四川盆地川中地区沙溪庙组致密含气砂岩地震预测方法及应用

戴隽成 陈 康 张宇生 冉 崎 董世泰 杨广广 何昌龙郗 诚 吕 龑 干大勇 喻 颐

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.中国石油西南油气田公司 3.中国石油勘探开发研究院

0 引言

四川盆地致密气分布范围广，资源储备丰富，资源量高达6.9×1012m3。自2019年起，以侏罗系沙溪庙组为主力层系，按照地质、地震、工程一体化思路，西南油气田公司稳步推进勘探开发工作，现已证实川中地区沙溪庙组纵向14期河道砂组含气，优选出工作面积1.82×104km2的川中核心建产区，为致密气快速上产奠定资源基础[1]。自2021年来，西南油气田公司积极实施油气风险勘探，甩开预探的YQ3、YQ6、JQ8井先后在沙一段获得高产工业气流，是下一步规模增储上产的重点领域[2]。

沙一段砂体具有“期次多、分布广、储层非均质性强”的特征[3]，由于砂体叠前AVO效应明显，导致其叠后地震反射特征复杂，传统基于叠后地震的砂体地震精细刻画、储层预测及含气性检测配套技术难以满足生产任务需求。为支撑川中地区致密气井位部署，降低勘探风险，开展叠前地震属性定性预测与反演定量方法攻关，研究形成了针对四川盆地川中地区沙溪庙组一段广覆式致密砂岩气藏的叠前地震综合预测及评价技术。针对研究区内广覆式砂体叠后地震响应复杂，难以直接通过振幅属性进行有效刻画的问题，使用叠前AVO的属性组合定性表征地层横波阻抗变化率，进而对砂泥岩地层的岩性进行有效区分。在砂岩预测的基础上，进一步从叠前道集中分别提取和计算表征纵波阻抗变化率以及纵横波速度比变化率的属性，分别对孔隙度和含气性进行了有效定性表征，结合相对应的叠前反成果，完成了川中核心建产区9 848.47 km²三维区的岩性、物性及含气性地震预测工作，为川中地区沙一段探井部署提供了有力技术支撑。

1 地质背景

四川盆地沙一段砂体于盆地范围内广泛分布，整体厚度在30～100 m范围内，东北厚度较大，砂地比分布在20%～40%，盆地周缘砂岩发育程度较高。沙一段主要发育三角洲—湖泊相沉积（图1），具有多沉积中心特点，主沉积中心位于公山庙—龙岗—广安地区[4]。川中核心建产区内沙一段构造形态与地表构造大致保持一致，总体表现为由南东向北西下倾的单斜构造，地层埋深1 600～3 000 m，整体为一套杂色泥岩夹厚层灰色砂岩沉积，其顶界为一套灰黑色叶肢界页岩，底界为凉高山组灰黑色泥岩，地层总体表现为西南薄，东北厚的特征，纵向上可分为三个亚段[5]。受沉积相变化影响，核心建产区内沙一段砂岩粒度具有南北粗、中部细；东西细、中部粗的变化趋势。储层物性南北区差异较大，其中南部地区储层物性7%～19%，北部地区储层物性7%～11%。研究区位于三叠系须家河组及侏罗系凉高山组、自流井组大安寨段烃源的叠置发育区，烃源条件优越，烃源断层发育，整体表现为“凹陷富烃，三角洲控砂，断砂疏导、近源成藏”的天然气复合成藏模式，资源储备丰富，勘探潜力巨大[6-7]。

图 1 川中地区侏罗系沙一段沉积相分布图

2 砂体地震响应特征及井震精细标定

2.1 砂体正演地震响应特征

由于川中核心建产区沙一段砂体物性变化较快，砂体地震响应特征较为复杂，常规井震标定匹配吻合度较低。为落实砂体叠前叠后地震响应特征，根据川中地区沙溪庙组砂体测井曲线特征以及砂体纵波速度与围岩中的相对关系，将砂体分为3种主要类型：高速砂，中速砂以及低速砂。表1给出了对应3种类型砂体以及围岩泥岩的实钻井岩石物理参数，通过建立双层介质模型，结合Aki[8]等基于Zoeppritz[9]方程给出的不同入射角情况下反射系数解析表达式，将反射系数与35 Hz雷克子波进行褶积运算，模拟展示了不同类型砂体对应的叠前及叠后地震反射剖面（图2、3）。反射系数表达系为：

