地震岩性地貌体在薄储层沉积微相研究中的应用

2017-10-23金凤鸣刘力辉王连军罗路尧

石油地球物理勘探 2017年1期

关键词：沉积相岩性标定

金凤鸣刘力辉胡诚肖阳王连军罗路尧

（①中国石油大港油田公司，天津300280；②成都晶石石油科技有限公司，四川成都610041；③中国石油华北油田公司，河北任丘062552）

·地震地质·

地震岩性地貌体在薄储层沉积微相研究中的应用

金凤鸣*①刘力辉②胡诚②肖阳③王连军③罗路尧③

（①中国石油大港油田公司，天津300280；②成都晶石石油科技有限公司，四川成都610041；③中国石油华北油田公司，河北任丘062552）

针对薄储层区难以利用地震相开展沉积微相研究的难题，提出了地震岩性地貌体概念及其应用方法。地震岩性地貌体是反映沉积体岩性特征及其平面形态特征的一种地震属性体，不同于常规地震相分析侧重于剖面地震反射特征，它强调的是平面地震反射特征的指相意义，具有可量化表征性。指相属性的提取和井震标定是地震岩性地貌体沉积相分析的关键；叠前弹性模量属性分析、平面地震相模式标定和多信息融合解释是该项技术应用的必要途径和有效手段。这套方法在饶阳凹陷M构造带沉积微相研究中得到了成功应用。

岩性地貌体沉积微相薄储层弹性模量属性模式标定融合解释

1 引言

利用高品质二维地震资料探索地震反射相位与地质层位、沉积相的相关联系是地震地层学的主要研究内容［1］，即通过地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征及统计特征等参数分析，找出与地层岩性、储层物性和流体信息的关系，从而开展岩相、岩性和含油气性预测［2-6］。传统的地震地层学储层预测主要利用地震相结构分析法——“相面法”实现。地震地层学方法可预测解释盆地（或区带）级地层厚度大于50m（两三个地震反射同相轴）的沉积相特征；但对于地层单元厚度小于50m（一个同相轴）的圈闭级沉积（砂体）微相，因其地震相剖面结构特征不明显，则该 “相面法”就不再适用［7］。基于此，Zeng等［8］提出通过地震沉积学研究沉积相，其具体思路是：通过地震地貌学和地震岩性学的综合分析，解释预测地层岩性、沉积成因、沉积体系和盆地充填史。其中的地震地貌学是综合运用多项地震属性和地质解释技术，通过三维地震数据平面成像对地下地貌形态进行分析和研究［9］；地震岩性学则是采用恰当的地震处理技术，如相位调整、AVO分析、波阻抗反演等，将地震数据体转变为岩性体，通过调整振幅，将一个地震道看作一条岩性曲线［10］。对于地震地貌学的主要研究对象——地层切片，无论是其制作方法，还是解释和应用条件等，现今都有广泛和深入的研究，此处不再赘述。但对于地震岩性学在具体项目中的应用，多局限于-90°相位地震资料的解释。-90°相位化技术试图解决常规地震同相轴（0°）与地层岩性同相轴的相位差问题，相当于对地震道整形，使之接近相对波阻抗剖面，从而使地震剖面与地层岩性具有更好的对应关系。针对复杂岩性区，刘力辉等［10］提出利用叠前G属性和叠前有色反演做地震岩性解释，但对于那些“指相”意义明确的有效地震属性，以及如何利用这些地震属性做岩性解释鲜有论述。这就使地震岩性学的研究成果难以定量化计算和表征，仅停留在定性分析阶段，限制了地震岩性学的深入研究和广泛应用。

