盐间页岩油韵律层地震响应模拟及页岩薄储层厚度预测

仉 涛，郭智奇，刘 财，刘喜武，刘宇巍

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083 3.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室，北京 100083 4.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083

0 引言

江汉盆地中部的潜江凹陷发育巨厚的盐韵律夹砂泥岩的盐系地层，其中目标储层为上、下盐岩之间夹持的一套泥岩、云质页岩以及钙芒硝岩地层[1-3]。该套地层单位岩石含油量、可动性好，是陆相页岩油领域最有可能实现突破的方向之一。目前的研究表明潜江凹陷的盐间页岩油具有可观的储量[1-3]，然而盐间页岩油韵律层的地震识别与描述仍面临挑战。现有地震分辨率和反演技术难以精确识别和描述韵律背景中页岩薄层厚度的空间展布，成为限制盐间页岩油储层有效开发的主要技术瓶颈。

在薄互层地震响应特征的研究方面：Widess[4]通过研究薄层的调谐效应，将厚度小于入射子波波长1/4的地层结构定义为薄层。Kallweit[5]详细讨论了薄层厚度与地震反射振幅的关系。Bakke等[6-8]研究了薄层地震AVO响应特征与调谐效应的关系。对于实际非均匀层状介质，地震反射系数与入射波频率有关，因此Aki等[9-10]提出了传播矩阵算法，用于计算层状介质中随频率变化的地震反射响应。此外，Liu等[11]研究了楔形模型中瞬时峰值频率与薄层厚度的关系。姚建阳[12]研究了频率域估算地层厚度的方法。刘建华等[13]通过引入地震反射的波峰、波谷和零值点进行薄层厚度的估算，提出了基于反射波特征分析估算薄层厚度的方法。苏盛甫[14]针对薄砂层与碳酸盐岩互层地层结构地震反射特征的分析，提出利用波形特征与频率信息的薄层厚度定量解释方法。汪恩华等[15-16]通过地层厚度与其反射系数和反射波频谱关系的研究，提出了一种薄层厚度的计算方法。Sun等[17]研究了薄层结构地震峰值频率与薄层厚度的解析关系，并与利用振幅信息估算薄层厚度的传统方法进行对比，提高了薄层厚度的预测精度。李雪英等[18-19]基于波动理论正演模拟并分析了复杂薄互层模型的地震响应特征。刘财等[20]基于传播矩阵理论开发了基于波形对比的砂泥岩薄互层地震反演技术，由地震反射波形特征反演砂泥岩组合结构及砂体的空间展布。陈思民等[21]通过合成地震记录标定，使用小尺度小波系数曲线对歧口坳陷沉积旋回进行了精细识别。张军华等[22]通过分析井震特征及优选地震属性，使用非线性储层预测法预测了东营凹陷深部储层厚度。魏敏等[23]利用混合相位子波反褶积技术对准噶尔盆地薄砂体储层进行高分辨率波形指示反演，预测了储层砂体平面展布情况和厚度。

由于目前的地震预测方法大部分仅适用于单一层薄层厚度的预测，对于韵律结构中薄层及薄互层预测不完全适用。因此，本文针对江汉盆地潜江凹陷盐间页岩油韵律层，在地质地球物理建模的基础上，通过高精度合成地震记录计算并分析其地震反射特征，开发基于模型的高分辨率页岩薄层厚度地震预测方法，预测韵律背景中页岩薄层厚度的空间展布，为页岩油甜点区的识别提供储层厚度信息。

1 盐间页岩油储层地质地球物理概况

本文针对江汉盆地盐间页岩油韵律层进行地震响应特征及储层厚度预测研究。图1为研究区域目标层双程反射时间等值线图，以及研究区11口井位置。其中，典型井2号井的测井数据如图2所示，图中给出目标韵律中页岩层位置。

表1给出了图1中11口井的测井数据统计结果，包括目标韵律层中薄层页岩的纵波速度(vP)、密度(ρ)、纵波阻抗(IP)、厚度(H),以及计算得到的盐岩/页岩界面的地震反射系数(RPP)。

表1 目标韵律层11口井中参数统计表

图1 盐间页岩油目标层顶界面双程反射时间等值线图

通过对11口井的统计结果进行分析发现，研究区中页岩纵波速度具有较大的变化范围(3.7～4.5 km/s)，而密度变化范围不大(2.4～2.6 g/cm3)，因此，相应的纵波阻抗具有较大的变化范围(8.9～11.9(km/s)·(g/cm3))。由于韵律层中盐岩的纵波速度和密度变化较小、纵波阻抗较稳定(9.2(km/s)·(g/cm3))，因此盐岩/页岩界面的地震反射系数主要取决于页岩波阻抗的变化。研究区盐岩/页岩界面的地震反射系数的数值范围变化较大。

