临兴地区致密砂岩储层地震正演模型响应研究

崔 哲， 邢文军， 张 昊， 张军林， 逄建东， 石雪峰， 郭飒飒

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司， 天津 300452)

随着全球对油气资源的需求大幅度提升，致密砂岩油气藏作为一种非常规油气资源，其勘探开发一直是进行商业开采的难点[1-4]。致密砂岩油气藏指在低渗-特低渗致密砂岩储层中赋存的一种非常规油气资源[5-8]。中国拥有储量丰富的致密砂岩油气藏资源，且分布范围广泛，在鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、松辽盆地及渤海湾盆地均有分布[9-13]。本次研究针对鄂尔多斯盆地临兴地区上古生界地层，沉积环境主要为陆相辫状河-三角洲沉积体系，致密砂岩储层横向变化大且不稳定，垂向上，砂泥岩组合复杂，且多为厚层泥岩及砂泥岩薄互层[14-17]。由于受地震资料分辨率影响，在进行地震解释及反演工作中存在一定困难。

为了解决地震反演结果解释的多解性问题，提高地震资料的使用价值，地震正演模拟技术就显得十分重要。正演模拟通过直观地建立以实际地层发育特征为基础的地质模型，模拟地震正演响应特征，指导地震资料解释与反演结果解释，提高储层预测符合率及含油气储层的钻遇率。

20世纪90年代始，地震正演技术迅速发展，并被中外学者广泛用来分析油气储层特征。地震正演技术通过将实际地层发育特征模型化，并对其模拟得到相应的地震响应特征，胡修权等[18]针对白云岩建立了正演模型分析其地震响应特征，并成功划分了勘探有利区；马乃拜等[19]针对塔里木盆地断熔体设计正演模型，结果与实际地震资料吻合，成功指导了地震剖面断熔体的识别；雍凡等[20]通过正演模拟的方法分析了随机介质的地震响应特点，总结了从反射地震数据估算随机介质参数的方法及存在的问题；赵虎等[21]利用正演模拟，详细分析石炭系地层反射的变化特征；李江[22]对岩浆侵入模型进行正演模拟，分析了岩浆对煤层的影响；杜劲松等[23]通过对岩溶体上覆地层进行正演模拟分析，提高了岩溶体储层的预测精度。

地震正演模拟方法主要包括物理模拟方法和数值模拟方法。受实际条件限制，本次研究采用数值模拟的方法，结合实际地层砂泥岩组合特征建立虚化的地质模型，并调整参数进而研究参数的变化对地震响应特征的影响，为研究储层预测的准确性提供理论支持。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘临兴中区(图1)，属于山西省西部临县与兴县境内，面积约为746 km2，横跨伊陕斜坡和晋西挠褶带，而研究主体康宁东区块构造呈平缓状态，西部为低幅构造，南部为紫金山背斜区，在印支期为主强烈逆冲推覆与紫金山岩体共同作用下，研究区以发育逆断层为主，发育有两期，使得构造层分为上下两层[24-26]。南部受紫金山岩体影响，断层由浅至深断开层位较多；断层呈放射状，北部浅层发育规模小，以层间断裂发育为主；断层走向以北西向为主。紫金山隆起地区，断裂发育，对气藏后期保存十分不利。

研究区受到多期构造运动影响，地层在不断隆升剥蚀和下沉作用下，缺失志留系和泥盆系地层，主力产气层位自下而上划分为石炭系本溪组及二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组。自西向东，本溪组地层厚度呈逐渐增大的趋势，下石盒子组地层厚度呈逐渐减小的趋势，太原组、山西组、上石盒子组、石千峰组地层厚度变化幅度较小[27-31]。

图1 研究区地理位置

地层主要沉积环境为陆相湖泊-三角洲沉积体系，但不同地层，沉积环境差异较大，导致地层发育特征及岩性组合变化较大。主力产气层段太2段为砂坪、潮汐水道和砂坝沉积，砂体发育厚度大且连续性好。而其余层段如盒2段、盒4段为分流河道沉积，砂体厚度小，横向连通性差，且岩性组合复杂[32-36]。

