煤系地層致密砂巖氣甜點區(qū)地震逐級預測
——以鄂爾多斯盆地東南緣下二疊統(tǒng)山西組23亞段為例

李國斌 張亞軍 謝天峰 石小茜 王榮華 李星濤 劉雄志 景紫巖

1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2.中石油煤層氣有限責任公司

0 引言

煤系地層致密砂巖氣儲層地震預測主要面臨兩個方面的難點：一是多數(shù)致密砂巖儲層上覆煤層，受煤層地震強反射屏蔽影響導致砂巖儲層的地震分辨率顯著降低；二是致密砂巖儲層厚度較薄、巖性致密和低孔低滲的地質(zhì)特性使得相應的地球物理特征異常微弱而難以識別。目前該類型儲層地震預測多是圍繞煤層去強軸或壓制煤層強反射、突出下伏弱反射儲層，但對去強軸或壓制強反射的“度”往往難以把握，導致部分弱反射薄層儲層被遺漏。另外，為了克服單一地震屬性分辨力不足、預測多解性的缺點，利用多元地震屬性綜合預測儲層，但對是否為有效含氣儲層或某個確定性儲層段（如河道砂巖）存在不確定性。因此尋找到一種綜合性逐級控制預測方法，并據(jù)此有效預測儲層至關重要。

鄂爾多斯盆地東南部下二疊統(tǒng)山西組23亞段（以下簡稱山23亞段）為該盆地的主力含氣層和重點勘探層[1-9]，是一套位于煤層之下的河道砂巖沉積，砂巖儲層單層厚度介于2～10 m，平均厚度為4.2 m，平均孔隙度為4.56%，平均滲透率為0.145 mD，是典型的薄層致密砂巖儲層[10-11]。近年來，該區(qū)致密砂巖氣勘探取得了重大突破，其中針對鄂爾多斯盆地東緣山23亞段儲層預測，前人已做了很多研究，提出了很多行之有效的方法。例如，壓制煤層強反射儲層預測技術[12-13]、子波分解重構(gòu)技術[14]、古地形控制“雙波峰”中—弱振幅儲層識別技術[15-17]、多屬性地震相分析技術[18]等。但這些預測方法多針對可能發(fā)育河道的判斷，強調(diào)對河道的識別（如地層增厚處可能為河道）或者可能發(fā)育有河道砂，但都不能確定有河道是否就發(fā)育有河道砂巖或者有砂巖是否就是有效含氣砂巖等關鍵問題。這嚴重制約了氣區(qū)的進一步勘探開發(fā)工作。為了準確預測致密砂巖氣甜點區(qū)、提高勘探成功率，筆者針對山23亞段“儲層厚度薄、橫向變化快”“受到上覆煤層地震強反射界面的屏蔽影響導致砂巖儲層地震反射能量較弱、給儲層預測和勘探目標優(yōu)選帶來了很大的不確定性”等問題，利用研究區(qū)2 km×4 km網(wǎng)格的二維地震資料，結(jié)合儲層地質(zhì)特征、儲層地震反射特征和儲層含氣性，提出了90°相移技術識別河道外形、模型約束波阻抗反演刻畫砂體厚度和子波衰減梯度屬性識別有效含氣砂體的地震逐級預測技術，據(jù)此確定致密砂巖氣甜點區(qū)，以期有效指導致密砂巖氣的勘探開發(fā)。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通地臺西緣，東與晉西撓褶帶相接，南與渭北隆起相連，西鄰西緣掩沖構(gòu)造帶，北接伊盟隆起（圖1），面積為25×104km2[19]。在地勢上呈北高南低、東高西低的西傾大型平緩構(gòu)造斜坡，主要發(fā)育巖性—地層圈閉。加里東運動使華北地臺抬升為陸并經(jīng)受長期的風化侵蝕；海西中期，華北地臺緩慢沉降接受東西向沉積；海西晚期，由于南北海槽擠壓，海水從東西向兩側(cè)退出[20]，鄂爾多斯盆地海相沉積結(jié)束，由陸表海盆地變?yōu)榻Ｅ璧兀媳毕虿町惓练e分帶增強；早二疊世山西期開始，鄂爾多斯盆地東南緣進入了以河流—三角洲—湖泊沉積體系為主的陸相沉積階段。山23亞段沉積期，沉積環(huán)境由陸表海逐漸變?yōu)闉I海平原，形成了一系列淺水裙帶三角洲沉積。研究區(qū)石樓—大寧—宜川一帶就位于鄂爾多斯盆地東南部淺水三角洲的前緣區(qū)，有利儲集相帶主要為三角洲前緣水下分流河道和河口壩[21-22]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃及研究區(qū)位置圖

