劉金華 , 朱政宣 , 葛政俊 , 彭 湃, 傅勁翔, 岳玉波 , 夏步余

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都 610500; 2.中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司,浙江杭州 311100; 3.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇揚州 225012; 4.川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院, 四川成都 610051)

尋求地球物理響應(yīng)獲得的物理量與地下儲層參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系通常是非常復(fù)雜的,只能通過間接途徑獲得,隨著研究介質(zhì)的復(fù)雜性變高,許多問題的求解變得繁瑣而不易進行[1-2]。研究區(qū)在扇三角洲沉積背景下發(fā)育大量薄互層砂體,不僅出現(xiàn)大量條帶狀河道砂體,而且由于研究區(qū)距離物源較遠,在物源匱乏區(qū)或匱乏期發(fā)育濱淺湖沉積,出現(xiàn)一定數(shù)量的濱淺湖砂壩透鏡狀砂體[3-6],導(dǎo)致研究區(qū)砂體疊置樣式復(fù)雜,進一步導(dǎo)致研究區(qū)油藏復(fù)雜程度增加,儲層預(yù)測難度也進一步增加。單純的從實際地震資料入手,在目標(biāo)油區(qū)很難總結(jié)出有效的振幅、波形規(guī)律以預(yù)測相對高滲條帶,因而考慮采用地震正演方法對薄砂體及砂體疊置開展地震響應(yīng)研究,為更精準(zhǔn)的預(yù)測砂體提供依據(jù)?；跈C制模型的地震正演方法是研究薄砂層反射波特征的重要手段之一,地震正演模擬主要包括物理模擬和數(shù)值模擬兩大類:物理模擬是對與實際地質(zhì)體成比例的模型進行探測,模擬野外采集,通過處理獲得其地震響應(yīng);數(shù)值模擬是基于彈性介質(zhì)波場傳播理論在計算機環(huán)境下模擬實際地質(zhì)模型的地球物理響應(yīng)方法[7-12]。雖然在數(shù)值模擬地震正演方面的研究較多,但多數(shù)研究以地層、斷層或單層砂體為對象,對其位置、厚度、形態(tài)變化等的地震響應(yīng)開展正演分析以及基于沉積和儲層發(fā)育特征的砂體疊置樣式的地震響應(yīng)研究較少[13-17]。因此筆者依據(jù)機制模型的地震正演結(jié)果,總結(jié)和梳理地震響應(yīng)反射特征,篩選出對砂體厚度和分布比較敏感的地震屬性,對砂體疊置樣式等機制模型的地震響應(yīng)反射特征進行研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

蘇北盆地位于江蘇省中北部,內(nèi)部劃分為4個呈近東西向展布的二級構(gòu)造單元,由南向北分別為東臺坳陷、建湖隆起、鹽阜坳陷和濱海隆起。高郵凹陷位于蘇北盆地南部東臺坳陷中部,南為通揚隆起,北接柘垛低凸起,東南靠吳堡低凸起與溱潼凹陷相連,西接菱塘橋低凸起與金湖凹陷相隔,東西長度約為100 km,南北寬度約為25～30 km,面積為2 670 km2,呈北東向長條形分布,新生界地層沉積厚度為7000 m,是蘇北盆地沉降最深的一個凹陷。高郵凹陷構(gòu)造單元可劃分為南斷階、深凹帶和北斜坡3個部分(圖1)[3-6]。

高郵凹陷深凹帶是江蘇油田最主要的含油氣單元之一,具有新生代沉積厚度大,生儲蓋組合優(yōu)異,油氣富集等特點。戴南組是高郵凹陷深凹帶主要含油氣層段之一,沉積于吳堡運動造成的不整合面之上,與下伏阜四段不整合(假整合)接觸,從下而上分別為戴一段(E2d1)和戴二段(E2d2),主要發(fā)育扇三角洲、濱淺湖沉積[3-6]。

2 機制模型構(gòu)建原則

高郵凹陷深凹帶戴南組沉積時期,同生斷裂發(fā)育,構(gòu)造活動劇烈,因此主要發(fā)育扇三角洲沉積,但在馬家嘴油田西部等地區(qū)由于斷裂活動較弱、波浪作用較強,形成濱淺湖沉積,并且在馬家嘴油田出現(xiàn)濱淺湖與扇三角洲在縱向上互層現(xiàn)象,形成砂體疊置樣式的多樣性。因此將復(fù)雜多樣的砂體疊置樣式進行分類總結(jié),從而指導(dǎo)機制模型的構(gòu)建。

