0 引言
鄂尔多斯盆地西南部陇东地区下二叠统太原组沉积期发育海陆过渡相碎屑岩建造，太原组底部发育一套较为稳定的铝土岩系。该岩系发育于下古生界碳酸盐岩风化壳之上，受风化剥蚀作用影响形成富含硬水铝石和黄铁矿的碎屑岩层［1-4］，长期以来该岩系一直被作为盖层进行研究，国内外也鲜有铝土岩作为含油气储层的报道［5］。近年来，针对太原组底部铝土岩高气测异常段进行老井复查试气及钻探作业10口，7口井获得1×104 m3/d以上的天然气流，其中A1井在太原组铝土岩试气获无阻流量67.38×104 m3/d的高产气流。目前陇东地区已发现落实了多个铝土岩风化壳型岩性气藏，揭示了陇东地区铝土岩良好的勘探开发潜力［6-8］。虽然前人［9-11］对风化壳古地貌的研究为铝土岩气藏地震预测提供了一定的借鉴作用，但国内外学者针对铝土岩储层地震预测的研究较少。因此，本文结合鄂尔多斯盆地铝土岩地质特征，形成了铝土岩岩性气藏系列地震预测关键技术方法，并成功应用于陇东地区多个区块的铝土岩储层天然气勘探开发，取得了良好的效果，对鄂尔多斯盆地铝土岩勘探开发成果的扩大具有实践意义。
1 地质背景与地质特点
陇东地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡与天环坳陷交界的南部中央古隆起的东北部［12］。加里东运动时期，鄂尔多斯盆地整体抬升，古隆起遭受强烈剥蚀，导致下二叠统太原组底部风化淋滤形成一套较为稳定的沉积型铝土岩系。
铝土岩野外露头观察及钻井岩心研究认为铝土岩主要具有3个地质特点：①铝土岩呈窝状、块状分布，主要分布在太原期古地貌的斜坡潜坑等负向古地貌；②断层和裂缝发育带铝土岩纯度更高（一水硬铝石含量更高），断层与铝土岩层下伏碳酸盐岩沟通形成泄水通道，淋滤散失镁、钾等元素，易于形成优质铝土岩（图1），上覆泥岩及煤系地层具备良好的烃源岩条件和盖层条件；③铝土岩在纵向上单层薄且含泥质不均，裂缝和溶孔发育的纯铝土岩往往是含气的优质储层。
2 地震预测难点与技术思路
2.1 地震预测难点
针对铝土岩储层的地质特点，地震预测工作需要做好岩性、裂缝及铝土岩气藏岩石物理特性的精确刻画。从实际资料出发，陇东地区二叠系太原组铝土岩地震预测面临如下难点：①铝土岩层上覆薄煤层或炭质泥岩，其地震强振幅反射会对铝土岩层形成非常强的屏蔽效应，铝土岩识别与精细刻画难度大。研究区三维地震资料主频为30 Hz，上覆煤层或炭质泥岩与铝土岩、下伏碳酸盐岩反射主瓣与主瓣、主瓣与旁瓣、旁瓣与旁瓣叠加，干涉效应明显，无法剥离铝土岩层真实地震反射响应，难以满足铝土岩岩性分布预测需求（图2）。②小断层及裂缝带精准识别难度大。陇东地区受西部盆缘与渭北隆起双重影响，古生界断裂发育复杂，小断距断层及伴生的裂缝带非常发育，在尚未采集宽方位地震数据的条件下，常规的相干等地震叠后裂缝检测技术无法清晰准确地刻画小断层及裂缝带，难以满足铝土岩气藏勘探开发需求。③铝土岩非均质性极强，含气性差异大，亟需地震定量预测方法指导井位部署。铝土岩储层物性差，整体表现为低孔隙度，只在局部溶孔区发育高孔隙。统计认为：孔隙度与渗透率相关性较差，常规地震含气性检测技术无法应用于铝土岩气藏分布预测。
2.2 预测技术思路
针对以上地质特点及地球物理难点，以高保真、高分辨率地震资料为基础，首先，应用趋势面微古地貌恢复技术描述铝土岩储层的宏观分布规律；然后，采用高精度的反射系数分解方法去除上覆煤岩或炭质泥岩的地震强反射的屏蔽效应，增强铝土岩层的弱反射信号，并基于地质统计学反演实现优质铝土岩薄储层分布预测；再次，结合裂缝识别落实铝土岩优质储层发育带；最后，开展岩石物理实验分析，优选敏感参数，利用叠前含气性定量预测技术实现铝土岩储层含气性定量预测。
3 基于趋势面的微古地貌恢复
陇东地区石千峰组地层界面地震反射结构清晰，同相轴连续稳定，侵蚀面填平补齐后距离古地貌最近，具有广覆式沉积的特点，可作为标志层恢复研究区古岩溶地貌［图3（a）］。陇东地区太原期岩溶古地貌可划分为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地3个二级地貌单元［16］，从研究区西南部到东北部古地形相对高程逐渐降低，古地貌由岩溶高地过渡为岩溶斜坡和岩溶洼地。钻探结果证实：岩溶斜坡主要发育潮坪相和潟湖相沉积，在海进背景下，覆盖沉积胶体成因铝土岩；在海退背景下，之前形成的铝土岩被剥蚀成碎屑并被搬运至附近的潟湖或山间湖泊中，形成异地沉积成因铝土岩。因此，岩溶斜坡带是陇东地区铝土岩发育的主要有利位置。由于陇东地区铝土岩储层分布横向变化快，根据古地貌划分的3个岩溶相带仍然无法满足精细刻画铝土岩储层展布特征的精度要求，需要进一步对微古地貌进行细分刻画。经过实验，本文采用基于构造趋势面转换方法恢复研究区沉积期岩溶微幅度古地貌。该技术假设后期盆地多阶段升降或扭转运动表现为构造趋势面的变动，并没有改变局部古高地与其周围地形的拟构造幅度，因此可利用现今构造和趋势面求得拟构造幅度，然后将太原组沉积期构造趋势面与拟构造幅度相加即为太原期微古地貌。
