川中茅口組白云巖儲層預測關鍵技術研究與應用

賀川航,鮮成龍,林 煜,李正勇,張巧依,別 靜,陳靜昱,黃花香

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,河北涿州072050;2.中國石油集團西南油氣田公司川中油氣礦,四川遂寧629000)

在中國四川、鄂爾多斯以及塔里木等海相克拉通沉積盆地中均發現有大量白云巖儲層,四川盆地分布最為廣泛,從震旦系到三疊系的多套地層在白云巖層段均獲得了豐富的油氣發現。近年來,四川盆地中部地區共有126口井鉆遇茅口組地層,錄井顯示下二疊茅口組地層存在大量白云巖,平均深度超過4300m。2013年,針對茅口組地層的探井中,N1井和MX39井均鉆遇較厚的白云巖儲層,獲得高產工業氣流,表明四川盆地川中地區茅口組白云巖儲層具有良好的勘探潛力[1-3],是四川盆地增儲上產的重要層系之一。

隨著茅口組白云巖儲層勘探程度的不斷提高,我們逐步認識到其儲層空間分布的各向異性與氣藏的多樣性,研究發現茅口組白云巖儲層預測主要存在3個難點[4-5]:①低孔低滲儲層,空間各向異性較強,且與圍巖物性差異較小,單一測井曲線識別難度較大;②地層埋藏深,地震波能量衰減快,信噪比低、連續性差,地震資料成像品質低;③單一儲層厚度較薄且空間各向異性強,導致儲層與圍巖的巖石物理響應特征差異大,對應儲層段地震波反射特征不明顯,采用常規解釋技術預測儲層發育有利區的難度較大。本文綜合運用地質、地震、測井等資料,針對茅口組儲層預測難點采用井控高保真寬頻處理技術、多曲線融合技術、巖溶古地貌精細解釋技術、地震相帶解釋技術以及相控波阻抗反演技術進行茅口組白云巖儲層空間展布定性與定量預測,并根據“先巖溶后儲層”的評價思路,綜合刻畫巖溶、儲層厚度和相帶疊合區(儲層發育有利區),為后期茅口組白云巖儲層油氣勘探開發提供了可靠的依據。

1 地質概況

研究區位于四川盆地中部,屬川中古隆平緩構造區向川中南高陡構造區的過渡地帶[1](圖1)。四川盆地內部發育多條基底斷裂,研究區主體位于南充—廣安一帶,華鎣山斷裂東側,緊鄰15號基底斷裂[3]。

四川盆地中部二疊系地層以低幅度褶皺構造為主,局部為背斜構造,呈南淺北深的低緩斜坡。川中地區下二疊茅口組地層主要為海侵背景下的碳酸鹽巖沉積。二疊紀下統末期,受東吳運動導致的地殼抬升影響,茅口組地層頂部出露地表。川中地區茅口組地層頂部普遍遭受剝蝕,大部分地區的茅四段地層已完全被剝蝕,少數地區還殘留較薄的茅四段地層;不整合面以下殘余的茅三段、茅二段以及茅一段地層,厚度為200～220m。茅三段地層直接與上覆龍潭組地層接觸,為川中地區的不整合接觸面。

圖1 四川盆地川中地區構造分區及研究區位置

茅一段地層主要為條帶狀深灰、灰黑色有機質泥質灰巖夾黑色泥巖,為一套較好的烴源層系;茅二段發育灰色、深灰色厚層塊狀灰巖,局部地區發育白云巖(厚度1～25m),單層較薄,空間各向異性較強;茅三段發育淺灰、灰褐色泥晶生屑灰巖,自然伽馬值為低值[5]。茅口組白云巖儲層主要位于中部的茅二段地層中,顆粒灘相為形成儲層的物質基礎,沉積形成的風化巖溶是有利儲層形成的關鍵,后期熱液上涌導致其白云巖化有利于氣藏的保存,研究區內有多口井在鉆遇茅口組時顯示工業氣流,氣侵、氣測異常以及井漏頻繁,上述情況均表明茅口組地層具有較大的油氣勘探潛力。

