高邮凹陷深凹带岩性油藏砂体叠置样式及地震响应

刘金华 , 朱政宣 , 葛政俊 , 彭 湃, 傅劲翔, 岳玉波 , 夏步余

(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610500; 2.中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司,浙江杭州 311100; 3.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院,江苏扬州 225012; 4.川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院, 四川成都 610051)

寻求地球物理响应获得的物理量与地下储层参数的对应关系通常是非常复杂的,只能通过间接途径获得,随着研究介质的复杂性变高,许多问题的求解变得繁琐而不易进行[1-2]。研究区在扇三角洲沉积背景下发育大量薄互层砂体,不仅出现大量条带状河道砂体,而且由于研究区距离物源较远,在物源匮乏区或匮乏期发育滨浅湖沉积,出现一定数量的滨浅湖砂坝透镜状砂体[3-6],导致研究区砂体叠置样式复杂,进一步导致研究区油藏复杂程度增加,储层预测难度也进一步增加。单纯的从实际地震资料入手,在目标油区很难总结出有效的振幅、波形规律以预测相对高渗条带,因而考虑采用地震正演方法对薄砂体及砂体叠置开展地震响应研究,为更精准的预测砂体提供依据。基于机制模型的地震正演方法是研究薄砂层反射波特征的重要手段之一,地震正演模拟主要包括物理模拟和数值模拟两大类:物理模拟是对与实际地质体成比例的模型进行探测,模拟野外采集,通过处理获得其地震响应;数值模拟是基于弹性介质波场传播理论在计算机环境下模拟实际地质模型的地球物理响应方法[7-12]。虽然在数值模拟地震正演方面的研究较多,但多数研究以地层、断层或单层砂体为对象,对其位置、厚度、形态变化等的地震响应开展正演分析以及基于沉积和储层发育特征的砂体叠置样式的地震响应研究较少[13-17]。因此笔者依据机制模型的地震正演结果,总结和梳理地震响应反射特征,筛选出对砂体厚度和分布比较敏感的地震属性,对砂体叠置样式等机制模型的地震响应反射特征进行研究。

1 研究区地质概况

苏北盆地位于江苏省中北部,内部划分为4个呈近东西向展布的二级构造单元,由南向北分别为东台坳陷、建湖隆起、盐阜坳陷和滨海隆起。高邮凹陷位于苏北盆地南部东台坳陷中部,南为通扬隆起,北接柘垛低凸起,东南靠吴堡低凸起与溱潼凹陷相连,西接菱塘桥低凸起与金湖凹陷相隔,东西长度约为100 km,南北宽度约为25～30 km,面积为2 670 km2,呈北东向长条形分布,新生界地层沉积厚度为7000 m,是苏北盆地沉降最深的一个凹陷。高邮凹陷构造单元可划分为南断阶、深凹带和北斜坡3个部分(图1)[3-6]。

高邮凹陷深凹带是江苏油田最主要的含油气单元之一,具有新生代沉积厚度大,生储盖组合优异,油气富集等特点。戴南组是高邮凹陷深凹带主要含油气层段之一,沉积于吴堡运动造成的不整合面之上,与下伏阜四段不整合(假整合)接触,从下而上分别为戴一段(E2d1)和戴二段(E2d2),主要发育扇三角洲、滨浅湖沉积[3-6]。

2 机制模型构建原则

高邮凹陷深凹带戴南组沉积时期,同生断裂发育,构造活动剧烈,因此主要发育扇三角洲沉积,但在马家嘴油田西部等地区由于断裂活动较弱、波浪作用较强,形成滨浅湖沉积,并且在马家嘴油田出现滨浅湖与扇三角洲在纵向上互层现象,形成砂体叠置样式的多样性。因此将复杂多样的砂体叠置样式进行分类总结,从而指导机制模型的构建。

机制模型构建合理与否直接决定在理想状态下砂体叠置分布模式的地球物理响应特征是否具有代表性,更进一步决定实际油田实际资料由地震相向沉积相、岩相的解释准确与否。首先从测井参数特征总结入手,通过各口井测井数据的统计分析得到泥岩背景及储层的声学参数,从而确定机制模型中各个单元的声学参数值设定;其次通过测井参数统计,得到储层条带纵向上的厚度范围及条数,为机制模型如何构建及构建的单元厚度及条数奠定基础[18-22]。

