0 引言
鄂尔多斯盆地太原组铝土岩认识经历了4个阶段，分别是盖层认识阶段、非常规储层兼探阶段、储层成藏逐步认识阶段和源内非常规气勘探评价阶段［1-5］。近年来通过研究发现铝土岩具备作为油气富集储层的基本条件［6-9］。在铝土岩储层地震预测方面，杜广宏等［10］开展基于Zoeppritz波动方程的地震正演模拟分析，总结了铝土岩的地震响应特征。佘钰蔚等［11］认为太原组铝土岩储层具有 “中低频、中强波谷”的反射特征，纵波阻抗可作为识别铝土岩的敏感参数。朱佳宝等［12］认为铝土岩厚度与波谷振幅呈正相关，同时认识到铝土岩在岩溶高地、岩溶斜坡及岩溶洼地分别呈“鸡窝”状、带状及片状展布。前人研究普遍认识到沉积环境和古地貌控制铝土岩储层的平面分布，微古地貌潜坑附近富集铝土岩［13］。但古地貌刻画方法相对单一；针对铝土岩储层的地震预测方法还不够系统，缺乏岩石物理基础的支撑；没有把铝土岩储层形成机理、成藏主控因素与现有地震资料紧密结合，也没有系统总结铝土岩储层地震预测方法，现有技术还不能很好满足生产需求。
因此，本文基于钻井、测井、地震等资料，通过正演模拟和岩石物理分析，明确铝土岩识别的敏感地球物理参数；通过宏观地貌和微古地貌的精细刻画，明晰铝土岩发育的有利区带。在敏感参数明确和古地貌刻画的基础上，开展基于相控的叠后地质统计学反演，达到定性、半定量预测铝土岩分布的目的。最终综合古地貌、岩性、断裂及构造等因素，综合评价铝土岩天然气富集区。该技术方法极大促进了陇东地区铝土岩天然气勘探开发。
1 区域地质背景
陇东地区含铝岩系的形成和发育程度主要受沉积古地貌和古环境控制，大致经历了3个阶段［15］：奥陶纪末，受加里东构造运动的影响，华北陆表海抬升为陆，造成中奥陶世—早石炭世约130 Ma的沉积间断，盆地整个缺失志留系至泥盆系，马家沟组整体暴露发育盆地级规模岩溶，形成巨厚古风化壳。石炭纪末本溪期，海水由西部的秦祁海和东部的华北海向中央古隆起海侵，鄂尔多斯地区开始整体沉降接受海陆交互相沉积，盆地本部富含铝质的红土层经搬运或原地沉积于潟湖和海湾中。盆地东部大分布地区本溪组底部发育铝土岩系沉积，此时陇东地区主要处于岩溶高地区，未接受本溪组沉积，仍然以表生风化作用为主。早二叠世太原期，受海侵范围扩大的影响，陇东地区普遍接受太原组沉积（图1），太原组下部发育含铝岩系，上部发育海侵期煤系及碳酸盐岩地层。再经历表生风化淋滤作用，形成铝土矿床。
2 地震解释层位标定
由于受中央古隆起的影响，陇东大部分地区缺失本溪组，太原组从东西两侧向中央古隆起带超覆、并向南尖灭，相比其他区带陇东地区太原组厚度减薄，因此该区的地震标志层为二叠系山2段底部附近反射波Tp10，而不是区域标志层Tc2。井震标定时，先认准地震反射标准波Tp10，在反射标准波的控制下，对其他层位进行标定。
通过L47井—QT23井—L66井精细井震标定（图2）表明太原组地震反射标定在强波谷，与Tp10时差小于20 ms，不及一个同相轴的反射时差。太原组顶界面Tp10波峰反射相对稳定，但太原组底界（Tp）作为侵蚀面，横向振幅和时差变化较快。受太原组顶界煤层反射的影响，铝土岩段反射信息被淹没在一个波谷响应中，仅利用地震波形特征的横向变化很难直观预测储层发育情况。
3 地震模型正演分析
在地震资料解释过程中，针对地下岩性突变区域，可通过模型正演来辅助识别目标地质体地震响应特征，该方法是解决地震多解性的有效手段。结合研究区内合成地震记录及地层层序特征，从地震、地质对应关系出发，利用地震、测井资料分析得到的地层速度、密度及目的层主频，可建立指定地层及层段内岩性地质模型。
