大庆长垣油田开发地震沉积学研究

李 操 姜 岩 樊晓东 刘宗堡 王元波 齐金成

(①东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；②大庆油田勘探开发研究院，黑龙江大庆163712)

1 开发地震沉积学概述

三维地震资料较钻井资料的平面采样密度大、横向分辨率高，应用地震资料的横向分辨率可以提高储层预测能力。地震沉积学的形成和发展得益于20 世纪 70年代以来三维地震技术的快速发展和工业化应用。Dahm等[1]首次在地震时间切片上识别了曲流河道高分辨率振幅影像，体现了利用地震成像技术直接显示古地形和古地貌的优点。随着三维地震数据采集、处理技术的不断进步，地震资料的面元更小、纵向分辨率更高，地震资料品质明显提高，提高了对较小尺度地质体的解释精度。在这种背景下，结合层序地层学基本原理和方法，Zeng等于1998年首次提出“地震沉积学”一词，认为地震沉积学是综合地震岩性学、地震地貌学研究地层岩性、沉积成因、沉积体系和盆地充填历史的学科[2-5]。

2000 年之后，中国石油地质研究人员将地震沉积学理论方法引入中国陆相含油气沉积盆地沉积体系研究、薄层砂体预测以及油气精细勘探与开发等方面，并发挥了重要的作用[6-11]。朱筱敏等[12]在现代沉积学和地震沉积学理论指导下，确立松辽盆地齐家地区青山口组主要发育湖盆浅水三角洲沉积体系，利用地层切片刻画了浅水三角洲沉积砂体的枝状形态和大面积分布特征，指出近油源和邻近断层的三角洲前缘砂体为有利勘探、开发目标。20余年的地震沉积学理论发展和国内、外油气精细勘探经验表明，地震沉积学方法具有较高的横向分辨率，可识别薄砂体(尺度小于1/4波长(厚度为3～5m)的砂体)的空间分布范围，刻画薄砂体的形态和分布特征，重建不同类型储层分布和沉积体系的沉积过程。

利用地震沉积学研究油气开发地质是近十年出现的全新领域，主要根据地层切片分析井间储层分布，识别曲流河点坝、分流河道砂坝、废弃河道等储层[13-17]。吴胜和等[13]应用地震沉积学方法，通过三维地层切片等方式，利用地震成像特征研究沉积单元分布，研究储层构型地震响应及解释方法。张涛等[17]利用地层切片解释曲流河沉积结构，建立了开发尺度的曲流河内部结构地震沉积学解释技术。朱筱敏等[10]系统总结了中国地震沉积学研究现状，提出“开发地震沉积学”一词，但并未给出开发地震沉积学的具体定义。

大庆长垣油田位于松辽盆地中央坳陷区大庆长垣二级构造带内，是一个大型背斜构造砂岩油气田，研究区位于大庆长垣北部萨尔图油田(图1)，研究层位为嫩江组下部、姚家组和青山口组上部，发育萨尔图、葡萄花、高台子三套主力油层。2008年大庆长垣油田首次实现了覆盖长垣北部萨尔图油田的三维地震采集，获得了高品质的高密度(面元尺寸为10m×10m)地震资料，为密井网区储层描述提供了新的数据支撑。在密井网区预测厚度小于调谐厚度的砂泥岩薄互层储层对地震技术提出了严峻挑战，为此大庆油田组建了专业的开发地震团队开展技术攻关，揭开了大庆长垣油田开发地震沉积学研究的序幕，并取得了较好应用效果。

