基于高分辨率波形指示反演方法在“甜点”预测中的应用：以四川盆地焦石坝地区页岩储层为例

郭 鹏，苑益军，刘喜武，张远银，吴学敏,6，李 鸿,7

(1.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院，北京 100083；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 物探测试中心，北京 100024；3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；4.中国石化 页岩油气勘探开发重点实验室，北京 100083；5.国家能源页岩油研发中心，北京 100083；6.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075；7.天津市市政工程设计研究总院，天津 300392)

0 引 言

四川盆地具有构造稳定、含气量大、探明储量多、产气量高的特点[1-2],但是由于四川盆地经历了长期的构造演化过程，形成了复杂的构造条件[3-4]。近年来，国内学者在四川盆地页岩气研究方面已做了大量的工作，主要体现在以下几个方面：(1)成藏机理及其地质条件[5-7]、页岩气储层特征和富集类型的研究[8-9]；(2)对富含页岩气地层龙马溪组地球化学和沉积环境特征的研究[10-12]；(3)以单井为例从地层特征、有机化学特征和物性特征等方面研究页岩气高产富集有利条件[13]；(4)对页岩气储集层的地球物理特征及识别方法的研究[14-15]；(5)对焦石坝地区页岩储层进行常规稀疏脉冲反演的研究[16-18]。地震反演是充分利用测井、钻井、地质和地震资料反演得到精确的地下储层信息，从而为钻井开发提供依据，减少总成本投入[19-20]。在以往研究页岩储层反演研究中，是利用常规叠后稀疏脉冲反演方法进行页岩储层反演，但是常规叠后稀疏脉冲反演方法，由于没有充分利用高频成分参与反演计算，所以只能刻画大段储层，因此对于像焦石坝龙马溪组非常薄的优质含气页岩储层则很难清晰刻画。虽然传统的叠后地质统计学反演方法分辨率高，但是传统的地质统计学反演方法井间采用变差函数进行差值计算，对实际的地质想象描述不够准确；而高分辨率波形指示反演是利用地震波形优选地震样本，指导地质统计学反演，使反演结果在纵向上具有高分辨率的特点，且横向上符合沉积规律。因此，开展针对页岩气薄层高精度的地震波形指示反演研究具有实际意义。

本文应用基于高分辨率波形指示反演方法刻画了焦石坝地区龙马溪组页岩薄储层段波阻抗剖面展布及其优质页岩储层段时间域厚度平面展布情况；进一步应用高分辨率波形指示反演方法模拟了焦石坝地区龙马溪组页岩薄储层段TOC剖面展布，为后期页岩储层的精细评价奠定基础。

1 研究区域地质特征

焦石坝区块位于四川盆地，属山地-丘陵地貌，地形起伏剧烈，高山沟壑纵横，地面海拔介于300～1 000 m之间，构造位置处于川东隔挡式褶皱带内，处于石柱复向斜、方斗山复背斜和万向复向斜等多个构造单元的结合部位。西侧以华蓥山深大断裂为界与川中构造区相接，东侧以齐西深大断裂为界与鄂西断褶带相邻，北侧与秦岭褶皱带相接[21]，区域构造特征非常复杂(图1)。

图1 研究区构造划分图Fig.1 Structural unit division of the study area

研究区发育上三叠统嘉陵江组—上奥陶统五峰组，区域上缺失泥盆系，局部地区缺失石炭系。五峰组—龙马溪组地层三分性特征明显，下部为暗色碳质、硅质泥页岩段(主力含气层段)，中部为浊积砂岩段，上部为含粉砂质泥岩段。

勘探结果及岩心取样表明，焦石坝地区下部五峰组—龙马溪组一段为主力含气层段，且一期试采成功，因此针对该地区进行高精度储层预测，对研究五峰组—龙马溪组一段超薄优质页岩具有实际意义。

2 基于高分辨率波形指示反演原理

高分辨率波形指示反演方法是基于地震波形指示马尔科夫链蒙特卡洛随机模拟算法[22]，基本步骤如下：

(1)参照空间分布距离和地震波形相似性两个因素对所有井按关联度排序，从三维地震数据体中的所有预测点优选关联度高的井，把井点的值作为预测点的初始值，建立初始模型，并统计井的纵波阻抗作为先验信息。

