AVO反演技術(shù)在鹽巖氣預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地東部馬家溝組為例

王樹威

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 前言

鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要的含油、含氣盆地，以馬家溝組碳酸鹽巖為主的儲(chǔ)層賦存有十分豐富的天然氣資源[1]。另外，鄂爾多斯盆地東部不僅是我國(guó)目前煤層氣和煤系非常規(guī)氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)之一，也是國(guó)內(nèi)開展馬家溝組鹽巖氣勘探活動(dòng)最早的地區(qū)，同時(shí)，鹽巖氣等煤系非常規(guī)氣的綜合開采、利用，對(duì)減輕煤礦瓦斯事故和環(huán)境保護(hù)方面意義十分重大。如何利用地震勘探方法對(duì)含氣儲(chǔ)層的分布、厚度及儲(chǔ)層物性、含氣性等特征方面的研究，預(yù)測(cè)與圈閉富集區(qū)，越來(lái)越受到業(yè)界廣泛關(guān)注。

1 地質(zhì)背景

工區(qū)地層由老至新為奧陶系下統(tǒng)馬家溝組，石炭系下統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組、中統(tǒng)二馬營(yíng)組、銅川組，新生界新近系上新統(tǒng)和第四系。

工區(qū)內(nèi)馬家溝組的沉積環(huán)境類似于鄂爾多斯盆地靖邊地區(qū)，馬一段、馬三段和馬五段沉積時(shí)期氣候干熱，海平面下降，主要為臺(tái)地蒸發(fā)巖相沉積，發(fā)育膏鹽巖和鹽巖沉積，周圍則發(fā)育了一套白云巖加薄層硬石膏巖的含膏云坪相沉積[2-5]。馬二段和馬四段沉積時(shí)氣候濕熱，海平面上升，主要發(fā)育石灰?guī)r夾少量白云巖的開闊海相沉積[6]。

2 原始資料分析及處理思路

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部，共四條測(cè)線，區(qū)內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜。區(qū)塊的地勢(shì)總體為東高西低，屬侵蝕較為強(qiáng)烈的梁峁?fàn)铧S土地貌。基巖僅出露于溝谷地帶，山頂、山梁大面積為黃土覆蓋。原始資料總體表現(xiàn)為：記錄面貌良好，大部分炮集記錄信噪比較好(圖1)。但由于激發(fā)條件不同(有洛陽(yáng)鏟打的土孔和山地鉆打的基巖孔)單炮之間的頻率變化較大；反射波信號(hào)很強(qiáng)，有效波頻率在15～70Hz，主頻在33Hz左右。

利用地震勘探技術(shù)對(duì)研究區(qū)馬家溝組鹽巖含氣富集性預(yù)測(cè)，屬巖性勘探范疇，對(duì)地震資料的保真、保幅處理要求高，因此，在構(gòu)造勘探基礎(chǔ)上，保真、保幅處理是重中之重。需要在解決激發(fā)和接收條件不同帶來(lái)的振幅和頻率差異的基礎(chǔ)之上，同時(shí)得到較高的縱、橫向分辨率。圖2所示為工區(qū)典型地震時(shí)間剖面。圖中標(biāo)出了馬家溝組鹽巖儲(chǔ)層的反射波。Tom5波是馬家溝組五段底界面的反射波，該反射波在地震時(shí)間剖面上的特征為能量較強(qiáng)，局部發(fā)育，連續(xù)性較好；Tom3波和Tom1波是馬家溝組三段和一段底界面的反射波，這兩個(gè)反射波在地震時(shí)間剖面上的特征為能量弱，連續(xù)性一般，波形基本穩(wěn)定。

圖2 層位標(biāo)定時(shí)間剖面

3 預(yù)測(cè)方法

馬家溝組鹽巖氣富集區(qū)預(yù)測(cè)包含巖性預(yù)測(cè)、厚度預(yù)測(cè)和含氣性預(yù)測(cè)三個(gè)方面。

巖性預(yù)測(cè)是通過(guò)疊后波阻抗反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。目前使用較多的是約束稀疏脈沖反演算法，它由稀疏初始模型開始，在假設(shè)模型變化參數(shù)和邊界條件下，通過(guò)與地震剖面的對(duì)比和低頻波阻抗模型約束，通過(guò)迭代多次修改初始模型，要求合成地震記錄與原始記錄誤差最小[7-8]。

厚度預(yù)測(cè)是找到區(qū)分目標(biāo)巖性的曲線波阻抗屬性門檻值，然后通過(guò)波阻抗反演獲取鹽巖的分布，并求取其厚度。

含氣性預(yù)測(cè)是通過(guò)疊前AVO反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。大量實(shí)際的研究表明，某些儲(chǔ)層雖然在零偏移距剖面上響應(yīng)微弱，但是在遠(yuǎn)偏移距剖面上有著較強(qiáng)的地震響應(yīng)。這種現(xiàn)象就是所謂的AVO現(xiàn)象，產(chǎn)生AVO現(xiàn)象的原因是反射界面上下地層的密度和彈性模量變化引起的，彈性模量的差異導(dǎo)致了泊松比之間的差異，而彈性模量的差異又由含油氣引起，這種異常最終產(chǎn)生了AVO現(xiàn)象，同時(shí)也是AVO反演預(yù)測(cè)油氣的根源。

