优质储层定量预测一直是石油勘探中的研究热点和难点,目前较为成熟的储层预测方法是叠前反演。Mukerji等[1]和Avseth等[2]首先尝试应用统计岩石物理结合叠前弹性参数的方法开展储层定量预测,即基于岩石物理和贝叶斯框架、充分利用多弹性参数联合信息的地震储层预测方法。目前,该方法已广泛应用于储层定量预测中。Connolly[3]提出了弹性波阻抗的概念,基于叠前弹性的反演技术得到了较大地发展和应用。Hampson等[4]在Simmons等[5]和Buland等[6]研究的基础上,提出了叠前同时反演技术,可同时反演纵、横波阻抗和密度等,该技术的优点是考虑了纵、横波阻抗与密度之间的关系。Bachrach [7]通过联合随机岩石物理模拟并采用基于贝叶斯框架的地震储层预测方法预测了储层的孔隙度和饱和度。Spikes等[8]基于岩石物理模型提出了应用概率地震反演来预测岩性和流体的方法。Sams等[9-10]对利用基于岩石物理模型的岩性概率体进行储层定量预测的不确定性进行了研究,认为降低岩性流体定量预测不确定性的关键是求取最优的概率密度函数。近年来,国内学者在定量地震储层预测领域的研究也取得了长足进展。甘利灯等[11]对弹性阻抗在岩性和流体预测中的潜力进行了分析,认为通过优选特定入射角的弹性阻抗可以更好地识别岩性和流体。郭伟等[12]利用贝叶斯统计分类技术对浊积岩储层进行了岩性及流体判别。晏信飞等[13]应用贝叶斯岩性判别技术对川中地区致密砂岩储层的岩性及流体进行了检测。胡华锋等[14]基于贝叶斯反演框架,综合应用岩石物理统计模型及蒙特卡洛随机模拟技术实现了多种储层物性参数的联合反演。目前,“叠前同时反演+岩性流体概率分析”技术组合是优质储层定量预测的发展趋势[15-16]。
锦州25-1油田位于辽东湾北部(图 1),是辽西凹陷内首次发现的三级油气当量近亿吨的优质油田。锦州25-1构造位于辽西低凸起北段,是被辽西1号断层切割的大型背斜。主力含油层系为沙河街组二段(沙二段),储层为辫状河三角洲砂岩,即分选、磨圆均较好的中粗粒砂岩和细砂岩。孔隙度为10.8%~40.1%,平均为25.0%;渗透率为0.1~ 1 687.8 mD,平均为267.0 mD [17]。
针对研究区主力含油层系沙二段进行过多次叠后储层预测,效果均不理想。经分析,认为叠后储层预测失败的原因可能与以下几方面因素有关:①埋深对地震资料主频具有明显的影响,随着埋深的增加,地震资料主频降低。锦州25-1油田主体区沙二段埋深较浅(1 500~2 000 m),主频在35 Hz左右,锦州25-1油田周边的锦州20-3/5构造区沙二段埋深较深(2 000~2 500 m),主频在25 Hz左右。若层速度按3 000 m/s左右计算,则理论分辨率仅为20~30 m,分辨率相对较低。②统计发现,沙二段的砂泥岩纵波阻抗区分不明显,导致叠后储层反演结果较差。③沙二段地层局部含有钙质,特殊岩性的存在降低了反演结果的准确性,同时也影响了储层地震反射特征的识别。
如何在锦州25-1油田进行精细储层预测?本次研究拟从以下2方面入手:一方面,地震响应特征是沉积体结构的直观反映,识别出储层的地震响应特征就能够有效区分储层与非储层[18]。另一方面,叠前道集资料比叠后地震资料包含了更为丰富的储层信息,可以先对叠前道集资料进行优化处理,以提高分辨率;同时进行岩石物理分析,寻找储层敏感参数;然后进行叠前同时反演,得到较为准确的储层敏感参数体,提高储层预测精度;最终结合岩相流体概率分析技术,确定优质储层的分布范围。即从钻井出发,采用“地震-地质一体化”的研究思路,通过地震相分析、井震正演模拟,对优质储层地震响应特征进行描述;利用“叠前同时反演+岩相流体概率分析”技术组合,对优质储层进行定量预测,并结合能够表征优质储层地震响应特征的多种属性,预测优质储层发育区。
