西湖凹陷富煤地層下遠道擬泊松比屬性儲層預測

關鍵詞：西湖凹陷，煤系地層，儲層預測，多參數分析，遠道擬泊松比屬性

0 引言

近年來，東海陸架盆地油氣勘探目標儲層日趨復雜，勘探難度逐步增加，復雜巖性油氣藏逐步成為勘探開發重點[1-2]。但隨著地層埋深的逐步增加，中深層砂巖儲層物性相對較差，砂泥巖阻抗差異小，砂巖表現為為弱反射特征，無法有效連續追蹤。同時受潮汐作用影響，地層中發育不穩定的薄煤層，薄煤層對下伏地層的地震響應產生強振幅干涉作用，導致研究區巖性圈閉的刻畫難度大。

前人針對煤系地層的分布、形成原因、發育位置及煤系強反射下儲層預測等方面開展大量研究工作。

在煤系地層發育特征方面，張虎等[3]探討了西湖凹陷煤層發育環境及主要控制因素，指出三角洲泥炭沼澤和潮坪相是煤層發育的主要沉積環境；沈玉林等[4]建立了西湖凹陷平湖組聚煤模式，聚煤周期受米氏周期控制，米氏周期右拐點氣候相對溫暖濕潤時期是聚煤的理想時期；張功成等[5]指出西湖坳陷煤層主要形成于古新世—漸新世，主要受古氣候、古地形和補償沉降等因素控制，多形成于潮濕氣候條件下三角洲環境。

在煤系地層儲層預測方面，主要包含去除煤層強反射和改善煤層低頻模型兩方面提高儲層預測精度。秦雪霏等[6]采用多子波分解與重構方法對大牛地氣田三維地震資料開展分頻段信號重組，即去煤干涉處理，在此基礎上對煤系地層開展儲層預測；韓文功等[7]從厚層和薄層中弱信號幅值特征的角度，利用信號奇異值分解、匹配追蹤、曲波變換等方法實現了對弱信號的檢測和識別，利用多子波分解和重構技術實現了去煤層干涉處理，消除煤層對儲層預測不確定性等影響；喬中林[8]利用鉆井資料擬合煤層厚度與振幅能量關系，采用子波分解和波形分解方法減弱煤層對地震資料的影響；張云銀等[9]通過對原始地震數據進行子波譜整形處理，實現對子波旁瓣壓制，再結合壓縮感知處理達到對強屏蔽信號的剔除；劉俊州等[10]針對含煤薄儲層提出并采用地質約束非線性反演煤層衰減方法削弱煤層地震響應，凸顯儲層反射信息；劉占族等[11]利用地質統計學反演的縱向分辨率，提高了煤層和薄儲層的預測精度，為煤層和薄儲層識別提供了新的研究思路和方法；高曉理等[12]利用對砂、泥巖敏感的自然伽馬曲線與聲波曲線進行分頻融合，生成具有聲波量綱、能夠去除煤層影響同時又能反映儲層特征的擬聲波曲線，開展儲層波阻抗反演；魯秀芹等[13]優選剪切模量和密度的乘積得到的彈性參數作為識別煤體結構類型的敏感彈性參數，預測原生煤與構造煤的空間分布；韓站一等[14]通過引入字典學習算法，對疊后和疊前數據的煤層強反射衰減分析，驗證了新算法在強反射抑制方面比傳統方法更可靠、更有效；張蘭等[15]采用分步反演的方法，優先利用疊后地質統計學反演精細雕刻薄煤層的分布，再將薄煤層作為已知巖相信息進行疊前地質統計學反演，在一定程度上減弱煤系地層對儲層預測結果的影響；朱博華等[16]提出基于匹配追蹤算法的薄煤層強反射分離參數優選方法，以進一步提高薄煤層強反射表征的精度，更好地開展強反射分離和儲層預測。

