鄂尔多斯盆地南部上古生界致密碎屑岩储层预测——以镇泾地区为例

陆红梅，张仲培，王琳霖，卞昌蓉，孙宜朴，卢颖忠

(中国石化 石油勘探开发研究院，北京 102206)

鄂尔多斯盆地南部(以下简称鄂南)研究区包括镇泾、彬长、旬宜、富县4个探区(图1)，勘探程度较低。北侧陇东地区、东侧宜川—黄龙地区上古生界均已获得重大油气突破并建产，2020年彬长区块实施的CT1井获得工业气流，表明鄂南上古生界资源基础雄厚。研究表明，鄂南上古生界具备形成天然气藏的地质条件，主要目的层二叠系山西组和下石盒子组发育浅水三角洲沉积体系，叠加型砂体及厚层单一型砂体控制气藏的富集。

致密碎屑岩储层预测一直是勘探生产中的难题，特别是在钻井资料少、普遍缺乏叠前地震资料的低勘探程度区。前人[1-12]开展的关于致密碎屑岩储层预测研究多是在勘探成熟区，多井或同时基于叠前地震资料。镇泾地区仅有叠后三维地震资料，局部品质较差，三维区内仅有1口探井。本文从多项基础研究入手，紧密结合区域沉积演化特征，在地震相分析和地震正演模拟的基础上，形成一个逻辑思维缜密的鄂南(镇泾)上古生界储层预测技术思路，成功预测了镇泾3D区块北部山西组二段(以下简称山二段)有效砂岩储层岩性圈闭分布，为该区下步风险勘探部署提供参考。

1 成藏模式与区域储层展布

广覆式生烃和持续性充注的气源条件，大面积分布的三角洲相砂岩储集层与近距离运聚的成藏模式等地质要素的有效配置，共同作用，形成了鄂尔多斯盆地上古生界大型致密气藏[13]。鄂南山西组发育煤系烃源岩，山西组、下石盒子组发育致密砂岩储层，砂岩层上覆泥岩可作为直接盖层，构成自生自储或下生上储型岩性气藏[14]。根据对鄂南区带划分评价及已钻井成藏条件分析，镇泾区块东北部、彬长区块北部是有利的勘探区带，山二段、下石盒子组一段(以下简称盒一段)是主要的勘探目的层。

前人对鄂南上古生界物源与沉积体系做了大量研究，趋于一致的观点认为，山二段、盒一段在古流向、重矿物、矿物碎屑和岩屑成分特征及平面展布规律等方面存在较高的相似性，揭示山二段、盒一段沉积期物源与沉积格局具有较好的继承性[15]。物源主要受西南与东南2大物源方向控制，北部物源影响范围较为局限；西部物源主要来自西南方向秦—祁造山带；东南部物源主要来自东南方向的北秦岭造山带[13-18]。受控于物源供给方向与沉积相带展布，西南部山二段与盒一段砂体的平面分布表现为SW—NE向条带状展布。同时，自山二段至盒一段，随着西南部物源区造山带隆升的加剧，西南部输入的碎屑物向盆内持续供给，砂体向盆地中心推进，自下而上厚度逐渐增大[15]。

周边已钻井表明，山二段、盒一段砂体垂向序列表现为单一型、叠加型和切叠型三种叠置类型，并从盆缘到盆内规律演化，即由切叠型向叠加型、单一型演变，砂体厚度、砂地比逐渐下降；从山二段到盒一段，随着砂体向盆地中心的推进，砂体叠置方式相应向盆内迁移(图2)。叠加型砂体和厚层单一型砂体具备较高的产能，这种垂向上砂、泥岩适当的储盖配置，构成了鄂南上古生界天然气成藏最优组合。镇泾—彬长地区位于西南物源区，其砂体在平面上呈宽幅带状SW—NE向展布(图1)。

2 储层预测与岩性圈闭识别

受巨厚黄土塬的影响，镇泾3D地震资料的静校正与地表振幅一致性处理难度较大，导致目的层古生界地震反射品质较差，特别是南部三维地震资料能量均衡问题严重，信噪比低。

图1 研究区位置及鄂尔多斯盆地南部二叠系山西组二段砂体平面展布 据崔凯[15]修改，2016。Fig.1 Location of study area and distribution of sand bodies in second member of Permian Shanxi Formation, southern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区二叠系山西组—盒一段砂体展布与叠置方式变迁示意Fig.2 Distribution and stack mode of sand bodies from Permian Shanxi Formation to first member of Xiashihezi Formation, Zhenjing area, southern Ordos Basin