图1 大庆长垣油田区域位置图

王元波等[18]研究了基于地质目标的保幅地震处理技术，根据密井网解剖地质研究成果，利用地震属性相似性分析优化地震处理流程，定量质控与评价地震数据处理结果，提高了处理成果的保真度，在整体上获得了与储层沉积特征吻合、横向变化信息丰富、窄条带河流相砂体边界清晰的地震资料处理成果。齐金成等[19]、姜岩等[20]、李操[21]在长垣油田建立了等时地层格架，在密井网开发区应用地层切片揭示了萨二组15+16(SⅡ15+16)等沉积单元的井间储层变化，并取得了较好效果。郝兰英等[22]针对不同砂体分布特点，利用地层切片采用“砂中找泥”和“泥中找砂”的单一河道识别方法，形成了“地震趋势引导、井点微相控制”的井—震结合储层精细刻画方法。随着地震沉积学研究和应用的不断深入，出现地层切片优选效率低、井—震信息匹配分析难度大、地层切片与储层厚度缺乏量化的对应关系等问题。为此，笔者进一步研究了地层切片自动优选、地震属性平面可信度分析、井—震结合厚度定量预测等方法，结合以往研究成果形成了基于地震沉积学的储层定量预测技术系列，并研发了井—震结合储层预测软件(iRPS)，提高了长垣油田开发地震沉积学储层预测的精度和效率。

大庆长垣油田相关的研究与应用实践表明，开发地震沉积学是地震沉积学在油田开发领域的深入研究与应用的产物，在开发区较密井网条件下针对厚度小于1/4波长的砂岩组、小层或沉积单元(单砂层)，注重于高效化、定量化研究井间储层分布、连通关系、沉积特征等问题[18-24]。

2 开发地震沉积学方法

2.1 开发地震沉积学基础研究

地震波形是振幅、频率、相位等的综合反映。从地质含义上说，波形横向变化是地下地质体的岩性、物性、流体性质、沉积结构、构造等横向变化的综合反映，即地震波形是地下地质体相关地质和地球物理特征的综合表现，其与地质体的波阻抗特征密切相关，只有了解了地层的波阻抗特征，才能建立有效的地震波形(或地震属性)与储层参数间的对应关系，降低储层预测的不确定性。

2.1.1 砂泥岩波阻抗特征分析

大庆长垣油田萨尔图、葡萄花、高台子油层主要由不同速度、密度的细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、灰质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等组成，不同岩性对应不同波阻抗值。从取心井地层速度、声波阻抗统计结果看，由于砂岩物性较好，整体上SⅡ及以下细砂岩速度最小，粉砂岩、泥质粉砂岩次之，泥岩、粉砂质泥岩速度较大，灰质粉砂岩速度最大，波阻抗具类似特征。在分析不同油组的声波阻抗特征时，将岩性简化为砂、泥岩两元岩性介质。统计结果表明，SⅡ到高一组(GⅠ)砂岩具有低速度、低密度、低阻抗特征，泥岩具有高速度、高密度、高阻特征[25]，属于“亮点型”储层，砂、泥岩阻抗值平均相差约10%。依据波阻抗特征可较好地区分砂、泥岩，其中砂岩以地震波谷反射为主。

2.1.2 基于地质目标的保幅地震数据处理

在密井网区必须对地震资料进行相对保幅处理才能发挥地震技术的优势。开发地震资料处理过程与常规的地震资料处理过程并无本质区别，但前者面向的地质目标是油田开发动用的储层，因此对地震资料的保真度和分辨能力要求更高，质量控制过程更精细。

密井网条件的地质研究成果客观反映了储层砂体的整体分布特征，可以验证地震储层预测结果，进而检验地震处理成果的保真度，指导处理方法和参数优选。因此利用油田开发区井网密集、地质模式认知程度高的有利条件，针对地震资料处理过程中的关键环节，基于现有的地震资料处理的内部质控流程，采用井—震联合质控方式，以地震反射特征与合成记录吻合程度、地层切片的地震属性整体趋势与地质研究成果主要特征的相似程度为检验标准，进一步优化地震处理方法和参数。

油田区井网密集，可准确描述井点位置的储层砂体地质特征，因此可以利用典型层位地质研究成果检验地震资料的砂体预测效果，进而有效评价地震处理成果保真度，优化地震处理参数。这种质量控制方法以地震数据处理、解释一体化工作模式为支撑，通过地震资料处理试验，结合地震解释成果和效果评价，优化地震资料处理方法和参数。基于地质目标的保幅地震数据处理的关键在于处理参数的优选与质控，包括三个方面：一是质控技术系列。在常规地震处理各个环节，应用地震数据处理的内部质控技术缩小地震处理方法和参数的选择范围，初步优化方法和参数(图2a)。二是合成记录质控。对比、分析地震处理成果与合成记录(图2c)，评价地震处理参数效果。三是地质成果质控。对比地质研究成果(如砂岩等厚图或沉积微相图)(图2b上)与地震资料处理某一环节的沿层振幅属性(图2b下)，通过相似程度分析、判断处理成果的优劣。结合上述环节，可进一步判断地震处理成果的合理性，在很大程度上缩小地震处理参数的选择范围，增强处理成果的可靠性。

