2018年, 新疆准噶尔盆地莫西庄地区庄3井三维工区二次采集了面积为280.64km²的高密度三维地震数据。自2002年庄1井试油获工业油流后, 该工区陆续完钻井位18口, 是目前莫西庄-永进地区钻井密度最高的工区, 勘探程度相对较高。截至2017年, 区内已探明储量约为2059万吨, 预测储量约为3276万吨, 油气资源丰富; 莫西庄-永进地区已探明多个优质油气藏并已投入高效开发, 该地区展现了良好的勘探潜力。

按照国内外对深层储层的定义, 埋深超过3500m的储层为深层储层^[1], 该目标区已发现油气主要位于侏罗系三工河组, 三工河组二段砂岩储层埋深普遍大于4000m。研究表明该地区油气勘探存在的主要问题为: ①三工河组二二亚段砂体厚度较薄, 为8~10m, 地震资料主频为42Hz, 所能分辨的砂体厚度最小为25m, 目标砂体厚度远低于地震资料的分辨率, 且砂泥岩波阻抗差异小, 难以准确描述亚二段薄砂体及其尖灭点; ②已钻结果揭示砂体物性是砂体含油性的控制因素之一, 目标储层非均质性强, 孔隙度变化剧烈, 储层物性预测难度大^[2-4]。

为解决上述问题, 在岩石物理模型校正和地震资料拓频的基础上, 对新采集的庄3井高密度三维地震资料进行叠后波形指示高分辨率反演研究, 圈定目的层段储层发育区及含油气有利区, 以指导庄3井三维工区的井位部署。

声波、密度测井属浅探测测井技术, 易受井眼变化和泥浆侵入的影响, 导致声波、密度测井曲线存在严重的保真问题。工区内共有探井18口, 据统计, 其中11口井的AC(声波时差)、DEN(密度)测井曲线在井径垮塌处存在不合理的跳跃, 如庄102井(图 1), 4260~4270m录井岩性为泥岩, 但在4260m处CAL(井径)曲线开始明显地增大, 4268m处井径值达到最大, 出现了明显的扩径现象, 在该区段正常井段密度为2.398~2.592g/cm³, DEN(密度)曲线在4263m和4268m处值为1.828g/cm³, 密度曲线出现了严重的失真现象, AC曲线在扩径段也产生了异常大值。

图 1(Fig. 1)

图 1 庄102井三工河组柱状剖面及测井曲线

为解决上述曲线失真问题, 我们对测井资料进行校正。基于大量的岩石物理实验分析结果, 根据工区的岩石矿物成分、粒度、胶结物等岩石骨架特征和流体特征, 分别进行流体和骨架部分的参数设置, 构建工区内的岩石物理模型, 进而计算出纯砂岩和纯泥岩的基准线, 并将这些基准线作为判断测井资料保真度的标准。岩石物理诊断的目的是基于井数据, 建立符合岩石物理变化规律的岩石物理模型, 如纵波阻抗与泊松比的交会模型等^[5-6]。

针对目的层段三工河组二段, 利用Gassmann方程, 将单井测井解释的泥质含量、流体饱和度、孔隙度等参数作为输入模型, 利用(1)式计算饱和流体的体积模量。通过不断优化单矿物的密度、孔隙纵横比、体积模量、剪切模量等模型参数, 再由(2)式可知, 饱和流体剪切模量和干岩石骨架剪切模量相等, 最后根据(3)式、(4)式计算单井的纵、横波速度, 并将计算结果与实测曲线对比, 若模型计算得到的纵波速度和横波速度曲线与实测曲线基本一致, 则认为该模型为适合该地区的岩石物理模型, 可用于该地区岩石物性分析和孔隙流体替换等^[7-10]。

式中: K_sat, μ_sat分别为饱和流体体积模量和剪切模量; K_d, μ_d分别为干岩石骨架体积模量和剪切模量; K_m为基质的体积模量; φ_e为有效孔隙度; ρ_sat为饱和流体密度; v_PX, v_SX分别为纵波速度和横波速度。

