川东北地区茅口组储层地震响应特征及预测方法

2023-10-11刘嘉伟张洁伟张光荣李明翼

石油物探 2023年5期

赵虎,刘嘉伟,张航,吕乐,张洁伟,张光荣,李明翼

(1.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室,四川成都610500;2.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;3.中石油西南油气田分公司川东北气矿,四川达州635000;4.中国石油西南油气田公司油气资源处,四川成都610041;5.中国石油西南油气田公司勘探事业部,四川成都610041)

1 研究区概况及存在的问题

早二叠世,四川盆地发生了大规模海侵事件[1]。海侵初期形成了一套梁山组海陆过渡相的碎屑岩沉积;随后栖霞期在四川盆地沉积了一套稳定的浅海碳酸盐岩沉积[2]。中二叠世茅口初期,四川盆地发生了二叠纪以来最大规模的海侵事件[3],茅一段继承了栖霞期的沉积地貌,沉积了一套水体较深的“眼皮眼球”状灰岩。茅口晚期,随着勉略洋南侧大陆边缘的伸展闭合以及峨眉地幔柱的持续隆升,盆地内形成了多条隆凹相间的地貌背景[4-6],并伴随着海平面逐渐下降,茅口沉积后期开始形成规模颗粒滩沉积,为储层大面积分布奠定了基础。从四川盆地茅口组沉积相平面图(图1)可以看出,研究区在龙会场地区西北方向主要以斜坡相沉积为主,双家坝和龙门地区主要以颗粒滩沉积为主,具备形成规模储集层有利相带的沉积背景。目前研究普遍认为,四川盆地下二叠统茅口组储层的发育主要以相控和岩溶为主,高能颗粒滩相带的分布与岩溶古地貌高部位控制着茅口组储层的发育与分布,茅口组勘探主要针对台缘高能滩[6-11]。川东北龙会场—龙门地区位于茅口组沉积高能相带及岩溶古地貌有利部位,具备形成相控和岩溶储层的条件,区内及邻近区多口钻遇茅口组的井常见良好的油气显示,以井漏和气测异常为主。同时,茅口组上覆龙潭组泥页岩发育,下伏志留系和奥陶-寒武系烃源岩优越,具有良好的勘探潜力。尽管川东北地区发育侏罗山式褶皱[12],具有多排背斜构造,但目前已钻井效果并不好,由于茅口组储层非均质性较强且厚度薄,平面展布规律不清,地震响应特征不明显,因而一直未能形成行之有效的储层地震识别模式。如WT1井储层发育好,测试高产,但在地震剖面上无明显响应,仅以微弱的振幅减弱特征加以识别[9,13],但这一模式在邻近GUAN36井实践中未获得成功,说明该种储层地震模式存在多解性。因而有必要在川东北广大向斜区建立有效的茅口组储层识别模式。同时,近年来川南地区以断层为主控因素的储层预测思路获得了较好的勘探成效[14-16],川东北地区是否可以借鉴此思路呢?

图1 四川盆地茅口组沉积相带及研究区位置

针对以上问题,以川东北龙会场-龙门地区茅口组为研究对象,综合利用地震地质资料,从茅口组储层单井特征研究出发,结合正演模拟,总结储层地震响应特征,利用地震属性、地震相及波阻抗反演等技术刻画茅口组储层,并重点分析古地貌、高角度和低角度断层对储层发育的影响,进而在地质信息约束下建立川东北地区茅口组储层地震识别模式,为川东北地区茅口组储层规模勘探提供理论依据及技术支撑。