2.1 储层岩石物理特征分析

岩石物理特征分析是储层反演预测的基础之一，本次研究对镇泾3D工区内DC1井盒一段、山二段进行储层岩石物理特征分析。

DC1井盒一段发育厚层粗砂岩夹薄层中砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩，顶部两层粉砂质泥岩，总体砂岩发育，颗粒偏粗，速度、密度、波阻抗分别与自然伽马的交会图上岩性难以有效区分。山二段整体砂岩不发育，仅见0.8 m和0.7 m两薄层细砂岩，在速度、密度、波阻抗分别与自然伽马的交会图(图3)上，这两层细砂岩的波阻抗难以与围岩粉砂质泥岩及泥质粉砂岩区分。以上地层岩石物理特征表明，本区储层预测不能使用波阻抗反演方法。

2.2 波形聚类地震相分析

沉积地层的任何物性参数的变化总是反映在地震道波形的变化上，不同的地震波形代表不同的沉积相带。通过地震波形聚类分析，可以大致看出研究区沉积相带的展布情况。

对镇泾3D在山二段底—盒一段顶时窗内提取7个主要波形，进行波形聚类地震相分析。从波形聚类平面图(图4)可以看到，第一个波形所反映的三维区最主要的相带出现在工区北半部，呈2个SW—NE向宽幅条带展布。该结果与区域沉积相研究结果吻合，表明镇泾3D地震资料(至少北半部分地区)能够反映最基本的沉积现象，可以用来开展储层预测研究。同时，提取的7个波形中，反映该地区最主要相带的第一个波形存在一个单独的波峰，与其他6个波形明显不同(图4)。

图3 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区DC1井山二段、盒一段岩石物理特征Fig.3 Petrophysical characteristics of second member of Shanxi Formation and first member of Xiashihezi Formation, well DC 1, Zhenjing area, southern Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区3D 山二段—盒一段神经网络波形聚类平面图Fig.4 Waveform clustering results from second member of Shanxi Formation to first member of Xiashihezi Formation in Zhenjing 3D area, southern Ordos Basin

2.3 地震正演模拟

2.3.1 地层纵向相对波阻抗差结构特征

地质界面的地震反射系数反映的是地层相对波阻抗差。区块内DC1井盒二段—山一段各段之间界面的反射系数比较小(0.007～0.032)，下部山一段与震旦系、震旦系与中元古界蓟县系之间界面反射系数大(0.12和0.175)，存在数量级的差异(图5)。盒一段—山一段内砂岩与围岩间反射系数为0.057～0.073，略高于上一级地层界面；煤层与围岩的波阻抗差大，反射系数为0.150～0.319。此外，当前地震资料主频30 Hz条件下，各目的层段砂岩地震可分辨厚度约为40 m，煤层可分辨厚度约30 m。因此，目前野外露头和钻井揭示的砂岩、煤层均属于地震薄层范畴。

2.3.2 地震正演模拟

(1)薄层地震正演与反射特征

由于镇泾地区目的层砂岩及煤层均为地震范畴的薄层，故首先设计了砂体、煤层的楔状模型及薄砂层地震正演模型，以讨论薄层地震反射特征。其中，砂岩、煤层、泥岩的速度和密度均取自DC1井，子波主频为镇泾3D地震资料的主频30 Hz。

众所周知，地震反射是地震子波在地下各界面形成的反射相互叠加后的综合响应。处于相对低波阻抗的泥岩围岩中的砂岩楔状体，其顶底是反射系数大小相等、方向相反的2个界面。当砂岩厚度大于等于调谐厚度时，砂岩顶界面表现为波峰反射，而底界面表现为波谷反射，顶底界面位置与最大波峰、最大波谷对应；当砂岩厚度与调谐厚度相等时，其顶底因2个反射波的相互干涉而使界面处振幅达到最大；接近调谐厚度的砂岩其顶底反射同样因受到干涉而使反射振幅大于单一界面的反射振幅；当砂岩厚度小于调谐厚度时，振幅随砂岩厚度的减小而减小，但此时最大波峰和最大波谷仍保持调谐厚度的距离(图6a中AA’与BB’的距离)，而非砂体的顶底，振幅0值对应于砂体的中心位置[12]。

地震解释常常习惯于将地震层位解释在波峰位置，从图6b的薄层模型地震反射可以看到，波峰位置并非砂体顶界面，它们之间有相当的距离。因此，在分析实际地震剖面反射特征、岩性圈闭地震剖面拾取、构造成图和储层预测时窗选取时，要充分考虑这一点。

图5 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区3D北部地层界面反射系数与正演模型基础数据Fig.5 Fundamental data of reflection coefficient and seismic forward modeling in the north of Zhenjing 3D area, southern Ordos Basin

