生物礁是由造礁生物原地生长所营造的一种具有抗浪格架的碳酸盐岩建隆^[1], 生物礁滩型储层以其高孔、高渗特征历来被视为油气勘探的重点, 随着近年来普光、元坝、龙岗及剑阁等地区二叠系长兴组生物礁气藏勘探获得重大突破^[2-3], 四川盆地生物礁气藏勘探备受关注。目前广泛用于生物礁地震预测的技术主要包括地震相分析、波形分类^[4]、地震属性分析及地震正、反演分析等^[2-5], 获得了较好的效果。

BUBB等^[6]依据生物礁的不同形态模拟了10种生物礁地震几何学特征;SHERIFF等^[7]提出了生物礁在常规地震剖面上的识别方法;熊晓军等^[8]开展了生物礁及其储层的波动力学研究, 并总结了其地震响应特征。丘型正地貌反射、内部杂乱反射、底部上提或下拉反射等特征^[9-17]是生物礁典型的地震反射模式, 总体而言, 前人主要根据生物礁顶部、内部及围岩的反射结构、振幅和连续性特征识别生物礁^[9-10]。但受海平面变化、同沉积断裂演化等多种因素影响, 生物礁的发育规模、形态、横向迁移、储层发育等特征均存在较大变化, 利用振幅、连续性等属性预测生物礁有时存在陷阱^[11], 且少有人系统总结礁储层发育这一重要因素对生物礁反射特征的影响。本文基于地质-地球物理紧密结合的思路, 通过地震正演模拟, 总结了剑阁地区生物礁储层地震反射特征及礁储层发育情况对地震反射特征的影响, 为四川盆地礁滩型气藏勘探提供新的理论依据。

剑阁地区位于四川盆地川西地区北部, 处于上扬子陆块北缘与秦岭造山带接合部的米仓山台缘隆起断褶构造带前缘与川北低平褶皱带。二叠纪初, 地壳全面下沉, 上扬子古陆全被海水淹没, 剑阁地区处于南秦岭洋的一部分, 二叠系地层碳酸盐岩沉积发育, 晚二叠世拉张断裂形成广旺—开江—梁平海槽^[18-19]。长兴期, 剑阁地区位于开江—梁平海槽西侧(图 1a), 主要发育开阔台地、台地边缘、前缘斜坡及海槽相。台地边缘大规模发育生物礁、滩亚相, 生物礁类型主要为堤礁和岛礁^[20]。长兴组地层与下伏吴家坪组整合接触, 与上覆飞仙关组假整合接触, 岩性主要为泥晶灰岩、生屑灰岩、礁格架灰岩、生屑白云岩等。近年来的勘探成果表明, 剑阁地区长兴组生物礁规模大, 储层质量良好^[21](图 1), 具有较大的勘探潜力;同时, 也存在埋深大(>6 500 m), 地震资料主频较低, 生物礁储层预测难度较大等难题。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置(a)及沉积相带分布(b)

剑阁地区台缘带生物礁沿开江—梁平海槽西侧呈带状分布(图 1b), 一般发育3期成礁旋回。生物礁岩石类型主要为骨架岩、障积-粘结岩、生屑颗粒岩3类, 其中礁核微相由灰-灰黑色骨架岩和障积-粘结岩组成, 岩性主要为(藻粘结)生屑灰岩、海绵灰岩等, 为生物礁的主体部分;礁基微相一般为灰色生屑灰岩及泥晶灰岩, 为生物礁的生长发育提供了相对高的地貌环境;礁盖微相则由土黄色中层状生屑颗粒灰岩及颗粒白云岩组成, 当相对海平面下降较快, 礁体顶部发育低能细粒的潮坪沉积, 为礁坪微相。礁基、礁核、礁盖组成一个完整的成礁旋回(图 2)。四川盆地生物礁发育受基底断裂控制^[22], 剑阁地区生物礁主要沿台缘呈北西向带状展布, 在基底断裂活动较频繁的区带常发育大规模的岛礁, 如剑阁地区LG62井、LG63井。