表 1为庄3井工区三工河组岩石物理模型参数。根据该物理模型的参数以及正常井段物性参数, 计算得到纯砂岩、纯泥岩纵波速度变化基准线, 据此对异常点进行校正。如图 2所示, 以庄2井为例, 通过计算得到纯砂岩(红色线)、纯泥岩(蓝色线)的自然伽马变化基准线, 将基准线以外的点作为异常点, 对这些异常点进行岩石物理校正, 即通过(1)式、(2)式和(3)式重新计算纵波速度, 使得校正后的纵波速度数值范围都在基准线以内, 从而更符合岩石物理规律。在合成记录上对校正前、后的声波、密度进行标定, 发现曲线校正后制作的合成记录与原始地震记录的相关性有所提高, 如庄2井校正前、后的合成记录与原始地震的相关性由0.5427上升到0.7068, 提高了16.4%, 这也说明了校正幅度合理(图 3)。校正后的声波和密度曲线更符合岩石物理特征, 还消除了井眼等环境因素影响造成的异常。

表 1

表 1 庄3井工区三工河组岩石物理模型参数 参数 平均值 岩石基质体积模量/GPa 38 岩石基质剪切模量/GPa 19 干岩石密度/g·cm-3 2.1 岩石孔隙度, % 16 泥质含量, % 23~33 泥岩密度/g·cm-3 2.23 流体纵波速度(油)/m·s-1 800 孔隙流体密度(油)/g·cm-3 0.96 流体体积模量/GPa 1.15 岩石矿物成分 石英37%、长石23%、岩浆岩岩屑19%、变质岩岩屑18%

表 1 庄3井工区三工河组岩石物理模型参数

图 2(Fig. 2)

图 2 庄2井岩石物理校正(a)、后(b)纵波速度与电阻率交会结果

图 3(Fig. 3)

图 3 庄2井岩石物理校正前(a)、后(b)合成记录与原始地震记录

分析原始地震资料可知, 工区叠后地震资料目标层段存在弱-空白反射以及信噪比不高的反射, 因此在叠后反演前, 需要对叠后纯波地震资料进行拓频处理。我们采用混合相位子波反褶积技术对目标层段进行拓频处理, 该技术在谱展宽的同时, 还可以使剖面零相位化, 子波提取和期望输出是该项技术的关键环节。我们采用新复赛谱技术交互进行子波提取, 提取的子波振幅谱准确客观。为获得反映储层的最佳子波振幅谱, 即期望输出子波振幅谱(图 4a), 采用谱模拟的思想, 将信噪比谱、地震道振幅谱作为参考, 定义期望输出, 合理挖掘高频地震资料的潜力, 并且利用井曲线监控提高分辨率, 从而找到分辨率与保真度之间的最佳平衡点, 输出振幅谱(图 4b)。拓频前的地震资料目的层段地震主频为40Hz, 频宽为10~80Hz, 采用地震拓频技术(即反褶积、滤波)处理后, 在合理窗口范围内, 适当提高中、高频段占比, 将地震资料主频提至50Hz, 既保证了地震剖面整体标准层的清晰程度, 又提高了目的层的分辨率。图 5为拓频前、后目的层段地震频谱, 对比发现, 50~70Hz频段的能量有了较大的提高, 主频由40Hz提至约50Hz。

图 4(Fig. 4)

图 4 最佳反映储层的子波振幅谱分析 a期望输出子波振幅谱; b实际输出子波振幅谱

图 5(Fig. 5)

图 5 拓频前、后目的层段地震资料频谱

如图 6所示, 对比庄3井工区三维line2609线拓频前、后的地震剖面可以看出, 二二亚段内砂体(黄色箭头)拓频前为空白反射或弱反射, 拓频后为较为稳定的中-强振幅反射, 且横向连续性较好, 二一亚段内砂体(黑色箭头)拓频前反射轴发生扭动, 拓频后反射更稳定清晰, 横向连续性更好, 整个剖面的信噪比也有所提高。