1 优质储层地震响应特征分析、正演模拟及敏感属性提取图 2为从辽西低凸起到JZ20-5-B井顺物源方向的典型地震剖面,自下而上依次发育沙河街组三段(沙三段,E2s3)、沙河街组二段(沙二段,E2s2)、沙河街组一段(沙一段,E2s1)、东营组三段(东三段,E3d3)、东营组二段下亚段(东二下段,E3d2L)等。各层段波组特征清晰,彼此之间差异明显。沙三段主要为一套相对低频、弱振幅的中连续反射;沙二段、沙一段主要为一套相对中―低频、中―强振幅的中―低连续反射;东营组主要为一套相对高频、中―弱振幅的低连续反射。通过沉积特征分析、正演模型模拟、敏感属性分析等多种手段对主力含油层系沙二段进行描述和识别。
区域上,沙一段以湖相泥岩(地震纵波速度为2 600 m/s,密度为2.200 g/cm3)沉积为主,局部见薄层泥质白云岩(地震纵波速度为3 300 m/s,密度为2.245 g/cm3);沙二段为辫状河三角洲砂岩(地震纵波速度为3 500 m/s,密度为2.275 g/cm3)与湖相泥岩(地震纵波速度3 100 m/s,密度2.215 g/cm3)互层沉积。图 3为沙一段和沙二段的纵波层速度与阻抗交会,从图 3中可以看出,相对于沙一段,沙二段表现为高速(低声波时差)、高阻抗,因此,两者之间的地层界面形成了强振幅的反射特征。
针对沙一段与沙二段由于沉积环境不同所导致的岩性组合差异,根据沙一段、沙二段层速度与密度的局部变化特征,通过点震源垂直入射自激自收正演模拟[19-20],采用实际测井资料统计出的密度及速度参数(东三段的纵波层速度为2 400 m/s,密度为2.100 g/cm3;沙一段泥岩的纵波层速度为2 600 m/s,密度为2.200 g/cm3;沙一段钙质砂岩的纵波层速度为3 300 m/s,密度为2.245 g/cm3;沙二段泥岩的纵波层速度为3 100 m/s,密度为2.215 g/cm3;沙二段砂岩的纵波层速度为3 500 m/s,密度为2.275 g/cm3;沙三段的纵波层速度为3 200 m/s,密度为2.225 g/cm3)。设计了能够反映沙二段顶面强振幅反射形成原因的简单层状模型(图 4)。为了使正演结果具有可对比性,假设沙一段和沙二段的地层厚度均为100 m,选用35 Hz雷克子波模拟锦州25-1油田主体区沙二段顶面的地震响应情况。
图 4(a)中,假设沙一段为纯泥岩,沙二段分别为纯泥岩或砂泥互层等2两种情况。当沙二段为100 m纯泥岩时,计算得出沙二段顶面(蓝色波峰)的振幅值为0.015 57;当沙二段为砂、泥岩分别以10 m的厚度互层沉积时(砂地比为0.5),计算得出沙二段顶面(蓝色波峰)的振幅值为0.024 71。可以看出,沙二段中砂岩的含量越高,其顶面的振幅值越大。
图 4(b)中,假设沙一段为泥岩夹薄层泥质白云岩(含钙质),沙二段分别为泥岩或砂泥互层等2种情况。其中,沙一段中的泥岩共94 m,泥质白云岩共3层,每层厚度为2 m。当沙二段为100 m纯泥岩时,计算得出沙二段顶面(蓝色波峰)的振幅值为0.011 34;当沙二段为砂、泥岩分别以10 m的厚度互层沉积时(砂地比为0.5),计算得出沙二段顶面(蓝色波峰)的振幅值为0.021 63。同样可得出沙二段砂岩含量越高,其顶面振幅值越大的结论。因此,无论沙一段含不含钙质,只要沙二段从泥岩过渡到砂岩,沙二段的顶面振幅便是增强的[图 4(a)~(b)]。
在上述模型正演模拟的基础上,选取沙一段地层情况基本一致、沙二段砂地比差别比较大的2口已钻井,输入密度与声波时差曲线进行测井曲线插值正演模拟[图 4(c)]。其中,JZ25-1-H井沙二段的砂岩厚度为23 m,地层厚度为80 m,砂地比为0.29,计算得出沙二段顶面的峰值振幅为0.004 93;JZ25- 1-F井沙二段的砂岩厚度为115 m,地层厚度为163 m,砂地比为0.71,计算得出沙二段顶面的峰值振幅为0.019 51。进一步证实了沙二段砂岩含量越高,其顶面振幅值越大的结论。
因此,对沙二段顶面提取平均峰值振幅属性,能够定性表征沙二段储集砂岩的分布,且属性颜色越接近红色,峰值振幅越大,沙二段砂岩含量越高,储层就越发育[图 5(a)]。
