川东北五宝场地区须五段致密砂岩叠前储层预测

张德明，王 鹏，臧殿光，姚政道，刘志刚，郑 剑，李 源

（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

川东北致密砂岩气藏是四川盆地油气勘探的重点目标之一（印峰等，2012；王威，2018；姚文礼，2021；郑和荣等，2021）。五宝场区块勘探始于1999年，以沙溪庙气藏为主，直至2019年，该区须家河组老井试修的W1 井及新部署的探井W2 井须五段测试分别获气30.60 万m3/天、26.26 万m3/天，勘探获重大突破，表明研究区须家河组具有巨大的勘探开发潜力。研究区裂缝普遍发育且断层断距较大，须家河组储层被断裂分割，各断块间地层压力差异大成为独立的气藏，气藏受断层和储层控制，为构造背景下的岩性气藏（盘昌林等，2011a；张创等，2011；黄仁春等，2021）。川东北部地区须家河组气源除了来自本身外，还可能有海相烃源供烃，烃源条件优越，具备成藏的烃源基础（盘昌林等，2011b；张巍等，2013）。研究区须家河组靠近大巴山物源区，主要为辫状河三角洲沉积砂体发育，具备形成规模储层的物质基础。综合分析认为，研究区烃源断层普遍发育，烃源条件优越，砂体物性呈现出低孔特低渗特征，砂体中有效含气储集体的预测是本次研究的重点。

川东北须家河组致密砂岩河道叠后强振幅难以有效刻画储层及含气性，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（张宏等，2009；宋增强，2018；卢浩等，2018）。一是寻找有利地震响应模式，通过提取砂体地震振幅属性来刻画砂体，这种方法仅仅是砂体的定性预测，且不能预测储层，难以支撑生产；二是通过伽马模拟识别砂岩，在砂体内应用纵波阻抗模拟孔隙度反演达到储层定量预测的目的，问题在于：伽马不是弹性参数，而且伽马与纵波阻抗相关性通常较差，在井间预测中模拟结果可靠性不高，横向上难以推开。这两种预测方法都会导致砂岩内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。叠前储层预测（韩刚等，2021；覃素华等，2021；黄江波等，2021）及含气性识别以岩石物理分析为基础，本文基于Gassmann方程的流体替换及横波预测（窦龑等，2015；马霄一等，2018），分别正演储层饱含不同流体时的道集，分析储层饱含气或者饱含水时的AVO 类型（彭达等，2018；谢祥等，2018；孙宇航等，2021；王月皎等，2021），发现储层饱含气与饱含水时AVO 类型不同，这就为叠前反演奠定了基础。利用研究区内具有实测横波资料的钻井，以此为样本交汇分析河道砂体、储层及含气性的岩石物理响应规律。交汇结果显示，叠前弹性参数纵横波速度比能很好地指示砂岩，联合纵波阻抗能有效刻画储层，利用更低的纵横波速度比能准确识别含气性；通过叠前同时反演技术（强敏等，2010；郎晓玲等，2010；曹全斌等，2016；赵承锦等，2021），预测该区砂体、储层和含气性的展布规律，以证明叠前含气性预测有助于提高钻探成功率与开发效益。

1 地质概况

1.1 构造特征

研究区位于大巴山弧形构造带西南前缘与川东高陡构造带北侧交汇处，西起铁山坡、东至温泉井构造带，构造应力主要来自大巴山为主的北西向构造运动挤压应力和来自川东北部东西向构造运动挤压应力，在两组构造应力挤压作用下形成的褶皱强烈、断裂复杂。从须家河组须五段底界地震反射构造图来看（图1），整体表现为构造轴向沿北东向展布，且构造轴线被北西向的断层切割地腹构造褶皱强烈，北西向断层十分发育，主断层均为逆断层，且延伸远，落差大，几乎贯穿整个三维工区。

图1 川东北五宝场地区须家河组须五段底界构造图Fig.1 Structural map showing bottom boundary of the fifth member of Xujiahe Formation in the Wubaochang area of northeastern Sichuan