图 6(Fig. 6)

图 6 庄3井工区三维line2609线拓频前(a)、后(b)地震剖面

薄储层反演的关键是拓宽频带, 估计高频成分。地震子波是带限信号, 其有效信号高频带一般为40~60Hz, 超出该频带的信号只能用测井信息来补充。测井信息虽然具有垂向宽频带和高分辨率, 但其横向分布稀疏, 因此如何获取合理的井间高频成分是高分辨率反演的关键。虽然地震子波有效频带窄, 但其横向变化反映了沉积环境的变化, 相似的沉积环境具有可类比的沉积组合结构。地震波形指示反演充分利用了地震波形的横向变化解析储层空间结构, 优选井的样本, 再根据样本分布距离对高频成分进行无偏最优估计^[11-12], 从而大幅提高薄储层预测的精度和准确性, 该方法适用于薄储层精细预测, 目前已应用于大港、胜利、新疆、吉林、大庆等油田的薄储层预测^[13-17]。

波形指示反演实现分为如下3步: ①优选地震波形指示样本, 即相控模拟, 在已知井中利用波形相似性和空间距离双变量优选低频结构相似的井作为空间估值样本; ②分析样本井曲线, 即对地震波形相似的测井曲线进行分析; ③进行空间估值, 利用(5)式和样本分布距离对未知样本点进行无偏最优估计^[18-20]。

式中: Z(x₀)为未知点的值; Z(x_i)为未知点周围的已知样本点的值; λ_i为i个已知样本点对未知样点的权重; n为优选样本点的个数。

波形指示反演流程如图 7所示, 首先在测井曲线预处理的基础上, 针对要解决的地质问题优选敏感曲线, 然后基于框架模型进行波形指示反演, 最后在频率域合并低频模型和反演结果, 得到高分辨率反演结果, 图 7中最关键的环节为敏感曲线分析。

图 7(Fig. 7)

图 7 地震波形指示反演技术流程

在对测井曲线进行重采样、去异常值、归一化等预处理的基础上, 对研究区目的层段三工河组二段的砂泥岩测井资料进行敏感曲线交会分析, 发现利用波阻抗、密度和电阻率曲线难以区分目的层段的砂泥岩, 而利用自然伽马曲线可以较好地对岩性进行区分(图 8)。因此本次研究采用自然伽马曲线对声波进行频率域重构, 预测三工河组二段砂体展布情况。

图 8(Fig. 8)

图 8 测井曲线直方图 a波阻抗; b密度; c电阻率; d自然伽马

时间平均方程表明, 随着岩石的孔隙度增加, 纵波速度降低, 纵波阻抗减小^[21]。井位处三工河组二段纵波速度与孔隙度交会分析结果发现, 纵波阻抗与孔隙度存在较好的负线性相关关系(图 9), 孔隙度越高, 纵波阻抗越小。因此, 在波形指示反演的基础上, 利用孔隙度与纵波阻抗的线性关系((6)式), 进行孔隙度协模拟反演, 可以预测储层物性, 寻找有利发育区, 优选勘探目标。

图 9(Fig. 9)

图 9 纵波阻抗与孔隙度交会结果

式中: v为岩石速度; Φ为孔隙度; v_f为流体速度; v_r为岩石骨架速度。

三工河组二段是该工区的主力含油层系, 下部厚层砂岩发育, 向上泥岩不断增多。二二亚段构造活动相对较弱, 地貌高差小, 沉积相对稳定, 以曲流河三角洲前缘水下分流河道为主, 其中上部主要发育泥岩沉积, 底部以细砂岩、粉砂岩为主。储层结构为泥包砂, 单层砂体厚度多小于10m。该层具有北厚南薄的沉积特征, 北部地层厚度约为40m, 南部地层厚度约为30m。