機制模型構(gòu)建合理與否直接決定在理想狀態(tài)下砂體疊置分布模式的地球物理響應(yīng)特征是否具有代表性,更進一步?jīng)Q定實際油田實際資料由地震相向沉積相、巖相的解釋準(zhǔn)確與否。首先從測井參數(shù)特征總結(jié)入手,通過各口井測井?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到泥巖背景及儲層的聲學(xué)參數(shù),從而確定機制模型中各個單元的聲學(xué)參數(shù)值設(shè)定;其次通過測井參數(shù)統(tǒng)計,得到儲層條帶縱向上的厚度范圍及條數(shù),為機制模型如何構(gòu)建及構(gòu)建的單元厚度及條數(shù)奠定基礎(chǔ)[18-22]。

在確定儲層、泥巖的地球物理及幾何參數(shù)后進行機制模型的構(gòu)建,機制模型構(gòu)建遵循由等效模型向疊置模式過渡的原則。通過等效模型的建立及地震正演響應(yīng)分析,總結(jié)儲層、泥巖厚度、泥巖隔層、韻律變化等的地震響應(yīng)差異及規(guī)律,因此需要建立以下幾類模型:

(1)砂體楔形模型。首先需明確實際地震頻率下砂體的調(diào)諧厚度,剔除因調(diào)諧厚度造成的地震振幅的影響。然后由于不同類型沉積其韻律特征不一致,落實不同韻律的砂體其正演響應(yīng)特征是否一致,因此需要建立不同韻律的砂體模型與均值模型對比,分析其地震響應(yīng)差異,此模型的正演響應(yīng)分析結(jié)果決定進行疊置模式機制模型正演時是否考慮韻律。

(2)實時動態(tài)正演模型。通過改變砂體的相對位置,分析砂體連續(xù)性/不連續(xù)性的二維機制模型的響應(yīng)特征。細分為砂體橫向疊置正演模式,分析橫向疊置時砂體邊界的識別精度;橫縱向多期砂體疊置正演模型,分析砂體疊置不同寬度與不同高程差疊置下的地震響應(yīng)特征及砂體識別精度。

(3)砂體疊置樣式等效機制模型?；谏绑w的主控沉積因素差異造成的砂體疊置樣式的不同,建立等效的機制模型,分析砂泥厚度變化的地震響應(yīng)特征,篩選表征砂泥變化的敏感地震屬性。

(4)在多種正演模型分析基礎(chǔ)上,基于實際井的砂體分布特征建立機制模型,分析模型正演地震響應(yīng)與實際地震的對應(yīng)關(guān)系。

3 地球物理參數(shù)評價

基于測井解釋結(jié)果,分別獲取砂泥巖的測井參數(shù),統(tǒng)計儲層與泥巖的波阻抗參數(shù),為模型正演提供正演設(shè)置參數(shù),力求與地下實際情況的地球物理參數(shù)接近(圖2、表1),通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計,砂巖與泥巖的巖石物理數(shù)據(jù)存在明顯區(qū)別(表1),因而可以開展模型正演研究。并統(tǒng)計研究區(qū)單層砂體厚度解釋結(jié)果,分布區(qū)間主要為1～4 m,大于8 m的較少,因此建立機制模型時單層砂體小于10 m。

表1 巖石物理特征統(tǒng)計(平均值)Table 1 Statistics of petrophysical characteristics (average value)

圖2 儲層與泥巖速度、密度分布直方圖Fig.2 Velocity and density distribution of reservoir and mudstone

4 地震正演等效機制模型

根據(jù)儲層預(yù)測與砂體邊界刻畫等需求,分別建立多種類型的機制模型進行正演,包括砂體韻律性、砂體調(diào)諧厚度、砂體疊置、隔夾層厚度等多種模型,從而總結(jié)對應(yīng)的地震響應(yīng)特征規(guī)律。

