四川盆地页岩储层正演模拟地震响应特征

毕臣臣，谢 玮，王彦春*，刘 炜

(1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083；2.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，南京 211103)

页岩气是一种以游离态和吸附态存在于具有生烃能力的泥岩和页岩地层中的一种连续性较好的非常规天然气[1]，其储量十分巨大，相当于煤层气和致密砂岩气的储量总和。中国页岩气的储量虽大，但勘探开发的难度也很大。与北美页岩气开发情况相比，目前中国页岩气的勘探开发还没有完善的理论体系[2]。四川盆地和它周缘地区是中国页岩气最早被发现的地区，同时也被认为是页岩气勘探潜力最大的地区[3]，该地区在下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组广泛发育优质页岩地层[4]。由于页岩气储层在成藏机制、储层和气藏特征等方面都与常规油气有所不同[5]，所以页岩气的储层预测与常规油气藏的储层预测之间存在一定的区别。

作为地震勘探和油气预测的一个重要环节，地震正演模拟技术通过建立符合实际地质特征的地质模型并对其进行模拟得到相应的合成记录，来研究地震波在地下介质中的传播规律，进而可以推断地下实际地质特征、判断有无与油气藏相关的响应异常，为指导储层预测研究提供有力的依据[6-7]。地震正演模拟技术自20世纪90年代以来得到迅速发展，并被中外许多专家学者广泛地用来识别和分析各种情况下的油气储层特征。黄诚等[8]利用地震正演模拟技术识别了砂泥岩薄互层地层；张丹妮[9]通过对模型进行正演模拟分析了致密砂岩储层的响应特征；王晓亮[10]利用正演模拟技术有效预测了煤层厚度；王韵致等[11]利用地震正演模拟技术研究了SH油田砂体尖灭点的位置；胡修权等[12]、张强等[13]针对白云岩储层建立了正演模型来分析其反射特征；此外，正演模拟技术还经常被用来识别碳酸盐岩中缝洞、溶洞、裂缝和断溶体等类型的储层[14-16]。然而，目前利用正演模拟技术对页岩气储层的地震响应特征进行分析的研究还相对比较匮乏。李曙光等[17]认为可以通过开展页岩储集层的地震正演模拟来明确页岩储集层的地震传播机理和传播特征，但并未进行实际验证；董旭等[18]建立了页岩楔状模型并对其进行了正演，但并未对实际研究区的页岩储层特征展开研究；张键等[19]指出页岩有其特殊的地球物理特征，并认为页岩的地震特征具有复杂性、各向异性和相干性，也未针对实际资料页岩的地震响应特征进行详细讨论。因此，目前对页岩气储层地震响应特征方面的研究仍处于探索阶段，还需要进一步深入分析和探讨。

为了研究页岩气储层的地震响应特征，研究选取具有代表性的四川盆地某气田为实际研究区，首先通过实测的页岩地层参数来设计楔状体理论模型，并进行声学介质波动方程正演，进而研究页岩储层厚度、地震子波主频以及含气性的变化对页岩储层地震响应特征产生的影响。然后，根据四川盆地某气田的实际测井数据和连井叠后地震资料，建立了二维地质模型，并对其进行声学介质波动方程正演模拟。最后结合理论模型的正演模拟结论，对实际资料合成记录的响应特征进行分析，从而可以有助于较准确地刻画地下地质特征、指导地震资料解释、预测有利的含气区域，并为验证后续反演结果的准确性提供可靠的依据。

1 波动方程正演方法

地震正演模拟技术是根据地下实际地质特征建立相应的地质模型，并对该模型进行模拟从而得到合成地震记录，然后通过分析合成地震记录的响应特征来研究地下的地质条件[20]。在地球物理中正演模拟主要包括两种方法，一种是物理模拟方法，另一种是数值模拟方法，两种模拟建立模型的方法有所不同。其中，物理模拟是利用实际的材料按照一定比例制成和野外地质体相似的物理模型，并根据实体物理模型上检波器来接收到地震波场记录。但是该方法物理模型的制作往往会受到材料、工艺、成本等实验条件的限制而不易实现；而数值模拟技术是通过计算机来模拟建立虚化的地质模型，该方法可以通过调节和控制参数来修改模型和模拟观测系统，更加方便、高效，易于实现，成本相对较低，所以在实际生产中应用也更加广泛[21]。

地震波数值模拟方法主要包括射线追踪法、积分方程法和波动方程法三大类[22-23]。射线追踪法的计算速度快、传播时间较准确，但由于计算结果很难保持其动力学特征，通常对复杂的地质模型模拟精度不高[24]；积分方程法是在惠更斯原理的基础上，对数学公式进行演算和推导，推算过程较复杂，且效率低[25]；而波动方程法可以同时保留地震波的动力学和运动学特征，能够更加精确地模拟复杂介质的地震波场，从而常被用于复杂构造模型的正演模拟中[26]。因此，研究采取波动方程法进行正演模拟。

