基于叠前同时反演的致密砂岩储层预测及含气性识别——以苏里格S区块为例

张德明,刘志刚,臧殿光,廖显锋,刘志毅,刘国宝

(东方地球物理有限责任公司 西南物探研究院，四川 成都 610036)

0 引言

鄂尔多斯盆地苏里格地区是典型的非均质性极强的低渗、低透致密砂岩气藏，该区发育缓坡型三角洲沉积体系[1]，主力储层是上古生界二叠系石盒子组盒8段和山1段。2020年5月，工区北部的评价井W1井在盒8下亚段测试无阻流量242.2×104m3/d，测试稳定井口压力22.6 MPa，是目前苏里格上古生界获得的首口超过200×104m3/d无阻流量的高产井，创苏里格气田上古生界直斜井测试产量新纪录，显示了该区良好的勘探开发效果，打破了苏里格地区低产气普遍含水的固有看法，因此有必要对该地区储层及气水分布作进一步研究。W1井钻井资料揭示，盒8纵向上为80～100 m的砂、泥岩不等厚互层。储层主要为浅灰色细砂和灰白色中砂岩与棕褐色；储集空间以次生溶蚀孔隙为主，孔隙度8%～20%，渗透率30～210 mD，属于中低孔、中低渗储层；盒8段同时还发育了灰色泥岩、泥质粉砂岩等细粒沉积物，属于非储层。

通过苏里格气田岩石物理分析可知，砂岩含气后其纵波阻抗降低，且与泥岩叠置，使得二者无法有效区分[2]。以往研究区储层预测以传统地震方法和叠后纵波阻抗反演为主，导致砂岩优质储层以及气水分布预测的失误，制约了该区岩性油气藏的进一步发现。而横波阻抗主要反映岩石骨架信息[3-5]，且不随岩石中流体变化而变化，纵横波速度比进一步消除了密度的影响，因此，通过纵横波速度比和纵波阻抗等多种弹性属性交会可以有效提高复杂岩性预测和含油气性预测的准确度。要获取研究区横波阻抗信息，需依赖于叠前参数反演，而叠前参数反演需要完钻井的横波资料作为趋势约束以及包含了振幅随偏移距或入射角变化信息的叠前CRP道集数据作为数据输入。由于研究区实测横波资料匮乏，不能为叠前反演提供精细的低频模型约束；另外研究区道集存在近道能量弱，远道能量强，局部地区信噪比低，道集远端未拉平，道集AVO[6-9]特征不正确等现象，如不经过针对性的优化处理，将很难得出符合实际的地质认识。因此，寻找适合于研究区砂泥岩地层横波预测模型以及合理的叠前道集优化处理是迫切需要解决的问题。本文拟通过模型正演、道集优化、横波预测及岩石物理分析等关键技术，详细研究叠前同时反演技术在该区储层预测和含气性检测中的作用，期望为下一步圈定有利含气储层面积及井位部署提供有力的技术支撑。

1 模型正演

模型正演对地震资料品质分析和地质解释具有指导作用[10]，为研究河道储层地震响应特征提供了一种有效的方法。针对研究区储层非均质性强、接触界面反射特征不明显及局部位置地震响应特征多解性强等问题，在详细分析三维地震资料的基础上，结合该区钻井、测井及前期地质认识等资料，本文建立了低阻砂的正演模型，以此识别储层的地震识别模式， 降低储层预测的风险。图1为工区内典型低阻砂储层正演模型，W1井盒8下亚段发育一套累厚15 m优质低速储层，其最大孔隙度可达20%以上；储层顶界面与其顶部发育的一套相对高阻厚层砂质泥岩形成强波谷地震反射响应特征，储层底界面由于受到山1段发育的一套低阻砂储层的影响，综合反射特征不明显。

a—储层正演地质模型;b—储层正演结果;c—过W1井地震剖面a—reservoir forward modeling geological model;b—reservoir forward modeling result;c—seismic profile of well W1图1 储层正演模型Fig.1 Reservoir forward modeling

