四川盆地三叠系雷口坡组是重要的海相含气层位, 天然气资源量接近万亿立方米。2014年在川西彭州地区部署的PZ1井在雷四上亚段测试产量为115×10⁴ m³/d, 实现了天然气勘探重大发现, 该区域共落实天然气储量超千亿方^[1-5]。川西彭州地区雷四段气藏埋深为5 500~6 000 m, 与川东普光飞仙关组及元坝长兴组、中坝雷三段等海相台缘礁滩相带不同, 储层沉积类型为局限—蒸发台地潮坪相带, 岩性复杂, 优质储层厚度薄, 横向变化极快。薄储层识别及预测是气藏描述及开发部署的重点, 亦是难点, 利用常规属性分析、叠后波阻抗反演及叠前弹性反演等方法预测储层难度大, 精度有限。

薄层地震响应机理分析、基于实际地震资料的识别能力研究及识别模式建立是薄储层预测基础性课题。关于地震资料储层识别能力的研究有很多成果。早期RICKER^[6]、WIDESS^[7-8]、KALLWEIT等^[9]、KNAPP^[10]基于地震褶积模型和成像理论, 认为地震资料分辨率下限为λ/4, 视分辨率(识别能力)为λ/8。2007年凌云等^[11]结合地震理论与地质概念, 提出了基于空间分辨率概念的地震采集、处理、解释技术, 获得小于λ/4的薄储层的空间展布信息。川西中浅层地球物理技术应用研究发现, 在储层与围岩波阻抗差异明显的侏罗系河道砂岩中, 厚度小于λ/8的储层依然可以识别, 例如川西马井蓬一气藏, 地震资料主频在30 Hz左右, 地层层速度约3 500 m/s, λ/8识别下限仅为15 m, 可实际钻井揭示, 厚度仅5 m的典型低阻抗河道砂岩储层依然可识别^[12], 大大突破了上述传统的可识别能力下限认识, 极大地增强了地震薄层预测能力。

川西彭州地区三叠系雷口坡组雷四上亚段气藏埋藏深度大, 所发育的潮坪相碳酸盐岩储层低渗致密, 纵向多层叠置, 优质储层厚度薄, 横向变化快, 非均质性极强; 地震资料主频低且存在上覆强反射的屏蔽作用, 薄储层识别难度很大。本文从潮坪相薄储层的地质特征及地震反射机理分析入手, 建立符合实际地层结构、储层叠加样式及岩石物理特征的不同类型薄储层模型, 基于正演模拟技术, 剖析了不同主频下薄储层的地震响应, 通过波形差异化分析, 从复合的地震响应中“剥离”出了上、下两套薄储层的地震响应特征及变化规律, 建立了不同频带范围内储层地震识别模式, 进而结合实际地震资料预测了两套薄储层空间分布特征, 指出了提升该区薄储层预测精度的攻关方向, 为该区薄储层的识别及资料评价提供了借鉴。

川西彭州地区雷口坡组以局限—蒸发台地的碳酸盐岩沉积为主^[13-14]。雷口坡组自下而上划分为雷一至雷四共4个岩性段, 其中雷四段由上而下可进一步划分为上、中、下3个亚段, PZ1、YaS1、PZ113和PZ103等已钻井揭示储层主要发育在雷四上亚段(T₂l₄³)。雷四上亚段地层厚约150 m, 横向分布较稳定, 沉积时期总体处于水体较浅、能量较强、受波浪与潮汐共同作用的潮坪相潮间—潮上带沉积环境, 储层优势沉积微相为潮间带。

雷四上亚段发育上、下两套储层, 如图 1所示, 上储层段以灰岩类为主, 夹白云岩; 下储层段以白云岩类为主, 上、下储层段之间存在一个由(含)白云质灰岩、(含)藻砂屑灰岩等组成的相对稳定的隔层段, 厚约20~25 m。受潮坪相沉积特点及雷口坡组顶(简称雷顶)不整合面成岩作用差异等多种因素影响, 岩性频繁变化, 储层呈薄夹层分布, 纵向多层叠置, 物性差异明显。上储层段以1~2 m薄储层为主, 累计厚度15~20 m, 一般不超过15 m, 下储层段储层单层厚度一般在1~5 m, 累计厚度30~45 m。从储层纵向叠加样式上看, 上、下储层段存在差异, 上储层段各井累计厚度相当, 但薄储层的结构差异较大, 纵向连续性及叠加关系变化更明显; 下储层段纵向连续性相对较好, 但物性及厚度横向差异更明显。从储层类型上看, 雷四上亚段储层属低渗致密储层, 以Ⅱ、Ⅲ类储层为主, 上储层段储层孔隙度为2.01%~23.70%, 有效储层孔隙度平均值为8.76%, 渗透率主要为0.001~8.950 mD(1 mD≈0.987×10^-3 μm²); 下储层段孔隙度为2.00%~20.21%, 有效储层孔隙度平均值为5.14%, 渗透率为0.003~186.000 mD。