图 2 叠前地震道集正演结果图

图3 叠后地震道正演结果图

表 1 川中地区沙一段砂泥岩岩石物理参数数据表

高速砂的纵波速度相对围岩较高，在零入射角时道集上为波峰反射特征，并且由于高速砂通常较为致密，含气性亦较差，所以其砂岩顶界AVO变化梯度较小，在较大入射角情况下依然保持波峰反射特征，AVO响应为典型的Ⅰ类特征（图2a）；低速砂由于纵波速度相对围岩较小，因此在零入射角情况下为波谷反射，且其波谷的反射振幅能量随着入射角的增大而增大，AVO响应为典型的Ⅲ类特征（图2d）。由于这两类砂体叠前及叠后地震反射均保持一致极性（图3a、图3d），因此砂体平面展布情况可以直接通过叠后地震振幅类属性进行有效的定性刻画；随砂体孔隙度由大逐渐变小，其纵波速度相较围岩由较大逐渐变为较小，砂体速度与围岩接近时即为中速砂。当中速砂速度略低于围岩时，其叠前叠后地震响应特征与低阻砂一致，本文重点讨论的中速砂为纵波速度仅略高于围岩的部分，该类中速砂体在零入射角以及较小入射角时表现为弱波峰反射，但是在较大入射角情况下会出现极性反转的情况（Ⅱ类AVO），根据极性反转出现的临界入射角不同，Ⅱ类AVO在水平叠加剖面上会出现两种不同的特征：叠后与零入射角反射极性相同的Ⅱ类a型中速砂（图2b、图3b）以及叠后与零入射角反射极性相异的Ⅱ类b型中速砂(图2c、图3c)。由于中速砂体叠前地震反射存在极性反转，其在叠后地震剖面上反射特征多变，通常难以识别，并且使用常规井震标定方法的吻合程度较低。由于目标研究区内沙一段同时发育高速砂、中速砂和低速砂所以仅通过叠后资料难以完成沙一段广覆式砂体定性定量预测，针对该情况，基于叠前道集的地震预测成为了落实沙一段砂体平面展布及后续物性、含气性预测的重点。

2.2 基于弹性阻抗的精细井震标定

常规井震标定是在假设纵波零入射角情况下，首先基于纵波声波测井曲线以及密度曲线计算生成纵波阻抗曲线（Acoustic impedance，AI），即

式中ZA为零入射角情况下的纵波阻抗，(g/cm3）×（m/s)。

然后再对井旁地震道的反射系数以及地震合成记录进行计算，该方法普遍适用于AVO影响较小层系的井震标定中。然而在川中地区沙溪庙组，地层埋深较浅，普遍在2 000 m左右，储层砂体中纵横波速度受物性及含气性的影响相对较大，致使有明显的叠前振幅随入射角变化效应，特别是在沙一段砂体Ⅱ类AVO特征发育地区，零入射角与叠后地震可能出现相位不一致的现象（图2c、图3c），导致井震匹配度低，严重制约了高孔含气砂体定性和定量预测的有效开展。为解决因AVO引起的相位差问题，Connolly[10]提出有限角度的弹性阻抗曲线概念（Elastic impedance, EI），即

式中ZA(θ)为入射角情况下的弹性纵波阻抗，（g/cm3）×（m/s)。

式（2）、（3）包含了纵波速度、横波速度。密度以及入射角信息，间接在物性的基础上引入了岩性信息，是描述携带中远偏移距地震信号的敏感弹性属性。如图4所示，YQ1井常规AI算法合成记录上2号砂体为“顶峰底谷”的响应特征，砂体顶界与叠后地震剖面上极性相反，井震匹配关系较差，反观EI算法合成记录上，由于引入了振幅随偏移距变化的情况，结果与叠前时间偏移地震剖面有着更强的波组关系相关性，井震匹配关系得到显著提升。使用EI在AVO响应明显区域进行标定可以得到更为精细准确的井震标定结果。