研究區(qū)上古生界發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組（C2b）、下二疊統(tǒng)太原組（P1t）和山西組（P1s）、中二疊統(tǒng)石盒子組（P1sh）以及上二疊統(tǒng)石千峰組（P3s）地層。其中山西組分為山1段（P1s1）和山2段（P1s2）；山2段進一步劃分為山21亞段（P1s21）、山22亞段（P1s22）和山23亞段（P1s23）。其中山23亞段為研究區(qū)主力含氣層，也是鄂爾多斯盆地東南部山2段的重點勘探層位[1-6]。

1.2 山23亞段儲層特征

通過對研究區(qū)130口井山23-2小層砂巖厚度統(tǒng)計，單井砂體累計厚度普遍小于8 m，僅少量井累計砂體厚度大于12 m，砂體厚度整體較薄（圖3）。這種特征反映了研究區(qū)遠離物源區(qū)，物源供應不足、砂體規(guī)模普遍較小的地質(zhì)特點。

圖2 H1井山2段地層劃分和沉積相圖

圖3 山23-2小層單井累計砂巖厚度統(tǒng)計圖

圖4 山23-2小層單砂體砂巖砂巖厚度統(tǒng)計圖

通過對研究區(qū)48口井山23-2小層98個測井解釋單砂體厚度統(tǒng)計，單砂體厚度多介于2～4 m，大于6 m的單砂層較少（圖4），與該區(qū)物源供應不足、砂體規(guī)模小的特征相對應。由于砂體規(guī)模小，因此垂直河道方向砂體厚度變化快，河道寬度較小（多介于400～600 m），但順河道方向砂體延伸相對較遠、連續(xù)性好[15]。

基于山23-2小層砂體規(guī)模小、厚度薄、橫向變化快的特征，建立一套適合砂巖特點的有效儲層預測方法，是該區(qū)致密氣勘探開發(fā)目標優(yōu)選的關鍵。

2 山23亞段儲層地震逐級預測

針對鄂爾多斯盆地東緣山23亞段儲層預測，前人已做過很多研究，提出了許多行之有效的方法。但這些預測方法多是針對去上覆煤層地震強反射能量的干擾以及基于波形變化來識別5號煤與8號煤之間地層時間厚度來判斷可能發(fā)育河道，只強調(diào)對河道的識別，但不能確定有效含氣砂巖等關鍵問題。因此，筆者提出的地震逐級預測方法，首先通過地震識別下切河道外形，然后刻畫河道砂巖厚度，再通過油氣檢測識別有效含氣砂巖，進而提出有利勘探開發(fā)目標，大幅度提高儲層的預測精度。

2.1 90°相移技術

該技術是針對薄層、薄互層地震資料解釋和儲層預測的新方法[24-25]。其基本思路是將原始地震記錄經(jīng)90°相移轉(zhuǎn)換后，使地震相位與巖性測井曲線相吻合，地震反射同相軸與巖層界面相對應。這樣就減少了地震同相軸與地層頂?shù)钻P系的不確定性，優(yōu)化了地震解釋方案，使地震追蹤層位更準確。

對于單一地層界面或者厚地層，在零相位地震振幅數(shù)據(jù)上對應峰值的反射，有利于對地層界面的識別。但對于小于1個波長的薄層，尤其是當砂巖層厚度很薄，當層厚小于1/4個波長時，上、下界面反射波疊加在一起出現(xiàn)嚴重的干涉現(xiàn)象，使巖性與地震振幅之間沒有單一的對應關系，很難識別頂?shù)捉缑婊驅(qū)游弧Ｍㄟ^對地震數(shù)據(jù)進行90°相移轉(zhuǎn)換，使得地震資料同相軸與地質(zhì)上的巖層對應，地震剖面近似于波阻抗剖面，具有了地層意義，提高了剖面解釋的準確性。筆者采用疊后提高分辨率處理的數(shù)據(jù)，地震主頻為45 Hz。較高分辨率的地震數(shù)據(jù)通過90°相移，使得地震極性（同相軸）可與巖性對比，波形更短，地層分辨能力更高。

