煤系地层致密砂岩气甜点区地震逐级预测——以鄂尔多斯盆地东南缘下二叠统山西组23亚段为例

李国斌 张亚军 谢天峰 石小茜 王荣华 李星涛 刘雄志 景紫岩

1.中国石油勘探开发研究院西北分院 2.中石油煤层气有限责任公司

0 引言

煤系地层致密砂岩气储层地震预测主要面临两个方面的难点：一是多数致密砂岩储层上覆煤层，受煤层地震强反射屏蔽影响导致砂岩储层的地震分辨率显著降低；二是致密砂岩储层厚度较薄、岩性致密和低孔低渗的地质特性使得相应的地球物理特征异常微弱而难以识别。目前该类型储层地震预测多是围绕煤层去强轴或压制煤层强反射、突出下伏弱反射储层，但对去强轴或压制强反射的“度”往往难以把握，导致部分弱反射薄层储层被遗漏。另外，为了克服单一地震属性分辨力不足、预测多解性的缺点，利用多元地震属性综合预测储层，但对是否为有效含气储层或某个确定性储层段（如河道砂岩）存在不确定性。因此寻找到一种综合性逐级控制预测方法，并据此有效预测储层至关重要。

鄂尔多斯盆地东南部下二叠统山西组23亚段（以下简称山23亚段）为该盆地的主力含气层和重点勘探层[1-9]，是一套位于煤层之下的河道砂岩沉积，砂岩储层单层厚度介于2～10 m，平均厚度为4.2 m，平均孔隙度为4.56%，平均渗透率为0.145 mD，是典型的薄层致密砂岩储层[10-11]。近年来，该区致密砂岩气勘探取得了重大突破，其中针对鄂尔多斯盆地东缘山23亚段储层预测，前人已做了很多研究，提出了很多行之有效的方法。例如，压制煤层强反射储层预测技术[12-13]、子波分解重构技术[14]、古地形控制“双波峰”中—弱振幅储层识别技术[15-17]、多属性地震相分析技术[18]等。但这些预测方法多针对可能发育河道的判断，强调对河道的识别（如地层增厚处可能为河道）或者可能发育有河道砂，但都不能确定有河道是否就发育有河道砂岩或者有砂岩是否就是有效含气砂岩等关键问题。这严重制约了气区的进一步勘探开发工作。为了准确预测致密砂岩气甜点区、提高勘探成功率，笔者针对山23亚段“储层厚度薄、横向变化快”“受到上覆煤层地震强反射界面的屏蔽影响导致砂岩储层地震反射能量较弱、给储层预测和勘探目标优选带来了很大的不确定性”等问题，利用研究区2 km×4 km网格的二维地震资料，结合储层地质特征、储层地震反射特征和储层含气性，提出了90°相移技术识别河道外形、模型约束波阻抗反演刻画砂体厚度和子波衰减梯度属性识别有效含气砂体的地震逐级预测技术，据此确定致密砂岩气甜点区，以期有效指导致密砂岩气的勘探开发。

1 地质特征

1.1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通地台西缘，东与晋西挠褶带相接，南与渭北隆起相连，西邻西缘掩冲构造带，北接伊盟隆起（图1），面积为25×104km2[19]。在地势上呈北高南低、东高西低的西倾大型平缓构造斜坡，主要发育岩性—地层圈闭。加里东运动使华北地台抬升为陆并经受长期的风化侵蚀；海西中期，华北地台缓慢沉降接受东西向沉积；海西晚期，由于南北海槽挤压，海水从东西向两侧退出[20]，鄂尔多斯盆地海相沉积结束，由陆表海盆地变为近海盆地，南北向差异沉积分带增强；早二叠世山西期开始，鄂尔多斯盆地东南缘进入了以河流—三角洲—湖泊沉积体系为主的陆相沉积阶段。山23亚段沉积期，沉积环境由陆表海逐渐变为滨海平原，形成了一系列浅水裙带三角洲沉积。研究区石楼—大宁—宜川一带就位于鄂尔多斯盆地东南部浅水三角洲的前缘区，有利储集相带主要为三角洲前缘水下分流河道和河口坝[21-22]。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及研究区位置图

研究区上古生界发育上石炭统本溪组（C2b）、下二叠统太原组（P1t）和山西组（P1s）、中二叠统石盒子组（P1sh）以及上二叠统石千峰组（P3s）地层。其中山西组分为山1段（P1s1）和山2段（P1s2）；山2段进一步划分为山21亚段（P1s21）、山22亚段（P1s22）和山23亚段（P1s23）。其中山23亚段为研究区主力含气层，也是鄂尔多斯盆地东南部山2段的重点勘探层位[1-6]。

