随着地震勘探程度的不断深入, 勘探目标逐步转向低孔、低渗的薄互层隐蔽性储层, 并成为油气勘探的重要领域^[1]。然而受地震分辨率的限制, 地震勘探对薄层的识别能力有限, 使得油田深层的地层分布情况并不为研究人员所了解。所以, 针对深层薄互层储层的实际问题, 强化地质规律指导下的地震识别研究, 对开展隐蔽性油气藏的勘探具有十分重要的意义。

对于砂、泥岩互层韵律结构储层进行预测研究始于上世纪80年代末, 常规的薄层定量描述方法是基于Widess^[2]准则, 能识别地层厚度小于四分之一地震波长(调谐厚度)的孤立薄层。而众多研究发现, 对薄层的描述可以突破传统分辨率的极限^[3]。Kallweit^[4]于1982年解释出厚度小于调谐厚度的地层。自此, 为地层厚度预测揭开了新的篇章。近年来在地震识别方面, 众多学者对砂泥岩互层储层的研究也取得了可喜的成果, Zeng H等^[5-6]的研究表明对于小于调谐厚度的薄层, 用90°相位雷克子波合成的波形具有对称性, 并能清晰地刻画地层位置。卢异等^[7]采用分频技术对厚度小于λ/4、总厚度变化小于λ/8、砂岩含量变化小于20%的薄层组进行了有效预测。Coggins等^[8]对地震解释薄层的实际厚度小于调谐厚度的概率进行了研究。黄文锋等^[8]采用净厚度估算技术有效预测了河道三角洲相含气薄砂组的平面展布。徐伟慕等^[10]研究砂岩薄互层模型得出当层间页岩层厚度及砂岩薄层厚度比一定时, 砂岩间分辨极限理论上可远低于1/4波长。

借鉴Zeng H等^[11-12]的方法, 笔者以前梨园地区的深层砂泥岩储层为研究背景, 针对复杂油气藏勘探开发的实际问题, 一方面从实际资料出发, 结合测井、地震及地质资料采用波动方程有限差分正演模拟技术, 从正演模型的角度分析目标储层的地震波场特征。另一方面, 在正演模型正确可行的基础上, 对正演结果进行模型反演, 定量分析反演砂体的横向及纵向展布特征, 开展深层地震勘探方法研究^[13]。

1 工区地质概况

前梨园洼陷及其周边地区有丰富的剩余石油和天然气资源, 这些剩余的资源量绝大部分分布在埋深大于3 500 m的古近系-新近系及以下层系的深层隐蔽油气藏中, 主要为砂泥岩薄互层沉积。如图 1中所示研究区主要位于中央隆起带中部文留构造文东斜坡带, 古近系沙河街组是本区的主要含油气层段之一, 地层深度范围3 200~5 200 m, 厚度约700 m, 在沉积旋回上属于东濮凹陷湖盆演化的第一个沉积旋回的中期^[14]。

沙三中段主要为一套深灰色泥岩夹稳定页岩与砂岩-粉砂岩组成的砂泥岩互层^[15]。沙三中段油气藏总体上具有埋藏深、深层物性差的特点。岩石物理研究表明, 当地层埋深大于3 500 m时, 砂岩的密度、纵波速度和纵波阻抗的分布范围分别为2.38~2.69 g/cm³、4 000~5 100 m/s和10 000~13 000 g/cm³·m/s；而泥岩的密度、纵波速度和纵波阻抗的分布范围分别为2.42~2.72 g/cm³、3 000~4 400 m/s和7 000~12 000 g/cm³·m/s。砂岩的波阻抗相对较高, 泥岩的波阻抗相对较低。

2 声波方程正演原理

常规地震勘探只有纵波资料, 因此, 声波方程是研究地震波传播规律与现象的很好近似方程。当不考虑震源项时, 二维均匀介质中的声波方程具有如下形式：

$ \frac{1}{{{v^2}}}\frac{{{\partial ^2}p}}{{\partial {t^2}}} = \left( {\frac{{{\partial ^2}p}}{{\partial {x^2}}} + \frac{{{\partial ^2}p}}{{\partial {z^2}}}} \right), $

(1)

式中, v为地震波的传播速度, p为压力项。式(1)是从动力学角度来描述地震波的传播规律^[12]。

以函数p在x方向上的2n阶差分方程为例, 将p(x+kΔx)与p(x-kΔx)在x点按照Taylor公式进行展开, 并将两项展开结果相减后化简得如下表达式:

$ \begin{array}{l} p\left( {x + k\Delta x} \right) - 2p\left( x \right) + p\left( {x - k\Delta x} \right)\\ = 2\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{{\left( {k\Delta x} \right)}^{2n}}}}{{\left( {2n} \right)!}}{p^{\left( {2n} \right)}}\left( x \right) + O\left( {\Delta {x^{2n + 2}}} \right)}, \end{array} $

(2)

式中, p⁽ⁿ⁾(x)是p(x)的n阶导数, k取1, 2, 3, ……。消除高于二阶的导数项, 可得到空间上的2n阶差分逼近式为:

$ \frac{{{\partial ^2}p}}{{\partial {x^2}}} = \frac{1}{{\Delta {x^2}}}\sum\limits_{i = 1}^n {{c_i}{d_i} + O\left( {\Delta {x^{2n}}} \right), } $

(3)

式中, d_i=p(x+iΔx)-2p(x)+p(x-iΔx), c_i(其中i=1, 2, …, n)为2n阶精度有限差分二阶中心导数的差分系数, 可以通过求解方程组得到^[16-17]。

3 应用分析 3.1 实际地震资料分析

前梨园地区采用的高精度地震采集技术为本次开展深层砂泥岩薄互层型隐蔽储层的地震地质研究创造了条件。研究采用的是高分辨率地震资料, 实际主频为24 Hz左右, 野外采集参数具体为：炮间距20 m, 道间距10 m, 最小偏移距0 m, 采样率1 ms。选取典型二维地震剖面, 如图 2所示。正演模拟符合该剖面的地质模型。

3.2 单层厚度10~15 m的薄互层模型

正演模型参数来自于实际的地质情况的简化与抽象。按照图 2中地震剖面的尺度, 设计的模型长度为20 000 m, 深度为7 000 m, 地质层位10个, 如图 3所示。

由于沙三中段厚度较大, 砂、泥岩物性变化明显, 因此, 将其分为两个小层, 分别是6和7号地层, 其深度在3 500 m以下。6和7号地层相比其他地层具有更精细的速度结构, 为砂泥岩薄互层结构。单层砂岩的最小厚度为10 m, 最大为15 m。

模型中各地层以及薄层砂岩的纵波速度和密度为相应层段测井曲线的平均值, 具体的参数设置见表 1。

正演地震子波为主频24 Hz的雷克子波。采集参数按照野外实际采集参数来设置, 具体参数为：炮间距20 m, 道间距10 m, 最小偏移距0 m, 采样率1 ms。正演地震记录的最终偏移结果如图 4所示。

为了验证地质模型的合理性, 将正演记录的偏移剖面与实际地震剖面进行井旁地震道的反射波组对比^[18-19], 如图 5所示。从图中可以看出, 目的层正演结果与实际地震资料在反射轴数量及吻合度上具有较高的一致性。从振幅强弱上来说, 目的层及层内砂体的地震反射特征显示为强振幅, 波形清晰, 且波组连续性较好, 这与砂岩具有相对较高的波阻抗有关。总体来说正演记录与实际地震剖面相关性好, 说明地质模型的正确性及可靠性。

在正演模拟方法的基础上, 提出了对正演结果进行模型反演的方法, 将正演的波场信息(反射轴数量、振幅强弱及波形变化等)量化为反演的砂体厚度, 并与井上砂体做对比分析。

模型反演方法主要是基于实际井资料的约束稀疏脉冲反演。考虑到目标储层(6、7层)较厚, 砂、泥岩物性变化较大, 因此, 本次反演为了更好地分辨各层内部变化细节, 选择将6、7层分层段各自单独进行反演计算。反演过程中, 以测井声阻抗为约束, 在二维测线解释层位的控制下, 对所有穿过测线的井进行内插外推得到初始模型^[19]。由初始模型与合成记录计算的带宽波阻抗体合并, 最终得到如图 6、7中反演体。

反演结果表明, 目的层砂体相对比较发育。在横向展布上, 砂、泥岩互层现象明显, 且能清晰地展示砂体结构的变化特征。在纵向上, 反演砂体的厚度与钻井资料相对较吻合, 但反演砂体厚度远远大于井旁砂体的厚度, 部分地区出现一个反演砂体对应井上多个砂体的情况, 说明反演不能识别出厚度小于10 m的单砂体。

3.3 单砂层厚度20~25 m的薄互层模型

在3.2节中, 正演模型的6、7两套地层中单砂层的厚度为10~15 m, 通过反演认为反演尚不能识别出厚度小于10 m的单砂体。所以, 将6、7两套地层中单砂层的厚度调整为20~25 m, 其余参数均保持不变。采用相同的正演参数及其资料处理流程, 得到了偏移剖面。最后对偏移剖面进行稀疏脉冲反演, 得到的反演体如图 8、9所示。

反演结果表明, 目的层砂体相对比较发育。在横向展布上, 砂、泥岩互层现象明显, 且能清晰地展示砂体结构的变化特征。在纵向上, 反演砂体的厚度与钻井资料的解释厚度吻合性高, 对应关系较好。说明模型反演方法能识别厚度为20 m的单砂体。

4 结语

结合研究区的特点, 按照Widess准则, 实际地震波形的分辨率为43 m(λ/4)左右, 利用正、反演方法所研究的单砂体厚度能够细化到10 m, 而模型反演方法能识别最小厚度为20 m的单砂体。因此, 基于正、反演的地震识别方法既能够发挥地震资料在地层横向展布上的优势, 又能够在一定程度上提高纵向上的分辨率, 为东濮凹陷深层砂、岩互层结构的隐蔽性储层识别工作提供参考。

在本次的正演模拟的基础上, 确定了下一步的工作计划, 主要是进一步分析东濮深层地震波反射特征影响因素, 包括衰减因子Q、噪音、不同岩性组合等。