(2)将初始模型与地震频带阻抗进行匹配滤波，计算得到似然函数。在贝叶斯框架下联合似然函数分布和先验分布得到后验概率分布，然后构造一个与所求后验分布相同的马尔科夫链，并将其作为目标函数，不断扰动模型参数，将马尔科夫链平稳时的解作为三维地震数据体预测点波阻抗的有效样本随机序列，基于波形优选波阻抗的样本序列为{θ0，θ1，…,θn}。

(3)通过用蒙特卡洛模拟的方法，对优选的波阻抗样本目标函数f(θ) 数学期望进行无偏最优估计，如下式[22]：

(1)

(a)标准化前；(b)标准化后图3 目标层层段DT测井曲线直方分布图Fig.3 DT well logging curves of target layers

三维地震数据体是分布密集的空间结构化数据，能反映沉积环境和岩性组合的空间变化，经过上述三个步骤的计算，保证反演结果在空间上体现地震相的约束，平面上符合沉积规律。

图2 高分辨率地震波形指示反演流程图Fig.2 Flowchart of the inversion method based on high-resolution waveform

地震波形指示反演流程如图2所示。

3 关键技术

在应用高分辨率波形指示反演方法进行储层预测过程中，测井曲线标准化、子波选取以及波形指示反演参数的选取是做好地震波形指示反演的关键技术，具体描述如下。

3.1 测井曲线标准化

油田勘探开发过程中，难以保证所有获得的测井数据都采用相同的仪器和统一的刻度标准，因而不同井的相同测井曲线取值范围不一致。为了正确反映地层信息，必须对测井资料进行标准化处理[23]。

标准化过程的关键是标准井的选取，研究区域井资料显示，目标层段主要为暗色碳质、硅质泥页岩和粉砂质泥岩。井的目标层沉积稳定，成层分明，其中JY4井曲线在目标层内数值集中，所以选择JY4井为标准井，图3为标准化前后目标层段DT测井曲线直方图。

图4 雷克子波(红线)和振幅谱估计地震子波(绿线)及相应的振幅相位谱Fig.4 Ricker wavelet (red line) and amplitude spectrum estimating wavelet(green line) (a),and the corresponding amplitude spectrum (b)and phase spectrum(c)

图5 JY1井合成地震记录标定Fig.5 Calibrating synthetic seismograms of well JY1

由图3可以看出标准化前井的数值分布差异大，而标准化后数值分布更加接近，一致性更强，从而避免由于不同井的相同井曲线的刻度不一致而影响最终反演结果。

3.2 地震子波选取

子波提取是影响高分辨率波形指示反演结果好坏的重要因素之一，在合成记录标定过程中，对井旁道目的层段地震记录进行频谱分析，采用振幅谱法对地震子波进行估计，使地震子波的振幅谱和相位谱尽可能地接近井旁道地震记录的振幅谱和相位谱。图4为雷克子波与振幅谱估计地震子波；图5为JY1井雷克子波和振幅谱估计地震子波合成的地震记录。

对比图5(a)和图5(b)两张地震记录可以发现，应用振幅谱估计地震子波合成地震记录的波形、振幅和相位更接近井旁道实际地震记录波形、振幅和相位。

3.3 地震波形指示反演参数确定

在地震波形指示反演中，最重要的两个参数是(1)式中马尔科夫链平稳时的有效样本数m和高频截止频率f。通过统计分析“样本数”和“地震波形相关性”，得出地震波形相关性随着样本数的增加逐渐增大，达到一定程度后地震波形相关性不再随着样本数的增加而增加，表明继续增加样本数，地震数据体预测点的精度不再提高，地震波形相关性最大时的样本数就是最佳样本参数。图6(a)示出了研究区井点地震波形相关性和样本数统计结果。由图6可知，在样本数为4时，地震波形相关性达到平稳且最大，

由此可知，样本数为4时可使马尔科夫链趋于平稳。图6(b)为地震波形相关指数和高频截止频率统计图，由图可见随着高频截止频率增高，地震波形相关指数减小，频率越高反演结果不确定性增大。经过多次测试统计计算，对不参与反演计算井的实测波阻抗曲线与反演计算的波阻抗曲线的一致性进行对比分析得出，当高频截止频率为180 Hz时，反演效果最好。