图 1(Fig. 1)

图 1 川西雷口坡组雷四上亚段地层结构及薄储层特征

从地震反射特征上看, 雷口坡组上覆地层为马鞍塘组一段厚度约40 m的灰岩, 之上为马二段厚约100 m的泥页岩沉积。由于雷口坡组及马一段碳酸盐岩与马二段泥页岩波阻抗差异大, 马一段灰岩顶在地震剖面上形成强反射(T6), 该强反射具有极强的屏蔽作用, 加剧了下伏雷口坡组薄储层识别难度; 另一方面, 实际资料主频在25 Hz左右, 雷四上亚段的地层厚度约150 m, 约半个波长, 从井震标定结果(图 2)来看, 雷四上亚段上、下储层段主要位于强反射界面下“一谷一峰”半个波长内, 即半个波长内既包含了地层结构信息又包含了两套薄储层的信息; 此外, 储层致密, 储层与围岩波阻抗差异小也是地震响应不明显的另一个重要原因。如何从复合的地震响应中区分并识别雷四上亚段上、下储层段薄储层的信息, 尤其是上储层段的信息是亟待解决的重要难题。

图 2(Fig. 2)

图 2 YaS1井雷四上亚段合成地震记录井震标定结果

正演模拟技术是正确识别、解释地震特征与地质现象(异常)之间关系的桥梁, 是认识地震波场特征的一种重要手段^[15]。建立符合研究靶区实际地层结构及储层岩石物理特征的地震地质模型是薄储层辨识机理研究的关键。

基于已钻井资料, 开展研究靶区目的层段地层结构及不同类型储层岩石物理特征统计分析, 确定研究靶区实际的地层结构、厚度及不同类型储层的岩石物理参数(表 1), 为建立符合研究靶区实际地层结构及储层岩石物理特征的地震地质模型提供基础数据。在此基础上, 通过改变储层发育特征, 开展薄储层辨识机理研究, 明确储层变化与地震波场响应特征变化之间的关系及其规律, 充分挖掘地震波场信息中所蕴含的薄储层信息, 为实际资料中针对薄储层的预测提供依据和指导。

表 1(Tab. 1)

表 1 川西雷口坡组目的层段地层结构及岩石物理参数 地层厚度及储层结构 平均速度/(m·s-1) 平均密度/(g·cm-3) 小塘子组 泥页岩 5100 2.63 底部低速层 4600 2.65 马二段160m 顶部泥质灰岩 5500 2.68 泥页岩 4300 2.65 马一段40m 生屑灰岩 5400 2.67 雷四上亚段 上 储 层 段 70m 围岩 6350 2.70 Ⅰ类储层 5400 2.49 Ⅱ类储层 5900 2.56 Ⅲ类储层 6150 2.62 隔层(25m) 6450 2.72 下 储 层 段 80m 围岩 6550 2.74 Ⅰ类储层 5400 2.49 Ⅱ类储层 5900 2.56 Ⅲ类储层 6150 2.62

表 1 川西雷口坡组目的层段地层结构及岩石物理参数

据前文所述, 彭州地区雷四上、下段储层纵向叠加样式存在差异, 这为不同储层结构的模型正演提供了依据, 因为不同结构地震响应机理只有采用针对性的模型设计, 才能更好地模拟薄层地震响应特征。

彭州地区雷四段上储层段薄储层大致分为3类:①薄储层局部聚集类型; ②薄储层相对分散; ③薄储层均匀分布在上储层段。不同情况下的薄储层模型如图 3所示。薄储层累加厚度15 m, 单层厚度为1~2 m, 考虑储层发育类型为Ⅱ类储层, 地层结构、厚度及储层岩石物理参数见表 1。以不考虑储层发育时的地层结构模型(图 3a)的正演模拟结果为参照标准, 对比分析上储层段在不同薄储层发育情况下的地震响应特征。

图 3(Fig. 3)

