基于GR測井信息的層序細分及砂體預測技術(shù)*
——以鄂爾多斯盆地臨興A地區(qū)上石盒子組盒四段為例

王 波 齊 宇 杜 凱 孫 樂 李文蘭

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

鄂爾多斯盆地是中國重要的大型含油氣盆地，上古生界致密砂巖氣廣泛分布，是中國致密氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。中石油和中石化在盆地內(nèi)已相繼建成了蘇里格、神木、榆林、大牛地等一大批致密氣田，成為中國天然氣產(chǎn)業(yè)的重要接替區(qū)[1-2]。臨興A地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，上、下石盒子組致密砂巖具有資源潛力大、地層厚度分布穩(wěn)定、儲層疊置發(fā)育的特點。前人研究表明，鄂爾多斯盆地東北緣石盒子組砂巖以發(fā)育淺水辮狀河三角洲相為主[3-4]，分流河道橫向擺動快、砂體疊置復雜且頻繁互層導致地層橫向?qū)Ρ榷嘟庑詮姟Ｑ芯繀^(qū)氣層主要富集于物性相對較好的砂巖內(nèi)，具有“微相控儲、物性控藏”的特點[5]。為保證致密氣井位部署的精確性，須對儲集砂體精細刻畫，開展致密砂巖地層細分及儲集砂體平面預測工作。

由于該區(qū)地震資料分辨率及巖心取心長度的限制，利用常規(guī)的層序地層識別方法和地震反演技術(shù)難以滿足地層細分及砂體平面刻畫的精度要求。為提高地層劃分及砂體地震刻畫的準確度，本文以自然伽馬測井曲線信息為載體，縱向上對自然伽馬曲線進行最大熵頻譜屬性分析得到INPEFA曲線；通過分析INPEFA曲線內(nèi)部不同幅度的趨勢拐點來識別不同級次的基準面旋回信息，實現(xiàn)研究區(qū)上石盒子組盒4段地層的砂組劃分與對比；同時應用地震波形指示反演的方法，利用地震波形相似性特征來參與井間儲層的反演，從而降低砂體空間刻畫過程中的隨機性，反演結(jié)果更加符合地質(zhì)規(guī)律，提高了反演結(jié)果的適用性。該方法在鄂爾多斯盆地臨興A地區(qū)上石盒子組盒四段致密氣儲層精細刻畫中應用良好，為致密氣井位部署、實現(xiàn)增儲上產(chǎn)、降低勘探開發(fā)風險打下了堅實基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

臨興A區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，橫跨盆地伊陜斜坡和晉西撓褶帶(圖1)，三維地震全覆蓋，面積為150.1 km2，是中國海油致密氣勘探開發(fā)的重點區(qū)塊。已鉆井和測試結(jié)果表明，上石盒子組盒四段是本區(qū)重要的目的層，A-33井盒四段鉆遇氣層厚度達11.9 m，壓后測試無阻流量為4.0 × 104m3/d；A-9井盒四段鉆遇氣層厚度為3.5 m，測試射孔無阻流量達到16.7 × 104m3/d；A-58井盒四段鉆遇氣層厚度為12.9 m，壓后測試無阻流量達到50.3×104m3/d，彰顯了盒四段巨大的勘探開發(fā)潛力。因此，對臨興A地區(qū)盒四段致密砂巖儲層的平面展布特征進行精細刻畫，對該區(qū)致密氣勘探開發(fā)具有重大指導意義。

圖1 鄂爾多斯盆地東北緣臨興A地區(qū)位置示意圖

2 基于INPEFA曲線層序劃分及對比

2.1 基本原理

目前采用單一的依據(jù)地震層序地層研究的小層劃分方法具有橫向?qū)Ρ榷嘟庑詮?、分辨率低的局限性[6]。為提高小層劃分的準確性及精度，降低小層劃分過程中的人為誤差，前南斯拉夫?qū)W者M.Milankovitch在1991年首次依據(jù)地球軌道參數(shù)及其對氣候的影響提出了Milankovitch旋回[7]，后續(xù)眾多學者將這種周期變化與地層記錄結(jié)合起來，并證實常規(guī)的測井曲線中均能識別出Milankovitch旋回。因此，以連續(xù)的測井曲線為依據(jù)進行地層定量化對比得到了廣泛應用[8-9]。

