王紅巖,周祥林,胡 偉,蔡 坤,楊 敏,湯 睿

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司,上海200335)

近年來(lái),人們對(duì)西湖凹陷含煤系地層發(fā)育特征及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)開(kāi)展了研究。以沉積環(huán)境控制烴源巖發(fā)育理論為指導(dǎo),魏恒飛等[1]探討了西湖凹陷平湖組煤系烴源巖發(fā)育環(huán)境及其控制因素,認(rèn)為三角洲泥炭沼澤和潮坪相是煤層發(fā)育的主要沉積環(huán)境;利用測(cè)井、地球化學(xué)等資料,謝國(guó)梁[2]完成了平湖組含煤地層旋回劃分,開(kāi)展了短期旋回內(nèi)沉積相展布及聚煤規(guī)律分析;基于鉆測(cè)井、巖心觀測(cè)、地震及地球化學(xué)等資料,沈玉林等[3]研究了平湖組煤系烴源巖發(fā)育規(guī)律、控制因素及聚煤模式,指出同沉積斷層是該區(qū)煤層薄、層數(shù)多的主要原因,廢棄三角洲是煤層最有利的聚集場(chǎng)所;基于測(cè)井資料和地震多屬性線(xiàn)性回歸技術(shù),張功成等[4]總結(jié)了薄煤層識(shí)別方法,同時(shí)指出受古氣侯、古地形和補(bǔ)償沉降等因素控制的煤層多形成于潮濕氣候條件下的三角洲環(huán)境;在巖石物理分析基礎(chǔ)上,張?zhí)m等[5]采用分步反演方法,先用疊后地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演預(yù)測(cè)煤層,再將煤層作為巖相信息約束疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演,完成西湖凹陷平湖組富煤環(huán)境中的薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。

前人研究多側(cè)重于平湖組煤層的形成環(huán)境、顯微組分和生烴特征等方面,對(duì)含煤系地層儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究較少。地層中含有煤層導(dǎo)致本區(qū)含油氣砂巖地震反射振幅變強(qiáng)、砂體頂面地震反射的相位由負(fù)變正、波組的頻率提高。研究區(qū)平湖組砂、泥巖由于縱波阻抗差異較小,傳統(tǒng)基于縱波阻抗反演的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法面臨挑戰(zhàn)[6-7],需要開(kāi)展基于含煤系地層發(fā)育特征的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)新方法研究。針對(duì)平湖組含煤系地層,開(kāi)展了不同巖性巖石物理敏感曲線(xiàn)分析,結(jié)合測(cè)井、地震、巖心資料總結(jié)含煤系地層沉積特征,綜合利用地震波形指示反演及模擬技術(shù)剔除儲(chǔ)層中薄煤層干擾假象,完成甜點(diǎn)儲(chǔ)層雕刻及有利含烴區(qū)預(yù)測(cè),指出斜坡中、低帶為油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東海陸架盆地西湖凹陷是規(guī)模較大的中新生代含油氣凹陷[8-11],其構(gòu)造位置東側(cè)為釣魚(yú)島隆褶帶,西側(cè)為虎皮礁隆起、海礁隆起、漁山東低隆起,北部與福江凹陷相鄰,南端與釣北凹陷接壤,見(jiàn)圖1a,面積約為5.18×104km2。目前已鉆井揭示的地層主要為始新統(tǒng)寶石組(E2bs)、平湖組(E2p),漸新統(tǒng)花港組(E3h),中新統(tǒng)龍井組(N1l)、玉泉組(N1y)、柳浪組(N1ll),上新統(tǒng)三潭組(N2s)及更新統(tǒng)東海群組(Qpdh)。

圖1 西湖凹陷平北斜坡帶構(gòu)造地質(zhì)特征(a)及地質(zhì)剖面(b)

