畢臣臣，謝 瑋，王彥春*，劉 煒

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，南京 211103)

頁巖氣是一種以游離態(tài)和吸附態(tài)存在于具有生烴能力的泥巖和頁巖地層中的一種連續(xù)性較好的非常規(guī)天然氣[1]，其儲量十分巨大，相當(dāng)于煤層氣和致密砂巖氣的儲量總和。中國頁巖氣的儲量雖大，但勘探開發(fā)的難度也很大。與北美頁巖氣開發(fā)情況相比，目前中國頁巖氣的勘探開發(fā)還沒有完善的理論體系[2]。四川盆地和它周緣地區(qū)是中國頁巖氣最早被發(fā)現(xiàn)的地區(qū)，同時也被認(rèn)為是頁巖氣勘探潛力最大的地區(qū)[3]，該地區(qū)在下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組廣泛發(fā)育優(yōu)質(zhì)頁巖地層[4]。由于頁巖氣儲層在成藏機(jī)制、儲層和氣藏特征等方面都與常規(guī)油氣有所不同[5]，所以頁巖氣的儲層預(yù)測與常規(guī)油氣藏的儲層預(yù)測之間存在一定的區(qū)別。

作為地震勘探和油氣預(yù)測的一個重要環(huán)節(jié)，地震正演模擬技術(shù)通過建立符合實際地質(zhì)特征的地質(zhì)模型并對其進(jìn)行模擬得到相應(yīng)的合成記錄，來研究地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律，進(jìn)而可以推斷地下實際地質(zhì)特征、判斷有無與油氣藏相關(guān)的響應(yīng)異常，為指導(dǎo)儲層預(yù)測研究提供有力的依據(jù)[6-7]。地震正演模擬技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來得到迅速發(fā)展，并被中外許多專家學(xué)者廣泛地用來識別和分析各種情況下的油氣儲層特征。黃誠等[8]利用地震正演模擬技術(shù)識別了砂泥巖薄互層地層；張丹妮[9]通過對模型進(jìn)行正演模擬分析了致密砂巖儲層的響應(yīng)特征；王曉亮[10]利用正演模擬技術(shù)有效預(yù)測了煤層厚度；王韻致等[11]利用地震正演模擬技術(shù)研究了SH油田砂體尖滅點(diǎn)的位置；胡修權(quán)等[12]、張強(qiáng)等[13]針對白云巖儲層建立了正演模型來分析其反射特征；此外，正演模擬技術(shù)還經(jīng)常被用來識別碳酸鹽巖中縫洞、溶洞、裂縫和斷溶體等類型的儲層[14-16]。然而，目前利用正演模擬技術(shù)對頁巖氣儲層的地震響應(yīng)特征進(jìn)行分析的研究還相對比較匱乏。李曙光等[17]認(rèn)為可以通過開展頁巖儲集層的地震正演模擬來明確頁巖儲集層的地震傳播機(jī)理和傳播特征，但并未進(jìn)行實際驗證；董旭等[18]建立了頁巖楔狀模型并對其進(jìn)行了正演，但并未對實際研究區(qū)的頁巖儲層特征展開研究；張鍵等[19]指出頁巖有其特殊的地球物理特征，并認(rèn)為頁巖的地震特征具有復(fù)雜性、各向異性和相干性，也未針對實際資料頁巖的地震響應(yīng)特征進(jìn)行詳細(xì)討論。因此，目前對頁巖氣儲層地震響應(yīng)特征方面的研究仍處于探索階段，還需要進(jìn)一步深入分析和探討。

為了研究頁巖氣儲層的地震響應(yīng)特征，研究選取具有代表性的四川盆地某氣田為實際研究區(qū)，首先通過實測的頁巖地層參數(shù)來設(shè)計楔狀體理論模型，并進(jìn)行聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演，進(jìn)而研究頁巖儲層厚度、地震子波主頻以及含氣性的變化對頁巖儲層地震響應(yīng)特征產(chǎn)生的影響。然后，根據(jù)四川盆地某氣田的實際測井?dāng)?shù)據(jù)和連井疊后地震資料，建立了二維地質(zhì)模型，并對其進(jìn)行聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演模擬。最后結(jié)合理論模型的正演模擬結(jié)論，對實際資料合成記錄的響應(yīng)特征進(jìn)行分析，從而可以有助于較準(zhǔn)確地刻畫地下地質(zhì)特征、指導(dǎo)地震資料解釋、預(yù)測有利的含氣區(qū)域，并為驗證后續(xù)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性提供可靠的依據(jù)。