二级地貌单元古岩溶斜坡可进一步划分为潜坑、阶地及沟槽3个三级微地形地貌单元［图3（b）］，结合已钻井铝土岩发育特征与微古地貌的分布，分析认为，A井主要发育铝土岩+炭质泥岩，位于潜坑地貌单元；B井主要发育铝土岩+煤+碎屑岩，位于阶地地貌单元；C井主要发育铝土岩+煤+碎屑岩+灰岩，位于沟槽地貌单元。其中，最优岩性组合为铝土岩+炭质泥岩，潜坑和阶地低部位铝土岩储层厚度较大，物性较好；古沟槽由于连通古河易被泥质充填，铝质矿物不易富集，物性也较差。
4 铝土岩厚度预测
4.1 反射系数分解技术去除围岩反射强干涉效应
本文采用了基于反射系数分解的一次匹配强反射剥离算法［17］（图4）。首先将任意一对地下层状介质反射系数对分解为奇分量、偶分量；然后，将奇偶反射系数矩阵与子波褶积，构建稀疏约束目标函数，进行高分辨率反演；在此基础上，对奇、偶反射系数对构建的反射系数矩阵进行排序，去除目标反射系数形成的强反射能量。该技术考虑了围岩速度差异性，沿层时窗内动态搜索强反射，在一定程度上消除了围岩厚度和距离的影响，从而达到去除强干涉的目的。本文研究利用正演井结果证明了该项技术的有效性，目标正演井在去除铝土岩层顶部围岩干涉效应后，太原组顶界位于波谷、底界位于波谷转波峰处，实际去除强干涉效应后的地震剖面与正演验证井具有很好的对应关系。同时看到，铝土岩层顶部发育煤层的井，由于受煤岩反射的强干涉作用，铝土岩层反射被屏蔽，去除强干涉后，铝土岩层反射得以恢复，为铝土岩的精细预测奠定了资料基础（图5）。
4.2 铝土岩厚度预测
在地震去除煤岩反射强干涉后，根据研究区多口先验井的资料优势及铝土岩分布散的特点，通过常规波阻抗、电性曲线拟波阻抗、神经网络地震属性波形分类等储层预测方法对比试验，选取了地质统计学反演方法进行储层预测。地质统计学反演方法与其他反演方法相比，该技术在反映铝土岩薄且分布不均的特征方面更加准确。本文采用的基于地质统计先验信息的储层参数地质统计学反演方法是一种高分辨率的非线性反演方法。该方法综合利用岩石物理参数和地质统计先验信息［18-20］，在贝叶斯理论框架的约束下，首先通过结构分析得到合理的变差函数，进而利用高斯贯序模拟算法和逐渐变形算法（GDM）得到基于地质统计学的储层各项参数信息，然后根据统计岩石物理模型建立弹性参数与储层参数之间的关系，构建似然函数，最后利用Metropolis抽样算法对后验信息进行优化得到反演问题的解。井资料分析发现：铝土岩纯度越高，则纵波波阻抗越大、自然伽马值越大，利用纵波阻抗和自然伽马构建岩性的概率密度函数，转换得到太原组铝土岩层和泥岩层、砂岩层分布。由图6看出，经过去除强干涉效应后，由于铝土岩层地震反射响应得到很好的恢复，预测的铝土岩分布趋于合理，发现了小型窝状、块状铝土岩层，据此部署的6口开发井进一步说明了该项技术的有效性（表1），预测与实钻误差整体小于3 m。
图6 去除强反射前后厚度预测结果对比(a)去除强反射前太原组铝土岩厚度预测平面;(b)去除强反射后太原组铝土岩厚度预测平面 Fig.6 The comparison of thickness prediction results before and after removing strong reflection |
表1 部分钻井铝土岩预测厚度统计Table 1 The statistical table of predicted bauxite thickness of some well drilling |
| 井号 | 实钻厚度/m | 预测厚度/m | 误差/m |
|---|---|---|---|
| 22-20 | 18 | 16 | -2 |
| 12-38 | 4.5 | 5 | 0.5 |
| 13-23 | 7 | 5.5 | -1.5 |
| 21-18 | 5.4 | 7 | 1.6 |
| 17-23 | 8 | 5.8 | -2.2 |