INPEFA(Intergrated Prediction Error Filter)曲線技術(shù)正是通過對常規(guī)測井曲線進行系列運算處理后，能夠放大原始測井曲線中地層發(fā)育趨勢以及沉積旋回信息，其曲線拐點則反映了不同級次的層序界面。而沉積地層陸源碎屑供給強弱與基準面的變化具有良好的對應關(guān)系，基準面升高，陸源供給減弱，泥質(zhì)含量升高，因此可以通過研究泥質(zhì)含量的高低來判斷基準面的變化特征[10]。根據(jù)測井地質(zhì)學原理可知，自然伽馬曲線相較于其他測井曲線最能表征泥質(zhì)含量的變化。本次研究優(yōu)選自然伽馬測井曲線為載體開展INPFFA曲線分析，首先對自然伽馬曲線進行處理，來推算出最大熵頻譜分析估計值(MESA)，通過實際自然伽馬曲線值減去最大熵頻譜分析估計值(MESA)得到預測誤差濾波分析曲線(PEFA)，最后通過對PEFA曲線進行積分處理得到INPEFA曲線，從而使曲線內(nèi)部的趨勢更加明顯[11]。INPEFA曲線可以較好地指示沉積間斷和水體深度的變化，其正負拐點代表了可能的洪泛面和層序界面。通常情況下，INPEFA值向上增加為正趨勢，代表該沉積時期內(nèi)自然伽馬曲線值比預測值大，泥質(zhì)含量逐漸升高，指示可能的基準面上升階段；INPEFA值向上減小為負趨勢，代表該沉積時期內(nèi)自然伽馬曲線值比預測值小，泥質(zhì)含量逐漸降低，指示可能的基準面下降階段[12](圖2)。

圖2 A-33井盒四段自然伽馬曲線預測誤差濾波分析

2.2 應用INPEFA曲線劃分沉積旋回

提取工區(qū)A-33井盒四段自然伽馬曲線導入CycloLog軟件，進行積分變換得到INPEFA曲線的拐點和趨勢變化信息，發(fā)現(xiàn)地層旋回與INPEFA曲線的變化趨勢有良好的對應關(guān)系?，F(xiàn)將A-33井作為標準井，對盒四段層序界面的級次進行識別與劃分，從而實現(xiàn)基準面約束下的地層劃分及對比。

從圖3可以得出，A-33井盒四段INPEFA曲線旋回形態(tài)特征明顯。根據(jù)INPEFA曲線內(nèi)部正負趨勢，將盒四段自上而下劃分為3個砂組。按地層由老到新的順序分析，盒43砂組INPEFA曲線表現(xiàn)為明顯的正趨勢，反映典型的正旋回沉積特征，基準面逐漸上升，測井相為鐘形，泥質(zhì)含量逐漸升高；盒42砂組INPEFA曲線表現(xiàn)為明顯的負趨勢，反映典型的反旋回沉積特征，基準面逐漸下降，測井相為高幅箱形，發(fā)育大套的砂巖沉積；盒41砂組INPEFA曲線向上突變?yōu)檎厔?，對應典型的正旋回沉積特征，基準面升高，測井相為鐘形，泥質(zhì)含量升高。

圖3 A-33井盒4段高頻層序地層劃分

高分辨率層序地層對比往往以基準面旋回轉(zhuǎn)換面作為地層劃分的界面[13-15]。因此在單井高頻層序劃分的基礎(chǔ)上，利用INPEFA曲線識別出的旋回信息進行連井高頻層序?qū)Ρ?，當對全區(qū)的層序劃分對比能夠閉合，才能實現(xiàn)精細等時地層格架的建立[16-18]。結(jié)合研究區(qū)標準井典型測井曲線INPEFA分析方法解析其內(nèi)部的基準面旋回特征，將提取的旋回信息進行全區(qū)的井間對比。對研究區(qū)各井的原始GR曲線進行INPEFA分析，繪制了能夠反映上石盒子組盒四段基準面旋回的INPEFA-GR骨架剖面對比圖(圖4、5)，建立了相應的時間地層格架。圖4和圖5均為研究區(qū)近物源方向盒四段旋回對比格架剖面，盒四段地層橫向分布穩(wěn)定，且通過這一方法識別出的基準面旋回特征在全區(qū)可以連續(xù)追蹤，可對比性強。

圖4 利用綜合預測誤差濾波分析方法進行多井對比(剖面①)

圖5 利用綜合預測誤差濾波分析方法進行多井對比(剖面②)

3 砂體三維地震精細刻畫

3.1 技術(shù)原理及方法流程

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，提高薄儲層縱向分辨率和預測精度的技術(shù)逐漸成為油氣勘探的重要研究方向[19-20]。目前，薄儲層預測中常用地質(zhì)統(tǒng)計學反演方法，但統(tǒng)計學反演的基礎(chǔ)是變差函數(shù)，要求井數(shù)較多且分布均勻，隨機性強，無法充分體現(xiàn)地質(zhì)研究的思想，橫向分辨率較低[21-22]。研究區(qū)三維地震資料主頻范圍為 30～40 Hz，理論可分辨地層 20～30 m，盒四段地層厚度介于40～60 m，單套砂巖的厚度多介于3～10 m，最大厚度不超過15 m，遠低于工區(qū)地震資料可分辨地層厚度，因此常規(guī)反演手段的分辨率難以滿足識別研究區(qū)薄層砂體的要求。

