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秦雪霏
(中国石化上海海洋油气分公司，上海 200120)
在油气成藏研究中，煤岩与炭质泥岩作为主要烃源岩备受关注，但煤岩与炭质泥岩的低阻抗特性，容易与围岩形成明显的波阻抗差异，地震剖面上表现为连续稳定的低频强反射，为煤系地层砂岩储层预测带来了很大困难。赖生华等[1-2]设计了六套含煤地质模型，并结合正演模拟分析，证实了煤岩厚度、煤岩与砂岩之间地层厚度(煤砂间距)以及地震子波频率、相位等参数，均可对煤下砂岩有效反射形成不同程度的干涉。因此，含煤地层储层识别问题成为近年来专家学者的研究热点，解决方案可以归纳为以下三种：一是拓频处理提高地震分辨率的方法[3-4]，通过拓展受煤干涉影响程度相对较弱的中高频段信息，提高砂岩有效反射占比，该方案对于信噪比高、煤反射干涉相对较弱的地区具有一定适用性；
二是依托高分辨地质统计学的相控预测[5-6]或储层直接预测方法[7-9]，通过统计测井资料中不同岩性的高斯分布，得到煤系地层中储层空间展布的概率体，该方案在井控程度高且钻井分布均匀的地区应用效果较好；
三是结合匹配追踪等时频分析方法，优选煤岩响应相对较弱的中高频段资料进行子波分解与重构[10-12]，通过弱化煤岩反射能量进行储层预测，该方案适用于煤岩厚度较小或煤砂间距相对较大、煤岩反射对储层干涉强度相对较弱的地区。尽管煤系地层储层预测研究取得了丰硕的成果，但对夹于厚煤岩之间且煤砂间距较小的薄储层而言，由于同时受到上覆及下伏厚煤岩双向叠合的干涉作用，上述技术方法均难以取得良好效果，需要更多地依托沉积特点开展间接预测，以鄂尔多斯盆地杭锦旗地区J井区为例进行说明。
1.1 山1段煤系地层地震地质特征
研究区位于杭锦旗中部伊陕斜坡北端，构造平缓稳定，于晚石炭纪至早二叠纪沉积了太原组、山西组等上古生界地层，主要目的层段山西组为辫状河三角洲沉积，沉积环境稳定，自下而上可分为山1段和山2段，岩性主要包括中-粗粒砂岩、细-粉砂岩、泥岩、炭质泥岩与煤岩，是整个鄂尔多斯盆地最主要的油气储层及烃源层系。
根据区域地质对比结果，鄂尔多斯盆地山1段普遍发育4号、5号煤系，山1段下伏为太原组顶部的6号煤系[13]。这三套煤系在鄂尔多斯盆地内呈区域性分布，煤含量差异较大，形成煤岩与炭质泥岩共生的特征(统称为煤系)。纵向上，部分煤系可分为主煤与上煤(图1)，但煤系之间地层厚度普遍较小，可视为整体。山1段及太原组局部发育厚度不足2 m的薄煤层，分布范围较小。
山1段地层厚度35～50 m，自下而上可进一步细分为山11与山12两个亚段。受沉积期古地形影响，山西组早期以填平补齐沉积为主，山11尤其明显，底部发育北岔沟砂岩，类型主要为石英砂岩、岩屑石英砂岩及岩屑砂岩，属于低孔低渗致密储层[14-15]。研究区毗邻伊盟古隆起，石炭-二叠纪长期处于相对较高的古地势，北岔沟砂岩厚度相对盆内明显较薄，且夹于4号-5号煤系之间，形成上下厚煤、煤系之间地层薄、薄储层的组合结构(图1)。
研究区地表以沙漠、草场为主，表层稀疏，吸收衰减作用强，三维地震资料分辨率较低，地震主频为20～22 Hz，频宽为6～45 Hz。4号-6号煤系之间地层厚度较小，共同作用形成了综合低波阻抗地层，地震上表现为区域稳定的低频连续强波谷反射(图2a中Tc波)，为盆地最主要的标志波。尽管Tc反射波在横向上差异微弱，但是实钻资料揭示4号-6号煤系中砂泥煤的岩性组合丰富多样(图1)，储层识别难度较大。
1.2 预测难点
赖生华等通过建立六个地质模型，对比了不同褶积子波频率、相位情况下的正演模拟结果，建立了不同煤岩厚度、位置及煤砂距离对砂岩有效反射影响的拟合曲线，指出当煤岩厚度和煤砂距不稳定时，无法利用振幅预测厚度小于1/4波长的砂岩，进而结合正演模拟结果，明确了相应的量化参数，即地震子波频率高于40 Hz且煤砂间距大于50 m时，煤岩对砂岩顶面地震反射没有影响；
