鹽間頁巖油韻律層地震響應模擬及頁巖薄儲層厚度預測

仉 濤，郭智奇，劉 財，劉喜武，劉宇巍

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083 3.中國石化頁巖油氣勘探開發重點實驗室，北京 100083 4.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083

0 引言

江漢盆地中部的潛江凹陷發育巨厚的鹽韻律夾砂泥巖的鹽系地層，其中目標儲層為上、下鹽巖之間夾持的一套泥巖、云質頁巖以及鈣芒硝巖地層[1-3]。該套地層單位巖石含油量、可動性好，是陸相頁巖油領域最有可能實現突破的方向之一。目前的研究表明潛江凹陷的鹽間頁巖油具有可觀的儲量[1-3]，然而鹽間頁巖油韻律層的地震識別與描述仍面臨挑戰。現有地震分辨率和反演技術難以精確識別和描述韻律背景中頁巖薄層厚度的空間展布，成為限制鹽間頁巖油儲層有效開發的主要技術瓶頸。

在薄互層地震響應特征的研究方面：Widess[4]通過研究薄層的調諧效應，將厚度小于入射子波波長1/4的地層結構定義為薄層。Kallweit[5]詳細討論了薄層厚度與地震反射振幅的關系。Bakke等[6-8]研究了薄層地震AVO響應特征與調諧效應的關系。對于實際非均勻層狀介質，地震反射系數與入射波頻率有關，因此Aki等[9-10]提出了傳播矩陣算法，用于計算層狀介質中隨頻率變化的地震反射響應。此外，Liu等[11]研究了楔形模型中瞬時峰值頻率與薄層厚度的關系。姚建陽[12]研究了頻率域估算地層厚度的方法。劉建華等[13]通過引入地震反射的波峰、波谷和零值點進行薄層厚度的估算，提出了基于反射波特征分析估算薄層厚度的方法。蘇盛甫[14]針對薄砂層與碳酸鹽巖互層地層結構地震反射特征的分析，提出利用波形特征與頻率信息的薄層厚度定量解釋方法。汪恩華等[15-16]通過地層厚度與其反射系數和反射波頻譜關系的研究，提出了一種薄層厚度的計算方法。Sun等[17]研究了薄層結構地震峰值頻率與薄層厚度的解析關系，并與利用振幅信息估算薄層厚度的傳統方法進行對比，提高了薄層厚度的預測精度。李雪英等[18-19]基于波動理論正演模擬并分析了復雜薄互層模型的地震響應特征。劉財等[20]基于傳播矩陣理論開發了基于波形對比的砂泥巖薄互層地震反演技術，由地震反射波形特征反演砂泥巖組合結構及砂體的空間展布。陳思民等[21]通過合成地震記錄標定，使用小尺度小波系數曲線對歧口坳陷沉積旋回進行了精細識別。張軍華等[22]通過分析井震特征及優選地震屬性，使用非線性儲層預測法預測了東營凹陷深部儲層厚度。魏敏等[23]利用混合相位子波反褶積技術對準噶爾盆地薄砂體儲層進行高分辨率波形指示反演，預測了儲層砂體平面展布情況和厚度。

由于目前的地震預測方法大部分僅適用于單一層薄層厚度的預測，對于韻律結構中薄層及薄互層預測不完全適用。因此，本文針對江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油韻律層，在地質地球物理建模的基礎上，通過高精度合成地震記錄計算并分析其地震反射特征，開發基于模型的高分辨率頁巖薄層厚度地震預測方法，預測韻律背景中頁巖薄層厚度的空間展布，為頁巖油甜點區的識別提供儲層厚度信息。

1 鹽間頁巖油儲層地質地球物理概況

本文針對江漢盆地鹽間頁巖油韻律層進行地震響應特征及儲層厚度預測研究。圖1為研究區域目標層雙程反射時間等值線圖，以及研究區11口井位置。其中，典型井2號井的測井數據如圖2所示，圖中給出目標韻律中頁巖層位置。

表1給出了圖1中11口井的測井數據統計結果，包括目標韻律層中薄層頁巖的縱波速度(vP)、密度(ρ)、縱波阻抗(IP)、厚度(H),以及計算得到的鹽巖/頁巖界面的地震反射系數(RPP)。

表1 目標韻律層11口井中參數統計表

圖1 鹽間頁巖油目標層頂界面雙程反射時間等值線圖

通過對11口井的統計結果進行分析發現，研究區中頁巖縱波速度具有較大的變化范圍(3.7～4.5 km/s)，而密度變化范圍不大(2.4～2.6 g/cm3)，因此，相應的縱波阻抗具有較大的變化范圍(8.9～11.9(km/s)·(g/cm3))。由于韻律層中鹽巖的縱波速度和密度變化較小、縱波阻抗較穩定(9.2(km/s)·(g/cm3))，因此鹽巖/頁巖界面的地震反射系數主要取決于頁巖波阻抗的變化。研究區鹽巖/頁巖界面的地震反射系數的數值范圍變化較大。