研究區(qū)位于西湖凹陷平北斜坡帶北段,構(gòu)造單元自西向東劃分為斷階帶、次洼帶、古隆起帶、主洼帶,見(jiàn)圖1b。盆地經(jīng)歷了初始裂陷期、斷陷期、斷-拗轉(zhuǎn)換期、拗陷-反轉(zhuǎn)期和區(qū)域沉降期5個(gè)演化階段[9]。受中始新世平湖運(yùn)動(dòng)影響,盆地進(jìn)入斷-拗轉(zhuǎn)換階段,本區(qū)平湖組沉積厚度為500～1500m,斜坡帶早期以潮控三角洲沉積體系為主,中期演化為受潮汐影響的三角洲沉積體系,晚期則以河控三角洲沉積體系為主。平湖組三角洲沉積體系中廣泛發(fā)育的薄煤層干擾了含油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè),所以需要先預(yù)測(cè)出煤層,然后將其剔除,才能識(shí)別有效儲(chǔ)層,本文針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

2 含煤地層沉積特征

研究區(qū)平湖組沉積初期,盆地處于斷陷末期,主要發(fā)育潮控三角洲;平湖組沉積中期,盆地演化為斷-拗轉(zhuǎn)換期,伴隨著大規(guī)模海侵,三角洲受到潮汐、河流共同控制,發(fā)育受潮汐影響的三角洲沉積體系;平湖組沉積晚期,盆地演化處于斷-拗轉(zhuǎn)換末期,大規(guī)模海侵基本結(jié)束,河流供源充足,沉積體系以河控三角洲為主[12-13]。

受潮汐影響的三角洲沉積體系主要發(fā)育于平湖組沉積早、中期,包括上三角洲平原、下三角洲平原、三角洲前緣等亞相。上三角洲平原通常為三角洲的陸上部分,發(fā)育分流河道、分流間灣、泛濫平原等沉積微相。分流河道巖性以細(xì)砂巖為主,伽馬曲線(xiàn)呈現(xiàn)為箱形、偏移幅度大、微齒化特征,地震相表現(xiàn)為低頻、弱連續(xù)、弱振幅波峰-波谷反射,巖心可見(jiàn)楔狀交錯(cuò)層理、斜層理、波紋層理等沉積構(gòu)造;分流間灣巖性以深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,夾雜發(fā)育透鏡狀粉砂巖條帶,伽馬曲線(xiàn)表現(xiàn)為指狀、齒化、偏移幅度中等特征,地震相為低頻、弱連續(xù)、弱振幅復(fù)波反射特征,見(jiàn)圖2。下三角洲平原位于最高潮水面與最低潮水面之間,發(fā)育(水下)分流河道、分流間灣、潮間帶泥炭坪、砂泥坪、潮道等沉積微相。(水下)分流河道巖性以細(xì)砂巖為主,夾雜磨圓較好的泥礫,伽馬曲線(xiàn)表現(xiàn)為箱形-鐘形、微齒化、高偏移幅度特征,地震相以中頻、連續(xù)、中強(qiáng)振幅波谷反射為主;潮間帶泥炭坪和砂泥坪主要發(fā)育灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,夾雜灰質(zhì)粉砂巖、薄煤層,伽馬曲線(xiàn)表現(xiàn)為指狀、齒化、中高偏移幅度特征,地震相以中高頻、連續(xù)、中強(qiáng)振幅波峰反射為主;受潮汐水流周期性、雙向性、脈動(dòng)性影響,沉積構(gòu)造具有韻律性和雙向性特點(diǎn)[14],巖心可見(jiàn)雙黏土層、潮汐束、變形層理、波紋交錯(cuò)層理、羽狀層理等沉積構(gòu)造,泥炭坪中煤層見(jiàn)流水波痕,具有油脂光澤,斷口處呈現(xiàn)貝殼狀,測(cè)井曲線(xiàn)具有高伽馬(γ)、低密度(ρ)特征(圖2)。