1.2 储层特征

须家河组地层为一套砂泥岩互层，局部含煤层，总体厚度400～600 m，单层厚度60～160 m，顺物源方向由北东向南西逐渐增厚。其中须五段岩性组合为厚层泥岩夹中-薄层砂岩，发育三角洲平原-前缘亚相，分流河道和河口坝是砂体发育的有利微相，纵向上多期砂体叠置发育，横向上非均质性较强。须五段储层岩性主要为岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，粒度以粗-中粒为主，岩心平均孔隙度4.71%，平均渗透率0.19 mD，具有特低孔、特低渗特征。储集空间以粒间溶孔、粒内溶孔和残余原生粒间孔为主，裂缝较发育，为裂缝-孔隙型储层。

2 储层预测关键步骤

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）首先分析测井响应特征，通过基于Gassmann 方程进行流体替换并对工区缺失横波资料的井进行横波预测，然后分别正演道集，分析储层饱含气或者饱含水时的AVO 响应特征；（2）将叠前道集通过分角度叠加得到近、中、远叠加数据体，结合3°～31°入射角范围选用3 个部分叠加数据体进行叠加，角度分别是：3°～11°、9°～19°与17°～31°；（3）经井震标定，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，包括纵波阻抗、横波阻抗及密度的低频模型；（4）建立岩石物理模板确定砂体、储层及含气砂体的门槛值；（5）最后运用Knott-Zoeppritz方程进行叠前同时反演，并质控反演结果与测井资料的吻合情况，获得纵波阻抗及纵横波速度比等弹性参数后，选用样点统计法依次提取砂体、储层厚度及含气性预测图。本文详细描述了流体替换及横波预测、道集正演、岩石物理模板的建立及反演质量控制等关键环节。

图2 五宝场地区须五段储层预测流程图Fig.2 Flow chart showing reservoir prediction of the fifth member of Xujiahe Formation in the Wubaochang area

2.1 测井响应特征分析

本文分析了储层段纵波时差、横波时差、自然伽马、孔隙度、纵横波速度比等测井曲线的响应特征。总体上，储层基本都在河道砂体中发育，自然伽马表现为低伽马“箱状”特征，伽马值域范围为55～90 API，横波时差变化较小，纵横波速度比值较低，整体处于1.73 API 以下，孔隙度大于3.5%；与致密砂岩相比，储层纵波时差略高，整体表现为低纵波时差背景中的相对高值，部分值域与泥岩围岩叠置。须五段发育相对泥岩围岩高阻、低阻或近零阻抗差异的河道，且空间非均质性较强，随着物性变化河道砂体的纵波阻抗变化较大，河道砂体的纵波阻抗与泥岩叠置严重，纵波速度难以区分砂岩和泥岩。因此，单纯运用叠后反演方法，难以有效刻画砂体的展布，需要进一步开展叠前弹性参数的岩石物理分析。

2.2 流体替换及横波预测

在岩石物理分析中，流体替换尤为重要，对饱含不同流体介质的岩石可以通过岩石物理测量（李东庆等，2021）精确获取或者通过流体替换来实现。实际操作中，与岩石物理测量相比，流体替换只需要一定的岩石物理参数就可以实现，更具有实际意义，因而在地震预测中通常经过流体替换的方法对饱含不同流体介质的岩石进行弹性性质的研究。

岩石由固体基质、岩石骨架、孔隙及孔隙内充填的流体组成，本文采用Gassmann 方程进行流体替换，这里首先要说明的是研究区是气水两相介质。

Gassmann方程具体形式如下

其中：K、Kdry、Km及Kf分别为饱和流体岩石的体积模量、干岩石的体积模量、固体基质体积模量、混合流体的体积模量，单位均为N/m2；μ和μdry分别为饱和流体岩石的剪切模量、干岩石的剪切模量，单位均为N/m2；Φ为测井孔隙度，单位为%；ρ、ρdry和ρf分别为饱和流体岩石的密度、干岩石的密度和混合流体的密度。