2 茅口组储层特征

结合邻区及本区的岩屑薄片资料,认为研究区茅口组储集岩类型以颗粒灰岩类和白云岩类为主,主要发育在茅二段内(图2a和图2b)。研究区茅口组的颗粒灰岩大多分选较好,生物颗粒较为破碎,颗粒间可见方解石胶结物,代表当时处于浪基面附近水体能量较高的沉积环境,该部位沉积期位于古地貌高部位,会频繁暴露出水面,接受大气淡水溶蚀,从而形成较好的储集层[17-18]。颗粒灰岩是研究区内茅口组储层最主要的储集岩类型,白云岩在研究区内发育较少,主要分布在茅二段中部,岩石类型主要以细-中晶白云岩为主,晶体粒径范围在80～200μm,自形程度较好,晶间孔隙较为发育,局部可见裂缝(图2c、图2e和图2f)。

图2 研究区茅口组主要储集岩类型(据西南油气田)

研究区多口钻井显示各类岩性储层测井响应特征较为明显,且比较相似,总体表现为“三低两高”的特征,即高声波、高中子、低密度、低电阻率以及低自然伽马(图3)。图3显示了LH2井和QL22井茅口组储层测井响应特征,其中LH2井4413.4～4422.8m井段发育9.4m储层,4448.0～4451.6m发育3.6m储层,4457.6～4463.2m发育5.6m储层,4409.0～4418.5m与4410.0～4423m井段录井均显示井漏,双家坝地区的QL22井具有同样测井响应特征。

图3 研究区茅口组储层测井响应特征(1ft≈30.48cm,1in≈2.54cm)

统计发现研究区茅口组储层厚度总体较薄,主要在15m以内,以5～10m为主(图4),纵向主要集中分布在茅二段内,茅一段内鲜有发育。储层通常发育在距离茅口组顶部40m以内,大部分在20m以内。储层对比研究表明,茅口组储层不仅在纵向上分布差异大,而且横向非均质性强,可对比性差。如在龙会场地区几口钻井平均相距2km,但储层厚度差异较大(图5)。其中,LH2井茅口组储层厚度累计达18m,其相邻LH1井茅口组储层厚度只有6m,但LH3井储层厚度又达到24m。

图4 研究区茅口组储层厚度及发育位置统计

图5 研究区茅口组储层连井对比

3 储层地震响应特征

井-震标定及地震精细解释发现,研究区茅口组储层有两种地震响应特征,我们称之为Ⅰ型和Ⅱ型储层地震响应特征。

3.1 Ⅰ型储层地震响应特征(振幅变弱)

这种储层响应特征通常是储层发育在茅口组顶部(0～25m),表现为茅口组顶界强波峰振幅减弱,如区内LH2井茅口组储层发育在距顶0.7m处,顶部储层厚约9.4m,累计厚度约为18m,测试产气量103.9×104m3/d。从地震剖面上可以明显看出,茅口组顶波峰反射明显减弱(图6),产生的原因是储层发育导致地震波速度降低,波阻抗差变小。同时,可以发现该井附近有低角度断层发育,需要考虑这些断层对储层是否有改造作用。

3.2 Ⅱ型储层地震响应特征(亮点反射)

这种储层响应特征出现在茅口组内部(距离顶部25m以上),表现为“亮点”反射,此类储层通常发育在茅口组中部。如区内QL22井在距离顶部28m处发育8.6m厚储层,测试产气量10.44×104m3/d。在茅二段内部形成一个局部连续性较好的波峰反射(图7)。同时,QL22井岩芯镜下薄片显示茅口组岩性以颗粒灰岩与白云岩为主(图2c、图2e和图2f),并且附近可见大量断至基底的高角度断层,需要考虑这些高角度断层是否能够沟通深部热液及烃源岩。

图7 QL22井储层地震响应特征

为了验证以上储层地震反射特征,建立了储层不同厚度及发育在不同位置情况下的正演模型(图8)。设计在茅二段内发育距离顶部不同位置的储层模型,从左至右,储层距顶部的距离依次从0增加到40m(图8a);并分别建立储层厚度为15m和20m的两种情况来模拟不同储层厚度对地震响应的影响。地层速度及密度信息由测井参数统计而得(表1)。采用主频为26Hz的雷克子波(与实际地震资料匹配)进行零炮检距的波动方程正演模拟。

