孔省吾，張云銀，沈正春，張建芝，魏紅梅，宋艷閣，王甜

(中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257022)

0 引言

經(jīng)過幾十年的勘探開發(fā)，牛莊洼陷濁積巖油藏已進入高勘探開發(fā)階段，地震響應特征明顯、儲層厚度大和分布范圍廣的濁積砂體基本已發(fā)現(xiàn)[1-2]，目前主要勘探對象變?yōu)椤皞€體小、薄互層、橫變快、含灰質(zhì)”的復雜隱蔽儲層，該類儲層預測難度非常大，已成為制約牛莊洼陷勘探開發(fā)的最主要因素之一。

前人針對薄互層等復雜隱蔽儲層描述進行了許多有益的探索和實踐，針對不同地區(qū)形成了許多針對性技術(shù)方法，主要包括提高地震資料分辨率、屬性分析、疊后和疊前反演等。齊宇等[3]應用基于小波變換的譜分解技術(shù)提高薄層識別能力；孫夕平等[4]提出調(diào)諧能量增強法提高地震資料分辨率；夏亞良等[5]應用廣義S變換的多頻解釋技術(shù)提高了高速圍巖屏蔽的薄層識別能力；張軍華等[6]提出能量半時屬性是整體描述灘壩砂等薄互層儲層的最佳屬性；何火華等[7]認為基于隨機建模技術(shù)的地質(zhì)統(tǒng)計學反演方法能夠?qū)崿F(xiàn)薄砂體預測；段南[8]提出在疊前域使用地震波形指示反演代替常規(guī)反演能夠有效識別砂泥巖；周游等[9]形成了基于巖性識別因子F的疊前反演方法，在灰質(zhì)發(fā)育區(qū)儲層預測取得了較好效果。前人針對不同研究區(qū)隱蔽儲層預測取得了一定效果，但對于牛莊洼陷灰質(zhì)發(fā)育區(qū)薄互層濁積巖預測缺乏系統(tǒng)深入的研究，而且不同技術(shù)存在適用性不足的問題，例如常規(guī)的提頻技術(shù)提高了地震資料分辨率，但仍然不能精細識別米級薄層。地質(zhì)統(tǒng)計學等反演方法雖然突破了常規(guī)地震資料分辨率限制，然而高頻部分主要依賴井統(tǒng)計變差函數(shù)，隨機性較強，對井位數(shù)要求較高，在低井控區(qū)橫向變化快的薄儲層預測應用具有一定局限性。高精度疊前反演對疊前道集資料以及橫波測井數(shù)據(jù)品質(zhì)等要求很高，一些勘探老區(qū)不能滿足資料品質(zhì)要求。地震波形指示反演是近年新興的一種高分辨率反演技術(shù)，充分利用波形橫向變化代替變差函數(shù)表征儲層空間結(jié)構(gòu)變化，更好地體現(xiàn)了“相控”思想，能夠很好地實現(xiàn)薄儲層預測[10-15]。

本文基于巖性敏感曲線重構(gòu)，在牛莊地區(qū)開展了波形指示反演應用研究，反演結(jié)果明顯提高了灰質(zhì)發(fā)育區(qū)薄互層預測精度，為牛莊洼陷下一步高效勘探開發(fā)提供了有力支撐。

1 地質(zhì)概況

牛莊洼陷位于東營洼陷中部，北鄰東營凹陷中央隆起帶，南接東營凹陷南斜坡，面積約600 km2。其新生界自上而下發(fā)育第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組和沙河街組，其中沙河街組自上而下可劃分為沙一、沙二、沙三和沙四4個層段，其中沙三段又可分為上、中、下3個亞段。沙三中亞段沉積時期，東營凹陷構(gòu)造運動強烈，湖盆深陷擴張，同時碎屑物質(zhì)供應充足，沿東營凹陷長軸方向發(fā)育的進積型東營復合三角洲達到鼎盛時期，并在三角洲前緣半深湖—深湖地帶發(fā)育了許多滑塌濁積砂體[16-21]。儲集巖性以粉砂巖和細砂巖為主，圍巖多為泥巖或油泥巖，見灰質(zhì)泥巖或灰質(zhì)砂巖。常見巖性組合為厚層泥巖夾砂巖、砂泥巖薄互層、灰質(zhì)泥巖夾砂巖、灰質(zhì)砂巖與砂巖互層等。

