页岩油具有巨大的勘探潜力, 因此受到越来越多的重视, 页岩油藏已成为油气勘探开发的新领域^[1]。“甜点”地震预测对页岩油勘探^[2-3]至关重要。

准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷是我国陆上页岩油勘探的重点地区之一, 该地区页岩岩性多样, 致密低渗, 内部的岩性、物性和含油气性变化较为复杂。其中二叠系风二段储层地震响应特征具有弱振幅、低连续性的特点, 利用常规的地震属性分析结果和地震反演结果在该层段进行“甜点”预测的效果不明显。从工区风二段地震均方根振幅属性(图 1a)及波阻抗反演连井剖面(图 1b)可以看出, 待钻井MAY1处的地震响应特征与已钻井FN14井、FN4井以及X72井均不一致。3口已钻井在工区风二段处均发育页岩油“甜点”, 但储层发育情况存在差异, 其中FN14井、FN4井及其以西区域, 储层发育情况更好, 这导致我们无法准确判断MAY1井处风二段储层的发育情况。

图 1(Fig. 1)

图 1 工区风二段地震均方根振幅属性(a)及波阻抗反演连井剖面(b)

目前对工区风城组页岩油的地质及地球物理特征研究结果如下: 在地质评价方面, 利用沉积环境、岩性及储层特征^[4]的研究成果, 确定了“甜点”层的地质评价标准; 在地震预测方法研究方面, 进行了岩石物理、“甜点”地震响应敏感参数分析、各种叠前、叠后属性分析^[5]和反演方法^[6-7]的应用研究。张国印等^[8]通过地震岩石物理分析和正演模拟进行地震敏感参数分析, 确定了“甜点”的岩性、物性、厚度及围岩特征对地震振幅响应的影响。

对于地震响应特征的不确定性, 目前已形成了一些总体的认识和看法, 但针对工区页岩油“甜点”地震响应特征不确定性分析的研究较少。张建宁等^[9]将正演模拟结果和实际地震资料相结合, 指出了地震属性应用不确定性的基本原因、主要因素以及可能产生的现象, 明确了属性分析的应用前提和应用范围; 刘勇等^[10]采用最小二乘构建反演方法对杨氏模量和泊松比直接反演以降低反演结果的不确定性; 薛艳霞等^[11]将Monte-Carlo计算方法与随机建模技术相结合以分析储层的不确定性。

本文针对拟钻井MAY1井处风二段“甜点”层地震响应特征的不确定性, 采用基于属性建模^[12]的地震正演方法进行研究。首先假设两种储层模型, 然后分别采用波动方程正演模拟方法得到炮集记录, 再分别对其进行叠后偏移得到偏移剖面, 将2种模型下的偏移剖面与实际地震剖面对比, 而后提出并确定待钻井处风二段“甜点”层的地震响应特征, 在新的认识指导下重新进行属性分析, 最终确定待钻井处风二段“甜点”层发育情况。

本文主要利用波阻抗反演结果进行属性建模, 首先采用波动方程正演模拟炮集记录, 再经过叠后偏移得到叠后偏移剖面, 然后将其与实际地震资料、地质评价及钻井结果进行对比分析, 不断迭代修改, 以确定目的层的“甜点”响应特征, 并用确定的响应特征指导目的层“甜点”地震预测结果的分析和评估, 最后给出“甜点”分布综合预测结果。图 2为工区风二段页岩油藏“甜点”综合预测的方法技术流程。

图 2(Fig. 2)

图 2 工区风二段页岩油藏“甜点”综合预测方法技术流程

本文采用二维声波波动方程有限差分计算方法, 模拟页岩油致密储层的主要反射特征, 基本原理简述如下。

对波场p进行分解, p=p₁+p₂(p₁为x方向波场分量, p₂为z方向波场分量), 令:

式中: x表示x方向变量; v表示速度; z表示z方向变量; t表示时间。

采用PML吸收边界条件并加入衰减因子可得:

式中: p₁ⁿ⁺¹, p₁ⁿ, p₁^n-1分别表示下一时刻、当前时刻和前一时刻p₁的值; d(x)则表示x方向的衰减因子。

在x方向上, 本文采用的空间6阶精度波动方程有限差分格式的p₁ⁿ⁺¹表达式为:

式中: c_m为差分系数, m为阶数。利用(3)式得到的计算结果符合稳定性要求。

在z方向上也可以得出类似的结论, 从而得到空间6阶精度波动方程有限差分格式的pⁿ表达式为:

式中: p₁ⁿ⁺¹, p₁ⁿ, p₁^n-1分别表示下一时刻、当前时刻和前一时刻p₁的值; p₂ⁿ⁺¹, p₂ⁿ, p₂^n-1分别表示下一时刻、当前时刻和前一时刻p₂的值; p_{i+m, j}ⁿ为(i+m, j)网格点处位移; p_{i-m, j}ⁿ为(i-m, j)网格点处位移; p_{i, j+m}ⁿ为(i, j+m)网格点处位移; p_{i, j-m}ⁿ为(i, j-m)网格点处位移; d(z)为正方向的衰减因子。

实际计算中, 首先采用交错网格差分格式的波场表达式及PML边界条件, 正演模拟得到炮集记录, 再进行叠加和偏移处理, 最后得到叠后偏移剖面。

属性建模即根据地震属性建立相应的参数模型, 我们需要根据数值模拟的目标及实际地震资料特征来确定地震属性, 本文将已钻井的信息与叠后反演结果相结合, 对参数模型进行约束和控制。

通常采用的密度、速度、波阻抗之间转换的经验公式包括Gardner公式^[13]、Lindseth公式^[14]等, 本文根据Gardner公式, 由已知的3口井计算得到系数a, m, 进而得到波阻抗和速度之间的转换公式。Gardner公式为:

式中: a, m为待定系数。

为便于参数计算, 对(5)式两边取对数可得:

对于不同的井, 需根据井中信息拟合计算取值。根据3口已知井FN14井、FN4井以及X72井的资料, 计算得到a=0.215, m=0.293, 代入(5)式, 再结合公式z=ρv(z为反演得到的波阻抗值), 可以得到z与v的转换公式为:

图 3为储层属性建模示意图, 左图为FN14-FN4-MAY1-X72井叠后波阻抗连井剖面, 右图为根据公式(7)转换得到的速度剖面。

图 3(Fig. 3)

图 3 储层属性建模示意

属性建模相较于传统的理论建模具有更多优势, 主要体现在以下3个方面: ①建立的模型更为精确, 能较好地描述地下地层的起伏情况和物性变化情况, 其模拟结果与实际地震剖面吻合度较高; ②相较于以前只利用井点处信息、横向上均匀变化的理论建模, 属性建模能够得到较为准确的非井点处横向物性值, 使物性变化更符合地质规律, 从而得到较为准确的模拟剖面; ③根据模拟目标的不同, 可利用多种地震属性进行物性建模, 如利用叠后地震反演资料进行速度参数建模, 利用岩石物理模型和流体替换公式等进行弹性参数建模, 以及利用相干属性进行裂缝几何形状建模等。

在地震响应特征不确定性分析研究中, 首先根据已钻井资料及测井信息, 不断修改几何和物性模型, 对实际情况进行假设, 然后逐步分析各种假设情况下几何和物性模型所产生的地震响应特征, 分析评估所得到的地震响应特征, 最后, 当地震响应特征与地质及钻井结果最吻合时, 可以获得较符合实际地震地质条件的地震响应特征分析结果。

玛湖凹陷西斜坡Ma131工区及邻区的地震勘探结果显示, 风城组地层从下到上依次为风一段(P1f1)、风二段(P1f2)和风三段(P1f3), 其中, 风二段和风三段为页岩油主产层。风二段厚度较大, 是本文的研究目标。根据现有勘探认识, 风二段为一套碱湖细粒混合沉积岩, “甜点”层岩性主要为不等厚互层状的白云质泥岩和泥质白云岩, 储层储集空间主要为细粒粒间孔和泥质白云岩中的裂缝。

由目前勘探成果可知, 工区FN4井风二段中部和中下部以及X72井风二段的上部测试见工业油流。图 4和图 5分别为FN4井和X72井测井柱状图及井震标定合成地震记录。

图 4(Fig. 4)

图 4 FN4井测井柱状图及井震标定合成地震记录

图 5(Fig. 5)

图 5 X72井测井柱状图及井震标定合成地震记录

由图 4可以看出, FN4井风二段地震响应特征表现为中振幅和中连续性。图 5中X72井风二段地震响应特征表现为弱振幅和弱连续性。

从测井资料可知, 风二段具有多套复杂且反射特征不明显的“甜点”储层, 从地震连井剖面(图 6)可以看出, 将待钻井MAY1井与FN14、FN4以及X72井处的相应层段对比发现, MAY1井处地震反射振幅较弱, 在FN4井风二段存在两个明显的同相轴(蓝色和黄色线之间), 但是从FN4井到X72井该同相轴振幅逐渐减弱, 在待钻井MAY1处同地震响应特征变化明显。

图 6(Fig. 6)