4.1 砂體韻律模型

基于油田不同沉積類型儲層的韻律性不同,分別建立均值模型和韻律模型進行機制模型正演,分析不同模型的地震響應(yīng)差異。從沉積上分析,當(dāng)單砂體的沉積韻律不同時單砂體內(nèi)物性也會有所差異,砂體內(nèi)部韻律性是否產(chǎn)生明顯的地震響應(yīng)以及是否對砂體預(yù)測產(chǎn)生明顯影響等問題對儲層預(yù)測精度具有重要意義。因而針對單砂體的韻律性,分別建立均值模型和韻律模型進行地震正演,分析不同韻律模型的地震響應(yīng)差異。

通過不同韻律模型的正演對比可知,在調(diào)諧厚度之內(nèi),韻律模型與均值模型正演的地震波形、振幅變化規(guī)律基本一致。砂體較薄時,韻律模型正演結(jié)果與均質(zhì)模型正演結(jié)果差異小,當(dāng)砂體逐漸變厚,雖然正演合成記錄波形縱向上的位置會隨著砂體變厚而逐漸變大,但是從砂體厚度-地震能量相關(guān)圖上分析,二者的能量變化規(guī)律趨勢完全一致。因而可以看出韻律變化對薄層砂體地震響應(yīng)的影響較小,并且在后期機制模型構(gòu)建中,可以忽略韻律對地震響應(yīng)的影響。因此建立機制正演模型時采用均值模型來表征基于沉積模式的地球物理響應(yīng)特征。

4.2 砂體調(diào)諧厚度模型

在進行機制模型地震正演前,需要結(jié)合實際地震資料的子波頻率、不同儲層單元的聲學(xué)參數(shù)對地震可識別的最小厚度(λ/4)進行判別。建立泥巖背景下厚度從1～80 m的楔形體模型,由于實際地震資料的主頻約為20 Hz,為了便于對比分析,設(shè)置子波從12～35 Hz,分別進行正演,并提取RMS振幅屬性,以判別20 Hz時地震數(shù)據(jù)的識別尺度。利用不同頻率時正演的地震信號分析,提取RMS振幅,并通過判斷不同頻率時RMS振幅的拐點,得到不同頻率時地震信號識別砂體的調(diào)諧厚度范圍,例如當(dāng)20 Hz時,地震可識別砂體的厚度為40 m(表2)。通過研究區(qū)各儲層單元的幾何參數(shù)統(tǒng)計,砂組的地層厚度范圍平均為40 m,單砂體的厚度小于10 m,均小于調(diào)諧厚度,尤其是含油砂體,遠低于調(diào)諧厚度,因此在實際資料的基礎(chǔ)上直接預(yù)測砂體相對困難。所以考慮以多層相對集中發(fā)育的砂體組成的砂組為目標(biāo)開展儲層預(yù)測,但砂組中砂體存在多種多樣的疊置方式,可能對地震響應(yīng)產(chǎn)生較大影響,因而開展砂體疊置方式機制模型正演研究。

表2 不同頻率地震信號識別砂體調(diào)諧厚度Table 2 Tuning thickness of sand body identified by seismic signals of different frequencies

4.3 砂體疊置模型

由于研究區(qū)戴南組發(fā)育的砂體疊置方式多樣,砂體厚度、隔夾層厚度以及聯(lián)通關(guān)系復(fù)雜,因而采用動態(tài)實時正演的方法開展研究。動態(tài)實時正演是基于抽象及理論化沉積模型的正演,根據(jù)沉積模式,形成符合沉積規(guī)律的沉積模式體(二維、三維),利用基于地質(zhì)單元體的動態(tài)正演方法可以實時的根據(jù)沉積模式對地質(zhì)體進行修改式“拖動”。對應(yīng)的地震響應(yīng)也發(fā)生實時變化,可以更加直觀的觀察和分析地震響應(yīng)隨地質(zhì)模式的變化而變化的規(guī)律特征。

