基于波动方程正演对九龙山地区茅口组地震响应特征识别研究

2021-04-09闻星宇袁炳强徐宝亮张志诚

地质与勘探 2021年2期

闻星宇，袁炳强，徐宝亮，张志诚，罗强

(1.延长油田股份有限公司，陕西延安 716000；2.东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072750；3.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065)

0 引言

九龙山区域构造属于上扬子准地台北部边缘的龙门山山前断褶构造带、米仓山前缘断褶带和川北平缓构造带三个次级构造带之间的过渡区域(图1)(邓瑛等，2011；霍飞等，2018)。地面构造为一大型北东向穹隆状短轴背斜，为继承性构造隆起，从地表第四系至地腹震旦系均有构造圈闭存在(巩磊等，2012；齐中山，2018)。

前人对深部位碳酸盐岩储层的研究程度较低，已钻遇深部位储层的井较少，但多口井见到较好的油气显示。九龙山地区茅口组埋深大，都在5500 m以下，基质基本无储集性，储集空间以裂缝、溶蚀孔洞、缝洞、小型孤立落水洞为主。波动方程正演数值模拟最接近于实际地震波传导特征，能很好地反应地下复杂的构造，更好地研究地下复杂介质的规律。本次研究在九龙山三维区利用新处理连片地震资料分析茅口组缝洞体的地震响应特征，为深化本区海相碳酸盐岩储层地质认识、指导勘探部署扩大储量范围及提高产能等提供了重要的理论依据(李战业等，2009；吴成，2014；薛江龙等，2016)。

1 方法原理

波动方程正演的基本步骤是：①依据实际井参数，基于非均质层状技术原理在显示界面绘制模型；②定义震源参数，首先设置放炮方式，然后定义炮数、炮间距和要计算的炮数，接着定义检波点排列参数，确定采样间隔、采样点、初始条件(赵虎等，2011；卢浩等，2018)；③建立波动方程，可以是声波、弹性波或粘弹性波，细节设置直接影响部分输出结果，包括是否使用高阶算法、网格化参数、边界条件；④对波动方程进行求解(李青阳等，2019；Jia et al.，2005；李万万，2008)。

图1 九龙山地区区域地质图Fig.1 Regional geological map of the Jiulongshan area1-地点及地名；2-井位及井名；3-褶皱皱迹；4-地面构造；5-矿区边界1-place and name；2-well location and name；3-fold trace；4-surface structure；5-mining area boundary

弹性介质波动方程：

(1)

其中，λ、μ为拉梅常数；ρ为密度，单位：kg/m3；为拉普拉斯算子；f为震源项；P为应力，单位：MPa；t为时间，单位：s。

弹性波动方程模型包含了转换波和横波效应(汪勇等，2019)。它不仅考虑密度和纵波的分布，也要求知道对应横波的速度，当入射到分界面时，会同时产生反射波、透射波、散射波、绕射波等，但是计算时间很长(马德堂等，2003；陈可洋等，2009)。弹性波动方程需要纵波、横波、密度等，由于本文所涉及的横波速度与密度可以根据软件用纵波估算算出，所以只需得到纵波速度即可(曹新文等，2017；刘中宪等，2017；杨敬雅等，2019)。

综上所述，为了更接近储层的实际条件，本文以弹性波动方程方法为主，由于褶积法计算速度快，可以以褶积法为辅互相对比参考开展下二叠统茅口组储层正演模拟，最大程度地发挥软件和各方法模型的功能和优势(陈宗清，2009；黄东等，2011；罗静等，2013)。

2 测井响应特征

茅口组储集空间以晶间孔、晶间溶孔及微裂缝为主，属于裂缝-孔洞型储层(冯明友等，2015;张本健等，2019)。储层岩石类型主要以亮晶生屑灰岩为主，夹薄层白云岩；从Y3与Y1井可见茅口组储层测井响应特征表现为相对低速、低伽马(图2)。