目前針對煤系地層儲層預測，借助高分辨率地震和地質統計學反演，先預測出煤層的發育位置，再結合正、反演進行弱煤處理和改善已知巖相地質模型，以提高儲層預測精度。由于受地震資料分辨率的影響，無法精確預測薄煤層發育位置和縱向分布，致使不同方法儲層預測結果仍然存在不確定性。

為了有效提高富煤地層下儲層預測精度，本文主要通過已鉆井煤層分布特征和巖石物理特征分析，建立不同砂泥煤耦合的地質模型進行波動方程正演模擬分析，并通過球面擴散補償和透射損失校正獲取其真實的疊前AVO道集，在此基礎上明確砂煤耦合下砂巖儲層的疊前、疊后地震反射特征。根據正演模擬砂泥煤地震響應特征，優選出受煤層影響的彈性參數信息，提出遠道擬泊松比屬性可以降低煤層強振幅影響有效提取出砂巖弱反射信息。經實際地震資料驗證，預測結果與實際結果一致，證實了該方法的可行性和有效性，值得進一步推廣應用。

1 砂煤耦合地震辨識機理研究

1.1 煤層彈性參數特征

已鉆井資料揭示，平湖組煤層具有頻繁間互廣泛發育、單層厚度薄、縱向層數多以及累計厚度大的特征。煤層集中發育在平湖組，煤層厚度整體較小，在0.5～2.0m之間，其中在平湖組早—中期主要發育受潮汐影響三角洲，沉積微相以分流河道、分流間灣、泛濫平原、潮間帶為主，在潮間帶特別容易形成薄煤層，受潮汐影響煤層層數多，煤層厚度以1.0～2.0m為主；而在平湖組晚期，主要發育河控三角洲，以河流作用為主，煤泥砂頻繁間互發育，煤層厚度以0.5～1.0m為主。

結合已鉆井實際測井曲線，開展本區煤層的彈性參數巖石物理特征分析[17]，選取縱波速度與密度、縱波阻抗與縱橫波速度比進行交會分析（圖1）。由圖1可見，煤層表現為特低速、特低密、特低縱波阻抗的“三低”特征，煤層的縱波速度為2300～3400m/s，密度為1400～2300kg/m3，縱波阻抗為3.2×106～8.0×106kg/m3×m/s，縱橫波速度比為1.8～2.2，與泥巖的縱橫波速度比特征相似。泥巖表現為高密度、高縱橫波速度比的特征，密度為2500～2700kg/m3，縱橫波速度比為1.7～2.1，由于地層埋藏深，砂泥巖在縱波速度和縱波阻抗處于疊置狀態。而砂巖表現為低密度、低縱橫波速度比特征，密度為2200～2500g/m3，縱橫波速度比為1.5～1.7，相比泥巖和煤層，砂巖表現為低縱橫波速度比。

綜合以上分析，本區煤層具有極低阻抗的特點，其與上下界面容易形成較大的反射系數差異，泥煤頻繁交互會影響下伏儲層的真實地震響應信息，大大增加富煤地層下儲層預測難度。

1.2 煤層波動方程正演

地震正演模擬是正確識別、解釋地震反射特征與地質現象之間關系的橋梁，是認清地震波場反射特征的一種重要手段。在富煤地區，受煤層影響砂巖地震響應特征發生畸變，而建立符合研究靶區實際砂煤耦合地層結構是厘清煤層與砂巖地震響應關系的關鍵。針對本研究區煤層分布特點，建立研究靶區不同砂煤耦合的地層結構模型，通過改變煤層的分布特征，開展砂煤耦合地震響應規律研究，明確不同煤層組合下儲層地震響應特征變化及其規律，充分挖掘地震波場信息中所蘊涵的砂巖信息，為實際資料儲層預測提供依據和指導。

平湖組煤層縱向頻繁發育，薄煤層與砂泥巖頻繁互層會形成復雜地震反射特征。為了厘清煤層與砂巖地震響應之間的地震響應規律，設計地層結構自上而下分別為純砂巖、純煤層以及砂煤組合的地質模型進行正演分析（圖2），具體模型彈性參數見表1，其中砂巖和煤層厚度保持不變（砂巖厚度為20m，煤層厚度為1m），煤層和砂巖之間僅改變煤層間距和煤層層數以及儲層上下的隨機分布關系。