图 3 上储层段不同情况下薄储层模型 a地层结构模型; b薄储层局部聚集模型; c薄储层相对分散模型; d薄储层均匀分布模型

为了能够获得更加符合实际的地震波场传播规律, 采用有限差分波动方程正演模拟方式, 正演模拟网格为1 m×1 m, 正演模拟观测系统及子波选取参照该区实际野外采集参数及子波特征, 采用炮间距50 m、道间距50 m、排列长度4 500 m、采样间隔1 ms和雷克子波进行正演模拟, 获得不同储层发育情况下的正演模拟炮集记录, 并利用Kirchhoff叠前深度偏移成像方法进行数据处理得到偏移剖面。图 4为上储层段在不同薄储层结构及不同主频下正演模拟得到的偏移剖面(文中只给出了目的层段的记录, 并将目的层段第一个点标记为0, 地震记录显示的为相对时间, 下同), 当激发子波主频低于30 Hz时, 图 4a所示地震剖面上马一段顶(图中绿色线)和雷四段顶(图中红色线)不能分开, 综合表现为强波谷反射特征(T6), 当激发子波主频大于40 Hz时, 马一段顶和雷四段顶在地震剖面上能够分开; 图 4b到图 4d为考虑上储层段发育不同特征薄储层时的正演模拟结果, 与不同子波主频下地层结构的正演模拟结果相比, 考虑上储层发育时, 在常规频带(25~30 Hz)下T6界面下的波谷特征变化为波谷—弱峰反射特征, 随着主频增加(40~60 Hz)T6界面下波谷—波峰特征及能量变化更加明显。在相同子波主频下, 不同薄储层结构所引起的T6界面下波谷—波峰能量不同, T6界面下波谷—波峰能量强弱依次为薄储层聚集型、分散型和均匀分布型, 如图 5所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 上储层段在不同薄储层结构及不同主频下的地震响应特征 a地层结构地震响应; b薄储层局部聚集模型地震响应; c薄储层相对分散模型地震响应; d薄储层均匀分布模型地震响应

图 5(Fig. 5)

图 5 上储层段在不同薄储层结构及不同主频下的地震响应波形叠合显示

图 6给出了在主频25 Hz情况下, 上储层段不同类型薄储层厚度变化时对应的波形特征。由图 6可以看出, 相同类型储层越厚、相同厚度储层物性越好, T6界面下波谷—波峰特征越明显、能量越强。基于上储层段正演模拟结果可知, 上储层段储层发育主要引起T6界面下波谷—波峰反射特征, 其波形特征变化的明显程度受上储层段发育的薄储层结构、厚度和储层发育类型的综合影响。

图 6(Fig. 6)

图 6 主频25 Hz时上储层段不同类型薄储层在不同厚度情况下的地震响应波形叠合显示 a Ⅰ类储层; b Ⅱ类储层

依据已钻井下储层段薄储层发育特征建立模型(图 7), 在横向上考虑下储层段物性变化(粉色为Ⅱ类储层、蓝色为Ⅲ类储层)、厚度变化及空间组合特征变化, 分为18种情况, 如图 7a所示。图 7b为同时考虑上储层段与下储层段薄储层发育模型, 基于不同主频正演模拟结果开展下储层段储层发育及上、下储层段薄储层同时发育时的地震响应特征研究。

图 7(Fig. 7)

图 7 考虑上、下储层段发育不同薄储层情况的模型 a仅考虑下储层段发育不同类型薄储层模型; b考虑上、下储层段同时发育薄储层模型

仅考虑下储层段发育不同类型薄储层模型的正演模拟结果如图 8所示。与地层结构正演模拟结果相比, 常规频带(25~30 Hz)下下储层段储层响应综合表现为T6界面下明显的波谷—强波峰特征(图中绿色线所示, 层位T₂l₄³), 提取T₂l₄³上、下10 ms时窗范围内最大波峰振幅曲线, 如图 9所示。从图 9可以看出, 波峰振幅的大小与下储层段薄储层发育厚度、储层发育类型、薄储层结构具有很好的相关性, 总的来看储层厚度越大、薄层越密集、储层物性越好, 对应T₂l₄³波峰振幅越大(图 9a、图 9b)。因此, 实际资料中可以借助T₂l₄³波峰振幅的强弱变化对下储层段进行定性识别。随着激发子波主频增加, 薄储层内部发育结构的地震响应特征逐渐凸显出来, 下储层段由波峰综合响应特征变化为复合波的地震响应特征, 复合波的特征代表不同的薄储层结构, 此时波峰能量变化特征与常规频带下波峰能量不同, 如图 9d至图 9e所示。当主频达到50 Hz时, 可以在地震剖面上对下储层段储层的顶、底进行有效识别, 图 8d中红色线为下储层段的顶界面、绿色线为下储层段的底界面; 当主频达到60 Hz时, 可以对下储层段薄储层的内幕结构进行一定的判识, 如图 8e中蓝色线所示。

