渤海海域近十来年的油气勘探发现, 新近系明化镇组油气储量巨大, 因此需要对明化镇储层深入研究以支持勘探开发^[1-2]。前人研究表明, 渤海海域明化镇组沉积分为较明显的两部分, 即低弯度单曲流河沉积表现为“泥包砂”特征, 砂岩百分含量为10%~20%, 砂岩厚度为3~10 m, 地震剖面上特征清晰, 常规属性能刻画储层展布特征。高弯度多曲流河片状砂沉积表现为“砂包泥”特征, 砂岩百分含量35%~60%, 砂岩厚度为15~60 m。这种“富砂型”地层地震反射弱, 常用的90°相移技术、储层反演技术较难刻画储层内部结构^[3]。研究区位于渤海西部海域沙垒田凸起东段, 相继发现大中型油气田5个, 储量集中在明化镇组, 主要油藏类型为构造-岩性油气藏。钻井证实明上段主要发育高弯度复合曲流河沉积和极浅水三角洲沉积, 明下段主要发育低弯度单曲流河沉积。前人对“泥包砂”储层总结了成熟的研究方法, 但对“富砂型”储层的精细刻画尚欠缺成熟的方法^[4]。

渤海海域A油田明上段B砂体共有1口探井, 10口评价井, 钻井揭示砂体构造幅度较低, 为25~40 m。过路井钻遇砂体厚度为10~50 m, 属于“富砂型”储层。在该砂体评价过程中, 对沉积微相的认识存在分歧, 另外多口评价井间距不大, 油水界面最大高差达到20 m, 这些问题制约了该砂体的评价与开发。

本次研究的重点是对砂体内部小尺度河道及岩性边界精细刻画, 以支持砂体沉积微相的准确认识及砂体期次解剖。对地震资料进行滤波、负90°相移后, 精细追踪砂体, 利用小尺度边缘检测技术刻画砂体内部河道、点坝边缘。通过地震融合属性、过井地震剖面与实钻井数据对比, 证实了刻画的小尺度信息符合地下地质情况。在此基础上, 利用融合属性及地震剖面相指导沉积微相再认识和砂体沉积期次的再认识。经过认真研究和仔细推敲, 提出新的沉积模式, 合理解释了砂体内部多套油水系统, 砂体内部期次得到合理划分, 为下一步部署评价井指明了方向。

研究区地震资料采集采用高分辨率拖缆采集方式, 采集面元大小为18.75 m×12.50 m, 有效覆盖次数为60次, 成果数据体有效频宽为5~105 Hz。资料处理时, 利用小尺度速度建模方法得到精确的速度模型。偏移成像过程中, 采用反Q滤波技术达到提高信噪比和保持分辨率^[5]的目的。本次研究前, 对数据体进行倾角导向滤波^[6-8]及负90°相移转换, 保证砂岩顶面追踪的准确性和增强小微断层及岩性变化信息, 为小尺度末期河道及岩性变化带的刻画提供基础资料^[9]。

地震资料随机噪声对小尺度不相关信息的刻画, 特别是对末期河道和岩性体边界的刻画非常不利, 因此对地震资料进行滤波处理, 提高其信噪比非常必要。常用的中值滤波是在等时采样点上求取相邻道集的相关性, 属于网格导向滤波方法。该方法可以取得去噪效果, 但对构造变化较大区域的小微断层及废弃河道等微弱不相干信息的刻画极为不利^[10]。倾角导向滤波方法是通过3D傅里叶变换技术计算每个采样点在三维空间中的倾角体, 并在倾角体的约束下进行滤波, 在区分有效信号和随机噪声的同时改善了同相轴的横向连续性, 增强了垂向不相关性(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 倾角滤波前(a)、后(b)的地震剖面

零相位地震数据体具有子波对称、中心瓣与反射界面一致、分辨率高等特点, 常用作构造解释。由于砂体顶底与零相位地震体的反射同相轴没有直接的对应关系, 因此零相位体不适合于砂体精细研究, 特别是油田精细开发阶段的砂体构型的研究。而负90°相位转换技术通过相位转换使地震反射的主要同相轴与地质上的薄层砂中心对应, 从而使地震相位也具有了岩性地层意义^[3], 即地震解释追踪的反射同相轴就是追踪的砂体(图 2), 大大提高了砂体界面解释的精度, 为进一步提取等时切片, 刻画小尺度地质信息创造有利条件。