為了有效獲得更加符合實際的地震波場傳播規律，采用有限差分波動方程進行正演模擬。正演模擬觀測系統及子波選取參照該區實際野外采集參數及子波特征，正演模擬網格為0.25m×0.25m，炮間距25m，道間距25m，排列長度6000m，采樣間隔0.0625ms。通過主頻25Hz的Ricker子波開展正演模擬，獲得不同砂煤耦合地層組合的正演炮集記錄，并利用Kirchhoff疊前偏移成像方法進行數據處理獲得偏移后地震剖面（圖3），同時利用球面擴散補償和透射損失補償處理獲得其真實的疊前AVO道集（圖4）。

1.3 砂巖優勢信息優選

通過以上正演模擬論證，煤層強振幅已經掩蓋砂巖真實響應信息，需要借助疊前道集進一步挖掘更多的儲層巖性或流體信息。在砂煤疊前正演道集上，煤層和砂泥巖的縱波阻抗存在較大差異，煤層表現為IV類AVO特征，隨著偏移距（或角度）增加，波谷振幅能量逐漸減弱；而砂巖和泥煤的縱橫波速度比存在較大差異，砂巖表現為II類AVO特征，隨著偏移距（或角度）增加，波谷振幅能量逐漸增強，甚至超過煤層波谷振幅能量。因此，本文從近遠道部分疊加和疊前衍生屬性兩方面分別優選砂巖地震響應的優勢信息。

首先，通過對疊前道集進行部分疊加處理，提取近道部分疊加和遠道部分疊加進行對比（圖5）。由圖5可見，純砂巖（第一層反射）近道波峰能量相比純煤層（第二層反射）波峰能量整體偏弱，導致砂煤耦合（第三層反射）近道波峰反射能量、相位更接近于純煤層反射，煤層嚴重影響水平層狀砂巖近道判別和拾取。而遠道砂巖表現為中一強波谷反射特征，純煤層遠道波谷能量迅速減弱，砂巖遠道受煤層影響較小，因此砂煤耦合下砂巖遠道波谷反射界面信息相對比較穩定。但在振幅能量方面，受煤層波峰旁瓣干涉影響，砂巖頂面的波谷能量出現局部不穩定現象。

其次，實際疊前道集可以提取各類AVO屬性信息，常用的為截距（P）、梯度（G）、烴類指示屬性（P×G）、擬泊松比屬性（P+G）以及擬零炮檢距橫波反射屬性（P－G）等。圖6為從砂煤耦合疊前道集中提取的截距和梯度剖面。由圖6可見，截距剖面與全疊加剖面相比，更加接近于零炮檢距剖面，由于砂泥巖波阻抗疊置，砂巖振幅能量普遍弱于純煤層振幅能量，砂煤耦合時砂巖振幅基本不改變純煤層的振幅能量關系（圖6a）。而梯度屬性與泊松比參數有關，其包含反射界面上下地層泊松比變化信息。由于煤層和泥巖都表現為高泊松比，砂巖表現為低泊松比，因此純煤層的梯度整體較弱，純砂巖梯度相對較強，砂煤耦合下砂巖頂面負梯度異常能量和相位信息都比較穩定。但是，由于煤層旁瓣波峰也呈現負梯度異常，致使砂巖頂面負梯度異常能量時強時弱，且在砂巖頂面負梯度上下旁瓣附近伴生出現負梯度異常假象（圖6b）。