1.2 山23亚段储层特征

通过对研究区130口井山23-2小层砂岩厚度统计，单井砂体累计厚度普遍小于8 m，仅少量井累计砂体厚度大于12 m，砂体厚度整体较薄（图3）。这种特征反映了研究区远离物源区，物源供应不足、砂体规模普遍较小的地质特点。

图2 H1井山2段地层划分和沉积相图

图3 山23-2小层单井累计砂岩厚度统计图

图4 山23-2小层单砂体砂岩砂岩厚度统计图

通过对研究区48口井山23-2小层98个测井解释单砂体厚度统计，单砂体厚度多介于2～4 m，大于6 m的单砂层较少（图4），与该区物源供应不足、砂体规模小的特征相对应。由于砂体规模小，因此垂直河道方向砂体厚度变化快，河道宽度较小（多介于400～600 m），但顺河道方向砂体延伸相对较远、连续性好[15]。

基于山23-2小层砂体规模小、厚度薄、横向变化快的特征，建立一套适合砂岩特点的有效储层预测方法，是该区致密气勘探开发目标优选的关键。

2 山23亚段储层地震逐级预测

针对鄂尔多斯盆地东缘山23亚段储层预测，前人已做过很多研究，提出了许多行之有效的方法。但这些预测方法多是针对去上覆煤层地震强反射能量的干扰以及基于波形变化来识别5号煤与8号煤之间地层时间厚度来判断可能发育河道，只强调对河道的识别，但不能确定有效含气砂岩等关键问题。因此，笔者提出的地震逐级预测方法，首先通过地震识别下切河道外形，然后刻画河道砂岩厚度，再通过油气检测识别有效含气砂岩，进而提出有利勘探开发目标，大幅度提高储层的预测精度。

2.1 90°相移技术

该技术是针对薄层、薄互层地震资料解释和储层预测的新方法[24-25]。其基本思路是将原始地震记录经90°相移转换后，使地震相位与岩性测井曲线相吻合，地震反射同相轴与岩层界面相对应。这样就减少了地震同相轴与地层顶底关系的不确定性，优化了地震解释方案，使地震追踪层位更准确。

对于单一地层界面或者厚地层，在零相位地震振幅数据上对应峰值的反射，有利于对地层界面的识别。但对于小于1个波长的薄层，尤其是当砂岩层厚度很薄，当层厚小于1/4个波长时，上、下界面反射波叠加在一起出现严重的干涉现象，使岩性与地震振幅之间没有单一的对应关系，很难识别顶底界面或层位。通过对地震数据进行90°相移转换，使得地震资料同相轴与地质上的岩层对应，地震剖面近似于波阻抗剖面，具有了地层意义，提高了剖面解释的准确性。笔者采用叠后提高分辨率处理的数据，地震主频为45 Hz。较高分辨率的地震数据通过90°相移，使得地震极性（同相轴）可与岩性对比，波形更短，地层分辨能力更高。

近年来，随着国家对高等教育的重视以及国家对各层次人才需求的增加，民办院校已逐渐被学生和家长所接受，同时，人们对民办院校的要求也越来越高。随着民办院校的发展，硬件设施方面已逐渐完善，但在教师教学能力及专业水平上还有待加强。在大多数民办院校中，大学数学课程是各类专业的基础课，是学生取得良好发展的基石，数学学科对民办院校学生的发展有着重要作用。此外，民办院校的教师流动性大，数学学科以青年教师居多。因此，要不断提升青年教师的教学实践水平，从而提升民办院校数学学科的整体教学水平和科研能力。

以过H0井—H1井—H2井地震测线为例，可以看出90°相移剖面反射同相轴与岩性界面严格对应（图5-a、b），5号煤和8号煤地震解释层位正好对应煤层顶、P1s底界面正好对应山23亚段河道底界面，因此通过90°相移剖面P1s底地震界面就可以识别河道底形变化。如H1井区山23亚段底部发育一套厚层河道砂岩，地震反射呈中—弱振幅（白色—淡黄色），河道底形呈下凹形透镜状、地层增厚。从钻井分析，厚砂岩发育区在地震剖面上具有明显下切“V”字形、透镜状中—弱振幅反射特征。通过这种特征可以对未钻井区可能河道发育区进行识别。如图5-b中90°相移剖面大概可识别出5条河道，其中①和②呈狭窄“V”字形深切型河道、③呈浅切宽缓型河道、④和⑤呈“V”字形深切侧向摆动迁移叠加型河道。但是有河道反射外形，不一定就发育有河道砂岩，是否发育砂岩以及砂岩规模需要进一步识别。