图 2(Fig. 2)

图 2 剑阁地区长兴组生物礁沉积模式(1 ft≈0.304 8 m)

观察岩心、薄片并结合成像测井资料建立了生物礁储层发育模式。剑阁地区生物礁储层多发育于成礁旋回顶部的礁盖微相, 岩性以细-粉晶白云岩及残余生屑白云岩为主, 溶蚀孔洞极为发育, 储集性能优良, 是长兴组的主力产层。岩心分析资料统计, 剑阁地区长兴组储层总体以中-高孔、中-高渗为特征, 部分高孔层段储层孔隙度超过20%, 残余粒间孔、粒间溶孔及晶间(溶)孔广泛发育, 孔喉配置优, 渗透性能好, 储层累计厚度大, 一般在20～100 m, 显示生物礁型碳酸盐岩储层极好的储集性能。而生物礁的主体礁核部位为障积-粘结结构的致密礁灰岩, 礁核部位往往不发育储层。区内多井连井储层对比显示长兴组储层均发育在每个成礁旋回顶部的礁盖微相的生屑滩白云岩中(图 3)，这种继承发育在古地貌高地的滩相白云岩储层受海平面变化影响, 易出露水面接受大气淡水淋滤改造, 因而溶蚀孔洞极为发育。但礁储层纵向发育位置有一定变化, 部分井区一旦钻揭长兴组顶界面, 即可发现这套优质储层, 部分井区储层发育离长兴组顶界面有一定距离。

生物礁作为高能碳酸盐岩建隆, 总体表现为“低伽马、高电阻率、高密度”等典型特征^[23]。生物礁发育于陆源物质少、泥质含量极低等特殊沉积环境, 自然伽马曲线表现为低值, 尤其礁核段表现为极低值, 一般小于10 API, 曲线平直, 起伏小;井径 图 3研究区长兴组生物礁联井格架(长兴组顶界面拉平)曲线平缓;礁核含泥量低且整体骨架及充填物致密, 储层不发育, 故岩石密度一般较大, 平均约为2.69 g/cm³;声波传播速度在礁灰岩中较快, 平均速度超过6 250 m/s;电阻率显示为高值, 一般大于10 000 Ω·m(图 3, 图 4)。

图 3(Fig. 3)

图 3 研究区长兴组生物礁联井格架(长兴组顶界面拉平)

上覆在礁核之上的礁盖滩相生屑白云岩, 因溶蚀孔洞极为发育加上流体充填, 储层发育段声波速度常在4 800～6 150 m/s, 密度值降低明显, 平均约为2.55 g/cm³, 电阻率呈高背景值下的明显降低。整体上, 生物礁滩储层在常规测井曲线上响应特征较为明显, 易于识别, 生物礁与围岩、礁滩储层与礁灰岩及其它岩类之间声速特征差别明显。

图 4(Fig. 4)

图 4 研究区生物礁微相及其储层岩石物理识别模式

剑阁地区长兴组生物礁地震响应受古地貌背景、礁体规模、礁储层发育情况及纵向演化、围岩岩性突变等多因素影响, 地震反射模式多样, 导致地震资料解释存在较大的不确定性。

丘状反射背景下, 内部断续杂乱是生物礁典型地震相特征。在四川盆地长兴组生物礁地震预测研究中, 长兴组顶界面(飞仙关组底界面)是重要的地震反射界面, 而研究区内常规偏移地震剖面上的长兴组顶界面地震反射变化较大。通过井-震精细标定发现, 在开阔台地亚相内, 长兴组顶界面标定为连续强反射波峰位置, 而在斜坡-海槽相带则标定为一强相位波谷位置, 在台地边缘生物礁发育位置长兴组顶界面既可能是波峰反射, 亦可能反转为波谷反射, 且能量变化大(图 5)。