近年來，隨著國家對高等教育的重視以及國家對各層次人才需求的增加，民辦院校已逐漸被學生和家長所接受，同時，人們對民辦院校的要求也越來越高。隨著民辦院校的發(fā)展，硬件設施方面已逐漸完善，但在教師教學能力及專業(yè)水平上還有待加強。在大多數(shù)民辦院校中，大學數(shù)學課程是各類專業(yè)的基礎課，是學生取得良好發(fā)展的基石，數(shù)學學科對民辦院校學生的發(fā)展有著重要作用。此外，民辦院校的教師流動性大，數(shù)學學科以青年教師居多。因此，要不斷提升青年教師的教學實踐水平，從而提升民辦院校數(shù)學學科的整體教學水平和科研能力。

以過H0井—H1井—H2井地震測線為例，可以看出90°相移剖面反射同相軸與巖性界面嚴格對應（圖5-a、b），5號煤和8號煤地震解釋層位正好對應煤層頂、P1s底界面正好對應山23亞段河道底界面，因此通過90°相移剖面P1s底地震界面就可以識別河道底形變化。如H1井區(qū)山23亞段底部發(fā)育一套厚層河道砂巖，地震反射呈中—弱振幅（白色—淡黃色），河道底形呈下凹形透鏡狀、地層增厚。從鉆井分析，厚砂巖發(fā)育區(qū)在地震剖面上具有明顯下切“V”字形、透鏡狀中—弱振幅反射特征。通過這種特征可以對未鉆井區(qū)可能河道發(fā)育區(qū)進行識別。如圖5-b中90°相移剖面大概可識別出5條河道，其中①和②呈狹窄“V”字形深切型河道、③呈淺切寬緩型河道、④和⑤呈“V”字形深切側(cè)向擺動遷移疊加型河道。但是有河道反射外形，不一定就發(fā)育有河道砂巖，是否發(fā)育砂巖以及砂巖規(guī)模需要進一步識別。

2.2 約束稀疏脈沖波阻抗反演技術

目前，波阻抗反演方法主要有稀疏脈沖反演和模型約束反演。稀疏脈沖反演是直接從地震信息中提取反射信息，反演過程忠實于地震資料，反演結(jié)果比較符合地質(zhì)情況；該方法充分考慮了地質(zhì)構(gòu)造框架模型與反演模型的約束，反演結(jié)果與地震資料有較好的對應關系，反演結(jié)果真實可靠[26-27]。稀疏脈沖波阻抗反演在地震分辨率較低的地區(qū)，能夠獲得寬頻帶的反射系數(shù)，使反演模型更趨于真實[28]。稀疏脈沖反演的基本原理是在地震褶積模型中，首先假設地層的反射系數(shù)是由一系列大的地震反射系數(shù)和呈高斯分布的小反射系數(shù)疊合而成，大的反射系數(shù)代表不整合面或主要的巖性界面。稀疏脈沖波阻抗反演目的是為了尋找一個使目標函數(shù)最小的脈沖數(shù)目，然后得到波阻抗數(shù)據(jù)[29-31]。

圖5 過H0井—H1井—H2井地震測線疊后偏移剖面圖（5號煤頂拉平）

山23亞段介于5號和8號兩套煤層之間，儲層厚度普遍較薄、橫向變化快，但儲層與上下圍巖速度界面較為明顯，約束稀疏脈沖波阻抗反演對砂體有較好的識別作用，因此可通過稀疏脈沖阻抗反演對砂體進行定量刻畫。通過對鉆井時深轉(zhuǎn)換和巖性標定，選取距地震測線500 m之內(nèi)的40口井參與了建模。采用多井約束、基于模型約束的稀疏脈沖反演法，對二維地震區(qū)37條測線進行整體反演。多井約束稀疏脈沖反演技術是基于稀疏脈沖反演、以地震解釋的層位及斷層結(jié)構(gòu)作為地質(zhì)框架控制，以測井資料為約束，首先完成井點井旁道反演，再對所有地震道外推內(nèi)插來進行波阻抗反演，這既克服了地震分辨率的限制，最佳地逼近測井分辨率，又使反演結(jié)果保持了較好的橫向連續(xù)性。多井約束稀疏脈沖反演形成的波阻抗數(shù)據(jù)綜合了測井與地震信息，可有效反映儲層分布和預測儲層。

