珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌組巖性預(yù)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

張衛(wèi)衛(wèi)，劉 軍，劉力輝，張曉釗，白海軍，楊登鋒

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，深圳 518054；2.北京諾克斯達(dá)石油科技有限公司，北京 100083）

0 引言

地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)是通過識(shí)別背景趨勢(shì)下的異常響應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行定量描述來(lái)表征儲(chǔ)層流體分布規(guī)律以及儲(chǔ)層巖石物理特征的方法。由于地震分辨率的限制，將地震屬性如縱橫波速度、阻抗等信息轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層參數(shù)時(shí)存在多解性，因此需要利用已鉆井?dāng)?shù)據(jù)如巖性、孔隙度、含水飽和度等來(lái)降低儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的不確定性。針對(duì)中深層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的研究，眾多學(xué)者在地質(zhì)和地球物理方面都做了大量工作。Avseth 等［1］基于巖石物理模板提出了偽彈性阻抗（CPEI）方法，用以評(píng)價(jià)在不同膠結(jié)及壓實(shí)條件下儲(chǔ)層流體的分布特征；Quakenbush 等［2］率先提出了泊松阻抗屬性的概念，并對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行了闡述；Mazumdar［3］綜合泊松阻抗與泊松比屬性提出了泊松阻尼因子，并將其應(yīng)用于儲(chǔ)層識(shí)別以及高品質(zhì)砂巖預(yù)測(cè)；鄭曉東［4］采用冪級(jí)數(shù)的方式消除橫波角度在方程中的影響，簡(jiǎn)化了方程的表達(dá)式，并評(píng)估了其影響效果；甘利燈等［5］分析了彈性阻抗在流體識(shí)別和巖性預(yù)測(cè)中的可行性，并對(duì)鄂爾多斯盆地蘇里格氣田的實(shí)際資料進(jìn)行了處理，得出利用16°入射角對(duì)應(yīng)的彈性阻抗可以識(shí)別有效儲(chǔ)層；印興耀等［6］利用Russell 近似方程進(jìn)行了儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫，并在實(shí)際工區(qū)的應(yīng)用中取得了較好的效果；蔡涵鵬等［7］采用兩項(xiàng)AVO 表達(dá)式進(jìn)行了巖性等相關(guān)敏感因子的反演，實(shí)際資料的應(yīng)用結(jié)果顯示新的兩項(xiàng)AVO 方法與局部校正方法聯(lián)合應(yīng)用能夠提高砂泥巖地層參數(shù)的估算精度，進(jìn)而改善地層結(jié)構(gòu)成像；高剛等［8］引入正則化方法推導(dǎo)了縱、橫波阻抗表示的兩項(xiàng)彈性波阻抗公式，極大地簡(jiǎn)化了公式，并引用實(shí)例驗(yàn)證了阻抗公式的有效性；宗兆云等［9］建立了泊松比與縱、橫波模量的計(jì)算方法，明確了阻抗的意義，并且在反演中取得了一定的效果；李超等［10］推導(dǎo)了包含流體和剪切模量的反射系數(shù)近似方程，針對(duì)流體和巖性具有一定的識(shí)別特性；印興耀等［11］推導(dǎo)了基于流體體積模量、固體剛性參數(shù)和密度的三參數(shù)AVO 近似方程和彈性阻抗方程，模型試算和實(shí)際資料反演結(jié)果表明流體體積模量可從疊前地震數(shù)據(jù)中提取，且方法具有穩(wěn)定性、實(shí)用性和精確性；賈凌云等［12］推導(dǎo)了廣義彈性阻抗的計(jì)算過程，通過正演模擬驗(yàn)證了該方程的精度，明確了其對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層流體識(shí)別的可靠性。

