珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌组岩性预测技术及应用

张卫卫，刘 军，刘力辉，张晓钊，白海军，杨登锋

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳 518054；2.北京诺克斯达石油科技有限公司，北京 100083）

0 引言

地震储层预测技术是通过识别背景趋势下的异常响应并对其进行定量描述来表征储层流体分布规律以及储层岩石物理特征的方法。由于地震分辨率的限制，将地震属性如纵横波速度、阻抗等信息转化为储层参数时存在多解性，因此需要利用已钻井数据如岩性、孔隙度、含水饱和度等来降低储层预测的不确定性。针对中深层储层预测的研究，众多学者在地质和地球物理方面都做了大量工作。Avseth 等［1］基于岩石物理模板提出了伪弹性阻抗（CPEI）方法，用以评价在不同胶结及压实条件下储层流体的分布特征；Quakenbush 等［2］率先提出了泊松阻抗属性的概念，并对其计算方法进行了阐述；Mazumdar［3］综合泊松阻抗与泊松比属性提出了泊松阻尼因子，并将其应用于储层识别以及高品质砂岩预测；郑晓东［4］采用幂级数的方式消除横波角度在方程中的影响，简化了方程的表达式，并评估了其影响效果；甘利灯等［5］分析了弹性阻抗在流体识别和岩性预测中的可行性，并对鄂尔多斯盆地苏里格气田的实际资料进行了处理，得出利用16°入射角对应的弹性阻抗可以识别有效储层；印兴耀等［6］利用Russell 近似方程进行了储层的精细刻画，并在实际工区的应用中取得了较好的效果；蔡涵鹏等［7］采用两项AVO 表达式进行了岩性等相关敏感因子的反演，实际资料的应用结果显示新的两项AVO 方法与局部校正方法联合应用能够提高砂泥岩地层参数的估算精度，进而改善地层结构成像；高刚等［8］引入正则化方法推导了纵、横波阻抗表示的两项弹性波阻抗公式，极大地简化了公式，并引用实例验证了阻抗公式的有效性；宗兆云等［9］建立了泊松比与纵、横波模量的计算方法，明确了阻抗的意义，并且在反演中取得了一定的效果；李超等［10］推导了包含流体和剪切模量的反射系数近似方程，针对流体和岩性具有一定的识别特性；印兴耀等［11］推导了基于流体体积模量、固体刚性参数和密度的三参数AVO 近似方程和弹性阻抗方程，模型试算和实际资料反演结果表明流体体积模量可从叠前地震数据中提取，且方法具有稳定性、实用性和精确性；贾凌云等［12］推导了广义弹性阻抗的计算过程，通过正演模拟验证了该方程的精度，明确了其对致密砂岩储层流体识别的可靠性。

以往针对中深层储层的研究，在地质方面主要是从砂岩储层特征、物源供给、油层特征、沉积体系等几个方面进行分析［13-15］，在地球物理方面主要是从高分辨率层序控制、叠前三参数反演等方面进行研究［16-17］。珠江口盆地番禺4 洼古近系存在叠前地震资料角度较小、储层横向变化快、炭质泥岩影响反射特征等问题，因此，利用基于泊松反射率的岩性预测技对珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌组储层空间展布进行预测，刻画优质储层平面展布，以期为该区下一步油气勘探提供借鉴。

1 地质概况

番禺4 洼为珠江口盆地珠一坳陷西部相对独立的一个小洼陷，位于西江中低凸起南侧，是一个“东南断、西北超”，且呈NE—SW 走向的箕状洼陷。由于盆地发育时期一直受强烈构造活动影响，文昌组内部遭受多期次地层出露剥蚀。番禺4 洼是一个新生代沉积洼陷，具有典型上下构造层的二元结构［18-19］（图1），下构造层是早期的陆相沉积地层，具有典型的“厚文昌、薄恩平”的特征，其中，文昌组最大分布面积约700 km2，最大沉积厚度约2 500 m，恩平组地层较薄，但分布广泛，以冲积平原相为主；上构造层以海相沉积为主，主要为三角洲平原相带；随着海平面的继续上升，珠江组上段和韩江组地层的泥岩含量增多，位于古珠江三角洲前缘相带［20-21］。近几年来在番禺4 洼古近系陆续钻探多口古近系探井，但受多期构造运动的影响，加上湖盆水体升降频繁，储层横向变化快，古近系砂体展布难以刻画。近期在PY2 油田西侧连续钻探了A 井和B 井，发现多个油层，并首次在文昌组取得油样，显示番禺4 洼古近系具有较大的勘探潜力。A 井和B 井距离较近，但砂体厚度和地层岩性横向变化较大，主力目的层文二段和文四段的砂体厚度和物性变化较大，B 井文三段受到炭质泥岩影响，储层不发育。

图1 珠江口盆地番禺4 洼位置（a）及岩性地层柱状图（b）Fig.1 Location of Panyu 4 depression（a）and stratigraphic column（b）in Pearl River Mouth Basin

