基于随机介质正演模拟的塔中顺南地区风化壳储层地震响应特征分析

宋桂桥，马灵伟，李宗杰

（1.中国石油化工股份有限公司油田勘探开发事业部，北京 100728；2.中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430074；3.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐 830011）

塔中顺南地区（顺托果勒南区块）奥陶系碳酸盐岩岩溶风化壳储层埋藏深、类型复杂，非均质性强，含油气层段发育在风化壳的顶部。由于风化壳界面两侧存在较大的波阻抗差异，在地震剖面上主要表现为“两谷夹一峰”的强反射特征，这种强反射掩盖了风化壳顶部储层发育的反射特征变化，给风化壳储层地震响应特征识别及储层预测带来很大困难。

地震波场数值模拟技术为研究储层地震响应特征提供了一种方便有效的方法。该方法基于地震、钻井、测井及地质等资料，建立符合地下实际的地震地质模型，通过波动方程正演模拟技术得到复杂模型条件下的地震波场记录，在此基础上，对地震反射波场进行动力学特征及运动学特征分析，从而为实际地震资料波场特征的认识提供一定依据［1－2］。

随机介质建模方法是一种有效刻画地下介质非均质性的地质建模方法［3－4］，能够对碳酸盐岩缝洞型储层的几何形态、缝洞的不同尺度及空间变化等统计特征进行很好的描述。我们基于顺南地区测井、岩心测试和地震资料的精细分析，统计出奥陶系目标储层的缝洞发育特征，借助于随机介质建模方法对风化壳缝洞型储层进行刻画；在前人研究工作［5－6］的基础上，重点分析风化壳储层发育段的地震波场特征变化，优选并验证对风化壳储层特征敏感的地震属性，为研究区风化壳储层反射特征识别及储层预测提供参考依据。

1 随机介质建模方法基本原理

典型的碳酸盐岩缝洞型储层由两部分组成，一是岩石骨架，二是具有一定储集空间和不同发育规模的溶蚀孔洞，如图1所示。在刻画此类介质时，可将其分为两部分来描述：一部分是均值不变的地质背景，即岩石的骨架；另一部分是具有空间变异特征的随机扰动，即岩石溶蚀孔洞部分，而这个随机扰动可以通过随机介质来描述。

在二维空间，构建某点（x，z）处的岩石物理参数随机模型，如速度v（x，z），并将其分解［7］：

其中：v0为背景值，设其为常数或随空间坐标（x，z）缓慢变化；δv（x，z）是小尺度非均匀介质参数，用来刻画速度空间的变异特征。

设

为空间随机扰动，σ＝σ（x，z）是具有零均值、一定自相关函数以及方差的空间平稳随机过程，将（2）式代入（1）式得

随机介质在数学上可以看作为一个随机序列，一般的随机序列不存在理论上的傅里叶变换，这里可由自相关函数来描述其傅里叶变换。高斯型、指数型及Von Karman型自相关函数为常用的构建随机介质的自相关函数［8］。

我们基于指数型椭圆自相关函数来构建随机介质自相关函数，其表达式为

其中：a和b分别是自相关函数对应的随机介质在x和z方向上的自相关长度，描述了随机介质中扰动的平均尺度。

应用截断法对指数型椭圆自相关函数模拟结果进行截取，可以得到满足一定统计特征（如孔洞空间尺度、孔洞率φ等）的随机孔洞介质模型［9－10］。图2为3个发育不同尺度孔洞模型的指数型椭圆自相关函数模拟的结果，模型长和宽为200m。可以看出，孔洞分布的空间尺度由a，b值的大小决定，孔洞尺度随a，b值的增大而增大（图2a，图2b）；孔洞率φ决定储层内孔洞分布的多少，φ值越大，单位面积内孔洞的个数就越多。

图1 典型碳酸盐岩不同尺度溶蚀孔洞

图2 不同空间尺度随机介质溶蚀孔洞模型

2 随机介质模型建立及正演模拟

2.1 实际风化壳储层发育特征

塔中顺南地区SN1井测井解释结果表明，奥陶系风化壳表层（一间房组顶部）发育一段厚度约为8m 的缝洞型储层，钻井取心表明裂缝欠发育，储集空间以小溶蚀孔洞为主，如表1所示。从时深关系上看，储层发育位置为3 922ms左右，刚好与研究区T47反射界面的强波峰反射特征对应（图3a），而这种强反射界面掩盖了一间房组顶部储层的反射特征。

表1 塔中顺南地区SN1井一间房组（6 522～6 644m）顶部储层发育及时深关系

图3 过SN 1井实际地震剖面（道号976）上的 反射界面（a）及其均方根振幅（b）

2.2 风化壳储层随机介质模型建立

缝洞型储层随机介质模型的建立大致分为两步：①依据地震资料和地质沉积相解释结果，结合钻井、测井等资料统计研究区内各地层的岩石物理参数，建立符合实际地下结构的地层框架模型；②在地层框架模型的基础上，应用随机建模方法对目标储层内部的溶蚀孔洞进行刻画，即建立随机介质储层模型。

表2给出了研究区SN1井所揭示的奥陶系各地层的厚度、速度及密度值，恰尔巴克组与一间房组为不整合接触。随机介质模型采用图2c所示的多尺度溶蚀孔洞介质模型，图4为建立的过SN1井缝洞型储层随机介质地震地质模型。由图4可见，研究区风化壳表层（一间房组顶部）左半部发育一套厚度为5～20m 的缝洞型储层，我们依此来研究风化壳表层储层发育对界面反射特征的影响。