根据介质类型的不同，波动方程法又可以分为声学介质波动方程、弹性介质波动方程和黏弹性介质波动方程[27]。综合考虑研究区的实际资料条件和地质特征，研究采用波动方程法中的声学介质波动方程方法进行正演模拟研究，其原理如下：

(1)

或

(2)

式中：v为声波速度；t为时间；ρ为密度；P为声压。

2 二维楔状模型正演模拟

地层尖灭的楔状构造存在于较多的储层中，所以常被用来研究地震波场响应特征[18]。为了研究四川盆地古生界页岩储层厚度、子波主频以及含气性的变化对地震响应特征产生的影响，根据实际钻井资料整理出研究区目的层龙马溪-五峰组(S1l-O3w)及其顶底板[石牛栏组(S1s)和涧草沟组(O3j)]的平均速度及平均密度分布(表1)，并建立了楔状体模型(图1)。

2.1 页岩体厚度变化响应特征

图1中楔形体长2 000 m，页岩厚度由0 m变化到300 m，模型的各层弹性参数按表1中的地层参数进行填充。其中，上部充填顶板石牛栏组(S1s)灰岩，中部充填目的层龙马溪-五峰组(S1l-O3w)泥页岩，下部充填底板涧草沟组(O3j)泥灰岩。

为了研究页岩储层厚度变化的地震响应特征，研究采用声学介质波动方程法对图1中的页岩楔状体模型进行正演模拟。首先选取了实际地震资料主频范围内的25 Hz的雷克子波进行声波方程正演模拟，并对正演得到的结果进行叠后深度偏移，得到如图2所示的正演地震记录。

表1 地层弹性参数分布Table 1 Distribution of formation elastic parameters

图1 页岩楔状体模型Fig.1 Shale wedge model

图2 声学波动方程正演结果(波形显示)与纵波速度模型(彩色显示)对比Fig.2 Contrast between forward result of acoustic wave equation (waveform display) and P-wave velocity model (color display)

根据地震反射波薄层理论：满足2Δh≪λ的地层称为薄层(Δh为地层厚度，λ为反射波波长)，其中反射波的波长由λ=v/f(v为层速度，f为子波频率)计算得到λ=v/f≈4 070.43/25≈162.8(m)。

从图2中可以看出，随着地层厚度由大变小，振幅的响应特征也逐渐发生变化。当Δh>λ/2≈81.4 m时，地层的顶底界面可以清晰识别；Δh=λ/2～λ/4时，地层顶界面振幅增大；至λ/4≈40.7 m时，根据经典调谐理论，顶底界面反射波长干涉，顶界面振幅增至最大，底界面振幅减小至消失，此时，已不能用时差来确定地层厚度。因此，研究区主频为25 Hz的地震反射波数据只能识别出大于40.7 m的泥页岩地层。

图3 不同子波主频声学波动方程正演结果Fig.3 Forward results of acoustic wave equation with different wavelet dominant frequencies

2.2 地震子波主频变化响应特征

为了研究子波主频变化对地震响应特征的影响，研究分别选取主频为20、25、30、40 Hz的雷克子波对上述页岩楔状体模型(图1)进行声学介质波动方程正演模拟，得到结果如图3所示。可以看出，当地层速度一定时，正演地震子波主频的增加，会使波长减小，从而地震波场能够识别出更薄的页岩地层，提高了分辨率。因此，在实际资料正演过程中应在合理范围内选取较大的子波主频，以得到较高的储层分辨率。经地震资料频谱统计分析，研究区地震资料的主频大致为20～25 Hz，因此，正演模拟选择25 Hz的雷克子波最为合理。

2.3 页岩体含气性(速度、密度)变化响应特征

为了研究含气量不同时页岩的地震响应特征，根据实际测井资料设计了四个含气量不同的页岩地层，其地层参数如表2所示，地层的速度和密度随着含气量的增加而减小。将表2中的速度和密度参数分别替换图1模型中相应页岩地层的速度和密度，得到四个含气量不同的页岩楔状体模型，如图4所示，然后分别对四个模型利用主频为25 Hz的雷克子波进行声学介质波动方程正演模拟和叠后深度偏移，得到如图5所示含气量不同的正演叠后地震剖面。

表2 不同含气量的页岩地层模型参数Table 2 Model parameters of shale formation with different gas content

图4 含气量变化页岩楔状体模型Fig.4 Shale wedge model of gas content change

图5 不同含气量页岩地层声学波动方程正演结果Fig.5 Forward results of acoustic wave equation with different gas content in shale formation