3.1 巖性預(yù)測(cè)

3.1.1 原理及流程

約束稀疏脈沖反演算法是一個(gè)在趨勢(shì)約束脈沖的背景下的稀疏脈沖反演方法，其根本依據(jù)是假設(shè)地下的巖石界面中，強(qiáng)反射系數(shù)的界面是稀疏排列的，而不是連續(xù)排列的[9]。

約束稀疏脈沖反演(Constrained Sparse Spike Inversion)是通過(guò)約束井資料及地震反射系數(shù)建立聲波阻抗數(shù)據(jù)體。約束稀疏脈沖反演的最小誤差函數(shù)為[10-11]：

J=∑j|rj|p+λq∑j(dj-sj)q+α2∑j(tj-zj)2

式中：J為目標(biāo)函數(shù)；rj為反射系數(shù)采樣；λ是實(shí)際地震與合成地震記錄殘差權(quán)重因子；dj是地震道數(shù)據(jù)采樣；sj是合成地震道數(shù)據(jù)采樣；α是趨勢(shì)權(quán)重因子，一般取α=1；tj是由井資料確定的波阻抗趨勢(shì)采樣[12]；zj是在井約束的最大和最小波阻抗之間的波阻抗采樣；p，q是L模因子，一般情況下取p=1，q=2；j是地震道采樣點(diǎn)序號(hào)；第一是反射系數(shù)絕對(duì)值之和，第二是實(shí)際地震道與合成記錄道之差的平方，第三是確定的趨勢(shì)約束與波阻抗之差的平方和[13]。

3.1.2 初始模型建立

利用解釋層位建立該工區(qū)目標(biāo)層地質(zhì)框架模型，得到地層框架模型后，利用已知井的波阻抗曲線沿構(gòu)造框架內(nèi)插外推得到波阻抗模型。根據(jù)測(cè)井分布特征和構(gòu)造特征選取局部克里金插值方法構(gòu)建低頻阻抗模型。圖3為工區(qū)目標(biāo)層段低頻阻抗模型。

3.2 厚度預(yù)測(cè)

首先利用馬家溝組鹽巖在測(cè)井曲線上的響應(yīng)差異， 精細(xì)劃分出所選用井的灰?guī)r和鹽巖所發(fā)育的位置，然后通過(guò)巖石物理分析，對(duì)工區(qū)內(nèi)各井孔的波阻抗曲線，自然伽馬曲線以及巖性曲線等曲線做交會(huì)分析，找到區(qū)分目標(biāo)巖性的曲線波阻抗屬性門檻值。

在馬家溝組時(shí)窗內(nèi)得到井孔自然伽馬曲線與波阻抗曲線的交會(huì)圖，如圖4可見波阻抗參數(shù)在馬家溝組內(nèi)能區(qū)分灰?guī)r和鹽巖，因此，可通過(guò)波阻抗反演獲取鹽巖的分布，并求取其厚度。

馬家溝組自然伽馬與波阻抗交會(huì)分析得到馬家溝組鹽巖的波阻抗值≤8 000m/s·g/cm3。預(yù)測(cè)巖層的厚度基本方法是統(tǒng)計(jì)每個(gè)CDP點(diǎn)該層波阻抗門檻值以上(或以下)樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，樣點(diǎn)個(gè)數(shù)×采樣率/2作為本層的時(shí)間厚度，再與巖層速度相乘得到巖層的厚度。圖5為區(qū)內(nèi)主測(cè)線D2線馬家溝組的巖性預(yù)測(cè)剖面圖。

圖3 工區(qū)目標(biāo)層段低頻阻抗模型

圖4 馬家溝組自然伽馬與波阻抗交會(huì)

3.3 含氣性預(yù)測(cè)

3.3.1 原理及流程

AVO即振幅與偏移距的關(guān)系，它是用來(lái)分析疊前地震資料的振幅特征以獲得地下巖石和流體信息的一項(xiàng)重要技術(shù)。

AVO屬性分析，具體步驟分為以下三個(gè)步驟：疊前道集分析及處理、儲(chǔ)層含氣性測(cè)井響應(yīng)特征分析和梯度-截距屬性提取。

3.3.2 預(yù)測(cè)方法

對(duì)于含氣飽和度不同的鉆井， 高含氣量的儲(chǔ)層一般能形成較強(qiáng)的AVO異常，低含氣量的儲(chǔ)層AVO異常小?；贏VO可以得到截距和梯度屬性， 通過(guò)分析含氣飽和度與AVO的關(guān)系， 對(duì)儲(chǔ)層含氣性進(jìn)行反演預(yù)測(cè)。高產(chǎn)氣井的振幅隨偏移距的增大表現(xiàn)出明顯的減弱現(xiàn)象，上界面負(fù)相位反射振幅則表現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)截距和正梯度異常，下界面正相位反射振幅呈現(xiàn)較強(qiáng)的正截距和負(fù)梯度異常；但低產(chǎn)氣井的AVO不明顯，說(shuō)明儲(chǔ)層上、下界面反射波振幅梯度曲線異常變化較小[14]。

