利用相控分頻反演預(yù)測英西湖相碳酸鹽巖儲層

朱 超 劉占國 楊少勇 夏志遠(yuǎn) 李森明 王 鵬

(①中國石油杭州地質(zhì)研究院,浙江杭州 310023； ②中國石油青海油田公司勘探事業(yè)部,甘肅敦煌 736202；③中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院,甘肅敦煌 736202)

1 引言

湖相碳酸鹽巖是指在內(nèi)陸湖盆中形成的碳酸鹽巖，是古湖盆從淡水向咸水直至鹽、堿湖演變過程中的必然產(chǎn)物，湖相碳酸鹽巖油氣資源在世界范圍內(nèi)廣泛分布。近年來，隨著海相碳酸鹽巖及致密油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，諸多技術(shù)系列逐步推廣應(yīng)用到湖相碳酸鹽巖儲層預(yù)測中，并取得了重大勘探發(fā)現(xiàn)，如準(zhǔn)噶爾盆地二疊系咸化湖相云質(zhì)碳酸鹽巖、渤海灣盆地古近系沙河街組湖相灰云巖、四川盆地中侏羅統(tǒng)大安寨組介殼灰?guī)r等[1-4]。柴達(dá)木英西地區(qū)湖相碳酸鹽巖儲層具有巖性復(fù)雜、物性差、非均質(zhì)性強的特點，是制約其勘探進(jìn)程的主要原因。目前，業(yè)界對湖相碳酸鹽巖的儲層成因、沉積模式、烴源巖條件等進(jìn)行了廣泛研究[5-10]，而對湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層評價及預(yù)測的研究相對較少。鑒于中國諸多盆地湖相碳酸鹽巖儲層類型及分布與古地貌密切相關(guān)，多具有古地貌控相、相控儲層、儲層控藏的地質(zhì)規(guī)律[11,12]，因此可以考慮以地質(zhì)規(guī)律為出發(fā)點，以相控建模為核心，開展湖相碳酸鹽巖相控儲層預(yù)測。

傳統(tǒng)的地震反演流程一般包括子波提取、低頻模型建立、反演三部分[13]，而相控儲層反演技術(shù)對低頻模型建立進(jìn)行了優(yōu)化、改進(jìn)，將層序、古地貌、巖相等地質(zhì)認(rèn)識納入初始模型建立過程，實現(xiàn)相控建模，以期利用地質(zhì)規(guī)律約束地震反演。國際上對相控儲層預(yù)測技術(shù)的研究相對較少，在中國有人進(jìn)行了應(yīng)用探討。如：關(guān)達(dá)等[14]、黃捍東等[15]、劉魁元[16]、李斌等[17]、陳美伊等[18]利用相控反演預(yù)測了碎屑巖薄砂體儲層；張志偉等[19]、周生友等[20]探討了相控反演在海相碳酸鹽儲層預(yù)測中的應(yīng)用。總體來說，相控儲層預(yù)測技術(shù)還處于探索階段，如何利用地質(zhì)認(rèn)識做好相控約束是關(guān)鍵，利用相控儲層預(yù)測技術(shù)預(yù)測湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層無章可循。

地震沉積學(xué)以地震資料為載體，采用分頻成像、相位轉(zhuǎn)換、地層切片等技術(shù)研究地層沉積規(guī)律[21-23]，獲得了較好的應(yīng)用效果。本文應(yīng)用地震沉積學(xué)技術(shù)手段實現(xiàn)相控建模，進(jìn)而將所建模型加入分頻非線性反演，預(yù)測柴達(dá)木盆地英西地區(qū)湖相碳酸鹽巖有利儲層分布，詳細(xì)闡述了相控建模的技術(shù)流程，以期為后續(xù)技術(shù)研究提供參考；同時該方法也拓展了相控儲層預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用范圍，為湖相碳酸鹽巖儲層預(yù)測提供了借鑒。實際應(yīng)用效果表明，預(yù)測結(jié)果與鉆井結(jié)果及地質(zhì)認(rèn)識吻合度高，為該區(qū)進(jìn)一步勘探評價提供了有效的技術(shù)支撐。