在探讨地震地层学与地震沉积学的区别时，Zeng等［7］曾指出：地震地层学是利用地震相指示沉积相，而地震沉积学是利用岩性地貌体指示沉积相。虽然对如何实现岩性地貌体的解释仍未给出详细说明，但为如何应用地震属性表征沉积微相指明了方向。本文尝试将地震岩性地貌体应用于沉积微相分析，并首先给出了地震岩性地貌体的概念，即它是反映沉积体岩性特征及平面形态特征的一种地震属性体。这里的地貌与古地貌有所区别，它强调的是沉积特征在沉积等时面上的直观表现。与波阻抗反演体相比，岩性地貌体的优势是能反映沉积体横向展布形态，也即地震地貌学强调的重点。地震地貌体是沉积等时面上沉积体的地震映像，与之对应的地震岩性地貌体是以层序为单元的平面属性表征。地震相强调的是地震反射的剖面模式（结构、外形），是描述性的；地震岩性地貌体强调的是地震反射的平面模式，并可用属性量化表征。也可将其看成是地层切片的延伸应用，充分利用地震的横向分辨率，更容易进行沉积模式的标定和解释，也就更适合薄储层或高级别层序的沉积分析。目前作为地震岩性地貌体的可实现技术是-90°相位化的振幅地层切片或波形聚类，并根据不同的值域门槛或波形进行模式标定。但对于波阻抗差小的地区，就难以用-90°地震资料的岩性—振幅关系反映地震地貌。

本文通过叠前弹性模量属性的岩石地球物理意义推导分析、平面地震相模式标定和多信息融合综合解释研究，探讨了地震岩性地貌体沉积微相解释的计算机实现流程及其应用。

2 地震岩性地貌解释的实现方法

2.1 叠前弹性模量属性分析

以往的利用叠前AVO属性开展地震岩性学研究，虽取得了一定效果［10］，但这些研究主要用的仅是AVO属性中的G属性。G属性是AVO特征的梯度表征量，它与纵横波速度比有关，但无明确的岩石物理意义，所以很难给出符合物理学意义的岩性解释。本文尝试在叠前资料上直接提取具有明确岩石物理意义的属性，并实现地震岩性和地震地貌的量化表征。

Aki和Richards［11］曾给出区分流体和固体的简化公式

式中：VP、VS、ρ分别是相邻两层介质的平均纵、横波速度和密度；ΔVP、ΔVS、Δρ分别是界面两侧纵、横波速度和密度的差值；rsat=VP／VS为饱和含水岩石的纵横波速度比；θ为平均入射角度。

根据速度与岩石物理弹性参数间的关系［12］

可将 ΔVP、ΔVS写成

将式（2）和式（3）代入式（4），可得

将式（5）代入式（1），并化简、整理，则式（1）转化为K、μ和ρ的函数［12，13］

式中：K和μ分别为界面两侧介质的体积模量和剪切模量的平均值；ΔK和Δμ分别为界面两侧介质的体积模量和剪切模量的差值。

式（6）将叠前反射系数表示成体积模量、剪切模量和密度的变化率的函数。这三个参数是岩石的基本弹性模量，不仅可用岩石物理方法对其岩性意义做出解释，还可在井震标定情况下，用作岩性地貌体的基本属性。从岩石物理意义上讲，剪切模量是横波速度的函数，不受含油气性的影响，而与岩性关系密切，可作为地震岩性地貌解释的主要属性。需要注意的是这些地震属性反映的是变化量，实际应用时需做-90°，或以道积分形式出现，将界面信息转化为地层信息。

2.2 平面地震相模式标定

利用钻井波阻抗反演曲线与岩性交会分析，可推断是相对高阻抗还是低阻抗代表砂岩，亦或是叠前地震反射的波峰还是波谷代表砂岩，进而进行波阻抗的岩性转换，这也是地层切片地震地貌解释的基础［14］。但如何构建地震属性数值与岩性的对应关系，一直是困扰应用地震属性做岩性解释的难题。究其原因，地震属性通常是一个相对值，与岩性的对应关系不明确，无法像地震反演那样得到不同岩性波阻抗的绝对值，因此也就很难通过交会分析得到地震属性与岩性的对应关系，导致不能像波阻抗反演那样用地震属性量化表征岩性。