表1 正演模型地层参数

图8 储层厚度不同及发育不同位置的储层地质模型及其正演模拟

从正演模拟结果看以看出(图8b和图8c),当储层厚度不变时,随着储层距顶部的距离不断增加,茅口组顶界以及茅口组内幕反射特征均发生了较大变化。具体表现为:当储层距离茅口组顶部25m以内时,茅口组顶部强振幅减弱;当储层离茅口组顶部的距离超过25m时,在茅口组内部形成一个亮点波峰反射(图8b)。与此同时,储层厚度的增大,不会明显改变波形特征,只会使振幅有所变化,表现为顶部储层厚度越大,振幅减弱越明显;内部储层厚度越大,“亮点”波峰反射越强(图8c)。

另外,还进行了不同储层厚度的正演模拟研究(图9),设计了不同储层厚度模型,在茅二段当中设计从左到右厚度从5m增大到25m的储层且其距离顶部分别为5m和30m的模型。模型参数与图8的模型参数一致。从正演模拟结果可以看出,当茅口组储层发育在茅口组顶部时(距顶5m),波形特征没有明显变化,只是茅口组顶部强波峰振幅减弱,但储层较薄时(小于10m)减弱特征不明显,随着储层厚度增大,振幅减弱程度越大;同样地,当储层发育在内部时,储层厚度小于10m时,亮点反射也不明显,随着储层厚度增大,亮点波峰反射越明显。由以上正演模拟结果可以得出,当茅口组储层厚度小于10m时,地震响应特征不明显,难以直接从地震剖面上识别。

4 储层地震预测

由储层地震响应特征分析可知,茅口组储层的两种地震响应特征与地震振幅的强弱、波形的变化有明显关系。因此,可以利用地震相、地震属性及波阻抗反演等技术刻画茅口组储层有利发育区。具体流程为:先利用地震相技术明确研究区不同类型储层地震响应特征的分布,再提取相应时窗(Ⅰ型提取顶部时窗,Ⅱ型提取内部时窗)的地震属性或波阻抗平面分布来进行储层预测。

4.1 地震相

由于茅口组存在两种储层地震响应特征,不同的响应特征对应不同的振幅分布,因此需要利用波形聚类技术明确研究区不同波形分布特征,从而指导下一步预测。波形分类技术是利用自组织神经网络识别技术对地震道单元进行分类[19-20],分类时窗设为整个茅二段,分类个数通过多次试验分析,认为选择13类波形能够较好地反映研究区的波形分布。

图10为提取的茅二段地震相波形分类平面,其中,1～2类粉色波形为“亮点”波峰反射地震相,代表Ⅱ型储层反射模式发育;3类深红色波形为逆冲断层高陡构造带杂乱反射,不具备实际意义,分析时应将此类波形剔除;4～8类波形(红色-黄色-浅绿色)为代表Ⅰ型储层反射模式的弱反射地震相,随着颜色由红变绿,振幅越强,代表储层越不发育;9～13类深绿-蓝色波形表示强振幅连续反射地震相,储层欠发育。从图10中可以看出,研究区内代表Ⅱ型储层反射模式的“亮点”波峰反射的地震相较少发育,仅在研究区中部和双家坝地区QL22井周缘较为发育;而代表I型储层反射模式的弱振幅地震相在研究区内广泛发育,主要在龙会场地区南端以及双家坝地区南端;龙门地区整体振幅减弱程度相对较弱但分布范围较广。

图10 研究区茅二段波形分类平面

4.2 地震属性

通过地震相分析可知研究区茅二段内部“亮点”反射欠发育,整个研究区茅二段基本表现为“一峰、一谷”的反射特征,说明研究区内茅口组储层基本发育在茅口组顶部,内部储层欠发育,而顶部储层的发育会使顶部波峰振幅明显减弱,因此,可以提取茅口组顶部的振幅类属性进行储层的识别和预测。