固体基质体积模量Km可以由各矿物组分通过Reuss-Voigt-Hill公式计算得到：

其中：Ni及Ki分别为固体基质体积模量及组成岩石固体基质的第i种矿物的体积百分比及对应矿物的体积模量，其中Ki的单位为N/m2。

饱和流体的岩石体积模量、剪切模量可以从测井资料中纵横波时差及密度通过Boit公式计算获得：

式中VP及VS分别为饱和流体岩石纵波速度及横波速度，单位均为m/s。

岩石流体的体积模量及密度能从气样、地层水的化验资料中利用Baztle and Wang （1992）提出的经验公式获取，孔隙度曲线也能从测井资料中获取。因此岩石骨架的弹性模量可以通过Gassmann公式反算求得。

然后在已知地层温度、压力、地层水矿化度及天然气组分的情况下（见表1），可以通过Baztle经验公式分别计算孔隙流体饱含气和饱含水的体积模量及密度，再通过Brie 流体混合方法计算混合流体的体积模量和密度：

表1 W1井岩石物理建模输入参数表Table 1 Input parameters of petrophysical modeling for the well W1

其中Kw和Kg分别代表水的体积模量和气的体积模量，单位均为N/m2；Sw代表含水饱和度曲线，单位为%；e代表Brie 指数；ρw和ρg分别代表水的密度和气的密度，单位均为g/cm3。本工区e取经验值2为最佳值，注意这里用到的含水饱和度曲线也能从测井解释中获取。最后分别将饱含气和饱含水的流体代入到Gassmann公式中，辅助以砂泥岩孔隙长宽比，进而求得饱含水和饱含气孔隙介质的体积模量、剪切模量及密度等弹性模量。不同流体替换之后计算的纵波、横波及密度见图3，W1 井须五段储层饱含水与饱含气的纵波时差变化较大，储层饱含水的纵波时差小于储层饱含气的纵波时差，而横波时差变化极小，说明流体对横波几乎没有影响，储层饱含水时的密度略大于储层饱含气时的密度。

图3 W1井预测曲线与实测曲线对比Fig.3 Comparison of predicted curves and logging curves of well W1

由于五宝场区块仅有W1 井及W2 井具有横波数据，且集中在研究区东北部，不足以建立可靠的低频模型以及提取有效的综合子波，需要人工合成横波测井曲线，且须五段主要是“泥包砂”的沉积背景，故选取了适合砂泥岩岩性的Xu-White 模型（Xu and White，1996；Keys et al.，2002；张鹏等，2020）进行横波预测。利用已知井的孔隙度及含水饱和度曲线带入Gassmann 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通过公式（5）、（6）反算纵横波时差。

由通过Xu-White 模型拟合的纵、横波时差及纵横波速度比曲线与实测纵、横波时差曲线及纵横波速度比吻合度很高，其相关系数都高于0.9，然后利用该模型预测工区内缺失横波资料的井。这里要说明的是，Xu-White 模型定义的孔隙长宽比及Brie指数都是理论概念，需要根据研究区的地质概况给定数值，难免会出现误差。另外利用伽马计算得到的泥质含量曲线、声波计算得到的孔隙度曲线及阿尔奇公式计算得到的含水饱和度曲线在换算过程中也会产生误差，只有通过多次测试、谨慎验证才能将误差降到最低。

2.3 道集正演

通过一维波动方程模拟不同入射角的反射系数，将每一个角度的反射系数与井旁道提取的子波进行褶积，正演出饱含不同流体的角道集，对比饱含水及饱含气的AVO 特征，进而分析不同流体对目的层地震反射振幅变化规律的影响。从正演结果可以看出（图4），储层饱含气时，储层顶部角道集具有从零入射角到最大入射角呈现一套波峰振幅到波谷振幅转换的特征，同相轴相位出现反转，具有二类AVO的响应特征；储层饱含水时，储层顶部角道集具有从零入射角到最大入射角呈现一套波峰振幅特征，波峰同相轴在角道集的振幅随入射角增大而减小，具有一类AVO的响应特征。通过正演结果发现储层饱含气和储层饱含水的储层具有不同的AVO 响应，流体对角道集振幅变化影响较大，原因可能在于该区裂缝较为发育，储集系统连通性好。