九龙山地区茅口组地层厚度变化大，从钻穿茅口组钻井数据来看，其厚度变化在110～185 m，横向变化明显，尤其在茅二段地层，由东北向西南方向地层剥蚀强度逐渐增强(图3)(胡明毅等，2012；舒晓辉，2012；李延钧等，2013)。茅口组储层主要发育在茅二段顶部，储层厚度沿南西北东向减薄，且整体储层厚度较小。

图3 九龙山地区茅口组茅二段地层划分与对比图Fig.3 Stratigraphic division and comparison of the second member of the Maokou Formation in Jiulongshan area

3 地震响应特征

3.1 数据准备

地质模型的准确性很大程度上取决于对基础数据的分析。本次研究以川西北气矿提供的九龙山地区最新的钻、测井资料为依据，利用高密度样点采样统计方法，确定了Y1、Y2、Y4、Y3、Y5井和Y6井各目的层段的地层厚度(表1)、储层厚度(表2)和地层平均速度(表3)，为本次下二叠统储层正演提供了数学建模的理论参数。从钻井资料来看，目前，下二叠统茅口组完钻程度高，而仅有Y5井和Y6井钻穿栖霞组，因而在建立储层地球物理响应特征时，可供茅口组储层正演结果参考验证的过井地震剖面较多(剖面见后文)，更具一般性。

表1 单井各目的层段地层厚度统计一览表

3.2 茅口组地质模型及正演结果

本次研究基于非均质层状介质建模技术，采用波动方程、垂直入射等地震正演模拟方法开展不同地质模式的缝洞地震响应特征分析，建立了孤立溶洞和缝洞系统2种茅口组储层地震响应模式(李世中等，2018)(图4)。

图4 茅口组储层地质模型Fig.4 Geological model of the reservoir of Maokou Formation

3.2.1 孤立溶洞

从常规地震剖面上可以看出茅口组顶端振幅减弱、同相轴向上凸起断续的特点，首先我们从地貌入手考虑是否为喀斯特地貌与古潜山的影响(图5)。

考虑喀斯特古地貌，图6模拟受该地形控制储集体地震响应特征。该储集体在50～300 m尺寸均有振幅减弱特征，且大于150 m尺寸储集体同相轴多呈锯齿状，与实际地震储集体呈串珠状上拉、振幅减弱特征不符。考虑古潜山古地貌(图7)，模拟受该地形控制储集体地震响应特征。该储集体受地貌影响明显，储集体底部均为弱峰反射特征，同相轴基本沿地貌尺寸、弯曲程度等特征上拱，仅在大于150 m尺寸储集体处纵向上有振幅连续减弱特征，与实际地震储集体呈串珠状上拉、振幅减弱特征不符。

图5 茅口组常规地震剖面Fig.5 Conventional seismic profile in Maokou Formation

图6 茅口组喀斯特地貌模型及其正演结果Fig.6 Karst landform model of Maokou Formation and its forward modeling result

图7 茅口组古潜山地貌模型及其正演结果Fig.7 Landform model of ancient buried hills in Maokou Formation and its forward modeling result

排除其他地貌，考虑孤立溶洞是否为造成地震常规剖面上响应特征的原因。基于非均质层状介质建模技术和实际探井参数，综合考虑了孤立溶洞物性差异和尺度变化两种影响，排列长度1500 m、宽600 m，缝洞尺寸为5 m×5 m、10 m×10 m、20 m×20 m，充填速度从左到右分别为6000 m/s、5500 m/s、5000 m/s，长兴组速度5000 m/s、龙潭组4900 m/s、茅二段6253 m/s、茅一段5869 m/s，炮间距30 m，道间距15 m，主频30 Hz，网格5 m×5 m，采样间隔2 ms，建立了茅口组孤立溶洞地质模型(图8)。观测系统采用中间放炮两边接收，采用波动方程地震正演模拟方法和叠前时间偏移等处理流程开展孤立缝洞地震响应特征分析。图7结果为该模型的深度域偏移剖面，从正演结果不难看出，总体上孤立溶洞地震响应呈同相轴上拉、振幅减弱的特征；在当储层物性发生变化而其他属性不变时，物性差异越大，茅口组顶部的同相轴上拉和振幅减弱响应特征越明显；而对于不同尺度的孤立溶洞，从横向上不难发现，识别10 m以上尺度溶洞的地震响应特征较为清晰，且尺度越大，效果越明显；在纵向上，呈串珠状展布，且向下振幅骤变减弱直至消失(侯宇等，2019)。