锦州25-1油田东侧的锦州20-5背斜为富砂含油气构造(参见图 2),该构造的地震反射特征是同相轴不连续且呈叠瓦状。从沉积环境来看,由于辫状河三角洲砂体沉积区的水动力较强、砂体相互叠置,常常导致地震反射轴不连续现象发生;钙质及泥岩发育区,由于远离物源区且水动力较弱、沉积物分布稳定,地震同相轴往往较连续。因此,可以利用地震同相轴连续性的差异来反映沉积环境的差异,进而刻画出不同类型沉积岩性体的分布范围[图 5(b)]。JZ20-5-A井处的沙二段为正常砂泥岩互层沉积,JZ20-5-B井处的沙二段含有2层厚度均为1.6 m的钙质砂岩。区内沙二段发育砂岩、钙质砂岩和泥岩等3种岩性,为明确各种岩性含量对同相轴连续性的影响,选用25 Hz的雷克子波进行井间插值正演,模拟由于钙质和砂泥岩含量不同所引起的地震同相轴连续性的变化情况。图 6(a)为JZ20-5-A和JZ20-5-B这2口井引入密度与声波时差曲线的井间插值模型,图 6(b)为图 6(a)对应的点震源垂直入射自激自收正演剖面。首先,分析钙质含量减少对地震同相轴连续性的影响,将JZ20-5-B井中对应的钙质砂岩部位的测井曲线替换成储集砂岩测井曲线,则正演生成的沙二段地震同相轴变得不连续[图 6(c)],说明了钙质含量与同相轴连续性呈正相关关系;其次,分析泥岩含量增加时对地震同相轴连续性的影响,将JZ20-5-B井中储集砂岩部位的测井曲线替换成泥岩测井曲线,则正演生成的沙二段地震同相轴变得连续[图 6(d)],说明泥岩含量增加也会导致同相轴变连续。综上所述,可以推断,同相轴连续的部位可能有钙质存在或泥岩含量高,储层不发育;同相轴不连续的部位,储集砂岩比较发育。因此,采用能够表征同相轴差连续性的相干体最小振幅属性可以定性预测储集砂岩的分布[图 5(b)],其中,低值的黄色区域定性预测出了储集岩砂体的分布范围。
在某一层段内,地震资料主频可以反映地层局部岩性和流体的变化且效果较好[21-22]。因此,可通过分析区内沙二段的主频分布来定性确定储层的分布范围[图 5(c)~(d)]。影响主频分布的因素较多,包括地层厚度、砂地比、砂体层数、埋深、地震资料的采集与处理方法等。本次研究以5 Hz为间隔,从10 Hz到60 Hz对沙二段进行了分频属性提取。从35 Hz分频切片中可以看到:锦州25-1油田的主体区域表现为红色和黄色,形状为扇形,扇根指示物源方向为西向东,与辽东湾西侧的物源方向相吻合,且与油田数十口探井及开发井钻遇的沉积相相吻合,属于大型辫状河三角洲沉积;由于油田主体区位于小型反转构造带上、埋深浅(1 500~ 2 000 m),对扇体有一定的阻挡效应,向东南继续有多期扇体存在[图 5(c)]。此外,辫状河三角洲砂岩是良好的储集体,三角洲越发育,储层也就越发育。将图 5(c)与油田主体区各井所钻遇的储层厚度进行对比,发现属性图上颜色越接近红色的地方,储层越发育。从25 Hz分频切片中可以看到:锦州25-1油田主体区域的南侧、北侧及锦州20-5构造区,存在大片呈红、黄色的属性区,已钻井揭示为三角洲扇体,均依附于边界断层附近,反映了区内近源扇三角洲沉积的特征。与钻井所钻遇的储层厚度进行对比,同样发现属性图上颜色越接近红色的地方,储层越发育[图 5(d)]。
依据“山-沟-坡-面”耦合控砂机理[23],结合钻井资料划分地震相,进一步精细刻画古物源、古沟谷及富砂沉积体系的分布(图 7)。“山-沟-坡-面”耦合控砂机理中所谓的“山”,是指在坡折的上游位置必须有有效物源;“沟”是指长期遭受侵蚀的大型沟谷群,且切过有效物源区的沟谷才可能成为输砂通道;“坡”是指有效的古坡折体系;“面”是指层序界面。层序界面附近是砂体发育的有利位置,要在层序界面附近找到良好的砂体,必须保证“山-沟-坡-面”的有效配置。从图 5和图 7可以看出,锦州25-1油田沙二段的属性展布特征与沉积体系的分布基本一致,符合地质规律。
虽然通过地震相分析、井震正演模拟及相关属性提取,能够定性地描述优质储层的地震响应特征及其分布范围,但对于勘探相对成熟的油田围区来说,研究工作不能仅仅停留在定性研究阶段,而需要更进一步,即对优质储层开展定量预测。
