0 引言

AVO技术是20世纪80年代发展起来的，它在天然气勘探中发挥了重要作用，并因此在油气勘探中得到推广和应用^[1-4]。

近几年，鄂东缘以煤为烃源岩的致密气勘探取得很大进步，但目前还未形成非常有效的油气检测技术。AVO技术在常规气藏勘探中取得很好效果^[5-6]，但对煤系致密砂岩各个层系开展应用时，其效果并不稳定。初步分析认为，不同层系气砂、干砂、泥岩、煤层等组合变化影响了AVO预测结果，但其变化规律还不清楚，因此需要开展不同岩性组合情况下AVO特征研究。

本文以实际资料为基础，设计了四类七种不同的岩性组合，通过改变孔隙度、砂岩厚度、泥岩厚度、煤层分布等参数，研究其对AVO现象产生的影响，通过量板方式直观展现不同岩性组合下随着不同参数改变AVO相应的变化规律，甄选出适合开展AVO含气预测的岩性组合和对应的地层，为后续研究提供判断依据，从而提高预测结果的可靠性，降低勘探风险。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的东北部，本溪、太原和山西组煤层为主要烃源岩，围绕煤层自下而上发育有本溪、太原、山西、下石盒子、上石盒子、石千峰组等多个勘探目的层，主要为孔隙度为1%~12%的致密砂岩。不同目的层受沉积环境变化影响，泥岩、砂岩、煤层发育程度不同，形成了不同的岩性组合。如石盒子组的1—6段和太原组的2段泥岩较发育，主要为泥包砂的组合；石盒子组的盒7—8段、石千峰的4—5段、山西组的2段砂岩较发育，更易于形成砂包泥的岩性组合；山西组1段、太原组1段和本溪组1段，发育有不同厚度的煤层，岩性组合更加复杂。岩性组合的复杂性使得成藏规律变得复杂，研究难度增大。

针对勘探中遇到的问题，开展了AVO正演分析，以期为含油气预测提供依据。

2 地质模型的建立 2.1 影响AVO特征因素分析

AVO响应的变化与砂岩储层中所含流体性质(气、油、水、)和含量有关，但决定因素主要是孔隙度、含水饱和度(或含气饱和度)和厚度。

对于致密储层而言，孔隙度是影响含气和高产的重要因素。测井结果显示，研究区气层孔隙度一般大于5%，差气层孔隙度一般在3.8%~8.0%。测试结果表明，孔隙度大于10%时，一般具有自然产能；孔隙度为6%~10%时，压后具有中—高产；孔隙度小于6%时，压后低产或无产。说明孔隙度是决定气藏富集的重要因素之一。

厚度是影响产量的另一重要因素。研究区气层厚度统计显示，总体气层相对较薄，一般在1~12m，超过5m的厚气层基本稳产，小于5m虽偶有高产但大多总产量较低，因此大于5m的优质储层是应用AVO预测的重点。除了气砂岩固有性质和AVO有关系外，气层上部覆盖地层的性质(如泥岩、干砂、煤层等)和厚度对气层AVO特征也有重要影响，也是需要考虑的重要因素。

2.2 地质模型的建立

通过钻井分析，总结出致密气层与干砂岩、泥岩、煤层组合关系的三种主要类型。其一，泥包砂型，气层上、下具有较厚的泥岩，主要发育于上石盒子和下石盒子组的5—6段。其二，砂岩发育型，气砂之上存在干砂层，干砂层或直接覆盖在气砂岩之上或两者之间存在薄层泥岩隔层，主要发育于山西组、下石盒子组的7—8段、石千峰组等。其三，含煤层型，在气砂岩之上存在煤层，主要发育于本溪组、太原组。

依据上述地层发育关系，设计了四类七种地质模型(图 1)：类型一，“泥岩—气砂”型(图 1a)；类型二，“泥岩—砂岩—气砂”型，又细分为2种模型(图 1b、图 1c)；类型三，“泥岩—干砂”型，细分为3种模型(图 1d、图 1e、图 1f)；类型四，“泥岩—煤层—泥岩—气砂”型(图 1g)。

2.3 参数选取

在AVO正演模拟中，选取准确的储层参数是取得合理正演结果的基础。统计显示，研究区气砂含水饱和度为35%~55%，正演取值为40%~60%。气砂岩孔隙度范围7%~14%，差气层3%~8%，正演取值3%~15%。气层厚度一般在1~12m，邻区有井厚度超过23.3m，正演取值4~24m。

