四川盆地頁巖儲層正演模擬地震響應特征

畢臣臣，謝 瑋，王彥春*，劉 煒

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

頁巖氣是一種以游離態和吸附態存在于具有生烴能力的泥巖和頁巖地層中的一種連續性較好的非常規天然氣[1]，其儲量十分巨大，相當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，但勘探開發的難度也很大。與北美頁巖氣開發情況相比，目前中國頁巖氣的勘探開發還沒有完善的理論體系[2]。四川盆地和它周緣地區是中國頁巖氣最早被發現的地區，同時也被認為是頁巖氣勘探潛力最大的地區[3]，該地區在下志留統龍馬溪組—上奧陶統五峰組廣泛發育優質頁巖地層[4]。由于頁巖氣儲層在成藏機制、儲層和氣藏特征等方面都與常規油氣有所不同[5]，所以頁巖氣的儲層預測與常規油氣藏的儲層預測之間存在一定的區別。

作為地震勘探和油氣預測的一個重要環節，地震正演模擬技術通過建立符合實際地質特征的地質模型并對其進行模擬得到相應的合成記錄，來研究地震波在地下介質中的傳播規律，進而可以推斷地下實際地質特征、判斷有無與油氣藏相關的響應異常，為指導儲層預測研究提供有力的依據[6-7]。地震正演模擬技術自20世紀90年代以來得到迅速發展，并被中外許多專家學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識別了砂泥巖薄互層地層；張丹妮[9]通過對模型進行正演模擬分析了致密砂巖儲層的響應特征；王曉亮[10]利用正演模擬技術有效預測了煤層厚度；王韻致等[11]利用地震正演模擬技術研究了SH油田砂體尖滅點的位置；胡修權等[12]、張強等[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，正演模擬技術還經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對頁巖氣儲層的地震響應特征進行分析的研究還相對比較匱乏。李曙光等[17]認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理和傳播特征，但并未進行實際驗證；董旭等[18]建立了頁巖楔狀模型并對其進行了正演，但并未對實際研究區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，并認為頁巖的地震特征具有復雜性、各向異性和相干性，也未針對實際資料頁巖的地震響應特征進行詳細討論。因此，目前對頁巖氣儲層地震響應特征方面的研究仍處于探索階段，還需要進一步深入分析和探討。

為了研究頁巖氣儲層的地震響應特征，研究選取具有代表性的四川盆地某氣田為實際研究區，首先通過實測的頁巖地層參數來設計楔狀體理論模型，并進行聲學介質波動方程正演，進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特征產生的影響。然后，根據四川盆地某氣田的實際測井數據和連井疊后地震資料，建立了二維地質模型，并對其進行聲學介質波動方程正演模擬。最后結合理論模型的正演模擬結論，對實際資料合成記錄的響應特征進行分析，從而可以有助于較準確地刻畫地下地質特征、指導地震資料解釋、預測有利的含氣區域，并為驗證后續反演結果的準確性提供可靠的依據。

1 波動方程正演方法

地震正演模擬技術是根據地下實際地質特征建立相應的地質模型，并對該模型進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特征來研究地下的地質條件[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體相似的物理模型，并根據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；而數值模擬技術是通過計算機來模擬建立虛化的地質模型，該方法可以通過調節和控制參數來修改模型和模擬觀測系統，更加方便、高效，易于實現，成本相對較低，所以在實際生產中應用也更加廣泛[21]。

地震波數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、傳播時間較準確，但由于計算結果很難保持其動力學特征，通常對復雜的地質模型模擬精度不高[24]；積分方程法是在惠更斯原理的基礎上，對數學公式進行演算和推導，推算過程較復雜，且效率低[25]；而波動方程法可以同時保留地震波的動力學和運動學特征，能夠更加精確地模擬復雜介質的地震波場，從而常被用于復雜構造模型的正演模擬中[26]。因此，研究采取波動方程法進行正演模擬。

根據介質類型的不同，波動方程法又可以分為聲學介質波動方程、彈性介質波動方程和黏彈性介質波動方程[27]。綜合考慮研究區的實際資料條件和地質特征，研究采用波動方程法中的聲學介質波動方程方法進行正演模擬研究，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

地層尖滅的楔狀構造存在于較多的儲層中，所以常被用來研究地震波場響應特征[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特征產生的影響，根據實際鉆井資料整理出研究區目的層龍馬溪-五峰組(S1l-O3w)及其頂底板[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按表1中的地層參數進行填充。其中，上部充填頂板石牛欄組(S1s)灰巖，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)泥灰巖。

