四川盆地川中地區(qū)沙溪廟組致密含氣砂巖地震預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

戴雋成 陳 康 張宇生 冉 崎 董世泰 楊廣廣 何昌龍郗 誠(chéng) 呂 龑 干大勇 喻 頤

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司 3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地致密氣分布范圍廣，資源儲(chǔ)備豐富，資源量高達(dá)6.9×1012m3。自2019年起，以侏羅系沙溪廟組為主力層系，按照地質(zhì)、地震、工程一體化思路，西南油氣田公司穩(wěn)步推進(jìn)勘探開發(fā)工作，現(xiàn)已證實(shí)川中地區(qū)沙溪廟組縱向14期河道砂組含氣，優(yōu)選出工作面積1.82×104km2的川中核心建產(chǎn)區(qū)，為致密氣快速上產(chǎn)奠定資源基礎(chǔ)[1]。自2021年來(lái)，西南油氣田公司積極實(shí)施油氣風(fēng)險(xiǎn)勘探，甩開預(yù)探的YQ3、YQ6、JQ8井先后在沙一段獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，是下一步規(guī)模增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)領(lǐng)域[2]。

沙一段砂體具有“期次多、分布廣、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)”的特征[3]，由于砂體疊前AVO效應(yīng)明顯，導(dǎo)致其疊后地震反射特征復(fù)雜，傳統(tǒng)基于疊后地震的砂體地震精細(xì)刻畫、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)及含氣性檢測(cè)配套技術(shù)難以滿足生產(chǎn)任務(wù)需求。為支撐川中地區(qū)致密氣井位部署，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)，開展疊前地震屬性定性預(yù)測(cè)與反演定量方法攻關(guān)，研究形成了針對(duì)四川盆地川中地區(qū)沙溪廟組一段廣覆式致密砂巖氣藏的疊前地震綜合預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)。針對(duì)研究區(qū)內(nèi)廣覆式砂體疊后地震響應(yīng)復(fù)雜，難以直接通過(guò)振幅屬性進(jìn)行有效刻畫的問(wèn)題，使用疊前AVO的屬性組合定性表征地層橫波阻抗變化率，進(jìn)而對(duì)砂泥巖地層的巖性進(jìn)行有效區(qū)分。在砂巖預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從疊前道集中分別提取和計(jì)算表征縱波阻抗變化率以及縱橫波速度比變化率的屬性，分別對(duì)孔隙度和含氣性進(jìn)行了有效定性表征，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的疊前反成果，完成了川中核心建產(chǎn)區(qū)9 848.47 km2三維區(qū)的巖性、物性及含氣性地震預(yù)測(cè)工作，為川中地區(qū)沙一段探井部署提供了有力技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

四川盆地沙一段砂體于盆地范圍內(nèi)廣泛分布，整體厚度在30～100 m范圍內(nèi)，東北厚度較大，砂地比分布在20%～40%，盆地周緣砂巖發(fā)育程度較高。沙一段主要發(fā)育三角洲—湖泊相沉積（圖1），具有多沉積中心特點(diǎn)，主沉積中心位于公山廟—龍崗—廣安地區(qū)[4]。川中核心建產(chǎn)區(qū)內(nèi)沙一段構(gòu)造形態(tài)與地表構(gòu)造大致保持一致，總體表現(xiàn)為由南東向北西下傾的單斜構(gòu)造，地層埋深1 600～3 000 m，整體為一套雜色泥巖夾厚層灰色砂巖沉積，其頂界為一套灰黑色葉肢界頁(yè)巖，底界為涼高山組灰黑色泥巖，地層總體表現(xiàn)為西南薄，東北厚的特征，縱向上可分為三個(gè)亞段[5]。受沉積相變化影響，核心建產(chǎn)區(qū)內(nèi)沙一段砂巖粒度具有南北粗、中部細(xì)；東西細(xì)、中部粗的變化趨勢(shì)。儲(chǔ)層物性南北區(qū)差異較大，其中南部地區(qū)儲(chǔ)層物性7%～19%，北部地區(qū)儲(chǔ)層物性7%～11%。研究區(qū)位于三疊系須家河組及侏羅系涼高山組、自流井組大安寨段烴源的疊置發(fā)育區(qū)，烴源條件優(yōu)越，烴源斷層發(fā)育，整體表現(xiàn)為“凹陷富烴，三角洲控砂，斷砂疏導(dǎo)、近源成藏”的天然氣復(fù)合成藏模式，資源儲(chǔ)備豐富，勘探潛力巨大[6-7]。

