大民屯凹陷沙四段湖相页岩油地震预测关键技术与应用

陈 昌

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

随着非常规油气地质理论的发展以及工程改造技术的持续进步，在北美地区及中国部分盆地发现了多个页岩油气藏[1-4]。不同于海相沉积环境，中国东部地区的渤海湾盆地主要发育湖相页岩油藏，沉积环境相变快，储层非均质性强，如何高效准确地确定页岩油的“甜点”区是当前研究的热点及难点问题之一[5-6]。近年来，通过加强地质基础理论研究发现，大民屯凹陷沙河街组四段生油指标好、地层厚度大、原始地层压力保持好、脆性矿物含量高，且油气显示普遍，具备页岩油气连续成藏的有利条件[7]。通过攻关研究，目前已经形成了部分针对大民屯凹陷沙四段页岩油“甜点”表征的地球物理技术：肖佃师等[8]基于遗传算法的最优化反演技术预测了大民屯页岩油层段矿物组分含量及干酪根含量等关键参数，有效地指导了页岩油纵向“甜点”层位的优选；刘兴周等[9]研究认为，结构成熟度和成分成熟度是控制沙四段储层条件的关键因素，并提出利用自然电位幅度差来识别优质储层；李晓光等[7]提出大民屯页岩油“三品质”评价方法，并建立了页岩油“甜点”评价标准，有效地指导了该区页岩油“甜点”的选区工作。截至目前，工区内钻遇该套地层的完钻探井共137口，其中目的层有油气显示的井51口。虽然井控程度较高，但在实际的地质评价中，要确定页岩油“甜点”的分布特征，实现经济有效动用，还存在如下问题亟需解决：①高分辨率的有效储层预测。纵向上，沙四段页岩油层段具有典型“三明治”结构特征，地层厚度变化大，部分区域单层有效厚度最低不到2 m；平面上，沉积相变快，多期扇体叠加连片分布，不同区域岩性差异大，地震上无明显的沉积间断现象，常规的叠后稀疏脉冲反演技术识别有效储层精度偏低。②“甜点”分布规律复杂。研究表明，“甜点”的分布受岩性、物性、含油性和脆性等多因素共同控制[7]。储层薄、类型多、空间变化快的特点，导致地质“甜点”预测精度低，储层钻遇率低，目前的储层预测技术难以指导水平井的优化部署及压裂层段优选。

针对上述难点问题，综合应用测井、录井、叠前叠后地震资料，以提高页岩油“甜点”识别准确率为导向，开展页岩油“甜点”地震-地质一体化高精度预测的关键技术攻关，探索形成了地震资料优化处理、叠前弹性参数联合反演、有效裂缝预测等多项关键技术，为大民屯地区页岩油资源的精细评价提供了技术保障，有力的支撑了大民屯凹陷湖相页岩油勘探部署工作。相关研究成果对国内外同类型页岩油储层的高精度预测也有一定的借鉴意义。

1 地质概况

大民屯凹陷位于渤海湾盆地辽河坳陷的北部地区，南接西部凹陷，西距沈阳市25 km，勘探面积约800 km2(图1)。大民屯凹陷在平面上呈不规则三角形，南宽北窄，四周为3条边界断层所围限，是在太古宇的变质岩和元古界碳酸盐岩、石英岩组成的双重基底之上发育的新生代陆相凹陷[7]。此次研究的目的层段为古近系沙四下亚段，位于大民屯凹陷中央地区。沙四下亚段沉积时期，构造升降引发区域性的水退和水进，伴随湖平面振荡性变化，地层呈旋回性变化。岩性具有典型“三明治”结构特征：顶层为一油组,岩性为油页岩、粉砂油页岩；中间为二油组，岩性为粉砂岩、泥质白云岩；下部为三油组, 岩性为油页岩夹薄层泥灰岩、白云岩。地层厚度为20～220 m,TOC含量为2.0%～12.8%,Ro为0.4%～0.6%，有机质均以I型为主，有少量Ⅱ1型和Ⅱ2型。生烃强度约为4 200×104t/km2。油气显示活跃，普遍具有高压异常，最新预测显示该套地层具有20.9×108t油气资源量，是页岩油勘探的重点目标[10]。

2 地震预测关键技术

2.1 地震资料处理技术

叠前反演对地震资料的要求较高，原始地震资料的可靠性直接影响储层预测的效果。因此，在反演前，要进行叠前资料质控分析并对CRP道集进行必要的特殊处理，以求在现有资料品质的情况下，尽可能满足叠前反演的需要。研究区叠前CRP道集存在随机噪音干扰多和能量分布不均匀等问题。处理上，围绕页岩油储层预测，制订了以“全程Q补偿”为核心的宽频保幅处理技术思路，采用叠前保幅保真去噪、井控宽频处理、宽方位处理的技术对策[11-16]，有效地改善了叠前地震资料的成像质量，主频提高10 Hz，分辨能力提高16 m，提高了地震资料解决复杂地质问题的能力。由去噪前后道集对比结果可知，部分噪音被压制后，道集明显光滑，从噪音模型来看，没有伤到有效波，道集质量显著改善，为沙四段页岩油“三段式”内幕结构研究和“甜点”地震预测奠定了基础。