2 优质储层定量预测所谓的优质储层只是个相对概念,优质储层的厚度及物性等参数没有绝对指标,只是在一个区块内普通储层参数背景下,将拥有相对较大厚度、相对较好物性的这类储层定义为优质储层。叠后反演在锦州25-1油田的储层预测工作中效果较差,本次研究尝试利用叠前资料进行精细储层预测。叠前反演的基本原理是通过叠前道集优化处理和叠前同时反演得到较为准确的储层敏感参数体,再运用岩相流体概率分析技术得到储集砂岩概率体,进而将实际钻井钻遇的砂岩厚度和孔隙度对储集砂岩概率体进行标定,从而确定优质储层的厚度与孔隙度分布,最后再根据研究区的勘探经验划定优质储层参数下限,落实优质储层分布范围、对优质储层进行定量预测[24]。具体流程主要包含叠前道集优化处理、岩石物理分析、叠前同时反演及岩相流体概率分析等4步。
2.1 叠前道集优化处理叠前道集资料中包含丰富的储层信息,是叠前反演输入的基础资料,因此,反演前须要对叠前道集进行优化处理[25-26]。本次研究中,首先针对区内2块不同年份采集的地震资料存在能量不均衡的现象进行了振幅匹配处理,使2块资料的能量相一致;其次通过剩余时差拾取和子波拉伸校正技术,拉平道集并去除NMO和偏移过程中的子波拉伸效应,一定程度上提高了地震资料的分辨率[27];最后采用Q补偿技术消除地震波在地下介质传播过程中的耗散和吸收,恢复地下岩层的反射系数,从而改善道集质量,确保2块道集资料在振幅、频率、相位等方面具有一致性。将偏移距道集转换为角道集,能够起到去除噪音、提高信噪比的作用[28]。为了进一步提高资料的信噪比和求解稳定性,本次研究通过分角度叠加,求取了6°~12°,10°~16°,14°~20°,18°~24°,22°~28°,26°~32°,30°~36°等7个角道集数据体,用于叠前同时反演。
2.2 岩石物理分析岩石物理分析的思路主要是对井数据进行统一处理,并分析和求取储层敏感参数,从而建立岩石物理属性与地震数据之间的桥梁,用于判别岩性,划分储层与非储层[29-31]。通过对锦州25-1油田进行多井多参数的交会分析,发现密度与纵波阻抗交会结果能够较好地区分储层与非储层,相对于泥岩,砂岩表现为低密度、高纵波阻抗的特征(图 8)。
叠前同时反演是基于贝叶斯原理建立最佳的弹性参数分布模型,并在井和地震资料约束条件下进行的弹性参数反演。该反演方法既保证了多种弹性参数反演结果的一致性,又增强了反演结果的稳定性和可靠性,可以实现对地下地质体的最佳预测[32-33]。
本次研究应用技术较为成熟的Jason和HampsonRussell软件进行联合反演。根据渤海油田近几年的储层预测工作经验,Jason考虑构造对模型的影响,能够引入断层,从而建立高精度的初始模型,使反演输入的模型更加准确,且求取的纵、横波阻抗和纵、横波速度也较为准确,但由于自身算法的原因,密度项求解的稳定性相对较弱;Hampson-Russel虽然在反演过程中的模型只受层位约束,未考虑构造的影响,且该软件基于模型进行反复迭代,对初始模型的质量要求较高,但其自身算法对密度项的求解却更为稳定和准确。因此,本次研究分别利用Jason和Hampson-Russell软件的优势模块进行联合反演,由Jason得到高精度的初始模型,由HampsonRussell得到高精度的密度体。具体过程如下:首先,将层位及断层数据导入Jason进行高精度的构造建模;其次,输入7个不同角度叠加的地震数据和对应子波,利用地质统计学方法,在三维空间里分别对密度及纵、横波速度进行空间插值,形成密度体及纵、横波速度体,则这些数据体的低频部分就是同时反演的背景模型信息;最后,将Jason反演结果输入到Hampson-Russell中,利用处理后的测井资料约束纵、横波阻抗以及密度的纵向变化趋势与横向上的展布范围,经过反复迭代得到与实际钻井相吻合的纵、横波阻抗,纵、横波速度比以及密度数据体。该工作方法流程已在渤海渤中凹陷、南海白云凹陷、东营凹陷等区块进行了实际应用[34-35],反演结果的准确性均得到了证实。
