巖石物理建模技術在瑪湖西斜坡儲集層預測中的應用

于寶利，趙小輝，瞿建華，曹小璐，鄧　勇，王曉輝

（1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院，烏魯木齊830016；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

巖石物理建模技術在瑪湖西斜坡儲集層預測中的應用

于寶利1，趙小輝1，瞿建華2，曹小璐1，鄧勇1，王曉輝1

（1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院，烏魯木齊830016；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡下三疊統(tǒng)百口泉組為一套扇三角洲前緣砂礫巖沉積，常規(guī)的疊后波阻抗反演不能區(qū)分有效儲集層和致密儲集層，制約了井位部署和儲量計算。通過已有測井資料彈性參數(shù)交會發(fā)現(xiàn)，縱橫波速度比是區(qū)分致密儲集層和有效儲集層的有效彈性敏感參數(shù)。通過準確計算泥質含量、有效孔隙度及含水飽和度等參數(shù)，選擇了合理的巖石物理模型，有效提高了橫波速度估算精度，為研究區(qū)疊前彈性敏感參數(shù)反演提供了基礎資料保障。在此基礎上，優(yōu)選縱橫波速度比參數(shù)有效落實了有效儲集層的分布，鉆井成功率達到80%，為研究區(qū)井位部署及儲量落實提供了依據。

準噶爾盆地；瑪湖凹陷；百口泉組；巖石物理建模；橫波速度預測；縱橫波速度比；儲集層預測

準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡下三疊統(tǒng)百口泉組為扇三角洲前緣亞相沉積，砂礫巖有效儲集層控制了油氣的分布。利用地震相雖然可以宏觀刻畫有利相帶分布，但有效儲集層的分布規(guī)律仍不清楚。致密儲集層和有效儲集層縱波阻抗值較為相近，利用常規(guī)阻抗反演無法區(qū)分這2類儲集層。因此，尋找一種更為有效的儲集層預測方法，對瑪湖地區(qū)三疊系百口泉組井位部署和儲量計算具有重要意義。

縱波速度包含了巖石骨架、孔隙及孔隙流體的信息，橫波速度一般只反映巖石骨架信息，而縱橫波速度比則用來描述孔隙流體或有效儲集層的分布。因此，可以通過疊前彈性敏感參數(shù)反演求取縱橫波速度比，實現(xiàn)有效儲集層的預測。然而，在缺少橫波速度測井資料的地區(qū)，首先要通過建立高精度的巖石物理模型，估算研究區(qū)內所有井的橫波速度數(shù)據，再依托研究區(qū)高品質的疊前道集數(shù)據，實現(xiàn)儲集層預測。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡（圖1），目的層下三疊統(tǒng)百口泉組現(xiàn)今構造形態(tài)為一南東傾的單斜構造，埋深2 200～3 900 m，構造圈閉不發(fā)育。百口泉組自下而上可分為百一段、百二段和百三段。前期鉆探證實，百口泉組為一套水進體系域扇三角洲沉積，物源主要來自研究區(qū)北西方向，以灰色、褐灰色砂礫巖及泥質粉砂巖為主。扇三角洲平原亞相砂礫巖孔隙度為4.3%～9.2%，滲透率為0.15～2.29 mD，為油氣藏的致密遮擋層；而扇三角洲前緣亞相砂礫巖孔隙度為6.5%～12.8%，滲透率為1.53～120.00 mD，為油氣藏的有效儲集層，屬于低孔低滲儲集層。

圖1　研究區(qū)構造位置

在開展本次研究前，研究區(qū)內有鉆井10口，其中4口為油井，6口為干井。從已鉆井的自然伽馬和縱波阻抗交會分析結果來看，縱波阻抗對有效儲集層敏感性較差，無法區(qū)分扇三角洲平原亞相和扇三角洲前緣亞相砂礫巖儲集層；而縱波阻抗和縱橫波速度比交會分析結果表明，縱橫波速度比可以有效區(qū)分致密儲集層和有效儲集層。因此，可以通過井震結合，應用疊前彈性敏感參數(shù)反演來獲得縱橫波速度比這一敏感參數(shù)，從而實現(xiàn)扇三角洲前緣亞相有效儲集層的預測。然而，研究區(qū)內只有2口井（AH2井和MX1井）有實測橫波速度數(shù)據，且有1口井位于研究區(qū)邊緣，不利于反演初始模型的建立及疊前彈性敏感參數(shù)反演工作的開展。因此，必須構建合理的巖石物理模型，對研究區(qū)內所有井開展橫波速度精細估算，以實現(xiàn)研究區(qū)儲集層的高精度預測。

