疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演在致密儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

張 昊，郭清正，張軍林，楊鐵梅

（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）

1 概述

近年來受到廣泛重視的致密砂巖氣是我國能源結(jié)構(gòu)重要組成部分，是非常規(guī)能源領(lǐng)域天然氣勘探的重點(diǎn)，隨著鉆完井及壓裂等工程技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了致密氣產(chǎn)量的大幅提高和成本降低[1-2]。鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣盆地，先后發(fā)現(xiàn)了蘇里格、榆林、烏審旗、子洲、大牛地等致密砂巖型氣藏[3]。S區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北段和晉西撓褶帶西北緣的交界處，太原組為研究區(qū)主要目的層，內(nèi)部發(fā)育一套整體厚度大于10m的煤系烴源巖，其上層發(fā)育多套分布穩(wěn)定致密的泥巖作為區(qū)域蓋層，具有良好的封閉能力，整體上具備良好的勘探潛力。S區(qū)塊太原組儲(chǔ)層淺水三角洲環(huán)境水下分流河道砂體發(fā)育，平面上呈南北向展布，具有典型低孔隙度、低滲透率、薄層發(fā)育等致密氣藏的特點(diǎn)。

基于三維地震資料的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)在勘探開發(fā)過程一直發(fā)揮著重要作用。20世紀(jì)六七十年代，利用“亮點(diǎn)”、“暗點(diǎn)”、“平點(diǎn)”等地震特征進(jìn)行儲(chǔ)層及油氣預(yù)測(cè)，20世紀(jì)80年代，結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井等手段，通過波阻抗反演技術(shù)將彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換為油藏參數(shù)，且一直廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和油藏描述中[4]。隨著油氣勘探的深入和油氣儲(chǔ)層的復(fù)雜變化，近年來，針對(duì)分辨率較低的確定性反演難以解決薄層預(yù)測(cè)難題而發(fā)展出了具備縱向高分辨率的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)[5]。本文在疊前地震資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)鄂爾多斯盆地S 區(qū)塊致密儲(chǔ)層橫向變化快、厚度薄等難點(diǎn)，采用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)進(jìn)行有效儲(chǔ)層的高分辨識(shí)別，在S 區(qū)塊的井位部署和實(shí)施中取得了較好的應(yīng)用效果。

2 基本原理與研究思路

地震確定性反演的垂向分辨率理論上能分辨八分之一波長厚度的地層，地震最大調(diào)諧厚度27m，確定性反演的極限分辨厚度為13.5m，而井上統(tǒng)計(jì)的目的層段的有利儲(chǔ)層厚度大部分都小于5m，在地震最大調(diào)諧厚度和確定性反演極限分辨厚度之下。確定性反演只能分辨大套的砂層組，要刻畫單層的儲(chǔ)層需要進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演研究。

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演由Bortoli和Haas提出，Dubrule等和Rowbotham 加以發(fā)展，得利于計(jì)算機(jī)硬件快速更新迭代，基于疊前資料的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法推廣迅速[5-7]。疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演是利用馬爾科夫鏈—蒙特卡羅算法(Markov Chain Monte Carlo，MCMC)的隨機(jī)反演方法。首先，基于測(cè)井和地質(zhì)的數(shù)字化信息獲得可靠的概率密度函數(shù)和變差函數(shù)，其次，根據(jù)概率密度函數(shù)獲得目標(biāo)巖相“隨機(jī)”模擬結(jié)果，當(dāng)然地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演要求巖性“隨機(jī)”模擬過程合成地震記錄必須和實(shí)際地震數(shù)據(jù)具備一定的一致性，保證在地震數(shù)據(jù)有效帶寬范圍內(nèi)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。反演過程在整個(gè)三維數(shù)據(jù)體內(nèi)進(jìn)行迭代，其中馬爾科夫鏈—蒙特卡洛算法的應(yīng)用保證了每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)是隨機(jī)的，而模型和地震數(shù)據(jù)的匹配是全局優(yōu)化的。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演綜合了測(cè)井的高頻信息，將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)和地震數(shù)據(jù)結(jié)合，又充分利用了真實(shí)地震數(shù)據(jù)的橫向分辨率，可使地震波形解釋和儲(chǔ)層解釋完美結(jié)合。