2.2 约束稀疏脉冲波阻抗反演技术

目前，波阻抗反演方法主要有稀疏脉冲反演和模型约束反演。稀疏脉冲反演是直接从地震信息中提取反射信息，反演过程忠实于地震资料，反演结果比较符合地质情况；该方法充分考虑了地质构造框架模型与反演模型的约束，反演结果与地震资料有较好的对应关系，反演结果真实可靠[26-27]。稀疏脉冲波阻抗反演在地震分辨率较低的地区，能够获得宽频带的反射系数，使反演模型更趋于真实[28]。稀疏脉冲反演的基本原理是在地震褶积模型中，首先假设地层的反射系数是由一系列大的地震反射系数和呈高斯分布的小反射系数叠合而成，大的反射系数代表不整合面或主要的岩性界面。稀疏脉冲波阻抗反演目的是为了寻找一个使目标函数最小的脉冲数目，然后得到波阻抗数据[29-31]。

图5 过H0井—H1井—H2井地震测线叠后偏移剖面图（5号煤顶拉平）

山23亚段介于5号和8号两套煤层之间，储层厚度普遍较薄、横向变化快，但储层与上下围岩速度界面较为明显，约束稀疏脉冲波阻抗反演对砂体有较好的识别作用，因此可通过稀疏脉冲阻抗反演对砂体进行定量刻画。通过对钻井时深转换和岩性标定，选取距地震测线500 m之内的40口井参与了建模。采用多井约束、基于模型约束的稀疏脉冲反演法，对二维地震区37条测线进行整体反演。多井约束稀疏脉冲反演技术是基于稀疏脉冲反演、以地震解释的层位及断层结构作为地质框架控制，以测井资料为约束，首先完成井点井旁道反演，再对所有地震道外推内插来进行波阻抗反演，这既克服了地震分辨率的限制，最佳地逼近测井分辨率，又使反演结果保持了较好的横向连续性。多井约束稀疏脉冲反演形成的波阻抗数据综合了测井与地震信息，可有效反映储层分布和预测储层。

以过H0井—H1井—H2井地震测线反演波阻抗剖面（图6）为例，山23亚段河道砂岩为中等阻抗值，泥岩为低阻抗，煤层阻抗最低。从反演剖面看，波阻抗能够区分山23亚段河道砂岩（包括分流河道砂岩和河口坝砂），如①河道有砂岩但横向分布规模小，②河道不发育砂岩，③河道发育有砂岩且横向有一定规模但位置偏上可能为河口坝砂，④河道底砂岩发育横向延伸远连片性好，⑤河道有砂岩但位置偏上可能为河口坝砂且厚度薄连片性较差。实际钻井①河道仅0.6 m薄砂层，④河道H0井山23亚段河道砂岩10.9 m、H1井山23亚段河道砂岩18.7 m，⑤河道H2井为河口坝砂，厚度5.7 m。整个反演结果与井符合率高，结果较为可靠。

2.3 子波衰减梯度属性技术

地震波在地下岩层中传播时，由于岩石的黏滞效应，会导致地震波振幅的吸收衰减，引起地震波的子波形态变化。地震波的吸收主要取决于岩石骨架的弹性、岩石孔隙度及孔隙中流体成分等[32]。因此沿反射层位计算地震波的吸收性质及其横向变化可预测岩性和含油气性。

图6 过H0井—H1井—H2井地震测线稀疏脉冲波阻抗反演剖面图（5号煤顶拉平）

地震波的高频成分衰减越快，说明地层吸收越强，所引起的子波形态变化就越大，因此利用地震子波频谱变化信息可以对储层含油气性进行定性检测。该方法主要利用样点上下子波频谱比的梯度来预测储层含油气性进而预测有效储层，具有结果稳定、可消除强煤层反射对储层的干涉影响。由于山23亚段储层位于两套煤层间，因此该方法适用于山23亚段含气储层预测。

研究结果表明，含气储层具有低频能量（0～30 Hz）增强、高频能量（70～80 Hz）减弱的特点，因此可以利用频谱衰减信息对含气储层进行识别。传统叠后油气识别技术大多数是利用吸收及衰减属性，但在求取地层吸收系数时采用的是样点上下振幅比，这种方法得到的吸收系数信噪比较低，当存在煤层时也表现为强吸收，影响对储层的识别。笔者采用复赛谱地层吸收系数计算方法[33-36]，即通过计算得到样点上下一定时窗内平滑后子波，再求取上下子波频谱比对数梯度，因此称为子波衰减梯度属性。具体的实现过程是：