陇东地区太原组主要有铝土岩、炭质泥岩、泥页岩3种类型。与泥页岩相比，铝土岩在测井曲线上具有“三高二低”的电性特征［16］，即高伽马（>300 API）、高中子（>50%）、高密度（>2.7 g/cm³）、中低声波（<265 μs/m）及低钾。已知目的层太原组层段内铝土岩纵波速度在5 200~5 600 m/s之间，密度为2.8~2.83 g/cm3，而低速岩性如泥岩平均速度为3 200 m/s，平均密度为2.1 g/cm3，煤层平均速度为2 580 m/s，平均密度为1.75 g/cm3；下伏高速层碳酸盐岩平均速度在6 600 m/s左右，密度在2.85 g/cm3左右。由表1可知，与上下围岩相比，铝土岩波阻抗高于上覆砂泥岩或者煤与炭质泥岩，低于下伏碳酸盐岩；而在太原组层段内，铝土岩波阻抗高于炭质泥岩和泥页岩。正演使用的子波主频在35~40 Hz之间，上下层泥岩纵波速度为3 200 m/s，密度为2.2 g/cm3，设计图3所示模型，并采用35 Hz雷克子波进行正演，其中铝土岩宽度在0~200 m之间，厚度在0~30 m之间变化。
表1 铝土岩层段附近岩性阻抗统计Table 1 Statistics of lithological impedance near the bauxite formation section |
| 序号 | 岩性 | 纵波速度 /（m/s） | 密度 /（g/cm3） | 阻抗 /［（m/s）·（g/cm3）］ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 碳酸盐岩 | 6 600 | 2.88 | 19 088 |
| 2 | 铝土岩 | 5 464 | 2.82 | 15 408 |
| 3 | 泥质铝土岩 | 4 400 | 2.51 | 11 044 |
| 4 | 铝土质泥岩 | 3 875 | 2.35 | 9 106 |
| 5 | 泥岩 | 3 200 | 2.20 | 7 040 |
| 6 | 煤 | 2 580 | 1.75 | 4 515 |
3.1 铝土岩厚度对地震波双程旅行时T0的影响
模型正演表明，当太原组铝土岩厚度发生明显变化时，会造成太原组顶、底构造形态发生明显改变。随着铝土岩厚度加大，地震波双程旅行时T0向上发生明显翘倾。当铝土岩厚度达到20 m时，太原组顶底反射T0值提前5 ms左右（图3）。值得注意的是铝土岩发育所导致的构造变化不是真实的构造变化，而是反映岩性变化。
3.2 铝土岩厚度对Tp反射振幅的影响
保持山西组煤层厚度不变，仅改变太原组铝土岩厚度，模型正演结果［图3（a）］表明，受波阻抗差异的影响，太原组底部附近会产生明显的反射界面Tp。横向上，Tp波谷反射振幅强度随铝土岩厚度的增大而减弱。
3.3 煤层厚度对Tp反射振幅的影响
为查明煤层对铝土岩附近反射同相轴的影响，保持太原组铝土岩厚度不变，仅改变山西组煤层厚度，构建了煤层楔状模型。模型正演结果［图3（b）］表明，太原组顶部煤层厚度变化对Tp反射强度的影响是铝土岩的3倍。可见，为了突出铝土岩地震响应特征，对地震数据体开展去除煤层强反射影响显得非常必要。
4 铝土岩甜点地震预测关键技术
前人研究表明，石炭系—二叠系含铝岩系的形成和发育程度主要受沉积古地貌和古环境控制。图4为焦作巩义铝土岩剖面，从剖面可以直观看出，岩溶沟槽+漏斗控制铝土岩沉积分布，而泄水通道“溶筛”铝土岩，控制优质铝土岩储层分布。因此，地震预测的核心是微古地貌刻画和铝土岩的地震识别。
4.1 微古地貌恢复技术