图 2(Fig. 2)

图 2 零相位地震剖面(a)与负90°相移后地震剖面(b)

常用的单一边缘检测属性能刻画断裂系统的平面展布, 或较大尺度的岩性变化, 但不能清楚刻画小尺度的岩性变化。常用的振幅类或频率类属性能刻画砂岩边界, 由于受时窗限制, 也很难清楚刻画砂岩内部结构。为了相对准确地刻画砂体的沉积过程, 进而有可能精细描述砂体内部结构, 本次采用优选的小尺度边缘检测属性与砂体属性叠合的方法, 在平面上直观展示砂岩沉积与河道迁移的关系, 从而促进砂体精细研究^[11-13]。

边缘检测是检测数据间不连续性的一种属性技术, 该技术常用来刻画断裂系统, 在地震解释中应用广泛。常用算法包括最小距离法、蚂蚁体、方差体等, 这些算法对断层刻画都比较清楚, 但对小尺度末期河道或侧积夹层、特殊岩性体等地质现象不能清楚刻画。为了达到利用地震资料直接刻画末期河道或废弃河道的目的, 本次研究中, 在对多种边缘检测方法进行对比分析后, 认为振幅对比方法效果较好。首先对数据体进行倾角校正, 将地层倾角因素对刻画小尺度岩性边界的影响剔除, 使岩性边界更清楚, 更容易识别特殊岩性体, 再利用振幅对比边缘检测方法对数据体的x, y, z3个方向进行卷积以放大异常信息, 然后平滑相关信息, 使岩性变化带、废弃河道等微弱异常信息得到增强, 从而能在切片上直接识别出来^[14]。计算公式如下:

式中: C为三维边缘检测结果; G_x, G_y, G_z表示x, y, z 3个方向卷积后的数据体; m, n, p为调节参数, 根据实际储层发育的沉积要素的方向进行调节, 其值域范围均为(0, 1);A代表原始地震窗口。

为证实振幅对比边缘检测技术对于岩性边界和小尺度河道刻画的优越性, 设计如图 3a所示的正演模型, 模型包含3个河道。河道1为小尺度河道, 满岸宽30 m, 充填2.5 m泥质粉砂岩。河道2为一般性河道, 满岸宽130 m, 充填5.0 m砂岩, 且下切早期沉积砂岩, 未切穿。河道3为中等河道, 满岸宽度320 m, 充填10.0 m砂岩, 且切穿早期沉积砂岩。模型参数见表 1。图 3b为河道模型的正演结果。

图 3(Fig. 3)

图 3 河道正演模型(a)及其正演结果(b)

表 1

表 1 正演各河道参数 宽度/m 充填岩性 砂岩厚度/m 地震波速/(m·s-1) 密度/(kg·m-3) 河道1 25 泥质粉砂岩 2.5 2000 2150 河道2 130 砂岩 5.0 2180 2100 河道3 320 砂岩 10.0 2180 2100 泥岩 — — — 1900 2200

表 1 正演各河道参数

由图 3b可见, 正演剖面上河道1与下伏砂岩地层无法分开, 仅反射能量增强, 同相轴略有增胖, 从同相轴上不能独立识别出河道。河道2可以与下伏砂岩地层分开, 具有较强反射, 且在剖面上表现为未切穿, 从同相轴上能独立识别出河道。河道3也能与下伏砂岩地层分开, 且河道特征明显, 能明显识别下伏砂岩切穿特征。河道2和河道3在剖面上具有明显特征, 可利用振幅属性或常规边缘检测方法进行刻画。河道1在剖面上无明显特征, 很难利用常规振幅属性或充填泥质粉砂岩, 属于水动力较弱条件下的沉边缘检测属性进行刻画。从设计的数据看, 河道1内积物对应小尺度末期河道、点坝边部侧积泥岩夹层、废弃河道等地质现象, 与正常河道砂或片状砂相比, 其表现为尺度小, 物性差, 因此常规的刻画砂体的振幅属性或刻画断裂系统的边缘检测属性都无法刻画。本次研究中利用振幅对比属性对数据体3个维度求取变化梯度, 并进一步采用卷积算法放大这种微弱的差异, 以突显岩性变化带。