2 白云巖儲層地球物理特征

2.1 測井響應特征

川中地區茅口組白云巖儲層發育,但厚度薄,橫向連續性差,圖2為茅口組白云巖儲層3口典型井巖心、薄片資料,觀察發現儲層以次生的中、小溶洞為主,偶有少量大溶洞呈分散分布,孔隙度為2%～8%,總體表現出低孔、低滲的特征[6-8]。以M1井茅二段地層巖心資料為例,實取20塊巖心,其中灰色、深灰色白云巖共14塊,灰色、深灰色石灰巖、含云質灰巖共6塊,巖樣整體較致密,白云巖較發育。測井資料顯示茅二段地層中部致密灰巖自然伽馬值為40API,密度為2.69g/cm3,聲波時差為49.5μs/ft;茅二段內部白云巖儲層自然伽馬值為42～47API,密度為2.72g/cm3,聲波時差為49.2μs/ft(1ft≈0.3048m)。

圖2 茅口組白云巖儲層3口典型井巖心和薄片資料

茅口組地層受地殼抬升作用影響,頂部風化剝蝕形成裂縫,內部受地表水縱向滲流、地下水橫向侵蝕后灰巖白云化作用形成茅口組儲層,在古地貌高部位、水動力較強的區域,白云化作用明顯,較容易產生白云巖儲層。茅口組地層受剝蝕以及白云化作用時儲層段地層產生縫洞,導致儲層段地層地震波傳播速度降低。儲層段地層密度同時受巖性(白云巖密度值大于灰巖)和儲層段縫洞影響,導致儲層段地層密度大于或近似圍巖密度。分析研究區標志井儲層及圍巖測井解釋成果(表1)及茅口組地層連井剖面(圖3)可知,茅口組具有以下3個特征:①白云巖發育層段整體位于茅二段地層上段,白云巖發育厚度為1～25m;②密度越大、聲波時差值越高的白云巖儲層物性越好;③儲層段電阻率與圍巖電阻率差異明顯,含氣性越好的儲層電阻率越高。

2.2 地震響應特征

由茅口組過井地震解釋剖面(圖4)可以看出,不同厚度的白云巖儲層對應不同的地震反射特征。井震聯合對比分析發現,N1、GT2、GC2井鉆遇的儲層較發育,測井資料顯示儲層段縫洞較發育,地震資料顯示茅口組地層內部存在較弱的斷續波峰反射特征。N8井白云巖儲層不發育,巖心、測井資料顯示儲層段縫洞不發育,過井地震解釋剖面顯示茅口組地層內部呈現由弱波峰反射到空白反射的變化特征。對比不同儲層類型的N1、N8、GT2、GC2過井地震解釋剖面可知,當儲層巖性、物性與圍巖差異較大時,儲層段地震剖面呈現的斷續弱波峰反射特征可以作為儲層識別標志。

2.3 地震正演

考慮川中地區區域地質背景,綜合利用N1井的鉆井、測井信息以及龍潭組地層底界不整合面上、下段的波阻抗平均值,構建層狀地層模型,茅口組致密灰巖圍巖波阻抗平均值為1.65×104g·cm-3·m·s-1,茅口組頂上覆泥灰巖波阻抗平均值為9.00×103g·cm-3·m·s-1。根據該儲層各向異性較強的特點,我們設計了2種地質模型。模型a所代表的茅口組地層內部存在3類厚度為25m、波阻抗值不同但橫向連續的白云巖儲層,可用于模擬儲層橫向物性變化和分析不同波阻抗值的地震響應特征(圖5a);模型b代表的茅口組地層內部存在波阻抗恒定、儲層厚度為0～30m的楔狀儲層(圖5b)。

表1 研究區標志井儲層及圍巖測井解釋成果

圖3 茅口組地層連井剖面

圖4 茅口組過井地震解釋剖面

將兩種地質模型分別和35Hz雷克子波褶積,正演得到相應的地震剖面,用于對比不同類型的儲層地震響應特征。圖5c為模型a正演得到的地震剖面,可以看出,儲層發育區對應的地震剖面底部出現了波峰反射特征。儲層波阻抗與圍巖波阻抗差值越大,對應波峰能量越強,表明波峰能量大小反映了儲層波阻抗與圍巖波阻抗差值。模型a中儲層內部地震反射特征隨波阻抗變化表現出清晰的橫向變化規律,從低波阻抗至高波阻抗區,波形內部逐漸由較強振幅波峰變為弱振幅波峰。圖5d是模型b正演得到的地震剖面,可以看出,當儲層厚度小于5m時,儲層底部無明顯地震反射特征;當儲層厚度大于5m時,儲層底部呈現明顯的波峰反射特征,且橫向上連續性較好。隨著儲層厚度的增加,地震反射特征逐漸由弱振幅波峰變為強振幅波峰。