图6 楔状模型与薄层模型地震响应Fig.6 Seismic response of wedge and thin layer models

煤层楔状模型的地震反射与砂岩模型规律一致，只是地震反射方向相反，而振幅更强。楔状模型中(图6a)砂体与煤层的距离足够远，以保证砂体底界面与煤层顶界面的反射不发生相互干涉。

(2)镇泾地区目的层段地震正演与储层反射特征

根据本地区地层沉积演化规律与砂体展布特征，参考DC1井及北部ZT1等各井砂体及煤层发育情况，综合考虑砂体可能的纵横向变化存在情况，按照盒一段砂体总体最为发育、山二段次之、山一段不甚发育的规律，设计了一系列正演模型进行正演模拟研究(子波主频30 Hz)。图7为其中一个模型及模拟结果，模型中的砂体厚度代表纵向连续发育的砂体总厚度，模型横向不具方向性，目的是针对砂体不同发育位置、不同厚度、出现频次、纵向不同组合等，寻找目标储层所对应的地震响应特征。模型中DC1井参考点的正演结果与DC1井旁道匹配良好(图8)。

下文描述中的“厚层”和“薄层”，并非地震意义的“厚层”和“薄层”，而是相对于鄂南气藏砂体有效厚度而言。结合本区开展的一系列地震正演模拟研究，将5 m以上砂体称为“厚层”砂体，5 m以下称为“薄层”砂体。无论“厚层”还是“薄层”，均属于严格地震意义的“薄层”范畴，其反射特征符合地震“薄层”基本规律。

图7 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区目的层段一个地震正演模型及其模拟结果Fig.7 Seismic forward modeling of target layers in Zhenjing area, southern Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区DC1井地层柱状图及正演模拟结果与实际地震井旁道对比Fig.8 Stratigraphic histogram of well DC1 and its forward modeling results compared with actual seismic well bypass, Zhenjing area, southern Ordos Basin

图7是一系列地震正演模型中的一个模型及其正演模拟结果。图7中，①、②为山二段中的厚层砂体(>5 m)，距上覆盒一段砂体有一定的距离，这2个砂体上方形成了明显的反射同相轴，并且厚度越大振幅越大；⑦为中间有薄层泥岩的2个砂体的组合，总体厚度较大，距上覆砂体距离也比较大，该砂组形成了可识别的较强的反射；③号砂体也比较厚，但距离上覆盒一段砂体近，未形成可识别的反射；④号砂体左侧上覆无砂体，从左到右厚度缓慢减薄，保持与上覆砂体较大的距离，该砂体上方形成了渐弱的反射，厚度越薄振幅越弱，右半部分基本无可识别的同相轴；⑤、⑥是两套发育于山一段的较厚砂体，由于受到山一段底与震旦系之间强反射界面所形成的强地震反射的干涉，两套砂体无法识别，仅小幅影响了T9反射上波谷的振幅强度；山一段底部煤层造成T9波峰及其上波谷振幅进一步增强。

通过大量模型的地震正演模拟，得到如下结论：(1)山二段内与盒一段大套砂体有一定距离时，具有一定厚度(>5 m)的砂体能形成可识别的地震反射，该反射波峰位于砂体上方，砂体越厚振幅越强；(2)无论是否发育煤层，山一段砂体反射均淹没于T9波峰的上波谷中，难以识别；(3)实际地震剖面上一致认定的T9特征反射是山一段底界、煤层和震旦系底界反射的干涉结果，波峰最大值位于震旦系中部附近；山一段底部煤层对T9波峰及上波谷有相干加强作用，山一段砂体对T9波峰和波谷有消减作用。

以上结论表明，山二段内与盒一段大套砂体有一定距离、具有一定厚度的砂体可以根据T9—T9d之间多出的同相轴进行识别，这一反射特征与波形聚类分析提取的第一个波形特征相同，说明波形聚类平面图上的2个SW—NE向展布的条带反映的是山二段内距盒一段砂体较远、具有一定厚度砂体的展布，而得出这一结论的正演模型所反映的主要是叠加型砂体及厚层单一型砂体的纵向地层展布。因此，可以说T9—T9d之间多出的同相轴，指示了山二段内叠加型砂体和厚层单一型砂体的存在。

2.4 地震属性提取

根据地震正演模拟结果，统计T9—T9d之间的波峰数量，即可确定山二段叠加型砂体及厚层单一型砂体的发育与分布。

地震波峰数属性平面图(图9)显示，镇泾3D工区北部存在2个SW—NE向展布的多波峰条带，与波形聚类分析结果一致，两者共同指示了山二段叠加型砂体及厚层单一型砂体的发育与分布。