河控三角洲沉積體系主要發(fā)育于平湖組沉積晚期[15],以河流作用為主,泥沙在河口的堆積速度遠(yuǎn)大于海洋能量破壞的速度。分流河道作為主要輸砂通道,以含礫較高的中、粗砂巖為特征,伽馬曲線(xiàn)呈現(xiàn)為箱形-鐘形、高偏移幅度、微齒化特征,地震相表現(xiàn)為低頻、弱連續(xù)、弱振幅波谷反射。圖2中,河控三角洲左端巖心為分流河道底部滯留沉積,下部為淺灰色砂礫巖,礫石成分為泥礫、石英礫,呈次圓—棱角狀,分選較差,見(jiàn)沖刷層理;上部砂體內(nèi)部發(fā)育數(shù)條斜層理,與下部砂體組合呈現(xiàn)為粒度向上變細(xì)的正韻律,頂部為淺灰色含礫粗砂巖,局部礫石富集,為另一期分流河道沉積。分流間灣主要為低濕的沼澤地,沉積物多為含鈣粒、植根、蟲(chóng)孔的泥巖,夾雜發(fā)育薄煤層及透鏡狀粉砂巖條帶,伽馬曲線(xiàn)表現(xiàn)為鋸齒狀高值特征,地震相為低頻、弱連續(xù)、弱振幅波峰-波谷反射特征;河控三角洲右端巖心為分流間灣灰色粉砂質(zhì)泥巖,見(jiàn)波紋層理、變形構(gòu)造,透鏡狀構(gòu)造。

圖2 平湖組三角洲沉積類(lèi)型及地震波形特征

3 含煤地層地球物理特征

3.1 合成地震記錄

平湖組含煤地層,巖性主要為細(xì)砂巖、(泥質(zhì))粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及薄煤層,垂向呈現(xiàn)為砂、泥(含煤)頻繁互層特征,砂巖單層厚度為2～32m,煤層厚度多小于1m,目的層埋深在4000m以下,利用25Hz零相位雷克子波合成地震記錄。

圖3為研究區(qū)4井的合成地震記錄,將密度、伽馬曲線(xiàn)投影到井旁地震道,可以直觀區(qū)分砂巖、泥巖、煤層。根據(jù)測(cè)井解釋將砂巖儲(chǔ)層劃分為氣層(砂1、砂2、砂3、砂7)、油層(砂4)、氣水同層(砂5)、含氣水層(砂6)等4類(lèi)。砂1、砂3、砂7對(duì)應(yīng)的氣層頂界表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射,砂2對(duì)應(yīng)的氣層頂界表現(xiàn)為近零相位的弱波谷反射。產(chǎn)生這種差異的原因主要為砂體上部薄煤層的干擾調(diào)諧作用,氣層頂部覆蓋夾煤泥巖后,泥巖縱波阻抗(IP)整體減小,泥巖、砂巖界面形成強(qiáng)波峰反射;如果氣層頂部泥巖中無(wú)薄煤層,泥巖、含氣砂巖界面表現(xiàn)為弱波谷反射特征。油層(砂4)、氣水同層(砂5)、含氣水層(砂6)都受頂部夾煤泥巖影響,表現(xiàn)為波峰反射。另外,砂泥薄互層段、厚的泥巖段(泥巖2)與上部夾薄煤泥巖也產(chǎn)生強(qiáng)波峰反射,進(jìn)而影響了含油氣砂巖的識(shí)別。

圖3 4井含煤系地層合成地震記錄

3.2 巖石物理分析

利用工區(qū)內(nèi)10余口已鉆井?dāng)?shù)據(jù),完成密度與縱波速度、縱波阻抗與縱橫波速度比巖石物理交會(huì)分析(圖4)。結(jié)果顯示:平湖組煤層表現(xiàn)為低速度、低密度、低縱波阻抗特征,煤層密度為1.5～2.3g/cm3,縱波速度為2400～3600m/s,縱波阻抗為3200～9000g/cm3·m/s,縱橫波速度比對(duì)平湖組煤層的識(shí)別效果不好,值域?yàn)?.50～1.95。平湖組泥巖表現(xiàn)為高密度、高縱橫波速度比特征,密度為2.15～2.75g/cm3,縱橫波速度比為1.62～2.15;縱波速度和縱波阻抗區(qū)分泥巖、砂巖不理想,泥巖縱波速度為3000～5200m/s,縱波阻抗為6000～13200g/cm3·m/s。相比于泥巖,平湖組砂巖表現(xiàn)為相對(duì)低密度、低縱橫波速度比特征,密度為2.2～2.6g/cm3,縱橫波速度比為1.5～1.8,砂巖縱波速度為3600～5200m/s,縱波阻抗為8200～13000g/cm3·m/s?？梢缘贸鼋Y(jié)論:研究區(qū)縱波阻抗、密度都可很好地識(shí)別平湖組煤層,煤層縱波阻抗的上門(mén)檻值約為9000g/cm3·m/s,煤層密度的上門(mén)檻值約為2.2g/cm3;縱橫波速度比可以有效區(qū)分平湖組砂巖、泥巖,砂巖縱橫波速度比的上門(mén)檻值約為1.75。