泥岩、气砂岩、干砂岩、煤层速度、密度根据多口井资料取得，见表 1。

正演子波从目的层段反射提取，主频为35Hz。

3 正演模拟 3.1 类型一：“泥岩—气砂”模型的地震响应 3.1.1 AVO随孔隙度的变化

固定气层厚度为16m，含气饱和度为50%，孔隙度由3%增加到15%。正演结果显示，随着孔隙度的增加，气层的AVO类型由Ⅰ类过渡到Ⅱ类再到Ⅲ类^[7-9](图 2)。

在P-G(截距—梯度)属性交会图(图 2c)上可以看到，当气层孔隙度为3%时，它处于第四象限，随着孔隙度的增加，由第四象限过渡到第三象限，且G绝对值逐渐减小。

同理，固定气层厚度为8m和24m，孔隙度由3%增大到15%，可得到另外2条变化规律相似的AVO随孔隙度变化的曲线。

3.1.2 AVO随气层厚度的变化

固定孔隙度值为12%、含气饱和度为50%，气层厚度h由4m增加到24m。模拟结果显示，随着厚度的增加，AVO响应特征由Ⅱ类逐渐变为Ⅲ类(图 3)。

同理，分别固定孔隙度值为3%、6%、9%、15%，气层厚度由4m增加到24m，可得到多条AVO随厚度变化的曲线。

把AVO随孔隙度、厚度变化的曲线都投影到同一张P-G交汇图上，得到AVO量板图(图 4)。从量板上可以看出：随着孔隙度增加，AVO类型变化规律为Ⅰ类—Ⅱ类—Ⅲ类；随着厚度增加，AVO类型变化趋势为Ⅱ类—Ⅲ类，起点为坐标原点。或者说，孔隙度大、厚度大的气砂岩表现为Ⅲ类AVO响应。

4.1.3 AVO随含气饱和度的变化

固定气层厚度为8m，孔隙度为12%，含气饱和度S_g由0增加到100%，模拟AVO变化。正演剖面和P-G交汇图显示：随着含气饱和度值增加，AVO特征变化非常小，基本为Ⅱ类AVO特征，在放大的P-G交汇图上，可看到由Ⅱ类向Ⅲ类变化的趋势(图 5)。

研究区含水饱和度统计结果显示，值域范围在35%~55%，亦即含气饱和度在45%~65%，AVO响应变换化很小(图 5a剖面红框内)。反映在P-G交汇图上，几乎看不出变化。因此可得出结论：AVO对含气饱和度变化不敏感。

此种岩性组合AVO随孔隙度、厚度变化的特征明显，适合于AVO分析，适用的地层有石盒子组1—6段、太原组2段。

3.2 类型二：“泥岩—干砂—气砂”模型的地震响应 3.2.1 “泥岩—砂岩—气砂—泥岩”

干砂层直接覆盖在气砂岩上，固定干砂厚度为8m，气砂孔隙度为12%，分别选取气砂厚度为8m和16m进行正演。结果显示：AVO响应特征介于Ⅰ类和Ⅱ类之间(图 6)。与类型一正演结果有明显差异：当气砂岩上面有干砂岩覆盖时，孔隙度为12% 的P-G曲线与类型一中孔隙度为6%的坐标区域大致相当，在Ⅰ类和Ⅱ类之间。亦即，当气砂岩上面有干砂岩覆盖时，AVO特征变化与没有干砂岩覆盖的“泥岩—气砂—泥岩”模型相比，预测结果对应点有从Ⅱ类区域向Ⅰ类区域(孔隙度变小方向)“偏移”的现象(参看图 4)，可以理解为“干层的平均作用降低了气层孔隙度值”，或可称为“平均效应”。

实际情况中，气层上直接覆盖干砂岩的情况很常见。对于预测结果出现向孔隙度减小方向偏移的现象，实际应用中需要做适当校正。适用的地层有石盒子组1-6段、太原组2段。

3.2.2 “泥岩—干砂—薄层泥岩—气砂—泥岩”

当干砂与气砂之间存在泥岩隔层时，固定气砂厚度为8m，泥岩隔层厚度为8m，气层含气饱和度为50%，气砂孔隙度为12%，干砂层厚度分别取4m、8m、12m。正演结果显示：随着上覆干砂岩厚度的增加，气砂的AVO特征由Ⅱ类逐步过渡到Ⅳ类AVO响应(图 7)。

在气砂孔隙度取值为3%，其他参数不变的情况下进行正演。结果显示，P-G交汇曲线变化趋势不变，只是曲线的起始点从Ⅰ类(第四象限)开始逐渐变为Ⅳ类AVO特征。可以推论，孔隙度值变为15%时，则曲线的变化会由Ⅲ类逐渐变为Ⅳ类AVO响应。