图 10为三工河组二段连井波形指示反演剖面, 可以看出, 反演结果分辨率较高, 二二亚段砂体整体较薄, 且横向不连续, 呈现典型的河道砂体展布特征, 符合该区曲流河三角洲沉积的地质认识, 有效预测了庄4井5m含油砂体, 并与实钻结果高度吻合。二一亚段砂体整体较厚, 横向变化快, 井间砂体变化与地层对比图吻合。庄5井底层砂体中的泥岩薄夹层在反演剖面上也有所体现, 砂体描述结果与钻井结果吻合度较高。

图 10(Fig. 10)

图 10 三工河组二段连井波形指示反演剖面

利用反演结果, 对三工河组二二亚段砂体顶、底界面进行了追踪解释, 计算了砂体厚度, 结果如图 11所示。整体而言, 受沉积物源及古地貌等因素的控制, 二二亚段为曲流河三角洲沉积, 物源主要来自北西方向, 河道主要为北西-南东向, 砂体连片发育, 砂体规模大小不一, 厚度分布不均匀, 呈现较强的非均质性。

图 11(Fig. 11)

图 11 三工河组二二亚段预测砂体厚度

提取图 11井点处的各个砂体预测厚度以及实钻厚度, 制作了预测砂体和实钻砂体的厚度统计图, 结果如图 12所示, 预测和实钻厚度误差较小, 吻合率达到85%, 证明反演结果的准确度较高。

图 12(Fig. 12)

图 12 三工河组二二亚段预测砂体厚度与实钻厚度统计

2019年, 在庄3井工区部署了该井。该井位于庄102井北东方向, 所在圈闭为构造圈闭, 主探三工河组二段砂体, 目的在于评价庄102井东断块圈闭三工河组二段砂体的含油气情况。实钻结果揭示庄111井处J₁S₂²、J₁S₂¹砂体比较发育, 且二二亚段砂体见油气显示, 与反演结果吻合度较高, 从庄111井岩性柱状图(图 13)中可以看出, 在4240~4252m实际钻遇三工河组二二亚段砂体厚度12m, 与钻前评估预测的砂体厚度结果(图 11)相吻合, 再次证明了反演结果的准确度与可靠性。

图 13(Fig. 13)

图 13 庄111井岩性柱状剖面

此外, 为揭示砂体物性规律, 在砂体厚度预测结果上, 叠合砂体孔隙度反演结果, 可以优选出有利储层发育区。图 14为三工河组二二亚段砂体孔隙度预测结果, 可以看出, 砂体展布基本符合曲流河三角洲沉积特征, 河道砂体孔隙度较高, 物性较好, 但是平面图上同一套砂体内部孔隙度变化较大, 揭示了同一套砂体平面上物性变化快, 储层非均质强。此外, 井点处的孔隙度预测值与测井解释较为吻合。根据孔隙度预测结果, 我们圈定了二二亚段砂体有利储层发育区(黑色虚线区域), 总面积约为96.3km², 为下一步优选勘探目标提供了依据。

图 14(Fig. 14)

图 14 三工河组二二亚段砂体孔隙度预测结果

1) 基于岩石物理模型的测井资料校正, 去除了井眼等环境因素对声波、密度曲线造成的异常值, 有利于精细标定合成地震记录测井, 可提取储层准确的反射特征, 保证了储层预测的精度。

2) 地震拓频处理技术可以在合理窗口范围内提高纵向分辨率, 既保证了剖面整体的清晰, 又提高了目的层段的分辨率, 为储层预测奠定了基础。

3) 利用波形指示高分辨率反演技术, 对庄3井工区三工河组二二亚段主要砂体进行了精细描述, 刻画了砂体边界, 预测了砂体厚度, 将预测结果与实钻井结果对比, 吻合率达到85%。利用阻抗与孔隙度的负相关性, 预测砂体孔隙度, 圈定二二亚段有利储层发育面积约96.3km², 为下一步勘探目标的优选奠定了基础。