為了提高薄層砂體的預測精度，陳彥虎 等[23]學者提出了波形指示反演方法，其核心思想是在等時地層格架約束下，利用地震波形的橫向變化表征儲層的變異程度。由于地震波形可作為一組薄層砂體地震響應的疊加，因此地震波形可以表征儲層巖性組合的變化[24]。該方法具體的思路原理是通過優(yōu)選井樣本確定井旁道地震波形及其對應的測井曲線中蘊含的共性結(jié)構(gòu)信息作為確定性成分，建立初始模型[25]，在貝葉斯框架下對初始模型的低頻成分進行模擬；針對測井曲線高頻部分，通過篩選出空間上距離近且?guī)r性組合相似程度高的井信息作為有效統(tǒng)計樣本，進而優(yōu)選出與待預測點巖性組合相似程度高的井(圖6)，采用SMI軟件內(nèi)置的“馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機模擬(SMC-MC)算法”進行橫向預測，在地震頻帶外提取確定性結(jié)構(gòu)成分作為波形指示模擬結(jié)果[26]，將地震波形相似性特征作為反演過程的約束條件，模擬砂體橫向分布，真正將地震的橫向高分辨率和井的縱向高分辨率結(jié)合起來，實現(xiàn)井震聯(lián)合反演[27]。

圖6 地震波形指示反演原理圖

由于自然伽馬曲線相較于其他測井曲線最能表征泥質(zhì)含量的變化，與前述地層劃分一致，以自然伽馬曲線為載體，應用波形指示反演技術(shù)對自然伽馬曲線的高頻成分進行模擬計算，具體的反演技術(shù)流程如圖7，最終將地震波形數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)化為自然伽馬數(shù)據(jù)體，提高了砂巖儲層預測的精度，特別是為橫向非均質(zhì)性強的薄儲層提供了預測方法。

圖7 波形指示反演技術(shù)流程(據(jù)文獻[28]修改)

3.2 波形指示反演效果

從圖8可以看出，原始三維地震資料由于分辨率的限制，對薄層砂體發(fā)育的厚度及平面殲滅識別能力較低；通過地震波形指示反演后得到的剖面分辨率明顯提高，能清晰地識別砂體的頂?shù)走吔纾绑w橫向延展及殲滅點也更加清晰，反演結(jié)果與測井解釋結(jié)果基本一致，說明該預測結(jié)果與已鉆井揭示的砂體吻合較好。

本次反演主要選取了大部分的探井和部分評價井參與計算，而剩余的部分評價井和開發(fā)井則參與反演結(jié)果的驗證。利用研究區(qū)兩口水平井對反演結(jié)果進行標定，反演結(jié)果顯示，以A-58井為井臺的兩口水平井均鉆遇儲層段(圖9)。其中A-58-1H井鉆遇711.5 m砂巖段后開始鉆遇泥巖段，自然伽馬反演剖面顯示井軌跡末端GR值升高，砂巖段消失。A-58-2H井鉆遇590.0 m砂巖段后開始鉆遇泥巖段，鉆遇泥巖長度195.2 m，自然伽馬反演剖面顯示砂巖段位于井軌跡上方，通過調(diào)整井軌跡后鉆遇砂巖段475.4 m。多口井參與驗證揭示了反演結(jié)果與井的認識基本一致，說明基于地震波形的自然伽馬測井參數(shù)反演的效果明顯，參與反演計算的井其符合率高達94.7%，驗證井的符合率為80.3%。

圖8 過A-19—A-32—A-58井連井地震剖面和GR儲層參數(shù)模擬剖面對比

圖9 過A-58-1H—A-58—A-58-2H井GR儲層參數(shù)模擬剖面

3.3 砂體空間展布及縱向演化

3.3.1砂體平面展布特征

基于地震波形指示反演結(jié)果，其縱向分辨率得到了明顯提高，因此可以依據(jù)高分辨率反演體開展小層層位的精細標定與解釋(圖8、9)。在小層層位的約束之下，基于原始地震數(shù)據(jù)體提取了各小層均方根振幅屬性(圖10a、b、c)，基于高分辨率波形指示反演數(shù)據(jù)體提取了各小層最小GR值屬性來表征小層砂體的平面展布(圖10d、e、f)。對比發(fā)現(xiàn)，由于整個盒四段地層厚度介于40～60 m，在地震剖面上表現(xiàn)為一個波組(一個波峰+一個波谷)(圖8)，各小層的地震屬性均在反映一個波組的平面變化特征，平面差異小，不能反映各小層砂體的平面展布及縱向演化特征(圖10a、b、c)。