图2 基于地质目标的保幅地震处理质控示意图

“六分法”去噪指分类、分域、分时、分频、分区、分步的去噪方法；分域“两步法”反褶积指将炮点域和检波点域分开进行反褶积处理，可针对性地选择不同域反褶积参数，从而提高反褶积效果

2.2 开发地震沉积学定性预测方法

2.2.1 等时地层格架建立

松辽盆地萨尔图、葡萄花油层属于大型陆相湖盆河流—三角洲沉积体系。上部坳陷超层序SSQ5由姚家组和嫩江组组成，底界面为SSB5(88Ma)，顶界面SSB6(72Ma)是嫩江组与四方台组之间不整合面。湖平面于嫩一段沉积末期和嫩二段沉积初期再次上升到最高，其间沉积的油页岩成为超层序的密集段，并形成松辽盆地的一套烃源岩层，这一时期沉积范围达到最大，远远超出现今盆地范围。SSQ5划分为6个层序，从下到上依次为SQ19、SQ20、SQ21、SQ22、SQ23、SQ24，相当于姚家组至嫩江组[26](图3)。

图3 长垣地层格架对应关系图

地层切片的核心思想是保证切片的地质等时性，地震同相轴等时地质意义取决于地震反射主体频率。Zeng等[27]对美国二叠盆地三角洲前积体的正演模拟表明，低频(15～30Hz)地震反射同相轴可能部分反映了厚层岩性界面信息，地震反射同相轴较易穿时，而高频(50～80Hz)地震反射同相轴准确反映了较薄层的等时沉积界面信息，地震反射同相轴更趋于地质等时。长垣油田高密度地震资料在萨尔图、葡萄花、高台子油层的地震资料主频约为45Hz，接近正演分析的等时条件，可识别以下层序界面[26]：SB19为地震反射次级标准层T1-1，为晚燕山运动主要幕次形成的区域性不整合面，对应上白垩统青山口组顶面，也对应GⅠ顶面，表现为中—低振幅、中—低连续反射特征；SB20为地震反射次级标准层T11，该界面为分隔姚家组一段和姚二、姚三段的反射界面，对应葡一油层组(PⅠ)顶面，在全区为较稳定、连续性较好的强反射；SB21为地震反射次级标准层T1，该界面为分隔姚家组和嫩江组的反射界面，对应SⅡ顶面，表现为横向上分布非常稳定、连续性好的强反射。

大庆长垣油田地震标准层与地质标志层对应关系明确，地震标准层的同相轴等时性良好，因此长垣油田T1(SⅡ顶面)、T11(SⅢ底面即PⅠ顶面)、T1-1(GⅠ顶面)可以作为等时标志层，以此为基础采用等比例线性内插方法建立高精度层序地层格架。根据采样定理，地震数据采集时间确定了采样间隔，制作地层切片相当于对地震数据重采样，为避免制作地层切片重采样时地震原有采样点信息的丢失，对两个标志层内插时，地层切片数不应小于两标志层时间采样个数。以SⅡ、萨Ⅲ油层组(SⅢ)为例，井震标定表明两个油层组的地层总厚度约为90m，对应的两个地震反射标准层T1与T11之间时间厚度约为60ms，考虑地层的横向厚度变化，以T1、T11为等时界面应制作60张以上地层切片。

