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基于高分辨率波形指示反演方法在“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)中的應(yīng)用:以四川盆地焦石壩地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層為例

2018-05-08 08:39:02苑益軍劉喜武張遠(yuǎn)銀吳學(xué)敏
現(xiàn)代地質(zhì) 2018年2期
關(guān)鍵詞:氣層波阻抗龍馬

郭 鵬,苑益軍,劉喜武,張遠(yuǎn)銀,吳學(xué)敏,6,李 鴻,7

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 物探測(cè)試中心,北京 100024;3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083;4.中國(guó)石化 頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;5.國(guó)家能源頁(yè)巖油研發(fā)中心,北京 100083;6.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510075;7.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究總院,天津 300392)

0 引 言

四川盆地具有構(gòu)造穩(wěn)定、含氣量大、探明儲(chǔ)量多、產(chǎn)氣量高的特點(diǎn)[1-2],但是由于四川盆地經(jīng)歷了長(zhǎng)期的構(gòu)造演化過(guò)程,形成了復(fù)雜的構(gòu)造條件[3-4]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者在四川盆地頁(yè)巖氣研究方面已做了大量的工作,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)成藏機(jī)理及其地質(zhì)條件[5-7]、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征和富集類(lèi)型的研究[8-9];(2)對(duì)富含頁(yè)巖氣地層龍馬溪組地球化學(xué)和沉積環(huán)境特征的研究[10-12];(3)以單井為例從地層特征、有機(jī)化學(xué)特征和物性特征等方面研究頁(yè)巖氣高產(chǎn)富集有利條件[13];(4)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的地球物理特征及識(shí)別方法的研究[14-15];(5)對(duì)焦石壩地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行常規(guī)稀疏脈沖反演的研究[16-18]。地震反演是充分利用測(cè)井、鉆井、地質(zhì)和地震資料反演得到精確的地下儲(chǔ)層信息,從而為鉆井開(kāi)發(fā)提供依據(jù),減少總成本投入[19-20]。在以往研究頁(yè)巖儲(chǔ)層反演研究中,是利用常規(guī)疊后稀疏脈沖反演方法進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層反演,但是常規(guī)疊后稀疏脈沖反演方法,由于沒(méi)有充分利用高頻成分參與反演計(jì)算,所以只能刻畫(huà)大段儲(chǔ)層,因此對(duì)于像焦石壩龍馬溪組非常薄的優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層則很難清晰刻畫(huà)。雖然傳統(tǒng)的疊后地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法分辨率高,但是傳統(tǒng)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法井間采用變差函數(shù)進(jìn)行差值計(jì)算,對(duì)實(shí)際的地質(zhì)想象描述不夠準(zhǔn)確;而高分辨率波形指示反演是利用地震波形優(yōu)選地震樣本,指導(dǎo)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演,使反演結(jié)果在縱向上具有高分辨率的特點(diǎn),且橫向上符合沉積規(guī)律。因此,開(kāi)展針對(duì)頁(yè)巖氣薄層高精度的地震波形指示反演研究具有實(shí)際意義。

本文應(yīng)用基于高分辨率波形指示反演方法刻畫(huà)了焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖薄儲(chǔ)層段波阻抗剖面展布及其優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層段時(shí)間域厚度平面展布情況;進(jìn)一步應(yīng)用高分辨率波形指示反演方法模擬了焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖薄儲(chǔ)層段TOC剖面展布,為后期頁(yè)巖儲(chǔ)層的精細(xì)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域地質(zhì)特征

焦石壩區(qū)塊位于四川盆地,屬山地-丘陵地貌,地形起伏劇烈,高山溝壑縱橫,地面海拔介于300~1 000 m之間,構(gòu)造位置處于川東隔擋式褶皺帶內(nèi),處于石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬(wàn)向復(fù)向斜等多個(gè)構(gòu)造單元的結(jié)合部位。西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界與川中構(gòu)造區(qū)相接,東側(cè)以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰,北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接[21],區(qū)域構(gòu)造特征非常復(fù)雜(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造劃分圖Fig.1 Structural unit division of the study area

研究區(qū)發(fā)育上三疊統(tǒng)嘉陵江組—上奧陶統(tǒng)五峰組,區(qū)域上缺失泥盆系,局部地區(qū)缺失石炭系。五峰組—龍馬溪組地層三分性特征明顯,下部為暗色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁(yè)巖段(主力含氣層段),中部為濁積砂巖段,上部為含粉砂質(zhì)泥巖段。

