纯纵波地震资料在高石梯地区灯四段储层研究中的应用

2020-08-18丁博钊孙赞东蔡加铭王亚静朱兴卉徐丽军

石油地球物理勘探 2020年4期

丁博钊孙赞东蔡加铭王亚静朱兴卉徐丽军

（①东方地球物理公司研究院，河北涿州072750；②东方地球物理公司海洋物探处，天津300457；③东方地球物理公司采集技术研究中心，河北涿州072750）

0 引言

髙石梯地区震旦系灯影组四段（简称“灯四段”）白云岩储集层溶蚀孔、洞发育，上覆盖层为寒武系筇竹寺组碎屑岩，横向速度变化大，导致储集层地震响应特征多解性强，内部层序难以准确刻画。常规叠加资料由于受AVO效应以及动校拉伸的影响，振幅信息的准确性不够高，且分辨率较低，难以满足研究需求。

在二十世纪八十年代，俞寿朋等［1］通过多项式拟合、Radon变换等处理手段提取零入射角道信息，克服了常规叠加地震资料缺陷。但这些拟合方法在提高资料分辨率的同时又降低了信噪比，并且多次波干扰严重。二十世纪九十年代，李庆忠［2］通过剔除拟合法，拟合出不含动校拉伸、不含多次波的纵波剖面，但需要对剔除量、拟合方次等参数进行试验，计算周期较长，在实际生产中并未大范围推广。随着AVO反演技术的推广，纯纵波资料更多的是作为求取波阻抗的过程产物，其本身在实际勘探中的应用并未受到足够重视，特别是在复杂碳酸盐岩油气藏勘探开发中的应用鲜有文献提及。

为了提高髙石梯地区灯四段地震资料反射品质，消除上覆层速度变化带来的影响，落实层序界面和储层厚度，本文基于叠前弹性反演方法，开展了纯纵波资料的提取及应用，取得了很好的效果。

1 研究区概况

髙石梯地区位于四川盆地中部（简称“川中”）古隆起的东高点，是震旦纪以来的叠隆区［3］。震旦系白云岩岩溶储层为台地边缘丘滩相沉积，经历了复杂的沉积及改造过程。

桐湾运动和加里东运动在髙石梯地区形成多组北西向及北东向直立断层，为大气淡水下渗及深层热液上移提供了良好通道，也使髙石梯地区在震旦纪─二叠纪处于古地貌高部位［3］。在灯影组沉积时期，高石梯地区经历了桐湾一幕、二幕构造活动（分别对应灯影组二段、四段沉积末期），先后遭受抬升、剥蚀和淡水淋滤作用［4-7］，形成大面积风化壳岩溶储层。此外，在灯四段沉积过程中出现短期沉降事件，将灯四段分为上、下亚段两个四级层序。其中，灯四段上亚段受到短期同生/准同生成岩─岩溶作用、长期的风化淋滤作用以及多期的热液溶蚀作用的多重改造［6，8］，是优质储层发育层段。

灯四段埋深超过5000m，岩性为灰色藻叠层、藻凝块白云岩。灯影组上覆寒武系筇竹寺组碎屑岩盖层厚度为30～100m。盖层泥质含量横向变化大，相变频繁。

由于高石梯地区灯四段特有的储、盖层形成条件，在储层研究过程中主要面临下述三个问题。

（1）常规叠加地震资料难以准确反映储、盖层之间阻抗差异。致密白云岩具有较高的速度和密度，若溶蚀孔、洞发育，则其波阻抗值下降，从而与上覆盖层之间的波阻抗差减小，导致反射波能量相对变弱。从理论上讲，根据灯四段上亚段顶面地震反射振幅的强弱即可预测其物性，但实际上：①该区为典型的白云岩岩溶储层，优质储层多发育溶洞、溶蚀孔及晶间孔，并依靠裂缝沟通形成溶蚀缝洞体，溶蚀缝洞体的规模远小于灰岩岩溶储层，其地震响应特征并不明显，难以形成类似于塔里木盆地奥陶系灰岩岩溶的“串珠”状地震强反射［9-10］；②大面积的风化淋滤作用使白云岩岩溶储层在研究区内普遍发育，但优质储层与一般储层的物性差异并不明显。因此，现有的叠加资料由于受AVO效应的影响而振幅失真，不能很好地反映储层物性之间的细微差异，难以满足研究区储层精细研究的需要。