但地震属性在反映沉积体的平面形态特征时具有优势，据此本文提出通过开展平面地震相模式标定进行岩性解释的新思路。在对敏感属性提取、筛选和岩性标定时不再（也不能）强调井点处地震属性（振幅、波形等）和岩性在剖面上的严格对应关系，而将关注点转向它所反映的平面形态特征和由井得出的平面相模式（物源、河道展布方向、扇体样式等）的匹配关系，即二者在平面上的对应关系，这样可在沉积相分析中扬长避短。地震地貌体的影像不仅缘于岩性因素，更是岩性体平面特征的反映。如在水下分流河道环境中，河道砂成层性差、横向变化大，平面上呈条带状，并有一定展布范围，在地层切片中表现为有一定方向的条带状、不连续反射；泥岩相成层性好，多呈席状，在地层切片中表现为有一定分布面积的席状连续反射；部分成层性相对较好的席状砂在横向有一定连续性，但它位于分流河道前缘，与泥岩相在振幅上又有明显差异。正是利用这些地震反射的平面特征，可有效地进行沉积微相解释，并在单井相分析基础上，在地层切片（平面）上为这些不同成因的地震反射单元赋予不同色彩以进行沉积相标定，称之为平面地震相模式标定。具体操作以振幅属性平面标定为例：首先以目的层平面为操作单元，统计井震属性—岩性概率分布，得出大概属性划分岩性的门槛值；然后反复调节属性色标—岩性分类关系，使其反映的平面形态特征相模式整体匹配，并将地震属性赋予岩性和地貌意义。这种标定方法适用于岩性相对简单地区；在复杂岩性区，当地震属性—岩性关系不明确时，可考虑用两种地震属性—岩性做联合标定。

平面地震相模式标定的理念也可应用于波形聚类结果转化为岩性地貌体。常规波形聚类结果转化为岩相时，解释人员希望通过井震结合，构建井旁某种波形与岩相的对应关系，但聚类分析是一种无监督学习，聚类中心的波形并不等同于井旁道波形，这加大了波形—岩相转化的难度。以平面相模式为指导，将聚类中心波形并类赋值是一条现实途径。如图1a中一个波形聚类结果为六种类型，可定义前两类或前三类波形为砂岩相，分别得到两种岩性地貌体（图1b、图1c），分析得知后者与井模式（图1d）高度匹配，能反映水下分流河道砂的展布特征，故选择此标定结果为波形岩性地貌体。这种通过地质模式在平面上不断进行调整的过程，即为地貌刻画的实现过程。突出地震地貌的岩性地貌体无须与所有井吻合，但它也并不等同于岩相体，还存在多解性，需综合考虑其他因素进行分析和解释。

2.3 多信息融合综合解释

地震岩性地貌体虽然比地震属性体意义明确，但在岩性预测方面仍有多解性，仍需要多信息融合综合分析解释。这里的多信息融合综合解释主要是指将地震岩性地貌体转化为沉积相解释时，既要考虑地震岩性地貌体特征，也要考虑常规地震相（结构）特征，进行联合解释，以提高沉积相解释的精度。

常规地震相的结构性及外形信息对一些特殊微相有特定的指相意义，如河道和扇体会显示透镜状外形和斜交结构，在薄储层区会退化为一个特定波形结构或连续性特征，但这些信息很难用常规地震属性表征，只能手工解释、肉眼识别，从剖面开始，以层解释为主，再投影到平面，效率低且剖面闭合困难，解释不全面。通过开发一种先平面相解释再剖面反投影的技术方法，即依据地震岩性地貌体在平面上解释沉积相，将解释结果反投影到地震剖面，参考地震相（外形、结构、连续性）做实时监控修改，完成多信息的沉积相融合解释（图2）。

3 应用实例

以饶阳凹陷蠡县斜坡M构造带为例，该区构造相对简单，断层不发育。由于其测井曲线特征不典型，前人研究对目的层段沙一下亚段尾砂岩段属滩坝砂相还是水下分流河道相存在争议［15-20］。该区沙一下亚段尾砂岩段为一个四级层序，平均厚度约50m，地震反射仅为一个波峰反射，属于储层级别的薄储层预测问题。而且尾砂岩上覆大套灰质页岩，俗称“特殊岩性段”，由于该段地层地震反射能量强、连续性好，受其屏蔽影响，在地震剖面上尾砂岩反射为一较连续同相轴，反射振幅对地层岩性的反映能力弱（图3）。