在整体丘状反射背景下, 内部地震反射结构也呈多样化特征。近年来, 剑阁、元坝等地区生物礁气藏地震勘探结果表明, 内部呈明显“亮点”反射特征的礁滩体常获得较高的产能, 同时, 内部呈断续弱反射特征的礁滩体也可能获得较好产能。因此, 生物礁储层预测存在较大不确定性。

图 5(Fig. 5)

图 5 研究区长兴组生物礁地震响应特征(剖面位置见图 1)

经过生物礁储层地质模型的建立与精细井-震标定认为, 在相同沉积相带内, 剑阁地区长兴组生物礁储层的厚度、储层纵向发育位置及储层物性是影响生物礁地震反射模式的重要因素, 利用实钻井资料设计出两组理论模型, 利用射线追踪法模拟地震波反射特征, 研究各因素对生物礁地震反射特征的影响。

因研究区礁滩储层主要发育在长兴组顶部, 且受礁体规模、沉积古地貌及海平面升降等因素的影响, 礁滩储层发育情况差别大, 设计出一组储层厚度变化正演模型(表 1), 储层厚度分别为5, 10, 20, 30 m, 储层顶界距长兴组顶界面20 m。利用测井资料统计各模型单元速度值, 取上覆飞仙关组飞一段至飞仙关组三段地层平均速度为6 050 m/s;长兴组地层平均速度为6 230 m/s;下伏龙潭组地层平均速度为5 350 m/s;生物礁储层平均速度为6 000 m/s。我们设定平均埋深在6 500 m左右的长兴组碳酸盐岩地震资料主频为26 Hz。

正演结果表明, 随储层厚度逐渐增大, 因反射波叠加干涉作用, 长兴组顶界面反射振幅由强变弱, 其相位从波峰逐渐过渡到波谷, 而储层底界反射振幅由弱变强(表 1)。礁储层不发育时, 长兴组顶界面为连续强反射特征(波峰);当储层厚度为5 m和10 m时, 长兴组顶界面为弱反射特征, 同时礁内部为弱反射;当储层厚度为20 m和30 m时, 长兴组顶界面为弱反射特征, 相位也逐渐发生变化, 此时, 随储层厚度增大, 礁内部出现明显“亮点”反射特征。

图 6展示了随储层厚度连续变化条件下, 长兴组顶界面和储层顶、底界面3个反射界面振幅的变化情况, 为深埋低频条件下, 利用振幅属性预测生物礁储层提供了理论依据。

表 1(Tab. 1)

表 1 生物礁储层厚度模型正演

表 1 生物礁储层厚度模型正演

图 6(Fig. 6)

图 6 不同储层厚度模型对应各界面相对振幅的变化

长兴组顶界面断续弱反射是识别生物礁的重要标志, 长兴组顶部由连续强反射过渡到断续弱反射的模式一般被认为是开阔台地与台地边缘礁的相界线, 该认识已经通过上述模型正演证实。但生物礁储层发育受礁体规模及生物礁横向迁移、海平面变化、同沉积断裂活动等因素影响, 生物礁及生屑滩储层纵向发育位置差异较大, 且发育多期次的成礁旋回, 并非所有的储层都发育在长兴组顶部, 因而地震响应模式存在一定差异, 油气勘探中发现即使长兴组顶界面为连续强反射特征(波峰), 仍然可能发育生物礁储层。

因此, 设计了礁滩储集体距长兴组顶界面不同距离的正演模型(表 2), 分别距长兴组顶界0, 5, 10, 20, 30, 50 m, 储层厚度设定为30 m, 其余参数均不变。正演结果(表 2)表明, 当储集体位于距长兴组顶界面较短距离(0～10 m)时, 长兴组顶界面反射由开阔台地的波峰位置直接相变为波谷位置, 储层底界面则对应下一个波峰位置。随着储集体距长兴组顶界面距离的增大(20, 30, 50 m), 长兴组顶界面与储层顶界面的干涉逐渐减弱, 长兴组顶界面逐渐又演变成连续强反射(波峰)特征, 在长兴组内部出现一透镜状“亮点”反射。正演结果与实际过井地震剖面吻合较好。借助于楔形模型, 数值模拟出储层距离长兴组顶界面不同深度条件下各反射界面相对振幅连续变化曲线, 结果如图 7所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 生物礁储层发育位置模型正演