图4 W1井流体替换及道集正演Fig.4 Fluid replacement and gather forward modeling in well W1

2.4 建立岩石物理模板

研究区内W1井及W2井具有横波测井曲线，包括孔隙度、含水饱和度以及储层测井评价成果，以此为样本点交汇分析河道砂体、储层及含气性的岩石物理响应规律。从须家河组须五段纵波阻抗-纵横波速度比交会图5可见，弹性参数纵横波速度比能很好地指示砂岩，纵横波速度比门槛值小于1.73可以区分致密层、储层与泥岩，剔除泥岩之后，联合纵波阻抗门槛值小于12900 g/cm3*m/s区分储层（孔隙度大于3.5%）。岩石物理交汇分析表明，低纵横波速度比可以指示河道的含气性，即纵横波速度比小于1.62的区域即为含气砂岩发育区。从气层、水层、干层的纵波阻抗-纵横波速度比交会图可见，储层含气性较好时，纵横波速度比相比水层和干层降低明显。

图5 五宝场地区须五段纵波阻抗-纵横波速度比交会图Fig.5 Crossplots between impedance of P wave and Vp/Vs of the fifth member of Xujiahe Formation in the Wubaochang area

3 储层定量预测

由于研究区井资料相对较少，本文采用本质上考虑了AVO 效应的叠前同时反演技术开展叠前反演工作，叠前同时反演属于确定性反演。测井数据在反演中只用于低频模型的构建及参与子波的提取，而中、高频信息主要来源于地震数据，其反演结果与地震数据匹配良好，对地层的弹性参数结构保持了与实际地震数据相同的横向分辨率，且消除了调谐影响，相比基于地质统计学以及波形指示的反演方法更加稳定，对地质异常体分布规律的表征更加客观。在反演过程中依据Zeoppritz 方程来计算某一入射角的反射系数，同时还考虑到所求取参数对多个不同角度部分叠加数据体的影响，是一种较弹性波阻抗反演与分步反演精度更高的叠前反演方法。

3.1 反演参数质控

完成岩石物理分析、井震标定及子波提取和低频模型建立等基础工作后，可以进行叠前同时反演的计算。为了保证计算结果的准确性，通常需要对计算结果进行比较严格的质量控制，最关键的的质量控制主要为反演结果与测井资料是否吻合。图6为须五段弹性反演体上提取的纵波阻抗曲线、横波阻抗及纵横波速度比曲线与实测曲线的对比图，其中蓝色曲线为井点上提取反演结果的纵波阻抗曲线，黄色曲线为井点上提取反演结果的横波阻抗曲线，红色曲线为井点上提取反演结果的纵横波速度比曲线，黑色曲线为实测的纵波时差、横波时差和密度资料计算的纵波阻抗、横波阻抗及纵横波速度比经过高切滤波后的曲线。由图6不难看出，实测资料与反演结果在地震资料的频带范围内具有很好的一致性。

图6 W1井及W2井提取的伪井曲线与实测测井曲线叠合图Fig.6 The pseudo-well curves extracted from wells W1 and W2 overlying with the actual logging curves

3.2 反演效果分析

采用前述叠前反演的方法进行储层及含气性预测，图7为过W1井的反演剖面，在这口井附近，纵波阻抗值较低，纵横波速度比值较低，纵横波速度比值小于1.62（红色）的样点即为含气砂岩样点，反映在目的层段可能存在储层且含气，而钻井也证实了该位置发育气层，测试日产20.5万方/天，反演剖面所表现的特征与测井分析一致，表明反演效果较好。

图7 过W1井纵横波速度比反演剖面（a）及纵波阻抗反演剖面（b）Fig.7 Inversion profiles of Vp/Vs （a） and impedance of P wave （b） through well W1

3.3 平面预测成果

研究区钻遇须家河组且有较全测井曲线的钻井共计11口，自然伽马曲线对砂泥岩地层的岩性评价具有指导作用，在岩性评价的基础上进行的储层解释也较为可靠。为了验证预测可靠性及精度，随机选取5口井作为验证井不参与反演。