2 叠前同时反演关键环节

叠前同时反演保持了多种弹性参数反演的一致性，增强了反演结果的稳定性和可靠性，能够实现对地下地质体的最佳预测，其基本流程见图2。①运用Xu-white模型对泥岩骨架和砂岩骨架混合，运用Biot-gassmann方程对矿物及流体混合，再考虑到孔隙长宽比获得横波预测模型，将此模型运用到其他缺失横波资料的井进行横波预测；②通过储层参数及储层测井响应特征进行岩石物理交汇建立岩石物理模板；③针对原始道集，采用滤波去噪、线性去噪、剩余振幅补偿、奇异值去噪等手段进行道集优化，经过实钻井AVO道集正演验证优化处理流程，然后将优化后的道集通过叠加得到近、中、远炮检距叠加数据体，利用地质模型正演确定储层地震响应特征；④通过井震标定，分别提取近、中、远炮检距叠加数据体的综合子波，利用层位约束把测井资料沿层进行插值，建立合理的低频模型；⑤运用Knott-Zoeppritz方程进行叠前同时反演，获得纵波阻抗及纵横波比等弹性参数，选取样点统计法依次提取储层厚度及含气性预测图。本文详细描述了横波预测、岩石物理分析、道集优化等关键环节，由于篇幅有限，对子波提取、低频模型建立及精细标定不再赘述。

2.1 横波预测

由于S区块仅有W1井具有横波测井资料，且盒8段主要是砂泥岩沉积背景，本文选取了Xu-White[11-12]模型进行横波预测。首先，针对已知井的泥质含量、孔隙度及含水饱和度曲线做测井综合分析，结合岩心实验资料，通过建立模型的方法求取岩石骨架的体积模量、剪切模量及密度，结果见表1；然后通过地层温度及压力分别计算出流体置换之后的气和水的体积模量，运用式(1)进行流体混合求取孔隙混合流体的体积模量；最后将岩石骨架和孔隙流体进行混合，辅助以砂泥岩孔隙长宽比α，利用Gassmann[13-14]方程计算岩石含流体之后的弹性模量，并利用弹性模量与密度和速度的关系求得纵、横波速度。

表1中，Kp,sand为砂岩体积模量，mμs，sand为砂岩剪切模量，ρsand为砂岩密度，αsand为砂岩孔隙的长宽比；Kp,sh为泥岩体积模量，mμs，sh为泥岩剪切模量，ρsh为泥岩密度，αsh为泥岩孔隙的长宽比。

图2 叠前同时反演技术流程Fig.2 Technical process of simultaneous pre-stack inversion

(1)

表1 岩石物理建模输入参数

图3为W1井实测曲线与通过Xu-White模型预测的曲线对比。由图可见，由通过Xu-White模型建立的纵、横波速度曲线与实测纵、横波曲线吻合度很高，尤其是在低伽马砂岩段两者近乎重合，这也为后文的叠前反演奠定了可靠的资料基础，且进一步说明了Xu-White模型在本区砂泥岩背景下的普适性。

2.2 岩石物理模板的建立

由测井资料可知，石盒子组和山西组储层具有低纵横波比、相对低阻抗、高孔隙度、低伽马的测井响应特征，见图4。本文通过先划分砂岩，再区分储层，后识别含气性的思路建立了本工区的岩石物理模板。第一步划分岩性，由图5a可见，纵波阻抗难以区分砂岩与泥岩，而纵横波比小于1.68可以有效区分砂泥岩；第二步区分储层，在划分岩性的基础上，由图5b和5c可见，纵波阻抗小于12 200 g·cm-3·m·s-1可区分储层(孔隙度>5%)和致密砂岩，且对于储层而言，纵波阻抗与孔隙度存在良好的线性关系，相关系数达到0.94；第三步识别含气性，剔除非储层之后，由图5d、5e和5f可见，气层与水层、气水同层的杨氏模量值存在严重的重叠区间，泊松比的区分程度逊于纵横波比，纵横波比小于1.57可以较好地圈定气层。弹性参数门槛值的确定对后文的叠前同时反演至关重要。