在确定储层、泥岩的地球物理及几何参数后进行机制模型的构建,机制模型构建遵循由等效模型向叠置模式过渡的原则。通过等效模型的建立及地震正演响应分析,总结储层、泥岩厚度、泥岩隔层、韵律变化等的地震响应差异及规律,因此需要建立以下几类模型:

(1)砂体楔形模型。首先需明确实际地震频率下砂体的调谐厚度,剔除因调谐厚度造成的地震振幅的影响。然后由于不同类型沉积其韵律特征不一致,落实不同韵律的砂体其正演响应特征是否一致,因此需要建立不同韵律的砂体模型与均值模型对比,分析其地震响应差异,此模型的正演响应分析结果决定进行叠置模式机制模型正演时是否考虑韵律。

(2)实时动态正演模型。通过改变砂体的相对位置,分析砂体连续性/不连续性的二维机制模型的响应特征。细分为砂体横向叠置正演模式,分析横向叠置时砂体边界的识别精度;横纵向多期砂体叠置正演模型,分析砂体叠置不同宽度与不同高程差叠置下的地震响应特征及砂体识别精度。

(3)砂体叠置样式等效机制模型。基于砂体的主控沉积因素差异造成的砂体叠置样式的不同,建立等效的机制模型,分析砂泥厚度变化的地震响应特征,筛选表征砂泥变化的敏感地震属性。

(4)在多种正演模型分析基础上,基于实际井的砂体分布特征建立机制模型,分析模型正演地震响应与实际地震的对应关系。

3 地球物理参数评价

基于测井解释结果,分别获取砂泥岩的测井参数,统计储层与泥岩的波阻抗参数,为模型正演提供正演设置参数,力求与地下实际情况的地球物理参数接近(图2、表1),通过大量数据统计,砂岩与泥岩的岩石物理数据存在明显区别(表1),因而可以开展模型正演研究。并统计研究区单层砂体厚度解释结果,分布区间主要为1～4 m,大于8 m的较少,因此建立机制模型时单层砂体小于10 m。

表1 岩石物理特征统计(平均值)Table 1 Statistics of petrophysical characteristics (average value)

图2 储层与泥岩速度、密度分布直方图Fig.2 Velocity and density distribution of reservoir and mudstone

4 地震正演等效机制模型

根据储层预测与砂体边界刻画等需求,分别建立多种类型的机制模型进行正演,包括砂体韵律性、砂体调谐厚度、砂体叠置、隔夹层厚度等多种模型,从而总结对应的地震响应特征规律。

4.1 砂体韵律模型

基于油田不同沉积类型储层的韵律性不同,分别建立均值模型和韵律模型进行机制模型正演,分析不同模型的地震响应差异。从沉积上分析,当单砂体的沉积韵律不同时单砂体内物性也会有所差异,砂体内部韵律性是否产生明显的地震响应以及是否对砂体预测产生明显影响等问题对储层预测精度具有重要意义。因而针对单砂体的韵律性,分别建立均值模型和韵律模型进行地震正演,分析不同韵律模型的地震响应差异。

通过不同韵律模型的正演对比可知,在调谐厚度之内,韵律模型与均值模型正演的地震波形、振幅变化规律基本一致。砂体较薄时,韵律模型正演结果与均质模型正演结果差异小,当砂体逐渐变厚,虽然正演合成记录波形纵向上的位置会随着砂体变厚而逐渐变大,但是从砂体厚度-地震能量相关图上分析,二者的能量变化规律趋势完全一致。因而可以看出韵律变化对薄层砂体地震响应的影响较小,并且在后期机制模型构建中,可以忽略韵律对地震响应的影响。因此建立机制正演模型时采用均值模型来表征基于沉积模式的地球物理响应特征。