图1 工区地理位置Fig.1 The geographical location of the work area

2.2 岩石物理分析技术

按照先识别优势岩性，再预测优质储层的思路开展岩石物理分析，综合纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比、杨氏模量等多种弹性参数与表征优质“甜点”的储层参数，如TOC、岩性、孔隙度等开展多维度交互分析，优选岩性敏感弹性参数，建立“甜点”的地球物理表征标准。

2.2.1 岩性敏感弹性参数

研究区沙四段岩性主要为油页岩、砂岩、白云岩、含碳酸盐岩油页岩、粉砂质油页岩。测井上，油页岩表现为低速度、高声波、低密度、低伽马、高电阻等特征；砂岩表现为中高速度、中低声波、中高密度、中高伽马、低电阻等特征；白云岩表现为高速度、低声波、高密度、高伽马、低电阻等特征。选择Vp/Vs、横波阻抗Is、纵波阻抗Ip和体积模量k等弹性参数开展两两交会分析(图2)，并建立岩石物理模板。由图2可以看出：Ip-Vp/Vs交会图识别岩性效果最好，横波阻抗可以区分油页岩、砂岩及白云岩等三大类岩性，Vp/Vs可有效区分含碳酸盐岩油页岩、粉砂质油页岩。

2.2.2 储层敏感参数

在岩性预测的基础上，对控制地质“甜点”分布的关键参数脆性指数BRI及总有机碳含量TOC进行分析。首先利用测井曲线计算得到BRI和TOC曲线，然后采用弹性参数分别与BRI和TOC进行交会分析。结果表明，Ip与BRI之间相关性最好，脆性矿物含量高的岩性具有高阻抗特征。Is与TOC含量之间相关性最好，油页岩类TOC含量高，具有低横波阻抗特征。

2.3 复杂岩性预测技术

根据岩石物理分析结果，Is-Vp/Vs可有效区分5类岩性，因此，采用叠前弹性参数联合反演[17-18]进行岩性预测，该反演方法要求保证原始数据的准确可靠，地震数据要经过相对保幅处理，构造解释要尽量准确。该方法在求解过程中考虑了Vp、Vs和Den之间的关系，利用叠前同时反演直接求得密度体，避免了累计误差，稳定性好，可靠性强，为精细定量预测提供了基础保证。首先，将优化处理后的叠前CRP道集转化为近、中、远3个角道集数据，分别针对不同角度道集数据提取子波，进行井震标定。反演时，以叠前角道集数据体为输入，在模型约束下开展多参数同时反演，得到纵、横波阻抗、密度、波速比等预测结果。实际处理过程中，不同子波可均衡不同角度部分叠加数据体之间振幅、频率和相位差异，使得反演结果更准确。根据岩石物理分析的结果将云岩类的横波阻抗门槛值定为4.9×106kg·m-3·m·s-1，横波阻抗反演剖面表明在井轨迹发育一套高阻抗云岩条带，为Sy1井提供了准确的入靶点。

图2 岩性敏感弹性参数交会分析Fig.2 The intersection analysis of lithology-sensitive elastic parameters

通过反演明确了沙四段优势岩性发育特征，其中，一油组和三油组的含碳酸盐岩油页岩相对发育，白云岩厚度较薄，二油组的白云岩厚度较大，油页岩不发育。以二油组为例，利用横波阻抗反演结果提取白云岩的厚度(图3)。由图3可以看出，工区的西南侧s229井附近和东北侧的s224井附近是白云岩发育的厚度中心，厚度为20～40 m，由两侧向工区中部白云岩厚度逐渐减薄。基于岩性预测结果分析认为，s229井附近和s224井附近应该是优势岩性白云岩的集中发育区，可作为下一步页岩油勘探的重点目标区。

2.4 储层参数预测技术

基于岩石物理分析模板，分别建立起TOC含量、脆性指数BRI与弹性参数的回归关系，然后将反演得到弹性参数体转化为TOC含量数据体和脆性指数BRI数据体[19-23]。以二油组为例，基于数据体提取该层TOC含量和脆性指数BRI的均方根值。预测结果表明，TOC含量的分布存在3个厚度中心，分别位于s224—s89附近、Sy1井附近以及a97东侧。脆性矿物集中发育在工区的西南地区，在其他地区脆性指数相对较低。