2.4 岩相流体概率分析岩相流体概率分析技术的核心是建立各种类型岩性和含不同流体时储层的地震反演弹性参数之间的关系,定义各种类型岩性的弹性属性的概率密度函数,对反演结果的每一个样本点进行岩相与流体的概率分析,最终应用贝叶斯模糊判别分析技术计算各种岩相类型的空间分布概率。岩相流体概率分析技术提供了一种储层定量预测的方法,这种方法生成的岩性概率体源自与不同岩性类型相关的反演弹性参数的概率密度函数[9-10]。岩相流体概率分析方法的主要目的是确定储层厚度和孔隙度。具体技术流程如下:①输入对储层敏感的弹性参数体,求取储集砂岩概率体;②建立储集砂岩概率体与储层厚度及孔隙度的函数关系;③定量预测优质储层分布范围。依据区内储层普遍参数及勘探经验,厚度大于50 m、孔隙度大于20%的储层即可定义为优质储层。
采用“岩相流体概率分析”技术将反演结果(纵波阻抗体、密度体)生成砂岩概率体以确定砂岩厚度。首先须要统计出实际钻井钻遇的储层厚度(时间域);再通过软件计算,对砂岩概率体保留不同概率值时的沙二段内部储层厚度(时间域)进行累加,得出沙二段内储层厚度(时间域);然后,按照0.1的等间隔逐步减小概率值,对比统计出的储层厚度(时间域)与实际钻井钻遇的储层厚度(时间域),将这2个厚度最接近时的概率值作为阈值;同时,还要对比反演剖面上储层的分布位置与实际钻井储层的分布位置,以判断反演结果是否准确,综合确定概率阈值。
经过对比,当概率值大于0.6时,反演出的储层厚度(时间域)与实际钻井钻遇的储层厚度(时间域)较为接近,且在反演剖面上与实际钻井的吻合度较高(图 9)。因此,当概率值大于0.6时,反演结果能够很好地表征区内储集砂岩的厚度与分布。通过精确的时深转换,将反演得到沙二段储层厚度时间域平面图,生成深度域平面图(图 10)。区内沙二段地层厚度为80~200 m,根据已钻井分析及长期勘探经验,将储层厚度大于50 m作为优质储层定量评价的基础。图 10中由绿色向红色过渡的区域即为储层厚度由50 m过渡到150 m的区域,是有利的储层发育区。
计算砂岩孔隙度时,首先统计井点储层的平均概率值与平均孔隙度的关系(图 11),从图 11中可以看出,随着孔隙度增加,储层的平均概率值也随之增加,二者之间具有一定的正相关关系;其次分析实际钻井数据,发现储层平均孔隙度大于20%的井所对应的储层平均概率值均大于0.9,因此,以0.9为阈值,可以刻画孔隙度大于20%的优质储层的分布范围(图 12)。由于本次研究中样本点有限,保守预测图 12中由黄色向红色过渡区域的储层孔隙度为20%~24%,不排除局部会有更高的孔隙度值。
将上述储层厚度分布图及高孔隙度平均概率分布图这2个定量分析结果进行叠加或融合,即可得到厚度大于50 m且孔隙度大于20%的优质储层的分布范围。其中,在JZ25- 1- K井的西侧和南侧、JZ25-1-M井的西侧和南侧,优质储层较为发育。该研究成果为锦州25-1油田的后续井位优化提供了理论依据。
3 结论(1) 以“山-沟-坡-面”耦合控砂机理为指导,通过地震相分析、井震正演模拟等对锦州25-1油田及其围区储层的地震响应特征进行了描述和识别。根据正演模拟结果,可以采用多种能够表征储层地震响应特征的属性来划分储层与非储层。认为沙二段储层主要为一套相对中―低频、中―强振幅、中―低连续的反射,振幅类(平均峰值振幅)、相干类(相干体最小值)及分频类(25 Hz,35 Hz)属性均能够较好地指示储层的分布范围。
(2) 本次研究中定义的优质储层是在一个区块内储层普遍参数背景下,拥有相对较大厚度、相对较好物性的储层。根据叠前资料中包含有丰富的储层信息这一特点,利用“叠前同时反演+岩相流体概率分析”组合技术,对优质储层进行了定量预测,刻画出厚度大于50 m且孔隙度大于20%的优质储层发育区,即JZ25-1-K井的西侧和南侧、JZ25-1-M井的西侧和南侧。研究结果为锦州25-1油田及其围区滚动勘探的井位设计提供了理论依据。
(3) 优质储层定量预测的关键点在于反演参数的准确选择、概率结果与井资料的相关性分析这2个方面。
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