4.2 砂体调谐厚度模型

在进行机制模型地震正演前,需要结合实际地震资料的子波频率、不同储层单元的声学参数对地震可识别的最小厚度(λ/4)进行判别。建立泥岩背景下厚度从1～80 m的楔形体模型,由于实际地震资料的主频约为20 Hz,为了便于对比分析,设置子波从12～35 Hz,分别进行正演,并提取RMS振幅属性,以判别20 Hz时地震数据的识别尺度。利用不同频率时正演的地震信号分析,提取RMS振幅,并通过判断不同频率时RMS振幅的拐点,得到不同频率时地震信号识别砂体的调谐厚度范围,例如当20 Hz时,地震可识别砂体的厚度为40 m(表2)。通过研究区各储层单元的几何参数统计,砂组的地层厚度范围平均为40 m,单砂体的厚度小于10 m,均小于调谐厚度,尤其是含油砂体,远低于调谐厚度,因此在实际资料的基础上直接预测砂体相对困难。所以考虑以多层相对集中发育的砂体组成的砂组为目标开展储层预测,但砂组中砂体存在多种多样的叠置方式,可能对地震响应产生较大影响,因而开展砂体叠置方式机制模型正演研究。

表2 不同频率地震信号识别砂体调谐厚度Table 2 Tuning thickness of sand body identified by seismic signals of different frequencies

4.3 砂体叠置模型

由于研究区戴南组发育的砂体叠置方式多样,砂体厚度、隔夹层厚度以及联通关系复杂,因而采用动态实时正演的方法开展研究。动态实时正演是基于抽象及理论化沉积模型的正演,根据沉积模式,形成符合沉积规律的沉积模式体(二维、三维),利用基于地质单元体的动态正演方法可以实时的根据沉积模式对地质体进行修改式“拖动”。对应的地震响应也发生实时变化,可以更加直观的观察和分析地震响应随地质模式的变化而变化的规律特征。

研究区主要储层类型为水下分流河道砂体和滨浅湖滩坝砂体,因而实时动态正演过程中采用砂体透镜状分布的地质模型,主要模拟河道和滩坝砂体叠置的地震响应特征。水下分流河道地质剖面上为顶平底凸、短轴状、河道砂中间厚两端减薄;滩坝砂体为顶凸底平状,中间厚两端减薄。因此以研究区沉积砂体发育特征为基础(图3),建立不同参数不同叠合模式的河道砂体的动态正演模型(图4)。动态正演过程中可以灵活改变模拟参数及叠置状态,便于分析不同叠置模式砂体的响应特征,确定识别模式,分析敏感属性,指导储层预测研究。

图3 马家嘴油田砂体横向连通性对比剖面Fig.3 Cross section of sand body transverse connectivity correlation in Majiazui Oilfield

图4 河道砂体与滩坝砂体的叠置样式机制模型Fig.4 Overlapping pattern mechanism model of channel sand body and beach bar sand body

4.3.1 砂体连通叠置样式

为了分析砂体连通性的地球物理响应特征,首先通过对河道和滩坝砂体的纵向及横向砂体叠置样式分析,总结出16类砂体叠置样式(图4)。并在纵向砂体叠置样式基础上分别建立砂体连通、砂体弱连通和砂体重合连通3种机制模型,通过正演分析地震响应与砂体形状的关系,以及砂体连通与否对地震响应的变化规律。通过3组模型正演对比可知,地震反射轴形态受沉积体的影响,砂体不连通时,若两期同为河道,反射轴呈顶平底凸;同为滩坝时,反射轴呈顶凸底平;河道和滩坝叠置时,反射轴呈透镜体状(图5(a))。当砂体弱连通时,反射特征与砂体不连通时基本一致,可见完整波形弱反射特征。当砂体连通较好时,左右地震同相轴相连,在重合位置,受沉积体形态影响,地震反射轴也有变化。地震反射轴受砂体形态影响,形态基本一致(图5(b))。

图5 河道与滩坝不连通机制模型Fig.5 Mechanism model of unconnection between river channel and beach dam

4.3.2 单砂体横向叠置样式

根据研究区砂体叠置样式设计不同的二维砂体横向叠置模型,定性分析地震信号识别砂体边界的横向分辨率。二维砂体叠置模型以顶平底凸的河道砂体来表征砂体横向叠置识别尺度分析。模型设置河道砂体中心厚度为10 m,两端减薄,单砂体宽度为300 m。两期砂体叠置重合范围分别为0、10、30、50和80 m,纵向上两期砂体高程差基本保持一致。这些不同叠置范围的二维砂体模型对应的正演响应特征及砂体边界识别特征属性、地震方差属性和蚂蚁体剖面图(图6)。