3 實(shí)際應(yīng)用

鄂爾多斯盆地S 區(qū)塊為大型的致密砂巖儲(chǔ)層，太原組儲(chǔ)層是區(qū)塊的主力儲(chǔ)層，埋深2000m以下，為淺水三角洲分流河道沉積砂體。工區(qū)已鉆多口定向井，井間砂體變化較快，砂體毛厚度為15m左右，且分為多套厚度約為3～5m的薄砂體。太原組河道砂體展布特征決定了該區(qū)井位部署，在該區(qū)塊利用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)對(duì)薄儲(chǔ)層進(jìn)行研究。

3.1 巖石物理量版及解釋

S區(qū)塊根據(jù)彈性參數(shù)特征可將巖性分為砂巖、泥巖和煤，根據(jù)實(shí)際測(cè)井資料標(biāo)定的巖石物理模型，可以制作巖石物理解釋模板。如圖1所示，根據(jù)工區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，首先建立了不同含氣飽和度與不同孔隙度條件下的砂泥巖地層的基于巖石物理建模分析的縱波阻抗（P-impedance）—縱橫波速度比（Vp/Vs）疊前反演成果定量解釋模板，橫軸為P-impedance，縱軸為Vp/Vs。模板下方第一條泥質(zhì)含量線為0%泥巖線（即100%砂巖），向上逐漸過渡到100%的泥質(zhì)砂巖線；最下方一條水平方向含水飽和度線為0%，自下而上逐漸變?yōu)?00%，即含氣飽和度100%逐漸變?yōu)?%的過程；同時(shí)，100%含水飽和度線也反映了石英砂巖孔隙度增加后，縱波阻抗和縱橫波速度比的變化趨勢(shì)：孔隙度增加、縱波阻抗減小、縱橫波速度比增大；其下方包括了5條縱向等間孔隙度變化線，從左到右分別代表了30、25、20、15、10、5孔隙度單位時(shí)，純石英砂巖彈性參數(shù)隨含水飽和度的變化規(guī)律。研究表明，S區(qū)塊中煤巖、泥巖、干砂、氣砂等主要巖石類型在巖石物理量版上均有一定的彈性參數(shù)識(shí)別窗口?？v波阻抗對(duì)砂巖區(qū)分不明顯，縱橫波速度比對(duì)砂巖有較好的區(qū)分能力，縱橫波速度比與縱波阻抗交會(huì)能較好將煤巖、泥巖與致密砂巖區(qū)分。

圖1 S區(qū)塊巖石物理解釋量版

3.2 疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演參數(shù)分析

概率分布函數(shù)是基于多個(gè)彈性參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)巖性典型彈性物理參數(shù)擬合的高斯概率分布函數(shù)[8]。針對(duì)S區(qū)塊太原組儲(chǔ)層特征，結(jié)合巖石物理分析成果，通過對(duì)砂巖、泥巖、煤層的測(cè)井縱波阻抗和縱橫波速度比的分析獲得其概率密度分布函數(shù)。如圖2交會(huì)所示，致密砂巖分布區(qū)間主要位于低縱橫波速度比（圖中Vp/Vs），中低密度（圖中Destiny）、中低阻抗（圖中P-impedance）區(qū)域，說明疊前彈性參數(shù)反演可以實(shí)現(xiàn)對(duì)S 區(qū)塊致密砂巖的有效識(shí)別。巖性比例[9]是建立在研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)之上，并能實(shí)現(xiàn)軟約束的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演程度參數(shù)。通過巖性比例能夠?qū)⒏嗟牡刭|(zhì)信息融入到儲(chǔ)層反演結(jié)果，結(jié)合已鉆井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，厘定太原組巖性砂巖、泥巖和煤的比例。變差函數(shù)[10]是描述目標(biāo)巖相橫向和縱向地質(zhì)特征隨距離變化的參數(shù)，也就是不同巖相在三維空間展布特征和變化尺度。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演過程中，變差函數(shù)統(tǒng)計(jì)是相對(duì)比較難解決的參數(shù)，需要進(jìn)行一定數(shù)量的測(cè)試運(yùn)算。垂向變程表征目標(biāo)巖相的厚度，來自于井資料，影響反演垂向分辨率；橫向變程通過多組變差函數(shù)反演測(cè)試分析所得，選取與沉積特征吻合度較高的一組參數(shù)，影響目標(biāo)巖相的展布特征。如表1所示，本文通過疊前確定性反演確定Inline 和Xline 方向變差函數(shù)，最終獲取了各個(gè)方向可靠的變程參數(shù)。