4 反演结果分析

测井资料统计结果表明，在研究区主力含气层段五峰组—龙马溪组一段平均密度、平均速度较低，上覆地层龙马溪组二段为含碳质粉砂质泥岩，与主力含气层段相比具有较高的平均波阻抗，其下伏地层为涧草沟组灰岩，与主力含气层相比，也具有较高的波阻抗，因此主力含气层与其上覆和下伏地层都具有波阻抗差异。井资料显示主力含气层厚度均在40 m左右,由于研究区域具有储层薄的特点，因此对该区采用高分辨率波形指示反演方法进行储层预测研究。由图7(b)所示的JY4-JY2-JY1波形指示反演波阻抗连井剖面可以看出，龙马溪组一段和二段波阻抗高低分明，在进行波阻抗反演时，JY2井不参与反演，但用于检验反演结果的正确性，分析连井剖面JY2井点反演的波阻抗与井点实测波阻抗曲线误差在10%以内(如表1)。对比图7(a)常规稀疏脉冲反演波阻抗连井剖面和图7(b)波形指示反演波阻抗连井剖面可以看出，波形指示反演结果的精度高于常规稀疏脉冲反演结果，因此波形指示反演方法能更精细地刻画薄目的层。

图8为龙马溪组优质页岩储层段时间域厚度平面展布图。对比图8(a)和图8(b)可知，常规稀疏脉冲反演方法，将焦石坝箱状构造JY4井区优质页岩刻画为基本等厚，而波形指示反演方法则能清晰而精细地刻画焦石坝箱状构造JY4井区优质页岩的厚度。

表1JY2井主力含气层段实测波阻抗与两种反演计算波阻抗对比
Table1Contrastofacousticimpedancesbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度样点值/m实测波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常规反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常规反演误差/%波形反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)波形反演误差/%2537 9511494174 4813513782 0017 5712485790 008 602541 6511013490 0013814083 0025 4312513278 0013 602545 3311475347 6713126753 0014 3912352851 007 602549 0011428322 0013290409 0016 2912485271 009 202552 7210969722 5212988544 0018 4012460216 009 902556 4610982703 1912358092 0012 5211755519 007 002560 199960443 3411826206 0018 7311009310 0010 502563 949867279 6511254747 0014 0610393384 005 302567 689898929 5510920702 0010 3210123952 002 302571 9110084882 5411201455 0011 079993544 000 902576 3411441558 9712610823 0010 2212017413 005 002580 9614610354 0513142703 0010 0514481682 000 80

页岩气的富集需要丰富的烃源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准，富含有机碳的黑色泥页岩通常是页岩气成藏的储层。有机碳含量(TOC)可表征页岩气含气量大小，页岩气含量与有机碳含量(TOC)之间存在正相关关系[24]。因此，研究有机碳(TOC)含量的分布对于本区的“甜点”预测具有明确的意义。

图9为JY4-JY2-JY1有机碳含量(TOC)连井剖面。其中，在进行有机碳(TOC)计算时，JY2井不参与计算，但用于检验反演结果的正确性，由波形指示反演获得的JY2井点处有机碳含量(TOC)与实际井点处有机碳含量曲线误差基本在10%以内(表2)。连井剖面显示，波形指示反演方法不仅清晰地刻画了大套储层之间的有机碳含量(TOC),对于主力含气层的内部薄的分层也能清晰刻画，整个剖面成层性分明，为后期精确研究主力含气层内部小薄层的有机碳含量(TOC)提供依据。

表2JY2井主力含气层段的实测TOC与反演计算TOC对比
Table2ContrastofTOCbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度样点值/m实测TOC值/%波形反演TOC值/%误差/%2537 952 712 875 902541 653 133 191 902545 332 642 837 102549 002 562 406 302552 722 892 812 802556 463 323 495 102560 193 663 630 802563 943 963 911 202567 683 834 2210 202571 913 683 1514 402576 340 310 310 002580 960 660 717 60

(a)常规稀疏脉冲反演；(b)波形指示反演图7 JY4-JY2-JY1波阻抗反演连井剖面Fig.7 Acoustic impedance profiles crossing wells of JY4,JY2 and JY1

(a)常规稀疏脉冲反演；(b) 波形指示反演图8 焦石坝地区龙马溪组优质页岩储层段时间域厚度平面展布图Fig.8 Distribution plane maps of shale thickness of Longmaxi Formation in Jiaoshiba in the time domain

图9 JY4-JY2-JY1有机碳含量(TOC)连井剖面Fig.9 TOC content profile crossing wells of JY4,JY2 and JY1

5 结 论

(1)在焦石坝地区龙马溪组页岩薄储层研究中，应用高分辨率波形指示反演方法刻画薄储层的能力比常规稀疏脉冲反演方法刻画薄储层的能力高；相比传统的地质统计学反演方法，高分辨率波形指示反演方法通过波形优选样本，保证反演结果在空间上体现地震相的约束，平面上符合沉积规律。