2 岩性预测原理与方法

泊松阻抗PI可以看成是泊松比和密度的函数，只要利用纵波阻抗AI和横波阻抗SI及泊松阻抗PI三者的特殊交会方式，即可识别岩性和含油气性变化。地球物理解释工作中常用AI和SI交会图分析岩性和含油气性。AI和SI的岩石物理交会示意图显示含气砂岩、含水砂岩及泥岩的纵波与横波阻抗具有一定差异，但均存在一定的交叉重叠（图2）。如果将横坐标轴AI旋转到PI对应的角度，则PI就可以描述任意2 种岩石或流体类型，具有类似流体因子的作用，即

图2 泊松阻抗物理意义示意图Fig.2 Schematic diagram of the physical meaning of Poisson impedance

式中：PI为泊松阻抗，m/s·g/cm3；AI为纵波阻抗，m/s·g/cm3；SI为横波阻抗，m/s·g/cm3；C为与角度相关的泊松阻抗参数，决定坐标轴的旋转，旋转的角度取决于旋转后的PI能最有效地识别不同岩性和流体。

通常在AI-SI（纵波阻抗-横波阻抗）交会图上页岩、含水砂岩、含油砂岩的能量团叠合在一起，难以分辨，若换个角度再进行投影，就可以很好地分辨出不同的地层岩性和流体，而这种旋转一个角度后的新坐标被定义为泊松阻抗（PI）［22］。因为纵、横波阻抗均为速度与密度的乘积，所以式（1）也可写为

式中：α为纵波速度，m/s；β为横波速度，m/s；νσ为泊松速度，m/s，νσ=α-C β。

由式（2）可看出泊松阻抗是泊松速度和密度的函数，定义为一种阻抗的量纲。根据地球物理理论，应该存在与之对应的反射率剖面，可把这种反射率剖面称为泊松反射率剖面，是泊松阻抗的一种实际表现形式。在现有技术中还没有一种直接求取泊松反射率剖面的方法，为此通过推导广义泊松阻抗的射线域表达式，提出一种射线域泊松反射率的获取方法。

在Aki-Richard 简化式的基础上，众多学者推导出了射线弹性阻抗［23］：

式中：REI为射线弹性阻抗，m/s·g/cm3；ρ为密度，g/cm3；θ为入射角，（°）。

为了充分利用射线弹性阻抗的优点，克服其抗噪能力差的缺点，对射线弹性阻抗进行改进，将式（3）中的部分进行二项式展开，得到

式中：E为二项式展开的高次项。

一般横纵波速度比小于1，且当入射角小于30°时，式（4）中的第三项可忽略不计，因此得到改进后的射线弹性阻抗公式为

在式（5）的基础上作以下推导：

由此可以看出在射线域，射线弹性阻抗可以表达为广义泊松阻抗，某个射线路径上的地震剖面为根据该射线对应角度计算而来的泊松阻抗反射率剖面。从式（4）可以看出，本次公式推导要求入射角小于30°，对于中深层地层有效角度变小，特别是受上覆地层屏蔽以及断层阴影带的影响，一般有效角度约为30°，因此30°近似公式能够满足中深层储层预测精度的要求。一般而言，通过声波阻抗-横波阻抗交会图可以了解反演属性值与岩石物理性质之间的关系。对于中深层复杂地区，泥岩、含水砂岩及含油砂岩在声波阻抗-横波阻抗交会图上会重叠在一起，难以分辨，但如果换一个角度再进行投影，就可以很好地分辨出各种不同的地层岩性和流体［24-25］。因此可以使用上文推导的泊松阻抗的公式进行叠前反演，对研究区储层进行预测，而且该方法适用于中深层有效角度较小的地震资料。

3 泊松阻抗应用流程

珠江盆地番禺4 洼古近系文昌组岩性主要为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩及砂岩，岩石物理关系复杂，整体来讲泥岩具有低纵波阻抗和高纵横波速度比，砂岩和粉砂岩具有高纵波阻抗、低纵横波速度比，且炭质泥岩纵波阻抗最小，粉砂岩纵波阻抗最大［26-27］。根据井上岩石物理分析结果建立正演模型，并进行叠前正演，对各种岩性的AVO 特征进行分析，然后对叠前道集进行优化，并在射线域进行敏感角度扫描，确定最佳角度，最后利用射线域叠加数据进行泊松阻抗反演，对研究区的储层空间展布进行了精细刻画，结果与实钻B 井相吻合。

3.1 正演模拟分析

根据已钻A 井和B 井建立正演模型接触关系，番禺4 洼古近系文昌组主要有2 种岩性接触关系，一是炭质泥岩与泥岩，二是泥岩与砂岩。根据岩石物理关系，分析得到这2 种界面反射均为波峰，在实际勘探中难以通过地震相进行区分。利用已钻井测井参数建立正演模型1 和模型2（表1），模型1是炭质泥岩与泥岩的接触关系，模型2 是泥岩与砂岩的接触关系，纵、横波速度和密度为研究区已钻井的平均值。