以往針對(duì)中深層儲(chǔ)層的研究，在地質(zhì)方面主要是從砂巖儲(chǔ)層特征、物源供給、油層特征、沉積體系等幾個(gè)方面進(jìn)行分析［13-15］，在地球物理方面主要是從高分辨率層序控制、疊前三參數(shù)反演等方面進(jìn)行研究［16-17］。珠江口盆地番禺4 洼古近系存在疊前地震資料角度較小、儲(chǔ)層橫向變化快、炭質(zhì)泥巖影響反射特征等問題，因此，利用基于泊松反射率的巖性預(yù)測(cè)技對(duì)珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌組儲(chǔ)層空間展布進(jìn)行預(yù)測(cè)，刻畫優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層平面展布，以期為該區(qū)下一步油氣勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

番禺4 洼為珠江口盆地珠一坳陷西部相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)小洼陷，位于西江中低凸起南側(cè)，是一個(gè)“東南斷、西北超”，且呈NE—SW 走向的箕狀洼陷。由于盆地發(fā)育時(shí)期一直受強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)影響，文昌組內(nèi)部遭受多期次地層出露剝蝕。番禺4 洼是一個(gè)新生代沉積洼陷，具有典型上下構(gòu)造層的二元結(jié)構(gòu)［18-19］（圖1），下構(gòu)造層是早期的陸相沉積地層，具有典型的“厚文昌、薄恩平”的特征，其中，文昌組最大分布面積約700 km2，最大沉積厚度約2 500 m，恩平組地層較薄，但分布廣泛，以沖積平原相為主；上構(gòu)造層以海相沉積為主，主要為三角洲平原相帶；隨著海平面的繼續(xù)上升，珠江組上段和韓江組地層的泥巖含量增多，位于古珠江三角洲前緣相帶［20-21］。近幾年來(lái)在番禺4 洼古近系陸續(xù)鉆探多口古近系探井，但受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，加上湖盆水體升降頻繁，儲(chǔ)層橫向變化快，古近系砂體展布難以刻畫。近期在PY2 油田西側(cè)連續(xù)鉆探了A 井和B 井，發(fā)現(xiàn)多個(gè)油層，并首次在文昌組取得油樣，顯示番禺4 洼古近系具有較大的勘探潛力。A 井和B 井距離較近，但砂體厚度和地層巖性橫向變化較大，主力目的層文二段和文四段的砂體厚度和物性變化較大，B 井文三段受到炭質(zhì)泥巖影響，儲(chǔ)層不發(fā)育。

圖1 珠江口盆地番禺4 洼位置（a）及巖性地層柱狀圖（b）Fig.1 Location of Panyu 4 depression（a）and stratigraphic column（b）in Pearl River Mouth Basin

2 巖性預(yù)測(cè)原理與方法

泊松阻抗PI可以看成是泊松比和密度的函數(shù)，只要利用縱波阻抗AI和橫波阻抗SI及泊松阻抗PI三者的特殊交會(huì)方式，即可識(shí)別巖性和含油氣性變化。地球物理解釋工作中常用AI和SI交會(huì)圖分析巖性和含油氣性。AI和SI的巖石物理交會(huì)示意圖顯示含氣砂巖、含水砂巖及泥巖的縱波與橫波阻抗具有一定差異，但均存在一定的交叉重疊（圖2）。如果將橫坐標(biāo)軸AI旋轉(zhuǎn)到PI對(duì)應(yīng)的角度，則PI就可以描述任意2 種巖石或流體類型，具有類似流體因子的作用，即

圖2 泊松阻抗物理意義示意圖Fig.2 Schematic diagram of the physical meaning of Poisson impedance

式中：PI為泊松阻抗，m/s·g/cm3；AI為縱波阻抗，m/s·g/cm3；SI為橫波阻抗，m/s·g/cm3；C為與角度相關(guān)的泊松阻抗參數(shù)，決定坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度取決于旋轉(zhuǎn)后的PI能最有效地識(shí)別不同巖性和流體。