研究區(qū)主要儲層類型為水下分流河道砂體和濱淺湖灘壩砂體,因而實時動態(tài)正演過程中采用砂體透鏡狀分布的地質(zhì)模型,主要模擬河道和灘壩砂體疊置的地震響應(yīng)特征。水下分流河道地質(zhì)剖面上為頂平底凸、短軸狀、河道砂中間厚兩端減薄;灘壩砂體為頂凸底平狀,中間厚兩端減薄。因此以研究區(qū)沉積砂體發(fā)育特征為基礎(chǔ)(圖3),建立不同參數(shù)不同疊合模式的河道砂體的動態(tài)正演模型(圖4)。動態(tài)正演過程中可以靈活改變模擬參數(shù)及疊置狀態(tài),便于分析不同疊置模式砂體的響應(yīng)特征,確定識別模式,分析敏感屬性,指導(dǎo)儲層預(yù)測研究。

圖3 馬家嘴油田砂體橫向連通性對比剖面Fig.3 Cross section of sand body transverse connectivity correlation in Majiazui Oilfield

圖4 河道砂體與灘壩砂體的疊置樣式機制模型Fig.4 Overlapping pattern mechanism model of channel sand body and beach bar sand body

4.3.1 砂體連通疊置樣式

為了分析砂體連通性的地球物理響應(yīng)特征,首先通過對河道和灘壩砂體的縱向及橫向砂體疊置樣式分析,總結(jié)出16類砂體疊置樣式(圖4)。并在縱向砂體疊置樣式基礎(chǔ)上分別建立砂體連通、砂體弱連通和砂體重合連通3種機制模型,通過正演分析地震響應(yīng)與砂體形狀的關(guān)系,以及砂體連通與否對地震響應(yīng)的變化規(guī)律。通過3組模型正演對比可知,地震反射軸形態(tài)受沉積體的影響,砂體不連通時,若兩期同為河道,反射軸呈頂平底凸;同為灘壩時,反射軸呈頂凸底平;河道和灘壩疊置時,反射軸呈透鏡體狀(圖5(a))。當(dāng)砂體弱連通時,反射特征與砂體不連通時基本一致,可見完整波形弱反射特征。當(dāng)砂體連通較好時,左右地震同相軸相連,在重合位置,受沉積體形態(tài)影響,地震反射軸也有變化。地震反射軸受砂體形態(tài)影響,形態(tài)基本一致(圖5(b))。

圖5 河道與灘壩不連通機制模型Fig.5 Mechanism model of unconnection between river channel and beach dam

4.3.2 單砂體橫向疊置樣式

根據(jù)研究區(qū)砂體疊置樣式設(shè)計不同的二維砂體橫向疊置模型,定性分析地震信號識別砂體邊界的橫向分辨率。二維砂體疊置模型以頂平底凸的河道砂體來表征砂體橫向疊置識別尺度分析。模型設(shè)置河道砂體中心厚度為10 m,兩端減薄,單砂體寬度為300 m。兩期砂體疊置重合范圍分別為0、10、30、50和80 m,縱向上兩期砂體高程差基本保持一致。這些不同疊置范圍的二維砂體模型對應(yīng)的正演響應(yīng)特征及砂體邊界識別特征屬性、地震方差屬性和螞蟻體剖面圖(圖6)。

圖6 砂體橫向疊置地震正演二維剖面及屬性差異剖面Fig.6 2D seismic forward simulation profile and attribute difference profile of sand body lateral superposition

通過兩期砂體疊置模型的正演結(jié)果對比可知,隨著砂體厚度增大,地震振幅增強。而且地震剖面上不同河道間存在地震同相軸有錯動、反射時間有差異、振幅有變?nèi)醯奶卣?。若不考慮兩期砂體的高程差,即高程差為零或很小時,地震同相軸橫向受砂體形態(tài)影響表現(xiàn)為振幅強度變化及同相軸的下凹或上凸。當(dāng)砂體橫向疊置0 m時,地震方差體和螞蟻體屬性能清晰的識別出兩期砂體的邊界,隨著疊置范圍逐漸增大,方差體和螞蟻體地震屬性差異逐漸減小,砂體邊界識別能力逐漸減弱。當(dāng)砂體疊置范圍為80、120 m時,砂體疊置部分的屬性差異基本消除,已經(jīng)難以通過方差體和螞蟻體屬性差異識別兩期砂體的邊界。因此地震方差體、螞蟻追蹤體屬性基本上能定性的對于橫向疊置范圍小于50 m砂體能夠進行分辨,疊置越小,地震體屬性差異越明顯,邊界識別越可靠。