2.2.2 地层切片储层预测

通过对比、分析地层切片发现，储层预测效果不仅与目的层砂岩厚度有关，还与该层顶、底泥岩隔层的厚度有关，地层切片反映了储层分布。如研究区X沉积单元的河道砂体厚度和砂体顶、底泥岩隔层厚度均较大，基于井数据得到的河道砂体边界较清晰、可靠。应用该单元测井解释砂岩厚度对地层切片进行标定(图4)。可见，砂岩厚度大于3m的井多位于红色区域，砂岩厚度为2～3m的井多落在红色和白色区域，砂岩厚度小于2m的井多落在蓝色区域，由地层切片刻画的砂体边界清晰，反映了砂体厚度的明显变化。165口井数据的统计结果表明，除断层部位井、震符合程度相对较低外，厚度大于2m的砂岩预测符合率达到75%。

图4 长垣油田X沉积单元地层切片

2.3 开发地震沉积学定量预测方法

地层切片储层预测方法在确定沉积单元砂体分布、储层描述方面发挥了重要作用，但应用过程中也出现了一些问题：一是开发区井网密度大，由人工逐井制作合成记录标定地震—地质层位的工作量大；二是长垣油田主力油层为砂泥岩薄互层，沉积单元数量多，需要人工优选沉积单元对应的地层切片，不同解释者的优选结果有差异，同时工作效率较低；三是由于地震分辨率的限制，优选的地层切片除了包含目标沉积单元的有效信息外，还受上、下沉积单元的影响，需要利用测井数据由人工逐井判别地震信息的可靠性，井、震匹配难度大且工作量巨大；四是地层切片中的地震振幅数据虽然能够反映砂体变化趋势，但与砂体厚度缺乏量化的对应关系，且地层切片的色标调整会影响砂体的分布范围。为此，笔者研究了开发地震沉积学定量预测方法。

2.3.1 地震—地质层位快速匹配

针对开发区井数据多、人工标定工作量大的问题，充分利用大庆长垣油田测井曲线齐全、油层组地质分层准确、区域构造解释成果较可信等有利条件，研究了基于标志层的快速时深转换方法。该方法的基本流程为：①以区域地震构造解释标准层(如T1)和对应的地质分层(如SⅡ)建立基准时深对。②以声波测井曲线计算测井数据段的地层速度，从基准时深对出发应用

(1)

计算全井初始的时深关系。式中：T(N)为第N个采样点的双程旅行时；Δd(1)为第N与第N-1个采样点的深度差；VINT为第N和第N-1个采样点间的层速度。③利用声波和密度测井曲线计算波阻抗曲线和反射系数。④利用优选的理论子波或地震数据提取的子波与反射系数褶积得到合成记录。⑤匹配、调整合成地震记录与井旁地震道得到最优时深关系。依据以上思路编写了地震—地质层位批量快速标定软件模块，集成于iRPS中。应用传统的人工标定方法标定20km2的密井网开发区3000口井数据大约需要30个工作日，应用地震—地质层位批量快速标定软件模块仅需约1个工作日，大幅提高了井、震标定的工作效率，为密井网区大量深度域的井数据(如分层、测井曲线、岩性解释结果)在时间域地震剖面快速投影提供了工具。经地震—地质层位快速匹配，各顶面地质分层位置与人工合成记录标定位置一致，地震—地质层位快速匹配效果较好(图5)。

图5 地震—地质层位快速匹配效果剖面

2.3.2 地层切片自动优选方法

地震沉积学研究通常由有经验的物探或地质解释人员优选与目的层沉积规律吻合的地层切片，据此开展地震沉积学或地震地貌学研究。上述优选过程通常需要研究人员根据区域地质认识或井资料进行人工对比、分析，通常称为“专家优选法”。大庆长垣油田储层研究沉积单元众多，应用专家优选法存在优选效率低、对专家经验依赖强等问题。为此，笔者引入皮尔逊相关分析方法。定义两个变量之间的皮尔逊相关系数为两个变量之间的协方差和标准差的商，反映了两变量之间的相关程度。应用皮尔逊相关分析公式

(2)

皮尔逊相关分析方法的应用基于以下两个假设：一是多个连续的沉积单元在深度域按照深度序列是顺序增加的，其地震响应在时间域也是按照反射时间序列顺序增加的，利用深度域的位置比例关系可以确定时间域的位置比例关系，进而提供合理的地层切片优选时窗；二是在优选时窗内必能找到一张地层切片与沉积单元储层信息(如砂岩厚度)达到最优匹配。基于以上假设，应用皮尔逊相关分析方法建立地层切片与砂岩厚度的相关系数曲线(图6)自动优选地层切片。