2 地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地英西地區(qū)下干柴溝組上段為淺湖至半深湖—深湖沉積，水體鹽度從早期至晚期經(jīng)歷了半咸化—咸化—鹽湖—半咸化四個階段，從上至下劃分為Ⅰ～Ⅵ共6個層組(圖1)，巖性復(fù)雜，有砂屑云巖、含膏泥質(zhì)云巖、紋層狀灰云巖、膏質(zhì)泥巖、膏鹽巖、灰質(zhì)泥巖，巖相組合類型主要有顆粒灘、灰云坪、膏鹽坪、泥坪四類。儲集空間類型主要為孔隙型和裂縫—孔隙型，局部發(fā)育裂縫型，儲層厚度小，單層厚度為2～15m，物性差，非均質(zhì)性強，孔隙度為3%～13.5%，滲透率為0.05～0.5mD。其中顆粒灘物性相對較好，巖性為砂屑云巖，其次為灰云坪，巖性為含膏泥質(zhì)云巖、紋層狀灰云巖，物性相對較差(表1)，儲層主要發(fā)育于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ層組。

圖1 英西地區(qū)下干柴溝組上段綜合柱狀圖

表1 英西地區(qū)碳酸鹽巖儲層分類評價

通過野外露頭、巖心及實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合單井、連井相對比分析，在微古地貌恢復(fù)的基礎(chǔ)上，得出該區(qū)湖相碳酸鹽巖分布主要受控于古地貌、發(fā)育碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙型儲層的新認(rèn)識，并建立了洼中古低隆控制下的灘—坪沉積發(fā)育模式。截止2016年底，共部署探井、評價井25口，其中15口井獲工業(yè)油流，發(fā)現(xiàn)了億噸級的預(yù)測及控制儲量，展現(xiàn)了良好的勘探前景。

3 相控儲層預(yù)測原理及方法

相控儲層預(yù)測技術(shù)內(nèi)涵可歸納為通過層序地層、古地貌、巖相等地質(zhì)認(rèn)識指導(dǎo)地震相控建模，進(jìn)而約束地震反演，準(zhǔn)確預(yù)測和描述復(fù)雜地質(zhì)體，其理論基礎(chǔ)是在層序地層單元內(nèi)，古地貌控制了沉積相帶展布，進(jìn)而決定了儲集體縱、橫向組合特征及平面分布范圍。因此層序格架內(nèi)的巖相研究是優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測和刻畫的前提，在此基礎(chǔ)上，借助地震沉積學(xué)技術(shù)對巖相分析結(jié)果進(jìn)行相控建模，用得到的低頻模型約束地震反演。其技術(shù)流程可分解為相控建模和儲層反演兩部分(圖2)，其中儲層反演主要通過巖石物理分析尋找儲層敏感彈性參數(shù)，然后選擇合適的疊前或疊后反演方法。本文采用疊后分頻非線性反演方法，具有較高的分辨率。相控建模總體思路是以沉積旋回為單元、古地形為框架、地震—測井巖相分析為橋梁，其分析過程包括：①建立基于層序格架的相模式，即建立高分辨率層序地層格架。從地質(zhì)成因角度分析格架內(nèi)目的層段的巖相類型及沉積模式，并進(jìn)行地震正演模擬，明確各類巖相組合的地震響應(yīng)特征。②基于古地貌約束的巖相綜合解釋。通過巖心相標(biāo)定測井相，并進(jìn)行單井相、連井相綜合解釋。在此基礎(chǔ)上，以古地貌為約束，進(jìn)行平面相的初步解釋。③基于地震沉積學(xué)的相控建模。在地震分頻相位轉(zhuǎn)換體上對目的層段進(jìn)行地層切片分析，并結(jié)合鉆井資料及正演模擬結(jié)果明確顆粒灘體對應(yīng)的頂、底切片位置，并以頂、底切片構(gòu)建層序體，進(jìn)而在層序體內(nèi)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法精細(xì)解釋地震巖相。