表1 正演模型参数Table 1 Forward modeling parameters

由于叠后地震数据无法识别这2种模型的界面反射，因此进行了叠前正演模拟。通过叠前正演分析AVO 特征（图3、图4）得知：模型1 与模型2 均为Ⅰ类AVO 特征，应用常规P（截距）和G（梯度）无法区分岩性。虽然同属Ⅰ类AVO，但两者又具有一定差异，主要差异表现在以下2 个方面：一方面是弯曲度，由于角度太小，无法准确求取曲率；另一方面是远道特征，炭质泥岩引起的反射在远道呈现负值特征。通过正演模拟在射线域进行部分叠加，可以降低泥岩内部地震反射振幅，从而识别炭质泥岩。

图3 模型1（a）和模型2（b）正演道集Fig.3 Forward gathers of model 1（a）and model 2（b）

图4 模型正演道集540 ms 处振幅的AVO 规律分析Fig.4 AVO analysis of forward gathers of models at 540 ms

3.2 敏感泊松角度扫描

在道集优化处理的基础上［28］，通过叠加扫描的方式，寻找敏感泊松反射率。反射率的提取叠加角度太小，则噪音影响较大；叠加角度太大，则敏感反射特征不清楚。番禺4 洼A 井和B 井钻探结果显示，储层横向变化较快，尤其是B 井具有3 个强振幅反射，其中第一个和第三个为砂岩反射，第二个为炭质泥岩反射。根据正演模拟结果，通过射线域敏感角度，按照间隔5°进行扫描，最终选择20°～25°为敏感泊松反射率，相对于近道叠加，B 井文三段炭质泥岩反射变弱（图5）。敏感角度射线域部分叠加能够较好地反映炭质泥岩反射，可以用于下一步泊松阻抗反演。

图5 珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌组近道叠加（a）与敏感泊松反射率（b）剖面Fig.5 Near path stack section（a）and sensitive Poisson reflectance section（b）of Paleogene Wenchang Formation in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

3.3 泊松阻抗反演

在扫描得到的敏感泊松反射率基础上，利用式（7）计算该角度对应的泊松阻抗参数C，带入式（8）得到研究区敏感泊松阻抗。通过泊松阻抗曲线与波阻抗曲线对比（图6a）分析后认为，泊松阻抗对岩性更为敏感（图6b，6c）。

图6 珠江口盆地番禺4 洼B 井岩性剖面（a）及纵波阻抗（b）、敏感泊松阻抗（c）与自然伽马交会图Fig.6 Lithologic profile（a）and cross plots of P-wave impedance（b）and sensitive Poisson impedance（c）with natural gamma ray of well B in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

目前多数反演单纯追求垂向分辨率，而忽视了横向分辨率，不利于岩性油藏的刻画，因此保持几何学特征的构型建模是关键。地震速度提供的低频信息频宽有限，实际地震数据也缺少低频，测井插值不能准确表达低频。相控建模将地震沉积构型分析结果作为先验条件加入到建模过程中，进而保障模型的横向分辨率。考虑到番禺4 洼压实变化大、测井较少等情况，针对性地提出迭代伪井相控建模技术，建立符合该区沉积特征的初始模型。研究区岩性为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩及砂岩，在敏感的泊松阻抗上可以有一定的区分。结合番禺2 油田周边精细沉积分析，搭建骨架模型（低频为0～3 Hz），利用沉积分析建立伪井，在不同层段按照沉积相充填骨架值域形成骨架模型。

利用敏感泊松阻抗曲线建立初始模型，采用敏感泊松阻抗反射率作为地震约束，完成敏感泊松阻抗反演。根据常规波阻抗反演与敏感泊松阻抗反演结果（图7a，7b）对比，可以看出A 井文三段钻遇炭质泥岩及大套泥岩内夹薄层粉砂岩，敏感泊松阻抗反演结果与已钻井更为吻合。利用这2 种不同反演方法预测的文三段砂岩厚度图（图7c，7d）显示，A 井钻遇砂岩厚度约为20 m，B 井以炭质泥岩为主，含少量薄层粉砂岩，从砂岩厚度平面图可以看出敏感泊松阻抗反演与实际钻井吻合，效果更好。从图7d 可以看出，A 井东侧砂岩厚度较大，平面上连续分布，为下一步重点勘探方向。

图7 珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌组纵波阻抗与敏感泊松阻抗反演效果对比Fig.7 Comparison of inversion results between P-wave impedance and sensitive Poisson impedance of Paleogene Wenchang Formation in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

4 结论

（1）珠江口盆地番禺4 洼古近系地震资料有效角度小，常规叠前三参数反演不稳定，多解性强，基于射线域的泊松阻抗反演适用于角度较小的地震资料，预测砂体平面展布与钻井吻合，优于常规三参数反演。

（2）番禺4 洼古近系文昌组岩性复杂，主要包括泥岩、炭质泥岩、粉砂岩及砂岩等4 种岩性，射线域20°～25°的敏感角度叠加剖面能够突出砂岩地震反射，弱化炭质泥岩地震反射。

（3）番禺4 洼古近系文昌组储层发育，其中文三段砂岩横向变化快，主要有利区域分布于A 井的东侧，预测厚度为10～20 m，为该地区下一步勘探方向。