勘探結(jié)果及巖心取樣表明,焦石壩地區(qū)下部五峰組—龍馬溪組一段為主力含氣層段,且一期試采成功,因此針對(duì)該地區(qū)進(jìn)行高精度儲(chǔ)層預(yù)測(cè),對(duì)研究五峰組—龍馬溪組一段超薄優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有實(shí)際意義。

2 基于高分辨率波形指示反演原理

高分辨率波形指示反演方法是基于地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬算法[22],基本步驟如下:

(1)參照空間分布距離和地震波形相似性?xún)蓚€(gè)因素對(duì)所有井按關(guān)聯(lián)度排序,從三維地震數(shù)據(jù)體中的所有預(yù)測(cè)點(diǎn)優(yōu)選關(guān)聯(lián)度高的井,把井點(diǎn)的值作為預(yù)測(cè)點(diǎn)的初始值,建立初始模型,并統(tǒng)計(jì)井的縱波阻抗作為先驗(yàn)信息。

(2)將初始模型與地震頻帶阻抗進(jìn)行匹配濾波,計(jì)算得到似然函數(shù)。在貝葉斯框架下聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗(yàn)分布得到后驗(yàn)概率分布,然后構(gòu)造一個(gè)與所求后驗(yàn)分布相同的馬爾科夫鏈,并將其作為目標(biāo)函數(shù),不斷擾動(dòng)模型參數(shù),將馬爾科夫鏈平穩(wěn)時(shí)的解作為三維地震數(shù)據(jù)體預(yù)測(cè)點(diǎn)波阻抗的有效樣本隨機(jī)序列,基于波形優(yōu)選波阻抗的樣本序列為{θ0,θ1,…,θn}。

(3)通過(guò)用蒙特卡洛模擬的方法,對(duì)優(yōu)選的波阻抗樣本目標(biāo)函數(shù)f(θ) 數(shù)學(xué)期望進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì),如下式[22]:

(1)

(a)標(biāo)準(zhǔn)化前;(b)標(biāo)準(zhǔn)化后圖3 目標(biāo)層層段DT測(cè)井曲線直方分布圖Fig.3 DT well logging curves of target layers

三維地震數(shù)據(jù)體是分布密集的空間結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),能反映沉積環(huán)境和巖性組合的空間變化,經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟的計(jì)算,保證反演結(jié)果在空間上體現(xiàn)地震相的約束,平面上符合沉積規(guī)律。

圖2 高分辨率地震波形指示反演流程圖Fig.2 Flowchart of the inversion method based on high-resolution waveform

地震波形指示反演流程如圖2所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在應(yīng)用高分辨率波形指示反演方法進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)過(guò)程中,測(cè)井曲線標(biāo)準(zhǔn)化、子波選取以及波形指示反演參數(shù)的選取是做好地震波形指示反演的關(guān)鍵技術(shù),具體描述如下。

3.1 測(cè)井曲線標(biāo)準(zhǔn)化

油田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,難以保證所有獲得的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)都采用相同的儀器和統(tǒng)一的刻度標(biāo)準(zhǔn),因而不同井的相同測(cè)井曲線取值范圍不一致。為了正確反映地層信息,必須對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[23]。

標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)井的選取,研究區(qū)域井資料顯示,目標(biāo)層段主要為暗色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁(yè)巖和粉砂質(zhì)泥巖。井的目標(biāo)層沉積穩(wěn)定,成層分明,其中JY4井曲線在目標(biāo)層內(nèi)數(shù)值集中,所以選擇JY4井為標(biāo)準(zhǔn)井,圖3為標(biāo)準(zhǔn)化前后目標(biāo)層段DT測(cè)井曲線直方圖。

圖4 雷克子波(紅線)和振幅譜估計(jì)地震子波(綠線)及相應(yīng)的振幅相位譜Fig.4 Ricker wavelet (red line) and amplitude spectrum estimating wavelet(green line) (a),and the corresponding amplitude spectrum (b)and phase spectrum(c)

圖5 JY1井合成地震記錄標(biāo)定Fig.5 Calibrating synthetic seismograms of well JY1

由圖3可以看出標(biāo)準(zhǔn)化前井的數(shù)值分布差異大,而標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值分布更加接近,一致性更強(qiáng),從而避免由于不同井的相同井曲線的刻度不一致而影響最終反演結(jié)果。