图6 地层切片相关系数优选曲线

2.3.3 地震属性平面可信度分析方法

应用地层切片自动优选方法确定的地层切片在纵向上反映了目标沉积单元的地质特征，但在平面上不同位置的地震信息的有效性及是否能够反映该单元的砂体平面展布规律仍需进一步判断。为此，提出了地震属性平面可信度分析方法，该方法同样以皮尔逊相关分析理论为基础，通过不同位置的地震属性值与沉积单元储层参数的相关性判断地震属性的可信度。具体的实施方法为：首先提取井点处地层切片地震属性值和沉积单元储层参数数据(通常为砂岩厚度数据)，构成平面可信度判别数据集；之后应用数据集分析平面不同位置井、震数据的相关性，进而得到地层切片地震属性可信度；最后利用井点地层切片可信度绘制研究范围内可信度平面图。图7为基于地层切片可信度的储层定量预测结果。由图可见：①基于井数据的沉积相图(图7a)反映了密井网条件的储层认识。②优选的地层切片(图7b)与图7a的储层特征一致。③地层切片可信度平面图(图7c)将可信度分为高(红色)、中(绿色)及低(蓝色)三级。④根据图7c，针对不同的可信度(CL)区域采用不同方法刻画储层(图7d，后文详述)，即：将低可信度区域自动剔除，利用井数据和地质模式刻画储层；对中可信度区域利用井、震综合信息刻画储层；对高可信度区域以地震信息为主，按照“井定位置、震控形态”的思路刻画储层。

图7 基于地层切片可信度的储层定量预测结果

2.3.4 井—震结合储层厚度定量预测方法

根据Widess准则，当储层厚度小于1/4地震波长时，地震振幅与储层厚度呈正相关关系[28]。该准则为利用振幅数据以及各种地震属性数据定量预测储层厚度提供了理论基础。大庆长垣油田中、浅层速度约为2800m/s，地震主频约为40Hz，开发地质的研究对象为沉积单元，砂体厚度一般小于10m(小于1/4地震波长(17.5m))，满足Widess准则的应用条件。地震正演和实际情况表明，受薄互层组合关系、砂岩厚度、隔层厚度等诸多因素的影响，地震属性与储层厚度的关系较复杂，利用简单的线性回归拟合方法难以得到地震振幅与储层厚度的关系。为此，将地层切片可信度CL引入储层定量预测，根据地层切片CL建立储层厚度与地震振幅或地震属性的函数关系，实现储层厚度定量预测。该方法通过调整不同CL区域的井、震数据预测权重(在高CL区域地震数据参与的权重大，在低CL区域井数据参与的权重大)，建立基于地层切片可信度的井—震结合厚度预测方法

RT=CL×RTSEIS+(1-CL)×RTWELL

(3)

式中：RT为基于CL的储层厚度预测值；RTSEIS为基于地震数据的储层厚度预测值；RTWELL为基于井数据插值的储层厚度预测值。

由多个地层切片或多个属性数据应用多元回归方法计算RTSEIS，基于井数据应用克里金插值方法得到RTWELL，应用式(3)得到RT(图7d)。井—震结合储层厚度预测结果可以得到每个地震面元的砂岩储层厚度，实现井点吻合、井间地震约束。

2.4 开发地震沉积学的软件实现

依据开发地震沉积学定性预测和定量预测的技术思路自主研发了井—震结合储层预测软件iRPS(图8)。iRPS不仅具有常规地震、测井、地质数据管理功能及平面、剖面、三维等显示功能，还具有单井分析功能，可完成常规地震、地质分析工作，且具有三项特色功能模块：一是切片自动提取与优选，能够以单层或双层控制，批量提取振幅切片，并快速计算与储层密切相关的时间切片、沿层切片和地层切片，提高切片优选的工作效率；二是基于可信度分析的储层厚度定量预测，能够自动建立多种地震属性与储层厚度之间的关系，通过结合井点储层厚度与地震属性数据预测储层厚度；三是沉积微相预测，通过建立地震属性、储层厚度与沉积微相之间的关系，依据井—震结合预测沉积微相平面分布。

