南黄海崂山隆起石炭系—下二叠统孔隙型碳酸盐岩储层预测

2020-11-06吴淑玉刘俊陈建文梁杰张银国袁勇许明

海洋地质与第四纪地质 2020年5期

吴淑玉，刘俊，陈建文，梁杰，张银国，袁勇，许明

1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，自然资源部天然气水合物实验室，青岛 266071

2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉430074

3.中国地质大学（武汉）海洋学院，武汉 430074

碳酸盐岩油气田是全球油气最重要的组成部分，其常规油气储量约占全球油气总储量的60%，产量约占50%[1]。中国海相碳酸盐岩经历了40 多年的油气勘探，随着上扬子四川盆地威远、普光、龙岗和元坝等多个大型碳酸盐岩油气田的发现，证明碳酸盐岩是扬子区油气开采的重要领域之一[2-4]。南黄海盆地是下扬子板块向东延伸的主体，为前震旦纪变质岩基底之上的一个多旋回叠合盆地，与四川盆地具有相似的地质结构和演化历史，但同时又具有其自身的特点[5-8]，其油气勘探一直是海洋石油地质学家和地球物理学家关注的焦点[9-12]。南黄海盆地经过多年的油气勘探，始终没有获得油气的重要发现，为目前我国近海海域唯一一个尚未获得油气突破的大型沉积盆地[13-16]。

海域已有钻井证实南黄海崂山隆起中—古生代地层发育多套海相碳酸盐岩，但由于印支、燕山构造运动对中—古生界原型沉积的改造，中—古生代地层构造特征复杂，加上碳酸盐岩储层非均质性强，因此，碳酸盐岩储层预测是南黄海油气勘探的重点和难点[17-18]。

碳酸盐岩储层包括孔隙型、裂缝型和孔隙-裂缝复合型，孔隙型碳酸盐岩储层包括礁滩相和白云岩型，礁滩相储层主要以川东北普光和元坝油气田的长兴组-飞仙关组礁滩[19]以及南海的古、新近纪生物礁为例[20]；白云岩储层以川中下寒武统龙王庙组为例[21-22]。对于礁滩相碳酸盐岩储层预测，许多学者通过对碳酸盐岩进行岩石物理分析，认为其基质具有非均质性且孔隙结构多变的特点，同时提出不同的岩石物理模型进行流体替换，从而获得碳酸盐岩在不同条件下的纵横波速度和各向异性特征[23-27]，此外通过AVO 正演模拟发现碳酸盐岩储层中的孔隙性和含油气性差异可以引起明显的AVO异常[28-30]。随着近几年地球物理技术的发展，碳酸盐岩储层预测技术从地震属性分析[31-33]发展到叠后波阻抗反演[34-36]、叠前统计学反演[37-40]、叠前同时反演方法[41]以及相控约束下的地震反演方法等[42-44]，这些方法在碳酸盐岩储层预测中均得到了较好的应用。另外，时频分析方法也逐渐应用于碳酸盐岩的含油气预测研究[45-47]，尤其是对复合型储层的含油气性预测得到了很好的验证[48]。

关于南黄海碳酸盐岩储层预测方面研究，前人运用岩石物理分析[49]、地震属性分析[50-51]、叠前反演[52-54]和时频分析[55-56]等方法开展了储层特征相关的研究工作，但鲜有对孔隙型碳酸盐岩储层做系统分析和预测，且目的层没有聚焦。本文利用钻遇石炭系—下二叠统的测井资料和研究区的地震资料，通过分析南黄海石炭系—下二叠统孔隙型碳酸盐岩储层特征，结合岩心资料的岩石物理分析，提取孔隙型碳酸盐岩的岩性和物性敏感弹性参数，运用叠前同时反演方法对崂山隆起孔隙型碳酸盐岩储层进行预测，预测了有利储层的分布特征，并对其进行了分析。