圖4 研究區(qū)巖石物理交會(huì)分析結(jié)果a 密度與縱波速度交會(huì)分析結(jié)果; b 縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析結(jié)果

4 有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

研究區(qū)平湖組含煤地層油氣砂巖預(yù)測(cè)過(guò)程主要分為三步。第一步,通過(guò)縱波阻抗反演數(shù)據(jù)體識(shí)別出含煤泥巖。平湖組煤層多分布于泥巖中,相鄰煤層間隔多小于30m(集中在5m),平均厚度為1m左右,具有厚度薄、層數(shù)多的特征。針對(duì)煤層的發(fā)育特點(diǎn),采用基于波形指示的疊后縱波阻抗反演完成含煤泥巖預(yù)測(cè)。第二步,利用地震波形指示反演得到的縱橫波速度比數(shù)據(jù)體,區(qū)分出含油氣砂巖、含水砂巖、泥巖。泥巖縱橫波速度比多大于1.75(圖4b),含油氣砂巖門(mén)檻值基本處于1.65～1.70(圖5)。第三步,由于部分煤層縱橫波速度比小于1.65,與含油氣砂巖的縱橫波速度比重合,所以需要利用第一步預(yù)測(cè)出的煤層結(jié)果剔除縱橫波速度比反演數(shù)據(jù)體中的預(yù)測(cè)誤差,得到真正的含油氣砂巖。

圖5 平湖組砂巖縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析結(jié)果

4.1 地震波形指示反演

地震波形指示反演是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法[16-18],它利用貝葉斯判別理論和馬爾科夫鏈蒙特卡洛抽樣算法,在地震波形約束下完成井間儲(chǔ)層的模擬,實(shí)現(xiàn)井震協(xié)同的高分辨率儲(chǔ)層表征。其反演結(jié)果具有“低頻確定,高頻隨機(jī)”的特點(diǎn),低頻主要受地震頻帶及地震相的影響,高頻則受相似沉積結(jié)構(gòu)樣式的樣本數(shù)據(jù)的控制,頻率越高隨機(jī)性越強(qiáng)。地震波形代表儲(chǔ)層垂向巖性組合的調(diào)諧樣式,其橫向變化反映了不同的沉積環(huán)境,該算法利用地震波形的橫向變化開(kāi)展儲(chǔ)層預(yù)測(cè),提高了反演結(jié)果橫向預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,使預(yù)測(cè)結(jié)果更符合沉積地質(zhì)規(guī)律。

地震波形指示反演基本流程[19-21]見(jiàn)圖6。首先,按照地震波形特征對(duì)已知井進(jìn)行分析,與待判別道波形相關(guān)性高的井被優(yōu)選出來(lái)建立初始模型,同時(shí)統(tǒng)計(jì)出縱波阻抗作為先驗(yàn)信息。然后,將初始模型與地震波阻抗進(jìn)行匹配濾波,計(jì)算得到似然函數(shù)。最后,在貝葉斯理論約束下,結(jié)合似然函數(shù)和先驗(yàn)概率得到后驗(yàn)概率分布,對(duì)其采樣作為目標(biāo)函數(shù);通過(guò)不斷擾動(dòng)模型參數(shù),使后驗(yàn)概率值最大,此時(shí)的解作為一次可行性隨機(jī)實(shí)現(xiàn),最終期望結(jié)果為多次可行性實(shí)現(xiàn)的均值。利用地震波形指示反演生成縱波阻抗數(shù)據(jù)體,用于預(yù)測(cè)研究區(qū)含煤泥巖。由于縱波阻抗不能較好地識(shí)別砂巖、泥巖,所以利用地震波形特征參數(shù)指示模擬技術(shù)生成縱橫波速度比數(shù)據(jù)體,用于區(qū)分砂、泥巖。