图8 茅口组孤立溶洞模型及正演结果Fig.8 Isolated karst cave model and forward modeling results of Maokou Formation

考虑孤立溶洞尺寸变化对地震响应的影响，200 m以上尺寸储集体同向轴振幅减弱，但纵向上同向轴上拉效果向上减弱至消失，与实际地震储集体呈串珠状上拉、振幅减弱特征不符(图9)。

图9 茅口组大尺寸孤立溶洞模型及正演结果Fig.9 Large-scale isolated karst cave model and forward modeling result of Maokou Formation

上述茅口组孤立溶洞正演模拟地震响应特征在研究区内广泛分布，无论是常规地震剖面(图5)，还是过探井叠前时间偏移剖面(图10)，在储层发育层段均呈现良好的匹配效果。因而，证实了研究区茅口组溶蚀孔洞类型是有利储层发育的地震响应模式：在溶蚀孔洞储层发育层段，地震响应特征为同相轴上拉、振幅减弱的特征。

图10 过Y1井叠前时间偏移剖面Fig.10 Pre-stack time migration profile of Y1 well

3.2.2 缝洞系统

在曲率属性平面图显示深色的异常溶洞与溶蚀沟特征，表现为一系列“圆形”异常体线性展布的特征(图11a)。剖面上主干断裂以“Y 字形”和雁列式展布为主，受“Y 字形”断裂控制的圈闭，其剖面形态多为虎牙状；受雁列式断裂控制的圈闭，其剖面形态多为漏斗状(图11b、c、d)；在空间上多表现为条带状缝洞体圈闭。

图11 九龙山地区缝洞体Fig.11 Crack-cavity in the Jiulongshan areaa-茅口组顶界曲率平面图；b-A-A′地震剖面特征；c-L16井成像测井照片；d-B-B′ 地震剖面特征a-curvature plane of the top boundary of the Maokou Formation；b-A-A ′seismic profile characteristics；c-L16 imaging log image；d-B-B′ seismic profile characteristics

这些深大断裂向下消失于志留-寒武系泥页岩塑性地层，向上消失于嘉陵江组膏盐岩地层，是连通优质烃源岩的有效通道。缝洞体在成像测井上表现为明显的黑色条带沿垂向和横向展布，垂向条带延伸较远，宽度较小；横向条带呈断续状，宽度较大；结合曲率属性可以较好地刻画缝洞体储层发育有利区带，茅口组曲率平面展布图显示出，条带状缝洞体与孤立溶洞同时发育。目前，九龙山地区高产井均钻遇缝洞体圈闭，不同类型缝洞体气藏产能差异较大，条带状缝洞体圈闭开发效果最好。

受加里东运动影响，研究区茅口组主要发育近东西向断层，并在二叠系得到继承，在早二叠纪末期，盆地抬升，茅口组大面积遭受暴露溶蚀，沿断裂垂向和侧向溶蚀，形成储层(杜夕庆，2014)。因而，研究区缝洞系统是依托断层发育而成。基于以上认识，结合实际钻井参数，建立了下二叠统茅口组断裂与溶蚀孔洞伴生的缝洞系统地质模型(图12)。

采用褶积地震正演模拟方法开展缝洞系统地震响应特征分析，正演模拟结果显示，在茅口组缝洞系统发育层段，同相轴明显呈扭曲断续、下拉、错断等反射特征(图12)。这一正演结果同样在研究区内过井地震剖面上有较好的匹配效果(图13)。因而，证实了研究区茅口组发育缝洞系统有利储层的地震响应模式：在茅口组缝洞系统发育层段，地震响应特征为同相轴扭曲错断、下拉的特征。