從目標韻律層地震均方根反射振幅(圖3)中可以看出，地震反射能量在不同的構造區域都呈現顯著的變化。對比地震反演得到的目標韻律層中頁巖的縱、橫波速度(圖4)可以發現，頁巖速度與地震反射振幅不存在簡單的對應關系。結合上述測井數據的分析，目標層地震反射特征的變化與韻律層中頁巖縱波速度、厚度的變化密切相關。

圖3 目標韻律層地震均方根振幅

圖4 目標韻律層地震反演縱波(a)、橫波(b)速度

2 鹽間頁巖油韻律層地震響應模擬及分析

2.1 傳播矩陣理論

在傳播矩陣理論方法中，由如下公式計算反射系數(RPP、RPS)和透射系數(TPP、TPS)[24]：

r=[RPP,RPS,TPP,TPS]T=

(1)

其中：

iP=iω[βP1,γP1,-ZP1,-WP1]T；

(2)

(3)

A2=iω·

(4)

式中：iP為P波入射向量；A1、A2分別為上、下層傳播矩陣，與上下層介質的物性有關；Bα(α=1,2,…,N)為N層結構中薄層的傳播矩陣；s為慢度；h為薄互層總厚度；ω為入射波頻率；γ、β、W、Z均為與物性參數有關的變量，其下標P、S分別對應準縱波、準橫波，1、2分別對應上、下層介質。

2.2 高精度合成地震記錄及井震標定

根據傳播矩陣理論，計算鹽間韻律層的高精度合成地震記錄，分析目標層地震響應特征。計算合成地震記錄使用了主頻為45 Hz的Ricker子波(圖5)。對研究區2號井進行井震標定(圖6)，建立實際地震數據與測井數據的聯系。基于公式(5)分別計算褶積合成記錄、傳播矩陣合成記錄(圖6d、e)與實際地震數據(圖6f)在目標層段的Pearson相關系數：

圖5 Ricker子波(a)及其頻譜(b)

a.縱波速度；b.密度；c.縱波阻抗；d.褶積合成記錄；e.傳播矩陣合成記錄；f.過井地震道數據。

(5)

式中：X和Y表示計算相關時用到的兩組地震數據；n為地震數據的時窗長度；i表示第i個數據點。計算得到的Pearson相關系數分別為0.760 4和0.900 8。因此，傳播矩陣方法計算得到的合成地震記錄與波形特征吻合更好，具有更高的模擬精度。同時，受限于韻律層中薄層厚度和地震分辨率，韻律層結構與地震波形不存在簡單的對應關系。

2.3 目標韻律層地震反射特征分析

過研究區2號井的地震剖面如圖7所示。圖中標出了韻律層地震反射層位及目標韻律中頁巖層位置。從圖中可以觀察到，過井剖面中目標韻律層地震反射波形的振幅和相位存在明顯的橫向變化。根據前文分析，目標層地震反射動力學特征的變化主要受頁巖薄層縱波速度、厚度的影響。

圖7 過研究區2號井的地震剖面

3 基于模型的頁巖油薄層厚度地震預測

3.1 目標層地質地球物理模型

根據研究區11口井數據分析，以2號井測井數據為基礎建立地質地球物理模型。模型中，假設目標韻律中非均勻頁巖層的縱波速度相對于原始井中測量值的變化分別為-10%、-8%、-6%、-4%、-2%、0%、2%、4%、6%、8%和10%等11種情況，并且在每種情況下非均勻頁巖薄層的厚度相對于原始井中測量值的變化分別為-60%、-40%、-20%、0%、20%、40%、60%、80%和100%等9種情況。因此，模型空間考慮了頁巖薄層縱波速度和厚度共99種組合變化的模型。之后，應用傳播矩陣方法計算上述模型對應的高精度合成地震記錄，作為頁巖薄儲層厚度預測的模型空間。

本文展示了2號井目標韻律中頁巖薄層的縱波速度相對于原始井中測量值-10%、0%、10%三種變化情況(圖8)，頁巖薄層厚度相對于原始測量值的變化范圍為-60%～100%時的模型(圖8a、c、e)和相應的合成地震記錄(圖8b、d、f)，圖中頁巖薄層厚度隨道號的增大而增大。可以觀察到，地震反射波形的振幅和相位隨非均勻頁巖薄層的縱波速度和厚度的變化存在明顯的變化，這些變化是本文頁巖薄層厚度預測的基礎。