為了研究頁巖儲層厚度變化的地震響應特征，研究采用聲學介質波動方程法對圖1中的頁巖楔狀體模型進行正演模擬。首先選取了實際地震資料主頻范圍內的25 Hz的雷克子波進行聲波方程正演模擬，并對正演得到的結果進行疊后深度偏移，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 聲學波動方程正演結果(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，振幅的響應特征也逐漸發生變化。當Δh>λ/2≈81.4 m時，地層的頂底界面可以清晰識別；Δh=λ/2～λ/4時，地層頂界面振幅增大；至λ/4≈40.7 m時，根據經典調諧理論，頂底界面反射波長干涉，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，研究區主頻為25 Hz的地震反射波數據只能識別出大于40.7 m的泥頁巖地層。

圖3 不同子波主頻聲學波動方程正演結果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特征

為了研究子波主頻變化對地震響應特征的影響，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)進行聲學介質波動方程正演模擬，得到結果如圖3所示。可以看出，當地層速度一定時，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在合理范圍內選取較大的子波主頻，以得到較高的儲層分辨率。經地震資料頻譜統計分析，研究區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)變化響應特征

為了研究含氣量不同時頁巖的地震響應特征，根據實際測井資料設計了四個含氣量不同的頁巖地層，其地層參數如表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分別替換圖1模型中相應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的雷克子波進行聲學介質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波動方程正演結果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，導致分辨率下降；同時頁巖地層速度和密度的增加，使其與頂底板之間的速度和密度差異變小，從而導致地層界面兩側波阻抗差異減小，波形振幅變弱。

3 實際資料二維地質模型正演

根據上述楔狀模型正演模擬得到的規律，在實際的地震勘探中，可以通過構建地質模型并對模型進行正演模擬，若正演模擬結果與原始地震資料的相似性很高，說明研究區地下實際地質特征與地質模型基本一致，從而可以根據正演地震響應特征來分析地下地質構造、識別刻畫地質體特征、指導后續的地震資料解釋工作，以及為驗證反演結果的準確性和反演方法的可行性提供可靠的依據。

圖6為四川盆地某研究區兩口井W1和W2井的二維連井剖面，可以看出，研究區地層整體較為平穩，志留系下統和奧陶系上統為主要的泥頁巖地層。根據研究區層位數據搭建的框架，結合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行內插外推，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底板志留系石牛欄組和奧陶系澗草溝組的時窗內的速度和密度地質模型，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，二維地質模型參數見表1。根據測井解釋結果，含氣泥頁巖地層主要分布在志留系和奧陶系上統，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，表現為低縱波速度、低密度，厚度較薄的特征。

根據對頁巖楔狀體理論模型正演模擬的研究，在精細二維地質模型的基礎上，利用聲學介質波動方程正演算法并選取25 Hz頻率的雷克子波，對研究區W1和W2井連井剖面的地質模型進行了正演模擬和疊后深度偏移等處理，得到的結果如圖8所示。

圖6 W1井和W2井疊后地震數據連井剖面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波動方程正演結果Fig.8 Forward result of acoustic wave equation for target interval of connecting well profile

結合楔狀體模型的正演研究，將此正演結果與實際地震資料進行對比分析，可以得出以下結果。

(1)模型正演結果剖面的響應特征與原始地震數據相似性很高，說明研究區實際地下介質特征與構建的二維地質模型基本相似。

(2)該時窗內每套地層的頂底界面均有明顯的振幅異常，可以判斷由于地層界面兩側巖性不同，導致速度和密度存在較大差異，從而產生波阻抗差異，反射振幅增強。

(3)研究區龍馬溪組底部-五峰組層段同相軸振幅比其上部同相軸振幅反射更強，結合頁巖楔狀體正演研究的規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，產生更強的反射振幅響應特征。

4 結論

采用聲學介質波動方程方法對理論楔狀體模型和研究區實際地質模型進行正演模擬，能夠較好地反映出地層特征。根據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果產生一定的影響。隨著地震子波主頻的增加，地層的分辨率提高。因此，研究在合理范圍內盡可能較大地選取了25 Hz的雷克子波進行聲學介質波動方程正演模擬，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，反射振幅變弱；地層分界面兩側巖性、含氣量等性質差異越大，地震反射振幅越強，響應特征越明顯。

在理論模型研究的基礎上，對四川盆地某氣田實際資料二維連井剖面的地質模型進行了聲學波動方程正演模擬。根據得到的正演結果并結合實際測井、地震資料可以得出以下結論：正演結果剖面與實際地震資料相似性很高，說明該地區實際地下介質特征與模型基本相似；龍馬溪組底部-五峰組地震響應特征更加明顯，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，該結論可作為驗證后續反演結果準確性的依據。

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