从目标韵律层地震均方根反射振幅(图3)中可以看出，地震反射能量在不同的构造区域都呈现显著的变化。对比地震反演得到的目标韵律层中页岩的纵、横波速度(图4)可以发现，页岩速度与地震反射振幅不存在简单的对应关系。结合上述测井数据的分析，目标层地震反射特征的变化与韵律层中页岩纵波速度、厚度的变化密切相关。

图3 目标韵律层地震均方根振幅

图4 目标韵律层地震反演纵波(a)、横波(b)速度

2 盐间页岩油韵律层地震响应模拟及分析

2.1 传播矩阵理论

在传播矩阵理论方法中，由如下公式计算反射系数(RPP、RPS)和透射系数(TPP、TPS)[24]：

r=[RPP,RPS,TPP,TPS]T=

(1)

其中：

iP=iω[βP1,γP1,-ZP1,-WP1]T；

(2)

(3)

A2=iω·

(4)

式中：iP为P波入射向量；A1、A2分别为上、下层传播矩阵，与上下层介质的物性有关；Bα(α=1,2,…,N)为N层结构中薄层的传播矩阵；s为慢度；h为薄互层总厚度；ω为入射波频率；γ、β、W、Z均为与物性参数有关的变量，其下标P、S分别对应准纵波、准横波，1、2分别对应上、下层介质。

2.2 高精度合成地震记录及井震标定

根据传播矩阵理论，计算盐间韵律层的高精度合成地震记录，分析目标层地震响应特征。计算合成地震记录使用了主频为45 Hz的Ricker子波(图5)。对研究区2号井进行井震标定(图6)，建立实际地震数据与测井数据的联系。基于公式(5)分别计算褶积合成记录、传播矩阵合成记录(图6d、e)与实际地震数据(图6f)在目标层段的Pearson相关系数：

图5 Ricker子波(a)及其频谱(b)

a.纵波速度；b.密度；c.纵波阻抗；d.褶积合成记录；e.传播矩阵合成记录；f.过井地震道数据。

(5)

式中：X和Y表示计算相关时用到的两组地震数据；n为地震数据的时窗长度；i表示第i个数据点。计算得到的Pearson相关系数分别为0.760 4和0.900 8。因此，传播矩阵方法计算得到的合成地震记录与波形特征吻合更好，具有更高的模拟精度。同时，受限于韵律层中薄层厚度和地震分辨率，韵律层结构与地震波形不存在简单的对应关系。

2.3 目标韵律层地震反射特征分析

过研究区2号井的地震剖面如图7所示。图中标出了韵律层地震反射层位及目标韵律中页岩层位置。从图中可以观察到，过井剖面中目标韵律层地震反射波形的振幅和相位存在明显的横向变化。根据前文分析，目标层地震反射动力学特征的变化主要受页岩薄层纵波速度、厚度的影响。

图7 过研究区2号井的地震剖面

3 基于模型的页岩油薄层厚度地震预测

3.1 目标层地质地球物理模型

根据研究区11口井数据分析，以2号井测井数据为基础建立地质地球物理模型。模型中，假设目标韵律中非均匀页岩层的纵波速度相对于原始井中测量值的变化分别为-10%、-8%、-6%、-4%、-2%、0%、2%、4%、6%、8%和10%等11种情况，并且在每种情况下非均匀页岩薄层的厚度相对于原始井中测量值的变化分别为-60%、-40%、-20%、0%、20%、40%、60%、80%和100%等9种情况。因此，模型空间考虑了页岩薄层纵波速度和厚度共99种组合变化的模型。之后，应用传播矩阵方法计算上述模型对应的高精度合成地震记录，作为页岩薄储层厚度预测的模型空间。

本文展示了2号井目标韵律中页岩薄层的纵波速度相对于原始井中测量值-10%、0%、10%三种变化情况(图8)，页岩薄层厚度相对于原始测量值的变化范围为-60%～100%时的模型(图8a、c、e)和相应的合成地震记录(图8b、d、f)，图中页岩薄层厚度随道号的增大而增大。可以观察到，地震反射波形的振幅和相位随非均匀页岩薄层的纵波速度和厚度的变化存在明显的变化，这些变化是本文页岩薄层厚度预测的基础。