圖6 地震波形指示反演流程

地震波形指示反演的兩個(gè)主要參數(shù)分別是有效樣本數(shù)和最佳截止頻率。有效樣本數(shù)是指在目的層段內(nèi)所有被選井的井旁道中尋找與當(dāng)前道波形最相似的井樣本數(shù)。有效樣本數(shù)表征了地震波形空間變化程度,有效樣本數(shù)較大表明儲(chǔ)層橫向穩(wěn)定,反之說(shuō)明橫向變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)。該參數(shù)的求取是將某口井點(diǎn)假設(shè)為待模擬點(diǎn),計(jì)算與其它井的波形相關(guān)性,進(jìn)而產(chǎn)生該井樣本數(shù)和波形相關(guān)性曲線(xiàn),對(duì)所有井產(chǎn)生的相關(guān)性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,求取平穩(wěn)拐點(diǎn)處的樣本數(shù)即為有效樣本數(shù)。圖7a為地震波形相關(guān)指數(shù)隨樣本數(shù)的變化曲線(xiàn),當(dāng)樣本數(shù)小于8時(shí),地震波形相關(guān)指數(shù)隨樣本數(shù)增加而增大;當(dāng)樣本數(shù)為8時(shí),相關(guān)指數(shù)達(dá)到平穩(wěn)且最大;當(dāng)樣本數(shù)大于8時(shí),相關(guān)指數(shù)不再增大;所以,本次反演設(shè)置有效樣本數(shù)為8。

最佳截止頻率指反演數(shù)據(jù)體最大頻率。該值越小,分辨率越低,確定性越強(qiáng);該值越大,則分辨率越高,隨機(jī)性越強(qiáng)。圖7b給出了地震波形相關(guān)指數(shù)隨截止頻率的變化曲線(xiàn)。由圖7b可見(jiàn),隨著截止頻率增大,地震波形相關(guān)指數(shù)開(kāi)始變化幅度較大,后逐漸趨于穩(wěn)定,一般選取趨于穩(wěn)定時(shí)的頻率作為最佳截止頻率,此次反演選取最佳截止頻率為160～200Hz。

圖7 地震波形相關(guān)指數(shù)隨樣本數(shù)(a)與截止頻率(b)變化曲線(xiàn)

4.2 反演效果分析

圖8a為縱波阻抗反演剖面,井點(diǎn)顯示為錄井巖性。整體來(lái)看:縱波阻抗反演數(shù)據(jù)體對(duì)砂巖、泥巖(無(wú)煤夾層)區(qū)分效果不好,但對(duì)砂巖、夾煤泥巖區(qū)分效果好。由于目的層純砂巖、泥巖縱波阻抗值域相互疊置,導(dǎo)致區(qū)分不開(kāi);泥巖夾雜煤層后,縱波阻抗整體降低,與砂巖形成明顯的阻抗差,可以被區(qū)分開(kāi)。具體表現(xiàn)為:4井處沒(méi)有煤夾層的泥1、泥2、泥3與砂1至砂5區(qū)分不清,泥/煤1至泥/煤9與砂6至砂10被明顯區(qū)分開(kāi);砂7下部形成的高阻假砂1,主要為泥/煤4與純泥巖形成的阻抗差而導(dǎo)致的假象。井5處下部泥/煤發(fā)育段預(yù)測(cè)較好,上部煤層不發(fā)育區(qū)出現(xiàn)假砂0,而且砂1至砂6反演的厚度不準(zhǔn)確。