2　巖石物理建模及參數(shù)優(yōu)選

巖石是由巖石骨架和孔隙流體組成的多相體，巖石的彈性表現(xiàn)為多相體的等效彈性，可以概括為4個分量：基質模量、干巖骨架模量、孔隙流體模量和環(huán)境因素（包括壓力、溫度、聲波頻率等）。巖石物理建模是指在一定假設條件下，把實際巖石理想化，通過內在的物理學原理建立巖石彈性模量與巖性、物性及含油氣性之間的關系。

依據等效介質理論，巖石由礦物基質和孔隙流體2種不同的物質混合而成，其中礦物基質組成巖石骨架，其彈性參數(shù)可以通過Voigt-Reuss-Hill公式，利用各礦物組分的模量求取[1-3]；而孔隙流體主要涉及孔隙類型和流體性質，其等效體積模量可以通過Wood方程結合地層水礦化度、溫度、壓力、油氣的比重及流體飽和度等參數(shù)求取[4-5]。利用上述方法，建立適合研究區(qū)的巖石物理模型[6-7]，就可以得到合理的橫波速度。

影響巖石物理模型精度的參數(shù)主要包括3個：泥質含量、有效孔隙度和含水飽和度。通過這3個參數(shù)的準確計算，就可以模擬不同巖性、物性和流體性質下的巖石彈性響應特征，從而合理估算研究區(qū)所有井的巖石物理參數(shù)（如密度、縱波速度、橫波速度等）。

2.1泥質含量計算

在巖石物理建模過程中，泥質含量是影響有效孔隙度和含水飽和度等的最重要參數(shù)。為了獲得準確的泥質含量，要優(yōu)選能夠表征泥質含量的測井曲線。通過對比研究區(qū)10口井的自然伽馬、電阻率和中子孔隙度等測井曲線與巖性的相關性，認為自然伽馬曲線最能反映研究區(qū)的巖性變化，因此采用自然伽馬曲線完成研究區(qū)泥質含量的計算：

但是，由于各井的自然伽馬測井曲線存在系統(tǒng)誤差，值域跨度大，很難得到統(tǒng)一的泥質含量計算標準，直接影響橫波速度估算結果。利用（2）式對自然伽馬測井曲線進行校正，將10口井的自然伽馬測井曲線值統(tǒng)一到相同范圍，再用（3）式計算泥質含量。

自然伽馬測井曲線校正前有2口井與其他井值域范圍差別較大，校正后的自然伽馬測井曲線值域分布呈明顯的雙峰特征（圖2），分別對應砂巖峰值63 API與泥巖峰值88 API，故自然伽馬測井曲線校正后，有利于按照統(tǒng)一的標準區(qū)分巖性。

2.2有效孔隙度計算

有效孔隙度是指那些互相連通的，在一般壓力條件下流體能在其中流動的孔隙體積之和與巖樣總體積的比值。要得到有效孔隙度，先要計算總孔隙度，總孔隙度可由聲波時差或密度通過Wyllie時間平均方程求得[8]。研究區(qū)測井曲線受井壁垮塌影響較為嚴重，因此，在計算總孔隙度前，要消除井壁垮塌對密度、聲波時差的影響。由于井壁垮塌對密度及聲波時差影響較大而對深側向電阻率等測井曲線影響較小，因此分別利用Faust公式[9]和Gardener公式[10]重構垮塌井段的聲波時差和密度測井曲線。從合成記錄與實際地震資料對比可知（圖3），利用重構后曲線制作的合成記錄與實際地震資料的波形匹配程度更高。

圖2　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡10口井自然伽馬測井曲線校正前（a）后（b）值域分布

圖3　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡B75井測井曲線重構前后合成記錄對比

常規(guī)求取有效孔隙度時，主要采用泥質含量與束縛水飽和度呈直線關系（圖4a）的模型，應用以下計算公式：

圖4　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡B75井束縛水飽和度與泥質含量關系（a）及計算有效孔隙度對比（b）

由于泥質含量與束縛水飽和度直線關系的模型忽略了流體的黏性及流體對骨架的改造作用，當泥質含量較高時，計算的有效孔隙度往往偏大，而采用泥質含量與束縛水飽和度呈“S”形關系的雙水模型（圖4a）計算的有效孔隙度和實際有效孔隙度比較接近[11-12]，其計算公式為：