3.2 地震子波選取

子波提取是影響高分辨率波形指示反演結(jié)果好壞的重要因素之一,在合成記錄標(biāo)定過(guò)程中,對(duì)井旁道目的層段地震記錄進(jìn)行頻譜分析,采用振幅譜法對(duì)地震子波進(jìn)行估計(jì),使地震子波的振幅譜和相位譜盡可能地接近井旁道地震記錄的振幅譜和相位譜。圖4為雷克子波與振幅譜估計(jì)地震子波;圖5為JY1井雷克子波和振幅譜估計(jì)地震子波合成的地震記錄。

對(duì)比圖5(a)和圖5(b)兩張地震記錄可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用振幅譜估計(jì)地震子波合成地震記錄的波形、振幅和相位更接近井旁道實(shí)際地震記錄波形、振幅和相位。

3.3 地震波形指示反演參數(shù)確定

在地震波形指示反演中,最重要的兩個(gè)參數(shù)是(1)式中馬爾科夫鏈平穩(wěn)時(shí)的有效樣本數(shù)m和高頻截止頻率f。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析“樣本數(shù)”和“地震波形相關(guān)性”,得出地震波形相關(guān)性隨著樣本數(shù)的增加逐漸增大,達(dá)到一定程度后地震波形相關(guān)性不再隨著樣本數(shù)的增加而增加,表明繼續(xù)增加樣本數(shù),地震數(shù)據(jù)體預(yù)測(cè)點(diǎn)的精度不再提高,地震波形相關(guān)性最大時(shí)的樣本數(shù)就是最佳樣本參數(shù)。圖6(a)示出了研究區(qū)井點(diǎn)地震波形相關(guān)性和樣本數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖6可知,在樣本數(shù)為4時(shí),地震波形相關(guān)性達(dá)到平穩(wěn)且最大,

由此可知,樣本數(shù)為4時(shí)可使馬爾科夫鏈趨于平穩(wěn)。圖6(b)為地震波形相關(guān)指數(shù)和高頻截止頻率統(tǒng)計(jì)圖,由圖可見(jiàn)隨著高頻截止頻率增高,地震波形相關(guān)指數(shù)減小,頻率越高反演結(jié)果不確定性增大。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試統(tǒng)計(jì)計(jì)算,對(duì)不參與反演計(jì)算井的實(shí)測(cè)波阻抗曲線與反演計(jì)算的波阻抗曲線的一致性進(jìn)行對(duì)比分析得出,當(dāng)高頻截止頻率為180 Hz時(shí),反演效果最好。

4 反演結(jié)果分析

測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在研究區(qū)主力含氣層段五峰組—龍馬溪組一段平均密度、平均速度較低,上覆地層龍馬溪組二段為含碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖,與主力含氣層段相比具有較高的平均波阻抗,其下伏地層為澗草溝組灰?guī)r,與主力含氣層相比,也具有較高的波阻抗,因此主力含氣層與其上覆和下伏地層都具有波阻抗差異。井資料顯示主力含氣層厚度均在40 m左右,由于研究區(qū)域具有儲(chǔ)層薄的特點(diǎn),因此對(duì)該區(qū)采用高分辨率波形指示反演方法進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究。由圖7(b)所示的JY4-JY2-JY1波形指示反演波阻抗連井剖面可以看出,龍馬溪組一段和二段波阻抗高低分明,在進(jìn)行波阻抗反演時(shí),JY2井不參與反演,但用于檢驗(yàn)反演結(jié)果的正確性,分析連井剖面JY2井點(diǎn)反演的波阻抗與井點(diǎn)實(shí)測(cè)波阻抗曲線誤差在10%以?xún)?nèi)(如表1)。對(duì)比圖7(a)常規(guī)稀疏脈沖反演波阻抗連井剖面和圖7(b)波形指示反演波阻抗連井剖面可以看出,波形指示反演結(jié)果的精度高于常規(guī)稀疏脈沖反演結(jié)果,因此波形指示反演方法能更精細(xì)地刻畫(huà)薄目的層。

圖8為龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層段時(shí)間域厚度平面展布圖。對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可知,常規(guī)稀疏脈沖反演方法,將焦石壩箱狀構(gòu)造JY4井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖刻畫(huà)為基本等厚,而波形指示反演方法則能清晰而精細(xì)地刻畫(huà)焦石壩箱狀構(gòu)造JY4井區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的厚度。