图11为提取的茅口组顶部的均方根振幅属性和平均绝对值振幅属性,该类属性具有良好抗噪性并且地质意义明确。图中黄-红色等暖色调指示弱振幅,代表了储层有利区,浅-深蓝色等冷色调指示储层欠发育,红色井代表储层发育;蓝色井代表储层不发育。两种地震属性都显示龙会场地区西南侧,双家坝地区以及龙门地区中部为振幅减弱显著区,指示着茅口组储层最有利发育区,而研究区中部振幅减弱不明显,仅发育条带状减弱区,大部分井与预测较符合。

图11 研究区茅口组地震属性平面分布特征

5 储层控制因素讨论

由于研究区地震资料主频约为26Hz,根据分辨率计算公式可以计算出茅口组内能够分辨出的地质体厚度大约为57m,而茅口组储层的厚度基本在15m以内,显然难以直接在地震剖面上识别,储层地震预测存在多解性,因此需要在储层的主控因素约束下进行茅口组有利勘探目标的预测。以下结合储层预测结果及井资料重点讨论分析岩溶古地貌和断层两大影响因素。

5.1 古地貌控制因素

首先,从研究区近东西向连井地层对比可以发现,LH1和QL22井茅二段地层较厚,TS8井,L14井,TD57井茅二段地层较薄(图12)。结合古地貌特征可以发现,龙会场地区、双家坝和龙门北地区位于古地貌高部位(LH1、LH2和QL22井区),铁山南、蒲西地区和龙门南地区位于古地貌低部位(TS8,L14和TD57井区)。结合图1的沉积背景认为,研究区整体位于斜坡带,并可细分为两个相带,龙会场和双家坝地区位于斜坡相带局部高部位(上斜坡区域),呈现出高能浅滩的特征,铁山南和蒲包山位于古地貌低部位(下斜坡区域),其中上斜坡的高部位地区可形成茅口组岩溶储层(图13)。

图12 近东西向连井地层对比

图13 茅口组沉积末期古地貌

统计发现工区内的工业气井(LH2和QL22井)位于上斜坡区域,具有气测异常、气侵及测井解释储层发育的井(LH006-1,LH1,LH3,LH006-H3,QL7和QL8等井)也都位于这一相带内(表2)。而无较好显示及测井解释储层发育差的井位于下斜坡区域(TS8,L14,L15,TD4和TD57等井)。同时,以上地震预测储层有利区与古地貌也有较好的耦合关系,说明岩溶古地貌与颗粒滩沉积对储集层的形成具有重要控制作用。颗粒滩沉积体提供较高的原始孔隙度,为储层形成的基础,岩溶古地貌通过控制大气淡水的补给、汇聚和排泄,从而控制溶蚀作用的发生,形成较高孔隙,说明古地貌是茅口组储层发育的关键因素,为其提供了基础条件,斜坡带内局部高部位同样可以发育滩相储层(QL22井)。

表2 研究区钻井显示统计

5.2 断层控制因素

我们发现,同样位于高部位的LH4井并没有较好的油气显示,说明古地貌并不是储层发育的唯一控制因素。统计后发现,储层发育好的井都位于断层附近(表2),并常见低角度和高角度断层同时存在,如高产井LH2井位于低角度和高角度断层交会处。以下讨论分析研究区内两类断层对茅口组储层的控制作用。

5.2.1 低角度断层

第一类是低角度断层控制的大气淡水溶蚀作用。由于晚二叠世的东吴运动使茅口组抬升至地表接受大气淡水岩溶,虽然古地貌控制着整体岩溶水排泄系统,但在岩溶期间,断层及相关裂缝网络系统是地表水和地下水的优势通道及汇聚区,大量岩溶水能够沿断层向深部运移,从而优化改造茅口组储层,甚至沿断层形成大型溶洞[21-22]。由图14可以看出,TS12井处茅口组顶部同相轴振幅减弱程度明显较TS2井大,测井解释TS12井发育8m储层,TS2井发育3m储层,同时TS12井附近可见低角度断层,TS2井附近无断层,说明这种低角度断层对储层具有积极改造作用。同时,断层附近应力释放,裂缝更容易发育,在断层附近形成复杂的裂缝网络系统,增加了储集空间。