1 波動方程正演方法

地震正演模擬技術(shù)是根據(jù)地下實際地質(zhì)特征建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，并對該模型進(jìn)行模擬從而得到合成地震記錄，然后通過分析合成地震記錄的響應(yīng)特征來研究地下的地質(zhì)條件[20]。在地球物理中正演模擬主要包括兩種方法，一種是物理模擬方法，另一種是數(shù)值模擬方法，兩種模擬建立模型的方法有所不同。其中，物理模擬是利用實際的材料按照一定比例制成和野外地質(zhì)體相似的物理模型，并根據(jù)實體物理模型上檢波器來接收到地震波場記錄。但是該方法物理模型的制作往往會受到材料、工藝、成本等實驗條件的限制而不易實現(xiàn)；而數(shù)值模擬技術(shù)是通過計算機(jī)來模擬建立虛化的地質(zhì)模型，該方法可以通過調(diào)節(jié)和控制參數(shù)來修改模型和模擬觀測系統(tǒng)，更加方便、高效，易于實現(xiàn)，成本相對較低，所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)用也更加廣泛[21]。

地震波數(shù)值模擬方法主要包括射線追蹤法、積分方程法和波動方程法三大類[22-23]。射線追蹤法的計算速度快、傳播時間較準(zhǔn)確，但由于計算結(jié)果很難保持其動力學(xué)特征，通常對復(fù)雜的地質(zhì)模型模擬精度不高[24]；積分方程法是在惠更斯原理的基礎(chǔ)上，對數(shù)學(xué)公式進(jìn)行演算和推導(dǎo)，推算過程較復(fù)雜，且效率低[25]；而波動方程法可以同時保留地震波的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征，能夠更加精確地模擬復(fù)雜介質(zhì)的地震波場，從而常被用于復(fù)雜構(gòu)造模型的正演模擬中[26]。因此，研究采取波動方程法進(jìn)行正演模擬。

根據(jù)介質(zhì)類型的不同，波動方程法又可以分為聲學(xué)介質(zhì)波動方程、彈性介質(zhì)波動方程和黏彈性介質(zhì)波動方程[27]。綜合考慮研究區(qū)的實際資料條件和地質(zhì)特征，研究采用波動方程法中的聲學(xué)介質(zhì)波動方程方法進(jìn)行正演模擬研究，其原理如下：

(1)

或

(2)

式中：v為聲波速度；t為時間；ρ為密度；P為聲壓。

2 二維楔狀模型正演模擬

地層尖滅的楔狀構(gòu)造存在于較多的儲層中，所以常被用來研究地震波場響應(yīng)特征[18]。為了研究四川盆地古生界頁巖儲層厚度、子波主頻以及含氣性的變化對地震響應(yīng)特征產(chǎn)生的影響，根據(jù)實際鉆井資料整理出研究區(qū)目的層龍馬溪-五峰組(S1l-O3w)及其頂?shù)装錥石牛欄組(S1s)和澗草溝組(O3j)]的平均速度及平均密度分布(表1)，并建立了楔狀體模型(圖1)。

2.1 頁巖體厚度變化響應(yīng)特征

圖1中楔形體長2 000 m，頁巖厚度由0 m變化到300 m，模型的各層彈性參數(shù)按表1中的地層參數(shù)進(jìn)行填充。其中，上部充填頂板石牛欄組(S1s)灰?guī)r，中部充填目的層龍馬溪-五峰組(S1l-O3w)泥頁巖，下部充填底板澗草溝組(O3j)泥灰?guī)r。

為了研究頁巖儲層厚度變化的地震響應(yīng)特征，研究采用聲學(xué)介質(zhì)波動方程法對圖1中的頁巖楔狀體模型進(jìn)行正演模擬。首先選取了實際地震資料主頻范圍內(nèi)的25 Hz的雷克子波進(jìn)行聲波方程正演模擬，并對正演得到的結(jié)果進(jìn)行疊后深度偏移，得到如圖2所示的正演地震記錄。

表1 地層彈性參數(shù)分布Table 1 Distribution of formation elastic parameters

圖1 頁巖楔狀體模型Fig.1 Shale wedge model

圖2 聲學(xué)波動方程正演結(jié)果(波形顯示)與縱波速度模型(彩色顯示)對比Fig.2 Contrast between forward result of acoustic wave equation (waveform display) and P-wave velocity model (color display)

根據(jù)地震反射波薄層理論：滿足2Δh?λ的地層稱為薄層(Δh為地層厚度，λ為反射波波長)，其中反射波的波長由λ=v/f(v為層速度，f為子波頻率)計算得到λ=v/f≈4 070.43/25≈162.8(m)。