圖 1 川中地區(qū)侏羅系沙一段沉積相分布圖

2 砂體地震響應(yīng)特征及井震精細(xì)標(biāo)定

2.1 砂體正演地震響應(yīng)特征

由于川中核心建產(chǎn)區(qū)沙一段砂體物性變化較快，砂體地震響應(yīng)特征較為復(fù)雜，常規(guī)井震標(biāo)定匹配吻合度較低。為落實(shí)砂體疊前疊后地震響應(yīng)特征，根據(jù)川中地區(qū)沙溪廟組砂體測(cè)井曲線特征以及砂體縱波速度與圍巖中的相對(duì)關(guān)系，將砂體分為3種主要類型：高速砂，中速砂以及低速砂。表1給出了對(duì)應(yīng)3種類型砂體以及圍巖泥巖的實(shí)鉆井巖石物理參數(shù)，通過(guò)建立雙層介質(zhì)模型，結(jié)合Aki[8]等基于Zoeppritz[9]方程給出的不同入射角情況下反射系數(shù)解析表達(dá)式，將反射系數(shù)與35 Hz雷克子波進(jìn)行褶積運(yùn)算，模擬展示了不同類型砂體對(duì)應(yīng)的疊前及疊后地震反射剖面（圖2、3）。反射系數(shù)表達(dá)系為：

圖 2 疊前地震道集正演結(jié)果圖

圖3 疊后地震道正演結(jié)果圖

表 1 川中地區(qū)沙一段砂泥巖巖石物理參數(shù)數(shù)據(jù)表

高速砂的縱波速度相對(duì)圍巖較高，在零入射角時(shí)道集上為波峰反射特征，并且由于高速砂通常較為致密，含氣性亦較差，所以其砂巖頂界AVO變化梯度較小，在較大入射角情況下依然保持波峰反射特征，AVO響應(yīng)為典型的Ⅰ類特征（圖2a）；低速砂由于縱波速度相對(duì)圍巖較小，因此在零入射角情況下為波谷反射，且其波谷的反射振幅能量隨著入射角的增大而增大，AVO響應(yīng)為典型的Ⅲ類特征（圖2d）。由于這兩類砂體疊前及疊后地震反射均保持一致極性（圖3a、圖3d），因此砂體平面展布情況可以直接通過(guò)疊后地震振幅類屬性進(jìn)行有效的定性刻畫；隨砂體孔隙度由大逐漸變小，其縱波速度相較圍巖由較大逐漸變?yōu)檩^小，砂體速度與圍巖接近時(shí)即為中速砂。當(dāng)中速砂速度略低于圍巖時(shí)，其疊前疊后地震響應(yīng)特征與低阻砂一致，本文重點(diǎn)討論的中速砂為縱波速度僅略高于圍巖的部分，該類中速砂體在零入射角以及較小入射角時(shí)表現(xiàn)為弱波峰反射，但是在較大入射角情況下會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的情況（Ⅱ類AVO），根據(jù)極性反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的臨界入射角不同，Ⅱ類AVO在水平疊加剖面上會(huì)出現(xiàn)兩種不同的特征：疊后與零入射角反射極性相同的Ⅱ類a型中速砂（圖2b、圖3b）以及疊后與零入射角反射極性相異的Ⅱ類b型中速砂(圖2c、圖3c)。由于中速砂體疊前地震反射存在極性反轉(zhuǎn)，其在疊后地震剖面上反射特征多變，通常難以識(shí)別，并且使用常規(guī)井震標(biāo)定方法的吻合程度較低。由于目標(biāo)研究區(qū)內(nèi)沙一段同時(shí)發(fā)育高速砂、中速砂和低速砂所以僅通過(guò)疊后資料難以完成沙一段廣覆式砂體定性定量預(yù)測(cè)，針對(duì)該情況，基于疊前道集的地震預(yù)測(cè)成為了落實(shí)沙一段砂體平面展布及后續(xù)物性、含氣性預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。

2.2 基于彈性阻抗的精細(xì)井震標(biāo)定

常規(guī)井震標(biāo)定是在假設(shè)縱波零入射角情況下，首先基于縱波聲波測(cè)井曲線以及密度曲線計(jì)算生成縱波阻抗曲線（Acoustic impedance，AI），即