图 4展示了常规边缘检测方法与本文边缘检测方法效果。由图 4a可看出, 雁列断层能清楚刻画, 但河道边界较为模糊; 而图 4b中, 雁列断层及组合关系清晰, 河道边界及岩性边界显示效果明显优于图 4a。

图 4(Fig. 4)

图 4 常规边缘检测方法(a)与本文边缘检测方法(b)效果

图 5展示了利用本文方法对小尺度河道及岩性边界刻画的实例。图 5a是高弯曲度河道S末期快速沉积的水线, 直接测量河道宽度约为30 m。图 5b是图 5a中红色任意线对应的地震剖面, 剖面上标注的黑色圆圈为河道在地震上的响应特征, 河道沉积砂与早期沉积砂体叠置, 无法独立识别, 与图 3中河道1展示的正演特征一致。图 5c是研究区钻遇该河道的两口井E和F井位置。图 5d为E井和F连井剖面, 图中红色箭头指示该河道的自然伽马曲线特征。从曲线上看, 河道充填物为泥质粉砂岩或粉砂质泥岩, 其自然伽马曲线值界于纯泥和纯砂岩值之间, 厚度约2.5 m, 其宽度与厚度关系符合前人对高弯度曲流河的认识^[15-17]。图 5e是水平开发井在储层顶钻遇点坝砂体边部天然堤或侧积泥岩层, 箭头指示位置伽马值明显增大, 且与属性图中点坝边部泥岩位置吻合。图 5f是过路井钻遇点砂坝边部废弃河道, 其井上仅1.2 m泥质粉砂岩, 钻井揭示井点岩性特征与平面属性特征吻合。图 5g是河道L的切片特征, 直接测量宽度约150 m。图 5h是图 5g中红色任意线正过该河道的地震剖面特征, 从剖面上看该河道反射呈“豆珠状”, 剖面上用黑色圆圈标注, 河道下切早期沉积砂体, 在剖面上能独立识别。图 5i是钻遇该河道的A和B两口井。图 5j是A井和B井的连井剖面, 从箭头指示位置伽马曲线特征可以看出, 该河道未切穿早期沉积砂体, 且在河道底部滞留泥质沉积, 与图 3中河道2正演模型一致, 其地震剖面特征与正演结果一致。

图 5(Fig. 5)

图 5 利用本文方法刻画小尺度河道及岩性边界的实例 a利用本文方法刻画的小尺度河道S(对应正演模型里的河道1); b 图 5a中河道S对应的地震剖面; c钻遇末期河道的融合属性特征; d井钻遇河道S的曲线特征; e井钻遇点坝边缘的融合属性特征; f井钻遇废弃河道的融合属性特征; g本文方法刻画的较大尺度河道L, 对应正演模型里的河道2; h 图 5g中河道L对应的地震剖面特征; i井钻遇较宽河道的融合属性特征; j A井和B井钻遇河道L的连井剖面

刻画砂体的属性众多, 一般分为振幅类、频率类和层序统计类三大类。振幅类属性能突出振幅异常变化信息, 主要用于刻画砂体边界及内部特征。这类属性依据算法不同分为3类, 即和值类属性、平方根类属性、振幅变化率类属性。频率类属性反映纵向频率的变化, 用于刻画岩性的变化及储层厚度变化, 对于河流相砂体的叠置关系及岩性边界反应敏感。层序统计类属性是一种多信息综合的属性, 可用于层序界面、聚类识别岩相等^[18]。在本次研究中, 优选多种属性进行对比研究发现(图 6a和图 6b), 波谷和值属性(图 6b)对砂体边界刻画清晰, 砂体内部废弃河道部位明显, 点坝砂体内部非均值性有所反映, 平面整体干净, 无杂乱信息。

图 6(Fig. 6)

图 6 利用2种属性进行砂体刻画结果 a最小值属性; b波谷和值属性

将刻画岩性边界的振幅对比属性与刻画砂体边界的波谷和值属性融合, 形成直观可视化刻画河道和砂体关系的三维切片^[19-20], 有利于研究河道迁移过程及砂体发育过程(图 7)。融合切片中红黄色代表砂体发育区, 灰色代表泥岩发育区, 黑色条带为河道边界或岩性边界。从融合切片中能清晰识别河道形态、宽度, 钻井证实宽河道内水动力较强, 发育的纯砂岩物性好, 伽马值低; 窄河道内水动力较弱, 沉积泥质粉砂岩或粉砂质泥岩, 伽马值介于纯砂岩与纯泥岩之间。利用1 ms间隔的地层切片观察河道的发育演化及砂体的沉积过程, 从而实现河道动态研究、砂体内部结构的精细刻画及沉积相的重新认识。