4.3.3 多砂體縱向疊置樣式

根據(jù)工區(qū)復(fù)合砂體疊置樣式,更貼近實際地質(zhì)情況,在此建立多期砂體疊置高程差與橫向疊置兩個變量因素的模型,定性的分析地震信號識別砂體邊界的縱向分辨率和相應(yīng)的地震屬性特征變化規(guī)律。因此設(shè)計不同的二維砂體橫向疊置、縱向高程差變化的機制模型,模型設(shè)計主要以疊置為砂體中心厚度為10 m,兩端減薄,單砂體寬度為300 m。砂體橫向疊置分別為砂體寬度的1/2、1/4、1/8倍,砂體縱向疊置厚度分別為砂體厚度的2、1.5、1、0.5、0.25、0倍。這些不同疊置范圍的二維砂體模型對應(yīng)的正演響應(yīng)及砂體邊界識別屬性、地震方差屬性、螞蟻體剖面圖(圖7)。

圖7 砂體1/4寬度—高程差疊置模型、正演響應(yīng)及方差體屬性差異剖面Fig.7 1/4 width elevation difference superposition model of sand body, forward response and variance body attribute difference profile

砂體疊置時隨著縱向砂體疊置高程差逐漸減小,地震方差體屬性和螞蟻體屬性差異逐漸減小,砂體邊界識別能力變差。當(dāng)同一高程差一致時,橫向疊置范圍越大,地震特征屬性差異減小變化更明顯,如砂體橫向疊置1/2與1/8寬度—高程差模型中1/8的疊置模型比1/2的疊置模型地震特征差異明顯變大(圖7)。

多期砂體疊置正演響應(yīng)特征可知,當(dāng)兩期砂體垂向疊置時,不同高程、不同橫向疊置范圍條件下,地震響應(yīng)出現(xiàn)波形的拉伸、波峰波谷不對稱、雙峰等響應(yīng)特征。當(dāng)垂向疊置高程差大于1/4砂體厚度時波形出現(xiàn)拉伸、波峰畸變等特征,方差屬性較強。正演響應(yīng)表明疊置高程從0.25倍砂體厚度變化至1.5倍砂體厚度時,剖面不連續(xù)性從近垂直方向逐漸變?yōu)閮A斜,高程差越大角度越大(圖7)。因此地震特征屬性能夠分辨大于1/4砂體厚度高程的疊置特征,識別能力較強。

4.4 泥巖隔層等效模型

研究區(qū)儲層具有單砂體薄、砂層多、地震頻率低等特征,實際的地震信號通常是多套砂泥互層的綜合響應(yīng)及各反射耦合在一起,增加識別砂體的難度,通過研究區(qū)具體井剖面砂泥巖的疊置關(guān)系,建立4種砂巖隔層組合的等效模型進行正演,分析砂體厚度逐漸變化是相應(yīng)的地球物理反射特征規(guī)律(圖8)。等效機制模型單砂體厚度最大為10 m,隔層最大厚度為20 m,砂體層數(shù)為2層,并且所有的模型厚度均小于調(diào)諧厚度(40 m)。主要模式及特征如下:

圖8 機制模型及對應(yīng)正演響應(yīng)和屬性變化規(guī)律Fig.8 Mechanism model and corresponding forward response and attribute change law

(1)砂體厚度增加,隔層厚度不變。模型砂體厚度最小值為1 m,按1 m的間隔增厚至10 m,砂體隔夾層為4 m。該模型相當(dāng)于上部為灘壩砂體,下部為河道砂體的疊置樣式。隨著砂體厚度增大,砂體對稱時波峰、波谷位置保持不變;振幅能量隨砂體厚度變大而逐漸變大,但頻率隨厚度增加略有降低,相位變化不大(圖8)。

