面a—PSTM seismic profile; b—vp/vs profile; c—P-impedance profile; d—gas-bearing profile 圖7 過W1井地震偏移剖面及反演剖面Fig.7 Seismic migration profile and inversion profile of Well W1

圖8 盒8下亞段儲層厚度(a)及含氣性預測(b)Fig.8 Reservoir thickness map(a) and gas-bearing prediction map(b) of the lower sub-segment of H8

3.2 儲層分布及含氣性預測

在單井優(yōu)質儲層預測的基礎上，在全區(qū)開展疊前同時反演，定量預測儲層展布及含氣范圍。圖8a為縱橫波比聯(lián)合縱波阻抗以砂體頂?shù)诪闀r窗提取的盒8下亞段儲層厚度圖，儲層呈NE—SW向條帶狀展布，儲層厚度達12 m，集中分布在5～10 m之間，儲層展布規(guī)律與砂體走向相似，只有微小差異，分布趨勢與砂體分布規(guī)律保持一致。通過與鉆井結果對比：W1井和W3井在盒8下亞段均鉆遇了厚度大于10 m的優(yōu)質儲層，然而W4井和W5井鉆遇的主要巖性為泥質砂巖和薄砂巖夾厚泥巖，并未鉆遇優(yōu)質儲層，預測結果顯示這兩口井也位于薄層區(qū)，預測儲層厚度與實鉆厚度吻合程度高，說明疊前同時反演結果真實、可靠。在儲層預測的基礎上，再利用相對更低的縱橫波比預測含氣性分布范圍，結果見圖8b，與儲層展布相比，含氣性預測范圍與儲層展布特征大致相同，但在局部上與之存在差異。W3井經(jīng)測試，試氣結論為微氣，疊前含氣性預測也顯示W(wǎng)3井點處及附近含氣性一般，但是此處儲層發(fā)育較厚，由此可以看出，儲層發(fā)育程度與其含氣性不一定呈正相關。根據(jù)前文疊前同時反演結果部署W6井，在盒8段測井解釋儲層厚度為7 m,在3 686～3 690 m經(jīng)試氣，無阻流量為4.08×104m3/d，儲層預測厚度及疊前含氣性預測與實鉆井結果吻合，過W6井地震剖面及反演結果見圖9，不難發(fā)現(xiàn)，縱橫波比剖面聯(lián)合縱波阻抗剖面準確地預測了該套含氣儲層。

a—疊前時間偏移地震剖面；b—vp/vs剖面；c—縱波阻抗剖面；d—含氣性剖面a—PSTM seismic profile; b—vp/vs profile; c—P-impedance profile; d—gas-bearing profile 圖9 過W6井地震偏移剖面及反演剖面Fig.9 Seismic migration profile and inversion profile of Well W6

利用文中方法預測的盒8下亞段儲層厚度及含氣性分布范圍與實鉆數(shù)據(jù)吻合較好，且分布規(guī)律符合地質認識，為有利目標區(qū)的優(yōu)選、井位部署以及儲量評估提供了依據(jù)，降低了油氣勘探、開發(fā)風險。

4 結論

1)通過模型正演，表明低阻砂高滲儲層的地震反射特征為砂體頂部強反射，砂體底界面弱反射的地震綜合響應特征。

2)本文首次對研究區(qū)利用疊前資料進行了疊前同時反演，首先采用Xu-White模型進行橫波預測，其次依據(jù)先劃分砂巖，再區(qū)分儲層，后識別含氣性的思路建立本工區(qū)的巖石物理模板，最后針對疊前CRP道集資料存在的道集不平、近道能量弱等問題進行優(yōu)化處理，最終的預測效果優(yōu)于鄰區(qū)S59區(qū)塊，原因在于S59區(qū)塊選用多元線性回歸的方法進行了橫波預測，且對疊前道集沒有經(jīng)過針對性的處理及道集正演質控，雖然鄰區(qū)也取得了一些地質認識，但還沒有達到有效識別含氣富集區(qū)的效果。

3)依據(jù)預測結果：S地區(qū)盒8下亞段儲層呈NE—SW向條帶狀分布，儲層最厚處達12 m，集中分布在5～10 m之間，含氣性預測范圍與儲層展布特征相似，但在局部上存在差異，說明儲層發(fā)育程度與其含氣性不一定存在正相關關系。經(jīng)過與實鉆井及后驗井數(shù)據(jù)對比，對井符合率較高，證明了疊前同時反演在本區(qū)儲層預測及含氣性識別中的有效性，可為下一步有利目標區(qū)優(yōu)選及井位部署提供依據(jù)。