图 7(Fig. 7)

图 7 利用融合属性进行河道和砂体关系刻画的切片

砂体精细描述包括砂体边界刻画、砂体构型解剖, 甚至包括重建砂体的沉积过程及河道发育演化过程。显然常规地震属性无法满足如此精细刻画的要求。利用本文介绍的高精度小尺度河道刻画技术, 采用多属性融合体地层切片的方式动态研究砂体发育全过程, 才能真正解剖砂体。

渤海西部海域明化镇组砂岩沉积厚度为10 ~60 m, 前人研究认为主要沉积类型为曲流河沉积和极浅水三角洲沉积。从垂向上看, 明下段主要发育单曲流河, 少量发育复合曲流河。明上段主要发育复合曲流河, 极浅水三角洲。研究区目标砂体位于明下段晚期与明上段早期的过渡时期, 通过高精度融合地层切片清楚刻画河道发育演化与砂体沉积过程, 图 8是融合属性的连续地层切片, 展示砂体发育和河道迁移的动态过程。层序地层学理论认为, 低位体系域时期, 湖岸线向盆地方向迁移, 砂体主要以三角洲进积为主, 以河控作用为主, 呈现出朵叶状或鸟足状形态。砂体大的沉积环境和砂体沉积形态与经典理论一致, 据此认为砂体为水退进积型湖泊相极浅水三角洲沉积。

图 8(Fig. 8)

图 8 砂体沉积过程连续切片 a早期沼泽相沉积; b中上期鸟足状沉积; c中下期三角洲沉积; d晚期河道沉积

早期钻遇明上段B砂体的评价井少, 油水界面均不统一, 且常规地震属性无明确沉积形态指示, 因此早期认为该砂体是高弯度曲流河点坝砂体连片切叠沉积, 以孤立点坝砂体模式指导连井对比, 砂体小层对比时, 将油水界面不统一的井划分为不同的孤立点坝砂体(图 9a), 以此解释多套油水界面问题。随着评价井的增多, 这种沉积模式暴露出不少矛盾。在本次研究中, 通过对高精度河砂融合切片属性的动态研究, 提出该砂体为水退进积型湖泊相极浅水三角洲沉积, 砂体的精细小层对比以三角洲进积叠置原理对比(图 9b)。依据井上显示砂体顶面高度及在平面切片的位置关系, 将整个砂体分成早、中、晚三期朵体沉积砂体, 理清砂体的叠置关系, 统一了砂体油水界面, 为多期朵体砂体的精细拆分提供依据。

图 9(Fig. 9)

图 9 早期连井对比剖面(a)和新连井对比剖面(b)

早期对明上段B砂体的沉积模式认定为曲流河连片切叠沉积, 不连通的单一点坝是油水界面不统一的原因, 因此以计算线来区分不同的油水界面(图 10a), 简单的处理给调整井部署带来很大困难。本次研究后, 将砂体解剖成早、中、晚三期朵体沉积砂体, 实现单一朵体油水界面的统一, 给井位设计带来可靠依据。图 10b、图 10c、图 10d分别为早、中、晚期朵体含油面积。

图 10(Fig. 10)

图 10 研究前、后砂体含油面积 a研究前砂体; b早期朵体沉积砂体; c中期朵体沉积砂体; d晚期朵体沉积砂体

1) 小尺度河道在地震剖面上无明显响应特征, 与正演结论一致, 利用常规地震属性无法识别。而振幅对比属性能清楚刻画出小尺度河道、废弃河道及点坝边部岩性变化带, 与实钻结果吻合, 这为实现砂体内部期次精细解剖提供有力依据。

2) 河道和砂体融合属性可以实现河道和砂体同期展示, 以地层切片方式展示河道与砂体沉积演化关系, 实现对河道迁移和砂体沉积过程的动态研究, 对精细研究砂体的沉积过程、解剖砂体结构, 实现砂体四级层序研究具有重要指导意义。

总之, 本文的研究方法实现了对厚砂体精细解剖及沉积微相的准确认识, 该方法对同类型砂体的研究具有借鉴意义。