5.2.2 高角度断层

需要特别注意的是,本次研究中首次在研究区内发现大量高角度断层(图15)。这类断层具有近似直立的断面,向下断至基底,向上可断至茅口组,局部可见明显的花状构造,与走滑断裂具有相似的特征。本次研究中,不讨论其断裂性质,只详细讨论其对茅口组的控制作用。经过精细地震解释,研究区内高角度断层为近东西向分布(图16黑色线),与四川盆地的16号基底断裂方向一致[23]。而低角度断层走向与其近乎垂直(图16红色线)。由于该类高角度断层具有近似直立的断面并自基底断至茅口组,为热液流体提供了天然的优势通道。中-晚二叠世期间,大规模火山喷发(即东吴运动),为盆地内提供了热液来源[24],而研究区内广泛发育较厚的火山岩,主要为玄武岩和凝灰岩,厚度为10～50m[25],佐证了研究区具备强烈的热动力背景及热液流体。研究区的QL22井也可观察到热液白云岩的典型特征(图15),在QL22井4618.0～4626.6m处发育8.6m厚储层,储层段镜下鉴定表明鲕粒灰岩见明显白云石化,同时地震剖面中可见明显“亮点”反射特征,对应了Ⅱ型储层响应特征。同时该井位于高角度断层的附近,说明这种高角度断层能够沟通深部热液流体,对茅口组灰岩储层进一步优化改造,具有积极意义。

图15 高角度断层改善茅口组储层典型剖面

图16 研究区高角度及低角度断层分布及有利区评价(黄色井为储层发育井,蓝色井为井漏,黑色井为储层不发育井)

目前川东地区茅口组天然气成藏方面研究较少,但从全盆地的研究来看,茅口组天然气主要来自于深部志留系烃源岩以及下寒武统烃源岩的部分贡献。侏罗-早白垩世是茅口组气藏的主要定型期[26-28]。因此,在构造较为平缓的向斜区,这种高陡断面的高角度断裂也可以作为沟通深部烃源岩的优势通道,有利于油气运移至茅口组储层。

5.3 储层地震识别模式

目前在川东北地区以构造圈闭的思路进行茅口组勘探并不理想,在构造较为平缓的向斜区上仅利用地震技术进行茅口组薄储层预测存在多解性,地震响应特征仅是茅口组储层发育的表象,准确率不高;岩溶古地貌是茅口组储层形成的基础,但横向非均质性强,厚度较薄,难以形成规模储层;低角度和高角度断层能够对茅口组储层进一步优化改造(如LH2和QL22井);同时,高角度断层能够沟通下伏烃源岩,有助于油气成藏。综合以上因素,本文建立的川东北地区茅口组储层地震识别模式为:在有利的沉积相带和古地貌高背景下,围绕低角度和高角度断层寻找两类储层地震响应特征,以上因素的叠合区是川东北地区茅口组最有利的勘探区(图17)。同时茅口组储层物性致密,构造圈闭不是茅口组储层勘探的主要因素,满足以上识别模式的向斜区同样可以形成优质储层(WT1井)。在以上地震识别模式基础上开展了研究区茅口组储层勘探有利区划分(图16)。其中,Ⅰ类区满足茅口组沉积有利相带及岩溶古地貌高部位、地震预测有利区、储层地震相以及靠近高、低角度断层所有条件;Ⅱ类有利区满足除靠近断层以外的所有条件。由于主体逆冲构造带资料品质较差,因此划分有利区时没有将其考虑。Ⅰ类和Ⅱ类有利区面积分别为81km2和165km2,在龙会场和双家坝地区分布范围较大,主要沿高角度断层分布,成条带状展布;而研究区中部和东北部地区储层零星分布,可能与高角度断层发育较少有关。下一步茅口组勘探应先着重于龙会场和双家坝的广大向斜地区(图16和图17)。