1.4 砂煤耦合遠道擬泊松比屬性提取

由于疊前反射振幅同時受砂煤泥彈性參數的綜合影響，如果孤立地用某一個或者幾個參量來定性表征反射振幅隨偏移距的變化規律勢必會有一定的片面性，甚至出現錯誤的結果，例如本次研究若僅利用遠道部分疊加信息，雖然砂煤耦合遠道相位信息比較穩定，但遠道振幅能量信息失真，導致砂體厚度信息未知；而僅利用疊前梯度信息，則受煤層波峰旁瓣負梯度影響，導致砂巖上下存在負梯度假象。因此，綜合多種優勢屬性信息組合為AVO屬性異常的地質含義開辟新的研究領域。為揭示AVO屬性異常的地質含義，目前已經構建不同形式的AVO交會圖分析方法，常用的為截距—梯度交會分析、入射振幅—泊松比差異交會分析、衍生拉梅參數交會分析等。

考慮本次研究區煤層對近道零偏移距的影響較大，本文選用遠道屬性和梯度屬性進行AVO交會分析（圖7）。由圖7可見，表現為高泊松比的純煤層在遠道和梯度交會中分布在過原點的背景趨勢線附近，隨著砂巖泊松比的降低，純砂巖和砂煤耦合散點明顯偏離于純煤層背景趨勢線，但受煤層干涉影響遠道和梯度幅值都發生改變，遠道受煤層影響能量相對減弱，梯度受煤層旁瓣影響能量有所增強。但是，相對于純煤層背景趨勢線，純砂巖和砂煤耦合散點與背景趨勢線垂直距離基本一致，按照純煤層背景趨勢線進行旋轉，獲取其遠道擬泊松比屬性（圖8）。由圖8可見，純砂巖和砂煤耦合的遠道擬泊松比屬性振幅能量和相位關系基本穩定，砂煤耦合的遠道泊松屬性基本不受上下煤層的干擾，能量關系與純砂巖保持一致，并且在地質模型中間純煤層振幅能量得到進一步壓制，有效降低煤層對砂巖頂面地震響應的干擾，為富煤地層砂巖橫向連續追蹤提供有力支撐。

疊前道集質量和泥煤段擬合關系直接影響遠道擬泊松比屬性的可靠程度，本文遠道擬泊松比屬性提取具體流程步驟如圖9所示。

2 應用實例

西湖凹陷K氣田平湖組主要發育受潮汐影響的辮狀河三角洲—潮坪沉積體系，巖性以砂泥煤互層為主[18-19]。以K5井區P3b層為例（圖10），砂巖巖性橫向變化較快，僅有A5井鉆遇主河道，砂體厚度大（大于20m），其余井均鉆遇河道側緣，河道側緣砂體厚度迅速減薄（小于10m）；泥巖段頻繁發育薄煤層（黑線），煤層單層厚度小（1～2m），橫向變化快，發育不穩定。研究區目的層埋深普遍超過3500m，砂巖物性相對較差，砂泥巖波阻抗處于疊置狀態，煤層表現為特低波阻抗，地震反射主要以泥煤反射為主。由于薄煤層橫向隨機分布導致常規地震相位極不穩定（圖11），其中A5井砂頂標定在強波谷位置，A9井砂頂標定在中強波峰位置，K5井未鉆遇P3b砂巖也對應強波谷反射，砂巖頂面在常規疊后地震上以多種相位形式存在，無法有效連續追蹤砂巖的平面展布。

2.1 疊前AVO正演分析

研究區僅有探井K5測井資料比較齊全，開發井A5、A9均未實測全波列資料，因此選擇K5井進行疊前AVO正演模擬。由于K5井鉆遇含氣砂巖厚度薄，設計楔狀模型進行疊前AVO正演模擬，分析砂巖厚度變化對疊前道集的影響（圖12）。由圖12可見，隨著砂巖厚度的增加，遠道頂底干涉程度小，波谷波峰能量出現雙增強現象，且遠道能量越強，預示砂巖厚度越大；薄層條件下（小于10m）僅出現波峰或波谷單增強，甚至無明顯的AVO特征。圖13為已鉆井單點AVO道集。由圖13可見，近道受煤層干擾影響，地震相位極不穩定，但遠道受煤層影響相對較小，其中A5井鉆遇河道主體，砂巖頂底遠道波峰波谷能量呈現雙增強特征；A9井鉆遇河道側緣，砂巖較薄，砂巖頂底反射干涉僅出現波峰能量單增強特征；K5井位于砂體尖滅位置，砂巖頂底基本無明顯的AVO特征。由于受煤層干擾，近道地震相位差異較大，直接利用疊前屬性進行河道刻畫比較困難。因此，可以借助遠道能量變化特征定性分析河道主體和河道側緣的變化。