式中ZA為零入射角情況下的縱波阻抗，(g/cm3）×（m/s)。

然后再對(duì)井旁地震道的反射系數(shù)以及地震合成記錄進(jìn)行計(jì)算，該方法普遍適用于AVO影響較小層系的井震標(biāo)定中。然而在川中地區(qū)沙溪廟組，地層埋深較淺，普遍在2 000 m左右，儲(chǔ)層砂體中縱橫波速度受物性及含氣性的影響相對(duì)較大，致使有明顯的疊前振幅隨入射角變化效應(yīng)，特別是在沙一段砂體Ⅱ類AVO特征發(fā)育地區(qū)，零入射角與疊后地震可能出現(xiàn)相位不一致的現(xiàn)象（圖2c、圖3c），導(dǎo)致井震匹配度低，嚴(yán)重制約了高孔含氣砂體定性和定量預(yù)測(cè)的有效開展。為解決因AVO引起的相位差問(wèn)題，Connolly[10]提出有限角度的彈性阻抗曲線概念（Elastic impedance, EI），即

式中ZA(θ)為入射角情況下的彈性縱波阻抗，（g/cm3）×（m/s)。

式（2）、（3）包含了縱波速度、橫波速度。密度以及入射角信息，間接在物性的基礎(chǔ)上引入了巖性信息，是描述攜帶中遠(yuǎn)偏移距地震信號(hào)的敏感彈性屬性。如圖4所示，YQ1井常規(guī)AI算法合成記錄上2號(hào)砂體為“頂峰底谷”的響應(yīng)特征，砂體頂界與疊后地震剖面上極性相反，井震匹配關(guān)系較差，反觀EI算法合成記錄上，由于引入了振幅隨偏移距變化的情況，結(jié)果與疊前時(shí)間偏移地震剖面有著更強(qiáng)的波組關(guān)系相關(guān)性，井震匹配關(guān)系得到顯著提升。使用EI在AVO響應(yīng)明顯區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定可以得到更為精細(xì)準(zhǔn)確的井震標(biāo)定結(jié)果。

圖 4 YQ1井常規(guī)縱波阻抗標(biāo)定（AI）與40°彈性阻抗標(biāo)定（EI）效果對(duì)比圖

3 復(fù)雜含氣砂體地震預(yù)測(cè)對(duì)策

如前文所述，由于沙一段廣覆式砂體在疊后地震剖面上反射特征多樣，通常難以識(shí)別，所以僅通過(guò)疊后資料難以完成復(fù)雜含氣砂體的定性定量預(yù)測(cè)，針對(duì)該情況，基于疊前道集的地震預(yù)測(cè)成為了落實(shí)沙一段砂體平面展布及物性、含氣性預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。圖5為總體預(yù)測(cè)思路：通過(guò)反映橫波阻抗變化率的S屬性剖面對(duì)砂泥巖界面進(jìn)行定性識(shí)別；通過(guò)反映縱波阻抗變化率的P屬性對(duì)優(yōu)質(zhì)高孔砂體進(jìn)行區(qū)分；通過(guò)反映縱橫波速度比變化率的屬性剖面對(duì)高孔砂體的含氣性進(jìn)行定性預(yù)測(cè)。使用三張屬性剖面圖可對(duì)巖性、物性、含氣性進(jìn)行準(zhǔn)確的定性判別。相對(duì)應(yīng)的，通過(guò)疊前同時(shí)反演，使用橫波阻抗反演結(jié)果對(duì)所有砂體進(jìn)行定量預(yù)測(cè)；利用縱波阻抗和孔隙度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)物性達(dá)到儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)的砂巖進(jìn)行定量識(shí)別；在巖性及物性約束的基礎(chǔ)上，使用縱橫波速度比反演進(jìn)行含氣砂巖的定量預(yù)測(cè)。

圖 5 沙一段高孔含氣砂體地震預(yù)測(cè)策略圖

3.1 巖性預(yù)測(cè)方案

在砂泥巖為主的地層中，振幅隨地震波入射角變化的關(guān)系式為：

式中R0為零入射角情況下的反射系數(shù)，，分別為上下介質(zhì)的平均泊松比值和泊松比值差；P為AVO的截距屬性；G為AVO的梯度屬性。

式（4）直觀地描述了上下介質(zhì)在不同巖石物理參數(shù)下的AVO變化規(guī)律[11-12]。通過(guò)將P和G屬性進(jìn)行相減抵消了公式中的縱波速度項(xiàng)，僅剩的橫波速度和密度項(xiàng)反映了上下層介質(zhì)橫波阻抗的變化率（S屬性），即