表 2 生物礁储层发育位置模型正演

图 7(Fig. 7)

图 7 不同储层发育位置模型对应各界面相对振幅的变化

对剑阁地区6口实钻井(其中4口为生物礁气井)进行精细的井-震标定发现, 各实钻生物礁地震响应特征与正演模拟结果基本吻合, 整体上丘状隆起反射特征明显。

LG62井和LG63井储层厚度大, 溶蚀孔洞极发育, 声波速度明显降低, 且发育在长兴组顶部, 合成地震记录显示长兴组顶界面反射由波峰相位转变为波谷相位, 因为储层极为发育, 储集物性好, 地震剖面上长兴组顶部“亮点”特征明显, 向下转变为弱反射特征(图 8a和图 8b, 对应关系见表 3), 说明早期礁滩储层质量一般。飞仙关组地层位于LG62井、LG63井中间的一口生物礁气井JM1井则表现为不同反射特征, 其长兴组顶界面反射标定为波峰位置, 测井解释主要储层段发育距长兴组顶部32 m, 且储层厚度较薄, 地震剖面上“亮点”反射特征不明显, 声波速度降低不明显(图 8c, 对应关系见表 3)。LG68井顶部储层较薄, 造成顶部振幅减弱, 中下部储层较发育, 其“亮点”特征明显(图 8d, 对应关系见表 3)。而位于礁滩间海微相的LG69井, 由于能量相对较弱, 以低能泥晶灰岩及泥质生屑灰岩沉积为主, 地震剖面上表现为连续中强反射, 无丘状隆起特征, 长兴组顶界面反射标定在波峰位置(图 8e)。实钻生物礁井过井地震剖面表明, 生物礁地震响应特征不仅受生物礁及其围岩速度变化的影响, 更受礁滩储层厚度、物性、纵向发育位置等多种因素影响, 与不同储层条件下的模型正演结果一致。

图 8(Fig. 8)

图 8 剑阁地区长兴组实钻井地震响应特征 a LG62井; b LG63井; c JM1井; d LG68井; e LG69井

表 3(Tab. 3)

表 3 实钻生物礁井储层统计表(依据测井解释成果) 井名 储层总厚度/m 顶部储层厚度/m 顶部储层距飞仙关底界面厚度/m 对应模型 LG63 53.1 22.5 0 表 1中20m, 图 6中区间储层干涉增强区 LG62 99.5 31.8 0 表 1中30m, 图 6中区间储层干涉增强区 LG68 71.5 8.2 16.6 表 2中20m, 图 7中区间长兴组顶界面干涉增强区 JM1 35.4 5.0 32.0 表 2中30m, 图 7中区间长兴组顶界面干涉增强区

表 3 实钻生物礁井储层统计表(依据测井解释成果)

1) 川西北剑阁地区二叠系长兴组生物礁沿北西向台地边缘呈带状分布, 呈多期发育特征, 生物礁岩石类型主要为骨架岩、障积-粘结岩、生屑颗粒岩3类, 其中礁核微相岩性主要为(藻粘结)生屑灰岩、海绵灰岩等, 储层不发育, 优质储层主要发育在晚期礁盖微相白云岩中。

2) 剑阁地区长兴组生物礁地震响应多变, 不仅受生物礁及其围岩速度变化影响, 更受礁滩储层厚度、物性、纵向发育位置等多种因素影响, 依据研究区实钻井建立了不同储层发育特征的地质模型。深埋低频条件下的生物礁地震正演模拟结果表明, 长兴组顶界面和储集体顶、底界面及丘状体内部的反射振幅及相位等均存在较大差异, 存在多种地震响应模式。

3) 不同储层条件下的实钻生物礁气井地震响应特征与正演模拟结果吻合度高, 地质-地球物理结合分析是提高生物礁气藏勘探成功率的重要手段。