2.5 有效裂缝预测技术

对于非常规油藏，裂缝的发育程度与油气的饱和度具有较大的相关性，如何精确地预测储层的裂缝发育情况，对于寻找“甜点”区至关重要。利用地震资料预测裂缝的方法较多，主要分为叠前和叠后2种手段。叠后的方法是利用相干、曲率、蚂蚁体等构造类属性[21]；叠前的方法包括多方位的VSP，纵波AVAZ，横波分裂等技术[24-29]。目前，比较经济有效的一种手段是AVAZ(AVOZ)方法，即利用地震资料的振幅随偏移距和方位角变化关系。地震频率的衰减和裂缝密度场的空间变化有关，沿裂缝走向方向随偏移距衰减慢，而垂直裂缝走向方向随偏移距衰减快，裂缝密度越大衰减越快。但是，传统的AVOZ反演方法表征的各向异性程度不仅与裂缝发育程度有关，还与地应力有关。为解决有效裂缝的预测问题，采用叠前各向异性频散反演方法(AVOZF)，该方法在AVOZ方法的基础上，将与流体有关的频率信息引入到AVOZ方法中。因此，该方法能够检测到与裂缝流体有关的各向异性信息，用于表征有效裂缝的发育程度。此次研究将该方法应用到大民屯沙四段页岩油的有效裂缝预测中。图4为过Sy1井轨迹的AVOZF有效裂缝反演剖面。由图4可以看出，AVOZF反演剖面上指示有效裂缝仅发育在Sy1井的一油组的中段及二油组的前半段。实际地质评价结果也显示，Sy1井主要含油层段就是一油组的中间12～17段以及Ⅱ组的上半段4～7段，二者吻合程度很高。综合评价认为，Sy1井储层钻遇率达66.4%，较攻关前同比提高38%。

图3 沙四段二油组泥质云岩厚度分布预测Fig.3 The prediction of thickness distribution of argillaceous dolomite in the second oil-bearing formation of the fourth member of the Shahejie Formation

图4 Sy1有效裂缝预测剖面Fig.4 The Sy1 effective fracture prediction profile

3 应用效果

基于岩性、TOC含量、脆性指数、裂缝分布等参数的预测结果，依据大民屯凹陷页岩油“甜点”分类评价标准[7]，构建页岩油“甜点”地震标准[30]，然后，基于多属性融合技术计算得到反映“甜点”分布特征的数据体。基于“甜点”数据体，按照标准，提取得到一、二、三油组的“甜点”预测分布图，共落实Ⅰ类、Ⅱ“甜点”面积143 km2。图5为二油组提取的“甜点”平面分布特征。图中Ⅰ类“甜点”为红色，Ⅱ类为黄色，Ⅲ类为蓝色。由图10可以看出，工区的西南部S229井区和东北部的S104井区为页岩油“甜点”集中发育区。从实际的钻探效果上看，在研究区内优选了11口老井进行二次试油，地层测试或压裂后均见到油气，其中7口井日产油达到2.00 t/d以上，证实了研究区页岩油的勘探潜力。

2019年，针对一油组的含碳酸盐油页岩型和Ⅱ组的泥质白云岩型的页岩油，在工区西南部“甜点”区部署实施Sy1井，该井水平段长度为1 795 m，钻遇一油组含碳酸盐油页岩厚度为1 245 m，Ⅱ组泥质白云岩厚度为550 m。经测井“三品质”评价，共解释Ⅰ类层厚度为530 m(10)层，Ⅱ类层厚度为920 m(3层)，储层钻遇率高，与地震“甜点”预测符合率高。该井分23段进行大规模压裂，压后4 mm油嘴放喷，日产油为12.69 t/d，日产气为1 194 m3/d，抽油机生产，最高日产油为16.87 t/d。钻探成果表明：基于叠前地震储层预测的“甜点”预测技术为大民屯地区沙四段页岩油“甜点”选区、选层提供了有力依据，有效地提高了储层的钻遇率，为后续该区页岩油的经济有效动用打下了良好基础。

图5 二油组页岩油“甜点”预测平面图Fig.5 The prediction plan of the “sweet spot” of shale oil in the second oil-bearing formation

4 结 论

(1) 基于岩石物理分析明确了对岩性、TOC含量、脆性指数等敏感的弹性参数，为叠前反演预测页岩油“甜点”奠定了基础。

(2) 针对大民屯凹陷沙四段页岩油岩性复杂、地层薄、变化快的地质特征，提出“全程Q补偿”为核心的宽频保幅处理技术思路以及叠前弹性参数联合反演、AVOZF裂缝反演等多种针对性技术，得到弹性参数、TOC含量、脆性指数和有效裂缝等多个数据体。

(3) 依据页岩油“甜点”分类评价标准，构建地震“甜点”综合表征因子，实现了工区页岩油“甜点”的有效预测，水平井储层钻遇率提高到66.4%，为井位部署及水平井轨迹的优化设计提供了可靠依据。