2.2 遠道擬泊松比屬性分析

為了更好地與實際砂巖的巖性信息進行匹配，這里采用－90°相移后的地震剖面與實際已鉆井信息進行分析。圖14為提取的遠道部分疊加、梯度剖面以及遠道擬泊松比屬性。由圖14可見，相比于全疊加地震，遠道部分疊加波谷相位信息更加連續，橫向連續可追蹤性強，利于砂巖的橫向連續追蹤。但是，K5井附近強波谷并未鉆遇有效儲層，A9井和K5井之間的砂體尖滅現象并不明顯，單純依靠遠道部分疊加進行巖性邊界識別存在多解性（圖14a）。梯度屬性剖面同樣對砂巖有較好的指示效果，橫向可識別性較好，A9井和K5井之間砂體尖滅現象比較明顯，但在A5井主河道位置，梯度振幅能量強度相對較弱，無法有效指示砂巖的厚度（圖14b）。本文方法提取的遠道擬泊松比屬性剖面綜合了遠道部分疊加和梯度屬性兩者之間的優勢信息，A5井主河道位置振幅異常比較明顯，A9井和K5井河道側緣方向砂巖逐漸減薄，振幅異常逐漸減弱，與實際鉆井信息較為吻合。

在遠道擬泊松比屬性體上開展P3b層砂巖的層位精細解釋，并提取沿層遠道部分疊加屬性、梯度屬性以及遠道擬泊松比屬性（圖15）。由圖15可見，A5井鉆遇主體河道（砂厚24.4m），遠道部分疊加屬性可以較好顯示主體河道的巖性異常，K5、A3井未鉆遇P3b層有效儲層，仍表現為振幅異常，因此，遠道疊加屬性存在河道側緣識別不準現象；梯度屬性對河道側緣刻畫比較清晰，但A5井區主體河道厚砂體位置振幅異常較弱，河道主體整體刻畫不清晰；遠道擬泊松屬性顯示出P3b層“一主一次”的雙物源特征，以北東—南西向河道儲層為主，主物源砂體沿斷層走向近南北向展布，K5、A3井鉆遇河道側緣（砂厚1～7m），次物源砂體順著微古地貌沿坡而下。本文方法刻畫了主體河道和河道側緣的砂體平面展布，與實際鉆井的吻合度更好，較好解決了煤系地層下河道砂巖的儲層刻畫問題，進一步提高西湖凹陷平北斜坡帶中深層儲層預測精度。

3 結論

相比傳統弱煤處理和反演方法，本文將煤層作為泥巖背景提出遠道擬泊松比屬性可以直接消除煤層影響，有效提取砂巖儲層響應信息，具體得到以下幾方面認識：

（1）已鉆井巖石物理揭示砂巖表現為低縱橫波速度比，煤層和泥巖表現為高縱橫波速度比，可區分砂巖和泥、煤層，為疊前屬性降低煤層干擾奠定巖石物理基礎。

（2）理論正演模擬表明遠道和梯度雖然可以有效降低煤層強振幅的干擾，但兩者的單一屬性并不能徹底消除煤層影響，而遠道擬泊松比屬性綜合遠道和梯度優勢信息，可以有效消除煤層干涉影響，提高砂巖儲層厚度預測的精確度。

（3）實際地震資料驗證遠道擬泊松比屬性直接從疊前道集中獲取，可以避免煤層預測不準帶來的誤差，較好地顯示河道砂巖儲層的空間展布特征，為富煤地層強振幅屏蔽下高精度儲層預測提供借鑒和參考。