圖5 茅口組儲層地質模型及正演得到的地震剖面

對比不同類型儲層的正演地震解釋剖面可以看出,茅口組儲層底部波峰反射特征和儲層性質相關性較好,可以利用能量強弱表征儲層特征;茅口組地震剖面顯示為波峰且振幅值越高的區域,表征儲集層波阻抗低、物性好,指示白云巖儲層發育區。由過井地震解釋剖面(圖4)可以看出,受儲層空間各向異性較強的影響,儲層波阻抗值空間各向異性較強,表現出斷續波峰反射特征。利用測井和地震資料開展茅口組白云巖儲層研究,發現這類厚度薄、各向異性較強的復雜儲層巖石物理響應特征具有多樣性,采用常規測井和地震解釋技術解釋此類復雜儲層時存在分辨率低和精度差等問題,無法有效刻畫儲層分布,不利于后期開發井的井位部署。

3 儲層預測關鍵技術

由川中茅口組地層的地質、測井、地震以及正演模擬結果可知,茅口組地層內部空間分布各向異性較強的薄儲層增大了勘探評價難度。因此,本文以高分辨率地震資料為數據基礎,綜合運用地震、測井資料,采用針對性的地球物理技術開展茅口組白云巖儲層的預測工作。首先采用多曲線融合技術與井控高保真寬頻處理技術提高單井儲層縱向識別精度、地震成像品質以及儲層預測精度;然后采用巖溶古地貌精細解釋、地震相帶解釋技術定性預測巖溶發育有利區以及有利相帶分布區;再對高品質地震資料采用相控波阻抗反演技術定量預測儲層空間展布,結合三維雕刻技術劃分儲層空間單元;最后根據“先巖溶后儲層”的評價思路,綜合刻畫巖溶、有利相帶和儲層厚度疊合區,并將其定義為儲層發育有利區。這為后期茅口組白云巖儲層油氣勘探開發提供了可靠的數據基礎。

3.1 多敏感曲線融合技術

川中茅口組地層巖性主要包括白云巖和灰巖,我們根據茅口組多井常規交會分析結果(圖6)劃分地層巖性,發現單一測井數據對茅口組巖性區分度較差,無法建立適用于整個研究區的解釋圖版。我們根據巖性、縫洞的發育情況,優選密度、聲波時差、自然伽馬和深、淺側向電阻率測井曲線作為輸入變量,將包括地層低頻信息與表征巖性、流體變化的高頻信息的多條測井曲線融合成一條對白云巖儲層敏感的重構曲線(圖7)。該重構曲線最大限度地保留了各測井曲線縱向上的差異,突出白云巖和灰巖的特征。為消除不同類型曲線因物理量綱不同而產生的值域差異,需要對各測井曲線進行去量綱化處理,本文采用線性歸一化(對深電阻率曲線進行對數歸一化)方法,使輸入曲線值域范圍為[0,1],有利于表征白云巖(圖7 巖性解釋道黃色區域)、灰巖(圖7巖性解釋道藍色區域)的縱向差異。對白云巖儲層敏感的曲線融合形成的重構曲線(圖7中第6道的紅色實線),反映了不同敏感曲線對茅口組地層巖性的響應,突出了地層巖性的變化。該曲線上白云巖、灰巖的巖性特征清晰,可以清楚地區分白云巖和灰巖,精確刻畫出白云巖縱向分布位置(圖7中第9道測井解釋結論),有效提高儲層解釋精度,為后續的儲層定性、定量預測提供準確的基礎資料。

圖6 茅口組多井常規交會分析結果

3.2 井控高保真寬頻處理技術

因四川盆地地表巖性復雜、目的層埋深大,并且受上覆膏巖層屏蔽遮擋影響,因而地震資料能量弱、信噪比低、頻率衰減快。為解決上述問題,并進行白云巖儲層定量刻畫,探索形成了全流程井控高保真寬頻處理技術。該技術主要包括疊前高保真綜合去噪及井控寬頻保幅處理兩個環節[9]。

在分析巖性、識別噪聲類型的基礎上,我們采用組合去噪思路,在去噪過程中對噪聲進行嚴格分析,以確保有效信號不受損失。將地質體成像效果和識別度作為衡量標準,選用保真去噪模塊及參數,確定信噪比和分辨率的平衡點,最終顯著提升了目的層的信噪比。