图 4 YQ1井常规纵波阻抗标定（AI）与40°弹性阻抗标定（EI）效果对比图

3 复杂含气砂体地震预测对策

如前文所述，由于沙一段广覆式砂体在叠后地震剖面上反射特征多样，通常难以识别，所以仅通过叠后资料难以完成复杂含气砂体的定性定量预测，针对该情况，基于叠前道集的地震预测成为了落实沙一段砂体平面展布及物性、含气性预测的重点。图5为总体预测思路：通过反映横波阻抗变化率的S属性剖面对砂泥岩界面进行定性识别；通过反映纵波阻抗变化率的P属性对优质高孔砂体进行区分；通过反映纵横波速度比变化率的属性剖面对高孔砂体的含气性进行定性预测。使用三张属性剖面图可对岩性、物性、含气性进行准确的定性判别。相对应的，通过叠前同时反演，使用横波阻抗反演结果对所有砂体进行定量预测；利用纵波阻抗和孔隙度的负相关关系，对物性达到储层标准的砂岩进行定量识别；在岩性及物性约束的基础上，使用纵横波速度比反演进行含气砂岩的定量预测。

图 5 沙一段高孔含气砂体地震预测策略图

3.1 岩性预测方案

在砂泥岩为主的地层中，振幅随地震波入射角变化的关系式为：

式中R0为零入射角情况下的反射系数，，分别为上下介质的平均泊松比值和泊松比值差；P为AVO的截距属性；G为AVO的梯度属性。

式（4）直观地描述了上下介质在不同岩石物理参数下的AVO变化规律[11-12]。通过将P和G属性进行相减抵消了公式中的纵波速度项，仅剩的横波速度和密度项反映了上下层介质横波阻抗的变化率（S属性），即

式中S为AVO的横波阻抗变化率属性。

由于横波的传播速度仅受岩石骨架信息影响，不受孔隙流体性质影响，且砂岩的横波阻抗普遍高于泥岩[13]，所以S属性的波峰反射可以用以指示砂岩顶界（后文统称S属性剖面为岩性属性剖面）。如图6a所示，YQ10井于沙一段钻遇多套砂体，其中红框所示砂体顶界在叠后时间剖面上与波谷反射对应，橙框所示砂体在叠后时间剖面上地震反射能量弱，难以进行有效识别，而在岩性属性剖面上，两套砂体的顶界与地震波峰反射均有较好对应关系，故而其可用于指示砂体的发育情况。通过提取目的层段内S属性的振幅属性即可完成对砂体平面展布的快速刻画。针对Ⅱ类AVO响应的砂体在叠后地震数据上为弱反射特征，难以直接进行刻画的问题，使用S属性可以对砂体平面发育情况进行快速定性识别（图7）。

图 6 过YQ10井S属性体与叠后地震剖面对比图，叠合伽马曲线显示图

图 7 沙一1亚段S属性体与叠后地震沿层均方根振幅平面图对比图

3.2 物性及含气性预测方案

大量研究表明[14-16]，砂体纵波阻抗与孔隙度呈负相关关系，因此反映纵波阻抗变化率的P属性（式5）可用于定性判别砂岩孔隙度的高低。当砂体孔隙度较大时，其纵波阻抗相对围岩较低，在P属性剖面上为波谷反射，随砂体的孔隙度减小，其纵波阻抗逐渐变大，在P属性剖面上逐渐转变为波峰反射。为便于P属性的利用，本文称反极性的P属性剖面为物性属性剖面，高孔砂体顶界在物性属性剖面为波峰反射。

通过将P和G属性进行相加可以得到反映上下层介质纵横波速度比变化的γ属性剖面为：

式中γ为AVO的伪泊松比属性。

带入泊松比与纵横波速度的关系式：

可将结果进一步转化为：

由于在砂泥岩地层中，泊松比的值域范围通常在0至0.5，因此式11右端的系数小于零，γ的正负直接反应了上下介质泊松比差值。当砂岩孔隙充注气体时，其泊松比显著下降，因此含气砂岩顶界的γ属性值为大于零，地震属性的剖面特征为波峰反射，因此本文称γ属性剖面为含气性属性剖面。