圖2 相控儲層預(yù)測技術(shù)流程

4 相控建模分析過程

4.1 基于層序格架建立相模式

建立精準(zhǔn)的層序格架對研究沉積相帶演化和儲集體刻畫具有重要意義[24]。根據(jù)層序地層學(xué)原理，結(jié)合地震及測井響應(yīng)特征，將英西地區(qū)下干柴溝組上段從下至上劃分為6個四級層組(12個短期旋回)(圖1)。根據(jù)巖心實驗分析結(jié)果，研究區(qū)儲層巖性主要有顆粒云巖(包括砂屑云巖、角礫砂屑云巖)、含膏泥質(zhì)云巖、紋層狀灰云巖，進(jìn)而建立古低隆區(qū)單旋回碳酸鹽巖溶孔型儲層沉積序列模式(圖3)，反映了從早期至晚期水體逐漸變淺的演化過程，其中水下古低隆區(qū)由灘主體和灘側(cè)緣組成，為優(yōu)質(zhì)儲層集中發(fā)育區(qū)。早期水體相對較深，灘主體發(fā)育少量含膏泥質(zhì)云巖，灘側(cè)緣發(fā)育紋層狀云灰?guī)r；隨著水體逐漸變淺，灘主體接受暴露淋濾、溶蝕作用，發(fā)育較厚層的砂屑云巖和角礫砂屑云巖，灘側(cè)緣則發(fā)育含膏泥質(zhì)云巖，整個演化階段洼陷區(qū)以暗色灰質(zhì)泥巖、膏鹽巖以及膏質(zhì)泥巖沉積為主。隨著古低隆的不斷遷移，這種單期模式的多期疊置，構(gòu)成了良好的生、儲、蓋組合。

根據(jù)單旋回沉積序列模式(圖3)及地震儲層預(yù)測的可操作性原則，建立簡化地質(zhì)模型(圖4a)，并依據(jù)鉆井統(tǒng)計結(jié)果設(shè)置地質(zhì)參數(shù)。采用40Hz雷克子波對所建地質(zhì)模型進(jìn)行正演，由正演結(jié)果(圖4b)可見，三類巖相組合對應(yīng)三種地震反射特征：①強振幅、中—高頻反射(顆粒灘與泥巖組合)；②中—強振幅、中—高頻反射(灰云坪與膏質(zhì)泥巖或泥巖組合)；③弱振幅、空白反射(膏鹽巖與膏質(zhì)泥巖或泥巖組合)。

4.2 基于古地貌約束的巖相綜合解釋

根據(jù)沉積序列模式(圖3)可知，古低隆控制下的單旋回沉積序列在不同位置發(fā)育的儲層類型及儲集空間不同。因此，通過古地貌恢復(fù)，明確研究區(qū)古低隆發(fā)育區(qū)及遷移規(guī)律，進(jìn)而從宏觀上刻畫灘—坪相平面展布范圍。通過采用構(gòu)造趨勢面轉(zhuǎn)換法恢復(fù)英西地區(qū)下干柴溝組上段主力層段的微古地貌[25](圖5)可知，研究區(qū)呈現(xiàn)隆、洼相間的古地貌格局，宏觀物源分析表明其物源主要來自西北部的獅北(藍(lán)色虛線西北部)，其中Ⅴ層組沉積前在南、北兩個洼陷之間存在一個較大的水下古低隆條帶(圖5a)，至Ⅳ層組沉積前，該古低隆向北遷移，且范圍有所減小(圖5b)。因此，由古地貌控相的地質(zhì)認(rèn)識可進(jìn)一步圈出顆粒灘相的平面分布范圍(紅色虛線圈定區(qū)域)，結(jié)合測井相解釋結(jié)果，可對其進(jìn)行校正，為下步地震巖相綜合解釋奠定基礎(chǔ)。