此模型AVO响应也具有明显的规律，但AVO变化从第三或第四象限向第二象限延伸，跨越象限较多，随着厚度增加，振幅值由负变正，复杂性增加，预测精度会受到影响。适合的地层有盒7—盒8段、石千峰的4—5段。

3.3 类型三：“泥岩—干砂”模型的地震响应

细分为三种情况：(1)“泥岩—干砂—泥岩”简单模型；(2)“泥岩—干砂—薄泥—干砂”模型；(3)“泥岩—干砂—厚泥—干砂”模型。

模型正演发现，三种模型的AVO响应皆为Ⅰ类，只是振幅强度不同。其中图 1d和图 1e模型在P-G属性图上的位置比较接近，这也说明模型图 1e可以简化为模型图 1d(图 8)。

干砂层AVO响应皆为Ⅰ类，与气砂岩相比有明显的差异，是区分气层和干层的重要特征。可用于石盒子组7-8段、石千峰4-5段的气层预测。

3.4 类型四：“泥岩—煤层—泥岩—气砂”模型的地震响应

设定气砂厚度为8m，煤层厚度为8m，气砂含气饱和度为50%，气砂孔隙度为12%，泥岩隔层厚度h₁分别为8、16、24、32m。正演结果显示，随着泥岩隔层厚度的变化，气层AVO响应并未呈现出有规律的变化特征。在P-G交汇图上，从第一象限到第四象限都有分布。受煤层干涉的影响，含气层的AVO响应没有明显的规律(图 9)。

此类地层组合AVO特征无规律变化，不能应用AVO技术进行含气预测。发育此岩性组合的地层有本1段、太1段、山1段。这些地层中的砂岩因靠近煤层更易于成藏，但AVO响应也受到煤层反射影响更大，不能应用AVO技术进行含气性预测。

另有研究表明，当煤层下面泥岩隔层厚度大于λ/2(约55m)时，煤层下方气砂岩反射可以完全分辨出来, 其中λ为波长。研究区多数气层与煤层距离小于λ/2，煤层下方的气砂岩不能用AVO技术进行预测。如果气层与煤层距离超过λ/2，应用AVO预测是有效的。

3.5 致密气AVO量板的建立

根据前面四类七种模型正演结果，把上述P-G属性曲线叠置到一张图上，便得到综合量板图(图 10)。从图上能够直观地看到，在不同孔隙度、厚度、含气饱和度和上覆干砂岩厚度条件下气层所表现出来的AVO响应特征。

需要注意，这张综合量板图上很多曲线重叠，说明进行气砂预测时会出现多解的情况，不便于使用者操作和应用。同时也说明，对于复杂的地下地质情况，能否应用AVO技术进行气层预测，需要具体情况具体分析，AVO技术的应用受到相应地质条件限制。

在实际应用中，需要对量板进行简化，以便更具可操作性。下面以类型一为例，简化量板，用于划分含气和非气层区，再综合其他实际数据判定是否含气。

把图 4中孔隙度大于10%、厚度大于5m的区域归类为一等有利区，为致密气“甜点”区，AVO响应特征在第三象限。把孔隙度在5%~10%、气层厚度大于5m范围划分为中等有利区，这类区域气层需要压裂等工程来提高产量，AVO响应为第三至第四象限过渡区域。孔隙度小于5%为最差级别，基本为致密干层，实际中很难获得工业产能，AVO响应特征分布在第四象限。简化后的量板见图 11，可据此进行实际的气层预测。

4 应用效果

AVO致密储层预测是以叠前地震道集所包含的振幅信息为主，截距剖面(P剖面)为法线入射剖面，反映了地震反射系数的变化；梯度剖面(G剖面)反映了非法线入射反射系数的变化率，体现了AVO变化特征，包含有岩性和油气水变化信息^[10-11]。开展AVO油气检测时，首先要对原始地震道集进行处理，获取P剖面和G剖面，以及相对泊松比、碳氢剖面等属性剖面。

根据前面正演模拟结果和建立的量板可知，在含气最好的第三象限，P剖面和G剖面的反射系数皆为负值，P×G为正值，且随着气层厚度和孔隙度的增加，其P和G的绝对值都是增加的，且越大越好。因此，当P为负值且P×G为最大正值, 则该层段为最有利的含气层段^[9]。