| 17-22 | 20 | 17.3 | -2.7 |
5 铝土岩裂缝识别
铝土岩属于特殊岩性储层，物性的发育程度是铝土岩能否成为有效储层的先决条件，铝土岩除了自身在成岩期因淋滤作用形成的粒内、粒间溶蚀孔隙之外，裂缝发育也对铝土岩的物性起到积极影响，有利于形成铝土岩储层“甜点”。因此，如何对薄互铝土岩储层进行有效的裂缝识别成为铝土岩储层预测的重点内容。陇东地区太原组主要发育拉张及少量走滑性质的断裂，断层断距较小，一般分布在5~25 m之间，常规叠后地震结构类属性如相干、曲率等都无法精确刻画该微弱形变的构造—裂缝体系，应用一种基于叠后振幅方向分解的图像增强技术可以很好地表征研究区的小断层和裂缝带分布（图7）。该技术原理是利用地震波经过曲波变换后，在频率域可开展不同方向滤波的特性，对能量进行不同方向的滤波，而后转换到时间域，则表现为方向分解后的振幅在不同方向上能量分布不均，通过不连续特征检测（如相干）就可以突出常规方法无法展现的细节特征，从而在视觉成像角度突出了图像的细节边界，达到检测细微裂缝的目的。钻井证实裂缝预测发育的区域均发育优质铝土岩（标注井为优质铝土岩发育井），吻合率100%，证明了该技术的有效性。该技术理论原理与技术细节详见文献［21］。
6 铝土岩含气性检测
6.1 岩石物理实验分析及敏感参数优选
开展岩石物理实验测试不同类型、不同孔隙流体岩石样品的岩石物理参数（图8），可为寻找优质储层及烃类流体的敏感性参数提供实验依据，也是研究储层地震响应特征的重要手段［22］。本文研究首次开展了针对铝土岩的实验岩石物理分析，准确找到了对铝土岩气藏敏感的地球物理参数。本文研究选取了Y井全井段17块岩心样品进行了较为系统的岩石物理测试，实验结果表明：①铝土岩纵、横波速度相关度高［图8（a）］，铝土岩越纯，则纵、横波速度越高［图8（b）］；②结合阵列声波数据，发现优质铝土岩和砂岩的泊松比相近，但具有更高的纵波阻抗［图8（c）］；③实验测试获得的变饱和度测量证明，随着含气饱和度增加，泊松比整体单调减小，表明泊松比是表征铝土岩含气性的敏感参数且铝土岩气层泊松比一般小于0.27［图8（c），图8（d）］。
6.2 铝土岩储层含气性定量预测
7 高产井位地震优选模式
2021年以来，以勘探评价一体化部署为原则，针对鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩气藏（图10），通过三维地震预测关键技术开展关于古地貌、铝土岩厚度、断裂裂缝及含气性预测，并结合铝土岩高产井两大主控因素（优质铝土岩发育程度、储层富气程度），明确高产井地震模式：①微古地貌潜坑主要发育铝土岩+炭质泥岩，岩性组合为最佳；②铝土岩预测厚度大于10 m，部署的探井更易获得高产；③避开晚期断层发育的小断层和裂缝发育区，可有效避免天然气的逸散，气藏更易保存；④优选泊松比小于0.27的低泊松比“甜点”区，储层含气性更好。例如17-22井，井位部署优选潜坑三级古地貌单元，铝土岩厚度预测18 m，裂缝发育，泊松比为0.23。实钻井结果表明，铝土岩实际厚度为20 m，测井解释气层厚6.6 m，含气饱和度为30%~70%，实钻井结果与地震储层及含气性预测结果基本一致，该井试气获天然气无阻流量102.29×104 m3/d，证实了高产井位地震优选模式部署的有效性。
8 结论
（1）鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩沉积受风化壳岩溶古地貌控制，基于趋势面的微古地貌恢复可预测铝土岩宏观分布规律。
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（2）铝土岩厚度预测在于去强屏蔽效应，突出铝土岩地震响应特征的基础上，利用地质统计学反演定量预测铝土岩分布，该方法具有能够识别较薄储层且随机分布的优势，可进一步描述铝土岩空间分布特征。
（3）基于振幅方向分解的叠后裂缝识别技术可有效识别陇东地区太原组弱形变的构造—裂缝体系，进一步圈定优质铝土岩分布，检测的裂缝带展布与实钻钻遇优质铝土岩具有较高的吻合度。
（4）基于岩石物理测试分析，优选高纵波阻抗和低泊松比优质铝土岩敏感参数，经钻井验证，含气性吻合率情况较好，证明叠前地质统计学反演有较高的可靠性，是铝土岩气藏地震预测的核心技术，对落实铝土岩气藏的分布及高产井位部署起到关键作用。
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