截距(A)和梯度(B)是AVO分析中很有意義的兩個(gè)參量，其中截距反映了垂直入射的反射系數(shù)，梯度則描述了振幅隨炮檢距的變化特征。在AVO截距和梯度交會(huì)分析中，截距和梯度總是呈現(xiàn)出較規(guī)則的趨勢(shì)，而偏離趨勢(shì)的部分則意味著巖性的變化或是油氣異常，因此人們不僅根據(jù)這些油氣異常在截距一梯度交會(huì)中的位置來(lái)確定AVO類型，還可以利用截距及梯度之間的關(guān)系構(gòu)建出與儲(chǔ)層巖性和流體變化有密切關(guān)系的縱、橫波阻抗及泊松比等屬性參數(shù)。另外，截距、梯度也是同時(shí)考慮子波和反射系數(shù)變化的矢端圖AVO分析的基礎(chǔ)。由此可見，在AVO分析和參數(shù)反演中準(zhǔn)確地求取AVO梯度和截距顯得格外重要[15]。

圖5 D2線馬家溝組巖性厚度預(yù)測(cè)剖面

利用Geoview軟件提取的測(cè)線截距(P)—梯度(G)屬性剖面如圖6所示，圖6(a)和圖6(b)分別為D2測(cè)線的截距、梯度分析。

通過(guò)分析截距和梯度的變化規(guī)律，了解儲(chǔ)層含量與AVO屬性之間的關(guān)系。在利用疊前CRP道集，提取了目的層的AVO截距P和梯度G屬性[16]。在分析了含氣井與非含氣井井旁道AVO響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，擬泊松比(P+G)兩種屬性作為AVO流體因子敏感屬性檢測(cè)儲(chǔ)層的含氣性，如圖6(c)所示。對(duì)比井口位置的擬泊松比屬性特征，成果表明：有利含氣區(qū)呈低擬泊松比特征。

圖6 D2線截距、梯度和擬泊松比剖面

3.4 預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4.1 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

首先正演分析獲得含氣量大小對(duì)AVO屬性的影響，得到含氣量與截距、梯度計(jì)算的擬泊松比屬性相關(guān)性；然后進(jìn)行AVO反演后，得到截距和梯度屬性體，計(jì)算擬泊松比數(shù)據(jù)體。利用擬泊松比屬性對(duì)測(cè)線含氣性進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)AVO屬性和含氣性之間的理論關(guān)系可知，儲(chǔ)氣層的含氣量和AVO屬性存在一定的線性關(guān)系，當(dāng)儲(chǔ)層含氣量越大，擬泊松比值越小，儲(chǔ)層含氣量越小，擬泊松比值越大。圖7為馬家溝組五段各測(cè)線擬泊松比屬性圖，圖中冷色調(diào)代表擬泊松比值高，暖色調(diào)代表擬泊松比值低。根據(jù)含氣量與擬泊松比的關(guān)系，認(rèn)為擬泊松比值低的區(qū)域?yàn)楦吆瑲鈪^(qū)域。

圖7 馬家溝組五段各測(cè)線擬泊松比屬性

3.4.2 富集區(qū)預(yù)測(cè)

影響儲(chǔ)層含氣富集區(qū)分布的主要因素是儲(chǔ)層含氣飽和度和儲(chǔ)層的厚度，最終預(yù)測(cè)區(qū)域結(jié)合了儲(chǔ)層含氣性和儲(chǔ)層厚度對(duì)資源富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

圖8為馬家溝組五段各測(cè)線擬泊松比屬性與儲(chǔ)層厚度趨勢(shì)疊合圖。根據(jù)低擬泊松比區(qū)域及儲(chǔ)層厚度較厚區(qū)域劃定為儲(chǔ)層含氣有利區(qū)。主測(cè)線D2線西側(cè)小號(hào)頭為馬家溝組五段資源富集區(qū)。

圖8 馬家溝組五段各測(cè)線擬泊松比-鹽巖厚度疊合

3.4.3 驗(yàn)證情況

針對(duì)馬家溝組五段的含氣儲(chǔ)層富集區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果在主測(cè)線D2線西側(cè)施工了三個(gè)鉆孔SX-001，SX-002和SX-012。其中SX-001和SX-012孔見氣，SX-002孔沒(méi)見氣，結(jié)果較好。

4 結(jié)論

①通過(guò)地震勘探技術(shù)對(duì)鄂爾多斯盆地東部馬家溝組鹽巖氣富集區(qū)成功預(yù)測(cè)，表明技術(shù)方法的可行性。

②鄂爾多斯盆地東部馬家溝組鹽巖儲(chǔ)層含氣性與儲(chǔ)層低擬泊松比區(qū)域及儲(chǔ)層厚度較厚區(qū)域具有較好的相關(guān)性。因此，今后可以進(jìn)一步考慮在該域針對(duì)馬家溝組鹽巖氣進(jìn)行更多的地震勘探，有效利用地震技術(shù)進(jìn)行富集區(qū)預(yù)測(cè)。