1 沉积背景

南黄海盆地面积18 万km2，现今盆地的构造格局南以勿南沙隆起、北以千里岩隆起为界，盆地从南到北可以划分为青岛坳陷、崂山隆起和烟台坳陷3 个二级构造单元（图1）[13,52]。盆地进行了7.8×104km 的二维地震测量，4 口井钻遇石炭系—下二叠统，如CZ35-2-1 井、CZ12-1-1 井、WX13-3-1 井和CSDP-2 井[11,57-58]，其中CSDP-2 井在石炭系—下二叠统碳酸盐岩见油气显示，岩心样品中也发现了大量的油气包裹体，说明南黄海石炭系—下二叠统碳酸盐岩地层具备一定的油气潜力[11,59-61]。

早石炭世的全球海侵使下扬子板块与华夏板块形成了巨大的碳酸盐岩台地，直至船山组末期海退结束。石炭纪—二叠纪时期，下扬子板块位于北半球低纬度地区，为热带温暖湿润气候，大气降水充沛，有利于碳酸盐岩沉积[62-64]（图2a）。早石炭世初期（金陵组和高骊山组），地层沉积较薄，主要为碎屑岩[65]（图2b）；早石炭世晚期盆地开始沉降，海水从盆地东、西两面入侵，和州组期间南黄海盆地由东向西沉积，呈NNE 向浅水陆棚相和潮坪-潟湖相，岩性以灰岩和白云质灰岩为主；晚石炭世初期海侵规模最大，扬子海与华南海几乎连成一片，普遍为浅海相碳酸盐岩沉积环境，岩性为致密纯灰岩，南黄海盆地从东向西沉积了NE 向开阔台地相、局限台地相及潮坪相。黄龙末期整体抬升，露出水面，部分地层遭受剥蚀，黄龙组与上覆船山组呈假整合接触。晚石炭世船山组初期，海水再次入侵，沉积整体向SE 迁移，南黄海盆地从东向西沉积了呈近似NE 向的开阔台地相、局限台地相及潮坪相，在局部高地发育了生物礁滩相。早二叠世栖霞期为晚古生代以来最大的一次海侵期，普遍沉积了富含䗴类、珊瑚、有孔虫和钙藻为主的生物碎屑灰岩，形成了稳定岩相和厚度的南方巨型碳酸盐岩[66]，早二叠世晚期，下扬子区开始海退，全区大部分转变为海陆交替的三角洲和潟湖海湾沉积，结束了海相沉积历史。

图 1 南黄海盆地构造单元[53]F1：郯庐断裂带，F2：五莲-青岛-蓉城断裂，F3：连云港-千里岩断裂，F4：嘉山-响水断裂，F5：苏州-昆山断裂，F6：朝鲜西部断裂，F7：Honam 断裂，F8：济州岛南缘断裂，F9：江绍断裂。Fig.1 The tectonic map of the South Yellow Sea Basin （modified from reference[53]）

石炭系—下二叠统在地震反射剖面上为T10- T11之间的一套反射层，T10为顶面，表现为一套中—低频强波峰的反射，T11为底面，表现为中— 低频强波谷的反射，T10与T11反射界面呈平行反射特征（图2c），顶底之间时间差为200～260 ms，地层厚度为550～715 m，内部整体为较连续、中频、中振幅、平行—亚平行的反射结构，局部存在丘状反射，说明地层厚度整体比较稳定、分布广泛，由于受到后期印支运动的影响，局部高部位被剥蚀。

2 碳酸盐岩储层特征

2.1 岩石物性特征

南黄海孔隙型碳酸盐岩储层形成于高能沉积环境，常见核形石、鲕粒或生物碎屑灰岩[67]。崂山隆起CSDP-2 井揭示上石炭统船山组1724.7～1757.78 m 和1762～1792.4 m 发育大量的灰色—深灰色生物碎屑灰岩，根据岩心观察，储层为晶间孔、粒内孔和生物碎屑溶蚀孔，解释为台内滩相[3,68-69]，藻灰岩孔隙度为0.56%～12%，平均5.61%，渗透率小于0.01 mD（图3）。位于青岛坳陷的CZ12-1-1 井在石炭系同样发育生物碎屑灰岩储层，厚133 m，船山组中—下部由褐灰色藻团细粉晶灰岩、深灰色含生物粉晶灰岩组成，上部为浅灰色生物藻团粉晶灰岩、灰色生物细碎屑粉晶灰岩、泥晶灰岩和含燧石灰岩，生物碎屑灰岩孔隙度为8%～14%，平均为10.6%，渗透率为1～4.2 mD，平均为2.13 mD。对比四川盆地的碳酸盐岩岩石物性[70-71]，南黄海盆地石炭系碳酸盐岩储层的孔、渗物性条件较好。