隨著勘探開發(fā)進程不斷推進，目前主要的勘探對象為復雜隱蔽儲層，具有單層厚度2～5 m，累加厚度5～15 m；圍巖含“灰質(zhì)”：目的層段灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)砂巖等厚度百分含量為5%～35%；平面分布零散，縱向多期疊置，橫向相變快等特征，儲層描述主要存在3個難點：

1)牛莊沙三中亞段地震資料主頻約為30 Hz，有效頻寬10～50 Hz，能夠分辨最大厚度為25 m，薄互層砂體厚度超出了地震資料分辨率范圍。

2)砂體厚度薄，橫向變化快，現(xiàn)有地震資料無法精細刻畫儲層尖滅點。

3)砂巖和圍巖灰質(zhì)成分的波阻抗差異小，常規(guī)波阻抗反演無法實現(xiàn)高精度預測。

2 地震波形指示反演

2.1 基本原理

常規(guī)的疊后反演基于層狀初始模型，忽略了地震波形橫向變化因素[12]。地震波形是地下地質(zhì)的綜合響應，與沉積環(huán)境相關(guān)，它不僅反映了垂向巖性組合的調(diào)諧樣式，橫向變化還體現(xiàn)了儲層空間結(jié)構(gòu)變化，利用地震波形的橫向變化代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變差函數(shù)表征儲層空間結(jié)構(gòu)變化，更符合沉積地質(zhì)規(guī)律。波形反演技術(shù)充分考慮地震波形變化代表的地質(zhì)意義，挖掘相似波形和對應的測井曲線中蘊含的共性信息，采用“地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機模擬”算法，進行地震先驗有限樣點模擬。在篩選統(tǒng)計樣本得到有效樣本過程中，需要綜合考慮地震波形相似性和空間距離兩個主要因素，在保證樣本結(jié)構(gòu)特征一致的基礎上，對所有井相關(guān)性進行統(tǒng)計，優(yōu)選相關(guān)性高、空間距離近的井作為有效樣本建立初始模型，對高頻成分進行無偏最優(yōu)估計，保證反演結(jié)果在空間上體現(xiàn)地震相的約束，平面上更符合沉積規(guī)律[11]。

波形指示反演技術(shù)流程如圖1所示，主要包括以下3個關(guān)鍵步驟：

圖1 波形指示反演基本流程Fig.1 Flow chart of seismic waveform indicative inversion

1)利用待判別道地震波形和已知井地震波形進行相關(guān)性分析，優(yōu)選空間距離近、相關(guān)性高的井作為有效樣本，建立初始模型，并統(tǒng)計其縱波阻抗作為先驗信息；

2)將初始模型與地震波阻抗進行匹配濾波，計算得到似然函數(shù)；

3)在貝葉斯理論框架下，聯(lián)合似然函數(shù)和先驗概率得到后驗概率分布，對其采樣作為目標函數(shù)。不斷擾動模型參數(shù)，使目標函數(shù)最大時的解作為有效的隨機實現(xiàn)，取多次有效實現(xiàn)的均值作為期望值輸出。

2.2 巖性敏感曲線重構(gòu)

儲層與圍巖聲波特征差異是測井約束地震反演方法應用的先決條件[22]。研究發(fā)現(xiàn)牛莊洼陷沙三中亞段灰質(zhì)泥巖的速度處于砂巖和泥巖之間，聲波阻抗對砂巖、泥巖和灰質(zhì)泥巖區(qū)分效果一般，無法用波阻抗反演進行儲層精細預測，而自然電位曲線對于巖性的區(qū)分效果較好，通過數(shù)學算法將自然電位曲線和聲波曲線進行重構(gòu)得到擬聲波曲線，進而得到擬聲波波阻抗數(shù)據(jù)，仍為波阻抗量綱，井與地震的對應關(guān)系不變，但砂巖的敏感性得到明顯提高(圖2)，保證了反演的精度。重構(gòu)后的擬聲波曲線，地震頻帶內(nèi)的中低頻部分為聲波曲線，高于地震頻帶的數(shù)據(jù)取自于自然電位曲線。牛莊洼陷沙三中亞段的地震資料的有效頻寬為10～50 Hz，因此，50 Hz以下的低頻成分取自于聲波時差曲線，高于50 Hz的部分取自自然電位曲線。