古地貌精细恢复是铝土岩储层预测的前提和基础。利用地震资料预测古地貌常用残余厚度法和印模法，二者既相似又不同。残余厚度法需在等时界面之下寻找一个基准面并将其拉平，拉平后上覆地层厚度所反映的即是当时的古地貌形态，所编制的古地貌图中沉积厚度小的区域为洼地，反之则为高地。印模法则通过划分并标定出层序顶底面，并将各井等时间段地层层序顶面拉平，拉平的顶层面即为古沉积海（湖）平面，得到的底面形态即为该层序地层沉积前的相对古地貌。陇东地区受侵蚀面及煤层厚度“双变化”影响，基于地震资料难以精细解释太原组顶底界面，直接通过恢复太原组厚度来恢复古地貌难以实现，只能通过间接手段。因此统计了研究区内80口井的刘家沟组底—太原组底厚度与太原组厚度、石千峰组底—太原组底厚度与太原组厚度、山1段底—太原组底厚度与太原组厚度、寒武系底—太原组底与太原组厚度关系，制作交会图（图5），发现石千峰组底—太原组底厚度与太原组厚度正相关性最强，因此可以通过编制陇东地区石千峰组底—太原组底厚度与太原组厚度图来间接恢复太原组沉积前的宏观古地貌［图6（a）］。根据宏观古地貌刻画结果，自西南向东北可依次划分为岩溶高地［图6（a）中红色为主］、岩溶斜坡［图6（a）中绿色为主］及岩溶洼地［图6（a）中蓝色为主］3个古地貌单元。在宏观古地貌预测的基础上，通过“趋势面法”对微古地貌进行恢复，在各自单元内进一步划分出主沟槽［图6（b）中深蓝色为主］、次沟槽［图6（b）中浅蓝色为主］、潜坑［图6（b）中绿蓝色为主］及浅洼［图6（b）中绿色为主］等“负向地貌”单元。“两步法”古地貌预测方法克服了山1段地震反射Tp9和寒武系顶界Tε难以解释的难题，保留了宏观古地貌背景，细化了微观古地貌形态。
4.2 去铝土岩之上强煤层干涉技术
前述，太原组顶部煤层厚度变化对Tp反射强度的影响是铝土岩的3倍，可见煤层对铝土岩反射的影响不容忽视。低速煤层强反射屏蔽储层的有效反射信息，影响储层的属性提取和精细横向预测效果。匹配追踪算法［17-19］是一种具有自适应性的地震信号分解技术，可自适应搜索最佳匹配原子。该算法通过建立完备的匹配原子库，将待分解地震信号在该匹配原子库中投影，进行自适应分解，直到残差信号达到误差容许范围，最后将原始地震信号表示为最佳匹配原子的线性组合。匹配追踪法压制煤层强反射技术是在叠加剖面上匹配追踪出每道最优的信号原子，再利用叠后数据中的每一道自适应减去该道匹配出的煤层信号，压制煤层强反射。图7是过L47井东西向地震剖面经过压制强煤层前后的效果对比，去除煤层影响后Tp弱振幅在剖面上的突显，表现为明显的Tp振幅减弱特征，推测铝土岩发育，与L47井钻探情况吻合。
4.3 叠后地质统计学反演技术
利用研究区35口井岩石物理参数分析，建立太原组各岩性统计交会图，结果表明纵波阻抗能较好区分铝土岩（交会图中红色）和非铝土岩（交会图中绿色，含煤层、炭质泥岩等）（图8）。太原组层段内铝土岩［阻抗大于13 500（m/s）·（g/cm3）］与煤、砂岩、泥岩的分布范围可以明显区分，这是铝土岩区别于陇东地区致密砂岩的一个显著特点。铝土岩地震波阻抗高于上覆砂泥岩或者煤与炭质泥岩，低于下伏碳酸盐岩，由于波阻抗差异大，采用常规纵波阻抗反演已经能够较好预测铝土岩分布。在预测方法上，可以优先选择叠后地质统计学反演获得的纵波阻抗弹性参数体就能很好地预测铝土岩空间展布形态，无需开展叠前地质统计学反演。
叠后地质统计学反演将蒙特卡洛随机反演与叠后波阻抗反演相结合，在地质统计学分析的基础上，开展随机模拟和反演，其优势在于提高波阻抗反演的纵向分辨率的同时，又保证了储层预测的可靠度。图9为过L43井—L48井—L47井连井叠后地质统计学反演定性预测铝土岩储层厚度的效果，铝土岩发育区为太原组低阻抗背景下的相对高阻抗特征，通过太原组高阻抗体的镂空显示可以明确铝土岩的横向分布范围。