图1 波形聚类（a）、两种岩性地貌体（b、c）及其沉积模式（d）

图2 沉积相融合解释

针对前述存在的问题，开展地震岩性地貌体研究。首先通过目的层段岩石物理分析得出，该区的砂岩波阻抗高于泥岩，但总体差异不大（图4a，图中三角形为砂岩，圆形为泥岩）。而μ属性在岩性识别方面则表现较为敏感，砂岩总体为高μ值，泥岩为低μ值（图4b，图中三角形为砂岩，圆形为泥岩），揭示μ属性反映岩性能力较强。

再从地震剖面分析，μ属性（图5b）反映岩性的能力比叠后剖面（图5a）强，在尾砂岩段反射轴横向变化大，符合尾砂岩段水下分流河道特征，井标定和砂岩的对应关系也较好，最终将μ属性选定为沉积相刻画的重要参数之一。

由于该目的层段较薄，仅包含一个同相轴，无法按照传统的地震相研究进行反射结构分析，为此将地震反射波形、振幅、连续性等作为沉积微相的主要识别标志。从沉积成因学角度分析，岩性的垂向变化特征及其横向展布特征也是形成这些地震反射特征的主因，这也正是利用地震岩性地貌体分析沉积相特征的基础。通过工区内井震标定统计，不同沉积相类型的横向展布形态及垂向岩性组合与其地震波形特征、振幅、连续性之间有着较好的对应关系（表1）。其中以砂岩为主或夹薄层泥岩的水下分流河道及席状砂微相，地层成层性中等，在地震剖面上表现为漏斗型反射，较强振幅，连续性差，大致对应波峰；以泥岩为主的水下分流间湾及滨浅湖泥微相，成层性好，为钟形反射，中—弱振幅，连续性好，大致对应波谷。

图3 单井合成记录

图4 阻抗（a）和μ属性（b）与泥质含量交会图

图5 叠后剖面（a）和μ属性剖面（b）

表1 尾砂岩段沉积微相与地震反射属性对应关系统计表

以μ属性为主属性，以叠后振幅为辅属性，从地震反射数据体中计算求取尾砂岩段的地层切片，形成μ属性（图6a）和振幅属性平面图（图6b）。根据μ属性（图7a）、振幅属性（图7b）与岩性的统计关系，设定岩相色标初始值，然后在相模式控制下，通过精细调整色标，使属性反映的岩性和地震地貌信息与相模式最佳匹配，完成属性—岩性地貌体转化。从图8a与图8b的对比分析来看，μ属性岩性地貌体比振幅岩性地貌体更能反映沉积模式，尤其是西北方向的物源。

图6 μ属性平面图（a）和振幅平面图（b）

由于该区地震岩性地貌体中席状砂反映不明确，有多解性，所以在沉积相解释时不但考虑了μ属性岩性地貌体、叠后振幅岩性地貌体，同时还将沉积相解释结果反投影到地震剖面（图2），参考波形及连续性，对沉积相做出融合解释，最终得出沉积微相解释结果，该区尾砂岩段砂体主要为水下分流河道和席状砂微相，主物源来自西南方向，次物源来自东北方向（图9）。与老的沉积图相比，本次研究同时刻画出了两个物源方向的砂体，对以往没有解释出的席状砂微相也做出了合理解释，且与钻井吻合度较高。

图7 μ属性（a）和振幅属性（b）与岩性的关系图

图8 μ属性岩性地貌体（a）和振幅岩性地貌体（b）

图9 尾砂岩段沉积微相图

4 结论与展望

针对薄储层区难以应用传统地震属性分析沉积微相的问题，本文提出了地震岩性地貌体概念及其应用方法。实践证明叠前体积模量、剪切模量和密度属性在波阻抗区分较差地区反映岩性的能力更强，可作为地震岩性地貌体的基本属性，是重要的指相参数。平面地震相模式标定很好地解决了地震属性体井震一致性差的难题，实现了岩性标定与形态表征的有机融合。地震岩性地貌体和地震相融合的沉积相解释技术，改变了传统剖面解释、平面投影流程，提高了解释效率，为薄储层区岩性分析和沉积微相研究提供了新的技术手段。

本文平面地震相模式井震标定还只是单一属性的标定，对于复杂岩性区还应探索二维、三维甚至多维地震属性的联合标定，以进一步提高对沉积体岩性及平面形态表征的能力，提高沉积微相分析的适用性和精度。

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