當C'sh＞50%時，

當C'sh≤50%時，

式中

從2種方法計算的有效孔隙度來看（圖4b），用（6）式和（7）式計算避免了泥巖段有效孔隙度偏大的現(xiàn)象，提高了計算結果的精度。

2.3含水飽和度計算

含水飽和度的計算精度直接決定了對巖石孔隙中流體性質的判斷。經典的含水飽和度計算公式為：

通過對研究區(qū)下三疊統(tǒng)百口泉組巖電實驗數(shù)據分析，可以得到：a=1.06，b=1.14，m=1.79，n=1.81.地層水電阻率是溫度和地層水礦化度的函數(shù)，由于研究區(qū)目的層埋深存在近1 500 m的深度差，溫度的變化對地層水電阻率的影響不容忽視。以地溫梯度2℃/hm計算，1 500 m的埋深差異會導致30℃的溫度差。在礦化度為8 000 mg/L的情況下，采用地下水等效氯化鈉礦化度計算方法，根據氯化鈉溶液電阻率與其礦化度及溫度的關系圖版[13]可以得到：地層溫度60℃與90℃分別對應0.27 Ω·m與0.40 Ω·m的地層水電阻率，這一差異直接影響到含水飽和度計算結果及對油氣水層的判斷（圖5）。因此，與常規(guī)針對同一目的層采用同一套參數(shù)的標準不同，筆者通過求取研究區(qū)內每口井的地層水電阻率、溫度、地層水礦化度等參數(shù)，使得含水飽和度的預測精度得到有效提高，為橫波速度估算提供了保障。

圖5　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡B75井2種地層水電阻率條件下計算的含水飽和度對比

圖6　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡AH1井不同巖石物理模型對應的橫波速度估算結果對比

2.4巖石物理模型優(yōu)選

在巖石物理建模過程中，根據巖石基質及顆粒間的接觸關系等不同假設，眾多學者創(chuàng)立了多種不同的巖石物理模型及對應的橫波速度估算方法[14-17]。常見的巖石物理模型理論主要包括3種：有效介質理論、自適應理論和接觸理論。有效介質理論認為巖石總體的物性參數(shù)是由各組分的物性參數(shù)綜合而成，以Wyllie時間平均方程為例，此方程的孔隙度受各種物性參數(shù)的影響較大，只能應用簡單的體積平均速度方法建模；自適應理論則以Gassman方程為代表，假設是各向同性的巖石，其孔隙全部連通并充滿了無摩擦的流體，即在低頻波動狀態(tài)下流體與固體的相對運動忽略不計，由于假設條件太高，使得估算精度較低；接觸理論為了研究粒狀物質的等效彈性，假設巖石顆粒由很多相同的彈性球體組成，這類模型適用于非固結儲集層。

研究區(qū)百口泉組埋藏深度為2 200～3 900 m，總體埋藏較深，儲集層孔隙度為7%～12%，屬于泥質膠結的扇三角洲砂礫巖儲集層。根據不同巖石物理模型的適用條件及橫波速度估算方法對比，優(yōu)選出了4種適合低孔低滲砂礫巖儲集層的巖石物理模型估算橫波速度（圖6）。其中，臨界孔隙度模型把孔隙介質分成2個不同的區(qū)域，當孔隙度低于臨界孔隙度時為礦物承載，當孔隙度大于臨界孔隙度時，巖石變成承載液體中的懸浮物；克里夫模型是與臨界孔隙度模型相似的橫波預測模型，并采用了Pickett和其他人的經驗結果；格林伯格模型是基于經驗公式在純礦物巖石中預測橫波速度，預測結果精度不高；而徐懷特提出了砂泥巖混合介質模型，此模型綜合考慮巖石孔隙度和黏土含量，把黏土成分、壓力、膠結等因素對聲波的影響歸結為砂泥巖的孔隙形狀和孔隙度的差異應用在模型中，適用于孔隙度較低的固結砂泥巖儲集層。從圖6可以看出，砂泥巖混合介質模型估算的橫波速度與實測橫波速度的吻合度最高，相對誤差最小。

3　儲集層預測

從研究區(qū)下三疊統(tǒng)百口泉組縱橫波速度比和縱波阻抗的交會結果來看（圖7），縱橫波速度比對巖性具有較好的區(qū)分能力：泥巖大多落在縱橫波速度比大于1.82的區(qū)域，為非儲集層；扇三角洲平原與扇三角洲前緣過渡區(qū)域的砂礫巖縱橫波速度比為1.75～1.82，為Ⅱ類儲集層；扇三角洲前緣砂礫巖大多位于縱橫波速度比為1.65～1.75，為Ⅰ類儲集層。