針對原有茅口組地震資料主頻低、頻帶窄的特點,我們首先采用井控真振幅恢復技術,利用VSP地震資料獲取球面擴散補償因子,通過合成記錄與地震資料匹配分析,實現對目的層弱反射的真振幅恢復,然后利用VSP地震資料進行穩健層Q值反演,對反演的Q值與VSP層速度進行多項式擬合以確定關系函數,最終建立精確的Q值模型,該模型消除了地層對地震子波相位的影響,極大地提高了目的層的分辨率。上述技術均為茅口組白云巖薄儲層識別的關鍵技術。圖8為保幅寬頻疊前時間偏移(PSTM)與常規PSTM剖面及其分頻掃描結果,在保幅寬頻PSTM剖面上茅口組低端頻率和高端頻率成像異常清晰,資料空間分辨率得到明顯改善,薄儲層分辨能力更強,較高品質的地震資料為儲層預測工作帶來便利。

圖7 測井曲線和基于多條測井曲線融合的重構曲線

3.3 巖溶古地貌精細解釋技術

研究發現茅口組白云巖儲層主要是灰巖受地下水侵蝕發生白云化作用而形成,因此水動力較強的巖溶斜坡區是白云化作用最有利區域,容易形成白云巖儲層。大量鉆井巖性、電性資料分析表明,四川盆地中部下二疊茅口組地層為填平補齊的沉積地層,即龍潭組與茅口組巖溶期古地貌間呈“鏡像”關系[10-11]。龍潭組地層主要為海陸交互相碎屑巖,發育有砂泥巖,茅口組地層為海相碳酸鹽巖沉積,沉積相-巖性的差異導致了二疊系上、下統地層之間存在較大的速度與波阻抗差異。龍潭組砂泥巖縱波阻抗平均值約為9.30×103g·cm-3·m·s-1;茅口組碳酸鹽巖縱波阻抗平均值約為1.64×104g·cm-3·m·s-1。因此可利用縱波阻抗地震反演結果,更精確地描述茅口組地層頂部地震反射特征。在此基礎上,優選“印模”法,結合地震層位拉平技術,可有效恢復巖溶古地貌。圖9為研究區茅口組地層巖溶期古地貌形態立體展布,清晰地再現了茅口組地層風化殼的古潛高、古斜坡以及侵蝕溝槽形態,其中,古斜坡區古水動力條件最強,受后期改造作用影響,儲層縫洞發育,是形成白云巖儲層發育最有利區。

圖8 茅口組地層保幅寬頻PSTM(a)與常規PSTM(b)剖面及其分頻掃描結果

3.4 有利地震相帶預測技術

由過井地震解釋剖面資料以及儲層正演模型分析可知,茅口組地層內部的白云巖儲層具有斷續波峰反射特征[12],即茅口組地層內部波峰反射區為地震有利相帶發育區,因此本文優選振幅屬性開展茅口組內部地震有利相帶預測。

首先利用研究區內實鉆井測井解釋成果對多種地震屬性進行優選。根據測井解釋成果統計多口井茅口組白云巖儲層厚度,并將其與地震均方根振幅屬性進行相關性分析,測井解釋成果反映儲集層厚度(孔隙度大于2%)和地震均方根振幅均具有較好的正相關性,說明地震均方根振幅屬性能夠有效指示儲集層厚度。測井解釋儲層厚度大于5m的井均位于均方根振幅高值區,測井解釋儲層厚度小于5m的井均位于均方根振幅低值區。茅口組白云巖儲層均方根振幅屬性(圖10) 上存在北東-南西向分帶性明顯的高振幅區,和已知井符合率較高,為地震有利相帶發育區。

圖9 研究區茅口組地層巖溶期古地貌形態立體展布

圖10 茅口組白云巖儲層均方根振幅屬性

3.5 相控波阻抗反演預測技術

常規波阻抗反演方法所采用的中、低頻約束模型通常以均勻介質模型為基礎,針對碎屑巖層狀儲層,通過對測井曲線線性內插而建立。川中茅口組白云巖儲層非均質性較強,且厚度分布不均勻,線性模型約束效果較差,因此,在四川盆地的勘探實踐中,多采用基于層序格架約束的相控波阻抗反演技術來解決白云巖儲層的地震反演問題[13-14]。