2.2 测井-地震响应特征

以青岛坳陷的CZ12-1-1 井为例，分析以生物碎屑灰岩为典型代表的井- 震响应特征，该井在上石炭统船山组中揭示了137 m 厚的生物碎屑灰岩，其速度为5 000～6 000 m/s，密度为2.3～2.6 g/cm3，纵波阻抗为16 000～17 000 g/cm3·m/s，位于船山组上部的始新统碎屑岩地层速度为2 300～3 000 m/s，密度为2.2～2.3 g/cm3，阻抗为5 500～6 200 g/cm3·m/s，由于受逆断层的影响，下部夹杂二叠系梁山组薄层碎屑岩，其速度为3 000～4 000 m/s，密度为2.2～2.4 g/cm3，阻抗为7 000～8 000 g/cm3·m/s，可见船山组生物碎屑灰岩相对碎屑岩地层为高速高阻抗的曲线特征，与下部的黄龙组等灰岩地层的阻抗差异较小。在地震剖面上，船山组顶部的生物碎屑灰岩为强振幅连续反射，内部为断续—较连续的强反射特征，船山组与上部始新统和下部的梁山组碎屑岩之间形成2 个波峰和1 个波谷的强反射，其下部和州组和黄龙组的灰岩内幕为较连续— 断续反射特征（图4）。

图 2 沉积相、岩性和地震解释剖面综合分析a.南黄海晚石炭世船山期沉积相，红色框为本文研究区；b.石炭世—二叠世岩性简化柱状图；c.地震解释剖面（黑色箭头分别表示剖面的位置和石炭系—下二叠统对应的岩性）。Fig.2 Integrated profiles of sedimentary facies，lithology and seismic interpretationa.The sedimentary facies map of the Late Carboniferous Chuanshan period in the South Yellow Sea, the red border is the research area of this paper;b.Simplified lithologic column charts from Carboniferous to Permian; c.seismic interpretation profile （Black arrows indicate the location of the profile and the corresponding lithology of the Carboniferous- Lower Permian）.

2.3 敏感参数分析

利用CSDP-2 井岩心实测的纵波阻抗与横波阻抗进行交汇分析（图5），纵波阻抗可以较好地区分岩性变化，能够统计出砂岩和灰岩的纵波阻抗分布范围，其中砂泥岩的纵波阻抗为10000 ～14500 g/cm3·m/s；纯灰岩纵波阻抗为13800～16300 g/cm3·m/s，生物碎屑灰岩的纵波阻抗为16300～17500 g/cm3·m/s，表明纵波阻抗能够区分碎屑岩、纯灰岩和生物碎屑灰岩，因此纵波阻抗成为岩性区分的敏感弹性参数。

为获取储层的物性敏感弹性参数，将CSDP-2井实测的灰岩（包括纯灰岩和生物碎屑灰岩）孔隙度划分成不同等分，将纵波速度、横纵波速度及密度数据由岩石物理方程计算得到弹性参数，对弹性参数进行两两交汇分析，筛选对物性敏感的弹性参数，为下一步储层预测提供参考依据。由交汇分析可知，随着孔隙度的增加，拉梅常数λ 和泊松比（图6a）、纵波阻抗和体积模量K（图6b）、剪切模量μ 和纵波速度Vp（图6c）数值均呈减小趋势，单纯依靠这些弹性参数区分物性会有重叠，由图6d 可以看出，低λρ（拉梅常数和密度乘积）和μρ（剪切模量和密度乘积）的灰岩具有好的物性，且两者的重叠区间相对较小，因此，本文选择λρ 来判断储层物性好坏，将目的层段灰岩的λρ 与孔隙度进行交会分析（图7），得到两者的线性关系φ=λρ×10−9+1.3052。