2 正演模型的建立及实现

正演模型可以看作是实际地层组合特征的一种简化模型。为了研究致密砂岩储层厚度、子波主频及含气性对地震响应特征的影响，从而指导地震解释及储层预测工作[37-42]。本次研究选取临兴康宁东区某井位地层典型砂泥岩组合特征为研究对象，采用数值模拟的方法对其进行正演模拟，分析其地震响应特征。

数值模拟方法的主要原理是：假设已知地层组合特征及各物性参数，利用软件模拟地震波在地下不同介质间的传播规律，以确定地下介质的地震响应特征。本次研究的主要步骤为：①利用实际测井资料统计分析，确定砂泥岩发育组合特征及岩石物理参数；②以实际砂泥岩组合特征及岩石物理参数，建立模型；③通过波动方程模拟计算地震响应特征；④调整参数，分析参数的变化对地震响应特征的影响[39]。

2.1 岩石物理参数分析

根据实际测井资料统计分析，以LX-23井为例(图2)，该井石盒子组砂体厚度变化较大，最常见的砂泥岩组合为“泥包砂”和“砂泥岩薄互层”组合。其中，高产气层纵波速度为3 908 m/s，密度为2.41 g/cm3，纵波阻抗为9 417 m/s·g/cm3；低产气层纵波速度为4 175 m/s，密度为2.49 g/cm3，纵波阻抗为10 396 m/s·g/cm3；干砂岩层纵波速度为4 689 m/s，密度为2.59 g/cm3，纵波阻抗为12 145 m/s·g/cm3；泥岩层纵波速度为3 908 m/s，密度为2.62 g/cm3，纵波阻抗为10 238 m/s·g/cm3；从纵波阻抗上看，可以区分不同岩性反射界面。模型设计时，以研究区实际井位钻井资料砂泥岩厚度及组合类型为准。

2.2 正演模型设计

本次研究拟建立正演模型并实现实际地层模型波形模拟，子波类型为Richer子波，子波长度为100 ms，初始主频为35 Hz，与目前绝大多数地震资料主频一致，模型所处横向网格为5 m，纵向网格1 m，道间距为25 m，采样间隔为1 ms，不加入噪声。本次模型设计以水平层状模型为主，旨在研究不同砂泥岩组合特征对地震响应的影响，指导后续反演解释工作。

图2 LX-23井上段及下段岩性发育特征

图3 单层砂岩及双层砂岩模型正演响应特征

3 正演模型响应特征分析

首先建立简单的单层泥包砂组合模型(图3)。分析发现，对于这种组合模型，在主频频率为30 Hz时，地震波形的波峰位置出现在泥-砂分界面，而波谷的位置出现在砂-泥分界面，且未发生偏移。而对于两套砂岩中夹大段泥岩的模型中，波峰和波谷的位置已经偏离了原始的分界面，且下部砂体未出现波峰响应，说明最终地震资料呈现的地震波形是不同反射界面数据的叠加。基于此理论基础，展开以下研究分析。

3.1 原始模型正演响应分析

原始水平层状模型的建立基于实际井位的地层发育特征。根据地层发育特征，建立“砂包泥”模型，根据钻井资料统计，各砂泥岩层厚度见表1。

表1 “砂包泥”模型各层厚度统计

根据正演响应特征结果分析(图4)，当主频频率Fm为25 Hz时，地震分辨率为39～45 m，多套砂泥岩反射界面的反射波相互叠加，只能反映包络信息，为波峰强振幅。而在主频频率达到100 Hz时，多个砂岩层的反射相互独立，但由于层厚度较薄，不能分开顶底面。

当砂岩发育以泥岩背景块状砂为主时(LX-23井上段)，建立砂泥岩地层模型，各层厚度如图2(a)所示，正演响应结果如图5所示。

在泥岩背景上的砂岩顶界面整体反应较好，在30 Hz时，中间两个砂体有两套波组，第4套砂组上的泥岩略薄，导致与第3套相互干涉形成一套波峰组合特征。由于反射界面之间的相互干涉，导致模型阻抗界面不一定对应波峰或者波谷；避免习惯性地认为高速标志层(尤其较薄的砂泥岩界面)就是波峰的误导，这对后期地震标定有指导意义。而当出现砂泥岩薄互层时，如上述模型上部第1套砂体组，各层砂岩厚度较小，且夹有薄层泥岩，在主频频率达到50 Hz时，也仅出现一套波峰响应，且直到频率达到200 Hz时，地震响应也只出现一个波峰，并不能完全分开两套砂体。