（2）盖层岩性的横向变化增加了储层预测的难度。由于构造变动频繁，研究区内筇竹寺组碎屑岩盖层泥质含量横向差异较大，速度横向变化大，导致储层与盖层之间存在不同的波阻抗差异，即形成不同的振幅反射（图1）。如果按照统一的地震反射特征判断储层物性，则容易误判。因此，盖层的准确分区对其下伏储层的准确预测至关重要。

图1 盖层速度变化导致下伏储层顶界面不同反射特征

（3）常规地震资料不能满足该区灯四段层序划分需求。由于高石梯地区灯影组为台地边缘丘滩相沉积，层序研究对认识储层的宏观发育规律至关重要。受资料条件的限制，前期未对灯四段内部层序开展深入研究，特别是不清楚灯四段上亚段的展布特征，直接影响了高产井地震—地质模式的建立以及开发钻井工艺的选择。如何开展高精度层序研究，特别是在全区准确识别灯四段上、下亚段层序界面显得尤为重要。叠加资料受动校拉伸的影响，分辨率低，难以满足这一需求。

王靖等［11］、孙秀华等［12］的研究表明，相对于常规叠加地震资料，纯纵波地震资料具有分辨率高、保幅性好等优势。为此，本文利用纯纵波地震资料解决上述问题，以期为高石梯地区复杂碳酸盐岩储层研究提供了新的思路，获得新的认识。

2 纯纵波的提取

2.1 方法原理

Zoeppritz方程解近似为

式中：RPP代表不同入射角θ对应的纵波反射系数；VP、VS和ρ分别为平均纵波速度、横波速度和密度；ΔVP、ΔVS和Δρ分别为界面上、下的纵波速度、横波速度和密度的差值。

假定VP1、VS1和ρ1为第一层介质的纵波速度、横波速度和密度，VP2、VS2和ρ2为第二层介质的纵波速度、横波速度和密度，则

式（1）描述了地震波反射系数与入射角、弹性参数（密度、速度等）的关系。当入射角小于30°且ΔVP/VP也较小时，可省略式（1）等号右边第三项，改写成关于sin2θ的线性方程，即

工业界通常使用式（3）求取纯纵波信息。将地震数据每个采样点振幅与sin2θ拟合，即可获得AVO截距P，可近似为纯纵波RP。但是由于式（3）省略了式（1）等号右边的第三项，因此只适合θ小于30°的情况。随着θ增加，RP求解精度降低。

本文采用的纯纵波提取方法是将式（1）进行重组、调整后形成新的方程［13-14］，再通过奇异值分解法求解新方程，得到纯纵波信息。具体求解过程如下。

新方程为

式中RP、RS和RD分别代表零入射角纵波、横波和密度信息。

将保幅偏移后的共成像点道集分角度叠加，分别得到RPP1、RPP2、RPP3三个地震数据体（分别包含近、中、远道信息）。将其作为输入数据，可得到矩阵方程

为了得到一个线性矩阵以便于求解，需要给定该地区岩石纵横波速度比值。目前已知地下常见岩石的纵横波速度比大多为1.8～2.2［15-16］，因此假设VS/VP＝0.5。在已知入射角θ以及RPP1、RPP2、RPP3（由地震记录得到）的条件下，即可通过奇异值分解法求解该矩阵，求得RP。

纯纵波RP数据为近似于零入射角（自激自收）的纵波信息，因而消除了AVO效应，避免了由于叠加造成的振幅失真及分辨率降低的影响。用它代替原有的叠加资料应用于地震资料解释，不仅具有更高的地震视分辨率，同时具有更好的相对保幅性，因此在求取纯纵波信息过程中，对反演道集的保幅性有更高要求。本文采用的纯纵波反演道集，均以高分辨率、高保真地震资料处理以及高精度地震偏移为前提［17］，同时以准确的岩石物理分析为保障，因此求取的纯纵波数据能够准确表征纵波零角度入射时的反射特征，更好地应用于实际地震资料解释。