图 3 CSDP-2 井上石炭统船山组生物碎屑灰岩柱状图和岩心照片a.船山组岩心柱状图，箭头表示岩样分析位置；b.1 730.4 m 生物碎屑泥晶灰岩；c.1 757.03 m 生物碎屑亮晶灰岩充填孔；d.1 777.83 m 生屑泥晶灰岩；e.1 819.5 m 灰岩晶间孔。Fig.3 The lithologic column and core photographs of upper Carboniferous Chuanshan Formation of Well CSDP-2a.Lithologic Column of the Chuanshan Formation, arrows indicate the location of the samples analyzed; b.Bioclastic micritic limestone at depth of 1 730.4 m; c.Bioclastic sparry limestone filled pore in the depth of 1 757.03 m; d.Bioclastic micrite limestone in the depth of 1 777.83 m;e.Limestone intergranular pore in the depth of 1 819.5 m.

图 4 CZ12-1-1 井测井曲线和地震响应特征Fig.4 Logging and seismic characteristic of Well CZ12-1-1

3 孔隙型碳酸盐岩预测技术

图 5 CSDP-2 井岩性敏感参数交汇分析Fig.5 Lithology- sensitive parameters from Well CSDP-2

南黄海石炭系—下二叠统沉积相在横向上分布存在变化，因此其对应的岩性也存在变化，同时由于成岩作用和构造作用，碳酸盐岩储层的物性也会有所不同，需要根据研究区碳酸盐岩岩石物理特征，选择合适的地震反演方法，系统分析有利储层的分布范围。一般情况下，影响地震反演结果的因素主要为地质条件和针对性方法的选择，其中方法选择的关键因素主要有地震资料的品质、井震标定的子波提取、低频模型建立和反演过程参数的选取。因此采用合适的针对性技术手段和思路非常重要[72-73]。本文根据南黄海井点的岩石物理分析得到储层的岩性和物性敏感弹性参数，采用叠前同时反演方法进行石炭系—下二叠统的碳酸盐岩储层预测。具体反演过程为：首先根据不同角度道集的井震标定合成地震记录，获得井旁道远、中、近道集的地震子波；其次结合井点空间插值速度模型和高精度层析速度反演结果，建立低频速度模型；最后通过对优化后的CRP 道集，采用叠前同时反演方法，对南黄海石炭系—下二叠统碳酸盐岩的岩性和物性进行预测，最终获得研究区孔隙型碳酸盐岩的有利储层分布特征，具体技术流程如图8。

3.1 子波提取

基于CSDP-2 井测井曲线进行精细的合成地震记录分析，首先利用雷克子波进行初步的井震标定，然后根据实际井旁地震道提取最小相位子波及零相位子波分别制作合成记录，地震资料频谱为8～50 Hz，主频为25 Hz，通过合成地震记录，得到了全叠加子波，经过大量的合成记录对比分析，发现从该井井旁地震道提取的非零相位子波效果最佳。由图9a 可以看出，CSDP-2 井合成地震记录与实际地震道的匹配一致，说明提取的子波非常准确，进而确定了该井的时深关系。在此基础上，选取3 个不同角度道集的部分叠加地震道集，通过远、中、近道集合成地震记录提取3 个不同角度的子波，用于下一步叠前同时反演（图9b）。

图 6 CSDP-2 井物性敏感参数交汇分析Fig.6 Property sensitive parameters from Well CSDP-2

图 7 CSDP-2 井石炭系—下二叠统生物碎屑灰岩段的λρ 与孔隙度拟合Fig.7 Fitting relationship between λρ and porosity of bioclastic limestone from Carboniferous to Lower Permian of Well CSDP-2

图 8 南黄海叠前同时反演储层预测技术流程Fig.8 Flow chart of pre-stack simultaneous inversion for reservoir prediction

3.2 低频模型建立

海洋地震资料频谱普遍缺失8 Hz 以下的数据信息，因此进行叠前同时反演时，需要根据纵波阻抗、横波阻抗和密度模型，来补全低频信息。首先对速度测井曲线空间插值，即通过精细的地层解释来建立地层格架，再进行井间曲线内插；其次将叠加速度谱的层析反演结果作为低频速度模型，将低频速度模型与井间插值结果两部分的模型进行叠加，从而得到低频纵波速度模型；最后对井点速度、纵横波阻抗以及密度统计结果进行拟合转换，最终得到纵波阻抗、横波阻抗和密度低频模型。