图4 正演响应结果分析

图5 LX-23井上段砂泥岩模型正演响应特征

而当砂岩厚度较薄，远小于泥岩围岩的厚度时，可以发现(图6)，当主频频率较高，达到60 Hz时，上面薄层虽然很薄，但是围岩厚度较大，波峰反射特征比较明显；第3套砂岩虽然比第1套砂岩厚，但是与第2套砂岩较近，泥岩夹层较薄，由于干涉作用，第3套砂岩没能出现波峰反射特征。

图6 薄层砂岩模型正演响应特征

3.2 等效砂岩模型正演响应分析

等效砂岩模型的建立，即是将所建模型中的薄泥岩夹层，替换为砂岩，将砂泥岩薄互层转换为大块砂体模型，而不改变原始模型的其余部分的岩石物理参数。将其与原始模型进行对比，分析地震响应特征的变化。

等效砂岩模型与原始模型地震响应特征对比发现(图7)，砂泥岩等效模型与原模型基本一致，去掉泥岩夹层后，地震反射特征变化不明显。从该模型看，刻画1 m左右的泥岩夹层完全不可能，有效识别薄层砂泥岩非常困难，导致通过地震数据解释砂泥岩存在较大的多解性。

3.3 流体替换模型正演响应分析

将原始模型中的干层砂岩等效替换为高产气层(图8)，主频频率为30 Hz时，可以看到与原始模型对比，高产气层模型波形特征形态类似，只是深度发生变化。而当主频频率更高之后，才能观察到气层特征与砂泥岩特征区别较大，气层为一套波峰反射。而在实际生产中，地震资料主频范围大概在25～35 Hz，所以这在实际工作中也很难有效判断是否气层。

图7 LX-23井下段砂泥岩薄互层原始模型与等效砂岩模型正演响应特征对比(Fm=20 Hz)

图8 单层砂体原始模型与流体替换模型正演响应特征分析(右第1套砂体为高产气层)(Fm=30 Hz)

当发育多套砂岩时，将某一套干层砂岩替换为高产气砂岩(图9)，可以看到与原始模型相比，高产气层砂岩模型波形发生较大变化，且最上部一套砂泥岩薄互层的波形相比原始模型发生了较大变化。高产气层与最上部砂泥岩薄互层的距离为44.6 m， 超过了高产气层影响的范围，所以排除高产气层对上部砂泥岩波形的影响。经分析，其原因为相对关系的影响，上部砂泥岩正演波形振幅的范围为0～1，而下部高产气层砂岩的振幅，受到下部干层砂岩的影响，地震反射相互叠加，其振幅增强，由原来的两套波峰特征变为一套波峰反射且量级达到10以上，位置发生了变化所以导致波形对比变化剧烈。

图9 多套砂岩原始模型与流体替换模型正演响应特征分析(右第3套砂体为高产气层)(Fm=30 Hz)

4 结论

1)地震资料显示的地震波形是不同反射界面数据的叠加，在较高分辨率时，多套砂岩层的反射相互独立；较低分辨率时，多套砂岩层的反射波开始叠加，只能反映包络信息。

2)从等效砂岩模型看出，去掉泥岩夹层的等效模型与原始模型地震响应基本一致，导致通过地震数据解释砂泥岩存在较大的多解性。

3)高产气层的存在，仅会导致波形的位置发生变化，从剖面上看只是深度发生变化，这在实际工作中也很难有效判断是否为气层。

本次研究针对鄂尔多斯盆地致密砂岩储层厚度变化大难预测的问题，将实际地层模型化进行正演模拟，分析总结不同模型地震响应特征规律，在现行地震主频较低时，无法区分单层砂体，且与等效砂岩模型地震响应一致，导致地震解释多解性的存在；并且高产气层砂体的存在，会影响到波形的变化，这些都是在储层预测时所需考虑到的问题。