根据叠前反演结果，提取须五段地层顶底时窗范围内，Vp/Vs小于1.73的样点乘以对应速度除以2000得到砂岩厚度预测分布图；提取须五段地层顶底时窗范围内，Vp/Vs小于1.73且纵波阻抗小于12900的样点乘以对应速度除以2000得到储层厚度预测分布图；提取储层顶底时窗范围内Vp/Vs小于1.62的样点求和除以样点数得到含气预测分布图（图8）。工区砂体普遍较发育，河道砂体厚度普遍在40～65 m，储层发育厚度普遍在10～21 m，根据含气砂体呈现出低Vp/Vs特征，预测出有利含气区面积189.2 km2，暖色调（红色及黄色）范围内为含气砂岩发育区。总体来说，储层发育厚值区及含气砂岩发育区集中分布于工区中部东北部及东南部，W1井、W2井及W5井等钻井在须五段均发育较好储层且含气性较好。表2为预测砂体、储层厚度及含气性与实钻井误差统计表，统计结果显示预测砂体及储层误差均比较小，说明反演预测较可靠地表征出了本区的砂体及储层展布特征；另外，通过与试气井对比，反演结果与试气结论吻合性较好，吻合率达到90.9%，说明叠前含气性预测较可靠地反映出本区的含气砂岩分布情况。

表2 五宝场地区须五段砂体厚度预测、储层厚度预测及含气性预测与实钻井误差统计表Table 2 Prediction of sand body thickness，reservoir thickness and gas-bearing properties and statistics of actual drilling error of T3x5 in the Wubaochang area

图8 五宝场地区须五段砂体厚度预测分布图（a）、储层厚度预测分布图（b）及含气性预测分布图（c）Fig.8 Predicted sandbody thickness （a）， reservoir thickness （b） and gas-bearing distribution （c） of the fifth member of Xujiahe Formation in the Wubaochang area

4 结论

（1）五宝场区块须家河组须五段岩石物理分析研究结果表明：砂岩储层与泥岩纵波阻抗叠置严重，但纵横波速度比可有效区分岩性，联合纵波阻抗圈定储层，具备开展叠前反演储层预测的有利条件。

（2）基于Gassmann 方程的流体替换及道集正演分析，储层饱含不同性质的流体会产生不同AVO 响应特征，为叠前含气性预测奠定了基础，经叠前弹性参数交汇分析选取纵横波速度比进行含气性预测。

（3）叠前定量预测结果显示，研究区砂体普遍发育，高值区集中分布于工区中部，储层主要发育在工区中部、东北部及东南部，而含气砂岩主要集中在工区中部及东北部；与叠后油气检测效果对比发现叠前含气性预测对井吻合率达到90.9%，明显高于叠后油气检测的63.6%，表明叠前含气性预测有助于提高钻探成功率与开发效益。

本次研究也存在一些局限，针对致密砂岩储层，裂缝预测是高产的关键，下一步将重点研究裂缝检测方法，尤其是能够预测裂缝方位及密度的叠前裂缝检测技术，以期提高储层钻探成功率。

［附中文参考文献］

曹全斌，杨志力，吕福亮，范国章，鲁银涛，许小勇.2016.叠前同时反演技术影响因素分析及应用［J］.大庆石油地质与开发， 35（3）：136-141.

窦龑，桂志先，高刚，文中平，何扬鸿.2015.基于Gassmann 方程流体替换的影响因素分析［J］.地球物理学进展， 30（5）：2150-2156.

韩刚，高红艳，龙凡，秦德文，李俊，王焕弟.2021.叠前反演在西湖凹陷致密砂岩储层“甜点”预测中的应用［J］.石油物探， 60（3）：471-478.

黄江波，左中航，侯栋甲，郭轩，王孝辕.2021.叠前密度反演技术在沙南凹陷中深层储层预测中的应用［J］.海洋地质前沿， 37（2）：46-53.

黄仁春，刘若冰，刘明，曹环宇，宿赛，杜红权.2021.川东北通江-马路背地区须家河组断缝体储层特征及成因［J］.石油与天然气地质， 42（4）：873-883.

郎晓玲，彭仕宓，康洪全，凌勇，许建明.2010.叠前同时反演方法在流体识别中的应用［J］.石油物探， 49（2）：164-169，16-17.