图6 砂体横向叠置地震正演二维剖面及属性差异剖面Fig.6 2D seismic forward simulation profile and attribute difference profile of sand body lateral superposition

通过两期砂体叠置模型的正演结果对比可知,随着砂体厚度增大,地震振幅增强。而且地震剖面上不同河道间存在地震同相轴有错动、反射时间有差异、振幅有变弱的特征。若不考虑两期砂体的高程差,即高程差为零或很小时,地震同相轴横向受砂体形态影响表现为振幅强度变化及同相轴的下凹或上凸。当砂体横向叠置0 m时,地震方差体和蚂蚁体属性能清晰的识别出两期砂体的边界,随着叠置范围逐渐增大,方差体和蚂蚁体地震属性差异逐渐减小,砂体边界识别能力逐渐减弱。当砂体叠置范围为80、120 m时,砂体叠置部分的属性差异基本消除,已经难以通过方差体和蚂蚁体属性差异识别两期砂体的边界。因此地震方差体、蚂蚁追踪体属性基本上能定性的对于横向叠置范围小于50 m砂体能够进行分辨,叠置越小,地震体属性差异越明显,边界识别越可靠。

4.3.3 多砂体纵向叠置样式

根据工区复合砂体叠置样式,更贴近实际地质情况,在此建立多期砂体叠置高程差与横向叠置两个变量因素的模型,定性的分析地震信号识别砂体边界的纵向分辨率和相应的地震属性特征变化规律。因此设计不同的二维砂体横向叠置、纵向高程差变化的机制模型,模型设计主要以叠置为砂体中心厚度为10 m,两端减薄,单砂体宽度为300 m。砂体横向叠置分别为砂体宽度的1/2、1/4、1/8倍,砂体纵向叠置厚度分别为砂体厚度的2、1.5、1、0.5、0.25、0倍。这些不同叠置范围的二维砂体模型对应的正演响应及砂体边界识别属性、地震方差属性、蚂蚁体剖面图(图7)。

图7 砂体1/4宽度—高程差叠置模型、正演响应及方差体属性差异剖面Fig.7 1/4 width elevation difference superposition model of sand body, forward response and variance body attribute difference profile

砂体叠置时随着纵向砂体叠置高程差逐渐减小,地震方差体属性和蚂蚁体属性差异逐渐减小,砂体边界识别能力变差。当同一高程差一致时,横向叠置范围越大,地震特征属性差异减小变化更明显,如砂体横向叠置1/2与1/8宽度—高程差模型中1/8的叠置模型比1/2的叠置模型地震特征差异明显变大(图7)。

多期砂体叠置正演响应特征可知,当两期砂体垂向叠置时,不同高程、不同横向叠置范围条件下,地震响应出现波形的拉伸、波峰波谷不对称、双峰等响应特征。当垂向叠置高程差大于1/4砂体厚度时波形出现拉伸、波峰畸变等特征,方差属性较强。正演响应表明叠置高程从0.25倍砂体厚度变化至1.5倍砂体厚度时,剖面不连续性从近垂直方向逐渐变为倾斜,高程差越大角度越大(图7)。因此地震特征属性能够分辨大于1/4砂体厚度高程的叠置特征,识别能力较强。

4.4 泥岩隔层等效模型

研究区储层具有单砂体薄、砂层多、地震频率低等特征,实际的地震信号通常是多套砂泥互层的综合响应及各反射耦合在一起,增加识别砂体的难度,通过研究区具体井剖面砂泥岩的叠置关系,建立4种砂岩隔层组合的等效模型进行正演,分析砂体厚度逐渐变化是相应的地球物理反射特征规律(图8)。等效机制模型单砂体厚度最大为10 m,隔层最大厚度为20 m,砂体层数为2层,并且所有的模型厚度均小于调谐厚度(40 m)。主要模式及特征如下:

图8 机制模型及对应正演响应和属性变化规律Fig.8 Mechanism model and corresponding forward response and attribute change law

(1)砂体厚度增加,隔层厚度不变。模型砂体厚度最小值为1 m,按1 m的间隔增厚至10 m,砂体隔夹层为4 m。该模型相当于上部为滩坝砂体,下部为河道砂体的叠置样式。随着砂体厚度增大,砂体对称时波峰、波谷位置保持不变;振幅能量随砂体厚度变大而逐渐变大,但频率随厚度增加略有降低,相位变化不大(图8)。