从图5中可以看出当正演模拟的地震子波主频一定时，含气量减小会使子波波长增大，从而地震波场能够识别出的页岩地层的最小厚度增大，导致分辨率下降；同时页岩地层速度和密度的增加，使其与顶底板之间的速度和密度差异变小，从而导致地层界面两侧波阻抗差异减小，波形振幅变弱。

3 实际资料二维地质模型正演

根据上述楔状模型正演模拟得到的规律，在实际的地震勘探中，可以通过构建地质模型并对模型进行正演模拟，若正演模拟结果与原始地震资料的相似性很高，说明研究区地下实际地质特征与地质模型基本一致，从而可以根据正演地震响应特征来分析地下地质构造、识别刻画地质体特征、指导后续的地震资料解释工作，以及为验证反演结果的准确性和反演方法的可行性提供可靠的依据。

图6为四川盆地某研究区两口井W1和W2井的二维连井剖面，可以看出，研究区地层整体较为平稳，志留系下统和奥陶系上统为主要的泥页岩地层。根据研究区层位数据搭建的框架，结合W1和W2井的纵波速度和密度测井曲线，利用克里金差值方法进行内插外推，建立了该二维连井剖面目的层段志留系龙马溪组-奥陶系五峰组及其顶底板志留系石牛栏组和奥陶系涧草沟组的时窗内的速度和密度地质模型，如图7所示。

分析连井剖面目的层段的纵波速度和密度模型，模型的长度为15.6 km，二维地质模型参数见表1。根据测井解释结果，含气泥页岩地层主要分布在志留系和奥陶系上统，其中志留系石牛栏组为裂缝型气层，志留系龙马溪组和奥陶系五峰组为主要页岩含气层，含气量较高，表现为低纵波速度、低密度，厚度较薄的特征。

根据对页岩楔状体理论模型正演模拟的研究，在精细二维地质模型的基础上，利用声学介质波动方程正演算法并选取25 Hz频率的雷克子波，对研究区W1和W2井连井剖面的地质模型进行了正演模拟和叠后深度偏移等处理，得到的结果如图8所示。

图6 W1井和W2井叠后地震数据连井剖面Fig.6 Connecting well profile of post-stack seismic data of well W1 and well W2

图7 连井剖面目的层段弹性参数模型Fig.7 Elastic parameter model of target interval of Connecting well profile

图8 连井剖面目的层段声学波动方程正演结果Fig.8 Forward result of acoustic wave equation for target interval of connecting well profile

结合楔状体模型的正演研究，将此正演结果与实际地震资料进行对比分析，可以得出以下结果。

(1)模型正演结果剖面的响应特征与原始地震数据相似性很高，说明研究区实际地下介质特征与构建的二维地质模型基本相似。

(2)该时窗内每套地层的顶底界面均有明显的振幅异常，可以判断由于地层界面两侧岩性不同，导致速度和密度存在较大差异，从而产生波阻抗差异，反射振幅增强。

(3)研究区龙马溪组底部-五峰组层段同相轴振幅比其上部同相轴振幅反射更强，结合页岩楔状体正演研究的规律和实际测井资料可以判断出：由于该层段底部的泥页岩含气量较大，从而与上部含气量低或不含气的泥页岩地层形成较大的波阻抗差，产生更强的反射振幅响应特征。

4 结论

采用声学介质波动方程方法对理论楔状体模型和研究区实际地质模型进行正演模拟，能够较好地反映出地层特征。根据页岩楔状体模型的正演研究分析可知，地层厚度、子波频率和含气量变化均会对正演结果产生一定的影响。随着地震子波主频的增加，地层的分辨率提高。因此，研究在合理范围内尽可能较大地选取了25 Hz的雷克子波进行声学介质波动方程正演模拟，以得到较高的储层分辨率；同时页岩含气量降低，导致速度和密度增大，从而使目的层与其上下界面的波阻抗差异减小，反射振幅变弱；地层分界面两侧岩性、含气量等性质差异越大，地震反射振幅越强，响应特征越明显。

在理论模型研究的基础上，对四川盆地某气田实际资料二维连井剖面的地质模型进行了声学波动方程正演模拟。根据得到的正演结果并结合实际测井、地震资料可以得出以下结论：正演结果剖面与实际地震资料相似性很高，说明该地区实际地下介质特征与模型基本相似；龙马溪组底部-五峰组地震响应特征更加明显，反射波振幅值较大，说明该层段含气量较高，可初步判断为含气有利储层，该结论可作为验证后续反演结果准确性的依据。

研究通过分析地质模型及其正演结果的地震响应特征二者之间的关系，可以较准确地描述实际地下介质特征，并初步判断出研究区的有利储层。还可以为后续验证反演结果的正确性提供可靠的依据，从而提高储层预测的准确性，对四川盆地及其周围地区页岩储层特征的研究具有一定的参考意义。