当频率低于20 Hz、煤岩与砂岩接近时，煤岩反射会严重干涉砂岩有效反射，甚至会发生极性反转。研究区4号-5号煤系之间地层厚度15～25 m，煤间实钻砂岩厚度小于15 m，石英砂岩小于10 m(表1)，地震资料条件、煤系之间地层厚度和储层厚度都不够理想。
表1 研究区山1段实钻情况
尽管石炭-早二叠纪煤系区域分布稳定，但煤含量差异较大，随着煤含量的降低，炭质泥岩中泥质含量增大且波阻抗增大(直至与泥岩一致)，煤系反射强度减弱(图2a中D井实钻4号-6号煤系累计厚度最大，但Tc波谷强度略低，与煤系中炭质泥岩占比较高有关)，复杂的煤岩成分导致对北岔沟砂岩的干涉程度在横向上是不可预见的。
2.1 沉积规律及研究思路
通过对原始PSTM数据子波分解，并利用研究区已有钻井建立重构数据振幅与煤系厚度、井点处反射波时差与煤系之间地层厚度的交会分析，优选25 Hz以上地震资料进行重构，从图2b可以看出，尽管原Tc反射波得到了有效扩展，但Tc2瞬时波谷振幅与5+6号煤系厚度呈良好的线性关系，相关度高达0.96(图3a)，而且实钻煤系之间地层厚度与Tc1-Tc2反射波时差之间同样具有良好的正相关关系(图3b)，说明尽管采用了中高频段，所得到的反射波仍以煤系自身反射为主，难以利用多子波分解与重构方法开展厚煤层之间薄砂岩储层的直接预测。因此，利用实钻井测井资料建立山11亚段砂煤沉积厚度之间的定量化关系，成为解决该问题的关键。
图2 研究区煤系地层波组响应特征(测井曲线为波阻抗，波谷充填显示)
杭锦旗地区山1段沉积微相可划分为偏氧化环境的分流河道、偏还原环境的河道间湾与泥炭沼泽[14，16-18]。由于沉积环境的差异，在空间上形成了砂煤互补的沉积规律，可以归纳为两种类型：①同等地层厚度的情况下，煤系厚度与砂岩厚度呈负相关关系；
②同等煤系厚度的情况下，煤系之间地层厚度与砂岩厚度呈正相关关系。研究区的4号及5号煤系厚度相近(图1)，更侧重于第二种类型。从图3c可以看出，除B井及C井外，其他四口井实钻砂岩厚度与煤系之间地层厚度具有良好的正相关关系，相关度达到0.86，但对于研究区而言，2口无效井占比略高，依据地层厚度判别砂岩分布会导致误差较大，需进一步寻找其他有利条件。
杭锦旗地区长期受到持续稳定的构造运动，使得石炭纪-早二叠纪沉积受古地形影响较大，山西组早期分流河道多表现为顺下切沟谷的高水动能、辫状程度低的限制式分布，至山西组晚期受填平补齐沉积作用，古地形逐渐平缓，分流河道转变为水动能相对较低、辫状程度较高的广覆式分布。由于杭锦旗地区毗邻北部阴山古陆物源区，山1段砂岩石英含量为50%～95%，平均72.15%，孔隙度集中分布在5%～10%[14-15，19]，石英砂岩GR较低(25～50 API)，多呈微齿箱形[20-22]。对于古地形相对较低的地区，山1期水动力强度较大，石英砂岩厚度及物性可以得到有效保障，部分地区砂岩孔隙度达13%以上，是山西组最有效的储层段。从图3d可以看出，二者之间呈良好的非线性正相关关系，相关度达到0.77，为石英砂岩储层的间接预测提供了有利条件。
图3 研究区煤系地层井震关键参数交会
因此，针对研究区山1段分布于厚煤间的薄砂岩储层间接预测技术思路如图4所示。首先，通过子波分解与重构，提高地震资料对煤系的识别精度，在此过程中，重点在于建立实钻煤系厚度与不同参数重构资料振幅的量化关系，以此作为优选最佳重构参数的依据。其次，建立重构资料煤系反射波时差，与实钻井煤系之间地层厚度之间的定量关系式，以及优选满足误差需求的有效井进行深度校正，从而准确落实煤系之间地层空间展布。最后，分别建立煤系之间地层厚度与砂岩、石英砂岩厚度的量化关系，并确定相关度最高的定量关系式，对煤间地层进行相应地转换，达到利用量化沉积规律开展厚煤间薄储层间接预测的目的。