2.3 道集优化

叠前同时反演是基于叠前角道集及分角度叠加数据体完成的，因此叠前角道集的预处理及其质量改善是影响反演结果的重要环节[16-17]。针对道集资料现状，本次研究对于道集的优化处理，采取了滤波去噪、线性去噪、剩余振幅补偿、奇异值去噪等优化处理方法，主要目的是提高广角信息的稳定性和保真度，同时提高资料的信噪比，为后续储层预测和气水识别提供稳定的横波信息。道集优化处理的关键在于质控，即保证处理结果的准确性和合理性，因此以实测W1井进行AVO道集正演作为质量控制标准。图6为优化前后角道集剖面及正演道集剖面，可以看到经过叠前预处理，近道能量弱的现象改善明显，角道集的信噪比明显提高，道集远端不平现象得到有效改善，道集AVO特征明显。在盒8段 3 718～3 726 m处经试气，发育8 m气层，红线顶部代表中阻抗泥岩与8 m厚气层的分界面， 通过提取含气砂岩顶部提取振幅能量属性，其界面振幅能量绝对值随入射角增大而增大，且变化梯度较大，该岩性组合表现为三类AVO特征。优化之后的道集比优化之前更接近井旁正演道集，由此佐证了处理结果的可靠性。

图3 W1井预测曲线与实测曲线对比Fig.3 Comparison of predicted curve and measured curve of Well W1

图4 W2井岩石物理测井响应特征Fig.4 Petrophysical logging response characteristics of Well W2

a—纵波阻抗与纵横波比交汇区分岩性;b—纵波阻抗与纵横波比交汇区分储层;c—纵波阻抗与孔隙度交汇图;d—纵横波比分布概率直方图;e—泊松比分布概率直方图;f—杨氏模量分布概率直方图a—intersection graphs of P-impedance and vp/vs to distinguish lithology;b—intersection graphs of P-impedance and vp/vs to distinguish reservoir;c—intersection graphs of P-impedance and Porosity;d—histogram of vp/vs distribution probability;e—histogram of Poisson's ratio distribution probability;f—histogram of Young's Modulus distribution probability图5 盒8段各弹性参数交会图及直方图(样本点来自W1、W2、W3井)Fig.5 Intersection graphs and histograms of various elastic parameters in H8 section

a—原始道集;b—优化后道集;c—正演道集;d—含气砂岩顶AVO特征a—original gather;b—optimized gather;c—forward gather;d—AVO characteristics of gas-bearing sandstone top图6 道集优化处理Fig.6 Gather optimization processing

3 预测效果

3.1 叠前同时反演效果

前文横波预测合理，且研究区的叠前地震数据经过优化处理之后，信噪比提高、目的层AVO特征保持较好，测井资料和地震资料品质均符合叠前同时反演的要求，最后便是围绕Knott-Zoeppritz方程求解为核心的内部流程工作，获得纵波阻抗体及纵横波比体等弹性参数。图7a是过W1井叠前时间偏移地震剖面，钻遇砂体表现为顶界强波谷，底界弱波峰的地震响应特征；图7b是过W1井纵横波比剖面，钻遇低伽马砂体对应低纵横比；图7c是过W1井纵波阻抗剖面，钻遇高渗储层对应低纵波阻抗；图7d是过W1井叠前含气性剖面，钻遇含气储层对应更低的纵横波比，试气获得无阻流量242.2×104m3/d高产气流。通过剖面对比，纵横波比剖面联合纵波阻抗剖面准确地预测了该套含气储层，表明叠前同时反演适用于苏里格S地区的储层预测及含气性识别。

a—叠前时间偏移地震剖面；b—vp/vs剖面；c—纵波阻抗剖面；d—含气性剖面a—PSTM seismic profile; b—vp/vs profile; c—P-impedance profile; d—gas-bearing profile 图7 过W1井地震偏移剖面及反演剖面Fig.7 Seismic migration profile and inversion profile of Well W1