從圖2中可以看出，隨著地層厚度由大變小，振幅的響應(yīng)特征也逐漸發(fā)生變化。當(dāng)Δh>λ/2≈81.4 m時，地層的頂?shù)捉缑婵梢郧逦R別；Δh=λ/2～λ/4時，地層頂界面振幅增大；至λ/4≈40.7 m時，根據(jù)經(jīng)典調(diào)諧理論，頂?shù)捉缑娣瓷洳ㄩL干涉，頂界面振幅增至最大，底界面振幅減小至消失，此時，已不能用時差來確定地層厚度。因此，研究區(qū)主頻為25 Hz的地震反射波數(shù)據(jù)只能識別出大于40.7 m的泥頁巖地層。

圖3 不同子波主頻聲學(xué)波動方程正演結(jié)果Fig.3 Forward results of acoustic wave equation with different wavelet dominant frequencies

2.2 地震子波主頻變化響應(yīng)特征

為了研究子波主頻變化對地震響應(yīng)特征的影響，研究分別選取主頻為20、25、30、40 Hz的雷克子波對上述頁巖楔狀體模型(圖1)進(jìn)行聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演模擬，得到結(jié)果如圖3所示。可以看出，當(dāng)?shù)貙铀俣纫欢〞r，正演地震子波主頻的增加，會使波長減小，從而地震波場能夠識別出更薄的頁巖地層，提高了分辨率。因此，在實際資料正演過程中應(yīng)在合理范圍內(nèi)選取較大的子波主頻，以得到較高的儲層分辨率。經(jīng)地震資料頻譜統(tǒng)計分析，研究區(qū)地震資料的主頻大致為20～25 Hz，因此，正演模擬選擇25 Hz的雷克子波最為合理。

2.3 頁巖體含氣性(速度、密度)變化響應(yīng)特征

為了研究含氣量不同時頁巖的地震響應(yīng)特征，根據(jù)實際測井資料設(shè)計了四個含氣量不同的頁巖地層，其地層參數(shù)如表2所示，地層的速度和密度隨著含氣量的增加而減小。將表2中的速度和密度參數(shù)分別替換圖1模型中相應(yīng)頁巖地層的速度和密度，得到四個含氣量不同的頁巖楔狀體模型，如圖4所示，然后分別對四個模型利用主頻為25 Hz的雷克子波進(jìn)行聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演模擬和疊后深度偏移，得到如圖5所示含氣量不同的正演疊后地震剖面。

表2 不同含氣量的頁巖地層模型參數(shù)Table 2 Model parameters of shale formation with different gas content

圖4 含氣量變化頁巖楔狀體模型Fig.4 Shale wedge model of gas content change

圖5 不同含氣量頁巖地層聲學(xué)波動方程正演結(jié)果Fig.5 Forward results of acoustic wave equation with different gas content in shale formation

從圖5中可以看出當(dāng)正演模擬的地震子波主頻一定時，含氣量減小會使子波波長增大，從而地震波場能夠識別出的頁巖地層的最小厚度增大，導(dǎo)致分辨率下降；同時頁巖地層速度和密度的增加，使其與頂?shù)装逯g的速度和密度差異變小，從而導(dǎo)致地層界面兩側(cè)波阻抗差異減小，波形振幅變?nèi)酢?/p>

3 實際資料二維地質(zhì)模型正演

根據(jù)上述楔狀模型正演模擬得到的規(guī)律，在實際的地震勘探中，可以通過構(gòu)建地質(zhì)模型并對模型進(jìn)行正演模擬，若正演模擬結(jié)果與原始地震資料的相似性很高，說明研究區(qū)地下實際地質(zhì)特征與地質(zhì)模型基本一致，從而可以根據(jù)正演地震響應(yīng)特征來分析地下地質(zhì)構(gòu)造、識別刻畫地質(zhì)體特征、指導(dǎo)后續(xù)的地震資料解釋工作，以及為驗證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和反演方法的可行性提供可靠的依據(jù)。

圖6為四川盆地某研究區(qū)兩口井W1和W2井的二維連井剖面，可以看出，研究區(qū)地層整體較為平穩(wěn)，志留系下統(tǒng)和奧陶系上統(tǒng)為主要的泥頁巖地層。根據(jù)研究區(qū)層位數(shù)據(jù)搭建的框架，結(jié)合W1和W2井的縱波速度和密度測井曲線，利用克里金差值方法進(jìn)行內(nèi)插外推，建立了該二維連井剖面目的層段志留系龍馬溪組-奧陶系五峰組及其頂?shù)装逯玖粝凳诮M和奧陶系澗草溝組的時窗內(nèi)的速度和密度地質(zhì)模型，如圖7所示。