表1JY2井主力含氣層段實(shí)測(cè)波阻抗與兩種反演計(jì)算波阻抗對(duì)比
Table1Contrastofacousticimpedancesbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度樣點(diǎn)值/m實(shí)測(cè)波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常規(guī)反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)常規(guī)反演誤差/%波形反演波阻抗值/(g·cm-3·m·s-1)波形反演誤差/%2537 9511494174 4813513782 0017 5712485790 008 602541 6511013490 0013814083 0025 4312513278 0013 602545 3311475347 6713126753 0014 3912352851 007 602549 0011428322 0013290409 0016 2912485271 009 202552 7210969722 5212988544 0018 4012460216 009 902556 4610982703 1912358092 0012 5211755519 007 002560 199960443 3411826206 0018 7311009310 0010 502563 949867279 6511254747 0014 0610393384 005 302567 689898929 5510920702 0010 3210123952 002 302571 9110084882 5411201455 0011 079993544 000 902576 3411441558 9712610823 0010 2212017413 005 002580 9614610354 0513142703 0010 0514481682 000 80

頁(yè)巖氣的富集需要豐富的烴源物質(zhì)基礎(chǔ),要求生烴有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn),富含有機(jī)碳的黑色泥頁(yè)巖通常是頁(yè)巖氣成藏的儲(chǔ)層。有機(jī)碳含量(TOC)可表征頁(yè)巖氣含氣量大小,頁(yè)巖氣含量與有機(jī)碳含量(TOC)之間存在正相關(guān)關(guān)系[24]。因此,研究有機(jī)碳(TOC)含量的分布對(duì)于本區(qū)的“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)具有明確的意義。

圖9為JY4-JY2-JY1有機(jī)碳含量(TOC)連井剖面。其中,在進(jìn)行有機(jī)碳(TOC)計(jì)算時(shí),JY2井不參與計(jì)算,但用于檢驗(yàn)反演結(jié)果的正確性,由波形指示反演獲得的JY2井點(diǎn)處有機(jī)碳含量(TOC)與實(shí)際井點(diǎn)處有機(jī)碳含量曲線誤差基本在10%以?xún)?nèi)(表2)。連井剖面顯示,波形指示反演方法不僅清晰地刻畫(huà)了大套儲(chǔ)層之間的有機(jī)碳含量(TOC),對(duì)于主力含氣層的內(nèi)部薄的分層也能清晰刻畫(huà),整個(gè)剖面成層性分明,為后期精確研究主力含氣層內(nèi)部小薄層的有機(jī)碳含量(TOC)提供依據(jù)。

表2JY2井主力含氣層段的實(shí)測(cè)TOC與反演計(jì)算TOC對(duì)比
Table2ContrastofTOCbetweenthemeasuredandthecalculatedforgas-bearingintervalsofwellJY2

深度樣點(diǎn)值/m實(shí)測(cè)TOC值/%波形反演TOC值/%誤差/%2537 952 712 875 902541 653 133 191 902545 332 642 837 102549 002 562 406 302552 722 892 812 802556 463 323 495 102560 193 663 630 802563 943 963 911 202567 683 834 2210 202571 913 683 1514 402576 340 310 310 002580 960 660 717 60

(a)常規(guī)稀疏脈沖反演;(b)波形指示反演圖7 JY4-JY2-JY1波阻抗反演連井剖面Fig.7 Acoustic impedance profiles crossing wells of JY4,JY2 and JY1

(a)常規(guī)稀疏脈沖反演;(b) 波形指示反演圖8 焦石壩地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層段時(shí)間域厚度平面展布圖Fig.8 Distribution plane maps of shale thickness of Longmaxi Formation in Jiaoshiba in the time domain

圖9 JY4-JY2-JY1有機(jī)碳含量(TOC)連井剖面Fig.9 TOC content profile crossing wells of JY4,JY2 and JY1

5 結(jié) 論

(1)在焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖薄儲(chǔ)層研究中,應(yīng)用高分辨率波形指示反演方法刻畫(huà)薄儲(chǔ)層的能力比常規(guī)稀疏脈沖反演方法刻畫(huà)薄儲(chǔ)層的能力高;相比傳統(tǒng)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法,高分辨率波形指示反演方法通過(guò)波形優(yōu)選樣本,保證反演結(jié)果在空間上體現(xiàn)地震相的約束,平面上符合沉積規(guī)律。

(2)針對(duì)焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖薄儲(chǔ)層段,應(yīng)用高分辨率波形指示反演方法,計(jì)算了主力含氣層的波阻抗以及模擬了主力含氣層的TOC,清晰地刻畫(huà)了焦石壩箱狀構(gòu)造中有利目標(biāo)區(qū),為后期進(jìn)一步“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)指明方向。

致謝:北京恒利華石油技術(shù)研究所提供技術(shù)支持,中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院提供研究區(qū)數(shù)據(jù),謹(jǐn)致謝忱!

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