以過H0井—H1井—H2井地震測線反演波阻抗剖面（圖6）為例，山23亞段河道砂巖為中等阻抗值，泥巖為低阻抗，煤層阻抗最低。從反演剖面看，波阻抗能夠區(qū)分山23亞段河道砂巖（包括分流河道砂巖和河口壩砂），如①河道有砂巖但橫向分布規(guī)模小，②河道不發(fā)育砂巖，③河道發(fā)育有砂巖且橫向有一定規(guī)模但位置偏上可能為河口壩砂，④河道底砂巖發(fā)育橫向延伸遠連片性好，⑤河道有砂巖但位置偏上可能為河口壩砂且厚度薄連片性較差。實際鉆井①河道僅0.6 m薄砂層，④河道H0井山23亞段河道砂巖10.9 m、H1井山23亞段河道砂巖18.7 m，⑤河道H2井為河口壩砂，厚度5.7 m。整個反演結(jié)果與井符合率高，結(jié)果較為可靠。

2.3 子波衰減梯度屬性技術

地震波在地下巖層中傳播時，由于巖石的黏滯效應，會導致地震波振幅的吸收衰減，引起地震波的子波形態(tài)變化。地震波的吸收主要取決于巖石骨架的彈性、巖石孔隙度及孔隙中流體成分等[32]。因此沿反射層位計算地震波的吸收性質(zhì)及其橫向變化可預測巖性和含油氣性。

圖6 過H0井—H1井—H2井地震測線稀疏脈沖波阻抗反演剖面圖（5號煤頂拉平）

地震波的高頻成分衰減越快，說明地層吸收越強，所引起的子波形態(tài)變化就越大，因此利用地震子波頻譜變化信息可以對儲層含油氣性進行定性檢測。該方法主要利用樣點上下子波頻譜比的梯度來預測儲層含油氣性進而預測有效儲層，具有結(jié)果穩(wěn)定、可消除強煤層反射對儲層的干涉影響。由于山23亞段儲層位于兩套煤層間，因此該方法適用于山23亞段含氣儲層預測。

研究結(jié)果表明，含氣儲層具有低頻能量（0～30 Hz）增強、高頻能量（70～80 Hz）減弱的特點，因此可以利用頻譜衰減信息對含氣儲層進行識別。傳統(tǒng)疊后油氣識別技術大多數(shù)是利用吸收及衰減屬性，但在求取地層吸收系數(shù)時采用的是樣點上下振幅比，這種方法得到的吸收系數(shù)信噪比較低，當存在煤層時也表現(xiàn)為強吸收，影響對儲層的識別。筆者采用復賽譜地層吸收系數(shù)計算方法[33-36]，即通過計算得到樣點上下一定時窗內(nèi)平滑后子波，再求取上下子波頻譜比對數(shù)梯度，因此稱為子波衰減梯度屬性。具體的實現(xiàn)過程是：

1）確定時間層位位置，并在此位置上下分別開時窗。

2）對兩個時窗內(nèi)地震記錄進行復賽譜分析。即

這個斜率代表了子波衰減程度，與地層吸收系數(shù)有同樣的物理意義，衰減值越大儲層含氣程度越大。因此，可以利用斜率值的相對大小進行油氣檢測。相比于其他方法，該方法具有結(jié)果穩(wěn)定，可消除煤層反射強能量、突出儲層弱反射的優(yōu)點。研究中以P1s底作為基準層位，上下開時窗進行子波衰減研究。