通過計算圖8中3組模型第一道與其余道地震記錄之間的Pearson相關系數(圖9a)可以觀察到，對于不同縱波速度變化情況，隨著厚度增大，計算得到的合成地震記錄的相關系數逐漸減小，即波形的相關性減小。由此可知，Pearson相關系數對3組模型地震記錄中波形的變化較為敏感。

為了分析波形相近的地震記錄對Pearson相關系數的敏感性，本文計算了圖8中兩組模型之間對應道號的地震記錄的Pearson相關系數(圖9b)。其中，黑色實線和紅色實線分別為模型1和模型2之間、模型2和模型3之間的相關系數，其頁巖層縱波速度差異10%，地震記錄的能量差異較小；藍色實線為模型1和模型3之間的相關系數，其中頁巖層縱波速度差異20%，地震記錄的能量差異較大。可以觀察到，兩組模型之間的Pearson相關系數較大(> 0.75)，但是，隨著頁巖層縱波速度差異增大，Pearson相關系數減小。因此，通過分析可知，對于波形相近的地震記錄，Pearson相關系數較不敏感，但是隨著能量差異增大，Pearson相關系數的敏感性增強。

a.第1組模型：vP變化-10%，H變化范圍為-60%～100%；b.第1組模型的地震響應；c.第2組模型：vP不變，H變化范圍為-60%～100%；d.第2組模型的地震響應；e.第3組模型：vP變化10%，H變化范圍為-60%～100%；f.第3組模型的地震響應。

圖9 三組模型中地震記錄的Pearson相關系數(a)及兩組模型對應道號的地震記錄的Pearson相關系數(b)

3.2 鹽間頁巖油薄層厚度地震預測方法

目標韻律層中非均勻頁巖層的縱波速度、厚度變化時，地震波形存在明顯的變化(圖8)。因此，可以利用地震反射波形特征的變化進行頁巖薄層厚度預測。通過求取目標層實際地震反射波形與上述構建的模型空間中地震波形的最佳匹配，預測頁巖薄層的縱波速度和厚度：

F(y)=C(So,Sm(y))→max。

(6)

式中：So為實際地震數據；Sm(y)為模型空間中地震數據；目標函數中y=[vP,H]為待求參數。由于頁巖薄層縱波速度可由地震反演方法得到(圖4a)，因此，目標函數中待反演參數為頁巖薄層厚度。

將該預測方法應用到潛江凹陷研究區實際地震數據，計算得到了目標韻律中頁巖薄層厚度的空間分布(圖10)，厚度變化范圍為5～20 m，并且由西南向東北呈增加趨勢。研究區11口井位置處地震預測的頁巖層厚度與井中實測厚度對比如圖11所示，井位順序按頁巖層實測厚度大小排列。從圖中可以觀察到，除3號井和9號井外，預測的頁巖薄層厚度與測井解釋結果具有較高的一致性，驗證了本文基于波形的非均勻頁巖薄層厚度預測方法的有效性及適用性。

圖10 目標韻律中頁巖薄層厚度地震預測結果

圖11 目標韻律中頁巖薄層厚度地震預測結果的測井驗證

4 結論

本文研究了鹽間頁巖油韻律層地震響應模擬及頁巖薄儲層厚度預測方法，研究結論如下：

1)針對研究區鹽間頁巖油的測井數據分析發現，目標韻律中頁巖薄層的縱波速度、厚度隨空間位置變化明顯，使得地震反射系數呈現較大范圍的變化。同時，過井地震剖面顯示目標韻律中頁巖層地震反射波形的振幅和相位存在明顯的橫向變化，與頁巖薄層的縱波速度、厚度的變化密切相關。

2)基于傳播矩陣方法計算高精度合成地震記錄及井震標定，與實際過井地震道的對比表明波形吻合程度高，驗證了傳播矩陣方法的有效性，為韻律層地震響應特征模擬分析，以及本文反演方法中模型空間的建立提供了高精度正演方法。

3)開發了基于波形的非均勻頁巖薄層厚度地震預測方法。基于測井數據，在模型空間中設計非均勻頁巖薄層縱波速度和厚度組合變化模型，并由傳播矩陣方法計算對應的波形響應，通過計算實際地震數據與模型空間中地震波形的最佳匹配，預測頁巖薄層厚度的空間分布。預測得到的頁巖薄層厚度變化范圍為5～20 m，并且由西南向東北呈增加趨勢。預測厚度與井中實測結果對比具有較高的一致性，驗證了本文方法的有效性，可以為鹽間頁巖油儲層評價提供儲層厚度信息。