图 8(Fig. 8)

图 8 不同子波主频激发下不同类型薄储层模型正演模拟结果(仅考虑下储层段) a主频为25 Hz; b主频为30 Hz; c主频为40 Hz; d主频为50 Hz; e主频为60 Hz

图 9(Fig. 9)

图 9 仅考虑下储层段发育时不同主频正演模拟结果T2l43波峰能量变化曲线 a主频为25 Hz; b主频为30 Hz; c主频为40 Hz; d主频为50 Hz; e主频为60 Hz

图 10为上、下储层段储层同时发育时不同子波主频下的正演模拟结果。与仅考虑下储层段储层发育时的正演模拟结果对比可知, 常规频带(25~30 Hz)下, 两者波形特征十分相似, 这也是实际资料中上、下储层段薄储层识别的难点所在, 此种频带范围内很难从波形特征上对上、下储层段进行识别, 通过波形的叠合显示和波形特征差异化分析可知, 二者在能量上存在细微差别, 如图 11a、图 11b所示, 在T6界面下0~15 ms范围内, 仅考虑上储层段储层发育时波形能量低于地层结构的波形能量, 仅考虑下储层段储层发育时波形能量高于地层结构的波形能量(图 11a中25 Hz和30 Hz波形曲线), 可见, 下储层段的存在弱化了上储层段发育时的振幅异常。上、下储层段储层同时发育时T6界面下0~15 ms范围内波形能量介于地层结构与仅考虑上储层段储层发育时波形能量之间(图 11b中25 Hz和30 Hz波形曲线), 将上、下储层段同时发育与仅下储层段发育时正演结果进行相减, 可以看出, 在T6界面下0~15 ms范围内存在一个明显的波谷异常(图 11c), 这就是隐含在综合地震响应中上储层段储层的信息。分析时窗过小振幅异常变化不明显, 时窗过大就会包含下储层段储层的信息, 因此, 实际资料中上储层段主要借助于T6界面下0~15 ms时窗范围内波谷能量异常进行定性识别。

图 10(Fig. 10)

图 10 不同子波主频激发下不同类型薄储层模型正演模拟结果(上、下储层段同时发育) a主频为25 Hz; b主频为30 Hz; c主频为40 Hz; d主频为50 Hz; e主频为60 Hz

图 11(Fig. 11)

图 11 不同子波主频激发下不同类型薄储层模型正演模拟结果波形特征对比 a上、下储层段单独发育时波形特征对比; b上、下储层段同时发育与仅上储层段发育时波形特征对比; c上、下储层段同时发育与仅下储层段发育时正演结果相减差值波形特征

当子波主频为40 Hz时, 从地震剖面上可以明显看出上储层段与下储层段储层的地震反射特征(图 10c), 此时下储层段的发育仍然对上储层段的反射特征存在较大影响(图 11b中40 Hz曲线), 随着地震子波主频进一步增加, 上、下储层段在地震剖面上的反射特征更加明显, 上、下储层段之间的相互干涉作用进一步减弱, 当子波主频达到60 Hz时, 上、下储层段的地震响应彻底分开(图 11b中60 Hz曲线, T6界面下0~15 ms时窗范围内蓝色线与紫色线完全重合), 此时上、下储层段能够完全分辨, 且可以对下储层段的内幕结构进行定性—半定量识别。

综合不同储层发育情况下不同主频正演模拟结果, 可将雷四上亚段上、下储层段的地震响应及变化规律按照常规频带和高频带归纳总结, 从而建立雷四上亚段薄储层在不同频带范围内的地震识别模式(表 2), 为薄储层在不同频带范围内的精准识别提供依据和指导。

表 2(Tab. 2)

表 2 川西雷口坡组雷四上亚段薄储层地震识别模式 常规频带(25~30Hz)上、下储层识别模式 高频带(50~60Hz)上、下储层识别模式 上储层段 识别时窗 T6下0~15ms 识别时窗 T6下0~15ms 识别标志 波谷振幅 识别标志 强波谷 识别特征 储层厚度越大、薄储层发育越集中、储层物性越好对应波谷振幅越强 识别特征 储层厚度越大、薄储层发育越集中、储层物性越好对应波谷振幅越强 识别效果 定性识别 识别效果 定性识别 下储层段 识别时窗 T2l43上、下10ms 识别时窗 T6下15~60ms 识别标志 T2l43波峰振幅 识别标志 与特征 ①高频、强谷-强峰波形特征对应厚度不大且薄储层相对集中的薄储层类型; ②中强波谷波形特征对应薄储层发育结构相对均匀的储层; ③“上强下弱”波形特征对应下储层段上部储层发育, 下部欠发育; ④“上弱下强”波形特征对应下储层段上部储层欠发育, 下部发育; ⑤“多相位”波形特征对应储层纵向叠置复杂 识别特征 T2l43波峰反射是下储层段储层的综合反映特征, 储层发育厚度越大、储层发育越密集、储层物性越好对应T2l43波峰振幅越强 识别效果 定性识别 识别效果 定性—半定量识别