分析連井剖面目的層段的縱波速度和密度模型，模型的長度為15.6 km，二維地質(zhì)模型參數(shù)見表1。根據(jù)測井解釋結(jié)果，含氣泥頁巖地層主要分布在志留系和奧陶系上統(tǒng)，其中志留系石牛欄組為裂縫型氣層，志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組為主要頁巖含氣層，含氣量較高，表現(xiàn)為低縱波速度、低密度，厚度較薄的特征。

根據(jù)對頁巖楔狀體理論模型正演模擬的研究，在精細(xì)二維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，利用聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演算法并選取25 Hz頻率的雷克子波，對研究區(qū)W1和W2井連井剖面的地質(zhì)模型進(jìn)行了正演模擬和疊后深度偏移等處理，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖6 W1井和W2井疊后地震數(shù)據(jù)連井剖面Fig.6 Connecting well profile of post-stack seismic data of well W1 and well W2

圖7 連井剖面目的層段彈性參數(shù)模型Fig.7 Elastic parameter model of target interval of Connecting well profile

圖8 連井剖面目的層段聲學(xué)波動方程正演結(jié)果Fig.8 Forward result of acoustic wave equation for target interval of connecting well profile

結(jié)合楔狀體模型的正演研究，將此正演結(jié)果與實際地震資料進(jìn)行對比分析，可以得出以下結(jié)果。

(1)模型正演結(jié)果剖面的響應(yīng)特征與原始地震數(shù)據(jù)相似性很高，說明研究區(qū)實際地下介質(zhì)特征與構(gòu)建的二維地質(zhì)模型基本相似。

(2)該時窗內(nèi)每套地層的頂?shù)捉缑婢忻黠@的振幅異常，可以判斷由于地層界面兩側(cè)巖性不同，導(dǎo)致速度和密度存在較大差異，從而產(chǎn)生波阻抗差異，反射振幅增強(qiáng)。

(3)研究區(qū)龍馬溪組底部-五峰組層段同相軸振幅比其上部同相軸振幅反射更強(qiáng)，結(jié)合頁巖楔狀體正演研究的規(guī)律和實際測井資料可以判斷出：由于該層段底部的泥頁巖含氣量較大，從而與上部含氣量低或不含氣的泥頁巖地層形成較大的波阻抗差，產(chǎn)生更強(qiáng)的反射振幅響應(yīng)特征。

4 結(jié)論

采用聲學(xué)介質(zhì)波動方程方法對理論楔狀體模型和研究區(qū)實際地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬，能夠較好地反映出地層特征。根據(jù)頁巖楔狀體模型的正演研究分析可知，地層厚度、子波頻率和含氣量變化均會對正演結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。隨著地震子波主頻的增加，地層的分辨率提高。因此，研究在合理范圍內(nèi)盡可能較大地選取了25 Hz的雷克子波進(jìn)行聲學(xué)介質(zhì)波動方程正演模擬，以得到較高的儲層分辨率；同時頁巖含氣量降低，導(dǎo)致速度和密度增大，從而使目的層與其上下界面的波阻抗差異減小，反射振幅變?nèi)?；地層分界面兩?cè)巖性、含氣量等性質(zhì)差異越大，地震反射振幅越強(qiáng)，響應(yīng)特征越明顯。

在理論模型研究的基礎(chǔ)上，對四川盆地某氣田實際資料二維連井剖面的地質(zhì)模型進(jìn)行了聲學(xué)波動方程正演模擬。根據(jù)得到的正演結(jié)果并結(jié)合實際測井、地震資料可以得出以下結(jié)論：正演結(jié)果剖面與實際地震資料相似性很高，說明該地區(qū)實際地下介質(zhì)特征與模型基本相似；龍馬溪組底部-五峰組地震響應(yīng)特征更加明顯，反射波振幅值較大，說明該層段含氣量較高，可初步判斷為含氣有利儲層，該結(jié)論可作為驗證后續(xù)反演結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)。

研究通過分析地質(zhì)模型及其正演結(jié)果的地震響應(yīng)特征二者之間的關(guān)系，可以較準(zhǔn)確地描述實際地下介質(zhì)特征，并初步判斷出研究區(qū)的有利儲層。還可以為后續(xù)驗證反演結(jié)果的正確性提供可靠的依據(jù)，從而提高儲層預(yù)測的準(zhǔn)確性，對四川盆地及其周圍地區(qū)頁巖儲層特征的研究具有一定的參考意義。