圖3 英西湖相碳酸鹽巖單旋回沉積序列模式

圖4 地質(zhì)模型(a)及正演結(jié)果(b)

目的層段共設(shè)置了五套顆粒灘(縱波速度vP=5650m/s，密度ρ=2.64g/cm3,厚度h=2～10m)及灰云坪(vP=5430m/s，ρ=2.56g/cm3,h=2～10m)儲集體，分別分布于古低隆區(qū)和斜坡區(qū)，凹陷區(qū)主要為膏鹽巖(vP=4950m/s，ρ=2.10g/cm3,h=2～10m)以及膏質(zhì)泥巖(vP=5000m/s，ρ=2.2g/cm3,h=2～10m)。目的層背景為泥巖(vP=5050m/s，ρ=2.21g/cm3,h=2～100m)，顆粒灘上覆、下伏地層參數(shù)分別為vP=4900m/s，ρ=2.1g/cm3,h=75m和vP=5500m/s，ρ=2.5g/cm3,h=50～200m

圖5 英西地區(qū)下干柴溝組上段古地貌恢復(fù)

4.3 基于地震沉積學(xué)的相控建模

應(yīng)用地震沉積學(xué)技術(shù)，對原始地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行分頻成像、90°相位轉(zhuǎn)換及地層切片分析，在此基礎(chǔ)上開展基于地層切片層序體的地震巖相分析。經(jīng)過分頻相位轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)體具有兩個明顯優(yōu)勢[26,27]：一是縱向視分辨率有所提高，具有一定的薄層識別能力；二是數(shù)據(jù)體地質(zhì)意義更加明確，地震同相軸具有巖性意義，可更為直觀、方便地分析巖相。

在分頻相位轉(zhuǎn)換體上進(jìn)行地層切片掃描，結(jié)合鉆井分析，明確主力灘體發(fā)育區(qū)對應(yīng)的地層切片位置，然后以地層切片為頂、底界面構(gòu)建層序體，優(yōu)選地震屬性進(jìn)行巖相解釋。其中層序體縱向尺度取決于對研究區(qū)巖相(或砂體展布)的認(rèn)知程度，原則上與研究區(qū)沉積旋回的劃分尺度對應(yīng)，若研究區(qū)能識別出四級或五級旋回，則層序體縱向跨度以四級或五級旋回為準(zhǔn)。若尺度太大，則精度不夠，尺度太小，則工作量大，且地震縱向分辨率不夠。

圖6為基于地層切片層序體的巖相識別剖面，在Ⅴ、Ⅳ層組內(nèi)部各做10次地層切片，分析平面反射特征。結(jié)合鉆井標(biāo)定可知， Ⅴ層組內(nèi)部在縱向上發(fā)育四期顆粒灘相，Ⅳ層組內(nèi)部發(fā)育三期顆粒灘相。以Ⅴ-2期巖相為例，對應(yīng)于Ⅴ層組內(nèi)部切片4為頂界面、切片5為底界面構(gòu)建的層序體，對該層序體進(jìn)行地震巖相分析，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行波形分類。在計算過程中，以古地貌確定的宏觀相邊界為約束，并以巖心相、測井相為基礎(chǔ)進(jìn)行巖相解釋，圖7為Ⅴ-2層序體波形分類、巖相識別平面圖。由圖可見，地震波形分為6種模式(在圖7a中分別用不同顏色代替)，其巖相邊界和古地貌(圖5)具有較好的一致性。將巖相平面解釋結(jié)果(圖7a)反投到地震剖面(圖6)上，并結(jié)合鉆井標(biāo)定進(jìn)行剖、平面聯(lián)動巖相校正，最終可得到更為精確的巖相解釋結(jié)果(圖6、圖7b)。