2.2 纯纵波地震资料效果

在原有常规叠加地震剖面（图2a左）上，钻井位置存在地震反射特征与实际速度资料相矛盾的现象。GS6井与GS7井间距离为8km，两口井的储层段纵波速度差异不大，分别为6773m/s和6705m/s；但盖层段由于泥质含量差别大，纵波速度差异明显，分别为4064m/s和5541m/s。因此，GS6井的储、盖层之间波阻抗差值比GS7井大。从理论上讲，GS6井反射波振幅应该更强，但实际上，GS6井的振幅略弱于GS7井。而纯纵波地震剖面（图2b左）能正确地反映这种关系。

相较于常规叠加地震资料，纯纵波资料灯四段顶面反射波峰的能量横向变化更为明显，更加真实地反映出盖层岩性的横向变化，可更好地用于储层预测。

另外，纯纵波资料避免了动校拉伸对分辨率造成的影响，能够恢复地震数据原有的分辨率。纯纵波资料灯四段主频达到43Hz（图2b右），较常规资料分辨率（主频为35 Hz，图2a右）明显提高；同相轴增多且连续性更好，所反映的地质细节更丰富（图2蓝色矩形框所示）。

图2 过井地震剖面（左）及灯影组灯四段主频（右）对比

3 纯纵波资料的应用

3.1 盖层分区及储层预测

研究区盖层泥质含量的横向变化对下伏储层地震反射特征影响明显，因此储层预测需要准确划分高、低速盖层区。

盖层筇竹寺组埋藏深度超过4000m，地震波在传播过程中，高频部分因地层吸收而衰减较多，而低频信号具有更强的穿透力，在反映深层大套地层间接触关系时更具优势［18］。由图2可知纯纵波资料可以更好地反映储、盖层之间的阻抗差异，因此本文将纯纵波资料作为研究的基础资料。

通过频谱分析，可以确定盖层段频谱范围为5～80Hz。采用8～30Hz的带通滤波器可得到低—中频数据体。从图3可以看出，低—中频体剖面能够清晰反映筇竹寺组盖层的横向变化，并可见地层呈明显的双向交错、叠置现象，更加符合该地区双向物源供给的沉积背景［19-20］。

通过地震地质层位标定发现，筇竹寺组盖层的振幅越强，对应的储、盖层阻抗差异越大，盖层速度越低。因此，可通过提取中—低频体中盖层段均方根振幅以划分高、低速区。从图4a可见，盖层低速区（强振幅）与高速区（弱振幅）均呈片状分布，反映出物源差异造成的盖层泥质含量的不同［19-20］。

统计工区内现有11口井的盖层段伽马（GR）平均值（图4b）发现，自北向南，GR平均值呈递增趋势，与振幅属性所反映的变化规律相吻合。

结合盖层沉积环境分析，最终可以确定低速盖层区的大致范围（图4b）。在这些区域内，地震属性特别是振幅类属性，可以作为储层预测、评价的依据。

图3 过GS6井低—中频体纯纵波地震剖面

图4 筇竹寺组盖层区划分结果

以GS6井、GS10井两口生产井所在的Ⅰ区为例（图4b），采用相同时窗（灯四段顶～下移5ms），从纯纵波资料和常规叠加资料分别提取代表储层物性的均方根振幅属性（图5）。在纯纵波资料（图5b）中显示为能量团块的部分区域，在常规资料（图5a）上未见显示或仅见微弱显示，特别是GS10井所在位置，在常规资料（图5a椭圆框内）上未显示出强能量团块，与实钻揭示的GS10井的储层较发育特征明显不符。可见在筇竹寺组盖层岩性变化剧烈的地质背景下，利用纯纵波资料研究不同盖层条件（分区）下的储层发育特征，结果更为合理、可靠。

3.2 灯四段内部层序界面识别

图6为过GS2井的一条斜交台缘的任意线剖面。常规叠前时间偏移剖面灯四段内部的同相轴为近平行结构。前人根据GS2井的标定结果，将灯四段顶之下第一个波峰确定为灯四段上、下亚段之间的分界面（图6a）。纯纵波剖面（图6b）分辨率明显高于常规叠前时间偏移剖面（图6a），能够更清晰地呈现上超、削截等地层接触关系，层序界面更加清晰、易于解释。