(2)砂體厚度增加,隔層厚度不變。模型上部砂體厚度最小值為1 m,按1 m的間隔增厚至10 m,下部為2 m厚度不變的砂體,砂體隔夾層為4 m。該模型相當(dāng)于上部為砂壩砂體,下部為穩(wěn)定席狀砂的疊置樣式。隨著砂體厚度變大,波峰、波谷略微向上拉。振幅能量隨砂體厚度變大而逐漸變大,但頻率、相位隨厚度增加基本不變。與上一模型相似,但上部砂體厚度不變,下部砂體厚度增加,該模型相當(dāng)于上部為穩(wěn)定的席狀砂體,下部為河道砂體的疊置樣式。正演響應(yīng)特征表明,隨著砂體厚度變大,波峰、波谷略有下拉現(xiàn)象。振幅能量隨砂體厚度變大而逐漸增大,但頻率、相位隨厚度增加基本不變。

(3)砂體總厚度不變,隔層厚度不變。該模型的特點是,上下砂體疊置時砂體總厚度保持一致,中間的隔夾層厚度也不變。模型設(shè)計為上部砂體厚度由10 m,依次向右按1 m的間隔厚度減小至1 m,下部砂體則相反,由1 m厚度按1 m間隔增加至10 m厚度。通過正演特征分析可知,隨著上部砂體厚度減薄下部逐漸增厚,RMS振幅能量略有先減弱后增大的現(xiàn)象。波峰、波谷略有上拉現(xiàn)象;而頻率、相位隨厚度增加基本不變。

(4)砂體厚度不變,隔層厚度增加。該模型特點是上下疊置的砂體厚度都保持厚度不變,但砂體間的隔夾層厚度是逐漸增厚的。模式設(shè)計為上下砂體厚度都為1 m,隔層厚度由2 m增加至20 m。隨著隔層厚度變大,波峰向下、波谷向上拉的現(xiàn)象。振幅能量隨隔層厚度變大而逐漸衰減;隨隔層厚度增加,頻率逐漸下降,當(dāng)大于18 m是主頻率突然降低,相位呈減小趨勢。

4.5 基于實際井等效機制模型

通過不同砂體疊置樣式等效機制模型正演建立地震正演響應(yīng)特征模式,地震振幅、能量屬性對砂體橫向變化特征對比較敏感,且儲層差異越大,地震屬性差異越明顯,而頻率和相位屬性對儲層的橫向變化不敏感。由于實際井中的砂體發(fā)育情況較模型更加復(fù)雜,因而選擇典型井開展實際井等效機制模型研究,為該區(qū)儲層精細預(yù)測提供理論依據(jù)。

過連井剖面建立連井的正演機制模型,通過正演可知,峰谷為多套砂泥復(fù)合的地震響應(yīng),過井剖面的正演與單井結(jié)果一致(圖10),因此井震結(jié)合的研究尺度為砂體組合的模式,前文的對單井砂體的組合并也是基于井震研究尺度一致考慮進行的。

圖10 馬家嘴油田連井正演與實際地震對比Fig.10 Comparison between forward simulation and actual seismic profile in Majiazui Oilfield

5 結(jié) 論

(1)通過對研究區(qū)測井參數(shù)等的統(tǒng)計,確定儲層、泥巖的地球物理及幾何參數(shù),其中單砂體厚度小于10 m,砂巖聲波時差為257 μs·m-1、波阻抗為9844 m·s-1·g·cm-3,泥巖聲波時差為290 μs·m-1、波阻抗為8828 m·s-1·g·cm-3。

(2)韻律模型正演分析顯示韻律變化對薄層砂體地震響應(yīng)的影響較小,可以忽略韻律對地震響應(yīng)的影響。砂體調(diào)諧厚度模型正演分析顯示當(dāng)研究區(qū)主頻為20 Hz時,地震可識別砂體的厚度為40 m,單砂體的厚度小于10 m,遠低于調(diào)諧厚度,在實際資料的基礎(chǔ)上直接預(yù)測砂體是非常困難。

(3)地震屬性對于橫向疊置范圍小于50 m砂體,以及大于1/4砂體厚度高程的疊置特征能夠進行分辨。并且泥巖隔層在泥砂巖薄互層的巖性油藏開發(fā)中具有重要意義,因而通過砂巖隔層組合等效模型進行正演,可以建立隔層與砂體厚度變化的4類模型。

(4)峰谷為多套砂泥復(fù)合的地震響應(yīng),過井剖面的正演與單井結(jié)果一致,建議薄互層砂泥巖油藏研究尺度為以砂體組合模式開展儲層預(yù)測研究。