(2)针对焦石坝地区龙马溪组页岩薄储层段，应用高分辨率波形指示反演方法，计算了主力含气层的波阻抗以及模拟了主力含气层的TOC，清晰地刻画了焦石坝箱状构造中有利目标区，为后期进一步“甜点”评价指明方向。

致谢：北京恒利华石油技术研究所提供技术支持，中国石化石油勘探开发研究院提供研究区数据，谨致谢忱！

参考文献：

[1] 戴金星,夏新宇,卫延召,等.四川盆地天然气的碳同位素特征[J].石油实验地质，2001，23(2)：115-121.

[2] 张本健，裴森奇，尹宏，等.川西南部嘉陵江组储层特征及主控因素[J].岩性油气藏， 2011，23(3)：80-84.

[3] 金之钧,蔡立国.中国海相层系油气地质理论的继承与创新[J].地质学报，2007，81(8)：1017-1024.

[4] 张金川,聂海宽,徐波，等.四川盆地页岩气成藏地质条件[J].天然气工业，2008，28(2)：151-156.

[5] 张金川,汪宗余,聂海宽，等.页岩气及其勘探研究意义[J].现代地质，2008，22(4)： 640-646.

[6] 徐良伟，刘洛夫，刘祖发，等.扬子地区二叠系页岩气赋存地质条件研究[J].现代地质，2016，30(6):1376-1389.

[7] 张金川,薛会,张德明,等.页岩气及其成藏机理[J].现代地质，2003，17(4)：466-469.

[8] 蒋裕强,董大忠,漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业，2010，30(10)：7-12.

[9] 彭建龙,张金川,尉鹏飞,等.四川盆地上三叠统须五段页岩微观孔隙结构及其控制因素[J].现代地质，2016， 30(4):896-904.

[10] 张春明，张维生，郭英海.川东南—黔北地区龙马溪组沉积环境及对烃源岩的影响[J].地学前缘，2014，19(1)：136-144.

[11] 姚佳,王昕,王清斌,等.黄河口凹陷BZ34区古近系沙-二段储集层成岩相与有利储层预测[J].现代地质，2016,30(6)：1339-1347.

[12] 张春明，姜在兴，郭海英,等.川东南—黔北地区龙马溪组地球化学特征与古环境恢复 [J].地质科技情报，2013，32(2)：124-130.

[13] 郭彤楼，刘若冰.复杂构造区高演化程度海相页岩气勘探突破启事——以四川盆地东部盆缘JY1井为例[J].天然气地球科学，2013，24(4)：643-651.

[14] 李曙光，程冰洁，徐天吉.页岩气储集层的地球物理特征及识别方法[J].新疆石油地质，2011,32(4)：351-352.

[15] 王明飞，陈超，屈大鹏,等.涪陵页岩气田焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层地球物理特征分析[J].石油物探，2015，54(5)：613-620.

[16] 李金磊，尹正武．四川盆地焦石坝地区页岩气储层地震定量预测方法[J].石油物探,2015，54(3)：324-330.

[17] 尹正武，陈超，彭嫦姿．拟声波反演技术在优质泥页岩储层预测中的应用——以焦石坝页岩气田为例[J].天然气工业，2014，34(12)：33-37.

[18] 郭旭升.南方海相页岩气“二元富集”规律——四川盆地及周缘龙马溪组页岩气勘探实践认识[J].地质学报，2014，88(7)：1209-1218.

[19] 王孟华，秦凤启，王亚，等.联合反演技术在预测有利储层中的应用——以阿尔凹陷为例[J].岩性油气藏，2013,25(1)：88-94.

[20] 王华忠，王雄文，王西文.地震波反演的基本问题分析[J].岩性油气藏，2012,24(6)： 1-9.

[21] 郭旭升,胡东风,文治东,等.四川盆地及周缘下古生界海相页岩气富集高产主控因素: 以焦石坝地区五峰组—龙马溪组为例[J].中国地质，2014，41(3)：893-901.

[22] 王丹阳.基于MCMC方法的叠前反演方法研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2012.

[23] 樊春艳，柳承志，张远银.测井曲线一致性校正对波阻抗反演的影响研究[J].国外测井技术，2010,31(6)：30-32.

[24] 许杰，何治亮，董宁,等.含气页岩有机碳含量地球物理预测[J].石油地球物理勘探， 2013,48(增刊)：64-68.