图8 iRPS主要模块

3 应用实例

应用开发地震沉积学方法和iRPS预测研究区储层。研究区Y沉积单元属于三角洲内前缘亚相，储层横向变化快，为利用地震横向分辨率预测储层提供了地质基础。研究区的Y沉积单元地层厚度为0～12.3m，砂岩厚度为0～8.6m(小于1/4地震波长(约为17.5m))。对所有井数据的井—震联合地震—地质层位快速匹配结果表明，Y沉积单元砂岩主要对应波谷反射。以T11、T1-1建立等时地层格架，利用地层切片自动优选和地震属性平面可信度分析方法自动优选与优化地震属性，应用基于可信度分析的井—震结合储层厚度定量预测方法预测Y沉积单元的储层厚度。后验井证实，井—震结合砂岩厚度预测符合率达到85.6%。井—震预测结果发现了多条呈带状分布的砂体，形态与窄河道砂体一致。图9为研究区0.5km2局部区域Y沉积单元砂岩厚度预测结果。由图可见：①基于63口井数据插值得到的砂岩厚度变化趋势(图9a)显示砂体边界较平滑，东部和西部砂体较发育，中部砂体不发育，东北部有一条自东向西展布的条带状砂体，宽度约为150m。②井—震结合预测的砂岩厚度变化趋势(图9b)与图9a基本一致，但存在很多细节变化，砂体边界变化较快。如：工区东北部的条带状砂体宽度变窄，延伸长度变长；工区南部也出现条带状砂体。按照Y沉积单元的地质认识，储层厚度为1.2m的位置可视为河道边界，因此图9a的河道边界位于AA′的1井和2井中间，图9b的河道边界位于AA′靠近1井一侧，即后者较前者向西移动了40m。③AA′地震剖面(图9c)显示，图9b的河道边界呈波谷反射，且振幅和相位发生明显变化。后验井证实，图9b的河道边界位置更准确，有利于快速追踪河道边界，分析井间砂体走向、连续性及连通性。④在图9a中，BB′处的砂岩厚度为0～1m；在图9b中，BB′处存在一个厚度大于1m的带状厚砂体，为井间发育的窄小河道，与东部河道相连；BB′地震剖面(图9c)在3个位置出现振幅和相位异常，指示宽度为30m的河道。因此井—震结合储层预测结果突破了井间均匀插值成图的限制，充分体现了地震信息的约束作用。

图9 研究区0.5km2局部区域Y沉积单元砂岩厚度预测结果

综上所述，在密井网开发区，主河道带内部仍然存在井数据无法确定的砂体变化，在井间可能发育宽度小于半个井间距的窄河道。以此为基础，通过井—震结合解剖这些地质现象对于油田开发具有重要意义。

4 结论与认识

(1)开发地震沉积学是地震沉积学理论和方法在油田开发领域的深入研究与应用的产物，在开发区较密井网条件下针对厚度小于1/4波长的砂岩组、小层或沉积单元(单砂层)等地质目标，可研究井间储层厚度变化、储层边界分布、储层连通关系、沉积特征等问题。

(2)目的层波阻抗特征分析、基于地质目标的保幅地震数据处理是开发地震沉积学研究的基础；开发地震沉积学定性预测方法是经典地震沉积学在开发领域的有效应用；开发地震沉积学定量预测方法注重于高效化、定量化储层预测，其中地震—地质层位快速匹配、地层切片自动优选是针对开发区井密、层多问题的有效研究方法，地震属性平面可信度分析、井—震结合储层厚度定量预测是高精度预测开发区井间砂体的定量研究方法。这些方法初步构成了开发地震沉积学技术的基本框架，随着研究的深入、地质目标的丰富，开发地震沉积学会逐步发展与完善。

(3)在密井网开发区仍然存在井数据无法确定的砂体变化，在井间可能发育宽度小于半个井间距的窄河道。通过开发地震沉积学有效预测与分析这些地质现象对于老油田开发具有重要意义。