圖7　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡MX1井縱橫波速度比與縱波阻抗交會圖

在明確測井彈性敏感參數(shù)為縱橫波速度比的基礎上，利用疊前部分角道集疊加數(shù)據體進行儲集層預測。從研究區(qū)百一段和百二段縱橫波速度比平面分布來看（圖8a，圖8b），受水下溝谷地貌影響（圖9a），百一段有利砂體主要分布在M18井—AH1井一帶，AH2井—B65井一帶受沉積古地貌的影響，以泥巖沉積為主；百二段有利砂體與百一段分布規(guī)律基本一致，主要體現(xiàn)在受水進體系的影響，在AH2井區(qū)有利砂體更為發(fā)育。從縱橫波速度比剖面來看（圖9b），AH1井和AH2井在百一段鉆遇的有效儲集層都表現(xiàn)為低縱橫波速度比（小于1.75）的特征，利用縱橫波速度比預測的有效儲集層與實鉆情況一致；同時，在剖面上砂體間疊置關系清晰，符合扇三角洲前緣水下分流河道的沉積規(guī)律。

圖8　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡百一段和百二段縱橫波速度比平面分布

結合實際鉆井試油結果認為，縱橫波速度比小于1.75的區(qū)域為Ⅰ類有效儲集層區(qū)，1.75～1.82的區(qū)域為Ⅱ類有效儲集層區(qū)。研究區(qū)百一段和百二段共落實Ⅰ類有效儲集層區(qū)面積270 km2，Ⅱ類有效儲集層區(qū)600 km2，并據此部署了M602井、M606井、AH6井、AH9井和AH013井5口井，其中M602井和M606井獲得高產工業(yè)油流，AH6井和AH013井獲得工業(yè)油流，AH9井獲得低產油流。

綜上所述，在巖石物理建?；A上進行疊前彈性敏感參數(shù)反演，可以有效解決研究區(qū)扇三角洲平原亞相和前緣亞相儲集層區(qū)分困難的問題，為類似地區(qū)儲集層預測提供了可供參考的思路。

4　結論

（1）縱橫波速度比是對儲集層較為敏感的彈性參數(shù)，在縱波阻抗不能區(qū)分致密儲集層和有效儲集層的情況下，通過巖石物理建模獲得準確的橫波速度，從而利用縱橫波速度比來預測有效儲集層分布是解決這一問題的有效途徑。

（2）針對扇三角洲砂礫巖儲集層，準確計算泥質含量、有效孔隙度及含水飽和度3個參數(shù)是構建巖石物理模型的基礎，而選擇合適的巖石物理模型是準確預測橫波速度的關鍵。

（3）縱橫波速度比是區(qū)分瑪湖西斜坡下三疊統(tǒng)百口泉組有效儲集層較為有效的彈性參數(shù)，在百口泉組預測的270 km2的Ⅰ類有效儲集層區(qū)和600 km2的Ⅱ類有效儲集層區(qū)是下步勘探部署的有利區(qū)帶。

圖9　準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡百口泉組古地貌（a）和縱橫波速度比反演剖面（b）

符號注釋

a，b，m，n——巖電參數(shù)，常數(shù)；

GR——原始測井自然伽馬測井曲線值，API；

G'R——校正后的自然伽馬測井曲線值，API；

GRmax——原始自然伽馬測井曲線的最大值，API；

G'Rmax——校正后自然伽馬測井曲線的最大值，API；

GRmin——原始自然伽馬測井曲線的最小值，API；

G'Rmin——校正后自然伽馬測井曲線的最小值，API；

Rw——地層水電阻率，Ω·m；

Rt——原狀地層電阻率，Ω·m；

Sw——含水飽和度，f；

Sws——束縛水飽和度，f；

?——有效孔隙度，f；

?t——總孔隙度，f；

?max——砂巖孔隙度最大值，f.

［2］GASSMANN F.Elastic waves through a packing of spheres［J］.Geo?physics，1951，16（4）：673-685.

［3］HAN D H，NUR A，MORGAN D.Effect of porosity and clay content on wave velocity in sandstones［J］.Geophysics，1986，51（11）：2 093-2 107.

［4］HAN D H，BATZLEZ M L.Gassmann's equation and fluid?satura? tioneffectsonseismicvelocities［J］.Geophysics，2004，69（2）：398-405.

［5］HAN D H，BATZLEZ M L.Constrained and simplified Gassmann's equations［R］.AAPG Annual Meeting，2002.

［6］AVSETH P，WIJNGAARDEN A V，MAVKO G，et al.Combined po?rosity，saturation and net?to?gross estimation from rock physics tem?plates［R］.SEG Annual Meeting Paper，2006.