图 12为过X-9井的P×G剖面，标定出的气层段截距P(以波形显示)为负值，而P×G属性(以颜色背景显示)为最大值黄色，属于第三象限的Ⅲ类AVO特征。

测试显示，该气层厚度为8.4m，孔隙度为14.2%，在未压裂情况下无阻流量超过17×10⁴m³/d，属于优质致密砂岩储层，与图 11量板中第三象限内划分为“好”的区域一致。

在该气层的上下分别有一层厚度为4.2m和6.3m的含气水层，在图 12的P×G剖面上，截距P基本上位于振幅为“0”的位置，P×G也接近“0”值的白色过渡带，在量板上属于Ⅰ类到Ⅱ类AVO的区域，综合评价为“中—差”的范围。这也从另一方面证明了量板的可用性。

相对泊松比是油气检测的另一重要AVO属性，在当纵、横波速度比v_P/v_S=2时，P+G就是泊松比特征的反映。当储层中含气后泊松比将变小，因此在油气检测中砂岩泊松比变小是含气的指示^{[2, 12]}。

图 13是过X-33井的截距P与相对泊松比叠合剖面，盒4段厚度为16.6m的气层，截距P为负值(波形显示)，相对泊松比为最小(橘黄色显示)。

在X-33井综合柱状图中，该段气层为一组气层，总厚度为16.6m，孔隙度为13.3%~14.2%，压裂前进行无阻流量测试，产气1.5×10⁴m³/d。

图 14是该层段相对泊松比平面图。通过与已钻井对比分析，X-33和X-36井区储层厚度为16.6m和6.0m，孔隙度高达13.8%和11.4%，位于预测最有利的红色区域；位于黄色区域的X-9、X-19、X-35井区气层厚度分别是3.5、6.3和4.2m，为中等区域。另外该层段有5口井无产气层，分别是X-5、X-29、X-30、X-34、X-37井，都位于预测不利的绿色区域。统计钻井结果，预测符合率为83.3%。X-10井区预测结果为最差，但实际测井解释气层厚度为6.3m、孔隙度为10.0%，分析后认为X-10井附近断层和陷落柱较发育，对振幅变化产生了影响。这表明，断层/陷落柱发育区，AVO特征不能正确反映实际含气情况。

根据AVO和其他方法综合评价结果部署钻探了7口井，其中X1-36、X-73、X-85、X-152井与预测结果完全符合，位于有利区的X1-36、X-73、X-152井分别解释出气层厚度4.0、4.4、2.0m，孔隙度为9.7%、12.1%、9.5%，位于蓝绿色非有利区的X-85井没有产气层。X-72、X-164井基本符合，在预测不太有利的绿色区域，测井解释出差气层厚度为0.9m和1.5m。而误差较大的是X1-22井，在预测不太有利的蓝绿色区域，测井解释气层厚度为4.1m，孔隙度为11.1%，分析认为同样与断层发育有关。7口新钻井与预测结果符合率超过80%，也证实了在鄂东缘煤系地层上盒子泥包砂的情况下，AVO预测气层的方法是可行的，精度较高。

5 结束语

通过正演分析，得出以下几点结论。

(1) 煤系地层致密气成藏组合很多，AVO响应有不同的变化规律，很难简单的用“行”或者“不行”来判断。

(2) 类型一地层组合的AVO响应规律清晰，AVO特征从Ⅰ类过度为Ⅲ类，可以应用AVO技术进行含气预测，结果较可靠。主要适用层位有石盒子组1— 6段、太原组太2段。

(3) 对于类型二的地层组合b，当气砂岩上面有干砂岩覆盖时，AVO特征变化与类型一的“泥岩—气砂—泥岩”模型相比，同样地质参数情况下，预测结果对应点会从Ⅱ类向Ⅰ类方向(孔隙度减小方向)“偏移”，表现出干层的“平均效应”。需要注意的是，因干层“平均效应”孔隙度预测结果比实际值偏小，实际应用中需做适当校正。主要适用层位有石盒子组1—6段、太原组2段。对于类型二中的组合c，预测难度增加，可靠性较差。适用层位为山2段、盒7—盒8段、千4—5千段。

(4) 类型三地层组合的AVO响应为Ⅰ类，是区分气砂和干砂的重要特征，发育的主要层位下石盒子组7—8段、石千峰组4—5段。

(5) 煤层附近的气砂岩受煤层影响，通常不能用AVO特征预测含气性，如本1段、太1段、山1段。但当气层距离煤层超过二分之一波长时，AVO技术是适用的，如太原组2段。

另外，断层和陷落柱也会造成AVO响应的失真，实际应用中需注意。