5 铝土岩分布特征
基于微古地貌能够圈定负向地貌单元的分布范围，铝土岩主要分布在负向地貌单元的斜坡部位。通过圈定Tp波谷振幅的减弱区可以半定量预测铝土岩的大致分布范围。进而反演出太原组层段内低阻抗背景下的高阻抗体，明确铝土岩的横向分布范围。
从QT1井区地震反演预测结果（图10）来看，铝土岩主要分布在岩溶斜坡区，与负向微古地貌对应较好。研究区内铝土岩分布总体呈片状和点状，走向为“北西—南东”向。铝土岩厚度范围在0~20 m之间，厚度大于5 m的铝土岩主要集中在L85井—L25井、QT13井一带，呈片状分布；L21井、L48井、L47井一带铝土岩主要呈点状分布。
6 有利区评价
陇东地区太原组铝土岩主要分布在下古生界碳酸盐岩古地貌斜坡及潜坑等低部位，上覆煤系烃源岩，成藏条件有利。储层在大面积、普遍低渗背景下，受地表水淋滤、岩溶作用影响，局部发育高孔、高渗“甜点”；成藏过程受到古地貌、岩溶水循环以及现今构造、微断裂等多重因素影响，成藏条件苛刻，气藏规模小，有利目标预测难度大。
2021年首次在L47井太原组铝土岩钻遇有效气层，试气获67.4×104 m3/d高产气流，标志着盆地铝土岩新领域获得重大突破。2022年为进一步解剖成藏机理，评价开发潜力，在L47井区部署评价井2口，其中L47-1CH井完钻井深5 027 m，水平段700 m，其中铝土岩段长565 m，钻遇率为80.71%，含气铝土岩段长502 m，钻遇率为71.71%，钻遇显示良好，气测峰值为73.3%，试气无阻产量353.4×104 m3/d，创造鄂尔多斯盆地上古生界试气产量最高记录。
目前，陇东地区已累计钻遇含气铝土岩气井46口，完试14口，12口试气产量大于1×104 m3/d，4口工业气流井，2口井试气突破百万方。目前已落实L47和CT3两个有利区，有利勘探面积近8 000 km2，预测总资源量约为5 000×108 m3。
7 结论
鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩成藏机理复杂，其中古岩溶“负向地貌”单元控制了含铝土岩局部富集。因此应用三维地震资料刻画太原组沉积前古地貌和预测铝土岩储层发育区成为迫切需要。通过对地震模型正演分析，结合已有地质认识，探索陇东地区太原组铝土岩地震预测与有利区优选方法，获得如下认识：
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（1）石千峰组底—太原组底厚度与太原组厚度相关性好，可用于预测宏观古地貌。在宏观古地貌预测的基础上，通过“趋势面法”对微古地貌进行恢复，在各自单元内进一步划分出主沟槽、次沟槽、潜坑及浅洼等“负向地貌”单元，细化了微观古地貌形态。“两步法”是预测前石炭纪古地貌的有效方法。
（2）太原组顶部煤层厚度变化对Tp反射强度的影响是铝土岩的3倍，可见煤层对铝土岩反射的影响不容忽视。在压制煤层强反射干扰的前提下，采用叠后地质统计学反演获得的纵波阻抗体就能很好地预测铝土岩空间展布，不需要开展叠前地质统计学反演。
（3）通过综合古地貌、岩性、断裂及构造等因素对陇东地区太原组铝土岩储层开展地震预测，形成了“一低一弱，一高两带”的井位优选模式，该模式在铝土岩高效井位部署中发挥了积极作用。
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