［7］葛瑞·馬沃可，塔潘·木克基，杰克·德沃金.巖石物理手冊：孔隙介質中地震分析工具［M］.徐海濱，戴建春，譯.合肥：中國科學技術大學出版社，2008：125-151. MAVKO G，MUKERJI T，DWORKIN J.The rock physics hand?book：tools for seismic analysis in porous media［M］.Translated by XU Haibin，DAI Jianchun.Hefei：Press of University of Science and Technology of China，2008：125-151.

［8］MAVKO G MUKERJI T.Comparison of the krief and critical porosity models for prediction of porosity and VP/VS［J］.Geophysics，1998，63（3）：925-927.

［9］陳鋼花，王永剛.Faust公式在聲波曲線重構中的應用［J］.勘探地球物理進展，2005，28（2）：125-128. CHEN Ganghua，WANG Yonggang.Application of Faust equation in rebuilding of acoustic curve［J］.Progress in Exploration Geophys?ics，2005，28（2）：125-128.

［10］王洪亮.復雜井眼條件下的測井環(huán)境校正技術［J］.新疆石油科技，2006，16（2）：32-38. WANG Hongliang.Well logging environment correction technolo?gy in complex borehole conditions［J］.Xinjiang Petroleum Science &Technology，2006，16（2）：32-38.

［11］袁曉宇，劉迪，李映濤，等.基于非線性有效孔隙度的地層骨架參數(shù)橫波預測［J］.科學技術與工程，2013，13（12）：3 396-3 400. YUAN Xiaoyu，LIU Di，LI Yingtao，et al.Prediction of shear?wave using the formation grain parameter based on the non?linearly effec?tive porosity［J］.Science Technology and Engineering，2013，13（12）：3 396-3 400.

［12］CASTAGNA J P，BATZLE M L，EASTWOOD R L.Relationships between compressional?wave and shear?wave velocities in clastic silicate rocks［J］.Geophysics，1985，50（4）：571-581.

［13］KEYS R G，XU Shiyu.An approximation for the Xu?White velocity model［J］.Geophysics，2002，67（5）：1 406-1 414.

［14］LIU Ling，GENG Jianhua，GUO Tonglou.The bound weighted aver?age method（BWAM）for predicting S?wave velocity［J］.Applied Geophysics，2012，9（4）：421-428.

［15］J?RSTAD A，MUKERJI T，MAVKO G..Model?based shear?wave velocity estimation versus empirical regressions［J］.Geophysical Prospecting，1999，47（5）：785-797.

［16］GREENBERG M L，CASTAGNA J P.Shear?wave velocity estima?tion in porous rocks：theoretical formulation，preliminary verifica?tion and applications［J］.Geophysics Prospecting，1992，40（2）：195-209.

［17］AVSETH P，MAVKO G，DVORKIN J，et al.Rock physics and seis?mic properties of sands and shales as a function of burial depth［R］.SEG Annual Meeting Paper，2001.

（編輯潘曉慧楊新玲）

Application of Petrophysical Modeling Technique in Favorable Reservoir Prediction in Western Slope of Mahu Sag,Junggar Basin

YU Baoli1,ZHAO Xiaohui1,QU Jianhua2,CAO Xiaolu1,DENG Yong1,WANG Xiaohui1
(1.Urumqi Branch of Geophysical Research Institute,BGP,CNPC,Urumqi,Xinjiang,830016,China; 2.Research Institute of Exploration and Development,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China)

The Triassic Baikouquan formation in the western slope of Mahu sag,Junggar basin is a set of fan?delta front sandy conglomerate deposits.Conventional post?stack wave impedance inversion can’t be used to distinguish effective reservoir and tight reservoir,which con?strains well placement and reserves calculation.Analysis on the available elastic parameter crossplots obtained from logging data shows that vp/vsratio is an effective elastic sensitive parameter to classify tight reservoir and effective reservoir.Based on accurate calculation of shale content,effective porosity,water saturation and other parameters,a reasonable petrophysical model is selected and the accuracy of S?wave velocity estimation is improved significantly,which could provide fundamental data for prestack inversion of elastic sensitive parame?ters in the study area.With the optimized parameters of vp/vsratio,effective reservoirs can be identified and exploratory well success rate can reach 80%,which provides basis for well placement and reserves confirmation in the study area.

Junggar basin;Mahu sag;Baikouquan formation;petrophysical modeling;S?wave velocity estimation;vp/vsratio;reservoir prediction

P631.445

A

1001-3873（2016）06-0720-06

10.7657/XJPG20160616

2016-05-23

2016-07-09

中石油“新疆大慶”重大專項（2012E-34-11）

于寶利（1975-），男，黑龍江綏化人，高級工程師，應用地球物理，（Tel）13579970097（E-mail）yubaoli@cnpc.com.cn