通常在AI-SI（縱波阻抗-橫波阻抗）交會(huì)圖上頁(yè)巖、含水砂巖、含油砂巖的能量團(tuán)疊合在一起，難以分辨，若換個(gè)角度再進(jìn)行投影，就可以很好地分辨出不同的地層巖性和流體，而這種旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后的新坐標(biāo)被定義為泊松阻抗（PI）［22］。因?yàn)榭v、橫波阻抗均為速度與密度的乘積，所以式（1）也可寫為

式中：α為縱波速度，m/s；β為橫波速度，m/s；νσ為泊松速度，m/s，νσ=α-C β。

由式（2）可看出泊松阻抗是泊松速度和密度的函數(shù)，定義為一種阻抗的量綱。根據(jù)地球物理理論，應(yīng)該存在與之對(duì)應(yīng)的反射率剖面，可把這種反射率剖面稱為泊松反射率剖面，是泊松阻抗的一種實(shí)際表現(xiàn)形式。在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種直接求取泊松反射率剖面的方法，為此通過推導(dǎo)廣義泊松阻抗的射線域表達(dá)式，提出一種射線域泊松反射率的獲取方法。

在Aki-Richard 簡(jiǎn)化式的基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者推導(dǎo)出了射線彈性阻抗［23］：

式中：REI為射線彈性阻抗，m/s·g/cm3；ρ為密度，g/cm3；θ為入射角，（°）。

為了充分利用射線彈性阻抗的優(yōu)點(diǎn)，克服其抗噪能力差的缺點(diǎn)，對(duì)射線彈性阻抗進(jìn)行改進(jìn)，將式（3）中的部分進(jìn)行二項(xiàng)式展開，得到

式中：E為二項(xiàng)式展開的高次項(xiàng)。

一般橫縱波速度比小于1，且當(dāng)入射角小于30°時(shí)，式（4）中的第三項(xiàng)可忽略不計(jì)，因此得到改進(jìn)后的射線彈性阻抗公式為

在式（5）的基礎(chǔ)上作以下推導(dǎo)：

由此可以看出在射線域，射線彈性阻抗可以表達(dá)為廣義泊松阻抗，某個(gè)射線路徑上的地震剖面為根據(jù)該射線對(duì)應(yīng)角度計(jì)算而來(lái)的泊松阻抗反射率剖面。從式（4）可以看出，本次公式推導(dǎo)要求入射角小于30°，對(duì)于中深層地層有效角度變小，特別是受上覆地層屏蔽以及斷層陰影帶的影響，一般有效角度約為30°，因此30°近似公式能夠滿足中深層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度的要求。一般而言，通過聲波阻抗-橫波阻抗交會(huì)圖可以了解反演屬性值與巖石物理性質(zhì)之間的關(guān)系。對(duì)于中深層復(fù)雜地區(qū)，泥巖、含水砂巖及含油砂巖在聲波阻抗-橫波阻抗交會(huì)圖上會(huì)重疊在一起，難以分辨，但如果換一個(gè)角度再進(jìn)行投影，就可以很好地分辨出各種不同的地層巖性和流體［24-25］。因此可以使用上文推導(dǎo)的泊松阻抗的公式進(jìn)行疊前反演，對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且該方法適用于中深層有效角度較小的地震資料。

3 泊松阻抗應(yīng)用流程

珠江盆地番禺4 洼古近系文昌組巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖，巖石物理關(guān)系復(fù)雜，整體來(lái)講泥巖具有低縱波阻抗和高縱橫波速度比，砂巖和粉砂巖具有高縱波阻抗、低縱橫波速度比，且炭質(zhì)泥巖縱波阻抗最小，粉砂巖縱波阻抗最大［26-27］。根據(jù)井上巖石物理分析結(jié)果建立正演模型，并進(jìn)行疊前正演，對(duì)各種巖性的AVO 特征進(jìn)行分析，然后對(duì)疊前道集進(jìn)行優(yōu)化，并在射線域進(jìn)行敏感角度掃描，確定最佳角度，最后利用射線域疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行泊松阻抗反演，對(duì)研究區(qū)的儲(chǔ)層空間展布進(jìn)行了精細(xì)刻畫，結(jié)果與實(shí)鉆B 井相吻合。