式中S為AVO的橫波阻抗變化率屬性。

由于橫波的傳播速度僅受巖石骨架信息影響，不受孔隙流體性質(zhì)影響，且砂巖的橫波阻抗普遍高于泥巖[13]，所以S屬性的波峰反射可以用以指示砂巖頂界（后文統(tǒng)稱S屬性剖面為巖性屬性剖面）。如圖6a所示，YQ10井于沙一段鉆遇多套砂體，其中紅框所示砂體頂界在疊后時(shí)間剖面上與波谷反射對(duì)應(yīng)，橙框所示砂體在疊后時(shí)間剖面上地震反射能量弱，難以進(jìn)行有效識(shí)別，而在巖性屬性剖面上，兩套砂體的頂界與地震波峰反射均有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，故而其可用于指示砂體的發(fā)育情況。通過(guò)提取目的層段內(nèi)S屬性的振幅屬性即可完成對(duì)砂體平面展布的快速刻畫。針對(duì)Ⅱ類AVO響應(yīng)的砂體在疊后地震數(shù)據(jù)上為弱反射特征，難以直接進(jìn)行刻畫的問(wèn)題，使用S屬性可以對(duì)砂體平面發(fā)育情況進(jìn)行快速定性識(shí)別（圖7）。

圖 6 過(guò)YQ10井S屬性體與疊后地震剖面對(duì)比圖，疊合伽馬曲線顯示圖

圖 7 沙一1亞段S屬性體與疊后地震沿層均方根振幅平面圖對(duì)比圖

3.2 物性及含氣性預(yù)測(cè)方案

大量研究表明[14-16]，砂體縱波阻抗與孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此反映縱波阻抗變化率的P屬性（式5）可用于定性判別砂巖孔隙度的高低。當(dāng)砂體孔隙度較大時(shí)，其縱波阻抗相對(duì)圍巖較低，在P屬性剖面上為波谷反射，隨砂體的孔隙度減小，其縱波阻抗逐漸變大，在P屬性剖面上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴ǚ宸瓷?。為便于P屬性的利用，本文稱反極性的P屬性剖面為物性屬性剖面，高孔砂體頂界在物性屬性剖面為波峰反射。

通過(guò)將P和G屬性進(jìn)行相加可以得到反映上下層介質(zhì)縱橫波速度比變化的γ屬性剖面為：

式中γ為AVO的偽泊松比屬性。

帶入泊松比與縱橫波速度的關(guān)系式：

可將結(jié)果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

由于在砂泥巖地層中，泊松比的值域范圍通常在0至0.5，因此式11右端的系數(shù)小于零，γ的正負(fù)直接反應(yīng)了上下介質(zhì)泊松比差值。當(dāng)砂巖孔隙充注氣體時(shí)，其泊松比顯著下降，因此含氣砂巖頂界的γ屬性值為大于零，地震屬性的剖面特征為波峰反射，因此本文稱γ屬性剖面為含氣性屬性剖面。

通過(guò)對(duì)川中地區(qū)沙溪廟組不同物性及含氣性砂體進(jìn)行屬性對(duì)比，歸納解釋了4類砂體地震屬性反射特征（圖8）。其中Ⅰ類反射特征對(duì)應(yīng)高孔含氣砂體，其在反映巖性、物性及含氣性的屬性剖面上均表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，該類“三亮點(diǎn)”地震屬性反射特征對(duì)應(yīng)砂體可通過(guò)水平井獲得可觀工業(yè)氣流產(chǎn)能，如JQ8沙一段水平井段鉆遇砂體平均孔隙度9.4%，測(cè)試產(chǎn)氣25.88×104m3/d；QL7井與沙一段鉆遇兩套砂體，分別可作為類型Ⅱ與類型Ⅲ反射特征對(duì)應(yīng)的典型砂體，其中類型Ⅱ?qū)?yīng)砂體儲(chǔ)層及含氣性發(fā)育情況為“中孔含氣”，在反映物性及含氣性的屬性剖面上均相對(duì)于類型Ⅰ反射能量較弱，QL7井上類型Ⅱ砂體孔隙度8.6%，測(cè)試獲得工業(yè)氣流1.76×104m3/d；類型Ⅲ反射特征對(duì)應(yīng)砂體在反映含氣性的屬性剖面上多為弱反射—波谷反射，QL7井上類型Ⅲ砂實(shí)際測(cè)試結(jié)果未達(dá)到工業(yè)氣井標(biāo)準(zhǔn)；類型Ⅳ反射特征雖然在反映巖性的S屬性剖面上可見波峰反射，代表砂體發(fā)育，但是在物性及含氣性的屬性剖面上反射能量均較弱，如QL17井鉆遇近15 m厚砂體，但是砂體孔隙度低于7%，未達(dá)到該地區(qū)砂巖氣藏的儲(chǔ)層孔隙度下限標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)隨鉆氣測(cè)響應(yīng)。通過(guò)屬性剖面的地震反射特征可對(duì)砂體發(fā)育情況以及物性和含氣性好壞進(jìn)行快速判別。