以過H0井—H1井—H2井地震測線子波衰減梯度剖面（圖7）為例，通過與井對比，認為衰減梯度值大于0.03可以表征含氣優(yōu)質(zhì)儲層，因此將0.03作為門檻值。從梯度剖面看出，①河道砂巖不含氣；②河道無砂巖、不含氣；③河道砂巖含氣性好；④河道底砂巖含氣但有差異變化，反映砂巖非均質(zhì)性強；⑤河道河口壩砂巖含氣性好。

圖7 過H0井—H1井—H2井地震測線子波衰減梯度剖面圖（5號煤頂拉平）

3 山23亞段儲層預測效果

根據(jù)前述地震逐級預測方法，通過已鉆井分析，含氣儲層預測符合率超過80%。如在過H0井—H1井—H2井地震剖面上，H0井山23亞段河道砂巖厚10.9 m，解釋含氣儲層厚4.0 m，試氣產(chǎn)量為0.8×104m3/d；H1井山23亞段河道砂巖厚18.7 m，解釋含氣儲層厚9.0 m，試氣產(chǎn)量為1.3×104m3/d；H2井山23亞段河口壩砂巖厚5.7 m，解釋含氣儲層厚4.5 m，試氣產(chǎn)量為0.6×104m3/d。在此認識的指導下，在過H0井—H1井—H2井地震剖面的③河道區(qū)部署1口評價井，鉆遇山23亞段河口壩砂巖厚6.2 m，試氣產(chǎn)量為0.93×104m3/d；在⑤河道中心區(qū)部署1口水平井，鉆遇山23亞段河口壩砂巖厚6.9 m（待測試）。

圖8 過H3水平井地震儲層逐級預測剖面圖（5號煤頂拉平）

另外，在H1井北部部署H3水平井，水平井H3A和H3B靶點間水平段斜交地震測線呈NW—SE向，預測發(fā)育含氣河道砂巖。圖8-a為過H3井地震測線疊后偏移90°相移剖面，水平井段地層呈下切增厚、河道砂巖呈中—弱振幅反射；圖8-b為過H3井地震測線稀疏脈沖波阻抗反演剖面，H3井水平段砂巖發(fā)育、厚度較大，延伸寬度約1 000 m，在該套砂體以東還發(fā)育另外一套河道砂巖，與水平段砂體互相連通；圖8-c為過H3井地震測線子波衰減梯度剖面，可以看出水平段砂巖衰減梯度值呈高值，含氣概率高。通過對河道識別、河道砂巖刻畫和砂巖含氣性預測，H3井水平段砂體鉆遇率100%，錄井巖屑為淺灰色細砂巖，石英含量大于90%。經(jīng)測試天然氣產(chǎn)量為4.0×104m3/d，試氣效果好。

利用地震逐級預測方法，后期又指導部署了多口勘探開發(fā)井（包括定向井和水平井），實鉆效果好，測試最高天然氣產(chǎn)量為17.0×104m3/d。表明該技術方法能有效解決鄂爾多斯盆地東南緣稀疏二維地震勘探區(qū)煤系地層、強非均質(zhì)性、薄儲層致密氣甜點區(qū)預測的地質(zhì)問題。

4 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地東南部山23亞段為重要的致密砂巖含氣層和勘探目的層，儲層薄、厚度變化快；山23亞段上覆5號煤地震強反射層，下伏儲層地震反射能量弱，加之為稀疏二維地震測網(wǎng)、井控程度低，致密氣甜點區(qū)預測難度大。

2）針對儲層特征和預測難點，提出了90°相移技術識別河道外形、模型約束波阻抗反演刻畫砂體厚度和子波衰減梯度屬性識別含氣砂體的地震逐級預測技術。通過地震逐級預測約束，有效刻畫了河道砂體分布及識別有效含氣儲層，提高了勘探開發(fā)目標預測精度。

3）通過該技術方法指導部署的勘探開發(fā)目標實鉆效果好，地震預測結(jié)果橫向分辨率高，真實地反映了河道及河道砂體的變化特征。該方法能有效解決稀疏二維地震勘探區(qū)、井控程度低的煤系地層強非均質(zhì)性薄儲層致密氣甜點區(qū)預測的地質(zhì)問題，對鄂爾多斯盆地山23亞段致密砂巖氣勘探開發(fā)有借鑒作用。