3.1 正演模擬分析

根據(jù)已鉆A 井和B 井建立正演模型接觸關(guān)系，番禺4 洼古近系文昌組主要有2 種巖性接觸關(guān)系，一是炭質(zhì)泥巖與泥巖，二是泥巖與砂巖。根據(jù)巖石物理關(guān)系，分析得到這2 種界面反射均為波峰，在實(shí)際勘探中難以通過地震相進(jìn)行區(qū)分。利用已鉆井測(cè)井參數(shù)建立正演模型1 和模型2（表1），模型1是炭質(zhì)泥巖與泥巖的接觸關(guān)系，模型2 是泥巖與砂巖的接觸關(guān)系，縱、橫波速度和密度為研究區(qū)已鉆井的平均值。

表1 正演模型參數(shù)Table 1 Forward modeling parameters

由于疊后地震數(shù)據(jù)無(wú)法識(shí)別這2種模型的界面反射，因此進(jìn)行了疊前正演模擬。通過疊前正演分析AVO 特征（圖3、圖4）得知：模型1 與模型2 均為Ⅰ類AVO 特征，應(yīng)用常規(guī)P（截距）和G（梯度）無(wú)法區(qū)分巖性。雖然同屬Ⅰ類AVO，但兩者又具有一定差異，主要差異表現(xiàn)在以下2 個(gè)方面：一方面是彎曲度，由于角度太小，無(wú)法準(zhǔn)確求取曲率；另一方面是遠(yuǎn)道特征，炭質(zhì)泥巖引起的反射在遠(yuǎn)道呈現(xiàn)負(fù)值特征。通過正演模擬在射線域進(jìn)行部分疊加，可以降低泥巖內(nèi)部地震反射振幅，從而識(shí)別炭質(zhì)泥巖。

圖3 模型1（a）和模型2（b）正演道集Fig.3 Forward gathers of model 1（a）and model 2（b）

圖4 模型正演道集540 ms 處振幅的AVO 規(guī)律分析Fig.4 AVO analysis of forward gathers of models at 540 ms

3.2 敏感泊松角度掃描

在道集優(yōu)化處理的基礎(chǔ)上［28］，通過疊加掃描的方式，尋找敏感泊松反射率。反射率的提取疊加角度太小，則噪音影響較大；疊加角度太大，則敏感反射特征不清楚。番禺4 洼A 井和B 井鉆探結(jié)果顯示，儲(chǔ)層橫向變化較快，尤其是B 井具有3 個(gè)強(qiáng)振幅反射，其中第一個(gè)和第三個(gè)為砂巖反射，第二個(gè)為炭質(zhì)泥巖反射。根據(jù)正演模擬結(jié)果，通過射線域敏感角度，按照間隔5°進(jìn)行掃描，最終選擇20°～25°為敏感泊松反射率，相對(duì)于近道疊加，B 井文三段炭質(zhì)泥巖反射變?nèi)酰▓D5）。敏感角度射線域部分疊加能夠較好地反映炭質(zhì)泥巖反射，可以用于下一步泊松阻抗反演。

圖5 珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌組近道疊加（a）與敏感泊松反射率（b）剖面Fig.5 Near path stack section（a）and sensitive Poisson reflectance section（b）of Paleogene Wenchang Formation in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

3.3 泊松阻抗反演

在掃描得到的敏感泊松反射率基礎(chǔ)上，利用式（7）計(jì)算該角度對(duì)應(yīng)的泊松阻抗參數(shù)C，帶入式（8）得到研究區(qū)敏感泊松阻抗。通過泊松阻抗曲線與波阻抗曲線對(duì)比（圖6a）分析后認(rèn)為，泊松阻抗對(duì)巖性更為敏感（圖6b，6c）。