通过对川中地区沙溪庙组不同物性及含气性砂体进行属性对比，归纳解释了4类砂体地震属性反射特征（图8）。其中Ⅰ类反射特征对应高孔含气砂体，其在反映岩性、物性及含气性的属性剖面上均表现为强波峰反射，该类“三亮点”地震属性反射特征对应砂体可通过水平井获得可观工业气流产能，如JQ8沙一段水平井段钻遇砂体平均孔隙度9.4%，测试产气25.88×104m3/d；QL7井与沙一段钻遇两套砂体，分别可作为类型Ⅱ与类型Ⅲ反射特征对应的典型砂体，其中类型Ⅱ对应砂体储层及含气性发育情况为“中孔含气”，在反映物性及含气性的属性剖面上均相对于类型Ⅰ反射能量较弱，QL7井上类型Ⅱ砂体孔隙度8.6%，测试获得工业气流1.76×104m3/d；类型Ⅲ反射特征对应砂体在反映含气性的属性剖面上多为弱反射—波谷反射，QL7井上类型Ⅲ砂实际测试结果未达到工业气井标准；类型Ⅳ反射特征虽然在反映岩性的S属性剖面上可见波峰反射，代表砂体发育，但是在物性及含气性的属性剖面上反射能量均较弱，如QL17井钻遇近15 m厚砂体，但是砂体孔隙度低于7%，未达到该地区砂岩气藏的储层孔隙度下限标准，且无随钻气测响应。通过属性剖面的地震反射特征可对砂体发育情况以及物性和含气性好坏进行快速判别。

图8 川中地区沙一段砂体岩性、物性及含气性地震属性特征图

4 应用成效

结合属性剖面以及对应的反演结果，可以对井点位置目的层段内的砂体发育情况、物性以及含气性进行定性以及定量预测。叠前地震综合预测成果显示JH5井于沙一段顶部发育厚层高孔含气砂体（图9），具备一定勘探潜力，如图9a所示，通过岩性属性剖面判断JH5井于沙一段纵向上发育两套主要砂体，且结合叠前横波阻抗反演结果，靠近沙一顶界砂体厚度更大。在图9b和图9c所示的物性剖面和含气性剖面上两套砂体分别对应图8中所述的“三亮点”高孔含气Ⅰ类反射特征和中—低孔Ⅲ类反射特征，且孔隙度反演结果和纵横波速度比反演结果亦显示靠近沙一顶界砂体物性含气性更优。实钻井于沙一段段钻遇砂体厚度分别为13.4 m和8.8 m，砂体总孔隙度分别为8.9%和2.8%，含气饱和度60.1%和34.5%，通过对沙一顶界厚层砂体进行测试，获得工业气流5.48×104m3/d，取得了较好的勘探效果。

图9 JH5井叠前地震综合预测成果图

5 结论

1）沙一段广覆式砂体叠后地震反射特征复杂，尤其对于Ⅱ类AVO响应明显的砂体，近远道的反射特征出现极性反转，同相叠加后的地震反射与传统AI标定代表的自激自收情况井震匹配关系较弱。EI标定考虑了因入射角改变导致的振幅变化，经实际井资料标定结果显示，其可以有效改善因AVO导致的井震相位及能量不匹配问题。

2）由于地震波在砂岩中的传播速度普遍高于在泥岩中的传播速度，叠前AVO截距与梯度之差（P-G）反映的横波阻抗变化率相较于叠后地震数据可以更好的反映砂泥岩的岩性变化，可以用于定性识别砂体。结合测井交汇设置砂岩横波阻抗门槛值，可使用叠前同时反演对砂体纵向发育规模进行定量刻画。

3）纵波阻抗与砂体孔隙度存在负相关关系，叠前AVO的截距属性（P）反映了纵波阻抗的变化率，在砂体识别的约束下，可用于孔隙度的定性识别。通过线性关系拟合纵波阻抗与孔隙度，可将纵波阻抗反演结果转化为孔隙度反演结果，进而对达到储层标准的砂体进行定量筛选。

4）砂岩在含气时其纵横波速度比会显著下降，因此叠前AVO截距与梯度之和（P+G）反映的纵横波速度变化情况，可用于定性判别砂岩含气饱和度的高低。结合测井交汇设置含气砂岩的含气饱和度门槛值，可使用纵横波速度比的反演结果对含气砂岩进行定量识别。