2.5 地震剖面目标解释

基于前述地震正演模拟、地震属性分析、波形聚类地震相分析，已经明确了地震T9—T9d之间出现的同相轴可以认为是山二段内叠加型砂体及厚层单一型砂体的地震响应，因此，对这些同相轴进行地震解释(图10)，即可获得山二段优质储层砂体岩性圈闭的分布与埋深。

图9 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区 3DT9—T9d之间地震属性波峰数平面图Fig.9 Seismic wave peak numbers between T9 and T9d in Zhenjing area, southern Ordos Basin

解释结果(图10右)显示，镇泾3D全区大致有3个SW—NE向条带，东南部条带不甚明显。出于地震资料品质与解释精度的考虑，仅分析3D区北部的情况，3D区北部的2个条带与前述各项研究结果一致。对底图上3D区北部的解释结果进行局部外包络勾画，并进行构造成图，即可得到镇泾3D北部山二段优质储层砂体岩性圈闭分布图(图11)，合计圈闭面积约374 km2。需要说明的是，图11中每个圈闭并非砂体顶面实际埋深，存在比真实砂体顶面高出小于半个波峰不等的深度误差。

2.6 关于本方法多解性和不足之处的剖析

本方法对勘探目标最关键的契合之处在于砂体有一定的厚度，且与上覆盒一段大套砂体有一定的距离，这正是鄂南上古生界气藏必须具备的好储层及适当储盖配置的关键要素。理论上，该方法在目标拾取的环节存在一定的多拾取和漏拾取的情况，但在优选目标时可以有效避免或目前可暂不关注。

一是当山一段底部发育煤层而山一段、山二段都不发育砂体时，山二段内也会出现同相轴，但这个同相轴的特点是振幅非常弱。前文地震正演模拟已经阐明，山二段与上覆砂体距离较大时，砂体厚度越大振幅越大。据此，在优选钻探目标时，选择强反射同相轴目标更有保障。

二是山一段的厚层砂体因山一段底界波阻抗界面过强而被屏蔽，导致无法形成可识别的同相轴。关于这一点，一方面镇泾3D北部山一段砂体确实不甚发育，这是事实；另一方面，目前可以以山二段获得突破为首要任务，待山二段勘探场面展开后，再进一步借助更多资料来研究解决山一段砂体的识别问题。

三是当山二段顶部距离上覆盒一段砂体较近时，山二段厚层砂体不会形成可识别的同相轴。关于这一点，山二段内这样的砂体即使能识别，因砂体上覆的局部泥岩盖层较薄，不能形成良好的盖层，因此，这样的砂体也不是好的钻探目标，这类目标也可以不考虑。

3 结论

(1)镇泾地区3D波形聚类地震相分析结果与区域沉积相研究成果，即关于镇泾地区物源来自西南方向、发育浅水三角洲沉积体系、砂体呈SW—NE向条带状展布的特点一致，这一点同时肯定了镇泾3D地震资料可用于储层预测。

图10 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区3D主测线2800地震剖面T9—T9d之间同相轴拾取Fig.10 Event interpretation between T9 and T9d on seismic section of inline 2800, Zhenjing area, southern Ordos basin

图11 鄂尔多斯盆地南部镇泾地区3D北部山二段岩性圈闭分布 平面图位置见图10右中的蓝色虚线框。Fig.11 Lithologic trap distribution in the second member of Shanxi Formation, northern Zhenjing area, southern Ordos Basin

(2)地震正演模拟表明，山二段内距盒一段大套砂体有一定距离时，具有一定厚度(>5 m)的砂体能形成可识别的地震反射，这种地层岩性纵向上的空间组合与叠加型砂体及厚层单一型砂体岩性组合背景吻合。

(3)根据正演模拟结果进一步开展的波峰数属性和地震反射同相轴拾取的结果表明，镇泾北部山二段叠加型及厚层单一型两类优质储层砂体平面上呈SW—NE向宽幅条带状展布，岩性圈闭面积合计约374 km2。其中，同相轴反射强的目标更有保障。

(4)地震剖面上常常用于薄层砂体拾取的同相轴波峰高于实际砂体的顶界面，在分析地震反射特征、编制砂体顶面构造、储层预测和流体检测时窗选取时要充分考虑这一点。本区拾取的岩性圈闭埋深较砂体实际顶面高出小于半个波峰不等的距离。

致谢：本文研究过程中得到沃玉进教授在区域沉积体系、砂体发育规律、砂体叠置方式与迁移等方面的悉心指导，受益匪浅；陈霞高级工程师提供了前期构造解释主要成果；李松、马强给予了热心帮助，谨此致谢！