表1 S區(qū)塊不同方向彈性參數(shù)變程

圖2 S區(qū)塊太原組巖相概率密度函數(shù)

3.3 疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演效果分析

在有效的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用疊前角道集地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，可以求得彈性參數(shù)體（高分辨率縱波阻抗、縱橫波速度比）、巖相體。通過地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的砂巖概率體與疊前同時(shí)反演得到的Vp/Vs對(duì)比表明，疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的砂巖概率橫向分布和整體的趨勢(shì)與確定性反演基本一致，但其砂體展布發(fā)育特征分辨率更高、具備更多細(xì)節(jié)，因此利用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演能夠更有效地識(shí)別致密薄儲(chǔ)層。將多實(shí)現(xiàn)反演結(jié)果綜合運(yùn)算可得到各巖相的概率體，利用砂巖概率結(jié)果來進(jìn)行儲(chǔ)層精細(xì)描述和定量化預(yù)測(cè)。

如圖3剖面所示，S工區(qū)確定性反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演的效果對(duì)比，在確定性反演結(jié)果顯示S3井太原組為一整套致密儲(chǔ)層，垂向上內(nèi)部變化不明顯；疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果能夠?qū)3井及S3-1D井、S3-3D井太原組內(nèi)部薄砂層清晰刻畫，分辨率可達(dá)3～5m，且與井點(diǎn)較為吻合。S3 井太原組下部發(fā)育一套砂體，但在S3-1D井和S3-3D井砂體發(fā)育不明顯，橫向展布特征與測(cè)井結(jié)果、地質(zhì)認(rèn)識(shí)相匹配。

圖3 S區(qū)塊確定性反演（a）與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演（b）對(duì)比剖面

平面上，S區(qū)塊太原組砂體整體呈南北向條帶狀展布，與淺水三角洲分流河道沉積砂體的地質(zhì)認(rèn)識(shí)相符。結(jié)合反演剖面分析可以看出，S區(qū)塊發(fā)育多起河道，且河道遷移特征明顯，發(fā)育寬約600～800m，垂向上河道發(fā)育厚度約5～10m?？傮w來說，S區(qū)塊太原組致密儲(chǔ)層由河道砂體疊置形成，物源來自工區(qū)北部（圖4）。

圖4 S區(qū)塊疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演平面圖

基于對(duì)S區(qū)塊太原組薄砂體和多期河道的清晰刻畫，反演結(jié)果指導(dǎo)了該層井位的部署和優(yōu)化工作。鉆井結(jié)果顯示（圖5），S1 井目的層太2 段鉆遇12m（垂厚11.34m）淺灰色細(xì)砂巖，氣測(cè)最高75（背景值5），與反演結(jié)果吻合率達(dá)91.3%。由此可見基于疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演的砂體預(yù)測(cè)技術(shù)能夠?qū)⒅旅鼙∩绑w特征進(jìn)行有效刻畫，為S區(qū)的井位部署及優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

圖5 S區(qū)塊目標(biāo)井位疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地S 區(qū)塊煤巖、泥巖、砂巖等幾類巖石在巖石物理量版上均有一定的識(shí)別窗口，縱橫波速度比與縱波阻抗交會(huì)能有效將砂體進(jìn)行區(qū)分。

（2）疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的砂巖概率體展布特征與確定性反演一致，但是其具備更多內(nèi)部儲(chǔ)層細(xì)節(jié)，利用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演比確定性反演能夠更有效地識(shí)別薄儲(chǔ)層。

（3）疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演技術(shù)在鄂爾多斯S 區(qū)塊的S1井的成功應(yīng)用，證實(shí)該技術(shù)能解決致密砂巖薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，有效地刻畫砂巖儲(chǔ)層的邊界，在致密氣勘探開發(fā)階段井位部署及優(yōu)化至關(guān)重要。