白云巖儲層受沉積相分布的控制,各相帶內部地層物性特征存在明顯差異。為了能準確地反演白云巖儲層、泥巖及圍巖平面分布特征,首先開展相控測井曲線歸一化處理,即在不同的沉積相帶,對目標層段測井曲線采用不同的歸一化處理;然后以不同級次層序地層邊界為縱向約束,以臺內灘、開闊臺地等沉積相帶橫向展布為反演邊界,建立等時相控的初始地震地質模型(低頻模型);最后在此基礎上進行波阻抗反演,得到具有相控背景的波阻抗數據體。需要強調的是,對反演成果進行解釋時,由于不同相帶、同一反演(阻抗)數值具有不同的地質含義,因此需要對不同相帶分別進行解釋,才能更好地定量識別儲層,茅口組白云巖儲層厚度預測分布如圖11所示,預測結果與測井解釋結論吻合度達到90%。

圖11 茅口組白云巖儲層厚度預測分布

隨著勘探技術發展以及對復雜儲層預測的精細需求不斷增加,三維雕刻技術逐步成為三維地震數據解釋的重要方法。以研究區縫洞型白云巖為例,采用三維雕刻技術,利用地震屬性和相控波阻抗反演結果對縫洞、白云巖等地質體進行雕刻和綜合研究,可以直觀地展示其空間結構、分布和體積,實現對空間各向異性白云巖儲層的半定量預測。圖12為M31X1井儲層三維雕刻結果,儲層預測顯示該井茅口組儲層發育。該井鉆遇茅口組多段地層,顯示井漏、氣侵,集氣點火的燃焰高達1m,在茅二段地層測試日產氣為24.7×104m3,證實該井區為儲層發育有利區。近年來,基于三維雕刻技術的三維可視化顯示結果,提高了開發井軌跡優選、井位跟蹤的效率。新鉆井情況統計結果表明三維雕刻地震預測吻合率大于80%,保障了川中地區茅口組地層增儲上產的勘探開發要求。

圖12 M31X1井儲層三維雕刻結果

4 白云巖儲層發育有利區帶預測

采用“先巖溶后儲層”的評價思路,根據茅口組白云巖氣藏成藏條件,尋找古地貌高點、有利地震相帶預測區、儲層發育較厚區,三者疊合區即為白云巖儲層發育有利區。圖13所示的橙色區域為預測得到的川中地區中部白云巖儲層發育有利區,評價依據以下2點。①儲層發育有利區位于巖溶斜坡區,有利巖溶區分布廣。以地震反演預測白云巖儲層厚度6m為下限,M31X1井區白云巖儲層發育有利區面積約為25km2。②地震剖面上白云巖儲層的反射特征明顯,茅口組地層內部的儲層發育有利區均出現明顯的“斷續弱波峰”反射特征。茅口組地層儲層發育有利區和非有利區具有不同的地震反射特征:茅口組地層內部連續的波谷反射特征主要代表臺內洼地,其巖性致密、穩定,不利于儲層發育;茅口組地層內部近雜亂的地震反射特征代表臺內灘,指示古斜坡區。古斜坡區碳酸鹽巖含量高、顆粒粗,更有利于形成溶蝕孔洞,地震剖面上可見明顯的“斷續波峰”白云巖儲層反射特征。

圖13 研究區白云巖儲層發育有利區預測結果

5 結論

1) 四川盆地深層碳酸鹽巖儲層縫洞發育差異明顯,空間分布各向異性強,其巖石物理響應特征與圍巖差異大,常規測井解釋難度大。基于實鉆井巖石物理物性參數,建立層狀地層模型,進行正演模擬分析得到相應的地震剖面,可以發現不同類型儲層的地震剖面波峰反射特征存在差異性,增大了儲層預測難度。

2) 采用“先巖溶后儲層”的評價思路,針對茅口組儲層首先應用針對性的地震資料處理以及儲層預測技術,并且利用多敏感測井曲線融合技術重構的新曲線準確識別儲層縱向分布位置,可以明顯提高單井薄儲層識別精度;再進行井控“保幅保真”寬頻處理,使數據體的高頻信息得到保護,低頻信息得到拓展,成像結果清晰,可獲得高分辨率的地震數據;然后將井震資料相結合進行高精度層位解釋,由于茅口組地層剝蝕,層厚不穩定,因此采用“印模法”可以有效恢復地層巖溶期古地貌;接著根據實鉆井數據,結合正演模擬、地震屬性資料定性刻畫有利地震相帶分布區域;最后進行相控儲層波阻抗反演,利用三維雕刻技術劃分儲層空間單元。