圖2 牛莊洼陷沙三中亞段砂巖、泥巖和灰質(zhì)泥巖聲波阻抗概率分布Fig.2 Histogram of acoustic impedance of sandstone and mudstone and lime mudstone of in Niuzhuang sag

2.3 反演關(guān)鍵參數(shù)確定

2.3.1 有效樣本數(shù)

“有效樣本數(shù)”主要表征地震波形空間變化對儲層的影響程度。該參數(shù)設置的方法為：參照已知井統(tǒng)計的結(jié)果，在目的層段內(nèi)，在所有參與井的井旁道中尋找與當前道波形最相似的N道，然后將其依距離不同而賦予不同的權(quán)重，距離越近權(quán)重越大[12]?！坝行颖緮?shù)”較大表明沉積環(huán)境較穩(wěn)定，儲層橫向變化不大，反之說明橫向變化快、非均質(zhì)性強。結(jié)合牛莊洼陷沙三中亞段的資料特征和統(tǒng)計結(jié)果，當有效樣本數(shù)為5時，相關(guān)性基本達到最大，反演質(zhì)量趨于穩(wěn)定。

2.3.2 最佳截止頻率

波形指示反演的低頻部分主要受地震頻帶的影響，高頻成分則主要來自隨機模擬，頻率越高，隨機性越強，因此需要設定合適的最高頻率來控制反演結(jié)果確定性。在反演過程中通常根據(jù)目的層砂體厚度和反演結(jié)果確定性分析來確定最佳截止頻率參數(shù)，保證反演具有足夠分辨率和穩(wěn)定性。牛莊洼陷沙三中亞段濁積巖儲層累積厚度一般為5～15 m，單層最小厚度2 m，結(jié)合反演過程質(zhì)量監(jiān)控，設置最佳截止頻率為200 Hz。

2.4 反演結(jié)果精度分析

2.4.1 與常規(guī)波阻抗反演結(jié)果對比

采用稀疏脈沖反演和波形指示反演方法對沙三中亞段濁積巖儲層進行了預測，兩種方法反演結(jié)果如圖3和圖4所示，低阻抗值代表圍巖，高阻抗值代表砂巖，兩種反演結(jié)果整體趨勢一致，均能揭示砂體整體展布特征，但稀疏脈沖反演砂體橫向分布與地震反射軸的橫向展布范圍基本一致，縱向分辨率較低，無法精細刻畫儲層變化點，對砂巖、泥巖或灰質(zhì)泥巖阻抗值相近的井反演效果更差，無法實現(xiàn)薄層精細刻畫。波形指示反演結(jié)果具有更高的橫向和縱向分辨率，反演剖面中波阻抗變化與井間砂體變化規(guī)律一致，波阻抗變化點反映了砂體的尖滅點，符合井間油水關(guān)系。

圖3 常規(guī)波阻抗反演剖面Fig.3 conventional impedance inversion section

圖4 地震波形指示反演剖面Fig.4 Seismic waveform indication inversion section

2.4.2 儲層預測與鉆井吻合率

為進一步檢驗儲層預測效果，統(tǒng)計了反演結(jié)果與實鉆井吻合率。首先提取井點位置的波阻抗反演結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)體的門檻值，由波阻抗反演曲線建立井點位置的砂泥巖解釋結(jié)論；然后在一定的時窗范圍內(nèi)，將新生成的解釋結(jié)論與實鉆井數(shù)據(jù)進行對比，檢驗吻合率。統(tǒng)計研究區(qū)目的層段5 m以上砂巖有260套，反演結(jié)果吻合的有230套，符合率為88.5%，2～5 m砂體共有615套，反演結(jié)果吻合的有495套，吻合符合率80.5%。整體預測精度較高，為研究區(qū)薄層濁積巖勘探開發(fā)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 反演結(jié)果應用