图 6 地震连井剖面

采用基于属性建模的地震正演模拟方法, 对风二段地震响应特征及不确定性进行研究, 将FN14-FN4-MAY1-X72连井波阻抗反演结果作为储层建模的约束条件, 对比2种模型下的正演模拟结果, 并对风二段“甜点”层的地震响应特征及变化规律进行了研究。具体如下: 根据不同模型下正演模拟剖面的“甜点”层响应特征的不同, 将研究层段包含的“甜点”层分别假设为1层和2层, 参照已钻井及波阻抗反演结果模拟“甜点”层物性参数, 利用属性建模方法分别建立正演模型, 通过数值模拟得到相应的地震剖面(图 7和图 8)。图 7a是假设MAY1井处有1个“甜点”层时的正演模型, 对应的数值模拟剖面为图 7b。将其与实际地震剖面对比可以发现, 在FN14井与MAY1井之间的层段, 数值模拟剖面与实际地震资料具有较高的相似性, 但在MAY1井处, 由于实际地震资料的振幅连续性变差, 上“甜点”层反射变弱, 不确定性增加, 因此数值模拟剖面上的地震反射同相轴数量及响应特征与实际地震剖面相似性变差, 说明该模型与实际地质情况存在一定差异。假设MAY1井处“甜点”层为2层, 其正演模型(图 8a)物性及模拟方法和图 7a一致。从数值模拟剖面(图 8b)可以看出, 在FN14井与MAY1井之间, “甜点”层表现出了强振幅强连续的特点, 但在MAY1井处振幅明显减弱, 表现出弱振幅、弱连续性的特点, 与实际地震连井剖面(图 9)表现一致。由此判断MAY1井和FN14、FN4井等已钻井均钻遇“甜点”层, 且该研究层段包含两个“甜点”层。

图 7(Fig. 7)

图 7 MAY1井钻遇“甜点”层为1层时的正演模型(a)及数值模拟剖面(b)

图 8(Fig. 8)

图 8 MAY1井钻遇“甜点”层为2层时的正演模型(a)及数值模拟剖面(b)

图 9(Fig. 9)

图 9 实际地震连井剖面

由风二段储层“甜点”地震响应特征及变化规律的分析可知, 在原始地震剖面与常规的属性分析及反演结果中, 由于异常特征不明显, “甜点”层的几何和物性变化情况存在不确定性, 而基于属性建模的正演结果表明, 风二段存在两个厚度不等的“甜点”层, 正演得到的地震响应特征能够帮助我们更好地判断储层情况, 从而指导后续的属性分析工作, 预测“甜点”层。

依照这一思路, 在新的几何和物性模型指导下, 我们重新进行了风二段“甜点”层的分频均方根振幅属性分析, 将正演后的均方根振幅和之前的均方根振幅对比可以看出, 与FN14和FN4相似的优质“甜点”层范围扩大, 待钻井MAY1处于优质“甜点”层(Ⅰ类和Ⅱ类综合在一起)分布范围内(图 10)。图 11为风二段“甜点”层综合评价结果。

图 10(Fig. 10)

图 10 正演前(a)、后(b)均方根振幅

图 11(Fig. 11)

图 11 风二段“甜点”层综合评价结果

目前MAY1井已钻井完毕, 试产证实了相关认识并取得了油气勘探重大发现。从MAY1井钻后测井综合解释成果(图 12)和过井实际剖面与正演剖面的对比(图 13)可以看出, 风二段“甜点”层包括多个薄层, “甜点”层总体可分为两部分, 分别位于风二段中部和下部, 与我们的预测结果一致。目前风二段及风三段联合压裂试油日产量已达20t, 并且还有上升的趋势。对工区风城组目标储层开展了以水平井为主的开发评价, 已钻井情况证明了页岩油“甜点”地震响应特征不确定性分析方法的可靠性和适用性。

图 12(Fig. 12)

图 12 MAY1井测井综合解释结果

图 13(Fig. 13)

图 13 过井实际地震剖面(a)和正演地震剖面(b)(MAY1井①、②层段)

1) 由于页岩油藏岩性多样, 储层复杂致密, “甜点”预测难度大, 因此根据常规的属性分析和反演结果较难准确地刻画储层内部的岩性和物性变化, 利用常规的数值模拟方法也难以实现“甜点”地震响应特征不确定性分析。本文利用基于反演结果的属性建模地震正演方法, 极大地减少了“甜点”层岩性及物性变化引起的地震响应特征不确定性, 增加了“甜点”层预测的可靠性。

2) 本文将反演结果以及测井数据作为建模的约束条件极大地提高了常规建模的精度, 使得物性及其变化规律更接近真实的地下地质情况。本文方法不仅可以用于致密储层的地震响应特征分析, 还可以应用于裂缝性储层等其它复杂储层的地震响应特征分析。

3) 对于复杂储层的地震响应特征分析, 我们还将应用更为精确的属性建模方法以便更好地进行复杂储层地震响应特征不确定性分析。