圖8 川中地區(qū)沙一段砂體巖性、物性及含氣性地震屬性特征圖

4 應(yīng)用成效

結(jié)合屬性剖面以及對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果，可以對(duì)井點(diǎn)位置目的層段內(nèi)的砂體發(fā)育情況、物性以及含氣性進(jìn)行定性以及定量預(yù)測(cè)。疊前地震綜合預(yù)測(cè)成果顯示JH5井于沙一段頂部發(fā)育厚層高孔含氣砂體（圖9），具備一定勘探潛力，如圖9a所示，通過(guò)巖性屬性剖面判斷JH5井于沙一段縱向上發(fā)育兩套主要砂體，且結(jié)合疊前橫波阻抗反演結(jié)果，靠近沙一頂界砂體厚度更大。在圖9b和圖9c所示的物性剖面和含氣性剖面上兩套砂體分別對(duì)應(yīng)圖8中所述的“三亮點(diǎn)”高孔含氣Ⅰ類反射特征和中—低孔Ⅲ類反射特征，且孔隙度反演結(jié)果和縱橫波速度比反演結(jié)果亦顯示靠近沙一頂界砂體物性含氣性更優(yōu)。實(shí)鉆井于沙一段段鉆遇砂體厚度分別為13.4 m和8.8 m，砂體總孔隙度分別為8.9%和2.8%，含氣飽和度60.1%和34.5%，通過(guò)對(duì)沙一頂界厚層砂體進(jìn)行測(cè)試，獲得工業(yè)氣流5.48×104m3/d，取得了較好的勘探效果。

圖9 JH5井疊前地震綜合預(yù)測(cè)成果圖

5 結(jié)論

1）沙一段廣覆式砂體疊后地震反射特征復(fù)雜，尤其對(duì)于Ⅱ類AVO響應(yīng)明顯的砂體，近遠(yuǎn)道的反射特征出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，同相疊加后的地震反射與傳統(tǒng)AI標(biāo)定代表的自激自收情況井震匹配關(guān)系較弱。EI標(biāo)定考慮了因入射角改變導(dǎo)致的振幅變化，經(jīng)實(shí)際井資料標(biāo)定結(jié)果顯示，其可以有效改善因AVO導(dǎo)致的井震相位及能量不匹配問(wèn)題。

2）由于地震波在砂巖中的傳播速度普遍高于在泥巖中的傳播速度，疊前AVO截距與梯度之差（P-G）反映的橫波阻抗變化率相較于疊后地震數(shù)據(jù)可以更好的反映砂泥巖的巖性變化，可以用于定性識(shí)別砂體。結(jié)合測(cè)井交匯設(shè)置砂巖橫波阻抗門檻值，可使用疊前同時(shí)反演對(duì)砂體縱向發(fā)育規(guī)模進(jìn)行定量刻畫。

3）縱波阻抗與砂體孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，疊前AVO的截距屬性（P）反映了縱波阻抗的變化率，在砂體識(shí)別的約束下，可用于孔隙度的定性識(shí)別。通過(guò)線性關(guān)系擬合縱波阻抗與孔隙度，可將縱波阻抗反演結(jié)果轉(zhuǎn)化為孔隙度反演結(jié)果，進(jìn)而對(duì)達(dá)到儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)的砂體進(jìn)行定量篩選。

4）砂巖在含氣時(shí)其縱橫波速度比會(huì)顯著下降，因此疊前AVO截距與梯度之和（P+G）反映的縱橫波速度變化情況，可用于定性判別砂巖含氣飽和度的高低。結(jié)合測(cè)井交匯設(shè)置含氣砂巖的含氣飽和度門檻值，可使用縱橫波速度比的反演結(jié)果對(duì)含氣砂巖進(jìn)行定量識(shí)別。