1）确定时间层位位置，并在此位置上下分别开时窗。

2）对两个时窗内地震记录进行复赛谱分析。即

这个斜率代表了子波衰减程度，与地层吸收系数有同样的物理意义，衰减值越大储层含气程度越大。因此，可以利用斜率值的相对大小进行油气检测。相比于其他方法，该方法具有结果稳定，可消除煤层反射强能量、突出储层弱反射的优点。研究中以P1s底作为基准层位，上下开时窗进行子波衰减研究。

以过H0井—H1井—H2井地震测线子波衰减梯度剖面（图7）为例，通过与井对比，认为衰减梯度值大于0.03可以表征含气优质储层，因此将0.03作为门槛值。从梯度剖面看出，①河道砂岩不含气；②河道无砂岩、不含气；③河道砂岩含气性好；④河道底砂岩含气但有差异变化，反映砂岩非均质性强；⑤河道河口坝砂岩含气性好。

图7 过H0井—H1井—H2井地震测线子波衰减梯度剖面图（5号煤顶拉平）

3 山23亚段储层预测效果

根据前述地震逐级预测方法，通过已钻井分析，含气储层预测符合率超过80%。如在过H0井—H1井—H2井地震剖面上，H0井山23亚段河道砂岩厚10.9 m，解释含气储层厚4.0 m，试气产量为0.8×104m3/d；H1井山23亚段河道砂岩厚18.7 m，解释含气储层厚9.0 m，试气产量为1.3×104m3/d；H2井山23亚段河口坝砂岩厚5.7 m，解释含气储层厚4.5 m，试气产量为0.6×104m3/d。在此认识的指导下，在过H0井—H1井—H2井地震剖面的③河道区部署1口评价井，钻遇山23亚段河口坝砂岩厚6.2 m，试气产量为0.93×104m3/d；在⑤河道中心区部署1口水平井，钻遇山23亚段河口坝砂岩厚6.9 m（待测试）。

图8 过H3水平井地震储层逐级预测剖面图（5号煤顶拉平）

另外，在H1井北部部署H3水平井，水平井H3A和H3B靶点间水平段斜交地震测线呈NW—SE向，预测发育含气河道砂岩。图8-a为过H3井地震测线叠后偏移90°相移剖面，水平井段地层呈下切增厚、河道砂岩呈中—弱振幅反射；图8-b为过H3井地震测线稀疏脉冲波阻抗反演剖面，H3井水平段砂岩发育、厚度较大，延伸宽度约1 000 m，在该套砂体以东还发育另外一套河道砂岩，与水平段砂体互相连通；图8-c为过H3井地震测线子波衰减梯度剖面，可以看出水平段砂岩衰减梯度值呈高值，含气概率高。通过对河道识别、河道砂岩刻画和砂岩含气性预测，H3井水平段砂体钻遇率100%，录井岩屑为浅灰色细砂岩，石英含量大于90%。经测试天然气产量为4.0×104m3/d，试气效果好。

利用地震逐级预测方法，后期又指导部署了多口勘探开发井（包括定向井和水平井），实钻效果好，测试最高天然气产量为17.0×104m3/d。表明该技术方法能有效解决鄂尔多斯盆地东南缘稀疏二维地震勘探区煤系地层、强非均质性、薄储层致密气甜点区预测的地质问题。

4 结论

1）鄂尔多斯盆地东南部山23亚段为重要的致密砂岩含气层和勘探目的层，储层薄、厚度变化快；山23亚段上覆5号煤地震强反射层，下伏储层地震反射能量弱，加之为稀疏二维地震测网、井控程度低，致密气甜点区预测难度大。

2）针对储层特征和预测难点，提出了90°相移技术识别河道外形、模型约束波阻抗反演刻画砂体厚度和子波衰减梯度属性识别含气砂体的地震逐级预测技术。通过地震逐级预测约束，有效刻画了河道砂体分布及识别有效含气储层，提高了勘探开发目标预测精度。

3）通过该技术方法指导部署的勘探开发目标实钻效果好，地震预测结果横向分辨率高，真实地反映了河道及河道砂体的变化特征。该方法能有效解决稀疏二维地震勘探区、井控程度低的煤系地层强非均质性薄储层致密气甜点区预测的地质问题，对鄂尔多斯盆地山23亚段致密砂岩气勘探开发有借鉴作用。