图5 低速盖层区（Ⅰ区）储层均方根振幅属性对比

图6 灯四段上、下亚段层序界面不同解释方案对比

根据纯纵波地震资料的波组特征，本文认为灯四段上、下亚段之间的分界面并非平行于灯四段顶、底的同相轴，而是一个在灯四段内部、倾向盆地方向的、略具阶梯状特征的倾斜界面，对应一组斜交于灯四段顶、底的弱波峰，这与前人划分方案差异较大。

为了验证本文划分方案的合理性，利用两套资料、两种划分方案对研究区灯四段上、下亚段之间分界面精细解释，得到两张形态迥异的灯四段上亚段时间域厚度图（图7）。通过对比可见，前人划分方案求得的厚度规律与台缘带的沉积环境不吻合（图7a），而本文划分方案得到的厚度则具有明显的由台缘向台内逐渐变薄的特征（图7b）。

首先，从区域沉积特征上看，髙石梯地区灯影组地层为典型的台地边缘相沉积。在灯四段沉积初期，也就是碳酸盐岩台地形成期，碳酸盐生长速率与海平面上升速率一致，表现为海侵体系域，形成加积型台地边缘。这个时期沉积环境相对不稳定，易形成晶粒白云岩、凝块状白云岩及砂屑白云岩等贫藻类岩石。而在灯四段沉积后期，海平面持续上升，碳酸盐生长速率大于可容纳空间增长速率，地层为向海进积沉积，表现为高位体系域特征［21-22］。此时，沉积环境相对稳定，易形成层纹状白云岩、叠层状白云岩、泡沫状白云岩等富藻类岩石。海侵体系域与高位体系域岩性及物性上的差异，形成了地震剖面上的灯四段上、下亚段之间的反射界面。纯纵波资料的剖面解释模式（图6b）与Emery等［23］提出的碳酸盐台地模式形态（图8）相吻合。

其次，从已钻井成果看，位于台缘附近的GS3井、GS9井以及GS6井灯四段上亚段厚度明显较大，而台内的GS8井、GS10井以及GS2井灯四段上亚段厚度则较小（图7b）。

再次，可以根据6口井的测井曲线（图9）分析合理性。考虑GR曲线对岩性的敏感性以及层序分析的需要，本文首先对GR曲线进行低通滤波处理，并将各井曲线沿灯影组顶部拉平、对齐（图9）。可以看出，位于台地内的三口井（GS8井、GS10井、GS2井）GR曲线形态较为相似，具代表加积特征的箱型—钟型，对应为海侵体系域。分布在台缘附近的三口井（GS3井、GS9井、GS6井）GR曲线特征更为相似，具代表前积特征的漏斗型，对应为高位体系域。将各井GR较高值位置作为海侵体系域与高位体系域之间的界面，即为灯四段上、下亚段之间的分界面。

图7 不同划分方案求取的灯四段上亚段时间厚度对比

图8 碳酸盐岩台地边缘沉积模式（据Emery等［23］修改）

图9 部分钻井自然伽马曲线连井对比

从层序界面划分结果可以看出，在灯四段地层整体厚度变化不大的前提下，海侵体系域地层厚度由台缘向台内呈明显增大趋势，而高位体系域地层厚度则明显减小，最大海泛面逐渐抬升，这也与经典的碳酸盐台地边缘沉积模式（图8）相吻合。

由上述可见，无论沉积特征分析，还是测井曲线对比，都可以证明层序新划分方案的合理性。

资料品质直接影响地质认识，纯纵波资料的应用，对重新认识灯四段上、下亚段的沉积与储层特征具有重要意义，并为该区开发方案的优化提供参考。根据本文研究成果，建议在台缘带灯四段上亚段沉积厚度较大地区，可实施大斜度钻井，以较低的成本钻遇更多的储层；在台内灯四段上亚段较薄区，可在储层优选的基础上采用水平井工艺，以提高单井产量［24］。