通过计算图8中3组模型第一道与其余道地震记录之间的Pearson相关系数(图9a)可以观察到，对于不同纵波速度变化情况，随着厚度增大，计算得到的合成地震记录的相关系数逐渐减小，即波形的相关性减小。由此可知，Pearson相关系数对3组模型地震记录中波形的变化较为敏感。

为了分析波形相近的地震记录对Pearson相关系数的敏感性，本文计算了图8中两组模型之间对应道号的地震记录的Pearson相关系数(图9b)。其中，黑色实线和红色实线分别为模型1和模型2之间、模型2和模型3之间的相关系数，其页岩层纵波速度差异10%，地震记录的能量差异较小；蓝色实线为模型1和模型3之间的相关系数，其中页岩层纵波速度差异20%，地震记录的能量差异较大。可以观察到，两组模型之间的Pearson相关系数较大(> 0.75)，但是，随着页岩层纵波速度差异增大，Pearson相关系数减小。因此，通过分析可知，对于波形相近的地震记录，Pearson相关系数较不敏感，但是随着能量差异增大，Pearson相关系数的敏感性增强。

a.第1组模型：vP变化-10%，H变化范围为-60%～100%；b.第1组模型的地震响应；c.第2组模型：vP不变，H变化范围为-60%～100%；d.第2组模型的地震响应；e.第3组模型：vP变化10%，H变化范围为-60%～100%；f.第3组模型的地震响应。

图9 三组模型中地震记录的Pearson相关系数(a)及两组模型对应道号的地震记录的Pearson相关系数(b)

3.2 盐间页岩油薄层厚度地震预测方法

目标韵律层中非均匀页岩层的纵波速度、厚度变化时，地震波形存在明显的变化(图8)。因此，可以利用地震反射波形特征的变化进行页岩薄层厚度预测。通过求取目标层实际地震反射波形与上述构建的模型空间中地震波形的最佳匹配，预测页岩薄层的纵波速度和厚度：

F(y)=C(So,Sm(y))→max。

(6)

式中：So为实际地震数据；Sm(y)为模型空间中地震数据；目标函数中y=[vP,H]为待求参数。由于页岩薄层纵波速度可由地震反演方法得到(图4a)，因此，目标函数中待反演参数为页岩薄层厚度。

将该预测方法应用到潜江凹陷研究区实际地震数据，计算得到了目标韵律中页岩薄层厚度的空间分布(图10)，厚度变化范围为5～20 m，并且由西南向东北呈增加趋势。研究区11口井位置处地震预测的页岩层厚度与井中实测厚度对比如图11所示，井位顺序按页岩层实测厚度大小排列。从图中可以观察到，除3号井和9号井外，预测的页岩薄层厚度与测井解释结果具有较高的一致性，验证了本文基于波形的非均匀页岩薄层厚度预测方法的有效性及适用性。

图10 目标韵律中页岩薄层厚度地震预测结果

图11 目标韵律中页岩薄层厚度地震预测结果的测井验证

4 结论

本文研究了盐间页岩油韵律层地震响应模拟及页岩薄储层厚度预测方法，研究结论如下：

1)针对研究区盐间页岩油的测井数据分析发现，目标韵律中页岩薄层的纵波速度、厚度随空间位置变化明显，使得地震反射系数呈现较大范围的变化。同时，过井地震剖面显示目标韵律中页岩层地震反射波形的振幅和相位存在明显的横向变化，与页岩薄层的纵波速度、厚度的变化密切相关。

2)基于传播矩阵方法计算高精度合成地震记录及井震标定，与实际过井地震道的对比表明波形吻合程度高，验证了传播矩阵方法的有效性，为韵律层地震响应特征模拟分析，以及本文反演方法中模型空间的建立提供了高精度正演方法。

3)开发了基于波形的非均匀页岩薄层厚度地震预测方法。基于测井数据，在模型空间中设计非均匀页岩薄层纵波速度和厚度组合变化模型，并由传播矩阵方法计算对应的波形响应，通过计算实际地震数据与模型空间中地震波形的最佳匹配，预测页岩薄层厚度的空间分布。预测得到的页岩薄层厚度变化范围为5～20 m，并且由西南向东北呈增加趋势。预测厚度与井中实测结果对比具有较高的一致性，验证了本文方法的有效性，可以为盐间页岩油储层评价提供储层厚度信息。