綜上所述，本次研究選取不同砂組內(nèi)部最小GR值平面屬性圖(圖10d、e、f)來刻畫儲集砂體的平面分布特征。其中盒43砂組鉆井揭示鉆遇地層厚度為12.7～18.5 m，砂巖厚度為0.6～10.2 m，砂地比為18%～66%。該砂組沉積期分流間灣沉積占優(yōu)勢，物源方向主要來自于正北、北西向；河道分布相對局限，主要發(fā)育兩只辮狀河道，河道由北向南延伸，寬度較窄，沉積細砂巖、粉砂巖為主(圖10g)。盒42砂組鉆井揭示鉆遇地層厚度為17.9～26.0 m，砂巖厚度為1.0～25.2 m，砂地比為10%～95%。該砂組沉積期基準面下降，陸源供給增強，河道分布廣泛(圖10h)。盒41砂組鉆井揭示鉆遇地層厚度為14.3～20.3 m，砂巖厚度為0.3～7.4 m，砂地比為14%～48%。該砂組沉積期基準面上升導致陸源供給相對較弱，河道萎縮，分流間灣沉積占優(yōu)勢，物源方向主要來自于正北；分流河道分布局限，主要發(fā)育于研究區(qū)北部，南部砂體不發(fā)育；河道由北向南延伸，寬度較窄，河道沉積細砂巖、粉砂巖為主(圖10i)。

圖10 臨興A地區(qū)盒四段不同砂組沉積砂體平面分布

3.3.2砂體縱向演化特征

盒43砂組為向上變細的正旋回沉積，總體以發(fā)育靜水泥質(zhì)沉積為主，只有少部分井發(fā)育分流河道微相，且砂體沉積厚度較薄，東西兩只河道分布局限，河道寬度較窄。盒42砂組沉積期隨著基準面的逐漸下降，物源供給增強，地形坡度變大，水動力條件變強，砂體發(fā)育較厚，粒度較粗，其中A-58井連續(xù)沉積了厚度達25.2 m的砂巖。該時期發(fā)育了大量的礫質(zhì)辮狀河道，儲層物性較好(圖11)，為研究區(qū)盒四段主力產(chǎn)氣層段，整體呈現(xiàn)一種“砂包泥”的特征，且砂體主要發(fā)育在研究區(qū)中部及西部，東部相對欠發(fā)育。盒41砂組為向上變細的正旋回沉積，由于基準面開始上升，外部的陸源供給減弱，水動力條件變?nèi)?，分流河道僅在研究區(qū)北部發(fā)育，砂體厚度減薄，粒度變細，整體以泥質(zhì)沉積背景為主(圖12)。因此，研究區(qū)盒4段河道砂體規(guī)模自下而上經(jīng)歷了萎縮期—擴張期—萎縮期的演化過程。

注：(a)A-19井，1 521.62～1 521.91 m，灰白色含礫粗砂巖，巖性突變接觸，底部見明顯的沖刷面；(b)A-33井，1 355.05～1 355.27 m，底沖刷；(c)A-33井，1 362.59 m，中粗粒巖屑砂巖，見大量粒間孔，單偏光(-)；(d)A-23井，1 584.74～1 584.98 m，淺灰色粗砂巖夾灰色泥巖團塊；(e)A-24井，1 617.9 m，淺灰色含礫粗砂巖

圖12 臨興A地區(qū)盒四段沉積體系縱向演化圖

4 結(jié)論

1)在沉積旋回分析基礎(chǔ)上，利用最大熵頻譜分析方法，根據(jù)自然伽馬INPEFA曲線對盒四段基準面旋回進行了分析，并依據(jù)INPEFA曲線內(nèi)部正負趨勢，將盒四段自下而上劃分為3個砂組。

2)盒四段不同砂組沉積砂體平面展布特征差別較大，下部盒43砂組總體以發(fā)育靜水泥質(zhì)沉積為主，東西兩只河道分布局限。盒42砂組沉積期基準面下降，物源供給增強，河道廣泛分布，為氣層的有利儲集場所。盒41砂組由于基準面上升，外部的陸源供給減弱，砂體厚度減薄，規(guī)模變小。

3)臨興A地區(qū)盒四段盒42砂組砂體最為發(fā)育，且該砂組沉積時水動力條件較強，巖石粒度較粗，為研究區(qū)盒四段主力產(chǎn)氣層段，氣藏有利區(qū)主要位于研究區(qū)中部及西部，東部相對不利。