图4 厚煤间薄砂岩储层间接预测技术路线
2.2 实施效果
实施过程中，需要重点关注以下两个问题：子波重构有效频段的选择依据及其分辨能力和预测过程中的误差控制。
(1)子波重构方面首先需要明确重构资料对煤系的分辨能力，超过分辨率时预测误差难以保障。结合实钻情况，A井与C井5+6号煤系厚度近6 m，在图2b重构数据上5+6号煤系所形成的Tc2反射波较为清晰；
B井4号煤系厚度约5 m，Tc1响应微弱；
D井Tc1响应最弱，与其4号煤系中泥质含量偏高有一定关系。在煤系之间地层厚度识别能力方面，A井Tc1与Tc2呈弱复合特征，其他井点处煤系之间地层厚度较大，呈相对独立反射(图2b)，说明在现有钻井资料条件下，采用25 Hz以上频段重构资料对煤系厚度识别的下限为5 m，对煤系之间地层厚度识别的下限为15 m，低于此下限条件的储层将无法预测。
(2)误差控制方面。首先，将研究区Tc1-Tc2波时差按照图3b中的相关关系式转换为4号-5号煤间地层厚度的属性，并以相关度0.78为标准，优选预测与实钻煤系之间地层厚度误差小于22%的井(A、B、E)进行校正，达到进一步控制误差的目的。以相关度为依据优选有效井进行校正，可确保煤间地层厚度的横向关系稳定，不会发生局部畸变。然后，利用4号-5号煤系之间地层厚度与煤间石英砂岩厚度交会关系式(图3d)，再次将经过校正后的煤间地层厚度进行转换，即可得到研究区4号-5号煤系之间石英砂岩平面展布。
分别对比图1及表1中已知井钻遇情况与原始PSTM数据Tc反射波振幅属性(图5a)，以及子波分解重构数据的Tc1-Tc2之间瞬时波峰振幅(图5b)，可以看出，尽管25 Hz以上频段重构资料可以一定程度上弱化煤系强反射，但对于厚煤间的薄储层识别仍然具有较大的局限性，预测结果与实钻砂岩及石英砂岩厚度存在较大误差。
利用子波分解与重构资料所刻画煤系之间地层厚度，经过量化关系式一次转换并优选有效井进行校正，再次利用煤系之间地层厚度与石英砂岩厚度量化关系式进行二次转换得到的间接预测结果，河道特征清晰(图5c)。对井点处所钻遇的石英砂岩厚度与预测结果进行误差统计(表1)，6口井绝对值误差率平均为25.54%(与图3d中0.77的相关度相匹配)。将预测误差与实钻石英砂岩厚度进行交会，可以看出，当石英砂岩厚度4～6 m时，误差整体偏高，这与25 Hz重构地震资料对煤系厚度的分辨下限相匹配(图6)。尽管F井同样具有较大误差，但对于厚煤间不足10 m的薄石英砂岩储层刻画来说，相比利用原始PSTM资料及子波分解与重构后资料振幅特征开展直接预测，该方法预测精度已经有了很大地提高。
图5 研究区山1段厚煤间薄储层预测
图6 4号-5号煤间实钻石英砂岩厚度与预测厚度误差
(1)分布于厚煤岩之间的薄砂岩储层，同时受到储层上、下煤系强反射干涉，且干涉程度受煤系厚度、煤砂之间地层厚度、煤含量及子波频率影响，储层直接预测难度大。通过分析已有钻井岩性组合规律并建立量化关系，可以达到间接预测的目的。预测过程中重点在于煤系之间地层厚度的刻画，对重构数据振幅依赖度低，因此，在有效分辨能力范围内，煤系厚度变化及煤系井径扩大等不利因素对预测结果影响较小。
(2)厚煤系之间的薄储层预测不限于砂岩-石英砂岩的逐级预测流程，相关度低将导致成果的误差率较大，应用效果需结合实际钻井揭示的规律分析而确定。
(3)子波分解与重构在煤系地层储层预测中应用广泛，对于煤系厚度大、煤砂之间地层厚度小的情况，重构结果仍以煤系自身反射为主，但煤系厚度及煤系之间地层厚度可作为重构参数优选的主要依据。
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