圖6 基于地層切片層序體的巖相識別剖面

依據(jù)V-2的實現(xiàn)方式，對其他幾套顆粒灘相進(jìn)行綜合解釋，得到空間上的巖相層序體，然后利用巖相層序體約束邊界，構(gòu)建低頻模型。該方法構(gòu)建的低頻模型是以相帶為單元進(jìn)行插值，有別于傳統(tǒng)的以距離大小進(jìn)行插值，更符合地質(zhì)實際。圖8為用克里金插值算法得到的Ⅴ、Ⅳ層組無相控和相控低頻阻抗模型。由圖可見：當(dāng)無相控約束時，Ⅴ層組底部為一套高阻抗(紅色)、連續(xù)性好的條帶，其原因是由于獅35井和獅39井底部的阻抗曲線為高值，而其他井對應(yīng)的深度段未有阻抗曲線，故其按照這兩口井的曲線進(jìn)行外推插值，得到橫向穩(wěn)定延伸的高阻抗條帶(圖8a)；當(dāng)加入相控約束后，根據(jù)相邊界進(jìn)行外推插值，因此高阻抗條帶在橫向上并未長距離延伸，這與地質(zhì)認(rèn)識及鉆井取樣分析結(jié)果相吻合(圖8b)。

圖7 Ⅴ-2層序體波形分類(a)、巖相識別(b)平面圖

圖8 用克里金插值算法得到的Ⅴ、Ⅳ層組無相控(a)和相控(b)低頻阻抗模型

5 相控分頻反演預(yù)測

通常根據(jù)研究區(qū)鉆井?dāng)?shù)量選擇地震反演方法，一般而言，井?dāng)?shù)較少時常用稀疏脈沖反演，井?dāng)?shù)較多時以模型反演為主。稀疏脈沖反演并未充分利用地震資料的相對低頻和高頻信息，且反演結(jié)果受子波影響較大；模型反演相對具有較高的分辨率，但在建立常規(guī)模型反演的初始模型時并未加入相控約束，降低了預(yù)測精度[28]。因此，針對研究區(qū)儲層薄、物性差、非均質(zhì)性強的特點，文中采用基于相控建模的分頻反演。

5.1 振幅隨頻率變化的相控反演

由地震波形成原理可知，當(dāng)不同主頻子波與楔形模型褶積時，可以得到一系列對應(yīng)主頻的合成地震記錄，進(jìn)而得到不同主頻的調(diào)諧曲線(圖9a)。因此，在進(jìn)行反演時僅根據(jù)振幅同時求解波阻抗和時間是多解的，在不同時間厚度下振幅隨頻率的變化關(guān)系(AVF)非常復(fù)雜(圖9b)，難以用單一函數(shù)表示，需要借助非線性映射進(jìn)行反演。AVF反演是一種在有效頻寬內(nèi)的全頻帶約束反演，通過分頻技術(shù)產(chǎn)生不同頻段的數(shù)據(jù)體，采用支持向量機算法(SVM)[29]計算不同時間厚度下振幅隨頻率的變化，通過建立測井波阻抗曲線與地震波形之間的非線性映射關(guān)系得到反演結(jié)果，充分利用了地震資料的低、中、高頻帶信息，減少了薄層反演的不確定性，具有較高的分辨率[30,31]。

在進(jìn)行AVF反演前，需要對原始地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行頻帶分析，以掌握其有效頻帶分布范圍，進(jìn)而設(shè)計合適的尺度因子進(jìn)行分頻，以得到不同頻段的分頻體。圖10為目的層段原始數(shù)據(jù)體與分頻數(shù)據(jù)體頻譜分析，可見分頻后數(shù)據(jù)體的頻帶變寬，主頻有所提高，但振幅基本不變，說明分頻體不僅提高了分辨率，同時具備較高的保幅性，為反演提供了高品質(zhì)的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的分頻反演無需建立初始模型，本文采用分頻相控反演，在分頻反演的基礎(chǔ)上加入相控模型進(jìn)行約束，在井眼處曲線與地震波形相匹配，在井間用相邊界約束插值。

圖9 不同主頻下振幅與時間厚度的關(guān)系(a)及轉(zhuǎn)換后的AVF關(guān)系(b)