表2 SN1井奥陶系岩石物理参数

图4 过SN 1井地震剖面（道号976）随机介质地震地质模型

2.3 随机介质储层模型的正演数值模拟

常规的波动方程正演数值模拟方法采用均匀介质声波方程或弹性波方程，难以得到复杂非均匀孔洞储层的地震波场响应特征。我们采用非均匀介质波动方程进行正演模拟计算［11－12］，从而可以得到接近实际的地震波场记录。

非均匀介质波动方程正演模拟选用与研究区实际地震资料采集接近的观测系统参数：炮间距50m；道间距50m；排列长度5 950m；满覆盖次数为60次。通过对实际地震资料目标储层的频谱特征进行分析，确定数值模拟所用子波为主频22Hz的雷克子波。

3 风化壳储层正演模拟结果分析

从厚度为10m 的储层段与非储层段正演模拟炮集记录中各选取一个地震道进行波形对比可知（图5a），当一间房组顶部发育储层时，地震波形的振幅降低，波长变长；对两者的频谱图（图5b）进行对比可知，储层段地震道的频谱能量减小，主频降低，高频部分存在明显的吸收衰减。

将随机介质地震地质模型正演模拟炮集记录进行常规偏移成像处理，结果如图6 所示。与图3a所示实际地震剖面对比可见，两者在T47反射界面均表现为“两谷夹一峰”的强反射特征，但风化壳表层缝洞型储层的存在使T47界面的反射能量有所变弱（图6中虚线圈所示）。由于储层发育的厚度不大，变弱的幅度并不明显，且变弱的幅度与储层发育情况有关。

图5 储层段与非储层段地震道波形（a）及频谱（b）对比

图6 随机介质模型正演模拟剖面显示的T47反射界面

图7 基于正演模拟结果的 界面反射能量随风化壳储层发育程度变化定量分析结果

图7为基于正演模拟结果定量讨论的风化壳表层储层发育（储层物性、厚度及其空间发育位置）与T47界面反射能量强弱变化的关系。图7a 为10m 厚储层发育在距离风化壳顶部5m 处，充填不同等效速度时，T47界面反射能量的变化曲线，可以看出，缝洞型储层等效速度越低（即储层越发育），T47界面反射能量减小的幅度越大。图7b为风化壳表层发育等效速度相同（5 700m／s）而厚度不同（0～80m）的缝洞型储层时，界面反射能量的变化曲线，可见，随着风化壳顶部储层厚度的增加，其反射能量逐渐降低，在储层厚度为50m 左右（λ／4）时能量减小的幅度最大。图7c为一间房组顶部以下不同位置发育等效速度5 700m／s，厚度10m 的储层时，界面反射能量的变化曲线，可以看出，随着10m 厚储层发育位置与一间房组顶部间的距离增加，界面反射能量先减小后缓慢增加。由此可见，当风化壳表层发育储层时界面的反射能量降低，且储层越发育、储层的厚度越大，界面反射能量减小的幅度越大。

4 储层识别的敏感地震属性验证

基于随机介质理论建立的风化壳缝洞型储层地震地质模型正演模拟结果表明，当风化壳表层存在缝洞型储层时，储层段相对于非储层段使界面的反射能量变弱，主频降低，高频部分存在明显的吸收衰减。因此，可以借助于对振幅强度变化敏感的均方根振幅及频率属性，对研究区界面的反射特征进行判识。

均方根振幅对振幅的变化非常敏感，能很好地指示地震剖面上反射波振幅的强弱变化。图8给出了由实际地震资料和正演模拟结果得到的界面均方根振幅剖面，时窗大小为界面上、下10ms。可以看出，实际地震资料和正演模拟结果左侧虚线圈内的界面均方根振幅值均明显降低。由图4所示的随机介质地震地质模型可知，风化壳表层左侧发育有缝洞型储层，由此可以证实，图8a左侧虚线圈内反射界面显示的均方根振幅低异常为缝洞型储层发育的标记。

图9为实际地震资料与正演模拟结果单一频率成分的低频（18Hz）和高频（28 Hz）能量体剖面。对比表明，实际地震资料及正演模拟结果的界面低频（18 Hz）能量体（图9a，图9b）强度均高于高频（28 Hz）能量体（图9c，图9d）的强度，整体表现为明显的低频特征；就每张剖面上界面的能量体强度变化来说，缝洞型储层发育段的能量体强度（图中虚线圈内）均低于非储层发育段，这种现象在28Hz高频剖面上更为明显，可以充分说明储层段相对于非储层段存在更为明显的高频吸收衰减。由此可见，除了均方根振幅属性外，瞬时频率属性亦有助于识别研究区奥陶系岩溶风化壳缝洞型储层。

图8 实际地震资料（a）与正演模拟结果（b）反射界面均方根振幅剖面对比

图9 实际地震资料与正演模拟结果的界面分频能量体剖面对比

5 结束语

针对塔中顺南地区奥陶系岩溶风化壳储层地震响应特征识别和储层预测的难题，基于随机介质正演模拟技术，研究了风化壳表层储层发育时界面反射特征的变化，定量分析了风化壳顶部储层的物性、厚度及其发育位置变化对界面反射能量的影响。结果表明：当风化壳顶部发育储层时，反射界面相对于非储层发育段表现出不同程度的能量降低、主频减小，高频部分存在明显的吸收衰减；能量降低及频率吸收衰减的幅度与风化壳顶部储层发育的程度及厚度有关。在此基础上优选出均方根振幅及瞬时频率为风化壳储层地震响应特征识别相对敏感的地震属性，并通过实际地震资料和正演模拟结果验证了优选属性的可靠性，为研究区风化壳表层储层反射特征识别及储层预测提供了一定依据。

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