圖6 珠江口盆地番禺4 洼B 井巖性剖面（a）及縱波阻抗（b）、敏感泊松阻抗（c）與自然伽馬交會(huì)圖Fig.6 Lithologic profile（a）and cross plots of P-wave impedance（b）and sensitive Poisson impedance（c）with natural gamma ray of well B in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

目前多數(shù)反演單純追求垂向分辨率，而忽視了橫向分辨率，不利于巖性油藏的刻畫，因此保持幾何學(xué)特征的構(gòu)型建模是關(guān)鍵。地震速度提供的低頻信息頻寬有限，實(shí)際地震數(shù)據(jù)也缺少低頻，測(cè)井插值不能準(zhǔn)確表達(dá)低頻。相控建模將地震沉積構(gòu)型分析結(jié)果作為先驗(yàn)條件加入到建模過程中，進(jìn)而保障模型的橫向分辨率?？紤]到番禺4 洼壓實(shí)變化大、測(cè)井較少等情況，針對(duì)性地提出迭代偽井相控建模技術(shù)，建立符合該區(qū)沉積特征的初始模型。研究區(qū)巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖，在敏感的泊松阻抗上可以有一定的區(qū)分。結(jié)合番禺2 油田周邊精細(xì)沉積分析，搭建骨架模型（低頻為0～3 Hz），利用沉積分析建立偽井，在不同層段按照沉積相充填骨架值域形成骨架模型。

利用敏感泊松阻抗曲線建立初始模型，采用敏感泊松阻抗反射率作為地震約束，完成敏感泊松阻抗反演。根據(jù)常規(guī)波阻抗反演與敏感泊松阻抗反演結(jié)果（圖7a，7b）對(duì)比，可以看出A 井文三段鉆遇炭質(zhì)泥巖及大套泥巖內(nèi)夾薄層粉砂巖，敏感泊松阻抗反演結(jié)果與已鉆井更為吻合。利用這2 種不同反演方法預(yù)測(cè)的文三段砂巖厚度圖（圖7c，7d）顯示，A 井鉆遇砂巖厚度約為20 m，B 井以炭質(zhì)泥巖為主，含少量薄層粉砂巖，從砂巖厚度平面圖可以看出敏感泊松阻抗反演與實(shí)際鉆井吻合，效果更好。從圖7d 可以看出，A 井東側(cè)砂巖厚度較大，平面上連續(xù)分布，為下一步重點(diǎn)勘探方向。

圖7 珠江口盆地番禺4 洼古近系文昌組縱波阻抗與敏感泊松阻抗反演效果對(duì)比Fig.7 Comparison of inversion results between P-wave impedance and sensitive Poisson impedance of Paleogene Wenchang Formation in Panyu 4 depression，Pearl River Mouth Basin

4 結(jié)論

（1）珠江口盆地番禺4 洼古近系地震資料有效角度小，常規(guī)疊前三參數(shù)反演不穩(wěn)定，多解性強(qiáng)，基于射線域的泊松阻抗反演適用于角度較小的地震資料，預(yù)測(cè)砂體平面展布與鉆井吻合，優(yōu)于常規(guī)三參數(shù)反演。

（2）番禺4 洼古近系文昌組巖性復(fù)雜，主要包括泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖等4 種巖性，射線域20°～25°的敏感角度疊加剖面能夠突出砂巖地震反射，弱化炭質(zhì)泥巖地震反射。

（3）番禺4 洼古近系文昌組儲(chǔ)層發(fā)育，其中文三段砂巖橫向變化快，主要有利區(qū)域分布于A 井的東側(cè)，預(yù)測(cè)厚度為10～20 m，為該地區(qū)下一步勘探方向。