圖10 目的層段原始數(shù)據(jù)體與分頻數(shù)據(jù)體頻譜分析

5.2 反演結(jié)果與儲層綜合評價

圖11為Ⅴ層組和Ⅳ層組分頻相控儲層預(yù)測剖面。由圖可見：①在Ⅴ層組相控儲層預(yù)測剖面(圖11a)中獅208井區(qū)為優(yōu)質(zhì)儲層集中發(fā)育區(qū)，其中獅35、獅39、獅208、獅49井各有一層試油獲得高產(chǎn)，且該井區(qū)對應(yīng)于古地貌的高部位(圖5)，與古低隆控制優(yōu)質(zhì)儲層分布的地質(zhì)認(rèn)識一致； 往北至古地貌的洼陷區(qū)(獅43井區(qū))優(yōu)質(zhì)儲層不發(fā)育。②在Ⅳ層組相控儲層預(yù)測剖面(圖11b)中古低隆向北遷移至獅38井區(qū)(圖5)，優(yōu)質(zhì)儲層集中發(fā)育，其中獅205、獅38、獅1-2井各有一層試油獲高產(chǎn)，成為單井產(chǎn)量過千噸、穩(wěn)產(chǎn)時間長的高效井，獅208井區(qū)處于斜坡區(qū)，其中獅39及獅208井均有一層試油獲工業(yè)油流。

圖11 Ⅴ層組(a)和Ⅳ層組(b)分頻相控儲層預(yù)測剖面

圖12 相控儲層預(yù)測結(jié)果平面圖(面積約為150km2)

Ⅰ類儲層的物性相對較好， 阻抗值為(1.39～1.53)×104g·cm-3·m·s-1； Ⅱ類儲層的物性變差，阻抗值為(1.26～1.39)×104g·cm-3·m·s-1； Ⅲ類儲層的物性最差， 阻抗值為(1.13～1.26)×104g·cm-3·m·s-1； 高阻抗致密層的阻抗值大于1.53×104g·cm-3·m·s-1； 低阻抗圍巖層的阻抗值不大于1.13×104g·cm-3·m·s-1

通過與鉆井試油及測井解釋結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，反演預(yù)測結(jié)果吻合度可達(dá)83%，相對傳統(tǒng)反演而言，預(yù)測結(jié)果具有高精度、高分辨率優(yōu)勢。英西地區(qū)儲層分為三類(表1)，根據(jù)儲層物性和測井曲線交會分析，給定波阻抗門檻值，可以得到儲層平面預(yù)測結(jié)果(圖12)。結(jié)合鉆井試采結(jié)果可知，日產(chǎn)超過50t/d的井多分布在Ⅰ類儲層中，Ⅱ類儲層以日產(chǎn)10～50t/d的井居多，Ⅲ類儲層井產(chǎn)量一般低于10t/d。當(dāng)裂縫發(fā)育時，初期產(chǎn)量可能會增高。總體來說，預(yù)測結(jié)果精度較高，且與地質(zhì)認(rèn)識較吻合，可有效指導(dǎo)該區(qū)的井位部署。在此基礎(chǔ)上，認(rèn)為獅52井南部存在一個潛在的有利目標(biāo)區(qū)，可以作為潛在儲量升級區(qū)。

6 結(jié)束語

隨著勘探進(jìn)程的不斷推進(jìn)，將面對非層狀、非均質(zhì)、薄層等復(fù)雜儲集體，基于相控的儲層預(yù)測方法將成為一種趨勢。相控儲層預(yù)測的關(guān)鍵是相控建模，需要在精細(xì)地震層序劃分的基礎(chǔ)上，做好地震相及測井巖相識別，從而使儲層預(yù)測結(jié)果更為可靠、精度更高。儲層預(yù)測結(jié)果表明，英西地區(qū)下干柴溝組上段湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)隨著古低隆的向北遷移而不斷變化，其疊合有利儲層面積約為150km2,預(yù)測結(jié)果與鉆井及地質(zhì)規(guī)律吻合度高，有效指導(dǎo)了該區(qū)井位部署。