3.3 叠前同时反演储层预测

地震阻抗反演的最终目的是半定量- 定量地预测碳酸盐岩的储层分布以及物性特征，本文通过分角度叠加地震道集资料，在纵波阻抗、横波阻抗和密度低频模型的约束下进行叠前同时反演，从而得到纵波阻抗的岩性数据和λρ 的物性数据（图10a 和10b），根据岩石物理分析的结果，区分碎屑岩和灰岩的纵波阻抗门槛值为13500 g/cm3·m/s，区分生物碎屑灰岩和纯灰岩的纵波阻抗门槛值为16300 g/cm3·m/s，图10a 中纵波阻抗值红色部分代表生物碎屑灰岩，黄色代表纯灰岩，蓝色代表碎屑岩。可以看出石炭系—下二叠统栖霞组生物碎屑灰岩储层比较发育，主要在石炭系和州组和船山组，以及下二叠统栖霞组局部分布。结合图10b 中λρ 显示的物性剖面（3～6）×107（kg2/m2·s）为灰岩段有利物性储层，图中红黄色表示物性最优，绿、蓝色表示物性较好。根据波阻抗门槛值去掉碎屑岩和纯灰岩的阻抗范围，结合岩石物理分析结果，得到λρ 与孔隙度的拟合关系（图7），最终得到孔隙型碳酸盐岩储层的孔隙度数据体（图10d），可以看出石炭系孔隙型碳酸盐岩储层表现出较强的非均质性，且横向分布具有一定的不连续性，位于北东方向古高地处物性较好，孔隙度较高，为7.5%～12.5%。

4 孔隙型碳酸盐岩成因分析

扬子板块石炭系—下二叠统的古纬度为1.6°S，位于赤道附近的热带海洋环境地带，温暖海水有利于碳酸盐岩发育[62]。这段时期南黄海盆地的水体较四川盆地深，因此孔隙型碳酸盐岩不像四川盆地大范围分布，仅发育于四周被广海陆棚或槽棚相所围限的碳酸盐岩台隆边缘。南黄海崂山隆起为加里东期之后的继承性古隆起[74]，局部高地主要发育礁滩相台地，且礁滩体展布多受局部构造所控制，其形成常与古隆起和古断裂作用有关。此外台地边缘的张性断裂在地层缓慢的沉积过程中为生物礁的生长提供了可容空间和深部的营养成分。

图 9 CSDP-2 井合成地震记录及提取子波（a.全叠加数据合成地震记录，b.远、中、近叠加道集合成地震记录，c.不同叠加道集提取的近、中、远角度子波，d.不同角度提取子波的能量谱）Fig.9 The synthetic seismogram and extract wavelets of the Well CSDP-2（a.synthetic seismogram from full stack seismic, b.synthetic seismogram from far-mid-near stack seismic,c.wavelets extracted from far-mid-near synthetic seismogram, d.energy spectrum of wavelets extracted from different angles）

图 10 叠前同时反演结果a.纵波阻抗剖面代表岩性分布，b.λρ 剖面代表物性优劣，c.下石炭船山组物性切片，d.孔隙度剖面。Fig.10 Pre-stack simultaneous inversion resultsa.Longitudinal impedance profile-representing lithologic distribution; b.λρ profile-representing physical properties;c.Physical properties section of lower Carboniferous Chuanshan Formation; d.porosity profile.

研究区碳酸盐岩沉积过程中存在较高的孔隙度，但由于地层的埋藏压实作用，原生孔隙均相继被充填，后期受印支运动作用，上覆地层被抬升到地表遭受暴露，在古高地附近的石炭系—下二叠统孔隙型碳酸盐岩发生大气淡水淋滤和溶蚀作用，使得次生孔隙发育，以溶孔、粒间、粒内孔为主的复杂组合为主。南黄海崂山隆起已有钻井CSDP-2 井在石炭系船山组和黄龙组钻遇生物碎屑灰岩，且在该段地层岩心中多处见到油气显示，较好证明了石炭系—下二叠统的生物碎屑灰岩为有利储层段，因此寻找高孔隙性的孔隙型碳酸盐岩是研究区优选目标。