3.1 砂體及沉積相展布特征

牛莊洼陷沙三中亞段時期，湖平面的變化缺乏相對穩(wěn)定的階段，一般劃分為一個T—R層序，進一步細分為6個準層序組，對應6期三角洲砂體[23-24]。第1期沉積時期，研究區(qū)還接受來自梁家樓水下扇物源沉積，呈現(xiàn)混源特征，第2到第6期次砂體主要為東營三角洲物源，期次自上而下砂體呈現(xiàn)自西向東退積特征，至第4期沉積時期，三角洲沉積主體進一步向東退積，研究工區(qū)主要為濁積巖沉積。沙三中亞段中4—中1砂組反演平面圖(圖5)清晰地刻畫出了砂體東向西推進演化過程，并且對于三角洲前緣和濁積砂體邊界，以及濁積砂體間邊界刻畫較清楚。平面儲層預測結(jié)果與實鉆井吻合率達85%。

3.2 已鉆井分析及鉆井部署

針對N106區(qū)塊反演效果做重點分析，前期基于地震相分析和波阻抗反演結(jié)果，部署了多口滾動探井多有鉆空或鉆遇水層的情況。研究認為，主要原因是原始地震資料分辨率低，小于10 m的砂體在地震剖面上多表現(xiàn)為弱或空白反射，常規(guī)“相面法”描述砂體橫向變化點不準確，波阻抗反演亦無法精確刻畫井間儲層變化關(guān)系。近期通過開展波形指示反演研究，儲層縱向和橫向分辨率得到明顯提升，砂體響應特征更加明顯，尤其對于>5 m儲層刻畫效果突出，井間砂體變化符合該地區(qū)沉積規(guī)律及油水關(guān)系(圖6)。后續(xù)根據(jù)反演結(jié)果綜合認識，部署完鉆的N106-2井鉆遇多套儲層，解釋油層12 m/3層，試采獲工業(yè)油流。

近期綜合應用波形指示反演結(jié)果，針對牛莊地區(qū)S10、N106和H122等熱點開發(fā)區(qū)塊設計了4個開發(fā)井網(wǎng)，部署了20口滾動探井或開發(fā)井，目前完鉆H125-x39、H125-x40、W4-x25、W4-x26和N106-3等10口井，均鉆遇油層，其中H125-x39、H125-x40和W4-x25等8口井投產(chǎn)后全部獲得工業(yè)油流，預計新建產(chǎn)能4×104t。

4 結(jié)論

1)波形指示反演是在傳統(tǒng)地質(zhì)統(tǒng)計學基礎上發(fā)展出的一種新的波阻抗反演方法，它利用地震波形橫向變化代替變差函數(shù)表征儲層空間結(jié)構(gòu)變化，更好地體現(xiàn)了“相控”思想，有效提高了井間薄互層預測能力，特別適用于高勘探區(qū)薄互層儲層刻畫。

2)基于敏感曲線重構(gòu)的波形反演技術(shù)，有效壓制了牛莊地區(qū)沙三中亞段灰質(zhì)成分對砂巖響應的干擾作用，反演結(jié)果清楚刻畫了儲層平面沉積演化規(guī)律，實現(xiàn)了灰質(zhì)發(fā)育區(qū)薄互層儲層的精確刻畫，N106區(qū)塊厚度>5 m砂體預測與實鉆井吻合率達88.4%，2～5 m砂體預測吻合率為80.5%。

a—第一期次反演體切片;b—第二期次反演體切片;c—第三期次反演體切片;d—第四期次反演體切片a—the first phase of inversion volume section;b—the second phase of inversion volume section;c—the third phase of inversion volume section;d—the fourth phase of inversion volume section圖5 牛莊洼陷西部沙三中亞段反演體切片F(xiàn)ig.5 Inversion-slice of in the west of Niuzhuang sag

圖6 NZ洼陷N106井區(qū)地震剖面(a)及波形反演剖面(b)Fig.6 Seismic profile(a) and waveform inversion profile(b) of N106 well area in NZ subsag

3)高精度反演成果為研究區(qū)薄層濁積巖勘探開發(fā)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，綜合應用有利儲層描述結(jié)果，近期在熱點開發(fā)區(qū)塊部署了20口滾動探井或開發(fā)井，目前完鉆10口，均鉆遇較厚油層，其中8口井投產(chǎn)全部獲得工業(yè)油流，預計新建產(chǎn)能4.0×104t。