表 2 川西雷口坡组雷四上亚段薄储层地震识别模式

依据正演模拟结果建立的上、下储层段薄储层的地震识别模式, 对彭州地区雷四上亚段上、下储层进行了定性识别和预测, 结果如图 12所示。图 12a为基于T6界面下0~15 ms时窗范围内的最大波谷振幅对上储层段薄储层的识别结果, 从平面上来看, 上储层主要分布在PZ113井和PZ1井附近, 该时窗内波谷振幅由大至小的井依次为PZ113、PZ1、YaS1和PZ103井, 从4口钻井得到的储层特征来看, 各井钻遇储层的累计厚度相当, 但薄储层的结构差异较大, PZ113井薄储层发育最为集中, 平面上对应波谷振幅也最强, PZ103井薄储层最分散, 对应的波谷振幅最弱, 与正演模拟结果认识一致, 正演结果与实际资料的特征相互印证, 进一步表明了利用T6界面下0~15 ms时窗范围内的最大波谷振幅预测上储层段的有效性。

图 12(Fig. 12)

图 12 基于储层识别模式的上(a)、下(b)储层段薄储层预测结果

图 12b为提取的T₂l₄³上、下10 ms范围内最大波峰振幅属性切片。由图 12b可见, 波峰振幅由强至弱的井依次为YaS1、PZ1、PZ113和PZ103井, 下储层段钻遇储层累计厚度由大至小的井依次为PZ103(42.9 m/19层)、YaS1(38.9 m/24层)、PZ1(34.6 m/15层)和PZ113井(26.8 m/19层), 除了PZ103井累计厚度相对大但波峰振幅不是最强外, 其余3口井的薄储层累计厚度与波峰振幅大小正相关, 与正演结果一致。PZ103井厚度最大但振幅属性不是最强, 分析可能有两种原因:一是PZ103井下储层为气水同层, 流体对振幅可能产生影响; 二是PZ103井下储层段薄储层相对较分散, 使得T₂l₄³界面波峰振幅较弱, 与正演结果并不矛盾。因此, 可以利用T₂l₄³上、下10 ms范围内的波峰振幅大小对下储层段的发育情况进行定性预测。

地震波形是一系列薄层组合调谐的结果, 本文基于薄层在波形中的位置分析属性差异仅是薄层预测的初步方法之一, 伴随该区钻井的不断实施, 以多个钻井储层段波形样本为约束, 基于波形差异的地震反演应是下一步该区薄层定量预测的重要研究方向^[16-17], 基于上述辨识机理研究结论, 在彭州地区针对雷口坡组薄储层开展的波形指示反演取得了较好效果, 受篇幅所限不予阐述。

1) 采用“先分后合、分段剥离”的辨识机理分析思路, 从复合的地震响应中“剥离”出两套储层的地球物理响应特征差异, 建立地震识别标志和识别方法; 解决了存在地层结构强反射界面干扰且两套薄储层反射特征相互干涉情况下的薄储层识别的技术难题, 夯实了两套薄储层精准预测的基础。

2) 探讨了不同主频情况下两套薄储层的地震识别能力。当主频小于30 Hz时, 上、下储层表现为“一谷一峰”复合波反射特征, 可以根据波形特征的变化对两套储层段进行定性识别; 当主频达到40 Hz时, 从波形上可以实现上、下两套储层地震响应特征的区分和定性识别; 当主频达到60 Hz时, 上、下储层段的地震响应彻底分开, 从波形特征上可以实现对上、下储层及储层的内部结构进行定性-半定量的识别。

3) 基于不同主频情况下两套薄储层的地震识别能力的探讨, 为该区基础资料品质提升指明了攻关方向, 高分辨率三维重采集、高分辨率叠前及叠后处理是提高薄储层识别能力的关键; 同时, 基于辨识机理的分析可知, 地震波形蕴含丰富的薄层信息, 以井旁波形样本为约束, 开展基于地震波形差异的地震反演应是下一步该区薄层定量预测的重要方向。