图8 盒8下亚段储层厚度(a)及含气性预测(b)Fig.8 Reservoir thickness map(a) and gas-bearing prediction map(b) of the lower sub-segment of H8

3.2 储层分布及含气性预测

在单井优质储层预测的基础上，在全区开展叠前同时反演，定量预测储层展布及含气范围。图8a为纵横波比联合纵波阻抗以砂体顶底为时窗提取的盒8下亚段储层厚度图，储层呈NE—SW向条带状展布，储层厚度达12 m，集中分布在5～10 m之间，储层展布规律与砂体走向相似，只有微小差异，分布趋势与砂体分布规律保持一致。通过与钻井结果对比：W1井和W3井在盒8下亚段均钻遇了厚度大于10 m的优质储层，然而W4井和W5井钻遇的主要岩性为泥质砂岩和薄砂岩夹厚泥岩，并未钻遇优质储层，预测结果显示这两口井也位于薄层区，预测储层厚度与实钻厚度吻合程度高，说明叠前同时反演结果真实、可靠。在储层预测的基础上，再利用相对更低的纵横波比预测含气性分布范围，结果见图8b，与储层展布相比，含气性预测范围与储层展布特征大致相同，但在局部上与之存在差异。W3井经测试，试气结论为微气，叠前含气性预测也显示W3井点处及附近含气性一般，但是此处储层发育较厚，由此可以看出，储层发育程度与其含气性不一定呈正相关。根据前文叠前同时反演结果部署W6井，在盒8段测井解释储层厚度为7 m,在3 686～3 690 m经试气，无阻流量为4.08×104m3/d，储层预测厚度及叠前含气性预测与实钻井结果吻合，过W6井地震剖面及反演结果见图9，不难发现，纵横波比剖面联合纵波阻抗剖面准确地预测了该套含气储层。

a—叠前时间偏移地震剖面；b—vp/vs剖面；c—纵波阻抗剖面；d—含气性剖面a—PSTM seismic profile; b—vp/vs profile; c—P-impedance profile; d—gas-bearing profile 图9 过W6井地震偏移剖面及反演剖面Fig.9 Seismic migration profile and inversion profile of Well W6

利用文中方法预测的盒8下亚段储层厚度及含气性分布范围与实钻数据吻合较好，且分布规律符合地质认识，为有利目标区的优选、井位部署以及储量评估提供了依据，降低了油气勘探、开发风险。

4 结论

1)通过模型正演，表明低阻砂高渗储层的地震反射特征为砂体顶部强反射，砂体底界面弱反射的地震综合响应特征。

2)本文首次对研究区利用叠前资料进行了叠前同时反演，首先采用Xu-White模型进行横波预测，其次依据先划分砂岩，再区分储层，后识别含气性的思路建立本工区的岩石物理模板，最后针对叠前CRP道集资料存在的道集不平、近道能量弱等问题进行优化处理，最终的预测效果优于邻区S59区块，原因在于S59区块选用多元线性回归的方法进行了横波预测，且对叠前道集没有经过针对性的处理及道集正演质控，虽然邻区也取得了一些地质认识，但还没有达到有效识别含气富集区的效果。

3)依据预测结果：S地区盒8下亚段储层呈NE—SW向条带状分布，储层最厚处达12 m，集中分布在5～10 m之间，含气性预测范围与储层展布特征相似，但在局部上存在差异，说明储层发育程度与其含气性不一定存在正相关关系。经过与实钻井及后验井数据对比，对井符合率较高，证明了叠前同时反演在本区储层预测及含气性识别中的有效性，可为下一步有利目标区优选及井位部署提供依据。