圖8b為縱橫波速度比反演剖面,井點(diǎn)顯示為錄井巖性。整體來(lái)看,反演剖面預(yù)測(cè)砂體層數(shù)、厚度都較為準(zhǔn)確。目的層下部整體為泥/煤背景,局部發(fā)育砂體,斜坡低部位的5井鉆遇厚層砂體更多,斜坡高部位的4井主要鉆遇薄砂層;目的層上部砂體發(fā)育規(guī)模變大,砂體展布面積廣,連續(xù)性好。具體來(lái)看,4井泥1至泥3與砂1至砂5被區(qū)分出來(lái),砂、泥巖識(shí)別準(zhǔn)確度明顯提高;但是,受煤層影響,部分泥/煤互層段表現(xiàn)為低vP/vS特征(例如,泥/煤7),結(jié)合利用縱波阻抗反演數(shù)據(jù)體可以有效剔除vP/vS反演數(shù)據(jù)體中的假砂體。

圖8 研究區(qū)地震波形指示反演剖面a 縱波阻抗反演剖面; b 縱橫波速度比反演剖面; c 剔除煤層后的含油氣砂巖反演剖面

在綜合利用縱波阻抗反演數(shù)據(jù)體、縱橫波速度比反演數(shù)據(jù)體的前提下,實(shí)現(xiàn)了砂巖、泥巖、夾煤泥巖的劃分,再結(jié)合巖石物理交會(huì)圖,完成含油氣砂巖雕刻(圖8c)。從圖8c來(lái)看,4井處,砂1、砂3、砂4至砂10鉆遇氣層、油層、氣水同層,反演結(jié)果與井吻合度高;5井處,砂3至砂5鉆遇氣層、氣水同層,砂1、砂6鉆遇大套水層,反演結(jié)果與井吻合較好。

利用剔除煤層后的含油氣反演數(shù)據(jù)體,累加出含油氣砂巖地層厚度,然后將其與地層厚度相除,得出含油氣層厚度百分比圖,用于指示研究區(qū)含烴概率(圖9)。由圖9可以看出,含烴概率較高區(qū)域位于古隆起周?chē)男逼聳|部近洼陷帶,主要分布于受正斷層控制的斷塊之內(nèi),平湖組地層沉積時(shí),盆地演化處于斷-拗轉(zhuǎn)換期,相對(duì)低勢(shì)的斷槽為水流攜帶碎屑物的沉積匯聚區(qū),發(fā)育了較厚的三角洲砂巖儲(chǔ)層。同時(shí),古隆起是油氣運(yùn)聚有利指向區(qū),更易優(yōu)先捕獲來(lái)自主洼的油氣從而形成構(gòu)造-巖性油氣藏,預(yù)測(cè)研究區(qū)斜坡東部含烴概率較高,是下一步勘探的重點(diǎn)區(qū)域。

圖9 研究區(qū)平湖組地層含烴概率

5 結(jié)論

1) 西湖凹陷平北斜坡帶平湖組煤層多發(fā)育于受潮汐影響的三角洲泥炭坪、河控三角洲泥炭沼澤沉積環(huán)境,單煤層厚度約為1m,煤層間隔約為5m,具有厚度薄、層數(shù)多的分布特征。

2) 本區(qū)平湖組煤層縱波阻抗多低于9000g/cm3·m/s,密度多低于2.2g/cm3;砂巖、泥巖縱橫波速度比門(mén)檻值約為1.75,含油氣砂巖縱橫波速度比門(mén)檻值為1.65～1.70,含氣砂巖頂面表現(xiàn)為弱波谷、中弱波峰地震反射特征。

3) 針對(duì)本區(qū)煤層發(fā)育特點(diǎn),采用基于地震波形指示反演的“三步法”完成含煤地層有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。縱波阻抗可有效識(shí)別本區(qū)含煤泥巖,縱橫波速度比可有效識(shí)別含油氣砂巖、含水砂巖及泥巖,綜合利用兩種參數(shù)反演數(shù)據(jù)體可剔除含煤泥巖產(chǎn)生的假象,完成有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。