(2)砂体厚度增加,隔层厚度不变。模型上部砂体厚度最小值为1 m,按1 m的间隔增厚至10 m,下部为2 m厚度不变的砂体,砂体隔夹层为4 m。该模型相当于上部为砂坝砂体,下部为稳定席状砂的叠置样式。随着砂体厚度变大,波峰、波谷略微向上拉。振幅能量随砂体厚度变大而逐渐变大,但频率、相位随厚度增加基本不变。与上一模型相似,但上部砂体厚度不变,下部砂体厚度增加,该模型相当于上部为稳定的席状砂体,下部为河道砂体的叠置样式。正演响应特征表明,随着砂体厚度变大,波峰、波谷略有下拉现象。振幅能量随砂体厚度变大而逐渐增大,但频率、相位随厚度增加基本不变。

(3)砂体总厚度不变,隔层厚度不变。该模型的特点是,上下砂体叠置时砂体总厚度保持一致,中间的隔夹层厚度也不变。模型设计为上部砂体厚度由10 m,依次向右按1 m的间隔厚度减小至1 m,下部砂体则相反,由1 m厚度按1 m间隔增加至10 m厚度。通过正演特征分析可知,随着上部砂体厚度减薄下部逐渐增厚,RMS振幅能量略有先减弱后增大的现象。波峰、波谷略有上拉现象;而频率、相位随厚度增加基本不变。

(4)砂体厚度不变,隔层厚度增加。该模型特点是上下叠置的砂体厚度都保持厚度不变,但砂体间的隔夹层厚度是逐渐增厚的。模式设计为上下砂体厚度都为1 m,隔层厚度由2 m增加至20 m。随着隔层厚度变大,波峰向下、波谷向上拉的现象。振幅能量随隔层厚度变大而逐渐衰减;随隔层厚度增加,频率逐渐下降,当大于18 m是主频率突然降低,相位呈减小趋势。

4.5 基于实际井等效机制模型

通过不同砂体叠置样式等效机制模型正演建立地震正演响应特征模式,地震振幅、能量属性对砂体横向变化特征对比较敏感,且储层差异越大,地震属性差异越明显,而频率和相位属性对储层的横向变化不敏感。由于实际井中的砂体发育情况较模型更加复杂,因而选择典型井开展实际井等效机制模型研究,为该区储层精细预测提供理论依据。

过连井剖面建立连井的正演机制模型,通过正演可知,峰谷为多套砂泥复合的地震响应,过井剖面的正演与单井结果一致(图10),因此井震结合的研究尺度为砂体组合的模式,前文的对单井砂体的组合并也是基于井震研究尺度一致考虑进行的。

图10 马家嘴油田连井正演与实际地震对比Fig.10 Comparison between forward simulation and actual seismic profile in Majiazui Oilfield

5 结 论

(1)通过对研究区测井参数等的统计,确定储层、泥岩的地球物理及几何参数,其中单砂体厚度小于10 m,砂岩声波时差为257 μs·m-1、波阻抗为9844 m·s-1·g·cm-3,泥岩声波时差为290 μs·m-1、波阻抗为8828 m·s-1·g·cm-3。

(2)韵律模型正演分析显示韵律变化对薄层砂体地震响应的影响较小,可以忽略韵律对地震响应的影响。砂体调谐厚度模型正演分析显示当研究区主频为20 Hz时,地震可识别砂体的厚度为40 m,单砂体的厚度小于10 m,远低于调谐厚度,在实际资料的基础上直接预测砂体是非常困难。

(3)地震属性对于横向叠置范围小于50 m砂体,以及大于1/4砂体厚度高程的叠置特征能够进行分辨。并且泥岩隔层在泥砂岩薄互层的岩性油藏开发中具有重要意义,因而通过砂岩隔层组合等效模型进行正演,可以建立隔层与砂体厚度变化的4类模型。

(4)峰谷为多套砂泥复合的地震响应,过井剖面的正演与单井结果一致,建议薄互层砂泥岩油藏研究尺度为以砂体组合模式开展储层预测研究。