李东庆，司文朋，陈胜红，魏建新，狄帮让.2021.饱和致密砂岩中动态剪切模量硬化的实验研究与理论模拟［J］.地球物理学报，64（8）：2916-2926.

卢浩，舒朝晖，董文波.2018.辽河坳陷粗面岩地球物理响应特征及预测技术研究［J］.地质与勘探， 54（1）：130-137.

马霄一，王尚旭，赵建国，殷晗钧，赵立明.2018.部分饱和条件下砂岩的速度频散实验室测量和Gassmann 流体替换［J］.Applied Geophysics， 15（2）：188-196，361-362.

盘昌林，刘树根，马永生，郭旭升，郭彤楼.2011a.川东北须家河组储层特征及主控因素［J］.西南石油大学学报（自然科学版）， 33（3）：27-34，190-191.

盘昌林，刘树根，马永生，胡东风，黄仁春.2011b.川东北地区须家河组天然气成藏主控因素分析［J］.断块油气田， 18（4）：418-423.

彭达，肖富森，冉崎，谢冰，陈骁，张福宏，陈康，许翔.2018.基于KT模型流体替换的岩石物理参数反演方法［J］.岩性油气藏， 30（5）：82-90.

强敏，周义军，钟艳，吴勇，张松.2010.基于部分叠加数据的叠前同时反演技术的应用［J］.石油地球物理勘探， 45（6）：895-898，936，790.

宋增强.2018.叠后地震反演技术预测河道砂体［J］.大庆石油地质与开发， 37（4）：151-156.

孙宇航，刘洋，陈天胜.2021.基于无监督深度学习的多波AVO 反演及储层流体识别［J］.石油物探， 60（3）：385-394，413.

覃素华，刘雷颂，李想，谢亮，刘运宏.2021.分方位马尔科夫链叠前地质统计反演在Q 区块碎屑岩薄储层预测中的应用［J］.地质与勘探， 57（1）：156-165.

王威.2018.川东北地区须家河组天然气高效成藏模式探讨［J］.岩性油气藏， 30（3）：27-34.

王月皎，金吉能，潘仁芳，刘义生，李仕涛.2021.建南地区须四段致密气层AVO 响应特征——以新店1井为例［J］.中国科技论文，16（5）：508-517.

谢祥，吴奎，张金辉，高京华，樊建华.2018.稠油油藏AVO 影响因素分析［J］.石油地球物理勘探， 53（3）：545-551，5.

姚文礼.2021.四川盆地须家河组致密砂岩物源体系的控储作用［J］.地质科技通报， 40（5）：223-230.

印峰，盘昌林，杜红权.2012.川东北元坝地区致密砂岩油气地质特征［J］.特种油气藏， 19（2）：16-20，135.

张创，孙卫，杨建鹏，解伟，杨姣，杨希濮，陈芳萍.2011.构造-岩性油藏油水微观分布规律与主控因素探讨［J］.地质与勘探， 47（3）：518-523.

张宏，杨春峰，常炳章，张驰，任军战，吴官生.2009.叠后地震反演方法联合应用研究［J］.石油天然气学报， 31（5）：246-249，437.

张鹏，杨巧云，范宜仁，张云，张海涛.2020.基于Xu-White 模型的致密砂岩储层含气性评价［J］.岩性油气藏， 32（6）：138-145.

张巍，关平，韩定坤，孟仟祥，谢小琴，简星，刘若冰.2013.川东北地区三叠侏罗系陆相烃源岩评价及油源对比［J］.北京大学学报（自然科学版）， 49（5）：826-838.

赵承锦，蒋有录，刘景东，王良军，曾韬.2021.基于正演与反演结合的孔隙度演化恢复方法——以川东北地区须家河组为例［J］.石油学报， 42（6）：708-723.

郑和荣，刘忠群，徐士林，刘振峰，刘君龙，黄志文，黄彦庆，石志良，武清钊，范凌霄，高金慧.2021.四川盆地中国石化探区须家河组致密砂岩气勘探开发进展与攻关方向［J］.石油与天然气地质， 42（4）：765-783.